含蜡原油的热收缩和管道重启的影响 常州大学.docx

1、含蜡原油的热收缩和管道重启的影响 常州大学学号： 10409999 常 州 大 学毕业设计（论文）外文翻译（2014届）外文题目Thermal shrinkage of waxy crude oil and the impact for pipeline restart译文题目 含蜡原油的热收缩和管道重启的影响 外文出处 Journal of Petroleum Science and Engineering 77（2011） 237-253学 生 无名氏 学 院 石油工程学院 专 业 班 级 储运999 校内指导教师 无名氏 专业技术职务 教授 校外指导老师 专业技术职务 二一四年三月含蜡原

2、油重启的新方法：第1部分：含蜡原油的热收缩和管道重启的影响David A.Phillipsa,*,Ivor N.Forsdykea,Ian R.McCrackenb,Paul D.Ravenscroftba.英国康沃尔市的北派哲威，kernow分析技术有限公司b.英国米德尔赛克斯市，泰晤士森伯里，BP勘探作业有限责任公司文章信息：文章历史收到2009年8月19日接受2010年10月9日在线获得2010年11月18日关键词：含蜡原油管道重启收缩流动间隙空间数值模拟粘度分析摘要：本文列出了冷却引起的一些现象，这些现象发生在管道停输后。停输所引起的收缩流动会影响半固体状凝胶的粘度，这种凝胶是在含蜡原

3、油管道中形成的。压力梯度会根据流动的速率和方向而发展。这些过程可能还会破坏并分裂胶凝结构。这些热驱动事件和所测参数之间的关系被用来进行数值计算，进而预测胶凝粘度、间隙空间和胶凝的分布。管道内胶凝状态的合成图描绘了重启前的状况。仿真使得参数测试成为一个强大的设计工具。实验室实验为这些预测提供了支持。新方法的观点为管道设计和操作的成本效益提供了解决方案，并指明了实验室实验误差的来源。本文报道的研究成果表明部分正在进行的关于含蜡原油重启的调查研究可能会导致预测误差。1. 介绍 在生产含蜡流体时，当流体已经发展出显著的蜡结构并表现出非常高的流动阻力时，在一个停输周期内重启管道时经常会遇到困难。目前的实

4、际操作往往导致投资和运营大大增加，即安全边际成本的大大增加。长期以来使这样的胶凝化管路恢复流动一直是一个问题。实验室模拟常常表明实验室的重启压力和现场实验数据有显著的差异。这证明在不同实验技术条件下，测定胶凝强度会产生很大的差异。 当研究实验室模型管道的重启机理时，在重启前的假设静态冷却阶段，经常会观察到显著的压力变化（如压力下降）。随后，对这一现象的研究把压力变化和质点位移联系在一起，冷却（收缩）液体所产生的特定体积减少量大于管道容积的变化量时就会发生质点位移。如果管道是不完全水平，则收缩的液体总是倾向于在轴向上流动，从而保持一个完整的连续体。我们认为，这种冷却引发的流动依赖于分子间的内聚力

5、和作用于液体物料的重力作用。管道内的这种冷却期间的流动我们称之为收缩流动。基本过程类似于液体玻璃温度计测温法的使用。收缩流明显不同于一般管流，因为它完全被束缚在管道内，收缩流不仅具有随管道长度变化而变化的流速，而且还随管道剪切应力变化而变化。然而，我们认为，通过计算每一个系列的短管长度（元素）内的流体体积和流速的平均变化量，就可以获得一个沿整个管道长度方向上改变流体流态合理近似值。我们已经假定这种流态是由分子内聚力引起的，并受重力支配，是和液体（表观粘度）的流动阻力相反的。如果流动阻力足够高，则随之产生的应力就可以作为可测量的压力梯度而观察到，压力梯度的测量是通过改变由重力和蒸汽压而引起的静压

6、力。这些计算形成了所展示的数值模拟的基础。 我们的观察表明收缩流和冷却的速率和程度成正比，并且压力的下降程度和胶凝原油的流动速率和流动阻力成正比。如果冷却速率减慢（如通常当目标测试温度接近时），压力变化率开始下降，收缩流的流动速率也是如此。在随后的低温渗入（凝胶化）期间，收缩流和压力变化率通常会进一步下降，并常常在为重启测试施加压力之前达到零度。 在本文中，我们记录了关于钢制模型管道中压力变化率的发展情况的初步调查,还记录了一些关于数值模拟的简单例子和关于含蜡流体收缩流动可能带来的影响的讨论。我们重点研究了含蜡结构发展（中断或增强）可能带来的改变还有收缩流在较高流动阻力下的限制，这些改变使得完

7、整的连续体被空隙隔开。在4.7节，我们将展示一个现场案例的一种可能的情形来说明我们的基本假设和计算的重要性。 在第二篇论文（Phillips等人，2011年，对此问题）的一个计划系列中，我们提出在玻璃模型管道中进行实验，使用玻璃管道的目的是可以观察到收缩流动事件。该文件还报告了高粘度牛顿标准原油在钢制模型管道中冷却的测试。这个测试意在是挑战我们的数值计算并表明冷却过程引起的可测量的压力变化率是高粘度液体的基本属性，这不是含蜡流体独有的。1.1. 背景 直到最近，大多数关于凝胶强度和在Kernow分析技术公司下的重启机理的调查研究都是在基于实验室平台或者类似于实验室平台的条件下。特别地，模型管道

8、试验（MPT）都是由6.25mm内径（ID）、15.24m长（1/4英寸内径50英尺）的垂直盘管组成的。这种平台通常充满了温暖流体，冷却至所需的测试温度，并在所需的停输周期内保持该温度。气压随后被应用到该管，并在以15分钟的间隔内增大气压，直到流体出现在视线管装的另一端。关于胶凝强度的比较测量一般是通过使用旋转流变仪和经过同样处理的凝胶流体的样品来进行的。许多类似的实验通过使用不同的条件被部分复制，这些条件有冷却范围、冷却速率，还有冷却过程中的流动剪切。在重启所需的压力方面条件的改变常常会导致出现显著差异，但如果给定的条件被精确重复了，通过MPT或流变仪就可以重现重启的情形。相反地，MPT的结

9、果常常表明那些已经产生较强凝胶结构的液体的胶凝强度明显低于相应的流变仪的测定结果。胶凝强度不同测量方法之间的这种明显的差异已经有人报道了（Gill和Russell, 1954; Ford等人, 1965; Davenport和 Somper, 1971; Verschuur等人, 1971; Chang等人, 2000; Karan等人, 2000; Borghi等人, 2003）。 相比之下，牛顿液体通过毛细流动和旋转技术的粘度测定已经有了一套非常完善的方案。通过与现场情形的比较实验室测试的这种不确定性增加，在现场，基于实验室的预测常常上述工作人员和其他人发现是不准的（Knegtel和Zei

10、linga, 1971; Smith和Ramsden, 1978; Wardhaugh等人, 1988）。 结果，制定了一个研究项目来检查这些异常并制订改进的预测方法。2. 材料和方法 为了探究报道中这些看似矛盾和反常的结果，已建成两个同样是15.24m（50英尺）长不锈钢管道，一个是5.90mm内径，另一个是12.7 mm内径（标称和英寸口径）。将每一条管道弄成水平双回路并由一个共同的冷却夹套包围。在入口和出口阀之间每隔1.9m（6.25英尺）就要装一个差压转换器，在每一个管道末端都要装额外的瞄准管。图1是一条单管的示意性布局图，图2展示了施工期间的各种零件。压差换能器要安装到世伟洛克（一家

11、公司）接头上，但不能插入到管道截面面积内。这两条管线都进行了带有已确认的牛顿油品和压力传感器的流动测试实验，压力传感器的定期校准符合BS EN ISO标准的外部认证（BS EN：英国标准学会）。 本文中的许多测试都是用这种设备。将管线预热后装满温水测试液，测试液是流体1或流体2（附录D），使用后者是因为液体1可用性的限制。 用第二个简单的装置来观察收缩率；把带有刻度观察管500ml玻璃试剂瓶连接到氮气稳压电源上（图3）。把试剂瓶和观察管装满液体3（附录D）并预热，液体3是一种半透明的蜡状冷凝物。然后在允许压力下把该供应气体施加在冷却过程中观察管的上液面。插入试剂瓶的温度计探针允许关于温度和不断

12、变化的液面数据被记录为数字图像。 另一种简单的装置（图4）被用来演示重力对密封管内冷却液的作用效果。把温暖的流体3装入该装置中，该装置之前已经在烘箱内预热了。一旦管子内充满含有游离气泡的液体时，阀门就会关闭，装置就会冷却。装置的图像由数字温度显示器和用数字视频相机记录的时钟组成。3. 结果3.1. 冷却所形成的局部真空 连续记录多端口管道的压力信号可以用来研究重启过程中压力的传递活动。然而，在做这样的测试时，在重启之前冷却阶段要频繁地记录子环境的压力。即使管线的一端始终暴露在周围的大气压力下,也要记录这些局部真空数据。 图5和图6展示了代表压力变化率的一个案例，当立式观测管和上面的端口1相连接

13、时，在12.7 mm内径的多端口管线的冷却阶段时压力变化率就会发展。 管线要在流体1的结蜡点之前装满流体1，然后在入口关闭、出口打开的管段中把流体在5.5小时内从45冷却到0，管段的出口要安装垂直的观测管作为立管，立管内要装大约30cm高的测试液。这条管线要在未来的16.5小时内保持0的恒温。冷却过程在封闭端建立一个最小值（负表压），在出口处建立了一个最大值（大气压），变化率也在冷却过程发展了。最小压力已经在冷却阶段（0）的末端达到了。在随后的低温浸泡阶段变化率也缓慢下降。然而，在重启管线的时候要使得压力低于大气压。 图7展示了开发相关的在类似实验中压力变化率的发展情况，这个实验是在两端均与大

14、气相通的5.9 mm内径的管线中进行的。两端分别装有垂直视线管的立管，立管内最初都装有大约0.3m高的测试液。在冷却和最大静压力的条件下，这些立管的液面就会下降，最大静压力在最开始阶段是0.4磅/平方英寸。 这些变化率和图8中的形成了鲜明的对比，在这个测试中，5.9mm内径的预热水平管线装有温暖的流体2。然后通过阀门把管线两端密封，并以相同的速率冷却。当子压力在冷却阶段显著的发展了，沿管线的压力变化率只有轻微的变化。 普通的现场情况在图9所示的进一步的实验中得以展示。5.9 mm内径多端口管线通过3.3m的垂直部分得以延伸，因此这也提高了管线的静水压头。延长管线（18.54m长）中装有45的液

15、体2，管线两端通过阀门封闭。这段延长管线并没有附上一个冷却夹套。当阀门关闭时，该立管在时间为零时立即沿全长15.24m水平管段引起约3.9磅/平方英寸的静压力。冷却阶段有一个明显的压力变化率的发展过程。图1：示意性展示出多端口管道的二者之一 图2. 多端口模型管道施工期间的图片影像 图3.用来证明收缩流动的简单实验装置 图4.流动管线气泡装置的布局示意图 6.4mm内径4.8mm壁厚的柔性管的两端由阀门封闭，此管有1.4m 的垂直上升部分，内部压力因冷却而降低，最小压力出现在顶点处当把流体冷却到高粘状态时，在大多是的试验中都可以观察到压力变化率。3.2 收缩和粘性断裂 用收缩装置（图3）来研究

16、冷却所引起的体积变化。可是，当温度降低到流体的胶凝点16时，实验就会被带有刻度的观测管内的裂缝和孔隙的发展而破坏。 图10中流体3的图像展示了所得到的裂缝。请注意即使施加10磅/平方英寸的氮气压力在带刻度的管子的顶部也还是会出现这样的裂缝。3.3 冷却所引起的空隙 图11是管线顶端的图像序列,管线顶端是属于流线气泡装置的。流体在密封装置中从45冷却到了5。仅仅在从45冷却到41的3分钟的时间里也可以看到刚形成的小气泡。在这些图像中可以看到气泡发展成为显著的气泡。请注意，虽然常规气泡形状在胶凝点以下被进一步的冷却破坏了，但是孔隙尺寸还是在继续增加。 最初的小气泡可以看出，形成在顶点仅3分钟从45

17、冷却至41 ，后该气泡向显著空隙的产生发展可以看出，在这些图像。请注意，虽然常规气泡形状被破坏与下面的凝胶化点进一步冷却，空隙尺寸继续增加。4. 讨论4.1. 收缩流动和压力变化率大多数材料在温度降低时,密度（降低比容）都会增大。碳氢化合物也不例外,并且Dirand等人(2002)的评论也说明碳氢化合物的热力学性质都受到诸多的调查。由此产生的体积收缩可以表示为一个随温度变化的百分比或随温度变化的系数（附录A）。对于给定的温度变化，烃类流体通常显示比钢或玻璃等材料更大的收缩性。当烃类液体在垂直钢管或玻璃管中缓慢冷却，净体积收缩是用该液体的上表面下降的水平来表示的。作用在液体物料的重力确保了所有的

18、体积变化变现为液体柱的顶部间隙空间的大小。因此，如果管子在开始时充满液体，间隙空间就会在顶部形成，间隙空间与温度的降低成比例。这样的变化代表一个非仿射转换，这使得所述液体本身的纵横比改变了。在径向（因为钢/玻璃的收缩）只有一个非常小的跌幅，但在高度上却有很大的跌幅。其结果是，液体本身必定发生了变形。温度下降10时，许多烃类液体的体积就会表现大约1%的净收缩。然而，成品油和凝析油是复杂的混合物，即使分离也后，通常也含有一些残余的溶解气体（轻馏分）。因此，出口管线液体，如储罐油（STO）和实验室测试样品可能会出现显著更大的收缩率（Hnaut等，1999）。把上述的简单例子引申到管道上，保守估计有1

19、%的体积收缩率（净管收缩），则在100km的管道上，相应的就会有1km的当量间隙。如果在完全水平线缓慢冷却，则间隙空间可能由Hnaut等人（1999）所研究的那样形成在管段的顶部。然而，现场管线并不是真正的水平。地形梯度小于1:500的情况是比较罕见的，所以即使在大口径管道，冷却所形成的间隙空间，也会首先被隔离在管线的高点。 举一个关于在一端有垂直凸起的100km管道的简单例子；重力确保冷却流体的收缩会远离凸起端。随着2小时内10的温度下降，由此产生的1%的体积收缩会在管线凸起端以0.5km/h（0.14m/s）的速度进行线性流动。由于不能让流体流出管道；所以平均流速必须是0.07m/s。 虽

20、然这样的流速非常低，但是如果流体粘度很高，那么根据哈根-泊肃叶的层流流动关系，就会得到显著的压力变化率。这写猜想得到了上文调查研究的支持。流体/凝胶内的分子内聚力被认为是维持收缩流体作为一个完整的连续体的原因。因此，这些相同的力，就可能是产生压力梯度的原因，这些力正比于流体/凝胶的粘性阻力。 在给定不变的液体连续体收缩过程中，体积变化取决于给定的时间段（附录A）内的当地气温变化量。分子凝集力作为各向同性的拉伸力，减少了能量损失冷却时分子间的平均距离，因此导致减少的特定体积。如果管道内的物料是一个简单的圆柱形固体，则为在发生1%的体积收缩时，半径和长度两者都会减少1/3%。因此，如果该液体（或凝

21、胶）仍然和管壁接触，它必须变形，以补偿径向收缩。如果管道经受一个由高程压头引起的重力作用，然后粘度适当的液体将经受足够的变形，以确保轴向剪切流来补偿径向上的收缩。因此，在上述的实心圆柱形管道的例子中，管道两端都会有1/6%的线性变化，线性变化的方向是沿着纵向中心线的，在典型的非水平管道中，液体或可变形凝胶1%的等效收缩会在最高的末端导致1%的线性变化。因此，由此可见，在非水平管道中的可变形材料收缩时，那么所有的体积变化量将由与冷却程度成正比的线性变化来填补;这种收缩（截面积上的收缩补偿）的至少2/3（在补偿的截面积收缩率）代表了真正的剪切变形流动而不是管壁上的滑移（固体将要收缩的情况下）。 在

22、收缩的情况下，分子间的内聚力是一个潜在的显著的力量。超纯水的内聚力引起压力的试验（Zheng等人，1991）已经显示出非常高的价值。我们不知道烃类液体拉伸限的任何类似的测量数据，但一些迹象已经通过测量碳链较短的液态烷烃（戊烷C5到十二烷C12）的表面张力而获得，这些液态烷烃粘度范围在15到27mN/m之间，并大约含有1/3的水（20时粘度为72.8mN/m）。 然而，在实际系统中压力梯度形成的可能性是有限的。在管线任意点上的最低可能压力是由流体饱和蒸汽压（SVP）决定的。随着温度的降低蒸汽压也会下降，但对于特殊的产出液，最小值可能远高于全真空的绝对压力。流体内聚力极限的测试仍然是一个实验性的挑

23、战，在那方面压力还包含有饱和蒸汽压（如当静水压力高为例）。 任何变化率的高压端也是有限的。在一个真正的水平密封管线的案例中，最大压力是停输时管线的剩余压力，但这管路压力在冷却时迅速下降，从而限制了压力变化的可能性。这种情况在图8的实验中将会展示。 然而对于一般管线，有显著的垂直上升时，重力就会作用在流体物料上从而产生潜在压力（高程压头）。如果这种潜在的压力大于液体的蒸汽压，就会产生压力变化。这个实验在代表这种例子的图9中已经描述了。 在其他管道的实验中，每一个实验的观测管内都有流体形成的适度的高程压头，这和通常的现场情况有重大的差别，在现场，管道的一端或者两端是和大气压接触的。大气环境被认为是

24、一个无限大的蓄压器，使整条线路保持大约1巴的压力。然而，图5、6和7所述的试验清楚地表明，局部真空可以持续对抗的大气，并形成随后的压力梯度。正是这种意外的观察，导致了收缩和粘度之间相互作用的研究，特别是针对重启之前流体/凝胶的状态的研究。 由于收缩而产生的胶凝强度降低的概念是由Gill和Russell（1954）提出的。收缩率流动和由此产生的压力梯度是Verschuur（1971）等人推测的。但是没有人提出关于这种压力梯度的证明，也没有关于连续相渗透流通过基本上是静态的固态含蜡基质的假设和我们的观察进行对比。在第一个实例中，在正常生产流停止时，石油将首先处于流动状态。即使在低于静态倾点的温度下

25、流动，并且主要依靠剪切流动限制有效粘滞阻力（Russell和Chapman, 1971; Wardhaugh和Boger, 1991b; Thomason, 2000），这种液体也不会马上形成静态不动的蜡质固态基质。其次，由Verschuur等人陈述的管壁应力分布的进展（和扣除产生的压力分布），和我们所测量的压力分布的例子并不相符。另外，间质流的假设说明没有机制能让液柱/凝胶液柱内的孔隙获得发展。 我们并不是说这样的间隙流不存在。在脱水收缩过程中有明确的间隙流的证据，脱水收缩时，无蜡、低粘液体所形成的液滴在高蜡强凝胶的样品表面形成，这些样品包括黑色原油和气体凝析物。然而，在任何一个停输的开始阶

26、段，几乎在所有的例子中刚生产出来的流体仍然是可流动的，通过蜡质结构的发展来形成静态倾点的条件需要一定的时间。在收缩流动时，这样的发展很可能会被剪切过程所改变。 如果在大部分线路上的液态产品已经被冷却到环境温度，那么很明显，管道中会有一点显著收缩流动。然而，要使得实验室测试有效，就需要一个能在收缩流动时改变液态产品凝胶状态的冷却步骤，这应该如此来解释。 假设冷却发生在停输期间，并且该流体的温度是可见蜡状固体形成温度以下（浊点或蜡温度），然后该流体将不再从广义表现符合阿仑尼乌斯关系的性质，降低温度会增加粘度。所得的蜡状固体悬浮液，将开始表现出流入阻力快速增加的趋势（Rnningsen等人，1991

27、）。随着进一步的冷却，蜡状固体的数量增加，直到悬浮液表现出越来越像固体的性质，如果在静态的（静态，无流动）条件下冷却，是可以达到按ASTM D97或ASTM D5853试验方法测得的倾点，当水平放置样品时5s内不流。Rnningsen等人表明，这种状态会在3.55.5%蜡状固体析出时达到（通过脉冲核磁共振确定）。其他估算给出了类似，甚至更低的值（Coutinho等人, 2002; Kan等人, 2002; Paso, 2005）。帕索展示的蜡晶分布3D图片和SENRA（2009）给出的关于胶凝和非凝胶状态对比的显微照片。而ASTM方法认识到，热预处理会影响了倾点温度，人们早已认识到，热历史和剪

28、切历史会影响粘性流动阻力，这同时也是倾点现象学状态初期的描绘(Gill和Russell, 1954; Ford等人, 1965; Wardhaugh和Boger, 1987; Wardhaugh等人, 1988; Wardhaugh和Boger, 1991b; Singh等人, 1999)。使用倾点作为生产系统规划的参考点，一直被认为是有缺陷的（Gill和Russell，1954年；Hutton，1959年）。Singh等人引入作为由控制应力流变仪测定的凝胶化温度为固体和液体的属性之间的有效平衡的概念进行更严格的选择。Singh等人介绍了一种更严密的关于胶凝化温度的替代概念，通过控制流变应力测

29、量来获得固体和液体的属性之间的有效平衡。Venkatesan等人（2002）扩展这个概念，进一步确认了凝胶化温度会受样品的热和剪切预处理的影响。Lopes da Silva 和Coutinho （2004）提炼了关于存储和损耗模量的交叉的解释，存储和损耗模量是相对于溶胶-凝胶转换而言的。 因此，这里有出现一系列明显的证据支持我们的经验，这个经验是基于：在冷却不同预处理的样品过程中，用不同剪切速率下对样品进行常规测量所得粘度。我们已发现，当以最慢的速率剪切（1.22或1/s的依赖于客户的偏好）时，记录的粘度总是在温度与参照样品胶凝化冷却速率（2/h）相同时引发更大的流动性，此时并没有施加剪切（静

30、态冷却）。在第4.6.1节，我们提出了一些剪切流对凝胶化的影响的例子。因此，我们同意工作人员上面所提到的经验，凝胶化的情况可以通过适量的剪切流效应来延迟。然而，在大多数情况下，明显是含蜡的流体，我们可以注意到温度与粘度的斜率是增加的，接近静态的凝胶化温度，这表明也许样品没有凝胶化，显然仍是流体，受剪切力的样品已经发生了某种形式的热力学过渡，它是独立的剪切。还应当指出的是，即使一个稳固的凝胶形成，继续进一步的冷却，体积收缩量增加，尽管高粘度条件的制约可能经常导致某种形式的聚合（分子间）或粘合（样品粘合到容器壁）的失败。 因此，我们认为当收缩流发生的时候，在大多数情况下，粘性增加的速率很可能会降低

31、，从而延缓了完全凝胶化状态的发生，并可能改变后续重启过程中的形变（Venkatesan等人，2005）。如果流动阻力（是否看作是表观粘度或屈服应力）达到所要求的流量下的水平（保持一个完整的液/凝胶连续和遵循热力学的收缩规律），而不能持久，那么管道断裂是不可避免的，因此还会产生空隙空间。这样的空隙空间将改变液体/凝胶的表观可压缩性，且其结果可能有助于重新启动的过程(Gill和Russell, 1954; Verschuur等人, 1971; Cawkwell和Charles, 1987; Hnaut等人, 1999; Thomason, 2000; Nossen等人, 2003; Davidso

32、n等人, 2007; Vinay等人, 2007; Lee, 2008; Wachs等人, 2009)。 如前所述，在任何给定的管道截面下，收缩流动表现出流动的变化率从最大值即刻度线的最高点到零点即收缩率为零的点，零点相当于一个液体玻璃温度计的液泡。因而这种流动的剪切效果有着类似变化。它遵循所产生的流动阻力在不同的沿线轨迹有着不同的变化的规律。在收缩率为零的点，流体将基本上是在静态的条件下冷却，同时剪切力将被施加到所述流体的其余部分，增加量主要在较高的点。认识到冷却阶段活动的重要意义后，就用简单的数值计算来预测其对流体/凝胶状态的影响。流体体积和随之而来的收缩引起的流量的变化是通过计算流体密度受温度变化的影响而得到的。当原油冷却并且蜡状固体开始在悬浮液中形成时，流体变得对剪切越来越