含蜡原油集输管道结蜡规律及清洗技术研究*

郭海生

（青海油田管道处，青海格尔木 816099）

随着经济社会的快速发展，全球对油气资源的需求量也在逐年攀升[1-3]，近年来，油气资源的勘探开发力度也在不断加大，对高凝点、高黏度含蜡原油的利用率也在逐渐提高[4-6]。我国各大油田所产出的大部分原油中均含有较高浓度的蜡成分，高含蜡原油占比几乎达到80%左右。此类原油中所含的蜡成分在油藏温度和压力条件下均处于溶解状态，而当原油被采出地面，温度降低到一定程度时，就会发生析蜡现象。并且在原油采用管道集输的过程中，高含蜡原油极容易在管道壁上产生蜡沉积现象，尤其是当管道周边温度较低时，蜡沉积现象尤为严重[7-9]。蜡沉积不仅使管道内有效流通面积大幅减小，增大原油的流动阻力，严重时还可能造成集输凝管事故，给原油的正常输送带来极大的安全隐患。因此，研究含蜡原油的结蜡规律，并针对性的采取清管措施，有助于提高含蜡原油的集输效率。

蜡沉积通常是一个较为复杂的过程，容易受到多种因素的影响，主要包括原油中的蜡含量、油样温度、沉积时间、管道壁温、原油流速以及管道材质等，前人的研究结果表明，蜡沉积的机理主要有分子扩散、剪切弥散、布朗扩散以及重力沉降[10]。另外，针对集输管道结蜡现象，目前，国内外通常采取的管道清蜡方法主要包括机械清蜡法、化学清蜡法以及热力清蜡法等[11-13]。本文针对西部某油田含蜡原油集输管道易出现蜡沉积的现象等问题，实验室采用冷指法蜡沉积模拟实验装置考察了油样温度、含蜡量以及碳数分布对蜡沉积量和蜡沉积速率的影响，并在此基础上，对目标含蜡原油集输管道采取了热清洗清管措施，以期为含蜡原油的高效输送提供一定的技术支持。

1 实验部分

1.1 主要材料及仪器

0#柴油（广西中油裕达石化有限公司）；成品石蜡（标号分别为50#、60#和70#济南铭锋生物科技有限公司）。

1000mL 烧杯（京能克工程有限公司）；保鲜膜（东莞市横沥乾昇包装材料厂）。

冷指法蜡沉积模拟实验装置（主要由加热装置、温度传感器、磁力搅拌器、冷指、低温恒温槽、软导管以及烧杯等组成，实验室自组装）；SQ-FA-2104 型精密电子分析天平（苏州顺强机电设备有限公司）；DK-S12 型电热恒温水浴锅（上海仪天科学仪器有限公司）；PTTRX-24PT 型恒温干燥箱（常州普天仪器制造有限公司）。

1.2 模拟油的配制

以0#柴油作为基础油，以市售不同标号的石蜡（50#、60#和70#）作为溶质，配制成不同含蜡量和不同碳数分布的模拟油样品。具体配制方法为：量取一定量的0#柴油放置于烧杯中，然后再称取一定量的石蜡放入烧杯中，混合均匀后将其密封，再将烧杯放入恒温干燥箱中70℃条件下加热6h，确保石蜡完全溶解在柴油中，冷却后将其密封在容器中，即得到实验用模拟油样品。

1.3 蜡沉积模拟实验方法

（1）在水槽中注入一定量的自来水，调整磁力搅拌器和温度传感器，并设置温度至一定值；（2）将1.2中配制好的模拟油预先加热，并搅拌均匀，取一定量的油样放入烧杯中，并将烧杯放在水槽的中间；（3）称量结蜡前的冷指质量m0，并将冷指与低温恒温槽用软导管连接，设置冷却液的温度，打开循环系统，并将冷指放入到油样中，打开磁力搅拌装置；（4）实验进行一段时间后关闭循环系统，取出冷指并称量结蜡后的冷指质量m1，测定蜡沉积后在冷指上的表面积S；（5）按公式（1）和公式（2）分别计算蜡沉积量△m和蜡沉积速率V。

式中m0：结蜡前冷指的质量，g；m1：结蜡后冷指的质量，g；△m：蜡沉积量，g；S：沉积在冷指上的蜡的表面积，cm2；t：沉积实验时间，h；V：蜡沉积速率，g·（cm2·h）-1。

2 结果与讨论

2.1 含蜡原油集输管道结蜡规律分析

2.1.1 油样温度的影响 按照1.3 中的实验方法，考察油样温度对蜡沉积量和蜡沉积速率的影响，壁温均设置为35℃（下同），含蜡量均为15%，石蜡标号均为60#，实验结果见图1、2。

由图1 可见，随着沉积时间的不断延长，不同油样温度条件下的蜡沉积量均呈现出逐渐增大的趋势，并且油样温度越高，蜡沉积量就越大。当油样温度为40℃时，50h 后的蜡沉积量可以达到6.7g，而当油样温度为50℃时，50h 后的蜡沉积量则可以增大至11.8g。这是由于当壁温稳定且油样的温度较低时，蜡晶会从模拟油样中析出，并且大量的蜡晶会汇集到一起形成网络状结构，对原油形成包裹作用，使蜡不易扩散，进而阻止更多的蜡沉积到冷指上，使蜡沉积量较小；而当油样的温度较高时，模拟油样与冷指之间的温差就越大，蜡晶分子易于向管壁附近迁移，在相同的沉积时间内有更多蜡沉积到冷指上，造成蜡沉积量增大。

由图2 可见，随着沉积时间的不断延长，不同油样温度条件下的蜡沉积速率呈现出先迅速增大，然后逐渐趋于稳定的趋势，并且油样温度越高，蜡沉积速率就越大。当油样温度为40℃时，稳定时的蜡沉积速率为0.0026g·（cm2·h）-1，而当油样温度为50℃时，稳定时的蜡沉积速率则增大至0.0046g·（cm2·h）-1。这是由于在蜡沉积实验初期，模拟油样与冷指之间存在一定的温度梯度，并且模拟油样与冷指表面也存在一定的蜡浓度梯度，所以实验初期蜡沉积速率上升的幅度较大，而随着沉积时间的不断延长，这种浓度梯度逐渐减小，造成蜡沉积速率上升的幅度减小。另外，油样的温度越高，蜡的扩散系数就越大，因此，蜡沉积的速率就越大。

图2 油样温度对蜡沉积速率的影响Fig.2 Effect of oil sample temperature on wax deposition rate

综合图1、2 结果可见，油样温度越高，蜡沉积量和沉积速率就越大。在含蜡原油集输过程中，当壁温一定的情况下，应尽可能的降低原油温度，以减少蜡沉积量，降低蜡沉积速率。

2.1.2 含蜡量的影响 按照1.3 中的实验方法，考察含蜡量对蜡沉积量和蜡沉积速率的影响，油样温度均为50℃，石蜡标号均为60#，实验结果见图3、4。

图3 含蜡量对蜡沉积量的影响Fig.3 Effect of wax content on wax deposition

由图3 可见，随着沉积时间的不断延长，不同含蜡量条件下的蜡沉积量均呈现出逐渐增大的趋势，并且含蜡量越高，蜡沉积量就越大。当含蜡量为10%时，50h 后的蜡沉积量仅为5.6g，而当含蜡量增大至20%时，50h 后的蜡沉积量则可以增大至14.2g。

由图4 可见，随着沉积时间的不断延长，不同含蜡量条件下的蜡沉积速率同样呈现出先迅速增大，然后逐渐趋于稳定的趋势，这与图2 中的实验结果趋势相一致。并且含蜡量越高，蜡沉积速率就越大。当含蜡量为10%时，稳定时的蜡沉积速率为0.0031g·（cm2·h）-1，而当含蜡量增大为20%时，稳定时的蜡沉积速率则增大至0.0059g·（cm2·h）-1。这是由于在其他实验条件均相同的情况下，模拟油样中含蜡量越高，蜡晶在管壁表面的溶解度系数就越大，蜡分子更易在迁移动力的作用下扩散至冷指表面，使蜡沉积量和沉积速率均明显增大，当沉积时间延长到一定程度时，管壁与模拟油样中的蜡浓度梯度逐渐减小，使蜡沉积速率逐渐趋于稳定。

图4 含蜡量对蜡沉积速率的影响Fig.4 Effect of wax content on wax deposition rate

综合图3、4 结果可见，原油中含蜡量越高，蜡沉积量和沉积速率就越大。针对含蜡量较高的原油，在集输的过程中应注意监测管道内的蜡沉积量，以防止蜡沉积堵塞管道。

2.1.3 碳数分布的影响 按照1.3 中的实验方法，考察碳数分布（不同石蜡标号）对蜡沉积量和蜡沉积速率的影响，含蜡量均为15%，油样温度均为50℃，实验结果见图5、6。

图5 碳数分布对蜡沉积量的影响Fig.5 Effect of carbon number distribution on wax deposition

由图5 可见，随着沉积时间的不断延长，不同碳数分布条件下的蜡沉积量均呈现出逐渐增大的趋势，并且石蜡的碳数越高，蜡沉积量就越大。50#、60#和70#石蜡在50h 后的蜡沉积量分别为10.9g、11.8g和12.5g。

由图6 可见，随着沉积时间的不断延长，不同碳数分布条件下的蜡沉积速率同样呈现出先迅速增大，然后逐渐趋于稳定的趋势，且石蜡的碳数越高，蜡沉积速率越大。50#、60#和70#石蜡在50h 时的蜡沉积速率分别为0.0037、0.0046 和0.0051g·（cm2·h）-1。分析原因是由于模拟油样中石蜡的碳数越高，其在模拟油样中的溶解度相对就越低，使其更容易在管壁表面沉积，造成蜡沉积量和蜡沉积速率均有所增大。但综合来看，相比较于油样温度和含蜡量来说，石蜡的碳数分布对蜡沉积量和蜡沉积速率的影响相对较小一些。

图6 碳数分布对蜡沉积速率的影响Fig.6 Effect of carbon number distribution on wax deposition rate

综合图5、6 结果可见，原油中蜡的碳数越高，蜡沉积量和沉积速率就越大。同样的，针对碳数较高，并且含蜡量较高的原油，在集输的过程中应注意监测管道内的蜡沉积量，必要时还应采取清防蜡措施，以保障原油集输管道的正常运行。

2.2 含蜡原油集输管道热清洗技术研究

含蜡原油集输管道在原油输送过程中不可避免的会发生结蜡沉积的现象，从而造成管道内有效流通面积的减小，增大了流动阻力，使原油输送能力大幅度下降，进而造成原油的输送成本升高。因此，对含蜡原油集输管道进行清管作业十分有必要。另外，由于现场含蜡原油的成分往往较为复杂，原油从井口到集输管道之间的蜡沉积情况也比较复杂，根据现场实际情况，确定合理的清管周期十分重要。

本文采用热清洗技术对西部某含蜡原油集输管道进行了清管作业，分析了原油集输量、含水率以及含蜡量等因素与清管周期的关系，确定出适合的清管周期。然后结合现场的实际情况，建立管线热清洗能量平衡模型，并优化了热清洗参数，主要包括热清洗水量、热清洗温度以及清洗时间等。根据研究结果对目标含蜡原油集输管道进行了热清洗现场实验，结果见表1。

表1 含蜡原油集输管道热清洗现场实验结果Tab.1 Field experimental results of thermal cleaning of waxy crude oil gathering and transportation pipeline

由表1 可见，含蜡原油集输管道采取热清洗技术措施后，管道输送压力均出现明显的降低，清洗前管道压力在1.3～1.6MPa 之间，而清洗后压力则降低至0.5～0.7MPa，热清洗效果较好。并且根据现场反馈结果，目标含蜡原油集输管道采取热清洗措施30d 后，管道输送压力仍低于1MPa，有效期较长。

3 结论

（1）采用冷指法蜡沉积模拟实验装置考察了油样温度、含蜡量以及碳数分布对蜡沉积量和蜡沉积速率的影响，结果表明，随着油样温度、含蜡量以及碳数分布的升高，蜡沉积量和蜡沉积速率均呈现出逐渐增大的趋势。并且在实验初期（沉积时间小于20h 时），蜡沉积速率上升的幅度较大，而在实验后期，蜡沉积速率逐渐趋于平稳。

（2）采用热清洗技术对目标含蜡原油集输管道进行了清管措施，结果表明，含蜡原油管道热清洗后输送压力显著降低，并且有效期比较长，能够显著提高含蜡原油的集输能力，降低原油的集输成本。