低温环境集输油管道清防蜡技术研究综述

孟凡斌 姜卉 鲁镇语 赵海谦 刘晓燕

摘      要： 蜡沉积是原油集输过程中面临的重要的问题。蜡沉积于管道内壁不仅降低了管道有效流通半径，严重时还会堵塞管道，造成巨大的经济损失。在此背景下，国内外学者对防蜡和清蜡机理与技术进行了大量研究。将现有的冷流防蜡、化学清防蜡、管道材料及涂层防蜡、热化学反应清蜡、机械清蜡、热力清蜡等清防蜡技术进行回顾并对其研究现状进行总结，以期为今后管道清防蜡技术的进一步研究提供参考。

关  键  词：集输油管道;清蜡;防蜡

中图分类号：TE 832       文献标识码： A       文章编号： 1671-0460（2019）10-2377-05

Abstract： Wax deposition is an important problem in crude oil gathering and transportation. Wax deposition on the inner wall of the pipeline not only reduces the effective circulation radius of the pipeline， but also blocks the pipeline in severe cases， resulting in huge economic loss. Against that backdrop， domestic and foreign scholars have done a lot of researches on the mechanism and technology of wax prevention and removal. In this paper， the existing wax prevention and removal technologies such as cold flow wax inhibition， chemical wax removal and inhibition， pipeline materials and coating wax inhibition， thermochemical reaction wax removal， mechanical wax removal， thermal wax removal were reviewed and summarized， so as to provide reference for further research on the technology of wax removal and wax inhibition of oil gathering and transportation pipelines in the future.

Key words： Oil gathering and transportation pipeline; Wax removal; Wax inhibition

管道流動安全问题是原油集输过程中面临的重要问题。处于严寒地区的埋地集输油管道或海底的集输油管道，由于周围的土壤或海水温度较低，原油在输送过程中会有大量的热散失导致温度逐渐下降。当原油温度低于析蜡点时，其中的蜡组分开始析出，并慢慢聚集、长大，最终沉积在管道内壁上。随着蜡沉积量的增多会降低管道的有效半径，增加原油流动阻力，严重时甚至会造成管道堵塞，带来巨大的经济损失。全世界范围内处理在原油开采、运输、储存、加工过程中由于蜡沉积引起的问题，每年要花费数亿美元[1]。

面对集输油管道的蜡沉积问题，国内外学者根据多年的生产经验，以及大量的研究，提出了一些清防蜡方法与技术，部分技术已得到了广泛的应用。本文主要对冷流防蜡、化学清防蜡、管道材料及涂层防蜡、热化学反应清蜡、机械清蜡、热力清蜡等清防蜡技术的原理及研究现状进行总结，以期为今后的管道清防蜡技术研究提供参考。

1  防 蜡

1.1  冷流

对于结蜡问题较埋地输油管道更为严重的海底输油管道，Merino-Garcia和Correra探讨了一种防止管壁上蜡沉积的技术—冷流。该技术的理论依据是在温度梯度为零时，即使在析蜡点以下，管壁上的蜡沉积也是可以忽略的。冷流概念是基于Coberly （1942）的先期研究工作而提出的，其工作原理示意图如图1所示[2]。

该方法通过降低集输油管道内油流的温度，使其与周围海水的温度相同，由此消除输送介质在管壁附近的温度梯度，进而防止蜡沉积，此时石蜡以固相形式分散于原油中。一些学者设计的应用在输油管段上能够使油流温度降低至与周围海水温度一致的装置已经获得了专利。但是这些装置都没有在油田生产条件下进行现场测试[3，4]。该技术在理论是可行的，但如何有效的降低输送介质的温度以及长距离输送这种冷浆体还需要进一步研究。其中冷浆体的存在使管内油的黏度大幅提升，这将对输油压力有很大影响，且当停输时此冷浆体更易胶凝等等，这些问题都是实施冷流技术之前需要研究解决的。

1.2  化学防蜡

化学防蜡通过向管输介质中添加化学物质以防止蜡沉积和蜡胶凝。按照其作用机制的不同，可将其分为化学防蜡剂、降凝剂（PPD）、石蜡分散剂三类。对原油析蜡温度（WAT）产生影响的化学物质通常被称为防蜡剂或蜡晶改进剂。对原油倾点产生影响的化学物质称为降凝剂或流动改进剂。由于以上两种化学物质通过影响蜡的结晶过程而起作用，所以这两类化学物质有很大的重叠。即大多数防蜡剂也具有降凝剂的功能。蜡晶分散剂是一些表面活性剂，其可通过吸附在管道壁面和蜡晶上而起作用[5]。

1.2.1  防蜡剂

防蜡剂是一类与原油中析出的石蜡有着相似化学结构的物质。国内外学者虽然对于防蜡剂的作用机制已经进行了大量的研究，但是到目前为止仍然没有得到确切的解释。大家提出的防蜡剂的作用机制主要有成核-隔绝理论、合并-摄动理论以及管壁吸附理论。其中合并-摄动理论被较多学者接受。该机理认为当介质温度低于析蜡温度时，防蜡剂聚合物分子中与石蜡分子相似的部分插入到石蜡分子中，与其合并共晶，而聚合物分子中与石蜡分子结构不同的部分则对石蜡分子的继续聚集结晶形成阻碍，从而缓解了石蜡沉积[6]。

典型的防蜡剂是由一个或多个与蜡分子相似的碳链及极性组分构成。这种化合物可以通过碳氢链与蜡分子共同析出或共晶。同时，极性组分改变了蜡晶的形态，起到改性作用，在蜡晶间形成空间位阻，从而阻止蜡晶的进一步长大及聚集[7]。蜡晶聚集并在壁面上沉积的过程及防蜡剂的作用原理及过程如图2所示[8]。在微观尺度上，防蜡剂已经被证明对蜡晶体形态有显著的影响：与纯蜡通常表现的片状生长不同，在防蜡剂作用下蜡晶呈现为高度分枝的微晶网状结构[9]。

目前应用最广泛且效果较好的防蜡剂是乙烯醋酸乙烯酯（EVA），其属于乙烯共聚物，这种共聚物具有由聚乙烯部分组成的线性链，其长度随共聚物（醋酸乙烯酯）的数量而变化。EVA的化学结构如图3所示。实验表明该共聚物的作用效果主要受其中醋酸乙烯酯的含量影响，其含量为25%～30%时，效果最佳[10]。

此外，EVA的分子量和多分散性对其防蜡效果也有一定影响。蒋庆哲等人[11]研究发现EVA产生最佳降凝效果的分子量是1.2×104。与此同时，石蜡的碳数分布也对EVA的作用效果有较大影响，Ashbaugh等人研究表明，在EVA添加量一定的情况下，石蜡分子碳数的降低会使EVA的作用效果减弱[12]。在油田生产过程中防蜡剂通常掺混在有机溶剂中使用，Lee 等人对EVA和不同有机溶剂的组成做了对比研究，得到EVA、丙酮、对二甲苯的最佳配置比例，以使防蜡效果达到最佳[13]。

梳状聚合物型防蜡剂通常被认为是最有效的一类防蜡剂。该类聚合物通常由（甲基）丙烯酸、马来酸酐两类单体中的一类制成，或两者兼而有之。其结构特征如图4所示，它们可以通过在蜡状链上为蜡晶体提供成核位置来与其共晶，而极性主链阻碍蜡晶网络的形成，从而阻止其胶凝以及沉积[14]。

对梳状聚合物作用效果的研究表明，对其影响最大的是其烷基侧链的长度，而烷基侧链的最佳长度由蜡中烷烃的长度决定[15]。一般来说，高分子量的蜡晶生长最容易被具有长侧链的梳状聚合物抑制[16]。烷基侧链碳数大于18的梳状聚合物在大多数情况下能够有较好的防蜡效果，因为大多数蜡中的烷烃要长得多。然而，超过18个碳的醇（硬脂醇）的生产成本很高，因此，此种防蜡剂变得更加昂贵。

目前，为了增强梳状聚合物型防蜡剂的作用效果，针对含有不同碳数及比例分布的不同原油，合成一系列有效的梳状聚合物以供选用，这一工作是十分重要的。而这也是防蜡剂应用的一个主要缺点，它们在不同的防蜡问题中不是普遍有效的，因此需要使用试错法来找到合适的产品。显而易见，这项工作的工作量是巨大的。因此，现在急需研究并建立能够将聚合物型蜡晶改性防蜡剂的分子结构与其防蜡效果关联起来的模型[17]。

1.2.2  石蜡分散剂

石蜡分散剂是一种经过筛选的表面活性剂。分散剂可以吸附在管壁上，改变管壁的可湿型，使其成为亲水表面，以减少石蜡的吸附或者使沉积在管壁上的石蜡较为松软容易剥落，又或者吸附在蜡晶表面以减少蜡晶相互粘结的趋势[5]。

分散剂已经被成功地用于促进防蜡剂的作用效果，因为它们能够阻碍蜡的沉积。典型的、低成本的、应用较广泛的蜡分散剂包括烷基磺酸盐、烷基芳基磺酸盐、脂肪胺聚氧乙烯脂等。然而，分散剂通常需要和防蜡剂混合使用，以提高防蜡性能。否则，分散剂的防蜡效果是有限的。

1.3  管道材料及涂层

应用塑料管道或在金属管道内涂上塑料涂层的方法已被提出以减少蜡沉积。虽然在塑料管道上石蜡沉积的速度比在钢制管道上要慢，但在塑料管道上覆盖一定的石蜡层后，蜡沉积的积累速度将与钢表面的石蜡沉积速度相同。当沉积物积累到一定程度时，必须从塑料或涂有塑料涂层的钢管中清除，而且必须考虑清蜡问题。

机械、热力、化学等清蜡技术可能损坏塑料管道或涂层。 因此，目前该方法主要用于消除腐蚀[8]。

1.4  微生物防蜡

微生物清防蜡技术于上世纪80年代由美国、加拿大等国家发展而来[18，19]。该技术所使用的微生物清防蜡剂是石油烃降解菌混合菌，此种微生物由多种厌氧及兼性厌氧菌组成。其具有很强的粘附性，可附着在金属等润湿物体表面且生长繁殖速度快，在壁面形成一层薄而致密的親水疏油保护膜，起到防蜡作用[20]。

此种微生物还对原油烃类物质具有生物降解功能，使原油中的长碳链烃转化为短碳链烃从而降低原油的凝点，进而起到防蜡作用。此外，还能通过新陈代谢产生生物表面活性物，阻止蜡晶生长[21]。该技术结合蜡沉积机理和微生物本身及其代谢过程的特点，通过筛选合适的菌种达到原油集输防蜡的目的。Rana等人（2010）开发了石蜡降解细菌团系统，通过营养补充和生长促进剂的添加来维持细菌团系统进而控制井筒和流动管线的蜡沉积。他们实验结果表明，他们的系统是非常有效的，消除了在几个月内反复刮蜡的需要[22]。

微生物清防蜡剂无毒无害无味，安全环保，该技术与其他技术相比一般不需要附加设备，易于实施，有较好的经济效益和社会效益，应用前景较好。但是不同种类的原油对不同的菌种有一定的选择适应性，因此需要根据不同采油区块原油的蜡质情况筛选出适宜的菌种进行使用。

2  清 蜡

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