稠油摻稀管道輸送工藝特性

萬宇飛，鄧道明，劉霞，曾德春，李洪福，李立婉，薛君昭

（1中國石油大學（北京）油氣管道輸送安全國家工程實驗室，城市油氣輸配技術北京市重點實驗室，北京 102249；2新疆油田油氣儲運分公司，新疆 克拉瑪依 834002）

隨著稀油資源逐漸減少，稠油產量開始在全世界范圍內上升。我國稠油資源豐富，主要分布于遼河油田、塔河油田、新疆油田以及一些海上油區 等[1]，據據相關資料表明，我國已經發現了70多個稠油區塊，已探明地質儲量達到世界總石油探明量的15%～20%[2]，同時我國稠油年產量已達到全國原油總產量的14%[3]。隨著我國及世界稠油年產量不斷增加，稠油的開采和安全輸送問題也逐漸顯現出來。稠油由于高黏度使得輸送成為難題，經過幾十年的發展，國內外形成的稠油輸送工藝有：加熱、摻稀、加劑、水環、乳化降黏、改質等管道輸送方法[4]，各方法均有一定的適用范圍和特點。其中國內外應用較多的稠油外輸工藝是摻稀輸送法和改質輸送法[5]。國內某稠油油田近期產量將升高到400×104t/a，油田脫水站脫水后的稠油摻稀后，通過WK管道長距離外輸。本文針對WK稠油管道實際情況，計算分析其輸送工藝特性。

WK稠油管道全長約100km，設計壓力8.0MPa，末站進站壓力0.3kPa，全線采用DN450mm鋼管并保溫，設泵站一座。輸送工藝為加熱法和摻稀法，首站出口溫度取決于脫水站脫水溫度，一般為93℃，受后期其他脫水站來油影響，最低約為82℃。當地四季地溫差別較大。

1 管道流動特性

1.1 水力和熱力計算

輸油管道的水力特性取決于沿程溫度分布。該稠油黏度對溫度敏感，由于黏度較大，考慮摩擦生熱的影響。利用考慮摩擦生熱的蘇霍夫溫降公式[6]計算本管道沿程溫度分布。

在計算沿程摩阻系數λ之前，需通過雷諾數Re來確定流動流態。認為當Re＜2100時為層流；當2100＜Re＜3000時為過渡流；當Re＞3000時為紊流[7]。稠油管道流態一般為層流，不會超過水力光滑區，不同流態分別采用不同摩阻系數公式計算水力坡度，見式（1）、式（2）。

層流區

紊流區

若流態處于過渡區，為了保證連續性，按層流和紊流加權平均計算摩阻系數。

1.2 水力特性分析

由于本稠油管道采取控制管道入口溫度和壓力運行方式，管道的壓降隨流量變化曲線可能呈現不穩定流動區[6-9]。

隨輸量從零逐漸增高，加熱輸送的稠油管道壓降，首先表現為急劇增大到極高點后又急劇減小，直到一個極低點（對應的輸量稱為臨界安全輸量[10]），在極高點之前和極高點與極低點之間分別稱為流動不經濟區[11]和流動不穩定區，最后壓降隨輸量提高而緩慢增大（穩定工作區）[12]。當管道工作處于不穩定區時，由于某種原因，導致輸量小幅度減小，將引起摩擦阻力急劇增大而可能會出現超壓現象[13]，且出口壓力變化劇烈。因此為了安全起見，在實際運行中應避免進入不穩定區，即應明確管道的安全輸送范圍，保證管道在臨界安全輸量[14-15]和管道最大承壓下的最大輸量之間運行。

2 WK管道工作特性分析

考慮到脫水站出口油溫、管道及其設備承壓、承溫能力、流態等約束，將該稠油分別摻入質量分數為10%、15%、20%和25%的稀釋劑，研究WK管道在不同摻稀比下的輸送工藝特性。在實驗室條件下，依據《原油黏溫曲線的確定 旋轉黏度計法》（SY/T 7549—2000），利用德國HAKKE VT550流變儀，在30～95℃的范圍內測試其黏度，并繪制成黏溫曲線，如圖1所示。測試數據顯示，稠油及不同配比摻稀稠油在30℃時仍然表現為牛頓性。從測試結果可以看出，稠油摻稀是一種有效的降黏輸送方法[16-17]。

以下基于WK管道的實際情況，分別討論不同摻稀比、不同季節和不同首站出站油溫[18-19]對該管道輸送特性的影響。

2.1 不同摻稀比

針對不同摻稀比稠油，外部環境按春季、夏季和冬季3種情況考慮（由于秋季和春季地溫相近，管道有保溫層，可以認為秋季外部環境和春季相同，故這里未考慮秋季工況）。取首站出站溫度93℃，依次改變管道輸量，得到管道的首站出站壓力和末站進站溫度隨輸量的變化情況，如圖2所示。

圖1 不同摻稀稠油黏溫曲線

圖2 不同季節、不同摻稀比稠油首站出站壓力和末站進站溫度與輸量關系

從圖2可以看出：輸送不同摻稀比稠油，首站出站壓力隨輸量變化曲線均存在不穩定區，且當輸送摻稀15%～25%稠油時，在穩定區的高輸量下會出現曲線斜率增大現象；隨摻稀比的增大，曲線斜率增大時對應的流量愈明顯且向左偏移。這是由于當輸量較大時，隨摻稀比增大，黏度減小，油流流態由層流進入過渡流或紊流，而使得壓降顯著增大，這不利于管道在大輸量下經濟運行。另外，同一季節，不同摻稀比稠油末站進站油溫隨摻稀比減小而增大，但相差不大。這主要是因為隨摻稀量減小，油品黏度增大，管道輸送沿程水力坡度增大，摩擦生熱增大。這也說明管道輸送黏度較大的稠油，其摩擦生熱較大，在實際計算中不宜忽略。

2.2 不同季節

為了確定季節對WK稠油管道工藝特性的影響，分別將輸送摻稀10%、15%、20%和25%稠油首站出站壓力和末站進站溫度隨輸量變化關系繪于圖3中(a)～(d)。

由圖3可以看出：①同一種摻稀比稠油在不同季節首站出站壓力和末站進站油溫相近，說明季節對WK稠油管道工藝參數影響不大，這主要是因為該管道實施了有效保溫的緣故；②當輸量較小時，末站進站油溫為夏季＞春季＞冬季；但當輸量增大到某一值后，末站進站溫度出現反轉而呈現，為冬季＞春季＞夏季，但總體上相差均不大。這是因為摩擦生熱和環境共同作用的結果：小輸量時油品散熱較快，摩擦生熱相對不明顯，使得環境影響起主導作用，而呈現末站進站油溫夏季＞春季＞冬季現象；隨著輸量增大，摩擦生熱效應愈明顯，在相同輸量下，冬季摩阻大，春季其次，夏季最小，使得水力坡度呈冬季＞春季＞夏季，即摩擦生熱冬季＞春季＞夏季，而引起末站進站油溫出現反轉現象。

2.3 出站油溫

隨著后期稠油開采進入發展期，部分油品不能及時輸送而進入儲罐儲存和一些稠油區塊距離WK管道首站較遠，使得進入WK管線的油溫有所降低，可能會降低至82℃。為了研究首站進站溫度（不考慮站內溫降，即認為首站出站和進站油溫相同）對輸送特性的影響，以夏季摻稀15%稠油為例，分別就82℃、86℃、90℃和93℃這4個進站溫度進行計算，得到不同首站出站溫度下WK線首站出站壓力和末站進站溫度與輸量之間變化關系（圖4）。

由圖4可以看出：①隨著風城首站出站溫度升高，臨界流量稍右移，即隨首站出站溫度升高，不穩定區區間略有增大；②當首站出站溫度從90℃變為93℃時，首站出站壓力曲線在輸量接近最大輸量情況下出現斜率增大現象。這主要是因為，隨輸量增大和首站出站溫度升高，混合油黏度減小，使得雷諾數增大，出站一段管線流態由層流進入過渡區或紊流區。而首站出站溫度82℃和86℃下整個管段仍處于層流流動。綜合以上分析，可以認為在某一首站出站溫度溫度下（這里約90℃），管道的最大輸送能力最大。

圖3 不同摻稀比稠油在不同季節首站出站壓力和末站進站溫度與輸量關系

圖4 不同首站出站溫度下首站出站壓力與末站進站溫度與輸量關系

3 輸送能力計算

3.1 臨界安全輸量

加熱輸送的WK稠油管道存在不穩定區，這對管道的安全運行是一個不利因素。不穩定區末點對應的輸量即為管道運行的臨界安全輸量，在實際運行中，應保證管道輸量大于該臨界安全輸量。計算得到不同工況下WK稠油管道臨界安全輸量見 表1。

可以看出：總體上，對于同一季節，摻稀比越小，臨界安全輸量越大；而對于同一種摻稀稠油在不同季節臨界輸量呈現為冬季＞春季＞夏季趨勢，但相差不大。

3.2 最大輸送能力

管道最大輸送能力即輸送壓力達到管道設計壓力時的管道輸量。計算得到的不同季節、不同首站出站溫度下最大輸送能力見表2。

從表2可以看出：①同一季節，隨摻稀量增大，最大輸量并非單調遞增，在相同首站出站油溫93℃下，摻稀15%和摻稀25%輸送能力相近且最大；② 同一摻稀比稠油，在不同季節最大輸送能力相差不大；③隨著首站出站溫度升高，管道最大輸送能力并非單調遞增，對于同一種油品（摻稀15%稠油），在首站出口溫度93℃和86℃時相近，在首站出站溫度約90℃時最大。

表1 不同工況下WK稠油管道臨界安全輸量

表2 不同工況下WK線安全輸送的最大輸量

4 結 論

稠油加熱輸送管道的安全運行需要研究管道的工藝操作特性，為此考慮不同稀釋比，在不同季節和不同出站油溫下，對WK稠油管道的輸送特性和安全輸送能力進行計算分析，得出如下結論。

（1）加熱輸送的WK稠油管道存在隨輸量減小壓降急劇增大的不穩定區，實際操作時應避免 進入。

（2）隨摻稀比增大，管道輸送工藝特性不穩定區右邊界左移，安全輸送的臨界輸量略有減小，這有利于管道在低輸量下安全輸送。

（3）在WK管道的穩定工作區接近最大輸量工況，隨摻稀比增大或首站出站油溫升高，管道壓損-流量曲線出現斜率增大現象，使得最大輸送能力并非隨摻稀比或首站出站油溫單調遞增。在某一摻稀比和首站出站油溫下，管道輸送能力最大。

（4）WK線的整體壓降受摻稀比、輸量的影響較大，但季節對壓降的影響很小；WK線的整體溫降主要受輸量影響，但摻稀比、季節對整體溫降的影響不大。

（5）WK管線在不同季節輸送同一種摻稀比 稠油時的首站出站壓力、末站進站油溫、臨界安全輸量以及最大輸送能力相近，即季節對WK線工作特性影響很小。

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