油－水两相流蜡沉积机理探讨与预测模型研究

谷醒林 高喆慧 季李超 王俊杰 王东

(1 西南石油大学 四川 成都 610500)

(2 中国石油大学（北京）北京 102249)

(3 河南信宇石油机械制造股份有限公司 河南 濮阳 457001)

(4 中原石油勘探局采油五厂油藏经营管理四区 河南 濮阳 457001)

油－水两相流蜡沉积机理探讨与预测模型研究

谷醒林1高喆慧2季李超3王俊杰1王东4

(1 西南石油大学 四川 成都 610500)

(2 中国石油大学（北京）北京 102249)

(3 河南信宇石油机械制造股份有限公司 河南 濮阳 457001)

(4 中原石油勘探局采油五厂油藏经营管理四区 河南 濮阳 457001)

在原油开采过程中往往伴有采出水，且随着原油开采程度的深化，原油的含水率逐年增加。为大大简化油水集输设施，可将油－水两相混输技术广泛应用于海、陆集输系统。我国生产的大多数原油是易凝超稠的含蜡原油，当环境温度过低时将发生蜡沉积现象，从而削弱管输能力，导致管堵事故。目前，国内外对于蜡沉积的研究主要集中在单相流动条件下，油－水两相流动的蜡沉积研究起步较晚，其相关的研究文献也较少，且主要集中在实验研究阶段。油－水两相流蜡沉积规律还未形成定论，其机理研究尚处于起步阶段，仍然缺乏准确合理的预测模型以指导油－水混输管道的清管除蜡工作。笔者在实验室以往蜡沉积研究经验基础上结合国内外相关文献资料，就油—水两相流蜡沉积的研究工作提出一些建议与看法，以期能更好的开展油－水两相流蜡沉积的深入研究工作。

油水两相流；蜡沉积；机理；模型；建议

管输油－水两相流因蜡沉积问题带来的防蜡和清蜡成本很高，因此有必要在单相原油蜡沉积研究成果的基础上开展油－水两相蜡沉积研究工作，以降低防蜡、清蜡成本。受含蜡原油组分复杂和含蜡油－水两相流动流型辨识难度大等因素的影响，油－水两相流动蜡沉积研究仅仅停留在初步的探索中。本文在分析影响油－水两相流蜡沉积主要因素的基础上来探讨蜡沉积机理，并在比较现有的蜡沉积实验研究装置的基础上提出了建立准确、合理的油－水两相流蜡沉积预测模型的基本思路。

一、蜡沉积主要影响因素

在已较成熟的单相油流蜡沉积研究中可知影响管道蜡沉积速率的主要因素包括油温、原油与管壁温差、流速、原油组成、管壁材质等。国内外学者在油－水两相流蜡沉积研究，发现影响油－水两相流蜡沉积速率的主要因素除上述因素外，还有含水率、乳状液稳定性、分散相粒径、液流流型等。对于实际运行的管道，这些因素将共同作用，影响管道的蜡沉积速率。现定性分析含水率、乳状液稳定性、分散相粒径、液流流型的影响：

1.含水率

Couto等通过冷指实验发现在油－水两相体系中油水乳状液里的蜡沉积量

随含水率的增加而呈指数规律下降；H su等利用高压环道实验发现随着水相进入环道，蜡沉积量明显减少。

2.乳状液稳定性

在原油乳状液中添加表面活性剂可以增加其稳定性。Ahn等利用可以旋转的冷板实验发现随着非离子型表面活性剂H LB值的增加，蜡沉积量也随之减少。由此可见，当油－水两相液流在管路中出现乳状液一流型时，只要改变乳状液相的稳定性便能改变蜡沉积量。

3.分散相粒径

利用冷指实验装置研究了在W/O型乳状液中分散相粒径对蜡沉积速率的影响：在相同含水率下，随分散相液滴直径的减小和小液滴数量的增多，蜡沉积速率减小。分析原因可能是蜡分子只能溶解在乳状液油相中，并通过油相扩散到管壁处，在相同的含水率条件下，乳状液分散相初始液滴直径越小、小液滴越多，蜡分子扩散到冷指表面的阻碍越多，蜡沉积速率越小。

4.液流流型

油水两相流动中的流型是决定蜡沉积规律的重要因素。目前国内外学者通过环道实验观测到的流型有完全分层流、上层水包油分散流下层游离水、上层油包水分散流下层水包油分散流和相界面有混合的分层流等。目前就流型对两相流蜡沉积的影响规律尚缺乏统一认识，这也大大限制了对两相流蜡沉积的机理研究，因此，在下阶段的两相流研究当中，应专门考察不同流型下的蜡沉积规律，以确定流型在油—水两相流蜡沉积中的影响效果。

二、蜡沉积机理探讨

对于油－水两相流蜡沉积机理，学者们只是沿用了单相管流的蜡沉积机理，并综合了一些多相管流的特点来近似研究多相流动条件下的蜡沉积规律，并未提出有意义的观点，加之油－水两相流管流的复杂性，多相管流蜡沉积理论研究还有待深入。现已知的蜡沉积机理有分子扩散、布朗运动、剪切弥散、重力沉降、剪切剥离与老化六种。对于这六种机理的具体实现内容需要通过大量的蜡沉积实验来判断，例如通过考察温度对蜡沉积的影响来确定分子扩散机理的作用，通过控制液流速度大小来确定剪切剥离机理，通过研究蜡沉积速率随时间变化的规律来确定老化机理等。因此，在后续的油－水两相流蜡沉积研究中需要通过大量实验结合单相蜡沉积机理逐步认识油－水两相流动蜡沉积机理。

三、蜡沉积实验方法

目前存在的关于蜡沉积研究的实验装置有冷板装置、冷指装置、环道装置。采用冷板法结构简单，油和板的温差比较容易控制，并且可以通过磁力搅拌器搅拌原油，但不能模拟液流在管道中的流动情况；冷指法是在冷板法的基础上加以改进得以实现的，该方法与冷板法原理相同，只是改变了蜡沉积表面，该方法能基本模拟液流在管路中的蜡沉积情况，但与实际管路液流流动还存在很大差距。为克服以上两种实验方法的不足，建议采用环道实验装置来研究油－水两相流动蜡沉积。Agrawal的环道实验装置如图1所示。在环道实验中要着重考察管路倾角管径大小、混合液流速、含水率、管路倾角管径大小、管壁的亲水性以及流体物性(密度粘度和界面张力)等因素对蜡沉积速率的影响。

四、模型研究

已存在的蜡沉积预测模型有两类，分别为蜡沉积热力学模型与蜡沉积动力学模型，但由于热力学模型具有计算精度较低、适用范围较窄、实际应用复杂等缺点，一般利用动力学模型来研究单相或多相的蜡沉积模型。研究蜡沉积规律一般是从理论分析入手，结合室内模拟实验，建立半理论半经验的蜡沉积模型，并在更宽的范围和条件下对其进行检验。目前黄启玉模型是研究单相原油蜡沉积最可靠精确地模型，其模型公式为：

式中 f'——蜡沉积倾向系数,与管壁剪切应力T w、管壁温度梯度有关;

W——蜡沉积速率。

Couto假设油水充分混合（乳化），用油水混合物的物性（表观粘度、密度、比热容、摩尔质量等）代替单相油品的物性，然后将其代入黄启玉模型来建立油—水两相蜡沉积模型。该模型能较好地预测油包水型乳状液的蜡沉积速率，但精度仍然不高。

1.在总结国内外建立单相原油蜡沉积模型手段的基础上，笔者提出了不同于Couto两相模型的油—水两相蜡沉积预测模型，该模型通过实验优选，比Couto两相模型具有更高的预测精度。其基本思路如下：

（1）在文献调研的基础上确定实验方案、设计环道实验装置；

（2）进行油－水两相流蜡沉积实验，研究温度、流速、油壁温差、含水率、表面活性剂、分散相粒径等因素对蜡沉积速率的影响；

（3）实验数据的处理和分析，基于利用人工神经网络方法建立模型具有预测误差小,模型精度高的特点，与利用逐步回归分析法具有能表达蜡沉积速率与其影响因素之间亲疏关系的优点，综合考虑两种方法的优缺点,在建立蜡沉积速率模型时,先用逐步回归分析法对实验数据进行预处理,得到蜡沉积速率的主要影响因素,然后再把蜡沉积速率的主要影响因素作为神经元的输人,利用人工神经网络的方法建立蜡沉积速率模型；

（4）利用现场数据对所得模型进行校验，并与Couto油-水两相预测模型预测结果进行比较，以优选最佳预测模型。

结论

1.要深化对油-水两相流蜡沉积机理的认识，应从分析影响油-水两相流蜡沉积速率的因素上着手，结合单相油流蜡沉积的影响因素与油-水两相流的流动特点来分析两相流蜡沉积的影响因素。

2.当油-水两相流在管输过程存在乳状液流型（W/O型或O/W型）时，应考虑乳状液作为热力学不稳定体系其不稳定性对蜡沉积的影响。在实验中应考察影响乳状液稳定性的因素如乳化剂量、分散度、水质、时间等对蜡沉积的影响规律。

（3）在建立油-水两相流蜡沉积速率模型时，应选择模拟实际管流蜡沉积情况较好的环道装置作为实验工具，充分发挥环道可以灵活控制油-水两相流流型的优势，考察流型的影响规律。在新建立的预测模型中应该尽可能多的包含各影响因素，且尽可能少的含有变量参数，通过结合逐步回归法与人工神经网络法来平衡二者的矛盾，提高预测模型的精度。

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[3]ZhangY，GongJ，RenYF.Effect of Emulsion Characteristics on Wax Deposition from Water-in-Waxy CrudeOil Emulsions under Static Cooling Conditions［J］.Energy＆Fuels，2010，24(2):1146～1155.

[4]汪继锋.含蜡原油蜡沉积模型研究[D][硕士学位论文].北京：石油大学，2003.

[5]张宇，吴海浩，宫敬.海底混输管道蜡沉积研究与发展[J].石油矿场机械，2009,38（9）：1-8.