蜡沉积模拟与环道实验的对比分析

2015-02-15

油气田地面工程 2015年6期

西南石油大学石油与天然气工程学院

蜡沉积模拟与环道实验的对比分析

陈小榆苏鑫凌沛文

西南石油大学石油与天然气工程学院

蜡沉积是影响含蜡原油管道安全运行的重要隐患。通过室内环道装置可以较真实地模拟实际管道中的蜡沉积现象，但利用环道实验研究蜡沉积规律需要大量的原油进行反复多次实验，在油样缺乏的条件下实验无法顺利完成。而采用PVTsim软件中的蜡沉积模块（DepoW-ax）模拟管蜡沉积，并利用实验数据适当修正系统计算偏差，可以使模拟得到的蜡沉积规律与实验结果基本保持一致。

蜡沉积；环道实验；PVTsim；结蜡厚度；模拟

含蜡原油在输送过程中，当管壁温度低于油温且低于原油析蜡点时，管壁附近原油中的蜡分子将会结晶析出，向管壁移动并沉积在管壁处。蜡沉积是影响含蜡原油管道安全运行的重要隐患。目前研究蜡沉积规律的室内实验方法有冷板法、冷指法、旋转圆盘法和室内环道法等[1-2]。前三种方法装置简单，易于操作，但由于与原油在管道中的蜡沉积表面以及流动状态不同，拟合出蜡沉积模型预测误差较大。而室内环道实验中原油在真实管段中流动并发生蜡沉积，可以较真实地模拟实际管道中的蜡沉积现象，但通常需要大量的原油进行反复多次实验才能拟合出较准确的蜡沉积模型，耗时长，且实验误差受操作条件、仪表精度等影响。在研究某海上油田含蜡原油的蜡沉积规律时，由于油样较少，无法通过环道实验拟合出该原油的蜡沉积模型。因此，采用PVTsim软件中的蜡沉积模块（Depo Wax），参照环道实验条件进行蜡沉积模拟，并将模拟结果与环道实验结果进行对比分析，以验证模拟的有效性。

1 室内环道实验

1.1 实验油样组成

首先对该油田提供的含蜡原油进行物性分析，结果见表1。实验油样的黏温关系曲线见图1。

表1 实验油样蜡、胶质、沥青质含量及主要物性参数

1.2 环道实验装置

室内环道实验装置[3]主要由实验管路系统、恒温循环水系统、数据采集系统、充气及吹扫系统组成，如图2所示。

图1 实验油样黏温关系曲线

图2 室内环道实验装置

实验管路系统设计压力2.5MPa，采用规格为Ø32mm×3.0mm的不锈钢无缝钢管，其中两段测试管段长度均为7m。整个实验管道浸没在恒温水槽中，通过热水浴对实验管路中的原油进行加热。

1.3 实验原理

由于实验环道装置中整个环道均浸没在同一个水浴环境中，且没有设置单独的冷却装置，因此在实验过程中分别进行参比管实验和测试管实验。两次实验中，各实验参数除水浴温度不同外，其余参数均相同。参比管实验中保持水浴温度略高于管内油温，测试管实验中水浴温度为恒温（18℃）。根据蜡沉积原理，参比管内原油中即使有蜡分子析出，但是由于管壁和油流中心没有浓度差，蜡分子也不具备在管壁沉积的条件，因此实际管内径不发生变化。测试管段管壁温度低于油流温度[4-5]，且低于原油析蜡点，则原油中的蜡分子会析出，并在测试管段上发生蜡沉积，使测试管管径变小，压差增大。通过测量参比管段和测试管段的压差，根据静态差压法可计算出管段中的平均蜡沉积厚度。

1.4 主要操作步骤

（1）参比管实验。开启罐内加热系统，将油样加热到55℃，并开启循环水浴加热系统，使环道管路完全浸没在水浴中，保持水浴温度略高于55℃，以保证油管外壁温度高于原油温度，防止析蜡。开启螺杆泵，调节流量，在实验流量下稳定运行半小时后开始记录测试管段两端的压差，每间隔5min采集一次，记录时间总长为1h。之后再将油温依次冷却到50℃、45℃（析蜡点附近）、40℃、35℃，按照同样的步骤重复进行参比管实验，并记录测试管段压差。在此过程中始终保持管外壁温度略高于原油温度，以防止管壁结蜡。

（2）测试管实验。采用罐内加热的方式，将油温加热到55℃，保持水浴温度为18℃，开启螺杆泵，调节流量，在实验流量下稳定运行半小时后，开始每隔5min采集一次流量、压差、温度等数据，采集时间为12h。在此过程中随时监测水浴温度并及时添加冷水，以保证水浴温度始终维持在18℃（±0.5℃）左右。

（3）依次调节输油温度为50℃、45℃、40℃、35℃，按照同样的步骤重复进行蜡沉积实验并记录实验数据，每次进行下一组实验前，利用实验环路的吹扫系统吹扫环道内和输油泵内的残油。每组实验运行时间为12h以上。记录每组实验开始和结束时间、管线温度、水浴温度等。

1.5 实验数据处理

利用静态差压法计算管壁结蜡厚度，计算结果汇总于表2中。

2PVTsim模拟

PVTsim软件是由Calsep公司开发的一款流体计算软件，可以为许多化工模拟软件建立流体文件，同时也是一款具有PVT模拟、水合物形成预测、结蜡结垢预测、单元操作计算等功能的多用途PVT模拟软件。其中，蜡沉积模块是一个管道模拟器，它可以考虑蜡沉积和油相中悬浮的蜡颗粒对黏度的影响，模拟含蜡原油管道沿程压降、温降曲线以及结蜡厚度，适用于在油田现场试验和回路测试，可以评估管线在输运过程中的蜡沉积风险。在DepoWax模块中，需要用户输入管线的特性（坐标、内径、粗糙度、外界温度、保温材料）、入口的温度、压力和流速等。在开始蜡沉积模拟之前，首先利用实验测得的蜡含量、凝点以及黏温曲线数据等来对结蜡模型进行修正，使得模拟得到的结果更符合实际情况。

2.1 模拟参数设置

模拟条件设置与环道实验完全相同，分别模拟入口流体温度为55℃、50℃、45℃、40℃、35℃时管道中的结蜡情况。蜡分子孔隙度分别设置为60%、70%、80%、90%，每种情况的模拟运行时间均为12h。

表2 蜡沉积厚度计算结果汇总

2.2 模拟结果与实验数据对比分析

将PVTsim模拟结果与环道实验结果进行对比，结果见图3～图6。从对比结果可看出：

图3 油温55℃时管壁平均结蜡厚度随时间的变化

图4 油温45℃时管壁平均结蜡厚度随时间的变化

图5 油温35℃时管壁平均结蜡厚度随时间的变化

图6 壁温18℃时管壁平均结蜡厚度随油温的变化

（1）平均结蜡厚度随孔隙度增大而增大，孔隙度为80%时的模拟结果与实验数据更接近，表明环道实验中管壁蜡沉积层的蜡分子孔隙度在80%左右。

（2）PVTsim模拟结果与环道实验结果所表现出来的规律基本一致，主要表现在：平均结蜡厚度随着时间不断增加，且结蜡速率由快变缓；结蜡速率随原油温度先升高后下降；析蜡高峰位于析蜡点附近。

（3）PVTsim模拟结果与环道实验结果的不同体现在：PVTsim模拟显示蜡沉积在模拟开始时刻即存在，而实验结果表明，在运行前4h内管壁上几乎没有蜡沉积；PVTsim模拟值比实验值略大（油温35℃时除外）。这主要是由于在PVTsim模拟中忽略了油流对蜡沉积层的剪切力，因此管壁上一开始便存在蜡沉积，而在实验中，实验初期少量的蜡沉积物会在油流的剪切作用下被带回油流中，随着实验运行时间的增加，油流中析出的蜡晶越来越多，蜡晶会再次沉积并附着在管壁上，形成蜡沉积层。但由于油流剪切力的存在，始终会有部分蜡沉积物被带回油流中去，因此，实验值比模拟值要小。而油温为35℃时，在反常点附近，原油流动性变差，在测试管实验中多次出现差压计引压管被蜡堵的现象，造成该组实验后期所采集的差压数据偏大，因此计算数据偏大。