基于冷指实验的高含蜡原油蜡沉积规律研究*

李 达，魏立新，刘桂芬，刘 超,3，何昭军

（1.提高油气采收率教育部重点实验室（东北石油大学），黑龙江 大庆 163318；2.中国石油 冀东油田公司招标中心，河北 唐山 063004；3.大庆师范学院 化学工程学院，黑龙江 大庆 163111；4.大庆油田有限责任公司 第二采油厂，黑龙江 大庆 163414）

在如今的原油运输方式之中，管道运输具有经济环保、输量大、方便现场管理等优点，被广泛应用于实际中。在运输过程中，由于油壁温差和压力变化因素的存在，油品中的蜡和沥青质等成分会逐渐析出，附在管壁上形成蜡沉积[1]，导致出现管道的流通横截面积缩小、阻力增大、输送能力变弱甚至使生产停运，这加大了含蜡原油输送难度和管道运行风险[2,3]。目前，我国油田产出原油接近80%以上都为高含蜡原油，近些年海底含蜡原油逐渐开发，可以预见未来一段时间，含蜡原油将成为我国油气资源不可或缺的一部分[4]，因此，有效地掌握原油的蜡沉积规律，进而才能进行定期清管等维护措施[5,6]。

针对这一问题，国内外学者进行过原油在管道中的模拟实验来分析其规律[7]。Hunt、Jorda、Charles等人曾相继使用冷板法对原油蜡沉积进行实验。Hamouda等人[8]将冷板法装置改进出冷指法实验装置，其实验原理与冷板法基本一致[9]，但可以更好地模拟流动状态下的蜡沉积状态，目前，还有许多学者使用冷指法进行实验研究[10]。范开峰等人通过冷指实验认为，蜡分子扩散在沉积过程中起着至关重要作用[11,12]。Majeed，Agrawal，Hamouda，Riberio，Brown和黄启玉等人选择了环道法进行模拟实验[13,14]。综上，本文采用冷指型实验装置，该装置简单经济，保证了管流状态下蜡沉积的模拟，更好地对蜡沉积原理进行研究。

1 实验部分

1.1 实验装置

本次实验的实验装置由一个冷指、一个油罐、两台循环水浴控制器并外加一个搅拌桨组成。实验装置示意图见图1。

图1 冷指实验装置示意图Fig.1 Schematic diagram of the device of cold finger

由图1可知，其中两台循环水浴控制器分别控制罐内油温和冷指的壁面温度。在打开水浴控制器并设定温度后，水浴锅内的水经过加温分别循环在控制器和冷指壁面、油罐的夹层中间，同时进行热量交换，提供给冷指壁面和油罐内油流一个恒定温度。搅拌桨可以通过冷指筒中间的空心圆柱放入油罐中，并且搅拌桨配备电机变速器，可以通过调节转速来改变油罐内的剪切条件，以模拟管道中油品流动的状态。

1.2 实验介质

本次实验介质为大庆油田某油库的含蜡原油，其物性参数分别为凝点31℃，20℃下密度为855.7kg·m-3，含蜡质量分数为17.15%，析蜡点为49.8℃。

1.3 实验步骤

首先，将原油进行60℃水浴加热6h的预处理后，设置循环水浴控制器的实验温度，待温度达到实验要求后加入油样，将RW20型搅拌器（德国IKA公司）打开调节转速至实验所需转速。在沉积时间达到48h后停止搅拌，打开油罐下部阀门，使油罐内部油样流尽，静置10min，待油罐内油品全部放空之后，将冷指从油罐中取出，利用工具将沉积物从冷指表面刮净并放入取样盒内进行称重。由于实验中可能存在人为误差，所以，每次试验重复进行两次，取平均值作为最终实验结果，用于后续的分析比对。

2 结果与讨论

2.1 油品温度

（1）设定冷指壁温为39℃，油品沥青质含量为4.5（wt）%，不打开搅拌桨电机，逐渐升高油罐壁温温度，分别为41、43、45、47和49℃，对其进行实验，取其两次结果称重取均值。

（2）设定油罐壁温为51℃，油品沥青质含量为4.5（wt）%，不打开搅拌桨电机，逐渐升高冷指壁温温度，分别为41、43、45、47和49℃，如上述方法取均值将两组数据记录见图2。

图2 不同油壁温度下沉积物质量曲线图Fig.2 Sediment mass curves at the temperatures of different oil and wall

由图2油温曲线可知，当保持壁温不变逐渐升高油温时，淤积物质量是单调递增的。当油温升高时，冷指壁面的温度梯度增大，罐内油样随着管壁温度升高而升高。当油温升高时，冷指壁面的温度梯度增大，蜡分子的扩散速率随之增加[15]。蜡沉积速率在49℃时，沉积速率最大为0.24g·h-1，最大沉积量高于最低时35.4%。

由图2壁温曲线可知，在保持油温不变的情况下，逐渐升高壁温，淤积物质量在初始最大之后逐渐降低，即随着温差增大淤积物质量增大。在本次实验中，油壁温差增大有利于淤积物的沉积，但当冷指表面温度过低时，会使冷指表面周围油样黏度增大，黏度增大会减少淤积物质量，即较大的油壁温差和较低的冷指表面温度，同时对淤积物的沉积起着增大和削弱作用，从本次的实验结果中可以得知，在此实验条件下，淤积物质量随温差减小而减小，即在此过程中油壁温差对淤积物沉积起主要作用。41℃时沉积速率最大为0.56g·h-1，较最低时沉积量高出38.9%。

2.2 温度区间

设定冷指壁温和油罐壁温温差恒为10℃，油品沥青质含量为4.5（wt）%，不打开搅拌机电机，逐渐升高温差温度区间，对其进行实验，并对每次试验所得淤积物进行称重，得出其质量。如上述方法取均值记录见图3。

图3 不同温度区间下沉积物质量曲线图Fig.3 Sediment quality curves at the ranges of different temperatures

由图3可知，淤积物质量在初始油温时达到最大，随着油壁温度区间逐渐升高，质量逐渐降低。这是由于在相同的温差下，油温越高，罐内油品对淤积物的溶解作用越大，这使得较多已经析出的蜡再次被溶解，从而使淤积物质量随着油壁温度区间的增大呈现一个递减现象，沉积速率在油温51℃、壁温41℃时最大为0.58g·h-1，沉积量较最低时高出38.5%。

2.3 沉积时间

设定油罐壁温为55℃，冷指壁温为45℃，油品沥青质含量为4.5（wt）%，不打开搅拌机电机，逐渐升高油品的沉积时间，分别为6、12、18、24、30、36、42、48h，对其进行实验，并对每次试验所得淤积物进行称重，得出其质量。如上述方法取均值记录见图4。

图4 不同沉积时间下沉积物质量曲线图Fig.4 Sediment quality curves at the time of different depositions

由图4可知，随着沉积时间逐渐增大，淤积物质量逐渐增大，在48h时达到最大。在前12h淤积物质量增速较慢，18～24h淤积物质量增速较高达到了0.35g·h-1，经过一段时间的沉积，于42～48h左右沉积量趋于稳定，此时，油品中蜡基本全部析出，最高沉积速率较平均速率时高出45.8%。由于沉积时间的增大，蜡沉积的厚度也随之增大，这将削弱原油向外的散热能力，导致油壁温差缩小，所以，蜡沉积量趋于平缓[16]。

2.4 剪切强度

设定油罐壁温为55℃，冷指壁温为45℃，油品沥青质含量为4.5（wt）%，沉积时间为48h，逐渐提高搅拌桨转速，分别为0、30、60、90和120r·min-1，对其进行实验，并对每次试验所得淤积物进行称重，得出其质量。如上述方法取均值记录见图5。

图5 不同剪切速率下沉积物质量曲线图Fig.5 Sediment quality curves at different shear rates

由图5可知，当转速低于90r·min-1时，随着转速逐渐增加，淤积物质量随之增大，在转速为90r·min-1时达到最大，此时沉积速率为0.26g·h-1，当转速高于90r·min-1时，转速继续增加，淤积物质量逐渐减小。其中最大沉积量较最低时增大了3%。产生这一现象的原因是，由于转速可以增大温度梯度，增加蜡分子的扩散速率，使淤积物质量增大[17]，但过高的转速提供的大剪切速率也会对已经析出附着在冷指表面的淤积物带来冲刷作用。当转速小于90r·min-1时，此时转速提供的剪切应力较小，温度梯度增大导致淤积物质量增加这一效果更显著，所以淤积物质量增大。当转速大于90r·min-1时，冷指表面的剪切应力较大，对冷指表面淤积物的冲刷作用明显加大，所以此时淤积物质量随转速增大而减小[18]。

2.5 驱油剂含量

设定油罐壁温为55℃，冷指壁温为45℃，油品沥青质含量为4.5（wt）%，沉积时间为48h，不打开搅拌桨电机，逐渐提高油品的驱油剂含量，分别为0.5%、0.8%、1.1%、1.4%和1.7%，对其进行实验，并对每次试验所得淤积物进行称重，得出其质量。本次实验所加入驱油剂为聚丙烯酰胺（PAM）驱油剂，分子式为（C3H5NO）n，如上述方法取均值记录见图6。

图6 不同驱油剂含量下沉积物质量曲线图Fig.6 Sediment quality curves at different oil displacement agent content

由图6可知，淤积物质量随着驱油剂含量增大而增大，在驱油剂含量增大到1.7%时达到最大，此时沉积速率为0.6g·h-1，最大沉积量较最低时增大了30%。产生这一现象的原因是，驱油剂可以在油中包裹一些物质形成结晶核心，这会增大淤积物的沉积量。但同时，驱油剂又会和蜡分子共同作用来抑止淤积物的沉积速率，从图6可知，在这种实验条件情况下，增大淤积物产量的作用大于抑制增长速率的作用。

2.6 沥青质含量

设定油罐壁温为55℃，冷指壁温为45℃，沉积时间为48h，不打开搅拌机电机，逐渐提高油品的沥青质含量，分别为3.5%、4.0%、4.5%、5.0%和5.5%，对其进行实验，并对每次试验所得淤积物进行称重，得出其质量。如上述方法取均值记录见图7。

图7 不同沥青质含量下淤积物质量曲线图Fig.7 Sediment quality curves at different asphaltene content

由图7可知，淤积物质量随着沥青质含量的增加，出现了先增加后降低再增加的波浪形趋势，在沥青质含量增加到4%时达到最大，此时沉积速率为0.26g·h-1，再继续加入沥青质到5%时淤积物质量降到最低，此时沉积速率为0.22g·h-1，之后淤积物质量又随着沥青质含量增高而增高，最高沉积量较最低时高出21.3%。这是由于当油品中沥青质含量较低时，管壁结蜡的主要原因是蜡分子的迁移作用，此时淤积物质量逐渐增大。当沥青质含量超过一定值后，油品中的轻质组分相对减小，油品黏度增大，蜡分子的迁移作用受阻，此时随着沥青质浓度的增大，淤积物质量逐渐降低。继续增大沥青质含量时，由于此时沥青质过剩，蜡沉积的主要原因从蜡分子的迁移作用转变为沥青质的增黏作用，淤积物质量会再次随着沥青质含量增大而增大[19]。

3 结论

（1）沉积时间8～24h时沉积速率最大为0.35g·h-1；在转速为90r·min-1时，速率最大为0.26g·h-1，沉积量高于最低时3%；与驱油剂含量成正比，速率为0.6g·h-1，沉积量高于最低30%；在沥青质含量4%时，沉积速率最大为0.26g·h-1，5%时淤积物降到最低速率为0.22g·h-1，最高沉积量较最低时高出21.3%。

（2）在原油实际输送中，应当注意输送原油与管壁之间存在的温差，将其控制在一相对合理的区间，并且控制原油的沉积时间和受到的剪切应力以及内部沥青质含量等组分，以上因素都会对原油的蜡沉积量产生影响。