白帆1  王剛2  魏春陽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，導致管網內油溫與管壁溫差較大，因此東北地區管網原油結蠟問題尤為突出。特別是隨著近年來大慶油田原油減產，俄油輸量不斷增大，管道公司對東北地區管網進行了多次改造，自2013年開始對慶鐵一線、二線逐段停運掃線封存，新建的慶鐵三線、四線逐步代替慶鐵老線。2016年下半年，又對慶鐵三線、四線進行改造和對調，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，對東北地區管網的安全運行具有實際指導意義。

1 不同組成原油的結蠟實驗

1.1 實驗裝置

實驗采用旋轉式動態結蠟裝置(見圖1)。

 

圖1 旋轉式動態結蠟裝置

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。通過電機傳送帶帶動樣品桶旋轉使人工油樣產生旋轉流場；通過結蠟筒內部的蛇形盤管在結蠟筒內部循環來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溫度的結蠟筒通過升降機構浸入人工油樣中模擬管道壁面，進行結蠟實驗。

1.2實驗油樣的配制

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

表1  草橋原油的基本組成

 

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

表2  人工油樣的基本組成

通過差示掃描量熱儀和流變儀測得6種人工油樣的析蠟點和反常點，結果見表3。

表3  人工油樣的析蠟點和反常點

1.4實驗條件

實驗中的油溫及結蠟管壁溫度分別為t1、t2，由于實驗用人工油樣的析蠟點不同，為保證所設計不同油樣的結蠟實驗具有相同的相對實驗條件，以析蠟點t為參照溫度引入兩個參數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驗條件下進行結蠟實驗。

分別對所配制的6種人工油樣按表4所列實驗條件進行實驗。

表4  4種實驗條件

 

實驗結束后，對每次實驗結蠟桶上的沉積物進行稱量，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法和四組分法進行分析，分別測出沉積物的蠟、膠質、瀝青質含量。

1.5實驗結果

1.5.1 膠質瀝青質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

綜合分析可以發現：當油樣的膠質瀝青質含量從零開始增高時，原油的蠟沉積速率逐漸加快；當膠質瀝青質含量達到12.35％后，原油的蠟沉積速率開始減慢，達到15.30％時，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膠質瀝青質含量的增高開始加快；結蠟層的蠟含量隨著人工油樣膠質瀝青質含量的增高而逐漸減低；并且實驗條件對結蠟層蠟含量的影響也在隨著人工油樣膠質瀝青質含量的增高逐漸減弱。

1.5.2 結蠟層膠質瀝青質含量變化

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

圖4  結蠟層膠質含量的變化

圖5  結蠟層瀝青質含量的變化

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

1.6 實驗結果分析

（1）蠟含量相同、人工油樣的膠質瀝青質含量在較低范圍內時，管壁結蠟主要以蠟晶分子的遷移作用為主，原油中分散的膠質瀝青質分子中的烷基鏈與蠟分子產生共晶作用而存在于蠟沉積層中。隨著膠質瀝青質含量逐漸增高，這種共晶作用會越來越強，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，隨著膠質瀝青質含量逐漸增高，油樣的黏度增大，蠟分子往結蠟層遷移的黏性阻力增大，同時瀝青質分子的溶劑化層厚度逐漸增加，瀝青質與膠質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）隨膠質瀝青質含量繼續增高，以膠質瀝青質與蠟晶分子的共晶作用為主的蠟沉積逐漸變為以膠質瀝青質的黏壁作用為主，從而使得管壁蠟沉積速率在達到最小值后有所加快。

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

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

（6）當人工油樣膠質瀝青質含量達到15. 30 ％時，膠質與蠟晶相互抑制，包裹著瀝青質的膠粒由于體積變大更加不易與蠟晶產生共晶作用。但人工油樣的膠質瀝青質的含量大于15. 30 ％時，瀝青質在膠體體系中更加穩定。膠質的沉積逐漸以粘壁為主，穩定的瀝青質膠束隨著膠質一起附著于管壁處。

2  實驗結論對東北管網安全運行的啟示

（1）針對慶油和俄油的物性特點及目前東北管網的運行特點，輸送俄油的慶鐵三線可適當比例摻混慶油以增加管輸原油內部的膠質瀝青質含量，以削弱冬季管線與環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可采用添加降黏劑的輸送工藝，改善慶油流變性的同時削弱膠質瀝青質協同蠟分子的沉積作用，保證管網安全運行。

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

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部工程師，2014年畢業于中國石油大學（華東）油氣儲運專業，碩士，現主要從事油氣管道長距離輸送及搶維修相關技術研究工作。

《管道保護》2017年第1期（總第32期）