白帆1  王剛2  魏春陽(yáng)1

1.中國石油天然氣管道局東北石油管道有限公司；2.中國石油天然氣管道局東南亞項目經(jīng)理部

 

東北地區冬季氣候高寒，加之采用加熱輸送高含蠟原油的輸送工藝，導致管網(wǎng)內油溫與管壁溫差較大，因此東北地區管網(wǎng)原油結蠟問(wèn)題尤為突出。特別是隨著(zhù)近年來(lái)大慶油田原油減產(chǎn)，俄油輸量不斷增大，管道公司對東北地區管網(wǎng)進(jìn)行了多次改造，自2013年開(kāi)始對慶鐵一線(xiàn)、二線(xiàn)逐段停運掃線(xiàn)封存，新建的慶鐵三線(xiàn)、四線(xiàn)逐步代替慶鐵老線(xiàn)。2016年下半年，又對慶鐵三線(xiàn)、四線(xiàn)進(jìn)行改造和對調，前者由加熱輸送慶吉油改為常溫輸送俄油，后者由常溫輸送俄油改為加熱輸送慶吉油。在油品和輸量不斷變化和調整的情況下，從原油組成角度分析蠟沉積規律，對東北地區管網(wǎng)的安全運行具有實(shí)際指導意義。

1 不同組成原油的結蠟實(shí)驗

1.1 實(shí)驗裝置

實(shí)驗采用旋轉式動(dòng)態(tài)結蠟裝置(見(jiàn)圖1)。

 

圖1 旋轉式動(dòng)態(tài)結蠟裝置

將人工油樣盛于樣品桶內，采用恒溫熱浴方式加熱使之保持恒定溫度。通過(guò)電機傳送帶帶動(dòng)樣品桶旋轉使人工油樣產(chǎn)生旋轉流場(chǎng)；通過(guò)結蠟筒內部的蛇形盤(pán)管在結蠟筒內部循環(huán)來(lái)保持結蠟筒壁面所需要維持的溫度；將壁面溫度低于人工油樣析蠟點(diǎn)溫度的結蠟筒通過(guò)升降機構浸入人工油樣中模擬管道壁面，進(jìn)行結蠟實(shí)驗。

1.2實(shí)驗油樣的配制

為了研究膠質(zhì)和瀝青質(zhì)對原油結蠟規律的影響，采用柴油、切片石蠟（熔點(diǎn)60~62 ℃）、草橋原油（原油組成見(jiàn)表1），通過(guò)控制變量法配制蠟含量同為10.3％的1~6號共6種膠質(zhì)瀝青質(zhì)含量不同的人工油樣。

表1  草橋原油的基本組成

 

根據石油行業(yè)標準SY-T7550-2000和SY-T0545-1995，采用四組分實(shí)驗分析法和DSC法對上述6種人工油樣的組成進(jìn)行測量，測得的結果見(jiàn)表2。

表2  人工油樣的基本組成

通過(guò)差示掃描量熱儀和流變儀測得6種人工油樣的析蠟點(diǎn)和反常點(diǎn)，結果見(jiàn)表3。

表3  人工油樣的析蠟點(diǎn)和反常點(diǎn)

1.4實(shí)驗條件

實(shí)驗中的油溫及結蠟管壁溫度分別為t1、t2，由于實(shí)驗用人工油樣的析蠟點(diǎn)不同，為保證所設計不同油樣的結蠟實(shí)驗具有相同的相對實(shí)驗條件，以析蠟點(diǎn)t為參照溫度引入兩個(gè)參數T1、T2，T1= t1-t；T2=t- t2 ，以保證不同組成的人工油樣能夠在相對相同的實(shí)驗條件下進(jìn)行結蠟實(shí)驗。

分別對所配制的6種人工油樣按表4所列實(shí)驗條件進(jìn)行實(shí)驗。

表4  4種實(shí)驗條件

 

實(shí)驗結束后，對每次實(shí)驗結蠟桶上的沉積物進(jìn)行稱(chēng)量，計算出蠟沉積速率，單位為g·cm-2·h-1，并對結蠟桶上的沉積物采用DSC法和四組分法進(jìn)行分析，分別測出沉積物的蠟、膠質(zhì)、瀝青質(zhì)含量。

1.5實(shí)驗結果

1.5.1 膠質(zhì)瀝青質(zhì)含量對蠟沉積速率的影響

上述6種油樣在4種不同條件下的結蠟實(shí)驗所得出的蠟沉積速率變化規律及結蠟層的蠟含量變化規律分別見(jiàn)圖2和圖3。

圖2  蠟沉積速率變化規律

圖3  結蠟層蠟含量變化規律

綜合分析可以發(fā)現：當油樣的膠質(zhì)瀝青質(zhì)含量從零開(kāi)始增高時(shí)，原油的蠟沉積速率逐漸加快；當膠質(zhì)瀝青質(zhì)含量達到12.35％后，原油的蠟沉積速率開(kāi)始減慢，達到15.30％時(shí)，蠟沉積速率達到最小值；隨后，人工油樣的蠟沉積速率又隨著(zhù)膠質(zhì)瀝青質(zhì)含量的增高開(kāi)始加快；結蠟層的蠟含量隨著(zhù)人工油樣膠質(zhì)瀝青質(zhì)含量的增高而逐漸減低；并且實(shí)驗條件對結蠟層蠟含量的影響也在隨著(zhù)人工油樣膠質(zhì)瀝青質(zhì)含量的增高逐漸減弱。

1.5.2 結蠟層膠質(zhì)瀝青質(zhì)含量變化

針對上述6種油樣分別在4種不同條件下的結蠟實(shí)驗所得到的結蠟層沉積物用四組分法進(jìn)行膠質(zhì)、瀝青質(zhì)含量分析，結果見(jiàn)圖4和圖5。

圖4  結蠟層膠質(zhì)含量的變化

圖5  結蠟層瀝青質(zhì)含量的變化

從圖中可以看出，隨著(zhù)人工油樣膠質(zhì)瀝青質(zhì)含量的逐漸增高，結蠟層的膠質(zhì)瀝青質(zhì)含量也逐漸增高，但結蠟層的膠質(zhì)瀝青質(zhì)含量始終低于人工油樣本身的膠質(zhì)瀝青質(zhì)含量；當人工油樣膠質(zhì)瀝青質(zhì)含量在15. 30％以下即膠質(zhì)的沉積以共晶作用為主時(shí)，結蠟層膠質(zhì)的沉積受實(shí)驗條件的影響較大。隨著(zhù)人工油樣膠質(zhì)瀝青質(zhì)含量逐漸增高，結蠟層膠質(zhì)含量的增高逐漸減緩；當人工油樣膠質(zhì)瀝青質(zhì)的含量達到15. 30％以上即膠質(zhì)的沉積以黏附作用為主時(shí)，結蠟層膠質(zhì)的含量受實(shí)驗條件的影響逐漸減小，最后幾乎無(wú)影響。從結蠟層瀝青質(zhì)的沉積量隨人工油樣膠質(zhì)瀝青質(zhì)含量增高的變化（見(jiàn)圖5）來(lái)看，瀝青質(zhì)在管壁處的沉積受實(shí)驗條件影響很小且并無(wú)明顯的變化規律。

1.6 實(shí)驗結果分析

（1）蠟含量相同、人工油樣的膠質(zhì)瀝青質(zhì)含量在較低范圍內時(shí)，管壁結蠟主要以蠟晶分子的遷移作用為主，原油中分散的膠質(zhì)瀝青質(zhì)分子中的烷基鏈與蠟分子產(chǎn)生共晶作用而存在于蠟沉積層中。隨著(zhù)膠質(zhì)瀝青質(zhì)含量逐漸增高，這種共晶作用會(huì )越來(lái)越強，管壁的蠟沉積速率也就逐漸加快。

（2）當原油中蠟含量一定時(shí)，隨著(zhù)膠質(zhì)瀝青質(zhì)含量逐漸增高，油樣的黏度增大，蠟分子往結蠟層遷移的黏性阻力增大，同時(shí)瀝青質(zhì)分子的溶劑化層厚度逐漸增加，瀝青質(zhì)與膠質(zhì)所形成的膠束顆粒體積變大，共晶作用在達到最大后減弱，蠟沉積速率因而逐漸減慢。

（3）隨膠質(zhì)瀝青質(zhì)含量繼續增高，以膠質(zhì)瀝青質(zhì)與蠟晶分子的共晶作用為主的蠟沉積逐漸變?yōu)橐阅z質(zhì)瀝青質(zhì)的黏壁作用為主，從而使得管壁蠟沉積速率在達到最小值后有所加快。

（4）當膠質(zhì)瀝青質(zhì)含量接著(zhù)再增高，黏壁作用為主的管壁蠟沉積層的抗剪切強度得不到加強，因而隨著(zhù)膠質(zhì)瀝青質(zhì)含量的增高，蠟沉積速率有所減慢。并且膠質(zhì)瀝青質(zhì)對蠟分子遷移的阻礙作用隨著(zhù)其在原油中含量的增高逐漸大于實(shí)驗條件的不同對蠟分子遷移的影響，結蠟層的蠟含量受實(shí)驗條件的影響隨之逐漸變小。

（5）當人工油樣的膠質(zhì)瀝青質(zhì)含量較低時(shí)，膠質(zhì)在結蠟過(guò)程中更多的參與了與蠟分子的共晶作用；隨著(zhù)人工油樣中膠質(zhì)瀝青質(zhì)含量繼續增高，瀝青質(zhì)在膠質(zhì)的包裹下形成逐漸穩定的膠束，并參與膠質(zhì)在蠟晶中的共晶作用。

（6）當人工油樣膠質(zhì)瀝青質(zhì)含量達到15. 30 ％時(shí)，膠質(zhì)與蠟晶相互抑制，包裹著(zhù)瀝青質(zhì)的膠粒由于體積變大更加不易與蠟晶產(chǎn)生共晶作用。但人工油樣的膠質(zhì)瀝青質(zhì)的含量大于15. 30 ％時(shí)，瀝青質(zhì)在膠體體系中更加穩定。膠質(zhì)的沉積逐漸以粘壁為主，穩定的瀝青質(zhì)膠束隨著(zhù)膠質(zhì)一起附著(zhù)于管壁處。

2  實(shí)驗結論對東北管網(wǎng)安全運行的啟示

（1）針對慶油和俄油的物性特點(diǎn)及目前東北管網(wǎng)的運行特點(diǎn)，輸送俄油的慶鐵三線(xiàn)可適當比例摻混慶油以增加管輸原油內部的膠質(zhì)瀝青質(zhì)含量，以削弱冬季管線(xiàn)與環(huán)境溫差增大對原油蠟沉積速率的正影響。

（2）加熱輸送慶油的慶鐵四線(xiàn)可采用添加降黏劑的輸送工藝，改善慶油流變性的同時(shí)削弱膠質(zhì)瀝青質(zhì)協(xié)同蠟分子的沉積作用，保證管網(wǎng)安全運行。

（3）摻混輸送的原油要注意原油配比，既要削弱結蠟過(guò)程中的共晶作用，同時(shí)也要注意摻混后原油的黏度來(lái)控制膠質(zhì)瀝青質(zhì)的黏壁作用，以防黏壁作用導致管線(xiàn)輸送能力下降。 

作者：白帆，1987年生，男，中國石油天然氣管道局東北石油管道有限公司搶維事業(yè)部工程師，2014年畢業(yè)于中國石油大學(xué)（華東）油氣儲運專(zhuān)業(yè)，碩士，現主要從事油氣管道長(cháng)距離輸送及搶維修相關(guān)技術(shù)研究工作。

《管道保護》2017年第1期（總第32期）