油－水兩相流蠟沉積機理探討與預測模型研究

谷醒林 高喆慧 季李超 王俊杰 王東

(1 西南石油大學 四川 成都 610500)

(2 中國石油大學（北京）北京 102249)

(3 河南信宇石油機械制造股份有限公司 河南 濮陽 457001)

(4 中原石油勘探局采油五廠油藏經營管理四區 河南 濮陽 457001)

油－水兩相流蠟沉積機理探討與預測模型研究

谷醒林1高喆慧2季李超3王俊杰1王東4

(1 西南石油大學 四川 成都 610500)

(2 中國石油大學（北京）北京 102249)

(3 河南信宇石油機械制造股份有限公司 河南 濮陽 457001)

(4 中原石油勘探局采油五廠油藏經營管理四區 河南 濮陽 457001)

在原油開采過程中往往伴有采出水，且隨著原油開采程度的深化，原油的含水率逐年增加。為大大簡化油水集輸設施，可將油－水兩相混輸技術廣泛應用于海、陸集輸系統。我國生產的大多數原油是易凝超稠的含蠟原油，當環境溫度過低時將發生蠟沉積現象，從而削弱管輸能力，導致管堵事故。目前，國內外對于蠟沉積的研究主要集中在單相流動條件下，油－水兩相流動的蠟沉積研究起步較晚，其相關的研究文獻也較少，且主要集中在實驗研究階段。油－水兩相流蠟沉積規律還未形成定論，其機理研究尚處于起步階段，仍然缺乏準確合理的預測模型以指導油－水混輸管道的清管除蠟工作。筆者在實驗室以往蠟沉積研究經驗基礎上結合國內外相關文獻資料，就油—水兩相流蠟沉積的研究工作提出一些建議與看法，以期能更好的開展油－水兩相流蠟沉積的深入研究工作。

油水兩相流；蠟沉積；機理；模型；建議

管輸油－水兩相流因蠟沉積問題帶來的防蠟和清蠟成本很高，因此有必要在單相原油蠟沉積研究成果的基礎上開展油－水兩相蠟沉積研究工作，以降低防蠟、清蠟成本。受含蠟原油組分復雜和含蠟油－水兩相流動流型辨識難度大等因素的影響，油－水兩相流動蠟沉積研究僅僅停留在初步的探索中。本文在分析影響油－水兩相流蠟沉積主要因素的基礎上來探討蠟沉積機理，并在比較現有的蠟沉積實驗研究裝置的基礎上提出了建立準確、合理的油－水兩相流蠟沉積預測模型的基本思路。

一、蠟沉積主要影響因素

在已較成熟的單相油流蠟沉積研究中可知影響管道蠟沉積速率的主要因素包括油溫、原油與管壁溫差、流速、原油組成、管壁材質等。國內外學者在油－水兩相流蠟沉積研究，發現影響油－水兩相流蠟沉積速率的主要因素除上述因素外，還有含水率、乳狀液穩定性、分散相粒徑、液流流型等。對于實際運行的管道，這些因素將共同作用，影響管道的蠟沉積速率。現定性分析含水率、乳狀液穩定性、分散相粒徑、液流流型的影響：

1.含水率

Couto等通過冷指實驗發現在油－水兩相體系中油水乳狀液里的蠟沉積量

隨含水率的增加而呈指數規律下降；H su等利用高壓環道實驗發現隨著水相進入環道，蠟沉積量明顯減少。

2.乳狀液穩定性

在原油乳狀液中添加表面活性劑可以增加其穩定性。Ahn等利用可以旋轉的冷板實驗發現隨著非離子型表面活性劑H LB值的增加，蠟沉積量也隨之減少。由此可見，當油－水兩相液流在管路中出現乳狀液一流型時，只要改變乳狀液相的穩定性便能改變蠟沉積量。

3.分散相粒徑

利用冷指實驗裝置研究了在W/O型乳狀液中分散相粒徑對蠟沉積速率的影響：在相同含水率下，隨分散相液滴直徑的減小和小液滴數量的增多，蠟沉積速率減小。分析原因可能是蠟分子只能溶解在乳狀液油相中，并通過油相擴散到管壁處，在相同的含水率條件下，乳狀液分散相初始液滴直徑越小、小液滴越多，蠟分子擴散到冷指表面的阻礙越多，蠟沉積速率越小。

4.液流流型

油水兩相流動中的流型是決定蠟沉積規律的重要因素。目前國內外學者通過環道實驗觀測到的流型有完全分層流、上層水包油分散流下層游離水、上層油包水分散流下層水包油分散流和相界面有混合的分層流等。目前就流型對兩相流蠟沉積的影響規律尚缺乏統一認識，這也大大限制了對兩相流蠟沉積的機理研究，因此，在下階段的兩相流研究當中，應專門考察不同流型下的蠟沉積規律，以確定流型在油—水兩相流蠟沉積中的影響效果。

二、蠟沉積機理探討

對于油－水兩相流蠟沉積機理，學者們只是沿用了單相管流的蠟沉積機理，并綜合了一些多相管流的特點來近似研究多相流動條件下的蠟沉積規律，并未提出有意義的觀點，加之油－水兩相流管流的復雜性，多相管流蠟沉積理論研究還有待深入。現已知的蠟沉積機理有分子擴散、布朗運動、剪切彌散、重力沉降、剪切剝離與老化六種。對于這六種機理的具體實現內容需要通過大量的蠟沉積實驗來判斷，例如通過考察溫度對蠟沉積的影響來確定分子擴散機理的作用，通過控制液流速度大小來確定剪切剝離機理，通過研究蠟沉積速率隨時間變化的規律來確定老化機理等。因此，在后續的油－水兩相流蠟沉積研究中需要通過大量實驗結合單相蠟沉積機理逐步認識油－水兩相流動蠟沉積機理。

三、蠟沉積實驗方法

目前存在的關于蠟沉積研究的實驗裝置有冷板裝置、冷指裝置、環道裝置。采用冷板法結構簡單，油和板的溫差比較容易控制，并且可以通過磁力攪拌器攪拌原油，但不能模擬液流在管道中的流動情況；冷指法是在冷板法的基礎上加以改進得以實現的，該方法與冷板法原理相同，只是改變了蠟沉積表面，該方法能基本模擬液流在管路中的蠟沉積情況，但與實際管路液流流動還存在很大差距。為克服以上兩種實驗方法的不足，建議采用環道實驗裝置來研究油－水兩相流動蠟沉積。Agrawal的環道實驗裝置如圖1所示。在環道實驗中要著重考察管路傾角管徑大小、混合液流速、含水率、管路傾角管徑大小、管壁的親水性以及流體物性(密度粘度和界面張力)等因素對蠟沉積速率的影響。

四、模型研究

已存在的蠟沉積預測模型有兩類，分別為蠟沉積熱力學模型與蠟沉積動力學模型，但由于熱力學模型具有計算精度較低、適用范圍較窄、實際應用復雜等缺點，一般利用動力學模型來研究單相或多相的蠟沉積模型。研究蠟沉積規律一般是從理論分析入手，結合室內模擬實驗，建立半理論半經驗的蠟沉積模型，并在更寬的范圍和條件下對其進行檢驗。目前黃啟玉模型是研究單相原油蠟沉積最可靠精確地模型，其模型公式為：

式中 f'——蠟沉積傾向系數,與管壁剪切應力T w、管壁溫度梯度有關;

W——蠟沉積速率。

Couto假設油水充分混合（乳化），用油水混合物的物性（表觀粘度、密度、比熱容、摩爾質量等）代替單相油品的物性，然后將其代入黃啟玉模型來建立油—水兩相蠟沉積模型。該模型能較好地預測油包水型乳狀液的蠟沉積速率，但精度仍然不高。

1.在總結國內外建立單相原油蠟沉積模型手段的基礎上，筆者提出了不同于Couto兩相模型的油—水兩相蠟沉積預測模型，該模型通過實驗優選，比Couto兩相模型具有更高的預測精度。其基本思路如下：

（1）在文獻調研的基礎上確定實驗方案、設計環道實驗裝置；

（2）進行油－水兩相流蠟沉積實驗，研究溫度、流速、油壁溫差、含水率、表面活性劑、分散相粒徑等因素對蠟沉積速率的影響；

（3）實驗數據的處理和分析，基于利用人工神經網絡方法建立模型具有預測誤差小,模型精度高的特點，與利用逐步回歸分析法具有能表達蠟沉積速率與其影響因素之間親疏關系的優點，綜合考慮兩種方法的優缺點,在建立蠟沉積速率模型時,先用逐步回歸分析法對實驗數據進行預處理,得到蠟沉積速率的主要影響因素,然后再把蠟沉積速率的主要影響因素作為神經元的輸人,利用人工神經網絡的方法建立蠟沉積速率模型；

（4）利用現場數據對所得模型進行校驗，并與Couto油-水兩相預測模型預測結果進行比較，以優選最佳預測模型。

結論

1.要深化對油-水兩相流蠟沉積機理的認識，應從分析影響油-水兩相流蠟沉積速率的因素上著手，結合單相油流蠟沉積的影響因素與油-水兩相流的流動特點來分析兩相流蠟沉積的影響因素。

2.當油-水兩相流在管輸過程存在乳狀液流型（W/O型或O/W型）時，應考慮乳狀液作為熱力學不穩定體系其不穩定性對蠟沉積的影響。在實驗中應考察影響乳狀液穩定性的因素如乳化劑量、分散度、水質、時間等對蠟沉積的影響規律。

（3）在建立油-水兩相流蠟沉積速率模型時，應選擇模擬實際管流蠟沉積情況較好的環道裝置作為實驗工具，充分發揮環道可以靈活控制油-水兩相流流型的優勢，考察流型的影響規律。在新建立的預測模型中應該盡可能多的包含各影響因素，且盡可能少的含有變量參數，通過結合逐步回歸法與人工神經網絡法來平衡二者的矛盾，提高預測模型的精度。

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[4]汪繼鋒.含蠟原油蠟沉積模型研究[D][碩士學位論文].北京：石油大學，2003.

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