减阻剂在渤海南部A油田的应用研究及效果分析

2023-03-08代齐加

天津科技 2023年2期

王睿，代齐加，方刚

（中海石油（中国）有限公司天津分公司天津 300459）

0 引言

渤海南部A油田处于区域枢纽位置，该区域所有油田和渤海西部部分油田的原油均通过海底管道输送至A油田进行外输。随着不断上涨的外输需求，对该油田外输的稳定性提出了更高的要求。当前工况下A油田的外输量已达瓶颈，而外输需求仍在不断上涨。若A油田无法有效将原油平稳外输，则需对上游部分油田降产缓解外输压力，以防止原油缓冲罐液位过高。若采取上述措施仍无法解决问题，液位持续上涨则会引发A油田生产关断，进而引发该区域所有油田生产关断，甚至可能造成环境污染的严重后果。在这种情况下，A油田迫切需要找到一种切实可靠的措施来保障持续平稳外输。

1 现场简况及问题分析

A油田处理多个平台的混输物流，将处理后的合格原油与上游油田合格原油及渤海西部部分油田的合格原油汇集，利用外输泵加压，通过外输海管输送至陆地终端（图1）。A油田配备6台原油外输泵（表1），用于将原油缓冲罐的原油加压泵入原油外输海管（表2）。在外输过程中，若原油缓冲罐液位升高（上游原油来量增大），外输海管调节阀将会相应开大。此时原油外输泵出口压力降低，外输海管压力将会随之升高，当外输海管调节阀开到一定程度后，外输泵出口压力与原油外输海管外输压力接近，外输量达到最大，若原油缓冲罐液位仍持续上涨，则需该区域上游部分油田降产以缓解外输压力。因此，该工况将严重制约该区域的原油产量。

图1 原油外输流程图Fig.1 Flow chart of crude oil transportation

表1 原油外输泵参数Tab.1 Parameters of crude oil export pump

表2 外输海管参数Tab.2 Parameters of sea transportation pipeline

A油田原油外输面临的问题是海管和外输泵输送液量能力不足，易造成原油缓冲罐高液位。要解决这个问题，就必须提升外输泵和外输海管的输送能力。制约外输泵和外输海管输送能力的因素主要有泵效、管线尺寸、沿程阻力、液体黏度等。经过分析，我们将在降低沿程阻力这方面着手进行改进。

2 减阻剂的应用

经校核，该外输海管满足当前工况下的输送量，且外输量仍有一定的上浮空间。为了更好地在安全可靠的外输压力下尽可能多地外输原油，经研究认为，原油长输过程处于紊流状态，管道内有众多漩涡，并逐级变小，为减少能量消耗，向原油外输海管加注减阻剂可以有效降低液体流动过程中的能量损失和减少沿程阻力［1］。减阻剂是一种广泛应用于原油管道输送的化学添加剂，其通过抑制油品在流动中的湍流程度减少流动阻力，此方法能有效降低原油及成品油管外输时产生的摩阻，减少动力消耗，在不增加设备的情况下可以有效提高管道输送量、降低管道压力、节约能源、提高管道运行的安全性等［2］。

2.1 减阻剂简介

A油田使用的减阻剂型号为HYJZ-07（表3），是一种高分子碳氧化合物聚合物，呈黏稠状，属于非牛顿流体，主要用于油田或炼厂高凝原油的减阻输送。流体在管道中流动沿径向分为3部分［3］：管道的中心为紊流核心，紊流核心的流体质点朝各个方向杂乱无章地运动，在前进的过程中不断碰撞；在管壁附近的流动状态为层流，在这里流体质点平稳前进；在紊流核心与层流之间的是缓冲区，缓冲区是层流到湍流最先变化的区域。紊流核心的流体质点相互碰撞的过程和流体质点从缓冲区进入紊流核心的过程都会消耗大量能量。减阻剂注入油品后，高分子链沿管道方向伸展开来，能限制油品分子径向运动、有效减小油品紊流区域面积和控制紊流程度（图2），从而减少能量消耗。根据流体力学原理，层流趋势越高，摩阻系数越小，减阻剂便是通过这种方式实现减阻、增输的目的［4］。

图2 减阻剂机理示意图Fig.2 Schematic diagram of drag reducer mechanism

表3 减阻剂成分Tab.3 Drag reducer composition

减阻剂在原油海管中的减阻作用是一种物理作用。减阻剂的注入不会对原油品质产生影响，减阻剂仅仅改变了原油流动状态，并未与原油产生化学反应［5］。林景丽［6］对减阻剂进行了试验模拟，发现减阻剂加注量过大且没有被流体剪切的情况下才会影响油品质量，正常使用减阻剂时将不影响油品质量。戴福俊等［7］指出，由于原油成分非常复杂，不仅含有各类烃，还有胶质、沥青质等，注入少量减阻剂对原油质量不会产生影响。

A油田使用的减阻剂在常温储存条件下化学性质稳定，但该减阻剂被加热时会丧失流动性。因此，应防止其接触碳氢化合物（该减阻剂接触碳氢化合物会形成难以清除的胶状物），在运输、存储和使用过程中应注意温度变化，避免高温。

2.2 减阻剂试验情况

为充分验证减阻剂的使用效果，直接在现场进行试验以评估该药剂的使用效果，并根据试验结果指导生产［8］。因此，A油田于2019年10月21日至25日进行了减阻剂加注试验（表4）。

表4 减阻剂试验数据Tab.4 Test data of drag reducer

通过对以上数据分析，可以看出外输量随原油外输海管入口压力上涨而增加，但当注入减阻剂后，外输海管压力明显下降，同时外输量得到提升（图2）。因此，减阻剂明显提升了外输效率。

图3 外输流量与海管压力关系曲线Fig.3 Relation curve between transportation flow and submarine pipeline pressure

2.3 减阻剂使用情况

经过多次试验，确定减阻剂能有效降低外输压力，在同等海管压力情况下能增加外输量。A油田确定将减阻剂加注至原油外输海管，由于减阻剂HYJZ-07为高分子聚合物，具有长链结构，应避免剧烈搅动，不能将该药剂加注至原油外输泵入口（离心泵叶轮搅动会导致高分子聚合物分子链断裂，从而导致减阻剂失效），经过研究确定将减阻剂加注至原油外输泵出口至发球筒之间的管线。2022年1月，由于上游新油田投产和部分油田的增产措施，区域原油产量明显提升，A油田的原油外输量已接近极限，故必须使用减阻剂来减阻增输。A油田通过加注减阻剂，并对相应参数进行记录分析，获得了宝贵经验。启动5台外输泵时，在不同减阻剂注入浓度下，当外输阀开度30%时，外输参数显示变化（表5）。

表5 不同减阻剂注入浓度下的外输参数Tab.5 Transportation parameters under different drag reducer injection concentrations

由此可见，减阻剂的加注有非常明显的减阻增输效果。目前A油田单日外输原油约23 000 m3，平均958 m3/h，减阻剂注入浓度6 mg/L即可满足需求，但上游来液波动较大，减阻剂注入浓度为6 mg/L会偶尔出现高液位情况。为保持流程平稳运行，同时节约药剂，经过反复试验，A油田将减阻剂加注浓度调整为10 mg/L左右，取得了良好效果。

减阻剂虽然能有效减阻增输，但在使用过程中也存在一系列问题。

①药剂泵及滤网易堵：减阻剂 HYJZ-07 较为黏稠且存在较多晶状物，在加注过程中经常出现药剂泵或泵入口滤网堵塞的情况，严重影响药剂的正常注入。该问题的主要原因是减阻剂易析出晶体而堵塞滤网，晶体堆积在柱塞泵单流阀处也会导致单流阀坐封不严或堵塞。针对这个问题，A油田创新性地在药剂罐底部管线中增加一处滤网，每日进行预防性清理。清理时仅仅需要将管线丝堵拧开，取出滤网，敲击几次，去除附着在滤网上的颗粒物，再将滤网回装，拧上丝堵即可，操作简便，有效缩短了清洗滤器时长。经过2处滤器的过滤，减阻剂中的晶体被悉数滤除，从而保障了减阻剂的连续稳定注入。

②药剂易析出晶体：该减阻剂长期静置会产生分层现象，并析出颗粒状晶体，故在使用之前应进行充分搅拌。A油田根据现场药剂使用情况自制一套手动搅拌器置于临时药剂罐顶，操作人员每2 h对药剂进行充分搅拌，但搅拌时间不宜过长，以避免因搅拌造成的剪切导致减阻效果降低［9］。此举有效解决了药剂分层现象，保障了药剂使用效果的可持续性。

③清洗滤网及管线的问题：由于减阻剂HYJZ-07为油基添加剂，清洗滤网和冲洗管线时严禁使用水作为介质。在现场作业中，工作人员发现，即使使用柴油冲洗管线及滤网也会对药剂加注产生不利影响。故在冲洗管线时可考虑使用公用气进行吹扫，而清洗滤网时只需对滤网进行敲击，以去除滤网上的颗粒物，若存在难以清除的杂质，使用抹布等将滤网擦拭干净即可。

④药剂存储中的问题：该减阻剂在被加热时会丧失流动性，故A油田应将减阻剂存放于阴凉处，避免阳光直射，且对药剂罐温度严格控制，避免热油加热药剂时温度过高。

该减阻剂接触碳氢化合物会形成难以清除的胶状物，故将该药剂存放于通风良好的区域，避免其接触碳氢化合物。