基于新型Couette结蜡装置的长庆原油结蜡特性及模型建立

李传宪, 姬中元, 杨 飞, 蔡金洋, 陈 赫, 李 琛, 史培玉

(1.中国石油大学储运与建筑工程学院, 山东青岛 266580; 2.山东省油气储运安全省级重点实验室, 山东青岛 266580;3.中国石化天然气分公司华北天然气销售营业部, 山东青岛 266400; 4.西安长庆科技工程有限责任公司北京分公司，北京 100088；5.中国石化胜利油田分公司油气集输总厂,山东东营 257000)

基于新型Couette结蜡装置的长庆原油结蜡特性及模型建立

李传宪1,2, 姬中元1,2, 杨 飞1,2, 蔡金洋1,2, 陈 赫3, 李 琛4, 史培玉5

(1.中国石油大学储运与建筑工程学院, 山东青岛 266580; 2.山东省油气储运安全省级重点实验室, 山东青岛 266580;3.中国石化天然气分公司华北天然气销售营业部, 山东青岛 266400; 4.西安长庆科技工程有限责任公司北京分公司，北京 100088；5.中国石化胜利油田分公司油气集输总厂,山东东营 257000)

利用自行研发的Couette结蜡装置考察壁面油温、油壁温差、壁面剪切等因素对长庆原油蜡沉积速率的影响;通过FLUENT软件模拟结蜡装置内部的流场及温度场,得到结蜡筒壁面处黏度、温度梯度、剪切应力等参数,建立适合长庆原油的蜡沉积模型。结果表明:不同油温、油壁温差、样品筒转速条件下,主导长庆原油蜡沉积速率的内在因素依次为壁面处的蜡晶溶解度系数、壁面处的温度梯度和壁面处的剪切应力;数值模拟结果与实际管线的流场、温度场分布规律相吻合;模型计算值与试验测量值的平均误差为6.47%。试验结果较好地反映了长庆原油的蜡沉积特性,验证了装置的可靠性、算法的可行性和研究方法的可推广性。

长庆原油; 蜡沉积; Couette结蜡装置; FLUENT模拟; 数学模型

中国盛产高含蜡原油,其凝点高、低温黏度大、流变性复杂,蜡沉积现象在管道储运过程中普遍存在,研究并掌握蜡沉积规律是长输管线安全高效运行的必要条件。多年来,学者们[1-3]主要采用传统的模型环道试验装置,通过对比测试段和参比段压降值的差异,实现对蜡沉积速率的测量。但试验环道存在体积大、占地面积大、投资成本高、消耗油样多且试验耗时较长等不足。李传宪等[4]在综合考虑现有的冷指法[5-6]、冷板法[7-8]、转盘法[9]和环道法等蜡沉积测量装置优缺点[10]的基础上,成功研制了小型Couette结蜡装置。该装置创新性地采用内筒(结蜡筒)固定、外筒(样品桶)旋转的模式,并且结蜡筒可上下自由升降,较好地克服了模型环道的缺点和不足,提高了结蜡试验效率。笔者以长庆原油为对象通过DSC热分析仪和AR-G2流变仪考察长庆原油的放热性能和黏温关系,利用Couette结蜡装置研究壁面油温、油壁温差、壁面剪切等对长庆原油结蜡规律的影响;通过对Couette装置内部空间流场及温度场的FLUENT模拟,获得试验条件下管壁处的温度梯度、剪切应力、壁面黏度等参数;建立反映长庆原油蜡沉积特性的动力学模型,并对模型精度进行分析。

1 试验装置

Couette结蜡装置主要由结蜡筒、样品筒、高速旋转机构、升降机构、恒温冷浴、恒温热浴、测量系统、电控系统及数据采集处理系统等组成(图1)。

图1 控制应力型旋转式原油结蜡试验装置原理图Fig.1 Schematic diagram of dynamic rotary wax deposition device

装置的工作原理为:样品筒外部浸入导热油槽以通过恒温热浴控制油样温度;结蜡筒内部连接蛇形盘管以通过恒温冷浴控制壁面温度;伺服电机通过高速旋转机构带动样品筒旋转从而在油样中产生旋转流场;试验人员通过升降机构将壁面温度低于油样析蜡点的结蜡筒浸入油样中模拟管道结蜡。旋转油流对结蜡筒壁面的剪切作用由数据采集处理系统通过扭矩传感器测得并实时显示在控制主机的终端。Couette结蜡装置实现了小型化,体积小,占地面积少,所需试验油样少且投资维护成本相对较低;实现了结蜡筒的自由升降,管壁结蜡的观察和测量方便准确,除用于常规的结蜡模拟和预测外,还可以用于评价防蜡剂的效果、研究结蜡层组成等。

2 试 验

2.1 原料与试剂

试验中所用油样取自长庆油田,通过四组分试验测得其基本组成。 其中,饱和分72.07%,芳香分18.68%,胶质6.07%,沥青质3.18%。油品含蜡量为12.6%,20 ℃时的密度为0.831 g/cm3,60 ℃热处理温度下的凝点为17 ℃。长庆原油属于典型的含蜡原油,含蜡量较高,胶质、沥青质含量相对较低。

2.2 试验方法

2.2.1 长庆原油结晶放热特性

利用DSC-821e热流型差示扫描量热仪(瑞士Mettler公司)考察了长庆原油的结晶性能以及不同温度下的比热容。试验采用蓝宝石法,以10 ℃/min的降温速率,在60 ～-20 ℃的温度内对试样进行降温放热扫描,得到样品的结晶放热曲线。

2.2.2 长庆原油黏温特性

采用AR-G2旋转式流变仪(美国TA仪器公司),考察了长庆原油的黏温关系。升温到60 ℃热处理20 min后,控制降温速率0.5 ℃/min降至测量温度,在非牛顿流体温度范围,设置50、88.91、158.1、281.2、500 s-1五个不同剪切速率进行黏度测量,在牛顿流体温度范围,设置100、200、300 s-1三个剪切速率进行黏度测量。

2.2.3 长庆原油的结蜡特性

利用Couette结蜡装置考察了长庆原油不同试验条件下的结蜡规律。采用单一变量法,设计了10组试验(表1),通过控制样品筒油温、结蜡筒壁温和样品筒转速3个变量,依次考察了壁面油温、油壁温差、壁面剪切等因素对长庆原油蜡沉积速率的影响规律。

表1 长庆原油蜡沉积试验方案Table 1 Experimental scheme of wax deposition of Changqing cude oil

3 试验结果及其分析

3.1 结晶放热特性

蜡晶在原油中的溶解度系数是指温降1 ℃析出蜡晶的百分数[11]。基于长庆原油的DSC放热曲线得到长庆原油的蜡晶溶解度系数及比热容随温度变化的关系,如图2所示。长庆原油的析蜡点为27 ℃, 在14 ℃左右到达析蜡高峰区;比热容在1.906～2.502 J·g-1·℃-1之间变化,最大比热容对应的温度为16 ℃。当油温高于27 ℃时,比热容随油温的降低逐渐减小,但变化趋势比较平缓。当油温在16～27 ℃时,由于蜡晶析出释放结晶潜热,比热容随油温降低而急剧增大。当油温低于16 ℃时,随着单位温降的析蜡量逐渐降低,比热容也逐渐减小。

图2 长庆原油蜡晶溶解度系数及比热容随温度变化的关系Fig.2 Change of wax crystal solubility coefficient and specific heat capacity of Changqing crude oil with temperature

3.2 黏温特性

黏温曲线反映了长庆原油的黏度随温度和剪切速率的变化关系(图3)。长庆原油的反常点为23 ℃。温度高于反常点,原油为牛顿流体,黏度是温度的单值函数,与剪切速率无关;温度低于反常点,原油为非牛顿流体,表观黏度除了受温度影响外,还受到剪切速率的影响,由二者共同决定,长庆原油的表观黏度随剪切速率的增大而减小,具有剪切稀释性。

图3 长庆原油黏温曲线Fig.3 Viscosity-temperature curve of Changqing crude oil

3.3 结蜡特性

3.3.1 壁面油温对结蜡规律的影响

控制样品筒转速100 r/min和油壁温差5 ℃,考察壁面温度对长庆原油蜡沉积速率的影响(图4)。

图4 不同温度区间蜡沉积速率Fig.4 Wax deposition rate in different temperature ranges

由图4可见,在试验温度范围内,蜡沉积速率随壁面油温的升高而逐渐减小,这与由DSC试验测得的该温度范围原油的蜡晶溶解度系数的变化趋势基本相符。虽然原油黏度随着温度升高而减小,对蜡晶径向迁移的限制作用减弱,但因为油样黏度的变化幅度相对较小,故这种减弱并不明显。这一过程中,壁面处的蜡分子浓度梯度即蜡晶溶解度系数起主要作用。蜡晶主要借助于浓度梯度向结蜡筒壁面迁移,进而沉积下来。此外,当壁面油温为26 ℃时,蜡沉积速率很小,这应与此时结蜡筒壁面温度较高,已十分接近析蜡点有关。

3.3.2 油壁温差对结蜡规律的影响

控制样品筒转速100 r/min和结蜡筒壁温24 ℃,通过改变油温考察油壁温差对长庆原油蜡沉积速率的影响(图5)。由图5可见,在保持壁面温度不变且低于析蜡点的情况下,随着油壁温差的不断增加,长庆原油蜡沉积速率也逐渐增大。壁温和转速一定,则壁面处原油的蜡晶溶解度系数、黏度、剪切应力基本不变,对蜡晶径向迁移的贡献可以忽略。此时,油温越高,结蜡筒壁面处的温度梯度就越大。由Fick扩散定律[12]知,蜡分子通过分子扩散径向迁移的动力也就越强,越容易迁移到壁面并沉积下来。

图5 油壁温差对蜡沉积速率的影响Fig.5 Effects of various oil temperature differences on wax deposition rate

3.3.3 壁面剪切对结蜡规律的影响

控制样品筒油温29 ℃和结蜡筒壁温24 ℃,通过改变样品筒转速考察壁面剪切对长庆原油蜡沉积速率的影响(图6)。由图6可见,随着样品筒旋转速度的增加,长庆原油蜡沉积速率呈逐渐减小的趋势。油温相同,则壁面处原油的蜡晶溶解度系数和原油黏度基本相同;油壁温差相同,且样品筒转速从50 r/min增大到150 r/min的过程对温度梯度的影响并不明显,可认为壁面处的温度梯度近似相同。显然,这一试验条件下,壁面剪切对蜡沉积速率的影响占据主导地位,转速越大,剪切速率越大,剪切应力也越大,油流对蜡沉积层的冲刷作用越强,蜡分子越不容易沉积在壁面上。在转速为150 r/min时,由于壁面处的温度梯度有所增大,蜡沉积速率减小的趋势略有放缓。

图6 样品筒转速对蜡沉积速率的影响Fig.6 Wax deposition rate of different sample barrel speeds

4 模型建立

4.1 Couette装置内部空间流场及温度场模拟

基于FLUENT软件[13]设计开发了与小型Couette结蜡装置相配套的模拟算法。采用多重参考系法,通过导入试验测定的物性参数(密度、黏度、比热等)和设定相应边界条件,实现了对油样空间流场及温度场的数值模拟,获得了结蜡筒壁面处的温度梯度、剪切应力、黏度等参数。

4.1.1 流态判断

模拟计算前须对流场内的流态进行预判。对于同轴圆柱旋转体系,其判断方式与管道流动有所不同。当内筒静态、外筒旋转时,临界雷诺数要大于50 000[14]。根据库特[15]对牛顿流体的研究,计算原油在样品筒内流动的雷诺数为

(1)

式中,R为旋转圆筒的半径;Ω为旋转筒的角速度;R1为样品筒内径;R2为结蜡筒外径。

计算发现,不同试验条件下的雷诺数均小于50 000。由此可见,本文的试验可视为是在层流条件下进行的。

4.1.2 流场网格划分

采用GAMBIT软件对油样空间进行网格划分,通过对计算区域的离散将待解决的问题简化为各个子区域之间的代数方程组, 网格的划分质量对迭代计算至关重要。综合考虑计算的精度与效率,对油样空间的大部分区域采用结构化网格,而对于扰动较为剧烈的油壁交界区域,则采用密度较大的非结构化网格。如图7、8所示。

图7 油样空间网格划分Fig.7 Overview of space grid structures of oil sample

图8 油壁交界处网络划分Fig.8 Space grid structures of border between stiff and moving area

4.1.3 模型选择

采用多重参考系法(moving reference frame)这一定常模型进行求解。通过该方法将试验区域划分为样品筒附近的转子区和其余的定子区。转子部分通过油壁交界区域(边界层)将流动和能量传递给定子区。忽略重力沉降作用影响,视原油在轴向上为均匀分布以便于计算,从而可在径向截取任意平面作为代表进行流场温度场的分析计算。试验温度范围的蜡晶溶解度系数、比热容以点表形式输入模型,黏温关系则采用C语言编写的UDF程序导入。迭代步数设为30 000步,该方法收敛良好。

4.1.4 模拟结果

Couette装置内部油样空间流场为一个圆环形平面,因而在各个径向上的物理参数是相同的。选取径向上任意一条线段作为整个流场的参考,即可得到筒内油样空间的稳态流场及温度场,见图9(以第一组试验条件为例)。显然,流场温度场各参数从样品筒内壁面到结蜡筒外壁面的变化趋势同实际管道中从油流中心到管道内壁的变化趋势相吻合。通过计算提取各试验条件下结蜡筒外壁处的温度梯度、剪切应力和黏度用于建立长庆原油蜡沉积的动力学模型(表2)。

图9 Couette装置内部油样空间流场及温度场分布Fig.9 Distributions of flow and temperature field in Couette device

油温To/℃壁温Tw/℃转速N/(r·min-1)管壁处温度梯度/(℃·mm-1)管壁处剪切应力τ/mPa管壁处黏度μ/(mPa·s)3126100023418886195102924100023325891911400272210002333367053089925201000231422100387202724100013329949611909312410003232088701121033241000422161441108622924500234104553115272924800234165964115272924150024039757911372

4.2 黄启玉模型建立

(2)

非线性模型往往比较复杂,不易获取其估计参数,极大地制约了模型的工程应用与发展[21]。高斯-牛顿法是一种典型的参数估计方法,但其初始值选取难度高,计算量大,求解过程复杂,有时还会出现局部收敛甚至不收敛的状况。麦夸特算法(Levenberg-Marguardt)[22]在Gauss-Newton法的基础上引入阻尼因子,不仅继承了G-S法全局寻优的优点,而且放宽了初始值的选取范围,且收敛速度快,拟合误差小。本文中选用该方法对表3中的建模数据进行了拟合,得到k、m、n的最佳估计值,建立了长庆原油蜡沉积的动力学模型。

表3 用于长庆原油蜡沉积建模的参数Table 3 Parameters achieved to establish wax deposition model

式(2)中k=2 636.37,m=-0.165 9,n=-0.219 8,得到长庆原油蜡沉积的动力学模型为

(3)

4.3 模型精度分析

通过对长庆原油蜡沉积速率的试验测量值和模拟计算值进行比较,分析模型精度见表4。

模型的最大误差约10%,平均误差仅为6.47%。可见,通过新型Couette结蜡装置试验和流场温度场模拟建立的长庆原油蜡沉积动力学模型的计算值与试验值偏差较小,具有较高精度。

表4 长庆原油蜡沉积速率试验测量值与模型计算值对比Table 4 Comparison between experimental value and calculated value

5 结 论

(1)长庆原油在不同油温、油壁温差、样品筒转速条件下,蜡沉积速率的内在影响因素依次为:壁面处的蜡晶溶解度系数、壁面处的温度梯度和壁面处的剪切应力。

(2)试验获得的结蜡规律同理论预期相吻合,新型Couette结蜡装置的可靠性得到验证,后续研究可逐步展开,诸如对结蜡层的分析、对化学降凝剂效果的评价等。

(3)流场温度场模拟结果理想,模型计算值与试验测量值吻合度较高,可用于现场蜡沉积速率的预测。采用试验室试验同计算机模拟相结合的方法,二者互为补充、相互验证,有助于得到更好的研究成果。

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(编辑 沈玉英)

Study on wax deposition of Changqing crude oil based on a newly developed Couette device

LI Chuanxian1,2, JI Zhongyuan1,2, YANG Fei1,2, CAI Jinyang1,2, CHEN He3, LI Chen4, SHI Peiyu5

(1.College of Pipeline and Civil Engineering in China University of Petroleum, Qingdao 266580, China;2.ShandongProvinceKeyLaboratoryofOil&GasStorageandTransportationSafety,Qingdao266580,China;3.HuabeiSalesDepartment,SINOPECGasCompany,Qingdao266400,China;4.BeijingBranchofXianChangqingTechnologyEngineeringCompanyLimited,Beijing100088,China;5.OilandGasGatheringCentralPlant,SINOPECShengliOilfieldCompany,Dongying257000,China)

In this paper, a systematic research on the law of wax deposition for Changqing crude oil under various experimental conditions was carried out in an small Couette wax deposition device independently developed. FLUENT software was applied to simulate the flow and temperature field of crude oil inside this new device to obtain the precise parameter values such as viscosity,temperature gradient,shear stress and so on. The results show that wax crystal solubility coefficient, temperature gradient and sheer stress at the wall plays a major role in the internal mechanism under different operating conditions, respectively. The simulation result agrees well with the distribution of the flow and temperature field in actual pipelines. The dynamic model of wax deposition for Changqing crude oil was established with an average error of 6.47%. Thus the feasibility of this new method was confirmed and could be used for the further research on wax deposition.

Changqing crude oil; wax deposition; Couette wax deposition device; FLUENT simulation; mathematical model

2015-11-06

国家自然科学基金项目(51204202)；中央高校基本科研业务费专项(14CX02210A, 14CX06141A, 15CX06072A); 山东省青少年教育科学规划课题 (16BSH042)

李传宪(1963-)，男，教授，博士，博士生导师，研究方向为油气长距离管输及原油流变学。E-mail：lchxian@upc.edu.cn。

1673-5005(2016)06-0135-08

10.3969/j.issn.1673-5005.2016.06.017

TE 832

A

李传宪,姬中元, 杨飞,等.基于新型Couette结蜡装置的长庆原油结蜡特性及模型建立[J]. 中国石油大学学报(自然科学版), 2016,40(6):135-142.

LI Chuanxian, JI Zhongyuan, YANG Fei, et al. Study on wax deposition of Changqing crude oil based on a newly developed Couette device[J]. Journal of China University of Petroleum (Edition of Natural Science), 2016,40(6):135-142.