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集油溫度對原油集輸管道結蠟影響分析

文檔作者：朱敬華文檔來源：中油管道物資裝備總公司		點擊數(shù)：	更新時間： 2021年06月30日
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第42卷增刊1
2013年8月
石油化工設備
PETRO-CHEMICAL EQUIPMENT
Vo1．42 Supplement 1
Aug．2013
文章編號：1000—7466(2013)增刊1-0005—04
集油溫度對原油集輸管道結蠟影響分析
朱敬華
(中油管道物資裝備總公司，河北廊坊065000)
摘要：針對原油輸送過程中由于管道沿線溫度逐漸降低導致管道中結蠟而嚴重影響原油正常輸送
的問題，分析了原油集輸管道石蠟沉積的機理，利用沉積傾向系數(shù)法建立原油集輸管道石蠟沉積模
型，探討了集油溫度對原油集輸管道結蠟的影響，認為集油溫度對原油集輸管道結蠟影響較大，其
中集油溫度對管道結蠟規(guī)律的影響可以劃分為2個區(qū)間，低于臨界集油溫度時，不同含水率(質(zhì)量
分數(shù))原油的結蠟速率隨著集油溫度的上升而增大；高于臨界集油溫度時，不同含水率原油的結蠟
速率隨著集油溫度的上升而減小。據(jù)此可知，臨界集油溫度附近是不同流量和不同含水率下原油
集輸管道最容易結蠟的溫度區(qū)間，進行集輸管道工程設計時應予考慮。
關鍵詞：原油集輸管道；結蠟規(guī)律；沉積傾向系數(shù)法；集油溫度
中圖分類號：TE 832 文獻標志碼：A doi：10．3969／j．issn．i000—7466．2O13．s1．002
Analysis of Oil Gathering Tem perature Influence on
W ax Deposition in Collector Pipelines
ZHU Jing-hua
(China Petroleum Pipeline M aterial and Equipment Corporation， Langfang 065000， China)
Abstract：The collector pipelines are usually damaged due to gradual temperature decrease along
the pipelines．The oil gathering temperature influence on wax deposition in collector pipelines was
analyzed，by using the wax deposition inclination coefficient method on the basis of analyzing the
wax deposition rule．The result of the analysis turns out that the oil gathering temperature has
serious influence on the wax deposition in collector pipelines，especially on the critical oil gather—
ing temperature including tWO independent parts which was considered in collector pipeline
design．
Key words：oil collector pipeline~ wax deposition rule~wax deposition inclination coefficient；
oi1 gathering tem perature
在原油開采和輸送過程中，管道結蠟的現(xiàn)象普
遍存在，以我國大慶油田為例，其所產(chǎn)石油大部分為
石蠟基原油，具有高含蠟、高凝點、高粘度的特點，其
含蠟量15 ～30 。原油輸送管道結蠟的原因是
由于集輸管道沿線的溫度逐漸降低，當溫度低于析
蠟點時，原油中會析出固體石蠟結晶，這些結晶會粘
附在管道內(nèi)壁上形成石蠟結晶中心，或懸浮于原油
中形成固、液兩相系統(tǒng)。當溫度繼續(xù)降低時，管道壁
面石蠟晶體開始長大、擴展，形成厚度不均勻的結蠟
層，致使管道內(nèi)徑逐漸變小，內(nèi)壁粗糙度增加，繼而
造成結垢甚至堵塞管道。因此，原油結蠟問題已成
為增大原油集輸能耗的主要因素之一_1 ]，各大石油
公司每年都需花費上百億美元用于化學藥品投放和
管道保溫，以解決原油結蠟的問題。
收稿日期：2013-03-14
作者簡介：朱敬華(1979一)，男(滿族)，遼寧綏中人，工程師，現(xiàn)從事管道項目建設與管理工作。
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石油化工設備 2013年第42卷
1 原油集輸管道石蠟沉積機理
早期的研究認為石蠟沉積的機理有4種，分別
為分子擴散、剪切彌散、布朗擴散和重力沉降。后
來，深水石油的開發(fā)推動了蠟沉積理論的研究，取得
了新的理論成果。在實驗中，研究人員考慮了剪切
剝離的影響，提出了老化的概念，進一步深化了蠟沉
積的機理 ]。目前，在蠟沉積的機理描述方面仍存
在分歧，并未形成統(tǒng)一意見。典型的石蠟沉積機理
主要有以下幾種觀點。
(1)分子擴散 當溫度低于析蠟點溫度和油流
溫度時，原油中管壁處的石蠟分子以管壁處的結晶
為中心析出結晶，造成該處溶解的石蠟濃度小于原
油中流動的石蠟濃度。根據(jù)擴散定律，原油中流動
的石蠟分子和管壁處的石蠟分子之間形成濃度梯
度，石蠟分子向管壁附近遷移，進而沉積下來。根據(jù)
這一理論，只要管壁溫度低于析蠟點溫度和油流溫
度，就會有大量石蠟分子向管壁處運移、沉積，周而
復始，形成了結蠟_6。]。
(2)剪切彌散與分子擴散機理不同，剪切彌
散機理認為石蠟沉積是因為石蠟晶體在流場速度
梯度的作用下將往管壁方向運移，而不是濃度梯
度。根據(jù)這一理論，當油流與管壁間不存在溫度
差或者管壁溫度高于油溫時，分子擴散機理不起
作用，如果存在石蠟沉積，應該是因為剪切彌散的
作用。但實驗結果表明，在上述情況下并沒有石
蠟沉積現(xiàn)象發(fā)生。
(3)布朗運動 布朗擴散說則認為懸浮于原油
中的石蠟晶體顆粒存在無規(guī)則的熱運動(即布朗運
動)，當原油中存在石蠟晶體顆粒濃度梯度時，布朗
運動的結果使得石蠟晶體從油流中石蠟晶體濃度較
高的區(qū)域遷移到管壁附近，繼而沉積下來。
(4)重力沉降 重力沉降說認為由于已經(jīng)析出
的石蠟晶體顆粒與液態(tài)原油存在密度差，石蠟晶體
顆粒也可能因重力作用而沉降下來。
(5)剪切剝離作用以及老化機理 當原油流速
增加時，管壁處的剪切應力也隨之增大。當剪切
應力增大到某一特定值，能夠破壞石蠟沉積層的
強度時，可以將沉積在管壁上的蠟沉積物直接沖
刷下來，和油流一起流走?；诩羟袆冸x作用，原
油的流型、流速和流態(tài)對沉積物厚度以及硬度有
重要的影響。
實驗發(fā)現(xiàn)隨著沉積時間的增大，沉積在管壁上
的蠟的硬度和平均碳原子數(shù)也隨之增大。美國
Michigan大學的研究小組通過大量的實驗研究發(fā)
現(xiàn)溫度低于原油溫度時，管道內(nèi)壁上首先會形成一
層凝油層，然后油流、沉積層表面和淺層的石蠟分子
會通過凝油層向管壁處擴散，隨后結晶析出。與此
同時，沉積層中的輕烴向原油流向相反方向擴散。
這種不同方向的擴散作用導致沉積層含蠟量越來越
多，含油量越來越少，稱為老化過程。
2 原油集輸管道石蠟沉積模型
筆者根據(jù)常用的蠟沉積傾向系數(shù)法建立原油集
輸管道石蠟沉積的模型。該模型考慮了管壁處剪切
應力、徑向溫度梯度的影響，管道壁面處的剪切應
力、徑向溫度梯度對蠟沉積傾向系數(shù)有較大的影響。
定義蠟沉積傾向系數(shù)與管壁處的切應力、徑向溫度
梯度的關系式如下：
， 一 ( (1)
式中，， 為蠟沉積傾向系數(shù)；r 為管壁處的切應力，
Pa；半為管壁處的徑向溫度梯度，℃／ram；d 為原
油流動體系的含水率， ，志、m、 、a為常數(shù)，通過實
驗確定。
石蠟沉積速率計算公式為：
w=f l(dC)(dt)==憊r m 1“＼[dC￡，~＼d t) ”(2)
式中，W 為石蠟沉積速率，g／(In ·h)； 為原油粘
度，Pa·s； 為管壁處石蠟晶體溶解度系數(shù)，
1O ／℃ 。
根據(jù)國內(nèi)某油田某特定區(qū)塊產(chǎn)出的原油進行室
內(nèi)管流模擬試驗[6。 ，確定出蠟沉積傾向系數(shù)法模
型中的常數(shù)分別為k一1 592．96，m===一0．893，，z一
一0．058 9，a一一0．70，進而建立原油集輸管道的蠟
沉積模型如下。
w=l 592．96 ( )( ¨ 。(3)
3 不同集油溫度對集輸管道結蠟的影響
分別以某油田所在地區(qū)年季節(jié)最高土壤溫度
(9℃)和年季節(jié)最低土壤溫度(一9℃)為條件，研
究不同集油溫度對原油集輸管道結蠟的影響。
2種土壤溫度條件下不同體積流量、不同含水
率(質(zhì)量分數(shù))下原油含水率對集輸管道結蠟規(guī)律的
影響分別見圖1～ 圖4。
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增刊1 朱敬華：集油溫度對原油集輸管道結蠟影響分析 · 7’
l6
． 14
口12
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6
蟄 4
好
35
’ 30
25
20
警15
蟄10
嘏5
2O 25 3O 35 40 45
集油溫度／℃ 集油溫度，℃
(a)土壤溫度為9℃ (b)土壤溫度為一9℃
圖1 體積流量為45 m。／d時不同集油溫度對原油管道結蠟的影響
2O 25 30 35 40 45
集油溫度／℃
40
． 35
30
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20 25 3O 35 40 45
集油溫度／℃
(a)土壤溫度為9℃ (b)土壤溫度為一9 oc
圖2 體積流量為30 m。／d時不同集油溫度對原油管道結蠟的影響
2O 25 3O 35 40 45
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集油溫度／qE
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好10 O 25 3O 35 40 45
集油溫度，℃
(a)土壤溫度為9℃ (b)土壤溫度為一9℃
圖3 體積流量為15 m。／d時不同集油溫度對原油管道結蠟的影響
20 25 3O 35 40 45
集油溫度，℃ 集油溫度，℃
(a)土壤溫度為9℃ (b)土壤溫度為一9℃
圖4 體積流量為5 m3／d時不同集油溫度對原油管道結蠟的影響
由圖1～ 圖4可以看出，集油溫度對管道結蠟
規(guī)律的影響可以劃分為2個區(qū)間：① 30℃ 以下，不
同含水率原油的結蠟速率隨著集油溫度的上升而增
大。② 3O℃ 以上，不同含水率原油的結蠟速率隨
著集油溫度的上升而減小。因此可知，30℃ 附近便
是不同體積流量和不同含水率下集輸管道最容易結
蠟的溫度區(qū)間。
綜合考慮模擬土壤溫度為9℃和模擬土壤溫度
為一9℃ ，可以得到以下規(guī)律：在含水率相同的條件
下，集油溫度升高，dC／dt和dr~dr均不斷減小，結
蠟速率將逐漸降低，30。C附近是相同工況下集輸管
道最容易結蠟的溫度區(qū)間。
當集油溫度小于30℃時，隨著溫度的降低，油
壁的溫差不斷減小，且隨著溫度的降低油壁溫差減
．
蟄
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· 8 · 石油化工設備 2013年第42卷
小幅度不斷增大，即徑向溫度梯度dt／dr隨著集油
溫度的降低，減小幅度不斷增大，導致主要受徑向溫
度梯度影響的石蠟分子濃度梯度dC／dt也不斷減小，
而石蠟分子濃度梯度dC／dt又決定分子擴散作用的
強弱。于是，隨著集油溫度的降低，分子擴散作用減
弱程度愈加明顯，這樣便造成了2O℃下的結蠟速率
低于30℃和35℃ 的結蠟速率。同樣，集油溫度高
于30℃時，雖然隨著溫度的升高，油壁的溫差不斷
加大，dt／dr上升，當析出的石蠟分子濃度一定時，
dC／dt也將增大，分子擴散作用將逐漸增強，但是集
油溫度的升高會使石蠟分子在原油中的溶解度增
大，這一相互作用的抵觸便使結蠟規(guī)律呈現(xiàn)上述變
化特征。
4 結語
根據(jù)國內(nèi)某油田某特定區(qū)塊產(chǎn)出的原油進行室
內(nèi)管流模擬試驗建立的原油集輸管道的蠟沉積模型
以及某油田所在地區(qū)年季節(jié)最高土壤溫度(9℃)和
年季節(jié)最低土壤溫度(～9℃)為條件的研究結果顯
示，集油溫度對管道結蠟規(guī)律的影響可以劃分為2
個區(qū)間，低于臨界集油溫度時，不同含水率原油的結
蠟速率隨著集油溫度的上升而增大；高于臨界集油
溫度時，不同含水率原油的結蠟速率隨著集油溫度
的上升而減小。因此，臨界集油溫度附近便是不同
體積流量和不同含水率下集輸管道最容易結蠟的溫
度區(qū)間。在進行集輸管道工程設計時應盡量避開集
油結蠟率相對較高的溫度區(qū)間。
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