储罐淤积物沉积规律实验研究

2022-01-25葛阳，杨林，刘超，李达

石油化工设备技术 2022年1期

葛阳，杨林，刘超，李达

(1.东北石油大学石油工程学院，黑龙江大庆 163318；2.大庆油田有限责任公司储运销售分公司，黑龙江大庆 163411；3.大庆师范学院化学工程学院，黑龙江大庆 163712)

原油从地下开采出来后，在外输之前主要储存在油罐中，若罐中原油存储时间过长，其中的碳氢化合物、蜡、沥青、泥沙和水等不可避免地要在罐底形成淤积物，尤其是大型储罐，会出现很多死角，淤积物也会随时间的推移而越积越多。这些淤积物中5%～10%的泥沙、油渣不可回收，而且长期堆积将有很多危害【1】，如减小罐容量、影响正常生产、影响设备正常运行等。因此，必须准确掌握储罐淤积物沉积规律，以保证储罐正常工作。

目前,国内外对原油储存过程中的淤积物沉降规律研究较少，因此，有必要进行系统研究【2-3】。本文分析了淤积物沉积规律的影响因素，可为减少淤积物在罐底的生成提供理论指导。此外，掌握淤积物沉积规律对淤积物处理也有着重要意义【4】。

1 储罐淤积物影响因素对比实验

1.1 实验原理

通过储罐实验模拟现场储罐，改变罐内原油的储存环境或储存因素，对沉积量或其他物性参数进行分析，并对数据进行整理，得到不同储存因素下的沉积规律。

1.2 实验介质

实验介质为大庆油田某油库含蜡原油，其部分物性参数如下：凝点33 ℃、密度856.41 kg/m3、析蜡点44.57℃、粘度210.75mPa·s、比热容2.91 kJ/(kg·℃)。

1.3 实验装置

该装置能够改变淤积物沉降温度、剪切速率等多种影响因素。在储罐的管壁设有多个取样口，研究不同液位高度的原油的物性规律。罐壁上部、下部和罐体底部钢板装有热电阻探头，对储罐的各个部位实现精准控温。储罐的上部装有控速电机，根据实验要求装备1～3个叶轮，通过控制高度对罐中各个部位进行搅拌。

1.4 实验步骤

实验前对储罐进行实验设备的调试，加水测试储罐密封性。将油样按实验用量比例装入罐中，开启所有电偶升温至65 ℃，预处理6 h，消除罐中混合原油的剪切历史，充分溶解原油析出的蜡晶。降低电偶温度至储存温度40 ℃，将电机转速调节到实验设定值，根据实验所需条件调节不同影响因素进行实验，达到实验所需时间进行取样。

无搅拌实验取样步骤如下：在达到实验取样预定时间后，将罐底部小桶缓慢提出，并将内部混合原油迅速倒入烧杯中，量取小桶内淤积物的高度并记录。用钢板刮出小桶内壁和外壁残留的凝油后，称量获得的淤积物质量。最后将淤积物样品刮下，放入取样盒中。

有搅拌实验取样步骤如下：搅拌状态的淤积物高度测定采用量油重锤和测绳深入储罐中测定淤积物沉积厚度。淤积物质量通过对小部分淤积物密度的测定以及储罐的体积计算得出。

1.5 实验方案

1.5.1 温度区间

通过改变罐的电偶温度，研究温度区间变化对淤积物沉积的影响规律。设定沉积时间，待沉积实验进行到预定时间后，按上述实验步骤进行取样、测量和记录，并将取出的淤积物保存在取样盒中进行进一步测定。

1.5.2 剪切速率

通过改变罐电机的转速，研究不同剪切速率对淤积物沉积的影响规律。设定沉积时间，待实验进行到预定时间后，停止搅拌，按上述实验步骤进行取样、测量和记录，并将取出的淤积物保存在取样盒中进行进一步测定。最终可以绘制出储存温度与淤积物质量的关系曲线。

1.5.3 驱油剂含量

通过改变原油中的驱油剂含量，研究驱油剂含量对淤积物沉积的影响规律。首先处理油样。对水驱油区块的原油添加定量驱油剂，再用破乳剂使原油脱水得到实验油样。之后对原油进行预处理，消除原油的剪切历史【5】。按上述实验步骤进行实验，设定沉积时间，待实验进行到预定时间后，按上述实验步骤进行取样、测量和记录，并将取出的淤积物保存在取样盒中进行进一步测定。最终可以绘制出驱油剂含量与淤积物质量的关系曲线。

1.5.4 沥青质含量

在研究沥青质含量对淤积物沉积的影响因素【6-9】之前，需要根据1.6节的操作步骤制作实验原油的模拟油。选定的加量依据为在已测原油中含有的沥青质含量上下附近取1～2个含量值，原油中沥青质含量为4.0%(w，%)左右，因此可以研究含量为3.5%、4.0%、4.5%以及5.0%(w，%)的沥青质对沉积的影响。由于无法实现从原油中去除掉沥青质而不改变原油大部分性质，因此做实验前，配置与原油性质相近的模拟油。按上述实验步骤进行实验，设定沉积时间，待实验进行到预定时间后，按上述实验步骤进行取样、测量和记录，并将取出的淤积物保存在取样盒中进行进一步测定。最终可以绘制出沥青质含量与淤积物质量的关系曲线。

1.6 模拟油的配置

模拟油配置步骤如下：

1)按一定质量分数将沥青质加入邻二甲苯中，在超声波水浴中超声振荡10 min，使沥青质均匀溶解于邻二甲苯中；

2)将一定质量切片石蜡(熔点范围60～62 ℃)加入液体石蜡中，在65 ℃水浴中加热30 min，令石蜡全部溶解；

3)将配置步骤第1)步(沥青质+芳香分)与第2)步(蜡+饱和分)中所得溶液进行混合，在80 ℃水浴中静置2 h，热处理完成后，在水浴中自然降温至所需温度。

2 储罐淤积物沉积影响因素研究

2.1 温度区间对淤积物沉积速率的影响规律

改变壁温，分别取34、36、38和40 ℃，同时，保持油壁温差5 ℃，利用储罐进行相应的沉积实验【10-11】，对淤积物进行称重，得出其质量。将实验淤积物质量数据绘制成图，如图1所示。

图1 温度区间变化与淤积物沉积关系

由图1可以看出：当油壁温差始终保持在5 ℃时，随着壁温不断升高，淤积物沉积量呈下降趋势。根据分子扩散理论【12-13】，当壁温低于油温时，油流主体将会与结蜡筒壁面形成径向温度梯度，由于壁温较低，壁面处的油流温度远低于原油的析蜡点温度，蜡分子会从原油中析出，使得油流主体与结蜡筒壁面处蜡晶分子存在径向的浓度梯度，因此溶解于原油中的蜡分子不断向管壁处扩散形成淤积物沉积。当油流主体与结蜡筒之间温差恒为5 ℃时，随着油流主体与结蜡筒壁温度区间的不断上升，蜡分子溶解度也逐渐升高，油流主体与结蜡筒壁处的蜡晶分子径向浓度梯度并未明显增大，同时，油流主体温度与结蜡筒壁面温度以相同的温差向高温区平移，所处的析蜡区间不断减小，淤积物沉积量逐渐减小。因此，淤积物的含量也逐渐减小。

2.2 剪切速率变化对淤积物沉积速率的影响规律

为研究剪切速率【14-16】变化对淤积物沉积速率的影响，在壁温40 ℃时，改变搅拌器转速，分别取0、60、90和120 r/min，利用储罐进行相应的沉积实验，并对淤积物进行称重，得出其质量。将实验淤积物质量数据绘制成图，如图2所示。

图2 剪切速率变化与淤积物沉积关系

由图2可以看出：当转速低于90 r/min时，随着转速增加，淤积物质量逐渐增大；当转速高于90 r/min时，随着转速增大，淤积物质量逐渐减小。这是由于淤积物质量是蜡分子扩散与油流冲刷的共同作用，转速较小时，剪应力较小，罐内温度梯度是沉积量的主导因素，随着搅拌器转速增大，温度梯度明显增大，蜡分子扩散速率明显加快，淤积物质量明显增大；转速较大时，模拟罐内温度梯度基本保持不变，随着搅拌器转速增大，剪应力【17】明显增大，油流冲刷作用显著增强，淤积物质量随之减少。

2.3 驱油剂含量变化对淤积物沉降速率的影响规律

为研究驱油剂含量变化对淤积物沉积速率的影响，在壁温40 ℃时，改变驱油剂含量，分别取0.5%、0.8%、1.1%、1.4%，利用储罐进行相应的沉积实验，并对淤积物进行称重，得出其质量。将实验淤积物质量数据绘制成图，如图3所示。

图3 驱油剂含量变化与淤积物沉积关系

一方面，驱油剂在油中能够包裹、吸附一些物质而形成为结晶核心【18】，从而增大淤积物的产生量；另一方面，其又能够与蜡分子进行共晶反应抑制沉积的速率。由图3可以看出：淤积物随驱油剂加量的上升而增多。这说明驱油剂含量增大在淤积物产生量中占在主导地位。

2.4 沥青质含量对淤积物沉积速率的影响规律

为了研究沥青质含量对蜡沉积量的影响【19】，设定壁温40 ℃、0转速和无驱油剂加量的条件下，按照第1.5.4节的实验方案开始进行罐的沉降实验，达到储存时间后，取出淤积物进行称量，并依次进行相应的沉积实验，得到不同沥青质含量下沉积实验中淤积物的质量。将实验淤积物质量数据绘制成图，如图4所示。

图4 沥青质含量变化与淤积物沉积关系

由图4可见，随着沥青质含量的增加，淤积物的质量出现先升高后降低再升高的趋势。这是由于在蜡含量一定时，存在的沥青质分子和蜡分子会发生共晶作用，当沥青质在较小范围内增加时，由于沥青质和蜡晶共晶作用【20】的增强，会使得蜡沉积速率增加，沉积量升高；当沥青质含量继续增加时，油样中溶剂的量减少，油样粘度增加，蜡分子沉降的阻力增加，且此时共晶作用减弱，因此沉积的量减少；随着沥青质的进一步增加，大量的大分子沥青质会加速沉降，使得沉积的量又有所增加。