井口到计量间集油管道热洗清淤研究

李欣洋，魏立新，张威(东北石油大学石油工程学院，黑龙江大庆163316)

井口到计量间集油管道热洗清淤研究

李欣洋，魏立新，张威
(东北石油大学石油工程学院，黑龙江大庆163316)

随着三次采油技术的实施，聚合物驱油技术在提高采收率的同时也给地面原油处理、加工及集输带来了新的挑战。针对聚合物驱管道结蜡淤积导致集油管线高回压问题，停输后对井口到计量间的聚合物驱集油管道进行热洗清淤研究。探究在不同集油半径条件下，热洗水量、热洗水温及不同含聚质量浓度的淤积物对清淤时间的影响。通过理论公式计算清淤时间及实验结果发现，热洗水温在65～70℃增加热洗清淤效率最明显。对于不同含聚质量浓度的淤积管线进行清洗时，在低热洗水量的条件下，高含聚采出液的淤积物清洗时间相对更长。随着热洗水量的增加，不同含聚质量浓度淤积物的清洗时间几乎相等，没有明显变化。

聚合物驱;管道淤积物;热洗清淤;热洗参数

石油作为一种非再生的化石能源，是目前所使用的最主要的一种能源，并且消耗量在总能源中所占比例逐年增加［1］。随着聚合物驱采油技术的广泛应用，缓解了各大油田的产量递减速度。然而在聚合物驱技术提高采收率的同时，集油管道结蜡淤积问题凸显，造成压降增大，导致井口回压过高，影响了集输系统的正常生产。聚合物驱采出液中蜡质含量高、乳化严重、黏度大、机械杂质及黏土颗粒含量较多，而在集输管道输送过程中，随着温度降低，这些物质的析出给地面集输管道带来严重的淤积问题，部分地区的集输管道淤积物中水、蜡、胶质和沥青质质量分数接近70%，其中蜡质量分数高达41．67%［2］。集输管道中的大量淤积物不仅会增加管道运行的能耗，影响管道的安全运行，而且还可能造成凝管事故，给管道的输送带来很大的安全隐患［3］。

目前，主要的清淤技术有以下几种:机械清管技术，将清管设备投放到管道中，刮除管壁上的淤积物，通过液流将蜡携带出管道［4-6］;热力清管技术，向清洗管道中注入热水或蒸汽，通过提高管壁温度达到淤积物的熔点进行清淤［7］;化学药剂清管技术，在管道中加入的化学药剂与管道内淤积物发生化学反应，达到清淤效果［8-10］。微生物清防蜡技术，选取适宜的微生物使其在管道中繁殖，通过裂解淤积物中的胶质、沥青质和石蜡等物质，改变管道内壁的润湿性，抑制管道内淤积物的形成达到清防淤的效果［11-13］。本文利用热力清管技术对集油管道进行热洗清淤试验，研究不同热洗工况下对清淤时间的影响，确定适宜的热洗参数对确保管线安全输送具有重要的实际意义。

1 热洗清淤的理论基础

依据能量守恒与转换定律建立热平衡方程。将管线沿程能量损失分为两部分，一部分是向周围环境扩散的热量;另一部分是用于熔解管道淤积物的热量。其中混输介质向外界散热损失的热量(考虑结蜡层厚度)为Φs。

式中，Φs为混输介质向外界散热损失的热量，kJ;T2为管段内的温度，℃;T1为管道周围介质温度，℃; λ1为管内壁蜡的导热系数，W/(m·K);λ2为钢管导热系数，W/(m·K);λ3为保温层导热系数，W/ (m·K);d1为管内有效流通直径，m;d2为钢管内径，m;d3为钢管外径，m;d4为保温层外径，m;h1为管外壁至大气的放热系数，W/(m2·K)。

管内对流换热用牛顿冷却公式为:

式中，Φ为管段内介质对流换热的热量，kJ;h为管段内介质对流传热系数，W/(m2·K);A为对流传热面积，m2;tf为介质的平均温度，℃;tm为管段内淤积物的熔点峰温，℃。

2 热洗清除管线淤积物的研究

2．1最小有效流通管径下对应淤积物厚度

依据油气集输系统设计规范，取1．5 MPa作为井口回压上限，0．3 MPa作为进站压力下限。首先，假设此时管内流动介质的流动状态，根据列宾宗公式计算此极限条件下运行时的最小有效流通管径，从而确定此时管线的淤积物厚度［14］。

式中，D1为最小有效流通内径，m;Δp为压降差，Pa; ρ为介质密度，kg/m3;ρ0为原油密度，kg/m3;ρw为水的密度，kg/m3;fw为体积含水率;ν为管流条件下介质的运动黏度，m2/s;Q为管段的体积流量，m3/s; L为集油管段长度，m;m、β为系数。

2．2热洗水量适应的临界集油半径

根据管道输送介质向外界散热损失、管内介质对流传热量及在极限条件下运行时的最小有效流通管径，得出管内对流传热量与熔解淤积物所需热量的关系:

式中，T为对流换热时间，s;tw为管壁温度，℃;tm为管道内淤积物的熔点峰温，℃;H为淤积物的热焓值，kJ/kg;m1为管段内淤积物的质量，kg。

利用DSC热分析法测得聚驱管线淤积物熔化特征参数见表1，淤积物样品的熔蜡峰温的平均值为65．71℃，以此为约束，确定热洗最低水温为65℃。

表1 聚驱管线淤积物熔化特征参数Table 1 Characteristics ofmelting parameters of polymer flooding pipeline

考虑到油井正常产液量集中分布在70 t/d，适合的热洗水量应在此液量(3 m3/h)之上。在满足熔化高峰温度区间的条件下(取中间温度值63℃)，建立热洗水温65℃时，利用温降公式计算得到热洗水温变化与热洗水量和集油半径的关系，如图1所示。

图1 不同热洗水量与临界集油半径的关系Fig．1 The relationship between different hot water washing and critical oil gathering radius

由图1可知，热洗最低水温为65℃时，在年季节最高土壤温度下，3 m3/h的热洗水量适合的临界集油半径为500 m，5 m3/h的热洗水量适合于普遍范围的集油半径。在年季节最低土壤温度下，3 m3/ h的热洗水量适合的临界集油半径为300 m，5 m3/h的热洗水量适合的临界集油半径为600 m，8 m3/h的热洗水量适合于普遍范围的集油半径。总结热洗水量与临界集油半径的关系见表2。

表2 热洗水量与临界集油半径关系Table 2 Relationship between heat washing water quantity and critical oil gathering radius

综上所述，由于土壤温度影响，将其分为年季节最高地温和年季节最低地温两种条件。土壤温度低时，热洗管线沿程温降较大，通过降低集油半径达到管线清淤效果。对于距离较远的集油半径管线通过增加热洗水量达到管线清淤效果。

2．3热洗水温及热洗水量对清淤时间的影响

在年季节最高地温时，根据热洗水量与临界集油半径的关系，分别研究集油半径100～500、500～800 m两种情况下不同热洗水温、热洗水量与清淤时间的关系，结果如图2所示。

图2 不同热洗参数对清淤时间的影响(年季节最高地温)Fig．2 Effects of different parameters on the thermalwashing time of dredging(Seasonalmaximum tem perature)

由图2可知，集油半径在100～500m，最低热洗水温65℃时，可以通过增加热洗水流量缩短清淤时间，而水温的进一步提高，尤其在65～70℃，热洗效率将明显提高。相比之下，在70～75℃，热洗效率提高不明显。同样，当集油半径在500～800 m时可以通过提升热洗水流量和水温来提高热洗清淤效率，不过，水流量超过10 m3/h、水温超过70℃后清淤时间缩短不再显著。

在年季节最低地温时，根据热洗水量与临界集油半径的关系，分别研究集油半径100～300 m、300～600 m、600～800 m三种情况下不同热洗水温、热洗水量与清淤时间的关系，结果如图3所示。

图3 不同热洗参数对清淤时间的影响(年季节最低地温)Fig．3 Effects of different parameters on the thermalwashing time of dredging(Seasonalm inimum tem perature)

显然，在年季节最低地温下，热洗水量在5～10 m3/h和热洗水温在65～70℃内相比其他工况下热洗清淤会有效缩短清淤时间，提高管道的热洗清淤效率。当临界水温为70℃，集油半径在100～300、300～600、600～800 m时，热洗清淤效率不再显著提高，相应的热洗水量分别为8、12、15 m3/h。

2．4含聚质量浓度与热洗清淤参数的关系

集输管道结蜡淤积速度随地温、含聚质量浓度的增大而增大。说明不同的含聚质量浓度影响管道清洗周期，而不同含聚质量浓度形成淤积物的熔化热焓也不同，导致清淤时间差异。所以研究低含聚质量浓度(200～500 mg/L)、中含聚质量浓度(500～800 mg/L)、高含聚质量浓度(800～1 200 mg/L)所产生的淤积物对热洗清淤参数的影响。

在年季节最高地温时，由式(1)、(2)、(3)、(5)建立热洗水温为65℃，不同集油半径单井采出液含聚质量浓度与管道热洗清淤参数的关系，如图4所示。

图4 含聚质量浓度与热洗清淤参数的关系Fig．4 The relationship between polymer concentration and thermalwashing dredging parameters

在年季节最低地温时，建立热洗水温为65℃，不同集油半径单井采出液含聚质量浓度与管道热洗清淤参数的关系，如图5所示。

图5 含聚质量浓度与热洗清淤参数的关系Fig．5 The relationship between polymer concentration and therm alwashing dredging parameters

综上所述，不同季节地温条件下含聚质量浓度与热洗清淤参数的关系可以发现，在热洗水量较低时，高含聚采出液淤积物的清淤时间相比更长。随着热洗水量的增加，当热洗水量大于10 m3/h时，可以看出不同含聚质量浓度淤积物的清淤时间变化不大，几乎相当。

3 结论

(1)对于集输管道的热洗清淤，在最低热洗水温条件下，不同集油半径对应的最小热洗水量不同。在年季节最高地温时，集油半径100～500 m对应的热洗水量为3 m3/h，集油半径500～800 m对应的热洗水量为5 m3/h。在年季节最低地温时，集油半径100～300 m对应的热洗水量为3 m3/h，集油半径300～600 m对应的热洗水量为5 m3/h，集油半径600～800 m对应的热洗水量为8 m3/h。

(2)热洗水温及热洗水量对清淤时间的影响，研究表明，热洗水温在65～70℃内增加热洗清淤效率最明显。在不同热洗水温的工况条件下，热洗水量在5～10 m3/h内增加时，热洗清淤效率最明显。

(3)对不同含聚质量浓度采出液对应的集输管道中淤积物进行清洗时，在低热洗水量的条件下，高含聚质量浓度采出液的淤积物清洗时间相对更长。随着热洗水量的增加，不同含聚质量浓度淤积物的清洗时间几乎相等，没有明显变化。说明对于热洗水量较大时，可以忽略含聚质量浓度引起的清淤时间变化。

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(编辑王戬丽)

Thermal Cleaning to Remove Sediment of Oil Gathering Pipeline between Wellhead and Metering Room

Li Xinyang，Wei Lixin，Zhang Wei
(School of Petroleum Engineering，Northeast Petroleum University，Daqing Heilongjiang 163316，China)

With the implementation of the three oil recovery technology，although polymer flooding technology improves the oil recovery，it also brings new challenges to crude oil processing and gathering．High return pressure of oil gathering pipelinewas caused by wax deposition of polymer flooding pipeline．Study was carried out on the heat cleaning of the polymer flooding gathering pipeline between the wellhead and the metering room after shutdown the well．The effects of heat washing water quantity，hot wash water temperature and different concentration of polymer on the dredging time were studied under different oil gathering radius．Itwas found that the hotwash water temperaturewasmore obvious in the range of65～70℃，which was calculated by the theoretical formula．When cleaning different polymer concentration pipelines，in the low water conditions，cleaning time of produced liquid with high concentration polymer was relatively longer．With the increase of heat washing water，there was no obvious change in the cleaning time of the sedimentwith different concentration．

Polymer flooding;Sediment dredging pipeline;Heatwashing;Heatwashing parameters

TE39

A

10．3969/j．issn．1006-396X．2017．04．016

1006-396X(2017)04-0085-05

2017-03-09

2017-03-23

李欣洋(1992-)，男，硕士研究生，从事油气田地面工程研究;E-mail:836677011@qq．com。

魏立新(1973-)，男，博士，教授，从事油气田地面工程优化与节能降耗技术研究;E-mail:weilixin73@163．com。