输油管道减阻剂研究进展及应用

邓帮辉,张朋岗,马孝亮,郭 瑛,田美霞,刘 强

(中国石油天然气股份有限公司塔里木油田分公司油气运销事业部 新疆 库尔勒 841000)

0 引 言

油气输送过程中,流体内部会产生紊流,紊流使流体粒子以混乱的方式移动,并将泵的能量重新定向到多个方向,产生摩擦导致阻力。阻力降低管道流量和管输效率,为了克服阻力问题,可以增加管输能量,即沿线需要安装泵站提供能量维持管输效率,然而泵站安装一次投入高且运行维护成本高。另一种解决办法是减阻。减阻方式主要包括两类,物理减阻(非添加剂)和添加剂两大类。

非添加剂较为环保,主要方法包括肋条、凹坑、震荡管壁、柔性表面、微泡沫,其中肋条、凹坑、柔性表面通过改变介质与管壁接触面结构实现减阻效果。鲨鱼鳞片上的齿状特征可以提升旋涡,降低横向剪切应力,降低阻力。有研究表明,采用振动管壁方法,当振幅和振动频率达到最佳时,可以达到45%的减阻率。

高分子添加剂是最有效最理想的减阻方法。Truong[1]认为减阻要延长层流,延迟紊流的出现。通过添加少量减阻剂即可以实现该目标。1949年,Bryan[2]首先发现聚合物可以用来减阻,添加10 ppm聚甲基丙烯酸甲酯到氯苯中,可以降低表面摩擦阻力30%～40%。这一发现使得研究人员开始研究减阻剂在工业界的应用。

本文首先系统总结油田用减阻剂国内外研究现状;选择3种减阻剂在油田输油管道进行应用效果评价;最后总结减阻剂在油田输送的应用场景。

1 减阻剂国内外研究现状

减阻剂(drag-reducing agent, DRA)包括水溶和油溶性两类,水溶有聚丙烯酰胺、皂角籽、聚氧化乙烯,油溶性的有甲基丙烯酸酯、聚长链α-烯烃、聚异丁烯等。一般认为减阻剂对层流不起作用,对过渡流效果有限,可以对纹理起到一定的减阻效果。在雷诺数介于6 000～1 000 000时,减阻效果最好,当雷诺数进一步增加时,效果减弱。减阻剂机理如图1所示。

图1 减阻剂机理

王力[3]等人研究了顺序输送过程中的成品油管道减阻效果评价方法,认为摩阻系数较传统的基准压力、流量换算更能反映减阻率和增输率。周洪涛[4]等人研究了水力压裂用聚丙烯酰胺及其衍生物高黏减阻剂,其优异的携砂能力、热稳定性、低储层伤害性,在非常规油气藏压裂中施工效果良好。刘波[5]等人采用Stoner Pipeline Simulator软件中的减阻剂加注模块,对某常数管道减阻效果进行评估。发现减阻剂在出站位置加注,可以减少站内设备的剪切力,达到减阻增输的目的。李海荣[6]在伊拉克某油田进行了减阻剂应用研究。在管线老化,外输泵无法提效情况下,加注20 mg/L减阻剂,达到减阻增输效果,经济效益显著。丁飞[7]等人研究了聚丙烯酰胺在水力压裂过程中减阻效果。由于深层页岩埋深大,温度高,对减阻剂高温性能要求高,纯净聚丙烯酰胺耐温性能好,在含氧环境减阻剂发生氧化分解,减阻效果降低。通过聚合耐温单体,可以显著提高减阻效果。林永刚[8]等人在乌鄯线开展了减阻增输研究,发现通过添加10 ppm减阻剂,增输率达到9%～28%。

2 现场应用

2.1 管道概况

某输油管道是某油田原油唯一外输管道,全长161.525 km,管道设计压力6.27 MPa,材质为X56,规格为508 mm×7/8 mm。输送介质为原油和凝析油,采用密闭常温一泵到底的输送工艺,沿线共有3座截断阀室和1座转球阀室,出站最大压力为5.8 MPa。管道基础数据见表1,站场阀室分布情况见表2,首站外输泵为MSN6*6*11H型,输油泵的参数见表3,沿线高程分布如图2所示。

表1 某输油管道复线基础信息

表2 某输油管道沿线阀室分布及高程信息

表3 首站外输泵情况

图2 某输油管道复线里程高程图

该管道设计年输量为5×106t,2021年实际外输量4.67×106t,接近设计输量。根据油田公司规划,到2025年需要通过该输油管道年外输6.9×106t原油,到2031年需要通过该输油管道年外输8.04×106t原油,该管道输送能力远达不到规划要求。

因此,拟进行减阻剂加注试验,实现减阻增输的目的。本次采用的减阻剂为油溶性减阻聚合物,3种减阻剂均为超高分子量的α-烯烃聚合物,尤其是1-辛烯、1-癸烯的均聚物或共聚物。

对油品的基础信息进行测试,结果见表4。

表4 油品基础信息

2.2 现场试验方案

首先对ABC 3种减阻剂开展配伍试验,按照试验浓度的减阻剂与现场油品混合,确保减阻剂与油品混合后,不发生沉淀、发热等不良反应。

减阻剂加注点为输油管道发球区取样口,加注浓度均为40 ppm。加注减阻剂后,含有减阻剂的与油头到达末站后稳定运行12 h,以稳定运行期间的参数作为效果评价依据。

2.3 试验及结果

试验前,首站油品温度为36 ℃,压力为3.75 MPa,末站温度为25 ℃,压力为0.233 MPa。

加注过程如图3所示,A、B、C减阻剂分别加注1 609.05、1 677.85、1 764.6 L,根据加注期间原油外输量计算,加注浓度均为40 ppm左右。同时,为防止减阻剂相互干扰,每组减阻剂试验后,输送原油品待充满管道后,再进行下一组减阻剂试验。采用减阻剂加注稳定运行期间的平均值进行对比,对比情况见表5。

表5 轮库输油管道减阻剂试验数据对比情况

图3 加注过程减阻剂累积注入量和流量变化

确定试验的增输率和减阻率时,采用以现场数据反算摩阻系数、进而得到增输率和减阻率的方法,摩阻系数确定方法如下:

(1)

式中:λ为沿程摩阻系数,无因次;g为重力加速度,9.8 m/s2;D为管道内径,m;L为管道长度,m;V为流体速度,m/s;P1为上游压力,Pa;P2为下游压力,Pa;ρ为油品密度,kg/m3;Z1为起点高,m;Z2为终点高,m。

通过计算,不加减阻剂以及加注3家减阻剂稳定运行期间的沿程摩阻系数见表6。

表6 减阻剂沿程摩阻系数

1)实际增输率

根据SY/T 6578—2016《输油管道添加减阻剂输送技术规范》第5.7.1增输率计算公式:

(2)

式中:TI为增输率,无因次;Q0为未加剂时的管道输量,m3/h;QDR为加剂后管道输量,m3/h。

将加剂后的λ、首末站压力设置为基础流量下数值代入式(1),可以计算出QDR,再将QDR代入式(2)根可以计算出TI,结果见表7。

表7 增输率对比 m3·h-1

2)实际减阻率

根据SY/T 6578—2016《输油管道添加减阻剂输送技术规范》第5.7.2减阻率计算公式:

(3)

式中:DR为减阻率;ΔP0为未加减阻剂的压降,kPa;ΔPDR为加入减阻剂的压降,kPa。

同理,将加剂后的λ,流速V设置为基础流量下的数值并代入式(1),可以计算出ΔPDR,再将ΔPDR代入式(3)可以计算出DR,结果见表8。

通过对试验数据的处理和分析,得出加注浓度40 ppm情况下3种减阻剂在某输油管道上的增输率分别47.76%、42.84%、63.96%,减阻率分别是46.89%、44.07%、54.52%。3种减阻剂均具有一定的减阻增输效果,其中C减阻率和增输率较高,A减阻剂次之,B减阻剂再次之。

聚α烯烃减阻剂是具有粘弹性的高分子聚合物,将其注入管道后,聚合物分子充分展开呈流状与油品的紊流相互作用, 减少径向力,从而减少无用功的消耗,达到减少摩擦阻力的效果。通常情况下,减阻剂分子量越大,减阻效果越好。现场为了获得较好的减阻效果,可以先进行室内圆盘或者环道试验,选择性能优异的减阻剂再进行现场应用测试。本次现场试验减阻剂效果显著,性能差异主要是由于减阻剂分子量不同,其中C剂分子量最大,B剂最小。

3 应用探索

本次试验验证了减阻剂在输油管道上具有一定的减阻增输效果,结合油田生产实际,减阻剂加注可以一定程度解决以下问题:

1)解决外输瓶颈 输油管道输送能力达不到外输需求时,加注减阻剂可以一定程度上起到增输效果[9-11]。

2)提质增效 根据原油价格调整情况,在价格处于高位时,可以通过加注减阻剂间歇增输,提升效益。

3)应急抢险 六级外输泵故障,四级泵外输量小于上游来油量,造成末站液位不断升高,可以加注减阻剂增加外输排量,降低高液位压力。

4)降压运行 当管道整体承压能力不足,但又不具备有效检测修复方式时(例如缺陷在铁轨下方、大型河流穿越段),可以加注减阻剂实现输量不变的情况下降低运行压力。

5)提升介质流速,配合内检测作业 当输油管道流速低、清管周期超过内检测器待机时间时,可以加注减阻剂提升介质流速,保证介质流速和内检测运行时间达到检测器性能要求。

4 结 论

本文系统总结国内外减阻剂研究现状并选择3种减阻剂在某输油管道进行了试验,可以得到以下结论:

1)减阻剂在国内外原油和成品油管道上以及压裂作业上均得到应用,可实现减阻增输。

2)在某输油管道上进行3种聚α烯烃型减阻剂效果评定试验,减阻剂增输率能达到42.84%～63.96%,减阻率能达到44.07%～54.52%,能起到一定的减阻增输效果。

3)减阻剂不仅可以用于减阻增输,还可以在提质增效、应急抢险、降压运行、临时性介质提速等方面应用。