管道蜡沉积物抗剪切强度研究进展

白成玉，魏 蕾（.中国石油集团海洋工程有限公司，北京 0008；.北京中盈安信技术服务股份有限公司，北京 00083）



管道蜡沉积物抗剪切强度研究进展

白成玉1，魏 蕾2
（1.中国石油集团海洋工程有限公司，北京 100028；2.北京中盈安信技术服务股份有限公司，北京 100083）

摘要：对蜡沉积物抗剪切强度的了解，有助于制定合理的清管方案，防止清管过程中发生卡堵事故，但目前关于蜡沉积物性质的研究很少。确定了影响蜡沉积物抗剪切强度的主要因素，包括固相蜡浓度、蜡的碳数分布、胶质沥青质和管流剪切。并从宏观和微观机理的角度，介绍了各因素对蜡沉积物抗剪切强度影响的研究进展。指出定量确定蜡沉积物抗剪切强度亟待解决的主要问题。

关键词：管道；蜡沉积；抗剪切强度；影响因素；研究进展

管道输送含蜡原油过程中，在管壁上会形成蜡沉积物。随着沉积时间的增加，蜡沉积物的厚度也增加，造成管道流通面积减小，管道输送能力下降，甚至会造成管道堵塞。尤其是管道周围环境温度较低时，该问题更加突出，如海底管道（3 000 m海底水温约为4 ℃）。据美国能源部统计，深度为400 m的海底管道，由于蜡堵造成的修复费用高达100万美元/英里［1］，并随水深的增加，修复费用也增加，同时，蜡堵会导致停产，造成巨大的经济损失。

为解决蜡沉积产生的诸多问题，需要定期清除管壁上的沉积物，目前普遍采用机械清管的方法清除沉积物［2-4］，并已确定了清管器剥离沉积物所需压差与沉积物厚度和抗剪切强度的定量关系［5］。目前关于蜡沉积研究的主要焦点是诸多因素（如温度、流速和时间等）对沉积物厚度和蜡含量的影响及对二者的定量预测，而对蜡沉积物抗剪切强度的研究很少。事实上，沉积物的抗剪切强度会对清管器的运动产生重要影响，若沉积物的抗剪切强度很大，可能造成清管器发生卡堵事故。

1　蜡沉积物形成机理

蜡沉积物形成的机理包括分子扩散［6-11］、剪切弥散［11］、布朗扩散［12］和重力沉降［12］，目前比较一致的观点认为分子扩散是造成蜡沉积的主要原因［6-10］。早期研究中，假定沉积物内蜡含量不变［13-16］。Creek et al.［17］和Fogler et al.［6］等人从实验和理论方面，证实蜡沉积物内的蜡含量随沉积条件发生变化，从而关于蜡沉积物形成机理的认识取得新进展。

Fogler课题组研究表明蜡沉积物的形成包括五个过程［18-20］：（1）管壁上形成初凝层；（2）大于临界碳数的烷烃分子由油流向胶凝层扩散；（3）部分烷烃分子在界面处析出，增加蜡沉积物厚度，部分烷烃分子向胶凝层内扩散；（4）扩散进入沉积层内的烷烃分子析出；（5）胶凝层内低于临界碳数的烷烃分子向沉积层外反扩散。由此蜡沉积物形成机理可知，蜡沉积物属于胶凝油（蜡包裹液态油）。

2　各因素对沉积物抗剪切强度影响

影响蜡沉积物抗剪切强度的因素很多，主要因素包括沉积物的固相蜡浓度、蜡碳数分布、胶质沥青质和管流剪切，其中固相蜡浓度受沉积时间、温度、流速和压力的影响。

2.1固相蜡浓度的影响

蜡沉积过程（3）～（5）使沉积物内蜡含量增加，前人采用环道或冷指研究了沉积时间［8，18，19，21］、温度［6，17，22-24］、流速［8，19，21，22，25-26］和压力［27］对沉积物内蜡含量的影响。虽然实验结果有所不同，但多数结果表明，随流速、压力和沉积时间的增加，沉积物内蜡含量增加，沉积物的硬度也增加；随油壁温差的增大，沉积物内蜡含量减小，沉积物的硬度也减小。同时，建立了诸多蜡沉积预测模型［6，28-30］预测沉积物的厚度和蜡含量。

研究者主要从累积［18］和变形［21］的角度解释了沉物内蜡含量随时间的变化。累积的观点认为沉积层内径向温度梯度促使蜡分子向胶凝层内扩散及沉积层内轻烃反扩散，增加了沉积物内蜡含量。变形的解释认为随时间的增加，变形角增加，沉积物内的液态油被挤出，导致沉积物内蜡含量增加。

研究者主要从相对快慢［22］和传热传质［6，8］角度分析了温度对沉积物内蜡含量的影响。相对快慢观点认为较大的油壁温差使沉积物内蜡和液态油的量均增加，但液态油增加的速率较大。传热传质的解释认为随油壁温差的减小，形成厚度较小的沉积层，沉积层内较大的温度梯度促进了蜡分子扩散。

压力将沉积物内的液态油挤出，从而使蜡含量增加［27］。管流对蜡含量的影响在 2.4节详细介绍。笔者认为，将上述不同观点结合在一起，能够比较全面的认识各因素对沉积物内蜡含量的影响机理。

前人通过配制模拟油，研究了蜡浓度对抗剪切强度的影响［20，31，32］。事实上，沉积物内固相蜡（结晶析出的蜡）才影响沉积物的抗剪切强度，而未析出的蜡并不影响沉积物抗剪切强度。探索管道沉积物固相蜡浓度的确定方法，是下一步研究的方向。

2.2烷烃碳数分布的影响

蜡沉积过程（2）临界碳数决定了扩散进入沉积物烷烃的碳数分布，其主要受原油组成和温度的影响［20］，因此，管道输送组成不同或组成相同但输送条件不同的含蜡原油，蜡沉积物中蜡的碳数分布也不同，如随流速增加，沉积物内蜡平均碳数增加［33］。诸多研究表明较大的蜡晶有助于增强胶凝结构的强度［34-36］，而烷烃的碳数分布是影响蜡晶尺寸的一个重要因素。由此推测，蜡的碳数分布是影响沉积物抗剪切强度的一个重要因素。

目前主要采用室内配制模拟油的方法，研究C17以上烷烃碳数分布对胶凝油屈服应力（可表征抗剪切强度）的影响，但研究报道较少，且所用烷烃碳数分布比较简单，大多为两种烷烃混合，尚未形成一致的观点。Imai et al.［37］的研究表明，C32/C30可以共晶，形成粗糙的晶体表面，而C32/C28单独结晶，形成光滑的晶体表面，前者屈服应力约为后者的2倍。Senra et al.［38］的研究结果与之相反，认为共晶使晶体结构中形成缺陷，难以形成大的晶体，导致胶凝结构的强度减小。Guo et al.［39］研究表明C36/C32形成胶凝体系屈服应力约为C36/C28的2倍，但作者未进行解释。

事实上，管道沉积物中的蜡是由 C17以上连续分布的烷烃组成，且不同沉积物内蜡的碳数分布不同。预测沉积物内蜡的碳数分布，并研究其对抗剪切强度的影响是未来的研究方向。

2.3胶质沥青质的影响

根据对油田含蜡原油管道的分析统计，沉积物中一般含有10%-20%的胶质沥青质［40］，但关于胶质沥青质的沉积机理尚不清楚。

许多研究者用模拟油研究了沥青质对胶凝油屈服应力的影响［32，41-43］，但各研究者并未得出一致的结论。某些研究结果［42］表明沥青质对胶凝油屈服应力的影响存在临界浓度，若沥青质的浓度小于临界浓度时，随沥青质浓度的增加，屈服应力也增加；若沥青质的浓度大于临界浓度时，随沥青质浓度的增加，屈服应力减小。某些研究未观察到临界浓度，结果表明沥青质使胶凝油的屈服应力显著减小［32，41，43］。目前关于胶质对屈服应力的影响未见报道。

Kriz et al.［42］的实验结果表明，沥青质对胶凝油屈服应力的影响存在临界浓度（为0.05%）。认为小于临界浓度时，沥青质很好的分散，易被包裹在蜡晶中，同时由于沥青质与蜡在空间的相互作用，使蜡分子有更多时间结晶，形成强的网络结构。大于临界浓度时，蜡晶结构中没有更多空间容纳沥青质，部分沥青质在结构外部发生聚集，形成大的沥青质颗粒，甚至是沥青质层，蜡-蜡之间的作用被沥青质-蜡之间作用所取代，形成弱的胶凝结构。

Oh et al.［32］、Tinsley et al.［41］和Venkatesan et al.［43］的研究结果均表明，沥青质使胶凝油的屈服应力显著减小。作者均认为沥青质改变了蜡晶形态，降低了胶凝油的屈服应力。

虽然有研究者观察到沥青质对胶凝油屈服应力的影响存在临界浓度，但该浓度一般小于0.1%，而管道沉积物中沥青质浓度一般远高于此临界浓度。由此可以推测，沉积物中的沥青质可以降低其抗剪切强度。

2.4管流的影响

原油在管道内流动，对管壁沉积物产生剪切作用，管流剪切对沉积物抗剪切强度的影响主要表现在以下两个方面：影响沉积过程（1）中初始胶凝层的形成；管流剪切使沉积层内蜡含量增加，增强了沉积物的抗剪切强度。

Venkatesan et al.［34］、Visintin et al.［44］、Ding et al.［45］等人研究了剪切对胶凝油屈服应力的影响，但未形成统一观点。Venkatesan et al.［34］实验结果表明对体系施加剪应力可导致蜡晶颗粒聚集和破坏，较小的剪应力作用下，蜡晶颗粒聚集占主导，屈服应力增加；较大的剪应力作用下，蜡晶颗粒破坏占主导，屈服应力显著减小。Visintin et al.［44］实验结果表明剪应力对胶凝油结构的影响与屈服应力和剪应力相对大小有关。Ding et al.［45］研究结果表明剪切对胶凝油屈服应力的影响与剪切时油样的温度有关。环道实验结果表明，随管流剪切的增加，沉积物的厚度减小［8，19，25］。综合以上结果，可推测随管流剪切的增强，更难形成初始胶凝层。

随管流剪切的增加，沉积物内的蜡含量增加，导致沉积物的硬度也增加［8，17，21-22］。研究者从两个方面进行解释，一方面随管流剪切的增加，形成的沉积层厚度减小，沉积层内温度梯度增加，促进蜡分子的扩散，导致沉积层内的蜡含量增加。另一方面随管流剪切的增加，液态油被挤出沉积层，导致沉积层内蜡浓度增加，沉积层的抗剪切强度增加。

综上所述，随管流剪切的增加，更难形成初始胶凝层，沉积层的厚度减小，而沉积层内的蜡含量增加，导致沉积物的抗剪切强度增加。

3　结束语

蜡沉积给管道安全经济运行带来潜在风险，普遍采用机械清管的方法清除蜡沉积物。对蜡沉积物抗剪切强度的了解，有助于制定合理的清管方案，防止清管器发生卡堵。但目前主要研究沉积物的厚度和蜡含量，而对蜡沉积物抗剪切强度的研究很少。

蜡沉积物的抗剪切强度主要受固相蜡浓度、烷烃碳数分布、胶质沥青质和管流剪切的影响。目前的研究普遍认为，随固相蜡浓度和管流剪切的增加，沉积物的抗剪切强度也增加；沥青质可以降低沉积物的抗剪切强度。关于蜡碳数分布和胶质对沉积物抗剪切强度的影响还有待研究。如何定量表征这些因素对蜡沉积物抗剪切强度的影响，是另一亟待解决的问题，解决该问题对清管器运动模拟至关重要。

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Research Progress of the Shear Strength of Wax Deposit in Pipelines

BAI Cheng-yu1，WEI Lei2
（1.CNPC Offshore Engineering Company Limited，Beijing 100028，China；
2.Beijing JAS Technical Service Company Limited，Beijing 100083，China）

Abstract：A better understanding of the shear strength of wax deposit assists in making a suitable pigging schedule and preventing the pig from getting stuck in the pipelines.However，there is little study on the nature of the wax deposit.The main influencing factors of the deposit strength were determined，including solid wax content，carbon number distribution of wax，resins and asphaltenes and the flow rate.The research progress of the effect of these factors on the deposit strength was introduced from macroscopic and microscopic aspects.It's pointed out that，to quantitatively determine the deposit shear strength is the main issue that needed to be resolved.

Key words：pipeline；wax deposition；shearing strength；influencing factor；research progress

中图分类号：TE 832

文献标识码：A

文章编号：1671-0460（2016）01-0105-04

收稿日期：2015-09-28

作者简介：白成玉（1985-），男，北京市人，工程师，博士，2014年毕业于中国石油大学（北京）油气储运工程专业，研究方向：从事总体设计及蜡沉积研究。E-mail：baicheng_yu@126.com。