含蜡原油管道输送相关的流变学问题的研究与应用.doc

始2002流变学进晨第一塑坌童望堡童主璺壁兰垫查生些兰!!型：：!坚!：!!竺：型：盐含蜡原油管道输送相关的流变学问题的研究与应用张劲军(石油大学(北京)油气储运工程系，北京昌平102200)摘要对含蜡原油流变学研究及应用现状进行了总体评价．从蜡对流变性影响、胶质及沥青质与 流变性的关系、触变性及其数学模型、屈服应力、粘弹性、剪切和热力条件对流变性影响的定量模 拟及数学模型等基础研究方面介绍了古蜡原油流变学的研究现状，指出了其中存在的若干问题提 出在含蜡原油流变学的工程应用领域需重点研究含蜡原油管道停输后再启动过程的非稳态水力热 力耦合问题，舍蜡原油管道的流动保障及安全性评价、以及改善原油流变性的方法和输送工艺·关键词流变学石蜡基原油管道输送触变性粘弹性屈服应力剪切效应再启动流77动铲改鼍送1对含蜡原油流变学研究及应用现状的总体评价我国所产原油80％以上为含蜡原油，例如大庆原油与中原原油的含蜡量约高达25％在 较高温度下，蜡以分子的形式存在于液态原油中，原油为牛顿流体随着温度降低，蜡逐渐结 晶析出，当原油中蜡结晶量达到原油总量的2m％,-4m％时，便可形成三维网络结构，使原油 胶凝，整体失去流动性，可表现出复杂的非牛顿流体流动行为，如不完全可逆的触变性、粘弹 性、静屈服应力与动屈服应力等。

由于蜡晶形态和结构与原油经历的熟历史和剪切历史有关， 故含蜡原油的流变特性还与热历史和剪切历史有密切关系，使得问题更加复杂；原油中主要的 非烃化合物胶质、沥青质对流变性有很大影响 传统上采用加热的方法改善原油流动性，输送含蜡原油除了能耗高(每年我国长距离 输油管道燃料油消耗数十万吨，价值数亿元)，加热输送管道还有热力条件约束，故管道运行 的弹性小；此外，管道停输后原油冷却至胶凝，可酿成堵塞管道的灾难性后果故含蜡原油管 道的安全、节能运行一直是国内外石油工业界高度关注的问题我国从20世纪50--60年代大 庆油田开发时起．就对含蜡原油的流变性开展了研究，近50年来取得了一系列显著成果：对 含蜡原油流变特性已有了较全面的认识；在改善含蜡原油流变性的研究成果已推广应用于国内 输油管道，经济和社会效益显著，并在国际管道工程竞争中取胜；石油大学、管道公司及各大 油田的研究院均有装备精良的流变实验室；原油流变学的研究成果及有关基础理论也已纳入本 科生及研究生的教学体系发达国家在20世纪50--70年代也曾对含蜡原油流变性开展过系统研究，但由于国外含蜡 原油的开采量相对较少，70～80年代国外这一研究领域较为沉寂。

随着欧洲北海、东南亚、中 亚、南美、非洲等多个地区相继大规模开发含蜡原油，以及海上石油开发向深海发展，近10 年来国外对含蜡原油的研究相当活跃，包括发达国家和印度、巴西、越南和阿拉伯等国家的研 究者发表了许多高水平的研究论文展望未来5一lO年内，国外在与流变学密切相关的含蜡原 油输送技术领域将取得重要突破·62’但是，在理论上，目前对含蜡原油流变性机理的认识还较肤浅，国内外对含蜡原油流变 特性规律的认识，主要停留在定性的水平，利用各种商用流变仪和自行研制的试验管路对具体 油样进行实验测定，仍然是掌握流变性的主要手段，某些实验测定步骤和方法还有问题；流变 学室内研究成果的工程应用主要处于“粗放型”状态，对含蜡原油管道输送中流变学问题的认 识，有些是模糊的甚至是似是而非的；在企业对经济效益日益重视的同时，长远性的基础研究 却被忽视，与国外的差距正在拉大根据笔者在该领域多年研究的积累和思考，以及对国内外研究状况和趋势的分析，下文 将从基础研究和工程应用两方面，分析该领域的研究现状和未来需重点解决的问题2含蜡原油流变学的基础研究2．1蜡对原油流变性影响 蜡的结晶析出及蜡晶结构的形成、蜡晶形态和结构对热历史及剪切历史的敏感，是导致原油流变性复杂的根本原因，这在定性上己取得共识。

在定量的高度建立蜡与流变性的关系，进 一步揭示含蜡原油流变性的机理，正逐渐成为国内外研究者追求的目标 2．1．1蜡量与流变性的关系 在该问题上有模糊认识，有些研究者试图在寻找含蜡油的凝点、 粘度与蜡含量的关系：Abdel．Waly”1、AI—Fariss等“’分别建立了油样粘度与含蜡量、温度的不同关系但直接影响 含蜡油流变性的关键因素是已结晶析出的蜡量，而不简单地是油中的蜡含量，尽管蜡含量高一 般也意味着相同温度下结晶析出的蜡量也多笔者的研究组参照悬浮液流变学的理论，建立了原油凝点温度以上时，粘度(表观粘度) 与已结晶析出的蜡量和温度的关系pJ5(1)rl=Aet胆’【l—KoK(户)c】-2利用此模型，结合原油的DSC热谱图数据，只需测定3卅个粘温数据即可预测凝点温度以上 原油粘度及表观粘度随温度和剪切率变化的规律对18种含蜡原油960个数据的验证结果表 明，模型预测值与实测值的总平均相对误差为6．22％ 2．1．2蜡晶形态及结构与流变性的关系 除了已结晶蜡量，蜡晶形态及结构是决定流变性的主要内因图1是两幅蜡晶显微照片，右图是添加降凝剂改性后原油(凝点一6“0)的蜡晶，左图是降凝剂处理前(原油凝点8“C)的 蜡晶。

由于蜡晶形态、粒度及结构的多变性及不规则性，目前对蜡晶的研究主要是显微观察及 对其特征的定性讨论”我们正试图从定量的层次研究宏观流变性与微观结构的关系图1 含蜡原油添加降凝剂改性前后的蜡晶显微照片·63·2．2胶质及沥青质与流变性的关系 胶质和沥青质是原油中对流变性影响较大的另一类物质由于其分子量大，胶质、沥青质 对原油有增粘作用，但它们与蜡相互作用有降凝效果．有“天然降凝剂”一说，加拿大有用沥 青砂降凝的专利”1在含蜡原油添加降凝剂改性中，胶质、沥青质的重要作用成为研究热点 tg-121在凝点温度下，未经改性处理的原油的蜡结晶量是一个范围(2m％--,4m％)而非在一个 确定的值，与胶质、沥青质的作用有关2．3触变性及其数学模型由于蜡晶结构的存在．低温下的含蜡原油具有触变性触变性数学模型对于管道停输后再 启动过程的水力计算是不可缺少的Houska模型曾被用于描述含蜡原油的触变性”“经剪切破坏的含蜡原油的蜡晶结构在有限时间内难以完全恢复，Wardhal：I曲和Boger认为， 在剪切到平衡并温度恒定的条件下，蜡晶结构不能恢复【1“针对这一特点，已提出了若干触 变模型115 。

例如采用两个结构参数和两个速率方程模型¨qr=(k+『y^+Ty：五)+(x+蝎^+A％五)广 警=口l(1一^)一6l广^(2) 警一矿2也最近，笔者研究组又提出了一个新的模型I”】初步研究表明，其对实验数据的拟合效果比 Houska模型有显著改进模型愈加复杂其对实验规律的适应性愈好，但显然这也增加了数据拟合及模型应用的复杂 性好在对于当今的计算机性能及数值计算方法而言，这不是大的困难2．4屈服应力屈服应力对含蜡原油管道停输后的再启动非常重要由于其结构具有不完全可逆性等复杂 特点，含蜡原油的屈服现象较为复杂，存在动屈服应力与静屈服应力11Sl，并且屈服应力与热 历史特别是剪切历史有关，例如不同温度下开始静态降温屈服应力可有显著差异ll’I根据实 验研究结果，Wardhaugh和Boger把含蜡原油屈服过程分为弹性变形、蠕变和类似固体断裂的 三个过程，把一般文献中定义的屈服应力称作“断裂应力”唧JChang和Boger把含蜡原油的 屈服应力分为弹性极限屈服应力、静屈服应力与动屈服应力8“2．5粘弹性含蜡原油粘弹性是近年的一个研究热点Wardhaugh和Boger采用振荡方法测定含蜡原油 的屈服应力【20】，国内也开展了初步研究【22】，笔者的课题组正研究采用振荡剪切方法研究蜡晶 结构的形成过程及结构强度，并探讨采用粘弹性参数评价原油的可泵性能【2”。

鉴于振荡试验 具有不破坏试样结构的优点，预期其在蜡晶结构相关研究中将发挥更大作用‘64·2．6剪切和热力作用对含蜡原油流变性影响的定量模拟 由于含蜡原油(特别是添加降凝剂改性处理的含蜡原油)的流变性对剪切和热历史敏感， 流变性评价中正确模拟管道的剪切和热力条件非常重要但长期以来这一“模拟”曾一直处于 经验指导下定性模拟的状态1999年的美国专利仍是按原油中蜡晶的量及其粒度分布，对剪 切和热力条件进行“试凑”模拟并测量流变性‘ 有的模拟方法看似定量，本质上还是定性 的，例如按搅拌器的转速模拟输油泵的高速剪切作用口”、以离心泵叶轮端部及阀门处的流速衡量流体的剪切作用126l曾探讨以油流过泵或阀门节流剪切后流体的温升作为剪切作用模拟 量12”，但流体等熵压缩或等熵膨胀的温度变化在流体剪切前后的温度变化中占相当比例，故 该法也不科学笔者在研究有关剪切作用描述方法的基础上[28～3“，提出按剪切过程粘性流动 熵产或能量耗散模拟剪切效应，已得到实验验证以往工业界比较倾向于用各种实验管路模拟含蜡原油在管道中的流动，并测定原油流动 性问题是在长时间模拟中，原油试样要多次过泵加压循环，其经历泵剪切的次数比实际输送 过程多得多。

通过挤压软管驱动流体的蠕动泵近几年被用于原油的实验管路，低速转动的蠕动 泵提供的剪切作用较弱，管内为湍流状态时基本可以接受但对层流，尤其是对具有触变性等 强烈剪切历史依赖性的原油，蠕动泵的挤压实际上已将流场破坏怠尽，故所得实验数据至少在 流变学意义上是不科学的，由此得到的“触变模型”用于工程计算也是不可靠的其实，根据 流变性测定原理，用管流方式确定流体的触变性是不可取的，但纯管流方式的流动可用于对已 知触变模型流体流动规律的检验目前使用试验管路确定含蜡原油流变性的文献已不多见 Wardhaugh和Boger认为【l”，由于测量技术和流变学上的困难，对于具有剪切历史依赖性的含 蜡原油，毛细管粘度计和实验管路不是测量流变性的理想方法 曾探索了多种方法模拟长时间管流而避免不适当的泵剪切，近年来较典型的是圆环形管 道，例如靠磁力驱动活塞推动流体循环的环管【3‘J、竖直轮形流动模拟器后者正得到越来越 多的应用阱’”“】，其采用相对运动原理轮管转动而其中的流体相对静止，通过转动轮管的扭矩确定粘度笔者的研究组采用相同的原理，但改用更易实施的测量轮管两侧液位差的方法 确定粘度p”，与Haake流变仪的对比试验表明，轮管测定结果的准确性良好。

2．7剪切和热力作用对加剂含蜡原油流变性影晌的数学模型 添加降凝剂改性输送是目前含蜡原油节能、安全输送技术的发展方向加剂改性原油的流 动性对剪切和热历史敏感，这已是不争的事实p“01但迄今为止的研究几乎都停留在实验测 量笔者的研究组在总结大量实验规律的基础上，建立了中洛输油管道加剂原油凝点、流变参 数(氩H)随输送过程粘性流动能量耗散和定性温度变化的经验模型 J，以及具有一定通用 性的加剂原油凝点与剪切过程粘性流动熵产关系的经验模型112l，目前正研究输送过程中加剂 原油流动性预测的方法3含蜡原油流变学的应用研究原油流变学的应用主要围绕管道输送中如何针对原油流变性的特点趋利避害，以及如何改 善管输原油的流变性(所谓“原油改性”)20世纪60～70年代，利用原油流变性对热历史敏 感、将其加热到一定温度可改善其低温流变性的特点，国内外研究并应用了“原油热处理输送”·6，‘燮!竺!鎏变兰鲎曼 兰二堡坌皇望塑童 士望翌兰垫查生坚壁二羔里旦三塑竺翌兰兰=!竺翌 技术20世纪80年代以来，主要发展了添加化学剂(降凝剂)改善原油低温流变性的技术这 两项技 术的应用均取得了显著的经济和社会效益，也大大推动了原油流变学的应用基础研究。

目前， 我国在含蜡原油添加降凝剂输送技术领域处于国际前列a目前，与流变学相关的含蜡原油管道输送中的重要问题主要有三个：输油管道的停输再启 动、易凝高粘原油管道流动保障及安全性评价、原油改性输送技术3．1输油管道的停输再。