高含蜡海底油气混输管道蜡沉积规律研究

路 宏，颜筱函，周良胜，王传硕，陈晶华，王 军

1.中海油研究总院有限责任公司，北京100028

2.中国石油大学（北京） 油气管道输送安全国家工程实验室，北京102249

海底油气混输管道输送过程中出现的蜡沉积现象一直是油气流动安全保障重点关注的问题。单相原油管道的蜡沉积规律研究起步较早，目前发展较为成熟。气液混输管道的蜡沉积规律相比单相管道更为复杂，多数研究学者通常以单相管道的研究成果作为研究基础开展研究工作，目前仍处于探索性研究阶段。气液混输管道流速、传热、传质等流动特性受诸多因素影响，因此气液混输管道的蜡沉积规律难以准确预测，适用性也相对局限。

研究气液混输管道蜡沉积特性和规律的方法主要有实验和数值模拟两类。实验研究能够宏观地展现流体的组成、压力、温度、流速、流型等因素对管内蜡沉积过程和沉积特性的变化规律。Matzain 等人[1-2]深入研究了水平管路和垂直管路不同流型下的蜡晶沉积过程和沉积特性，提出了管内蜡沉积层厚度和硬度分布规律。张宇、高歌等人[3-4]通过大量实验探究了在气液两相间歇流流型下，气相及液相折算流速、温度等关键因素对原油析蜡特性的影响。

数值模拟研究通常是在实验研究的基础上，进行半经验蜡沉积模型的构建、修正和完善，而后验证模型的精确性和适用性。现阶段，部分单相蜡沉积技术理论成果已经成功完成应用转化，其中，中国石油大学（北京） 黄启玉等人以黄启玉模型为基础研发的原油蜡沉积预测软件V1.0 已在中国海油多条海底管道中成功应用[5-6]。但针对多相蜡沉积技术成果的应用则相对较少，Tulsa 大学开发的TUMAX 蜡沉积模拟软件内置Matzain、Singh、Venkatesan 三种改进的蜡沉积模型，该三种模型均考虑了分子扩散和剪切剥离作用效果，此外，在使用Singh 和Venkatesan 模型计算时可将老化机理考虑在内，目前该软件仍在进一步完善中。多相流瞬态模拟软件OLGA 也可用于多相蜡沉积模拟，包括：Matazain、Heatanalogy、RRR 三种模型，部分学者[7-9]结合实际工程案例对该软件中的模型进行了测试，但对于不同油品和工况得出的预测效果也不尽相同。

本次研究目标是针对典型海上高含蜡原油气液混输管道，探究高含蜡多相混输管道的蜡沉积规律，以渤中34-1 原油小型环道实验为基础，采用OLGA 软件和TUMAX 软件对实验条件下的蜡沉积结果开展模拟计算和理论验证。通过对比实验结果和模拟结果，进一步对软件的适用性条件进行分析和总结，旨在为典型高含蜡海底多相混输管道的工程设计提供应用参考。

1 蜡沉积实验准备

1.1 实验装置

本次研究所用实验环道全长25 m，采用DN25不锈钢管建成，环道全线设置水套加热，通过水浴温控系统循环纯净水进行控温，以满足实验温度要求。在进入测试段前，通过4.4 m 长的直管段来保证实验测试段中的流动为充分发展流动。测试段和参比段长度均为2 m，由单独的恒温水浴分别进行控温。测试段是蜡沉积的发生段，实验过程中温度设定为壁温。环道示意如图1 所示。

图1 多相蜡沉积环道装置示意

1.2 实验步骤

第一，实验开始前，消除油品的剪切历史和热历史，然后注入环道油罐。第二，对油罐及测试段进行预热。第三，待罐内油品温度加热至设定温度，通过变频器将螺杆泵调节到合适的转速，将流体注入环道，使液体在环道内循环流动。第四，启动压缩机，待气体温度达到油流温度时，打开注气阀门，将空气导入实验环道并与液体混合流动。第五，启动数据采集程序，实验开始计时，采集流速、压力和温度等实验数据。第六，实验结束后，关闭螺杆泵和注气阀门，启动空气吹扫流程；吹扫完成后，拆卸测试段，利用体积法得到蜡沉积层厚度的平均值，随后取样保留进行后续分析。

1.3 实验介质

本次蜡沉积实验采用渤中34-1 油田油样，气相实验介质采用空气。实验测定了油品基础物性，20 ℃油品密度为884.39 kg/m3，凝点27 ℃，析蜡点43 ℃，含蜡质量分数24.3%，含胶质质量分数10.56%，沥青质含量较少，黏温曲线见图2。图3为原油累计析蜡特性曲线。从图3 可以看出，该原油的析蜡过程可分为两个阶段，从43 ℃降温至30 ℃的过程中析出蜡量增长速率较为缓慢，在继续降温的过程中析蜡速率明显加快。由此可知，渤中34-1 油田油品属于中质、高黏油品，高含蜡原油。

图2 油样黏温曲线

图3 油样累计析蜡特性曲线

油样的烃组分分布测试结果如图4 所示，从图4可以看出，渤中34-1 油田原油中的蜡成分主要分布在C11～C40范围内。

图4 油样烃组分分布

2 实验与模拟实施

2.1 方案制订

为探究气油比、流速和油温对管道蜡沉积的影响，制订了3 组单相原油蜡沉积方案和6 组多相蜡沉积方案，基础参数见表1。其中，液相流速选取3 组：1.01、1.22、1.42 m/s，分别位于低速层流、高速层流和紊流区域；油温选择两组：45 ℃和50 ℃；实验时长为12 h，模拟时长为24 h。

表1 基础参数

2.2 模型建立

（1） 基础数据。针对实验环道测试段等比例建立管道模型，总长2 m，管径25.4 mm，壁厚3 mm，绝对粗糙度0.05 mm，管道不保温。实验中的气体用空气代替，为与实验结果进行对比，本次模拟中所用物流性质与实验保持一致。

（2） 参数设置。采用OLGA 软件和TUMAX软件，针对实验环道测试段建立管道模型，针对本次模拟管道规格和流动环境，对模型进行如下设置：定义模型入口流量和出口压力为边界条件；为提高计算精度，将模型网格划分为50 段，距离步长△L=40 mm；定义管道总传热系数为一恒定值，不随模拟过程而发生改变；选取Matzain 蜡沉积模型，遵循模型中默认的实验回归参数。

3 结果对比及分析

3.1 单相原油管道蜡沉积实验及模拟分析

通过单相环道蜡沉积实验，得出三种流速下45 ℃原油在管内运行12 h 后的管内壁蜡沉积层厚度，再与软件模拟结果进行对比，对比结果见图5。

图5 实验与模拟管内壁蜡沉积层厚度结果对比

图6 OLGA 和TUMAX 软件的模拟计算结果对比

3.2 气液混输管道蜡沉积实验及模拟分析

选取45 ℃流体温度，对比不同流速下单相原油与气液混输流体的蜡沉积实验和模拟结果，对比结果如图7～图9 所示。

由实验结果可知，在管道多相流动中，由于初始形成的蜡沉积层密度较低，因此部分沉积蜡晶受到气相流体的高速剪切作用，从管内壁上脱离，被流动的流体携带，因此蜡沉积厚度相对于单相流体有所减小。TUMAX 软件模拟得到的规律与实验规律基本吻合，而OLGA 模拟得到的规律明显不同，多相混输管道蜡沉积厚度相比单相蜡沉积厚度有所增大，由此可知，Matzain 蜡沉积模型存在一定的适用范围。为此针对不同的原油流速和原油温度开展蜡沉积模拟研究，以进一步探讨软件的计算效果。

图7 低速层流时单相与多相流体蜡沉积实验结果对比

图8 高速层流时单相与多相流体蜡沉积实验结果对比

图9 紊流时单相与多相流体蜡沉积实验结果对比

（1） 原油流速。选取油温为45 ℃，对比不同流速下实验和模拟结果，其结果如图10 所示。

从图10 可以看出，TUMAX 模拟结果与实验结果规律一致，随着流速增大，管内蜡沉积厚度降低。根据Matzain 模型机理，蜡沉积过程受分子扩散和剪切剥离共同作用，当流速较低时，分子扩散作用占主导，适当增大流速后，剪切剥离作用有所体现。

从OLGA 模拟结果可以看出，随着流速增大，蜡沉积层厚度不是呈单一变化的规律。当流速增大为高速层流时，蜡沉积厚度依然呈现增长趋势，没有体现剪切剥离效果作用；当流体进入紊流状态后，随着流速增大，管内蜡沉积层厚度降低，剪切剥离效果显著。

（2） 原油温度。选取流体流速为高速层流状态，进行不同油温下实验和模拟结果对比分析，其结果如图11 所示。

图11 不同油温下的管内蜡沉积实验结果对比

当流体温度升高，由于流体和管壁的温差增大，导致管内温度梯度变化较大，从而促进蜡分子向管壁运动；另一方面，温度的升高会增大蜡等重组分在流体中的溶解度，阻碍蜡晶析出。

实验结果显示，随着流体温度的升高，测试管内壁的析蜡厚度增加。然而软件计算结果显示，当流体温度升高时，由于温度梯度造成的蜡晶析出速率小于蜡晶的溶解速率，从而减缓蜡沉积速率，测试管内壁的蜡沉积层厚度相比低温情况减小；从TUMAX 结果中看出，当油流温度为50 ℃时几乎没有蜡晶析出，与实验结果规律差异较大。

4 结论

本次研究以渤中34-1 原油为例进行典型高含蜡混输管道蜡沉积特性分析，通过实验和数值模拟相结合的方式，总结得出以下规律：

（1） 相对于单相管道而言，混输管道内气相流体流动对沉积的蜡晶具有较强的剪切剥离和携带作用；随着流体流速增大到一定程度后，蜡分子运动过程中剪切剥离效果占主导，蜡沉积速率减弱；随着管道入口流体温度升高，蜡晶溶解度升高，抑制管内流体中蜡晶的析出，而流体与管壁间的温差增大，使温度梯度增大，又促进管内流体中蜡晶的析出并在管内壁沉积。

（2） 影响高含蜡海底油气管道蜡沉积的因素很多，包括原油物性、气油比、流速、流体与环境温差、管壁粗糙度等，本文仅从气油比、流速和温差三方面进行了实验与数值模拟结果对照，以分析数值模拟方法的适应性。

（3） 在现阶段，针对海底混输管道蜡沉积规律的研究需结合具体油品和输送条件开展工作，由于管道蜡沉积受诸多因素影响，现有的蜡沉积预测技术仍存在一定的限制条件，需要通过大量的实验研究进行验证和完善。本次研究为海底混输管道的工程设计提供了借鉴。