磁場作用對管道蠟沉積的影響研究

施 雯，李永雄，許觀嬌

（1.廣東石油化工學院 石油工程學院，廣東 茂名 525000；2. 西南石油大學 石油與天然氣工程學院，四川 成都 610500）

針對原油管輸過程中遇到的蠟沉積問題，最常用的是加熱防蠟法；但該法耗能極大，在現(xiàn)場應用中也會受到使用條件、環(huán)境條件以及其他因素的限制.近年來，磁場防蠟技術不斷創(chuàng)新，在原油生產和運輸過程中的防蠟降黏方面的效果明顯，得到更加廣泛的應用［1］.目前國內外對管道輸送蠟沉積研究較多，但對高壓低溫環(huán)境下的蠟沉積規(guī)律與機理研究相對較少，有關磁場作用下的蠟沉積研究則更少［2］. Tung 等 ［3］通過對比越南原油磁化前后沉積蠟中的碳數分布，發(fā)現(xiàn)低碳數比例有所增加；研究表明磁場作用不但能減少沉積量，而且會使蠟沉積變軟，更利于清蠟. Zhang 等［4-5］開展了含蠟模擬油室內環(huán)道實驗，研究表明磁場處理后，管道壓降與蠟沉積量均有所減小；在大慶原油集輸管道現(xiàn)場實驗研究中，實現(xiàn)了在低溫環(huán)境下高含蠟油的磁化輸送.以上研究均為實驗研究，沒有結合對磁場作用下的蠟沉積模型對磁化輸送防蠟機理進行研究.筆者以某一海底管道為例，利用OLGA 軟件對不同輸送條件下的管道蠟沉積規(guī)律進行模擬分析；基于蠟沉積動力學模型，考慮磁場因素，推導出磁處理油液中的蠟沉積速率計算公式；結合熱力學相平衡模型，分析原油磁化輸送蠟沉積機理.

1 管道蠟沉積模擬研究

1.1 算例條件

取一條長8 000 m，170 mm×10 mm 的海底管道為算例.該管道中所輸送原油含蠟量為20.95%，析蠟點為50℃，凝點為34℃［6］.管道系統(tǒng)參數：壁面粗糙度為0.03 mm，鋼材的密度7 840 kg/m3，比熱容為500 J/（kg·K），導熱率為50 W/（m·K）；環(huán)境溫度為4 ℃.管道入口質量流量為17.51 kg/s.

1.2 結果與分析

（1）設定管道入口溫度為60 ℃，利用OLGA 軟件分別模擬原油管道運行1～7 天的蠟沉積規(guī)律，結果見圖1.

圖1 蠟沉積厚度在管道內不同位置的變化分布

從圖1 可以看出，在管道中間一定溫度范圍內，明顯表現(xiàn)出一個蠟沉積層厚度的高峰區(qū)域，而這個區(qū)域以后的管段蠟沉積層厚度，會逐漸下降直至消失.蠟沉積層厚度呈現(xiàn)出兩頭薄中間厚的現(xiàn)象.在管道入口處的油流溫度較高，因此在油流溫度較高的區(qū)域，蠟沉積的厚度較薄；在距入口753 m 處蠟沉積層的厚度達到最大值.在往后的區(qū)域，由于油的流動溫度和管壁處的溫度差在不斷減小，可以看出蠟的沉積層厚度在慢慢減小，在蠟沉積過程中作為主導因素的分子擴散已失去作用［7］.

（2）分別設定入口油溫為30、40、50、60、70 ℃，管道蠟沉積分布見圖2.

圖2 不同溫度下管道內蠟沉積的變化情況

入口油流溫度不同，蠟沉積厚度差別極大，其中70℃與60℃油溫蠟沉積最大厚度相差1.41 mm.入口油溫60℃至30℃的變化不大.這主要由于分子擴散是含蠟原油蠟沉積的主要機制之一，該機制的驅動是由管道中心與管壁處的溫差造成的濃度梯度引起的.溫度梯度的變化導致蠟沉積厚度發(fā)生巨大變化［8］.

影響蠟沉積厚度的主要因素是溫度，管道中心與管壁的溫差增大會使管壁的蠟沉積量增大.引起這個現(xiàn)象的原因是油壁溫差的提高使蠟分子在徑向的濃度梯度變大，此時分子擴散作用增強.從沿管道里程不同的原油管壁處蠟沉積的厚度的曲線可以看到，在圖像中存在一個管道厚度最大的區(qū)域，此區(qū)域內的蠟沉積速率較大.而當原油的溫度不在蠟的沉積的高峰區(qū)域時，蠟沉積量較小.在管道中幾乎不結蠟的情況有兩種，一種是油流在管壁處的溫度高于析蠟點時，第二種是油流在管壁處的溫度低于凝點時［9］.這就解釋了為什么整條管道內蠟沉積的位置集中在前半段，后半段幾乎沒有蠟沉積.當油流溫度低于凝點時，油流溫度越低，黏度越大；此時油流中的蠟分子析出量很大，導致在油流中處于過飽和狀態(tài)，從而失去在油流中的擴散能力，因此該情況下無法在管壁處形成蠟沉積.原油中形成具有一定結構強度的凝膠結構從而使原油逐漸失去流動性，并在輸油管道內壁上發(fā)生蠟沉積［10］.原油流動性的降低促進了蠟沉積的發(fā)生，導致油流流動性降低的原因是蠟晶顆粒在油流中形成了空間網狀結構.

根據管道蠟沉積規(guī)律，考慮磁場影響，推導磁場作用下的蠟沉積速率計算公式.

2 磁場中蠟沉積模型研究

2.1 磁場動力學模型推導

基于Fick 擴散定律的表達導出蠟分子的沉積速率：

f 值取決于多種條件，在實驗條件產生改變時，如油流剪切力、徑向溫度梯度和管壁的粗糙程度發(fā)生改變的時候，蠟沉積層的強度也會產生改變，所以不同條件下的蠟沉積層的蠟含量是不一樣的， f 值在這種情況下也是不一樣的.對于不同組分的油品，實驗條件不同的情況下，假設ρL為常數，B 近似為常數.

在原油輸送過程中，如果管道壁面的溫度和原油溫度降低，則會導致原油中蠟分子的溶解度降低.因此，原油中蠟分子的溶解度變化情況可以通過常見的經驗公式表示：

式中 am，bm——無量綱常數，由實驗測得.

另外，磁場作用的防蠟效果和原油中石蠟與膠質瀝青質的比例也有密切聯(lián)系［13］.

2.2 熱力學相平衡模型分析

該模型中，磁場通過組分的體積磁化率和磁導率來影響組分的逸度，從而影響分子的沉積趨勢.采用該模型預測了恒定磁場下3 種純蠟混合物（C10～C30）的析蠟點和析蠟量［14］，計算結果見表1、2.隨著磁場強度的增加，3 種樣品的析蠟點和析蠟量都隨之上升.由此可見，磁場作用增加了蠟晶形成的可能性.但對于管流狀態(tài)，沿管壁析出的蠟晶要形成穩(wěn)定的網狀結構才會形成蠟沉積.因此用該熱力學模型并不能完全描述磁化油流的蠟沉積.

表1 磁場強度對析蠟點的影響（壓強 105Pa）

表2 磁場強度對析蠟量的影響（溫度275 K，壓強 105Pa）

3 原油磁化輸送蠟沉積機理

對于管輸原油，由于油流中的分子自發(fā)熱運動的影響，蠟分子會發(fā)生無規(guī)則運動和無序的排列方式.同時有很多因素會影響油流在管道中的流動方式，比如有原油黏度的影響和管壁摩阻的影響，這些影響因素的存在使得油流在管壁處的流動速度明顯低于油流在管道中心處的流動速度.這樣的流速情況為無序分子產生了相對較大的力矩，隨著油流在管道中流動時間的推移，管壁處的蠟沉積層越來越厚，甚至會最終阻塞原油的流動.這種現(xiàn)象的發(fā)生會嚴重地降低原油輸送的效率.通過熱力學相平衡模型可知，磁場作用會促進蠟晶的形核過程，使蠟分子在原本無法形核的條件下聚集成核；磁場還可以提高蠟的形核速率，原油內部將會生成更多的蠟核.根據蠟沉積動力模型的預測，在其他條件不改變的情況下，原油懸浮液中的析蠟量保持不變，蠟核的增多必然會減小蠟晶的顆粒尺寸［12］.磁場作用使得蠟晶不會在某一溫度區(qū)間內大量析出，且析出的細小蠟晶易被油流沖走，不會在管壁迅速形成蠟晶網狀結構，從而達到防止蠟沉積堵塞管道的效果.

4 結論

（1）在管道輸送過程中的一定溫度范圍內，會明顯表現(xiàn)出一個蠟沉積層厚度的高峰區(qū)域.而磁場對蠟晶的析出有促進作用，促使蠟核加速形成；在該溫度范圍內，油流中析出細小蠟晶，不會在管壁形成蠟沉積層.

（2）磁場動力學模型基于Fick 擴散定律，考慮管輸原油中蠟分子溶解度的經驗公式，并引入磁處理影響因子G推導得出，可以描述原油磁化輸送蠟沉積問題.而相平衡熱力學模型并不能完全描述原油管流問題，可以添加微觀層面分子間作用力與磁場對蠟分子取向作用關系的判別式等，進一步完善.