邢曉凱，呂朝旭，劉珈銓

(中國(guó)石油大學(xué)(北京)油氣管道輸送安全國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室/城市油氣輸配技術(shù)北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 102249)

隨著油田進(jìn)入開(kāi)發(fā)后期，采出液中含水量急劇升高[1-6]。高水低油的情況下，原油和水在管道中分層流動(dòng)，原油呈現(xiàn)出不規(guī)則塊狀、條狀等形態(tài)，在管輸過(guò)程中容易與管壁發(fā)生碰撞，形成粘壁現(xiàn)象。原油粘壁現(xiàn)象的出現(xiàn)減小了管道流通面積，導(dǎo)致井口回壓升高、管道壓降增加，從而影響油田的正常生產(chǎn)。與此同時(shí)，進(jìn)行海洋石油開(kāi)采時(shí)，采出物通常為多相混合物，由于海底管道建設(shè)成本的高昂，多采用多相混輸方式進(jìn)行采出物的集輸作業(yè)。管道內(nèi)通常為油水、油氣甚至油氣水三相混輸，管輸介質(zhì)的復(fù)雜性使得海底管道中也常常出現(xiàn)原油沉積，并且多相流原油沉積過(guò)程遠(yuǎn)比單相流原油沉積過(guò)程復(fù)雜[7-8]。

目前針對(duì)原油沉積的研究集中在蠟沉積方面，主要針對(duì)含水率、溫度、流型、折算速度等流動(dòng)參數(shù)對(duì)原油沉積的影響作用進(jìn)行研究[9-25]。Bern等[26]和黃啟玉[27]認(rèn)為分子擴(kuò)散是蠟沉積的主要機(jī)理。Hoffmann等[21]發(fā)現(xiàn)除分子擴(kuò)散外，膠凝作用也作用于蠟沉積過(guò)程，在低流速、超高含水率的條件下，膠凝作用在沉積過(guò)程中占主導(dǎo)地位。Jennings和Weispfennig[22]發(fā)現(xiàn)當(dāng)乳狀液含水率高于30%時(shí)，隨著含水率的增加，沉積物質(zhì)量隨之增加，但是沉積物中蠟含量降低，他們認(rèn)為含水率的增加，使得膠凝作用在蠟沉積過(guò)程中發(fā)揮主導(dǎo)作用，弱化了分子擴(kuò)散作用。Wang等[23]認(rèn)為膠凝作用是油水兩相流蠟沉積機(jī)理中不可忽略的，在油溫較高時(shí)，分子擴(kuò)散在蠟沉積過(guò)程中起主導(dǎo)作用，當(dāng)溫度較低時(shí)，膠凝作用在蠟沉積過(guò)程中起主導(dǎo)作用。此外，Anosike[24]發(fā)現(xiàn)，當(dāng)水為連續(xù)相、油為分散相時(shí)，只要含蠟原油能夠與管壁直接接觸就會(huì)產(chǎn)生蠟沉積。

事實(shí)上超高含水原油沉積同一般蠟沉積有所區(qū)別，在超高含水條件下，管輸溫度接近原油凝點(diǎn)，遠(yuǎn)低于原油析蠟點(diǎn)，壁面溫差較小，僅相差2～5 ℃。本研究針對(duì)超高含水原油管輸含水量高、集輸溫度低的特點(diǎn)，重點(diǎn)探究溫度、含水率和混合流速等實(shí)驗(yàn)參數(shù)對(duì)超高含水原油混合流動(dòng)和初始沉積過(guò)程的影響規(guī)律和作用機(jī)理。文獻(xiàn)[1-7]中對(duì)于超高含水原油各有界定，結(jié)合實(shí)際生產(chǎn)情況，本文所研究的超高含水原油的綜合體積含水率為93%～97%。

1 油品物性及實(shí)驗(yàn)裝置

本實(shí)驗(yàn)所用原油為大慶原油。為確保實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，參考文獻(xiàn)[28-29]對(duì)實(shí)驗(yàn)原油進(jìn)行預(yù)處理。表1中展示預(yù)處理后原油的基本物性。

表1 原油物性Table 1 Physical properties of crude oil

圖1為自行設(shè)計(jì)的超高含水原油混合流動(dòng)沉積實(shí)驗(yàn)裝置，該裝置能夠完成原油流動(dòng)和沉積過(guò)程的影像記錄、壓降測(cè)量、沉積層厚度測(cè)量和取樣工作?？梢酝ㄟ^(guò)該裝置探究超高含水原油混合流動(dòng)過(guò)程，以及溫度、流量與含水率等參數(shù)對(duì)超高含水原油初始沉積的影響。實(shí)驗(yàn)裝置具體介紹見(jiàn)文獻(xiàn)[30]。

圖1 混合流動(dòng)實(shí)驗(yàn)裝置示意圖Fig.1 Schematic of the experimental installation for mixed flow

本研究中，試驗(yàn)段和參比段的恒溫水浴槽溫度設(shè)定為恒低于實(shí)驗(yàn)溫度2 ℃，以模擬現(xiàn)場(chǎng)管道所處環(huán)境溫度。因?yàn)楸緦?shí)驗(yàn)體積含水率范圍在93%～97%，且原油比熱容遠(yuǎn)小于水，假設(shè)油水混合物中油相體積為x、密度為ρx、比熱容為cx、混合前溫度為T(mén)x，油水混合物中水相體積為y、密度為ρy、比熱容為cy、混合前溫度為T(mén)y，油水混合物的溫度Txy可由下式計(jì)算得出：

(1)

經(jīng)過(guò)計(jì)算，在實(shí)驗(yàn)溫度范圍內(nèi)，油水混合物的溫度與水溫相差均在0.2 ℃內(nèi)，所以可以控制水溫來(lái)改變實(shí)驗(yàn)溫度。

2 超高含水原油運(yùn)動(dòng)形態(tài)及初始沉積

圖2展示超高含水原油體積含水率為97%、混合流速為0.40 m/s時(shí)，原油運(yùn)動(dòng)形態(tài)與實(shí)驗(yàn)溫度的關(guān)系。可以看出管內(nèi)油水分層流動(dòng)，原油在上層呈間歇型流動(dòng)。隨著實(shí)驗(yàn)溫度的降低，原油流動(dòng)性惡化，液態(tài)油滴逐漸膠凝化由表面光滑的油滴轉(zhuǎn)換為不規(guī)則的膠凝油塊，塊狀原油形狀的不規(guī)則性促使塊狀原油相互碰撞，繼而凝結(jié)成更大的油塊。

圖2 原油流動(dòng)形態(tài)Fig.2 Flow patterns of crude oil

與此同時(shí)，結(jié)合圖3和圖4分析可知隨著實(shí)驗(yàn)溫度的降低，原油運(yùn)動(dòng)形態(tài)發(fā)生變化，進(jìn)而導(dǎo)致初始沉積過(guò)程分為蔓延沉積過(guò)程和粘連沉積過(guò)程兩類(lèi)。

蔓延沉積過(guò)程：當(dāng)實(shí)驗(yàn)溫度高于原油凝點(diǎn)，原油以油滴的形態(tài)向前運(yùn)動(dòng)，油水混合物流經(jīng)局部管件時(shí)，受到擾動(dòng)，油滴黏附在管道頂部?jī)?nèi)壁，隨著黏附過(guò)程的進(jìn)行，局部管件處黏附的原油量達(dá)到粘壁原油層厚度的臨界值。此時(shí)，粘壁原油層向下游發(fā)展，最終使得管道上壁面形成均勻的沉積層。沉積層的存在使得管道流通面積減小，原油運(yùn)動(dòng)形態(tài)由初始的小油滴轉(zhuǎn)變?yōu)椴ɡ耸降挠土鳎驮诠艿乐械牧鲃?dòng)空間開(kāi)始由上壁面逐漸向四周壁面擴(kuò)展，當(dāng)運(yùn)行足夠長(zhǎng)時(shí)間后，管道內(nèi)壁四周均會(huì)形成沉積層。

粘連沉積過(guò)程：當(dāng)實(shí)驗(yàn)溫度降低至凝點(diǎn)以下時(shí)，油滴變?yōu)椴灰?guī)則油塊，油塊棱角與管道上壁面接觸，在水流沖刷作用下，一部分與壁面接觸的油塊棱角斷裂，油塊隨著水流向前移動(dòng)，另一部分油塊繼續(xù)附著于管壁上壁面處，形成初始凝油層。初始凝油層的出現(xiàn)，使得管壁的“粗糙度”增大，促進(jìn)了油塊的黏附。隨著管道上壁面沉積層的出現(xiàn)，管道流通面積縮小，不規(guī)則大油塊在管道中運(yùn)動(dòng)時(shí)，不可避免地碰撞到管道四周壁面，導(dǎo)致管道四周壁面均有沉積物出現(xiàn)。但同時(shí)，由于油水密度差的存在，更多的原油塊在管道上層貼壁運(yùn)動(dòng)，最終導(dǎo)致大量沉積物集中在管道頂部，管道四周黏附少量沉積物。

圖3 蔓延沉積過(guò)程(33 ℃)Fig.3 Spreading sedimentation process

圖4 粘連沉積過(guò)程(27 ℃)Fig.4 Adhesive deposition process

與通常的油氣水多相流蠟沉積過(guò)程[22-25,31-33]相比，超高含水原油初始沉積過(guò)程除沉積過(guò)程發(fā)展較快、壓降上升幅度較大之外，更重要的是，當(dāng)初始沉積過(guò)程達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡時(shí)，從圖5中可以看到管道內(nèi)壁下方也沉積有少量原油。

圖5 沉積層截面圖Fig.5 Sedimentary cross section

使用高溫氣相色譜儀對(duì)所采集的管壁沉積物的碳數(shù)分布進(jìn)行分析，由圖6(a)可知，體積含水率97%、流速0.4 m/s時(shí)不同實(shí)驗(yàn)溫度下沉積物的碳數(shù)分布極為接近，高碳數(shù)成分多于實(shí)驗(yàn)原油，說(shuō)明超高含水時(shí)，溫度對(duì)沉積物碳數(shù)分布的影響很小即溫度對(duì)分子擴(kuò)散的影響較小。與此同時(shí)，對(duì)28 ℃、混合流速0.40 m/s時(shí)相同實(shí)驗(yàn)時(shí)間，3種體積含水率率下壁面沉積物的碳數(shù)分布進(jìn)行分析，如圖6(b)。可知，隨著含水率的降低，沉積物中的高碳數(shù)組分增加，低碳數(shù)組分減少，即含油量的增加促進(jìn)了沉積層的老化。

圖6 沉積物碳數(shù)分布Fig.6 Carbon number distributions in sediments

3 超高含水原油初始沉積規(guī)律

本節(jié)探究溫度、流速、含油率等影響因素對(duì)超高含水原油初始沉積過(guò)程的影響。流動(dòng)介質(zhì)流經(jīng)管道的壓降變化反映管內(nèi)沉積情況，故選擇壓降作為反映初始沉積程度的指標(biāo)。

3.1 溫度對(duì)初始沉積的影響

圖7展示體積含水率為97%、油水混合流速為0.4 m/s時(shí)，試驗(yàn)段壓降與實(shí)驗(yàn)溫度之間的關(guān)系。結(jié)合圖3、圖4，可將超高含水原油初始沉積過(guò)程劃分為3個(gè)階段。

1)沉積誘導(dǎo)期：從油水混合物開(kāi)始流經(jīng)試驗(yàn)管道至壓降迅速上升前的一段時(shí)期。該階段壓降趨于不變或者緩慢上升，壓降總體變化較小。該階段結(jié)束時(shí)，管道內(nèi)壁僅存在少量沉積物。

2)快速沉積期：從壓降開(kāi)始迅速上升至壓降達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡時(shí)的一段時(shí)期。該階段壓降呈現(xiàn)快速上升的趨勢(shì)，管道內(nèi)壁開(kāi)始出現(xiàn)大量沉積物，并且能夠通過(guò)肉眼直接觀察到沉積過(guò)程的發(fā)展。該階段結(jié)束后，壓降基本達(dá)到最大值。

3)沉積動(dòng)態(tài)平衡期：試驗(yàn)管道壓降達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡，壓降值在一定的范圍內(nèi)上下波動(dòng)的一段時(shí)期。該階段試驗(yàn)管道壓降趨于穩(wěn)定，管道內(nèi)壁沉積物脫離和沉積達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡。由圖3(d)和圖4(d)可知，當(dāng)初始沉積過(guò)程處于動(dòng)態(tài)平衡期時(shí)，管道內(nèi)壁沉積層基本形成。

圖7 不同條件下的試驗(yàn)段壓降變化Fig.7 Pressure drop change of the experimental section under different experimental conditions

從圖7(a)可以看出，實(shí)驗(yàn)溫度下降，沉積誘導(dǎo)期縮短，沉積速度明顯，沉積達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡時(shí)的壓降增大。此外，實(shí)驗(yàn)溫度越低，溫度的改變對(duì)初始沉積過(guò)程的影響越大。

溫度改變對(duì)初始沉積過(guò)程的影響可能是以下作用導(dǎo)致的：1)初始沉積過(guò)程中存在膠凝作用。由于含水率較高且實(shí)驗(yàn)溫度均在原油凝點(diǎn)附近甚至低于凝點(diǎn)，膠凝作用在初始沉積過(guò)程中占據(jù)主導(dǎo)作用，隨著實(shí)驗(yàn)溫度的下降,膠凝作用對(duì)初始沉積的影響越來(lái)越大。2)圖6(a)中不同實(shí)驗(yàn)溫度下沉積物碳數(shù)分布情況說(shuō)明雖然存在壁面溫差，但是由于溫差較小以及含油量較低，在初始沉積過(guò)程中分子擴(kuò)散的作用較小，實(shí)驗(yàn)溫度的改變對(duì)分子擴(kuò)散的影響較弱。即實(shí)驗(yàn)溫度改變對(duì)超高含水初始沉積過(guò)程的影響主要是通過(guò)加強(qiáng)或減弱膠凝作用。

3.2 流速對(duì)初始沉積的影響

保持體積含水率97%不變，在28和26 ℃兩種實(shí)驗(yàn)溫度下，選取0.40、0.33和0.26 m/s 3種油水混合流速進(jìn)行初始沉積實(shí)驗(yàn)研究，探究油水混合流速對(duì)沉積過(guò)程的影響。這里“混合流速”為油水混合物的體積流量換算得到的平均流速。

圖7(b)展示兩種實(shí)驗(yàn)溫度下，試驗(yàn)段壓降隨流速的變化情況。可以看出，隨著混合物流速的下降，同一溫度下不同流速帶來(lái)的變化主要體現(xiàn)在沉積動(dòng)態(tài)平衡階段的壓降動(dòng)態(tài)平衡值存在差異。油水混合流速增加，降低了壓降的動(dòng)態(tài)平衡值即減弱了原油沉積程度。當(dāng)溫度26 ℃時(shí)，3種流速下原油沉積速度和沉積動(dòng)態(tài)平衡期的壓降均高于28 ℃時(shí)，這同從圖7(a)中所得到的規(guī)律一致。

油水混合流速改變對(duì)初始沉積過(guò)程的影響可能是以下作用導(dǎo)致的：1)由于壁面溫差的存在，隨著油水混合流速的增加，管道內(nèi)部熱量傳遞加劇，導(dǎo)致流動(dòng)介質(zhì)和壁面沉積層之間的溫度梯度增加，促使原油沉積特別是蠟沉積過(guò)程的發(fā)生和加劇。2)與此同時(shí)，隨著油水混合流速的增加，流動(dòng)介質(zhì)和壁面沉積層之間的剪切力變大，剪切剝離作用加劇，原油沉積難度增加，抑制了原油沉積過(guò)程。3)超高含水原油初始沉積過(guò)程中同時(shí)存在分子擴(kuò)散和剪切剝離作用，然而改變流速，剪切剝離作用對(duì)初始沉積過(guò)程的影響遠(yuǎn)大于分子擴(kuò)散作用。因此，油水混合流速的增加，會(huì)抑制初始沉積過(guò)程，使得沉積達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡時(shí)的壓降減小。

3.3 含水率對(duì)初始沉積的影響

圖7(c)展示油水混合流速為0.40 m/s，兩種實(shí)驗(yàn)溫度下，試驗(yàn)段壓降與含水率之間的關(guān)系?？梢钥闯?，其他實(shí)驗(yàn)條件不變，體積含水率的降低導(dǎo)致沉積達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡時(shí)的壓降增加。當(dāng)溫度26 ℃時(shí)，3種流速下快速沉積期的沉積速度和沉積達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡時(shí)的壓降高于28 ℃時(shí)，這同從圖7(a)中所得到的規(guī)律一致。

體積含水率改變對(duì)初始沉積過(guò)程的影響可能是以下作用導(dǎo)致的：1)相同混合流速和實(shí)驗(yàn)溫度下，體積含水率降低即原油含量增加，原油與管道內(nèi)壁的接觸面積變大，膠凝作用增強(qiáng)，加劇了原油的沉積，同時(shí)也加劇了流動(dòng)原油與壁面沉積層之間的分子擴(kuò)散作用，促使原油在管道壁面處沉積。2)與此同時(shí)，隨著體積含水率的降低，水的折算速度減小，相同油水混合流速下，流動(dòng)介質(zhì)對(duì)于壁面沉積層的剪切剝離作用被削弱，促進(jìn)了原油在壁面處的沉積過(guò)程。

4 結(jié)論

1)同一般的油水混合流動(dòng)相似，超高含水原油混合流動(dòng)時(shí)油水分層流動(dòng)，油相在上，水相在下。所不同的是，由于超高含水的特點(diǎn)，原油呈現(xiàn)間歇性運(yùn)動(dòng)，隨著實(shí)驗(yàn)溫度的下降，原油流動(dòng)性惡化，液態(tài)油滴逐漸膠凝化由表面光滑的油滴轉(zhuǎn)換為不規(guī)則的膠凝油塊，塊狀原油形狀的不規(guī)則性促使塊狀原油相互碰撞，繼而凝結(jié)成更大的油塊。與此同時(shí)，原油運(yùn)動(dòng)形態(tài)和實(shí)驗(yàn)溫度的變化，將超高含水原油初始沉積過(guò)程分為蔓延沉積過(guò)程和粘連沉積過(guò)程兩類(lèi)。

2)超高含水原油初始沉積過(guò)程可以分為3個(gè)階段：沉積誘導(dǎo)期、快速沉積期、沉積動(dòng)態(tài)平衡期。由于超高的體積含水率，超高含水原油初始沉積過(guò)程中，同時(shí)存在剪切剝離作用，膠凝作用和分子擴(kuò)散作用。實(shí)驗(yàn)溫度改變對(duì)原油初始沉積過(guò)程的影響主要是通過(guò)增強(qiáng)或者減弱沉積過(guò)程中的膠凝作用和分子擴(kuò)散作用?；旌狭魉僮兓瘜?duì)初始沉積的影響主要是改變油水混合物與管道內(nèi)壁之間的剪切剝離強(qiáng)度，進(jìn)而促進(jìn)或者抑制沉積。體積含水率的降低，不僅增強(qiáng)了原油的膠凝作用，使得原油沉積的質(zhì)量增加，更加劇了分子擴(kuò)散作用，使得沉積層老化，硬度增加。