MH 油田常溫轉輸系統含水原油黏壁溫度研究

何旺達，米翔，王雪嬌，扎依旦·艾爾肯，呂茜娣，史航宇

（1.新疆油田公司百口泉采油廠，新疆 克拉瑪依 834011；2.西南石油大學 石油與天然氣工程學院，四川 成都 610500）

1 概述

MH 油田原油含蠟易凝，使用相變加熱爐進行油水混輸。開采進入后期，原油含水率大幅提升，加熱能耗增大的同時，油水混合體系的表觀黏度大大降低[1]，為原油常溫轉輸帶來了可能[2]。若直接選擇常溫轉輸將導致轉輸系統在冬季的溫度大范圍降低，因此，亟需開展MH 油田原油黏壁溫度研究。

1999 年，吳迪等[3]提出了黏壁溫度的概念，原油在低溫環境中會突發膠凝現象并凝于管壁，導致流通面積減少，造成井口回壓升高。田東恩[4]在測定原油黏壁溫度時直接將其定義為測量段兩側壓降突然上升的溫度點，并以此作為常溫轉輸界限。李鴻英、韓善鵬課題組[5-8]建立了一套室內冷指裝置，對大量原油進行測試后發現，黏壁溫度可用于多種高含水原油不加熱轉輸邊界的確定，并回歸得到黏壁溫度與原油凝點、含水率、內壁剪切應力之間的關系。張瑩[7]通過冷指實驗得出，稠油的黏壁溫度大多高于凝點，含蠟原油的黏壁溫度低于凝點。ZHENG等[9]、王忠民[10]、李連群[11]通過實驗得出，在一定的實驗條件下，含水率越高，原油黏壁溫度越低，流速越高，黏壁溫度越低。

目前，傳統冷指實驗和室內環道實驗均存在一定局限，難以判斷現場實際生產工況下常溫集輸可行性。

本文結合現場工況，使用攪拌裝置模擬管流沖刷作用，采用直接浸入法確定了原油在不同含水率和不同流速下的黏壁溫度，使用XGBOOST 算法預測了MH 油田常溫轉輸的可行性。

2 黏壁溫度測量實驗

為了研究MH 油田常溫轉輸系統實際生產條件下含水原油的黏壁溫度，選取MH 油田轉輸系統4 個轉油站的油品作為試樣，基于改進后的冷指實驗，通過攪拌裝置調節攪拌槳轉速以模擬不同流速下的原油黏壁過程，測量得到各轉油站油品在不同含水率和不同流速下的黏壁溫度，進而分析含水率、流速與原油黏壁溫度之間的變化規律，并為不同工況下黏壁溫度的預測提供實驗數據樣本。

2.1 原油物性參數

MH 油田常溫轉輸系統不同轉油站原油物性參數如表1 所示，所有油品均為含蠟原油，現階段各轉油站油品含水率范圍為55%～65%，原油凝點較高。

表1 MH 油田各轉油站原油物性參數

2.2 實驗裝置及原理

改進冷指實驗裝置如圖1 所示，實驗裝置主要由攪拌槳、溫度計、恒溫水浴鍋、燒杯及數顯調溫攪拌系統組成。實驗中通過6-HJ-5 數顯恒溫多功能攪拌器調整攪拌槳轉速，以模擬現場不同的流速，便于測定現場流速下原油的黏壁溫度[12]。實驗截取現場替換管的部分玻璃鋼管段作為浸入段，采用外接溫度探針精準測量控溫水浴裝置溫度。

圖1 實驗裝置效果圖

實驗基本原理為：隨著環境溫度的降低，原油的黏度會增大，油滴間的作用力增強[13]，當該作用力大于水流的剪切力時，小油滴會聚集形成凝油塊。當溫度降到一定程度時，凝油塊與管壁的黏附力將大大小于水流的剪切力，黏壁現象迅速惡化，無法進行常溫集輸，該溫度即為原油的黏壁溫度[12-14]。實驗中，控溫裝置從預熱溫度開始降溫，降溫梯度1 ℃，直至黏壁質量發生突變時的溫度即為該條件下原油的黏壁溫度[4]。

2.3 實驗步驟

（1）采用APT-8 多功能原油脫水試驗儀對各轉油站原油進行電脫水；

（2）采用一次性加水的方式，按照比例配制不同含水率的原油乳狀液；

（3）稱量空白玻璃鋼試樣的質量；

（4）將制備完成的原油乳狀液加熱到預熱溫度備用；

（5）向燒杯內加入200 mL 原油乳狀液，倒放入玻璃鋼試樣，開啟磁力攪拌系統，將控溫水浴溫度設為預定溫度，以轉速433 r/min、降溫速率0.5 ℃/min 邊攪拌邊降溫，待降溫至預期溫度后恒溫攪拌10 min；

（6）用鑷子夾取浸泡后帶有掛壁凝油的玻璃鋼試樣，傾斜45°，油品不滴落后稱重，計算此時玻璃鋼試樣的質量與空白玻璃鋼試樣的質量之差并記錄數據；

（7）控溫裝置從預熱溫度開始降溫，降溫梯度為1 ℃，直至黏壁質量發生突變后適當縮減降溫幅度，測量得到該條件下的黏壁溫度并記錄數據。不同轉油站的原油（M131、M18、BL、M2）、不同含水率（55%、65%、70%、80%）、不同攪拌槳轉速（433、650、866、1 300 r/min），重復上述實驗共80 組。其中，轉速433、650、866、1 300 r/min 換算為流速分別為0.9、1.36、1.81、2.72 m/s。

3 實驗結果分析

如圖2 所示，M131 轉油站油品、含水率為55%、實驗轉速433 r/min 條件下，隨著原油溫度逐漸降低，玻璃鋼試樣浸入10 min 后的質量持續上升，在11 ℃達到高點，又在9 ℃處產生質量突變，而后玻璃鋼試樣的質量急劇上升，表明黏油質量大幅增加。因此，判斷M131 轉油站油品在該實驗條件下的黏壁溫度為9 ℃。由于原油黏壁將造成管線的流通面積減小，管線壓降隨之增大[15]。根據M131 轉輸系統現場降溫過程采集的壓降數據，與實驗測得降溫過程的黏壁溫度變化規律一致。

圖2 黏壁溫度實驗結果驗證

M131 轉油站油品、含水率55%，在不同實驗轉速下（433、650、866、1 300 r/min）的黏壁溫度曲線如圖3 所示。隨著轉速增大，原油黏壁溫度不斷降低，說明轉速增大的同時剪切作用增強，原油黏壁的傾向減弱。

圖3 M131（含水率55%）原油不同轉速下黏壁溫度曲線圖

利用上述原油黏壁溫度的判定方法，可分別得出4 個轉油站在不同流速和不同含水率條件下的原油黏壁溫度，如圖4 所示。由圖4（a）可知，M131 轉油站原油在同一含水率下，隨著原油流速由0.9 m/s 增至2.72 m/s，黏壁溫度的下降幅度為1.15～3.20 ℃；在同一流速下，隨著含水率由55%增至80%，黏壁溫度的下降幅度為3.55～5.60 ℃；由圖4（b）可知，M18 轉油站原油在同一含水率下，隨著原油流速由0.9 m/s 增至2.72 m/s，黏壁溫度的下降幅度為1.30～2.50 ℃；在同一流速下，隨著含水率由55%增至80%，黏壁溫度的下降幅度為6.00～6.35 ℃；由圖4（c）可知，BL轉油站原油在同一含水率下，隨著原油流速由0.9 m/s增至2.72 m/s，黏壁溫度的下降幅度為1.65～2.35 ℃；在同一流速下，隨著含水率由55%增至80%，黏壁溫度的下降幅度為3.25～3.80 ℃；由圖4（d）可知，M2 轉油站原油在同一含水率下，隨著原油流速由0.9 m/s增至2.72 m/s，黏壁溫度的下降幅度為1.25～2.50 ℃；在同一流速下，隨著含水率由55%增至80%，黏壁溫度的下降幅度為5.55～6.80 ℃。因此，同一物性原油在同一流速下，隨著含水率升高，原油的流動性增強，原油的油相占比減小[8]，濃度降低，凝油顆粒難以聚集，更難形成凝油團[10]，且游離水潤滑管壁將改善原油的黏壁行為，原油黏壁溫度明顯降低。同一物性原油在同一含水率下，隨著流速增加，剪切沖刷作用增強，原油與管道內壁的接觸、黏附概率減小，且管內剪切應力增大，增大了流體對管壁凝油團的沖刷剝離程度[16]，降低了凝油團的黏附概率，黏壁現象減弱，原油黏壁溫度降低，但其降低幅度略有減小。

圖4 四個轉油站在不同含水率和不同流速下的黏壁溫度曲線

由55% 含水率、0.9 m/s 流速的工況到80%含水率、2.72 m/s 流速的工況，4 個轉油站原油黏壁溫度的降幅分別為6.75、7.65、5.45、8.05 ℃，原油黏壁溫度低于凝點0.25～11.01 ℃。其中M131、M18、BL 轉油站原油黏壁溫度的變化率呈現先慢后快再慢的下降趨勢，M2 轉油站原油黏壁溫度的變化率呈現先慢后快的下降趨勢。但4 個轉油站原油黏壁溫度的最大降幅均在含水率由65% 升至70% 的過程中，分別為2.90、3.00、1.30、1.90 ℃。在相同含水率和流速下，M2 轉油站原油的黏壁溫度最高，而后依次為BL 轉油站原油、M18 轉油站原油、M131 轉油站原油。這表明原油的凝點也是影響原油黏壁溫度的因素之一，主要受原油內部的分子作用力、范德華力、氫鍵以及雙電層靜電引力與黏附力的影響[17]，且凝點越高的原油，往往黏壁溫度也越高，其常溫集輸的難度也越大。

4 黏壁溫度預測研究

為了明確現場不同工況以及未來工況下原油的黏壁溫度，判斷常溫集輸的可行性，最大限度實現節能降耗，需結合實驗結果進一步開展黏壁溫度預測。本研究采用極端梯度上升（XGBOOST）算法，由基函數與含水率、轉速、原油凝點的影響權重組合的合成算法擬合原油黏壁溫度再進行預測，該模型具有較強的泛化能力、較高的拓展性、較快的運算速度等特點[18]。不同特征重要度分析結果如圖5 所示，原油黏壁溫度與各因素的重要度排序為含水率、原油凝點、流速。其中，含水率對原油黏壁溫度的影響最為顯著，權重占比為65.0%，與實驗中隨著含水率增加、黏壁溫度降幅出現明顯增加的現象一致。

圖5 XGBOOST 模型特征重要性分析

MH 油田各轉油站油品的XGBOOST 黏壁溫度預測結果及誤差分析如圖6 所示，最小誤差為0.44%，最大誤差為39.51%，平均誤差為8.36%，表明預測值與真實值契合度高，模型擬合效果好。

圖6 MH 油田各轉油站油品的XGBOOST 黏壁溫度誤差分析

5 結論

針對MH 油田含水原油常溫轉輸過程中的流動安全及節能降耗問題，通過改進后的冷指實驗測量得到各轉油站油品的黏壁溫度，并通過XGBOOST算法對其未來工況下原油的黏壁溫度進行預測，以此準確判斷原油常溫集輸工藝的可行性，在確保原油安全轉輸的同時最大程度降低加熱能耗，具體結論如下：

（1）不同轉油站原油黏壁溫度及其降幅存在差異，凝點越高，黏壁溫度相對越高，但均在含水率65%增至70%的過程中，黏壁溫度降幅明顯增加。不同工況下，原油黏壁溫度低于凝點0.25～11.01 ℃。

（2）隨著含水率增加，即實際生產過程中的產水量增加，將導致油水混合物流動性增強，黏壁現象得到改善，原油黏壁溫度降低。

（3）隨著流速的增加，管內剪切應力增大，流體對管壁凝油團的沖刷剝離作用增強，原油黏壁傾向減弱，即黏壁溫度降低。

（4）通過XGBOOST 算法確定原油黏壁溫度與各因素的重要度排序為含水率、原油凝點、流速，預測MH 油田常溫轉輸系統含水原油不同工況下黏壁溫度，模型預測準確度較高，平均誤差僅為8.36%。