基于不同沉积阶段的蜡沉积厚度预测新方法*

2018-10-09靳文博肖荣鸽肖曾利

中国海上油气 2018年5期

靳文博肖荣鸽肖曾利王磊王力

(1．西安石油大学石油工程学院陕西西安 710065； 2. 中国石油青海油田采油二厂青海海西 817500)

深水环境下，管输含蜡原油不可避免地会出现蜡沉积问题。蜡沉积物的产生降低了管道的输送能力，缩小了管道的流通面积，严重时可造成管道的堵塞，给原油输送带来许多安全隐患[1-4]，所造成的经济损失十分巨大[5]。因此，研究和解决蜡沉积问题一直是国内外学者关注的热点。

为了缓解蜡沉积层过厚带来的诸多问题，机械清管是一种常用的方法[6]。在制定合理清管方案的过程中，预测并掌握管道的蜡沉积厚度是十分重要的[7]。含蜡原油在管输过程中，随着沉积时间的延长，管壁的蜡沉积厚度逐渐增加，此时含蜡原油在管道中的有效流动半径和管道的传热特性将会改变，从而导致蜡沉积层的增长速度趋势发生改变，因此分析蜡沉积厚度随沉积时间的变化规律并建立相关预测模型是蜡沉积研究中的一个重要内容。张足斌[8]测定了青海原油的蜡沉积厚度随沉积时间的变化曲线，将蜡沉积过程划分为沉积诱导期、快速增长期以及逐渐减慢期。Lu等[9]的蜡沉积实验测试结果表明，随着沉积时间的增加，蜡沉积厚度出现了先快后慢的增长趋势。Hoffmann等[10]以及Huang[11]也测定了蜡沉积厚度随沉积时间的变化曲线，所得曲线的变化趋势与Lu等[9]的结果类似。靳文博等[12]分析了蜡沉积厚度随沉积时间的变化趋势并建立了相关模型，结果表明该模型的预测结果能够反映蜡沉积厚度随沉积时间的变化规律。由此可见，随着沉积时间的增加，蜡沉积厚度会出现不同的增长阶段，针对蜡沉积的不同阶段建立相关模型来预测蜡沉积厚度随沉积时间的变化趋势，能很好地反映蜡沉积层生长过程的实际，但目前对此方面的研究较少，且由于不同阶段的蜡沉积速率不同，已有的计算模型在预测精度上与试验数据也存在较大差距[12]。因此，本文基于蜡沉积厚度随沉积时间的变化曲线，将蜡沉积过程划分为不同的沉积阶段，针对各阶段分别建立了相应的新模型,预测了不同沉积时间下的蜡沉积厚度，并对比分析了本文方法预测结果与其他模型预测结果及实验数据的差异。本文研究结果对于蜡沉积厚度的准确预测具有一定借鉴意义。

1 方法原理

本文提出的蜡沉积厚度预测新方法，其思路是利用软件提取已有实验研究中不同沉积时间下的蜡沉积厚度数据，根据不同时间段蜡沉积速率的不同，将蜡沉积过程划分为不同的沉积阶段，针对各沉积阶段分别建立相应模型，以此来预测不同沉积时间下的蜡沉积厚度。以Lu等[9]的蜡沉积实验结果为例，对所提的预测方法作进一步说明。文献[9]在流量为5 m3/h 的实验条件下，给出了北海原油蜡沉积厚度随沉积时间的变化曲线，提取该曲线的数据点并绘图，将蜡沉积过程划分为3个沉积阶段，分别为快速沉积阶段(Ⅰ)、较快沉积阶段(Ⅱ)以及缓慢沉积阶段(Ⅲ)，如图1a所示。本文根据不同的沉积阶段，分别建立相应的拟合模型，其中快速沉积阶段为多项式模型，较快沉积阶段为乘幂模型，缓慢沉积阶段为线性模型，具体见表1。各阶段拟合模型所得曲线与实验数据曲线对比如图1b、c、d所示。

图1 蜡沉积阶段划分及本文针对各沉积阶段拟合的新模型

表1 本文基于不同沉积阶段建立的蜡沉积厚度预测模型

注：x为蜡沉积厚度；t为沉积时间；i，a0，a1，…,ai，a，b，c，d均为待求常数。

2 实例验证

笔者在前期研究中建立了蜡沉积厚度随沉积时间变化规律的预测模型[12]，包括指数模型式(1)、对数模型式(2)和动平衡模型式(3)。

-e-nt)

(1)

(2)

(3)

式(1)～(3)中：m和n为待求系数(根据实验数据拟合求得)，K为蜡沉积厚度的最大值。

基于不同的实验实例，将本文预测方法所得结果与上述对数模型、指数模型和动平衡模型预测结果及实验数据进行对比，验证本文方法的合理性。

1) 实例一。Lu等[9]基于蜡沉积实验装置，研究了北海原油的蜡沉积问题，给出了不同流量下蜡沉积厚度随沉积时间的变化曲线。由于不同流量下所得的曲线变化趋势类似，本文以原油流量为5 m3/h时的实验结果为例，针对不同沉积阶段建立相应模型，并预测不同沉积时间下的蜡沉积厚度。图2为实例一不同预测方法所得结果与实验结果的对比，可以看出，不同预测方法所得结果均能够反映蜡沉积厚度随沉积时间的变化趋势。总体来看，本文预测方法所得结果与实验数据吻合最好，其次是对数模型，而指数模型和动平衡模型均较差。对于指数模型和动平衡模型而言，当沉积时间较小时，其预测结果均小于实验结果；随着沉积时间的增长，其预测结果均出现先高于实验结果后又低于实验结果的情况。

图2 实例一不同预测方法所得结果与实验结果的对比

2) 实例二。Hoffmann等[10]采用蜡沉积环道实验装置，研究了含蜡凝析油的蜡沉积问题，给出了不同流量下蜡沉积厚度随沉积时间的变化曲线。本文以凝析油流量为15 m3/h 时的实验结果为例，建立不同沉积阶段的预测模型，并预测不同沉积时间下的蜡沉积厚度。图3为实例二不同预测方法所得结果与实验结果的对比，可以看出不同预测方法所得结果与实验结果的吻合程度与实例一的对比结果相似，其中本文预测方法所得结果与实验数据的吻合程度最高，其预测精度更高。

图3 实例二不同预测方法所得结果与实验结果的对比

3) 实例三。Venkatesan[13]测定了不同流量下的蜡沉积厚度增长曲线，将曲线的纵坐标用蜡沉积厚度δ与实验管段的光管半径的比值来表示，横坐标表示沉积时间(单位:d)。本文以流量为0.000 95 m3/s的沉积曲线为例，将文献[13]中增长曲线的纵坐标换算为蜡沉积厚度，横坐标沉积时间单位换算为h，依据上述研究手段和方法，对比分析不同预测方法所得结果与实验结果的差异，如图4所示。从图4可见，不同预测方法所得结果与实验结果的吻合程度与实例一及实例二的对比结果相似，本文预测模型仍具有很高的精度。

为了进一步评价各预测方法的精度，计算了不同实例下各种预测模型所得结果与实验结果的均方误差(表2)。从表2可见，本文预测模型所得结果与实验结果的均方误差最小，其精度最高；对数模型的均方误差次之，而指数模型和动平衡模型的均方误差相对较大。