基于OLGA的含蠟熱油管道析蠟模擬與清管優化

2022-08-11 02:44:52左江偉田一波李漢成鄭銳許紅明徐思瑩楊子航

遼寧化工 2022年7期

左江偉，田一波，李漢成，鄭銳，許紅明，徐思瑩，楊子航

（中國石油塔里木油田分公司油氣運銷部，新疆庫爾勒 841000）

含蠟原油在長距離管輸過程中，油品自熱泵站流出后的出站油溫大于環境溫度，因熱傳遞導致油溫沿軸向和徑向不斷下降，當油溫下降至析蠟點時，油品中的蠟晶分子開始析出，這些析出的蠟會逐漸附著在管壁上，并隨運行時間的增加在管道內壁上形成蠟沉積層[1-2]。蠟沉積層的形成會造成管道流通面積減小、降低管道輸送能力并增加管道運行成本，還會對停輸再啟動造成巨大的困難，嚴重時會引發油品凝膠化，使管道發生凝管現象，造成堵塞停產事故。因此，管道蠟沉積問題是熱油管道輸送過程中必須面對的問題。

目前，針對熱油管輸管線中蠟沉積問題，石油生產和儲運企業最常采取的解決方法主要有添加化學防蠟劑、提高含蠟凝析油出站溫度、管線設置保護層維溫、長輸管線設置加熱站、定期清管等。

含蠟油品的蠟沉積過程非常復雜[3]，迄今為止，國內外學者們相繼提出了分子擴散[4]、剪切彌散[5]、布朗擴散[6]、重力沉降[7]等沉積機理。近年來，學者們對于蠟沉積機理的認識更加深入，又提出了“剪切剝離”[8]和“老化”[9]機理。對于蠟沉積速率影響因素的研究中，主要有油品的組成與性質、膠質與瀝青質含量、油流溫度、管道壁面溫差、流量、運行時長、管壁粗糙度等，研究多基于蠟沉積冷指實驗與室內蠟沉積環道裝置[10-12]開展，但流動環道內進行的實驗易受壓力低、管徑小、場地受限等因素制約，因此國際上一些大型石油公司以及科研機構專門開發了一些計算蠟沉積的商業軟件，如OLGA[13]、PVTsim[14]、Wax Flow[15]等，其模擬準確度在大量環道實驗中已得到驗證，其中，OLGA蠟沉積模擬結果已被各大石油公司認可。

基于上述背景，本文采用多相流瞬態仿真軟件OLGA蠟沉積模塊的Matzain 模型，以塔里木油田英買凝析油（高凝、高黏、高含蠟）和英牙凝析油管線為研究對象，探究管道運行中常見的管徑、管道起伏程度、入口溫度、出口壓力、輸油量等因素對蠟沉積影響，并結合英牙線實際運行參數情況進行了計算，模擬了英牙線凝析油在不同加熱站之間的析蠟厚度，明確了英牙凝析油管線高風險管道運行段，有利于降低管道蠟堵事故，降低清管頻次，節約運行成本。

1 管道油品簡介與模擬步驟

1.1 英牙凝析油管道概況

英牙凝析油管線是塔里木油田英買油氣開發部凝析油外輸主要管線[16]，起點為英買首站，終點為牙哈裝車站，全長149.67 km。管線直徑219.1 mm，壁厚5.2 mm，設計壓力6.3 MPa，設計輸量5.1×105t·a-1，管道凈容積34.208 m3·km-1，管線防腐層為環氧粉末外防腐層，厚度350 μm；采用聚氨酯泡沫保溫，厚度50 mm；外護層為PE專用料黑夾克，厚度4 mm。當前共設4座加熱站，如圖1所示。

圖1 英牙凝析油管線加熱站情況

1.2 英買油品物性

凝析油物性分析單由塔里木油田實驗檢測研究院測定提供，凝析油平均含蠟量在20%～28%之間，屬于高含蠟凝析油，析蠟點在30～40 ℃之間。采用OLGA模擬時的油品物性文件由Multiflash軟件定義，油品的組分見表1。

表1 英買凝析油組分

1.3 OLGA模擬步驟

OLGA蠟沉積建模過程主要包含以下步驟：

1）定義油品組分。可通過Multiflash、Hysis、PVTsim等軟件進行組分定義。

2）生成流體計算包。采用Multiflash軟件生成.Wax文件和.Tab文件并導入OLGA模擬軟件中。

3）定義管線主要參數。OLGA中需要定義的管線參數主要包括管道材料、傳熱系數、管壁厚度、保溫材料及厚度、導熱系數、密度等。

4）定義管道長度，包括總長度及模擬分段數。

5）定義模擬步長。在軟件中設置起始時間步長、最大時間步長、最小時間步長等參數。

6）對OLGA輸入時注意在FILES中的WAXFILE選項指定包含蠟數據的文件；WAXDEPOSITION選項設置為ON并指定Matzain model進行模擬。

7）輸出模擬結果并保存。

2 模擬結果與分析

2.1 管徑與管線起伏程度對蠟沉積的影響

管徑是管線的主要參數，對流體溫降、壓降等有重要影響，繼而對蠟沉積造成一定的影響。在保證其他參數設置不變的情況下，選取200、300、400 mm的管徑探究不同管徑對蠟沉積的影響。管徑選取完成后，通過改變管線高程實現管線起伏程度的變化，探究管線起伏程度對析蠟的影響。各組模擬實驗中保溫層材料及厚度、環境溫度等均為定值，模擬試驗的參數設定值和結果如詳見表2。

表2 兩個因素下的模擬試驗參數設定值與結果匯總（實驗1～6）

模擬實驗1～3結果顯示，當其他條件保持不變時，管徑越大，平均蠟沉積厚度越大。此外，管徑越大，蠟沉積出現的越早，分析主要原因是因為管徑越大，管內油流溫降越快。

由實驗4～6可知，3種起伏程度下的管道在運行模擬了 7 天后，從管內蠟沉積量沿管道的分布情況來看，不論是上傾還是下傾都會使得管內沉積層厚度有所增加，且上傾管（高程100 m）下的平均析蠟厚度較下傾管厚，但無論哪種情況，油品析蠟厚度和析蠟高峰并未有明顯改變。

2.2 入口溫度、出口壓力和輸油量對蠟沉積的影響

在保證其他參數不變的情況下，分析不同入口溫度對蠟沉積的影響，因油品析蠟點為32.5 ℃，故選取管線入口溫度值分別為36、39、42、45 ℃共4組。油品析蠟點與壓力大小相關，管道系統壓力的變化也會對蠟沉積過程會產生一定的影響，采用控制變量法設置3組實驗分析管道出口壓力對管道結蠟分布的影響。在正常生產過程中，管線輸量是一個非常重要的運行參數，因此，明確輸油量對析蠟情況的影響規律十分必要，同樣采用控制變量法設置3組實驗進行分析。管線全長設為30 km，其余管道材料、厚度、傳熱系數、環境溫度及流量等參數保持相同。3個影響因素下的實驗模擬設定值見表3，析蠟結果見圖2、圖3、圖4。

表3及圖2的結果表明，油流入口溫度越小，開始析蠟位置距離管道入口越近，主要是入口溫度越小，油流溫度就越快達到析蠟點。另外，不同入口溫度下對應不同的析蠟高峰且分布在不同位置，若把總結蠟量平均到整條管道，會出現平均結蠟厚度隨入口溫度的升高而減小的現象。此模擬結論與文獻[17]得到的結論一致。

圖2 不同入口溫度下試驗的模擬結果

由表3及圖3的結果可知，當管道出口壓力不同時，管道沿程結蠟分布變化規律不明顯，整體變化趨勢與管線起伏程度的變化規律類似。

圖3 不同出口壓力下試驗的模擬情況

表3 3個因素下的模擬試驗參數設定值與結果匯總（實驗7～16）

隨著出口壓力的升高，析蠟高峰值增加不大。將析蠟高峰平均分布到管線析蠟段后，平均析蠟厚度也變化不大，因此可以認為管道出口壓力大小對管道結蠟影響不是特別明顯。但由于壓力不同時，油品的析蠟點隨壓力升高而降低，所以不同出口壓力下的析蠟位置有所不同，隨著出口壓力的增大，析蠟點降低，析蠟位置越接近管線出口。

由圖4和表3顯示的模擬試驗結果可知，隨著輸油量的增加，管線結蠟厚度越大，分析原因是輸油量越大，油流整體的含蠟量較大，導致析出的蠟量也較低輸油量時多。但初始結蠟位置有所不同，主要是因為輸油量較小時，流體溫度較快降至析蠟點以下。此結論與文獻[18]的研究結論一致。

圖4 不同輸油量試驗下的模擬結果

2.3 英牙凝析油管線高風險段確定

英牙凝析油管線自2007年投產以來，隨著英買凝析油蠟含量的逐漸增加及對英牙凝析油管道內壁的蠟沉積層厚度不明確，發生了多次清管器卡阻和蠟堵事件。根據管線及油品參數，對管線全線析蠟情況進行模擬，依據全線配套的收發球裝置，將管線分為4個管段進行模擬，而每個管段又根據最冷月與最熱月的計算結果分兩次模擬，目的是找到全線清管作業的高風險運行段，為英牙線制訂合理的清管周期提供指導。

各個管段的模擬所需要的數值和各管段的最終模擬析蠟情況見表4和圖5。

圖5 英買凝析油管線全段全年析蠟模擬情況

表4 管道全線管段析蠟模擬設定參數和結果匯總表

由表4和圖5能看出，英買凝析油管線在夏季運行時（運行28天），英買首站-英2加熱站段管線、英3加熱站-英5加熱站段管線不存在析蠟情況，而英2-英3段及英5-進站段管線存在析蠟情況，其中，英5-牙哈裝車站的析蠟情況最嚴重。在冬季運行時（運行28天），管道全線均存在析蠟情況，其中，英3加熱站-英5加熱站析蠟最不明顯，而英5-進站段管線析蠟最嚴重，最長析蠟段長9.907 km，最大析蠟厚度1.185 mm，總析蠟量達8.57 m3，這與當前的清管結果基本符合。綜合來看，英牙凝析油管線在全年運行中，英5加熱站-牙哈裝車站段的析蠟情況最為嚴重，分析出現這種情況的原因首先是英5出站溫度較低，使油溫在未到達終點時過早的降至析蠟點，另一方面，英5-牙哈裝車站段管線為英牙線的最末端，管線和油品中的雜質集聚到此段，加速了蠟晶分子的析出。因此，最終確定該段管線為高風險運行段。

為避免因管道內油品蠟沉積而導致管線在清管作業時發生清管器卡阻事故，在平時運行及清管作業時，主控室應重點關注此管段的運行參數，發現運行數據異常及時上報處理。其次，針對英牙凝析油管道安排清管作業時，應將全線分為兩段分別進行兩次清管作業，首次從高風險段（英5-進站段）開始清管，待清管器從終點取出后，再依次從首站開始第二次清管，盡可能避免高風險段出現蠟堵，確保管線平穩運行。