油包水乳狀液管流蠟沉積規律研究

楊居衡 米瑞雪 全 青 王鵬宇 宮 敬

1中國石油大學（北京）油氣管道輸送安全國家工程實驗室

2中國石油西南油氣田分公司華油公司

3中國石油管道科技研究中心

油包水乳狀液管流蠟沉積規律研究

楊居衡1米瑞雪2全 青1王鵬宇3宮 敬1

1中國石油大學（北京）油氣管道輸送安全國家工程實驗室

2中國石油西南油氣田分公司華油公司

3中國石油管道科技研究中心

以高含蠟原油、水為實驗介質，探索了油包水乳狀液在管流實驗條件下的蠟沉積規律，著重研究了溫度及含水率條件的影響，分別從沉積物質量、碳數分布和含水量的角度，定量分析了油包水乳狀液管流蠟沉積的相關機理。結果表明：沉積物質量隨含水率增加呈先增大后減小的趨勢，但沉積物含水量卻始終增大，同時沉積層厚度與含水率關系圖譜中拐點含水率隨溫度降低而前移，由此揭示了多相管流蠟沉積中膠凝作用的影響，這將為油水混輸管道的設計、運行和管理提供相關理論支持。

含蠟原油；油包水乳狀液；蠟沉積環道實驗；含水率；蠟沉積

引言

我國產出的原油多為稠油和含蠟原油，在原油的輸送過程中，蠟沉積會導致管道有效流通面積減小，輸送壓力升高，降低了輸送效率；還會帶來防蠟、除蠟和清管等一系列問題。另外，蠟沉積還會給管道的停輸再啟動帶來困難，甚至引發堵管、棄管現象。目前蠟沉積研究主要集中在單相蠟沉積，對于多相蠟沉積的研究尚處于起步階段，對其沉積機理還沒有明確的認識，尤其在油水兩相蠟沉積方面研究較少，且研究結論不一致。油水兩相流型復雜、穩定性差是開展油水兩相蠟沉積的難點。隨著油田開采進入中后期，原油中攜帶的產出水逐漸增多，受開采過程中加入的各類化學劑和油嘴等高剪切設備的影響，生產過程中極易形成油包水乳狀液。因此，利用環道實驗裝置模擬現場生產環境，研究油包水乳狀液的蠟沉積規律對于保障油田現場的安全生產具有重要的指導意義。

由于油水兩相蠟沉積影響因素的復雜性，目前國內外學者針對油包水乳狀液蠟沉積規律還沒有達成共識。Couto G.H.等人[1]利用冷指實驗裝置研究了油包水乳狀液的蠟沉積實驗規律，通過實驗發現，隨著乳狀液含水率的增加蠟沉積量減少。張宇等人[2]利用冷指裝置分別進行了乳狀液總體積不變和油相總體積不變的含蠟油包水乳狀液蠟沉積實驗，研究了冷指溫度、含水率和液滴大小及分布等因素對油包水乳狀液蠟沉積的影響。結果發現，相同含水率條件下，蠟沉積速率隨分散相液滴直徑的減小和小液滴數量的增加而降低；在相同的攪拌速度下，蠟沉積速率隨分散相體積分數的增加、分散相中相對較小液滴數量的減少和相對較大液滴數量的增加而下降。王鵬宇等人[3]利用帶有攪拌功能的冷指實驗裝置，研究了以高含蠟原油為實驗介質的油包水乳狀液蠟沉積隨含水率和剪切強度的變化規律，發現隨含水率的增大蠟沉積量先減小后增大，且隨著剪切作用增強而逐漸減小。由此王鵬宇等人[3]提出在油包水型乳狀液蠟沉積過程中，膠凝作用存在不可忽視的影響。Hsu J．J．C．[4-5]等人利用高壓實驗環道，研究了紊流流態下水對蠟沉積的影響，實驗結果表明：隨著水相進入環道，蠟沉積量明顯減少。然而，Gao C.[6]在圖爾薩大學1.5 in（38.1 mm）管徑的環道上做了含水率分別為25%、40%和75%的油水兩相蠟沉積實驗。實驗表明：油水兩相流動中的蠟沉積速率均高于單相流動下的蠟沉積速率。Bruno A.等人[7]采用原油和凝析油兩種油品分別進行了不同含水率下油包水型和水包油型乳狀液的蠟沉積環道實驗，然而兩種實驗油品的反相實驗卻觀察到了不同的現象：反相后，前者沒有蠟沉積發生，后者卻在管壁內壁形成了薄沉積層。Sergio N.[8]利用環道實驗研究了油水兩相分別在分層流和環狀流流型下的蠟沉積規律。實驗發現：在油水分層流流型下，蠟沉積僅發生在與油相接觸的管段內壁的上部；在水環-油核的環狀流流型下，盡管水環隔離了含蠟油與管內壁的接觸，但管內壁仍然有蠟沉積發生。

本文重點關注含水率、溫度對油包水乳狀液蠟沉積的影響規律，重在揭示膠凝作用在管流剪切條件下的影響，提出從沉積物厚度、碳數分布及沉積物中含水量的變化角度進行綜合分析和研究。

1 實驗裝置及方法

多相蠟沉積實驗環道主要包括油品供給系統、氣體供給系統、測量系統、溫控系統、測試段、參比段、局部取樣段、快關段、分離系統和數據采集系統，如圖1所示。

圖1 多相流動蠟沉積實驗環道示意圖

環道總長25 m，采用DN25不銹鋼管。進入測試段之前的穩定直管段為4.4 m，以保證實驗測試段中為充分發展的流動。該環道能夠實現單相油流、油水乳狀液和油氣兩相流動條件下的蠟沉積實驗。利用該蠟沉積實驗環道，能夠方便地研究流體溫度、壁溫、溫度區間、氣液流速、流型和沉積時間等因素對蠟沉積的影響。

本次研究實驗油樣物性參數如表1所示。

表1 實驗油品物性

實驗條件設定：測試段入口油溫度和測試段冷卻液溫度分別控制在50、30℃，50、25℃和45、25℃；流量均為2 000 kg/h；沉積時間均為24 h。用高溫氣相色譜（Agilent-7890A）對沉積物碳數分布進行分析，用局部取樣器對環道中的油包水乳狀液進行取樣，用黏度儀（HAAKE-VT550）測量其黏溫特性，如圖2所示。可以看出，乳狀液黏度隨含水率的增加而增加，且含水率越高，增加的幅度越大。采用顯微鏡觀測其液滴分布情況，結果顯示含水率相同時，不同溫度條件下的粒徑差別很小，如圖3所示，因此液滴粒徑及其分布的影響不做討論。

圖2 乳狀液黏溫特性曲線（剪切率設為200 s-1）

圖3 液滴粒徑分布

2 結果與討論

選取50、30℃，50、25℃和45、25℃三個溫度條件，對每個溫度條件開展含水率為0～40%范圍內的油包水乳狀液蠟沉積實驗。乳狀液的含水率間隔為5%，且針對某一溫度區間和含水率都進行2組實驗，以保證實驗的可重復性。上述油包水型乳狀液環道蠟沉積實驗共計開展了54組。

2.1 乳狀液的穩定性

乳狀液的穩定性對本實驗至關重要。只有乳狀液在整個實驗過程中保持相對穩定，才能保證實驗結果的可靠性和可重復性。通過攪拌槳和過泵剪切作用，將水相充分分散到油中，形成油包水型乳狀液。沉積實驗開始前，每間隔一段時間通過取樣器對管道不同徑向位置的乳狀液進行取樣。通過比較不同時間所取樣品的粒徑分布情況，判斷乳狀液穩定性隨時間的變化。比較不同徑向位置所取樣品粒徑分布的目的是判斷分散相在管道徑向位置的分散是否均勻，見圖4。當上述參數基本保持不變時，開始進行沉積實驗。沉積實驗過程中，定期對流動介質進行取樣分析，確保在整個沉積過程中乳狀液粒徑分布保持統一。

圖4 乳狀液顯微照片

2.2 乳狀液黏度和傾點

Visintin R．F．G．9]和De Oliveira M．C．K．[10]的研究分別證明了乳狀液傾點和黏度的增加會導致膠凝風險的增加，因此，對環道中乳狀液進行黏度和傾點的測量尤為重要，測試的乳狀液通過環道上的取樣器取樣獲得。從圖2中可以發現，乳狀液黏度隨含水率的增加而增加，且含水率越高，增加的幅度越大。表2的結果顯示，傾點也出現了隨含水率的增加而增加的趨勢。

表2 乳狀液的傾點

2.3 蠟沉積量分析

從圖5中可以看出，在三種實驗溫度條件下，蠟沉積量均出現隨含水率的增加先減小后增加的現象，且實驗溫度越低，沉積量由減小轉為增加所對應的含水率也越低。

導致沉積量隨含水率增加而減小的因素較多，Couto G．H．[1]在他的研究中給出了四種可能導致沉積量隨含水率增加而減小的原因。隨著含水率的繼續增加，沉積量隨含水率的增加而增加的現象在之前學者的研究中很少被提及。在油水兩相蠟沉積中，較低的流速和較高的含水率會使膠凝作用更加顯著。本研究所有實驗均在層流下進行，且流速較低，黏度和傾點隨含水率的增加顯著增加，膠凝作用成為導致沉積量增加最可能的原因。為了進一步對膠凝作用進行討論，對沉積物的含水率進行了測定。

圖5 乳狀液環道實驗蠟沉積厚度

表3 沉積物含水率

從表3沉積物含水率的測試結果中不難看出，實驗溫度越高，沉積物中的含水率越低。隨著實驗溫度的降低和乳狀液含水率的增加，沉積物中的含水率也隨之增加。

Singh P．111]認為蠟沉積開始前含蠟原油在低溫表面形成一層凝油層（初始凝油層），初始凝油層由蠟晶形成的3D網絡結構和被包裹的90%～95%液態油組成。本實驗中，初始凝油層的形成被認為與乳狀液的膠凝特性密切相關。對于油包水型乳狀液蠟沉積而言，蠟晶形成的3D結構包裹的不是原油而是乳狀液。因此，沉積物中的含水率在一定程度上反映了膠凝的程度。因為蠟分子僅溶解在油相中且僅在油中擴散，擴散過程中被認為沒有水的參與，所以沉積物中所含的水被認為是包裹的乳狀液中所攜帶的，而沉積物中蠟含量的增加則是分子擴散和老化作用所致，這也是沉積物的含水率小于乳狀液含水率的原因。分子擴散作用越強，沉積物中的含水率越低。

2.4 沉積物組分分析

在本研究中使用HTGC來分析沉積物碳數分布。本文對50、30℃溫度條件下生成的沉積物碳數分布進行了分析。從圖6中可以看出，當乳狀液含水率大于30%時，分子擴散作用大大減弱，可以看到隨油包水乳狀液含水率的增加，沉積物重組分的含量逐漸減少，而輕組分的含量卻有上升的趨勢。這是因為，含水率30%的乳狀液傾點為29℃，而實驗設定的冷浴溫控溫度為30℃，隨著乳狀液傾點逐漸增加并接近冷浴溫控的設定溫度，膠凝在沉積層形成中發揮的作用逐漸顯著。

圖6 不同含水率乳狀液蠟沉積物碳數分布（50、30℃）

3 結論與建議

實驗驗證了膠凝作用在油包水型乳狀液蠟沉積過程中的重要作用，發現了蠟沉積厚度隨乳狀液含水率的增加存在由減小轉為增加的趨勢，闡明了油包水型乳狀液蠟沉積機理是分子擴散和膠凝兩者共同作用的結果。由此提出，今后應側重于建立綜合考慮分子擴散和膠凝的新型蠟沉積機理模型，從而在油田生產后期產出水增加情況下，提高對集輸管道油包水乳狀液蠟沉積預測的準確性，這對確保油田安全生產具有重要意義。

[1]Couto G H,Chen H，Dellecase E，et al．An investigation of twophase oil/water paraffin deposition[J]．SPE Production&Operations，2008，23（1）：49-55.

[2]Zhang Y，Gong J，Ren Y F．Effect of emulsion characteristics on wax deposition from water-in-waxy crude oil emulsions under static cooling conditions[J]．Energy&Fuels，2010，24（2）：1 146-1 155. [3]王鵬宇，姚海元，宮敬，等．油包水型乳狀液蠟沉積冷指實驗研究[J]．中國海上油氣，2014，26（1）：114-117.

[4]Hsu J J C，Santamaria M M，Brubaker J P．Wax deposition of waxy live crude under turbulent flow conditions[C]//The 69th Annual Technical Conference and Exhibition．New OrleansLA，1994.

[5]Hsu J J C，Elphingstone G M，Greenhill K L．Modeling of multiphase wax deposition[J]．Journal of Energy Resources Technology．1999，121（1）：81-85.

[6]Gao C．Investigation of long term paraffin deposition behavior for South Pelto oil[D]．University of Tulsa，2003.

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[8]Sergio N．Experimental study of oil/water flowwith paraffin precipitationinsubseapipelines[C]//SPEAnnualTechnical Conference and Exhibition．Anaheim：SPE，2007：110 810-MS.

[9]Visintin R F G，Lockhart T P，Lapasin R，et al．Structure of waxy crude oil emulsion gels[J]．Journal of Non-Newtonian Fluid Mechanics，2008，149（1）：34-39.

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[11]Singh P，Venkatesan R，Fogler H S，et al．Morphological evolution of thick wax deposits during aging[J]．AIChE Journal，2001，47（1）：6-18.

（欄目主持 紀嫦杰）

10.3969/j.issn.1006-6896.2015.10.004

楊居衡：中國石油大學（北京）博士在讀，從事多相流蠟沉積模型研究。

2015-03-25

15801252348、15801252348@126.com