含蜡原油常温输送技术的研究与应用

1、含蜡原油常温输送技术的研究与应用2011钲第3期管道技术PipelineTechnique5 设各andEquipment2011No.3含蜡原油常温输送技术的研究与应用蒲欢,梁光川 ,李维(1.西南石油大学 ,四川南充 637001;2.中石油西南油气田分公司勘探事业部 ,四川 成都 610041)摘要 :国内盛产含蜡原油 ,研究其常温输送技术 ,在安全输油 ,节能降耗等方面具有 重要意义 .结合常温输送工艺的内涵 ,提出了实现含蜡原油常温输送的技术路线 ,根据该技术路 线,论述了含蜡原油常温输送的研究内容 ,研究方法及其技术现状 ,主要包括含蜡原油的流变性 ,改性 机理和方法以及几种主要的

2、常温输送工艺 .文中介绍了目前国内外部分原油管线常温输送技术的应用 情况.随着研究的不断深入 ,常温输送工艺还有更广阔的发展空间 .关键词:含蜡原油 ;常温输送 ;技术路线中图分类号：TE832文献标识码:A文章编号：1004 9614(2011)03-0o04 03ResearchandApplicationofWaxyOilTransportation TechniqueatNormalTemperaturePUHuan,LIANGGuang.ehuan,LIWei(1.SouthwestPetroleumUniversity,Nanchong637001,China;2.PetroChi

3、naSouthwestOilandGasCompanyExplorationDivision,Chengdu610041,Chi na)Abstract:Chinateemswithwaxycrudeoil,sotostudythetechnologictransportationatnorma ltemperatureisofgreatsig nificanceintheaspectofenergysavingandsecurity.Onthebasisofthemeaningsofthetranspo rtationatnormaltemperature,this paperpropose

4、sthetechnicalcourseofimplementationofwaxyoiltransportationatnormalte mperature.Accordingtothetechnical course,thecontenttobestudied,theresearchmethodandthetechnicalstatusquoarerespectiv elyexpounded,includingtherhe ologyofwaxyoil,themechanismandmethodsofrheologicalchangesandthemainnormaltra nsportat

5、iontechnique.Thenitintro?ducestheapplicationoverviewofwaxycrudeoiltransportationatnormaltemperatureathom eandabroad.Withtheintensive study,thetransportationtechnologyatnormaltemperaturehasabroadspaceofdevelopment. Keywords:waxycrudeoil;transportationatnormaltemperature;technicalcourse 0 引言随着国内石油工业的快

6、速发展 ,勘探和开采技术 的不断提高 ,原油产量持续增长 .但是 ,国内所产原 油大多为含蜡原油 ,主要油田的原油含蜡量高达 15%45%,如胜利油田部分原油含量蜡为 15.8%一19.7%,大庆油田部分原油含蜡量达到了 25.2% 28.7%而辽河沈北的原油含蜡量甚至高达 45%.含蜡原油具有凝点高 ,低温流动性差的特点 ,在 管道输送过程中普遍存在析蜡 ,结垢,凝管及堵塞现 象,严重影响了管道的安全运行 ,传统上主要采用加 热的方式进行输送 ,但是存在着燃料消耗大 ,占用的设备及人力多 ,事故停输后有凝结危险等缺点 .因 此 ,在国内含蜡原油产量继续增长 ,对能源的需求继 续加大的情况下

7、,研究含蜡原油的常温管输工艺 ,在 收稿日期 :20100323 收修改稿 15t 期:20101207 实现安全输送 ,节能降耗等方面具有重要的现实意 义.1含蜡原油常温输送的技术研究 常温输送 ,通常是指在输油管道的环境温度下 , 管输过程中不需要加热的管道输油工艺 .原油管道 常温输送工艺的主要内涵包括 :它以原油流变学研究 为理论基础 ;采用物理或化学的方法对原油实施改 性 ,即改善其流变特性 (尤其是低温流变特性 );根据 原油改性效果进行管道的改造和设计 J.1.1 含蜡原油常温输送的技术路线 含蜡原油常温输送技术的研究涉及理论与实验 两方面的研究 ,其中主要包括含蜡原油的流变性

8、,黏 温关系 ,实施改善原油流变特性的机理及方法 ,改性 效果分析以及常温管输工艺等方面的研究 .其主要 技术路线如下 :(1) 实验测定含蜡原油特性 (包括组成 ,流变性 第 3 期蒲欢等 : 含蜡原油常温输送技术的研究与应用 5 等),研究其析蜡规律 ;表 1 黏度,凝点,屈服值的测定方法(2) 研究含蜡原油的改性机理 ;测试指标实验方法(3) 选择合适的改性方法和输送工艺 ;(4) 确定改性工艺参数 ,分析研究影响改性效果 的因素 ;(5) 进行室内模拟实验及现场实验 ,研究改性效 果 ,为管道设计提供流变参数 ;(6) 确定最终设计方案 .1.2 含蜡原油的流变性 含蜡原油常温输送与流

9、变学和非牛顿流体力学 密切相关 .为了实现含蜡原油的常温输送 ,必须研究 含蜡原油的流变特性 .国内在 20世纪 5060 年代就 开展了对含蜡原油流变性的研究 .通过大量的实验 研究 ,认识到原油流变性的一般变化规律 .含蜡原油 的组成非常复杂 ,其流变行为呈现多重性 .它不仅取 决于连续相的组分 ,含量和分散相的浓度 ,颗粒大小 形状,排列等,还与经历的热历史 ,剪切历史 ,剪切时 间等因素有关 .已有实验研究表明 ,产地不同的含蜡原油 ,虽然 其组成,含蜡量不同 ,但是流变规律随温度的变化类 似,大体可用 3 种流变体类型归纳 2. 1.2.1牛顿流体当油温高于反常点时 ,含蜡原油中的蜡

10、晶颗粒基 本溶解或者成高度分散状态 ,原油的流变特性遵从牛 顿内摩擦定律 ,可用流变方程丁 =描述 .但不同温 度下蜡晶析出的情况不同 ,黏温曲线在析蜡点发生转 折.1.2.2假塑性流体 油温在低于反常点 ,高于失流点的范围内 ,含蜡 原油一般为假塑性流体 ,表观黏度是温度与剪切率的 函数 ,并且随着油温降低 ,剪切稀释性和触变性逐渐 增强，其流变方程可用r=表示.1.2.3屈服假塑性流体 当油温低于失流点时 ,含蜡原油一般为屈服假塑 性流体,表现出明显的触变性和剪切稀释性 ,其流变 方程可通过方程r=+拟合得到.工业上常用的评价含蜡原油流变性的指标有黏 度,凝点,屈服值 ,这些指标的主要测定

11、方法如表 1所 示 .通过实验测定相关参数 ,拟合出含蜡原油的流 变方程,黏温方程 ,从而为含蜡原油的常温输送研究 提供基础数据 .黏度毛细管黏度计法 ,旋转黏度计法 ,试验模型管路法 凝点国标法 ,直接冷却法 ,熔化法 ,凝点法 屈服值旋转黏度计法 ,管路模拟法1.3改善含蜡原油流变性的作用机理及方法 要实现含蜡原油的常温输送 ,重点是改善原油的 流动性能 ,特别是低温流动性 ,使其凝点和黏度满足 常温输送的要求 .原油中已结晶蜡的量 ,形态和结构 是决定原油流变性的主要因素 .蜡晶的析出大致经 历生成和长大 2 个交叠的阶段 .已有研究成果表明 , 蜡晶一般为薄片状流放晶体 ,也有针状和树

12、枝状过渡 形晶 ,片状和针状叠合联结能力较强 ,很容易构成空 问网络结构 ,使原油胶凝 ,而树枝状或立方态的晶体 居多时 ,相互结合能力下降 ,从而减弱原油胶凝的趋 势和结构的强度 .原油改性处理就是针对这种性质 , 通过控制条件或添加化学剂来改变蜡晶的大小和形 态 ,以消弱其结合趋势 J. 改善含蜡原油流变性的方法可以分为物理的 ,物 理化学的 ,化学的三大类 . 物理方法主要有 :对原油系统的触变结构进行预 先的等温破坏 ;提高油流的温度 . 物理化学方法主要有 :不影响石蜡族烃析蜡过 程 ,将油乳化于水输送 ;调整原油中固体相的可溶性 ; 控制石蜡族烃析蜡过程 . 化学方法主要有 :原油

13、的脱蜡 ,脱沥青及热分解 . 目前常用的方法主要是热处理和添加降凝剂 .热处理是基于原油流变性对温度及温度历史的依赖 性,通过改变析出的蜡晶形态和强度而开发出的输送 工艺 .而降凝剂的作用机理主要有吸附理论 ,成核理 论,共晶理论 ,改善蜡的溶解性理论 .1.4几种主要的常温输送工艺 目前 ,国内外主要采用热处理 ,加降凝剂以及加 剂综合处理的方式实现含蜡原油的常温输送 ,其他还 有稀释输送 ,水悬浮输送等方式 ,都能实现含蜡原油 的常温输送 .在实际设计中 ,必须从原油性质 ,管道 长度,地区条件 ,运行需求等具体情况出发 ,选用经济 合理的输送工艺 .1.4.1热处理输送 含蜡原油的热处理

14、 ,就是指将原油加热到一定温 度 ,使原油中的石蜡 ,胶质和沥青质溶解 ,分散在原油 中 ,再以一定的温降速度和方式 （动态或静态 ）,改变 蜡晶的形态 ,结构和强度 ,改善原油的低温流动性 . 6PipelineTechniqueandEquipmentMav.20l1 利用原油热处理实现含蜡原油的常温输送或延长距 离输送 ,称为热处理输送 J.采用热处理的方式 ,主要测定原油的最优热处理 温度和热处理的稳定性 .同时 ,还要研究原油组成 （胶蜡比）,冷却速度 ,剪切等因素对热处理效果的影 响 ,从而确定热处理输送的具体方案 .1.4.2加降凝剂输送 加降凝剂输送是指在原油中加入降凝剂 ,以

15、降低 含蜡原油凝点和黏度 ,改善其低温流动性的一种物理 化学方法 .添加降凝剂输送具有操作简单 ,适用范围 广等优点 ,但在运用过程中仍存在一些不足 ,降凝剂 对含蜡原油降凝存在很强的选择性 ,而且成本较高 . 加降凝剂输送的重点是通过实验的方法研究原 油与降凝剂的配伍规律 ,筛选出最有效的降凝剂 ,然 后确定加剂处理温度和加剂浓度 ,并且还要研究剪切 作用和加热历史等对加剂原油流变性的影响 . 1.4.3加剂综合处理输送 加剂综合输送技术就是将加有降凝剂的原油加 热至一定温度 ,使蜡溶解在液相中 ,再以一定的温降 速率和方式使原油的温度降下来 . 这种输送工艺是热处理和降凝剂的效果充分发 挥

16、 ,在国内多条管线上采用后 ,取得了较好的经济效 益 ,是目前实现含蜡原油常温输送最常用的工艺 . 1.4.4其他输送工艺 除了上述输送工艺 ,还有水悬浮 ,低黏液环 ,乳化 输送等工艺都能用于含蜡原油的常温输送 .现在 ,国 内外正在研究更多的常温输送工艺 ,例如液体弹性 波,磁处理 ,器输（滑箱 ,膜袋）,核辐照以及界面减阻 等.1.5室内模拟实验和现场实验 为了验证输送方案的合理性和安全性 ,预测原油 改性效果 ,为管道工艺设计提供准确的流变参数 ,开 展室内模拟实验 ,考察经过处理后的原油在管路工况 下的凝点及相关的流动参数的变化是有必要的 . 目前,室内模拟实验装置主要有环道实验装置

17、和 密闭实验装置 .其中环道实验装置主要由实验管路 系统 ,恒温循环水系统 ,数据采集系统等组成 ;密闭实 验装置主要由密闭罐 ,调速搅拌器及程控水浴组成 . 环道实验装置与原油的实际管路的工况更接近 ,因此 国内外大量采用这种方式来研究原油的流变性 . 由于室内实验条件和现场实验条件有一定的区 别 ,室内实验都在最优条件下进行 ,剪切与温降也通 过模拟完成 ,而现场实验则在实际的输油环境和管流 情况下完成 .因此 ,为了确保输油系统的安全 ,并进 步验证方案的效果 ,还应该进行现场实验 ,并确定 原油改性流程 （如热处理流程及降凝剂注入流程 ）. 2常温输送的应用概况 由于常温输送在安全输送

18、 ,节能降耗上具有优越 性 ,并且能有效解决低输量 ,间歇输送 ,停输后再启动 等问题 .因此,得到了广泛应用 .20世纪 60年代以来 ,国内外相继开展了含蜡原 油热处理的研究工作 ,并得到工业应用 .国内的克拉 玛依一独山子输油管道和印度的那霍卡蒂雅一高哈 堤一巴绕尼管道是国内外最早采用热处理技术实现 常温输送的原油管道 . 用降凝剂改善原油低温流动性的研究始于 2O 世 纪 60 年代 ,经过多年的发展 ,工艺技术的得到了应用 发展.目前,一些国家的输油管道采用了这种工艺进 行常温输送 .国内的鲁宁 ,库都输油管道及国外的苏 丹外输原油管道实现加剂综合处理常温输送 .另外 , 哈一中原油

19、管道也拟通过加入降凝剂实现常温输送 稀释输送 ,水悬浮输送 ,低黏液环输送等工艺也 都成功应用于国外一些管线的常温输送 . 目前,国内外部分含蜡原油常温输送的应用情况 如表 2 所示 .表 2 国内外部分含蜡原油常温输送的应用情况3 结束语 开展含蜡原油常温输送研究的技术路线主要包 括了 6 个步骤,在研究过程中通过实验与理论相结合 的方法,根据原油性质 ,管道长度,地区条件等 ,最终 确定输送方案 . 含蜡原油的流变性受多方面的影响呈现多重性 , 但可归为 3 种流变体类型 ,即牛顿流体 ,假塑性流体 , 屈服假塑性流体 .(下转第 l2 页) l2PipelineTechniqueandE

20、quipmentMrdv.2011(a)输油IOh(b)输油 120h(C)输油 230h(d)输油 270h图 6 土壤温度等温线图 在热油管道启输过程中 ,掌握管道周围土壤温度 场和介质温度随时间的变化规律 ,对于合理确定投油 时间有重要的实际意义 .当外界环境温度变化比较 大时 ,对外界环境取稳态会不合理 ;不过,在某些情况 下 ,对某一特定时间段按稳态处理还是可以的 ,对最 后结果的影响在允许范围内 .4 结束语应用 FIuent 对管道沿程温降的温度分布进行数 值计算 ,结果与苏霍夫公式的理论解相吻合 ,验证了 软件在传热方面的可行性和准确性 .应用Flue nt模拟了管道埋深，管道半径，管道流 量,保温层以及非稳态各方面因素对管道传热的影 响,为埋地热油管道管道参数的合理设计提供了理论 依据和分析方法 .参考文献 :1张青松 ,赵会军 ,张庆国,等.埋地输油管道非稳态传热数 值研究.管道技术与设备 ,2007(1):l213.2杨筱衡 ,张国忠 .输油管道设计与管理 .东营:石油大学出版社,1996.3 杨世铭 ,陶文栓 .传热学.北京:高等教育出版社 ,1987:43 48.4柯则,夏艺.计算流体力学在铸造过程中的应用 .内蒙古 工业大学，1995(3):30 38.5吴国忠 ,曲洪权 ,庞丽萍,等.埋地输油管道非稳态热力