第27卷 第4期2006年7月石油学报AC TA PETROL EI SIN ICAVol.27 No.4J uly2006基金项目:中国石油天然气股份有限公司科技攻关项目“管输大庆原油结蜡规律研究”(200021)的部分成果。
作者简介:黄启玉,男,1969年9月生,2000年获石油大学(北京)博士学位,现为中国石油大学(北京)油气储运工程系副教授,研究方向为原油流变性及原油蜡沉积。
E 2mail :ppd @文章编号:0253Ο2697(2006)04Ο0125Ο05大庆原油蜡沉积规律研究黄启玉1 张劲军1 高学峰2 张祖华3(1.中国石油大学石油天然气工程学院 北京 102249; 2.中国石油管道公司长庆输油分公司 宁夏银川 750006;3.中国石油管道公司大连输油分公司 辽宁大连 116601)摘要:在理论分析及室内试验的基础上,系统研究了油温、流速、管壁处温度梯度等参数对大庆原油蜡沉积的影响。
在原油与管壁温差相同时,不同温度段蜡沉积速率并不相同,存在蜡沉积高峰区。
在壁温相同时,随油温升高,蜡沉积速率逐渐增加。
在油温、壁温相同的条件下,随流速增加,蜡沉积速率下降。
建立了大庆原油蜡沉积模型,并利用该模型预测了铁岭—秦皇岛输油管线不同季节、不同时间沿线蜡沉积分布。
铁—秦线冬季存在蜡沉积高峰区;春、秋季出站时蜡沉积最严重,下一站进站时蜡沉积最轻;夏季蜡沉积速率更小,且沿线变化不大。
关键词:大庆原油;蜡沉积;输油管道;蜡沉积速率;数学模型中图分类号:TE 78 文献标识码:AStudy on w ax deposition of Daqing crude oilHuang Qiyu 1 Zhang Jinjun 1 Gao Xuefeng 2 Zhang Zuhua 3(1.Facult y of Pet roleum Engineering ,China Universit y of Pet roleum ,B ei j ing 102249,China;2.Changqing Oil T rans portation Com pany ,CN PC Pi peline ,Yinchuan 750006;China;3.Dalian Oil T rans portation Com pany ,CN PC Pi peline ,Dalian 116601,China )Abstract :A wax deposition model of Daqing crude oil was developed on the basis of theoretical analysis and laboratory experiment.The effects of oil temperature ,flow velocity and temperature gradient of pipeline wall on wax deposition of Daqing oil were studied.When the temperature difference between crude oil and wall of pipeline is same ,the wax deposition rate is different.There is wax deposition peak along a pipeline.At the same temperature of pipeline wall ,the wax deposition rate increases with increase of oil tem 2perature.At the same oil and wall temperature ,the wax deposition rate increases with increase of flow velocity.The wax deposition model was used to predict wax deposition profile along Tieling 2Qinhuangdao pipeline at different seasons.The results show that there is an area where wax deposition rate is serious between pump stations in winter.In autumn and spring ,the wax deposition rate is the highest in outlets of pump stations.In summer ,the variation of wax deposition rate is little along the Tieling 2Qinhuangdao pipeline.K ey w ords :Daqing crude oil ;wax deposition ;oil transportation pipeline ;wax deposition rate ;mathematical model 国内外学者对原油蜡沉积进行了系统研究,提出了多个的蜡沉积模型[126]。
大庆原油属于高含蜡原油,在管输过程中蜡沉积严重。
笔者在室内实验的基础上,系统研究了大庆原油蜡沉积规律,并对输送大庆原油的铁岭—秦皇岛输油管线的蜡沉积进行了预测。
1 大庆原油的物性及实验装置大庆原油的含蜡量为28144%,凝点为3315℃,析蜡点为4412℃,胶质含量为12159%,20℃时的原油密度为860kg/m3。
为了研究大庆原油蜡沉积规律,设计安装了管流蜡沉积环道,该环道的流程见图1。
该装置有以下特点:①原油蜡沉积在管流条件下进行;②用计算机采图1 蜡沉积试验装置Fig.1 W ax deposition flow loop集、记录试验数据,自动化程度较高;③试验过程中可以通过参比段、测试段的差压计算并显示蜡沉积厚度,126 石 油 学 报2006年 第27卷 可以通过参比段差压监测试验过程中原油的流动性及其变化;④测试段、参比段用软管连接,拆卸方便,操作简单,试验结束后可以回收沉积物样品,供物性研究使用。
2 大庆原油蜡沉积的主要影响因素211 油 温在实验流速为013m/s 、原油管壁温差为5℃时,不同温度区间大庆原油蜡沉积实验结果见图2。
图2 温差为5℃时不同温度区间蜡沉积速率Fig.2 W ax deposition rate at different temperature area 从图2的结果看,在实验流速相同、原油管壁温差相同时,不同温度段蜡沉积速率并不相同,在油温为38～45℃时形成蜡沉积高峰区。
高于或低于这个温度段时蜡沉积速率相对较小。
212 原油管壁温差在壁温相同、油温不同情况下大庆原油蜡沉积实验结果见图3。
图3 不同油温时蜡沉积速率Fig.3 W ax deposition rate at difference oil temperature 从图3的结果看,对于大庆原油,油温在35℃～45℃范围内,在壁温相同时,随油温的升高,蜡沉积速率逐渐增加。
213 流 速在壁温、油温保持不变,流速不同条件下大庆原油蜡沉积速率见图4。
图4 流速对蜡沉积速率的影响Fig.4 E ffect of flow velocity on w ax deposition rate 从图4的结果看,在试验的流速范围内,在油温和壁温保持不变的条件下,随流速增加,蜡沉积速率下降。
3 大庆原油不同温度段析出蜡量根据差示扫描量热仪的工作原理,通过测量输入到试样和参比样之间的能量随温度变化的函数关系,选择在整个温控过程中无相变、热焓小的空气作为参比样,与试样同放在DSC 池中。
在程序降温区域内,由于原油析蜡放出一定的热量,造成试样温度高于参比样,其间温差ΔT 由零转为非零。
为使ΔT 继续为零,并保证试样、参比样与程控温度相同,仪器自动调节供给试样和参比样的热流量,同时将该热流量的差值对温度作热谱图。
在热谱图中可看到,由于相变热的产生和增加,样品热流曲线逐渐偏离参比基线而形成热流峰;随着析蜡逐渐减少至结束,相变热与温差均相应减少,并最终至零,两条曲线又重合。
曲线偏离基线的点对应的温度就是油样的析蜡点,曲线峰值对应于析蜡高峰点。
对热流曲线和基线包围的面积进行积分,可计算平均析蜡潜热;根据蜡的平均结晶热,可以计算出试样的含蜡量。
根据大庆原油DSC 曲线计算 第4期黄启玉等:大庆原油蜡沉积规律研究127 不同温度段析出的含蜡量,结果见图5。
图5 大庆原油不同温度段析出的蜡量Fig.5 W ax 2precipitation of Daqing crude oilat different temperature4 大庆原油蜡沉积模型Burger 根据Fick 扩散定理计算了分子扩散产生的蜡沉积速率,他认为所有扩散到管壁上的蜡分子都能结晶析出并沉积[7]。
而实际上原油在管线内是流动的,由于油流的冲刷作用,并不是所有扩散到管壁的蜡分子都能结晶析出并沉积下来,即使沉积下来的蜡也有可能被油流冲刷掉。
因此,用Fick 扩散定理计算分子扩散产生的蜡沉积速率有一定局限性。
考虑到油流对蜡沉积层的冲刷,在Fick 扩散定理的基础上,假设蜡沉积速率为W =f W m =f ρwaxBμd Cd T d T d r(1)式中 W m 为单位时间内扩散到管壁单位面积上可结晶析出的蜡分子的量,g/(m 2・h );W 为单位时间内沉积到单位面积上的蜡沉积物量,g/(m 2・h );f 为蜡沉积系数,随管壁剪切应力、管壁温度梯度等因素不同而变化;d C /d T 为每降1℃时析出的蜡量,即蜡在原油中的溶解度系数,1/℃;d T /d r 为径向温度梯度,℃/m ;ρwax 为蜡的密度,kg/m 3;对于给定的油样,在不同试验油温、壁温及流速条件下,ρwax 是常数;B 为系数,对于某一种原油近似为常数。
这样,式(1)可以表示为W =f ′1μd Cd T d T d r(2) f ′为蜡沉积倾向系数,f ′=f ρm B 。
根据式(2)可以求得蜡沉积倾向系数f ′为f ′=W μ/d Cd T d T d r(3) 对于每一组实验,可以通过蜡沉积的热力学模型计算求得d C /d T ,通过传热计算求得d T /d r ,根据压差求得μ,通过实验求得W 。
这样就可以计算不同条件下的蜡沉积倾向系数f ′。
根据室内研究结果,对于大庆原油,管壁剪切应力、管壁处温度梯度对蜡沉积倾向系数有较大影响。