基于OLGA的含蜡热油管道析蜡模拟与清管优化

左江伟，田一波，李汉成，郑锐，许红明，徐思莹，杨子航

（中国石油塔里木油田分公司油气运销部，新疆 库尔勒 841000）

含蜡原油在长距离管输过程中，油品自热泵站流出后的出站油温大于环境温度，因热传递导致油温沿轴向和径向不断下降，当油温下降至析蜡点时，油品中的蜡晶分子开始析出，这些析出的蜡会逐渐附着在管壁上，并随运行时间的增加在管道内壁上形成蜡沉积层[1-2]。蜡沉积层的形成会造成管道流通面积减小、降低管道输送能力并增加管道运行成本，还会对停输再启动造成巨大的困难，严重时会引发油品凝胶化，使管道发生凝管现象，造成堵塞停产事故。因此，管道蜡沉积问题是热油管道输送过程中必须面对的问题。

目前，针对热油管输管线中蜡沉积问题，石油生产和储运企业最常采取的解决方法主要有添加化学防蜡剂、提高含蜡凝析油出站温度、管线设置保护层维温、长输管线设置加热站、定期清管等。

含蜡油品的蜡沉积过程非常复杂[3]，迄今为止，国内外学者们相继提出了分子扩散[4]、剪切弥散[5]、布朗扩散[6]、重力沉降[7]等沉积机理。近年来，学者们对于蜡沉积机理的认识更加深入，又提出了“剪切剥离”[8]和“老化”[9]机理。对于蜡沉积速率影响因素的研究中，主要有油品的组成与性质、胶质与沥青质含量、油流温度、管道壁面温差、流量、运行时长、管壁粗糙度等，研究多基于蜡沉积冷指实验与室内蜡沉积环道装置[10-12]开展，但流动环道内进行的实验易受压力低、管径小、场地受限等因素制约，因此国际上一些大型石油公司以及科研机构专门开发了一些计算蜡沉积的商业软件，如OLGA[13]、PVTsim[14]、Wax Flow[15]等，其模拟准确度在大量环道实验中已得到验证，其中，OLGA蜡沉积模拟结果已被各大石油公司认可。

基于上述背景，本文采用多相流瞬态仿真软件OLGA蜡沉积模块的Matzain 模型，以塔里木油田英买凝析油（高凝、高黏、高含蜡）和英牙凝析油管线为研究对象，探究管道运行中常见的管径、管道起伏程度、入口温度、出口压力、输油量等因素对蜡沉积影响，并结合英牙线实际运行参数情况进行了计算，模拟了英牙线凝析油在不同加热站之间的析蜡厚度，明确了英牙凝析油管线高风险管道运行段，有利于降低管道蜡堵事故，降低清管频次，节约运行成本。

1 管道油品简介与模拟步骤

1.1 英牙凝析油管道概况

英牙凝析油管线是塔里木油田英买油气开发部凝析油外输主要管线[16]，起点为英买首站，终点为牙哈装车站，全长149.67 km。管线直径219.1 mm，壁厚5.2 mm，设计压力6.3 MPa，设计输量5.1×105t·a-1，管道净容积34.208 m3·km-1，管线防腐层为环氧粉末外防腐层，厚度350 μm；采用聚氨酯泡沫保温，厚度50 mm；外护层为PE专用料黑夹克，厚度4 mm。当前共设4座加热站，如图1所示。

图1 英牙凝析油管线加热站情况

1.2 英买油品物性

凝析油物性分析单由塔里木油田实验检测研究院测定提供，凝析油平均含蜡量在20%～28%之间，属于高含蜡凝析油，析蜡点在30～40 ℃之间。采用OLGA模拟时的油品物性文件由Multiflash软件定义，油品的组分见表1。

表1 英买凝析油组分

1.3 OLGA模拟步骤

OLGA蜡沉积建模过程主要包含以下步骤：

1）定义油品组分。可通过Multiflash、Hysis、PVTsim等软件进行组分定义。

2）生成流体计算包。采用Multiflash软件生成.Wax文件和.Tab文件并导入OLGA模拟软件中。

3）定义管线主要参数。OLGA中需要定义的管线参数主要包括管道材料、传热系数、管壁厚度、保温材料及厚度、导热系数、密度等。

4）定义管道长度，包括总长度及模拟分段数。

5）定义模拟步长。在软件中设置起始时间步长、最大时间步长、最小时间步长等参数。

6）对OLGA输入时注意在FILES中的WAXFILE选项指定包含蜡数据的文件；WAXDEPOSITION选项设置为ON并指定Matzain model进行模拟。

7）输出模拟结果并保存。

2 模拟结果与分析

2.1 管径与管线起伏程度对蜡沉积的影响

管径是管线的主要参数，对流体温降、压降等有重要影响，继而对蜡沉积造成一定的影响。在保证其他参数设置不变的情况下，选取200、300、400 mm的管径探究不同管径对蜡沉积的影响。管径选取完成后，通过改变管线高程实现管线起伏程度的变化，探究管线起伏程度对析蜡的影响。各组模拟实验中保温层材料及厚度、环境温度等均为定值，模拟试验的参数设定值和结果如详见表2。

表2 两个因素下的模拟试验参数设定值与结果汇总（实验1～6）

模拟实验1～3结果显示，当其他条件保持不变时，管径越大，平均蜡沉积厚度越大。此外，管径越大，蜡沉积出现的越早，分析主要原因是因为管径越大，管内油流温降越快。

由实验4～6可知，3种起伏程度下的管道在运行模拟了 7 天后，从管内蜡沉积量沿管道的分布情况来看，不论是上倾还是下倾都会使得管内沉积层厚度有所增加，且上倾管（高程100 m）下的平均析蜡厚度较下倾管厚，但无论哪种情况，油品析蜡厚度和析蜡高峰并未有明显改变。

2.2 入口温度、出口压力和输油量对蜡沉积的影响

在保证其他参数不变的情况下，分析不同入口温度对蜡沉积的影响，因油品析蜡点为32.5 ℃，故选取管线入口温度值分别为36、39、42、45 ℃共4组。油品析蜡点与压力大小相关，管道系统压力的变化也会对蜡沉积过程会产生一定的影响，采用控制变量法设置3组实验分析管道出口压力对管道结蜡分布的影响。在正常生产过程中，管线输量是一个非常重要的运行参数，因此，明确输油量对析蜡情况的影响规律十分必要，同样采用控制变量法设置3组实验进行分析。管线全长设为30 km，其余管道材料、厚度、传热系数、环境温度及流量等参数保持相同。3个影响因素下的实验模拟设定值见表3，析蜡结果见图2、图3、图4。

表3及图2的结果表明，油流入口温度越小，开始析蜡位置距离管道入口越近，主要是入口温度越小，油流温度就越快达到析蜡点。另外，不同入口温度下对应不同的析蜡高峰且分布在不同位置，若把总结蜡量平均到整条管道，会出现平均结蜡厚度随入口温度的升高而减小的现象。此模拟结论与文献[17]得到的结论一致。

图2 不同入口温度下试验的模拟结果

由表3及图3的结果可知，当管道出口压力不同时，管道沿程结蜡分布变化规律不明显，整体变化趋势与管线起伏程度的变化规律类似。

图3 不同出口压力下试验的模拟情况

表3 3个因素下的模拟试验参数设定值与结果汇总（实验7～16）

随着出口压力的升高，析蜡高峰值增加不大。将析蜡高峰平均分布到管线析蜡段后，平均析蜡厚度也变化不大，因此可以认为管道出口压力大小对管道结蜡影响不是特别明显。但由于压力不同时，油品的析蜡点随压力升高而降低，所以不同出口压力下的析蜡位置有所不同，随着出口压力的增大，析蜡点降低，析蜡位置越接近管线出口。

由图4和表3显示的模拟试验结果可知，随着输油量的增加，管线结蜡厚度越大，分析原因是输油量越大，油流整体的含蜡量较大，导致析出的蜡量也较低输油量时多。但初始结蜡位置有所不同，主要是因为输油量较小时，流体温度较快降至析蜡点以下。此结论与文献[18]的研究结论一致。

图4 不同输油量试验下的模拟结果

2.3 英牙凝析油管线高风险段确定

英牙凝析油管线自2007年投产以来，随着英买凝析油蜡含量的逐渐增加及对英牙凝析油管道内壁的蜡沉积层厚度不明确，发生了多次清管器卡阻和蜡堵事件。根据管线及油品参数，对管线全线析蜡情况进行模拟，依据全线配套的收发球装置，将管线分为4个管段进行模拟，而每个管段又根据最冷月与最热月的计算结果分两次模拟，目的是找到全线清管作业的高风险运行段，为英牙线制订合理的清管周期提供指导。

各个管段的模拟所需要的数值和各管段的最终模拟析蜡情况见表4和图5。

图5 英买凝析油管线全段全年析蜡模拟情况

表4 管道全线管段析蜡模拟设定参数和结果汇总表

由表4和图5能看出，英买凝析油管线在夏季运行时（运行28天），英买首站-英2加热站段管线、英3加热站-英5加热站段管线不存在析蜡情况，而英2-英3段及英5-进站段管线存在析蜡情况，其中，英5-牙哈装车站的析蜡情况最严重。在冬季运行时（运行28天），管道全线均存在析蜡情况，其中，英3加热站-英5加热站析蜡最不明显，而英5-进站段管线析蜡最严重，最长析蜡段长9.907 km，最大析蜡厚度1.185 mm，总析蜡量达8.57 m3，这与当前的清管结果基本符合。综合来看，英牙凝析油管线在全年运行中，英5加热站-牙哈装车站段的析蜡情况最为严重，分析出现这种情况的原因首先是英5出站温度较低，使油温在未到达终点时过早的降至析蜡点，另一方面，英5-牙哈装车站段管线为英牙线的最末端，管线和油品中的杂质集聚到此段，加速了蜡晶分子的析出。因此，最终确定该段管线为高风险运行段。

为避免因管道内油品蜡沉积而导致管线在清管作业时发生清管器卡阻事故，在平时运行及清管作业时，主控室应重点关注此管段的运行参数，发现运行数据异常及时上报处理。其次，针对英牙凝析油管道安排清管作业时，应将全线分为两段分别进行两次清管作业，首次从高风险段（英5-进站段）开始清管，待清管器从终点取出后，再依次从首站开始第二次清管，尽可能避免高风险段出现蜡堵，确保管线平稳运行。

3 结 论

采用OLGA模拟方式，对几个常见的管道运行因素对蜡沉积的影响规律进行了探究，进一步对英牙凝析油管线全线的析蜡情况进行了模拟，主要结论如下：

1）管径与蜡沉积平均厚度呈正相关关系，管径越大，平均析蜡厚度越大，析蜡出现的越早。

2）管道起伏程度和出口压力对管道蜡沉积影响程度不明显。

3）入口温度、输油量与管道平均析蜡厚度呈负相关关系。

4）经OLGA模拟，英牙凝析油管线英5-进站段管线在全年运行中均为高风险段，易出现蜡堵情况，在进行管线清管时应将全线分两次进行。