我国生产的原油80.doc

1.1课题的研究背景和意义我国大多数油气田原油中都含有石蜡和沥青组分，有些油田的含蜡量甚至高达百分之八十。在开采过程中，随着油气藏温度、压力的变化，原油中石蜡会逐渐析出，沉积在井壁，甚至堵塞井筒，影响油气田的正常生产，各大油气田也想进办法来预测和防治石蜡沉积带来的伤害。早期的研究多数局限在石蜡沉积的两个主要因素上面，而不是石蜡沉积的原因。而后人们开始展开石蜡沉积、热力学和动力学方面的研究，提出很多重要结论和认识。目前，已有的蜡沉积预测模型很多，但是这些预测方法多半依赖于实验参数，准确性还不理想。因此，研究我国含蜡原油管道的蜡沉积规律及蜡沉积的影响因素，提出简单、实用且具有一定普适性的蜡沉积模型，准确地预测实际管线中蜡沉积层厚度的沿线分布，指导含蜡原油管道的生产和输送，具有及其重要的意义1-4。1.2国内外研究现状国内外对蜡沉积问题的研究已经有相当长的时间，实验技术和理论研究都相对成熟。研究者对蜡晶的析出、蜡沉积的主要影响因素已取得了较为一致的认识，并提出了许多有意义的蜡沉积模型。1.2.1蜡沉积机理原油在流动过程中不断地向周围环境散热,当油温下降到原油浊点原油中蜡晶开始析出的温度时,蜡晶微粒便开始在油流中或管壁上析出。若油流主体管中心处和管壁之间有温差存在,由于蜡在原油中的溶解度是温度的函数,所以在油流主体和管壁之间必然有溶解蜡分子或蜡晶粒子的浓度差存在,由于浓度梯度的存在,溶解的蜡分子和析出的蜡晶微粒可以三种方式向壁迁移,并借助分子间力而沉积于管壁上,三种迁移方式为溶解蜡分子的径向扩散蜡晶微粒的布朗运动蜡晶粒子的剪切分散。这三种迁移机理又可归结为二个过程,即溶解蜡分子的扩散过程和蜡晶微粒的横向迁移过程。1.2.2蜡沉积的主要影响因素管输条件下，影响原油蜡沉积的因素6-7主要包括原油物性、原油所处的温度场以及流动影响。原油物性是影响蜡沉积最根本的内在因素：随着原油含蜡量、碳数分布、PNA比例、胶质沥青质含量、水及机械杂质含量等的差异，蜡沉积速率及沉积物性质相应地有所不同。一般地讲，低温时剪切弥散在蜡沉积过程中占主导地位；高温时分子扩散占主导地位。另外，管道的热力条件是蜡沉积过程的控制性因素，油壁温差是驱使蜡分子扩散、蜡晶沉积的主要动力。当管壁温度低于析蜡点且低于油温时，蜡分子将沿着径向浓度梯度方向扩散并可能沉积到管壁上，蜡沉积量随油壁温差的增大而增加。现有研究成果已证明：不同的温度区间和油壁温差对蜡沉积物的组成、强度等都有重要影响。不同的流动条件下，剪切冲刷对蜡沉积有重要影响。目前多数研究者认为：管壁剪切率较小时，流速与蜡沉积量同向变化；管壁剪切率增大到一定值时，流速与蜡沉积量反向变化。在此过程中，沉积物中的蜡含量逐渐增加，蜡质由软变硬。21.2.3蜡沉积数学模型目前，研究蜡沉积规律一般是从理论分析入手，结合室内模拟实验，建立半理论半经验的蜡沉积模型，并在更宽的范围和条件下对其进行检验。这些模型包括蜡析出模型、蜡沉积模型，他们综合了相平衡、胶体化学和流体力学等多学科的知识。？蜡沉积模型原油中石蜡沉积过程是一个非常复杂的问题，一方面是因为油气体系的组成十分复杂，各组分对石蜡沉积的影响有待进一步研究，另一方面石蜡沉积过程要涉及到许多理论问题，如蜡的溶解结晶、流体动力学、传质动力学及传热学等。目前，对含蜡油藏流体中石蜡沉积机理尚不完全清楚，虽然对沉降规律的内因作了重要的探讨，但还未有一致的统一认识，存在多种解释理论。Burger等人8最早提出的蜡沉积模型是由分子扩散和剪切弥散机理加和得到，是一个半经验模型，没有考虑油流冲刷的影响。Hamouda等人9用管壁剪切率区别分子扩散、剪切弥散及油流冲刷对蜡沉积速率的贡献，提出了“蜡沉积倾向系数”，并建立了蜡沉积模型。Hsu等人1011沿用Burger思想，根据分子扩散和剪切弥散为机理建立蜡沉积模中国石油大学（华东）工程硕士学位论文型，并提出了“临界蜡强度”，以此作为放大参数将室内预测的蜡沉积速率放大到实际管线中。Singh等人1214认为蜡分子扩散过程中会在壁面形成两层，紧靠壁面的是初始沉积层，为不流动层；另外一层是浊点层，该层内的流体温度低于析蜡点，蜡晶正是在此层形成并沉积在固液界面上的。1.3本文研究的内容本文在调研国内外石蜡沉积动力学相关理论的基础上，深入分析各个油田参数对石蜡沉积动力学的影响，剖析油气井实际生产过程中石蜡沉积机理，测试目标油样的石蜡沉积点和沉积量，建立新的石蜡沉积动力学预测模型。编制石蜡沉积动力学预测模型软件，对现场石蜡沉积进行预测，验证模型的可靠性，为现场油气田清防蜡工艺提供技术指导。模型假设：（1）石蜡沉积主要以分子扩散和剪切沉积两种机理为主；（2）忽略粒子扩散、重力沉降等；（3）忽略不是蜡分子浓度差引起的扩散。1、扩散沉积扩散沉积过称如图所示：图1 石蜡在井壁上的沉积过程在生产过程中，井壁温度小于油流温度，这样在任意井深位置就会产生一个径向温度梯度。随着井深的变化，离井口越近，温度约低。当井壁温度低于析蜡点时，石蜡就会以晶体形式在井壁析出。这时，径向温度梯度就会产生一个径向蜡浓度梯度。使得油流中蜡分子浓度高于管壁处的浓度。从而使得石蜡分子从油流中心向井壁扩散，在井壁形成一层蜡-油包裹的蜡胶体层。石蜡分子扩散过称满足质量守恒，其数学表达式如下：在井壁沉积的蜡量=油流中向井壁对流扩散的蜡量-蜡胶体层界面处的蜡量 （1）式中，为没有蜡沉积时油管半径，；为石蜡沉积后油流半径，；为蜡胶体层中蜡的固相质量分数，无量纲；为油管轴向步长，；蜡胶体层密度，；为质量传递系数，；油流中蜡的浓度，；为界面层蜡的浓度，；为界面温度，。在井壁处形成的蜡胶体层，由于捕获了一定量的原油，所以是疏松的，存在着大量小空隙，再加上界面层和井壁也存在温度差，所以在蜡层内部同样存在扩散，即界面扩散。蜡胶体层内部的界面扩散过程又叫石蜡的“老化”，这使得石蜡胶体层随时间的增加越来越致密，以致全部变成蜡层。界面扩散的数学表达式如下：蜡胶体层中增加蜡量=油流中扩散到蜡胶体层内的蜡量-界面层内部的蜡对流扩散量 （2）其中，为蜡胶体层内部蜡分子有效扩散系数，；为蜡胶体层中蜡的浓度梯度，。在蜡沉积整个过程中还满足能量守恒，即：油流与界面层对流的热量=从油流中传到管壁的热量-蜡层潜在的热量 （3）其中，为传热系数，；为蜡胶体层有效热传导系数，；为石蜡的凝固热，。整理可得： （4）其中，为管壁温度，；油流的热传导系数，；假定热传导在蜡胶体层径向上是稳定的，则径向温度梯度为： （5）其中蜡在油中的溶解度是温度的函数，可表示为： （6）式中，为饱和油中蜡的浓度，；对温度求导得： （7）2、剪切沉积下图为剪切沉积过程。在低剪速（层流）条件下，剪切力小，对蜡沉积量影响不大；在高剪切（紊流）速度下，剪切力大，从而剪切对沉积量影响较大。流体呈紊流形态时，悬浮于油流中的蜡晶粒子在涡流作用下迅速迁移，因此在流线的任一位置上蜡晶粒子的浓度基本上是均一的。但是在流体在湍流时的边界层内，则存在着速度梯度（切变速率），常称之为速度梯度场（切变速率场）在速度梯度场中，悬浮于油流中的蜡晶粒子，若不考虑粒子间的相互作用，则除了沿流线方向运动外，在油流的剪切下，还可以一定的角速度转动，如图4所示.结果，蜡晶粒子将逐渐地由速度高处向速度低处迁移，即逐渐向壁靠拢，当其达到壁面处时，其线速度和角速度都将迅速减小，最终停止不动，并借分子间范德华引力沉积于管壁上或并入已形成的不流动层上，这就是蜡晶粒子的剪切沉积。剪切沉积速度可由下式给出：图2 剪切沉积示意图 （8）式中，为剪切沉积量，为无量纲常数；为沉积厚度，；为剪切力，；为无量纲常数。2、求解由式（1）得：为了消去的平方项，令，则上式可变为： （9）式（2）可变为： （10）由式（4）、（5）联立迭代可求得，；式（6）、（7）联立迭代可求得，将所求参数代入（9）、（10）并联立这两方程，利用朗格库塔法可求解此方程组。3、参数的求解有效扩散系数的计算：其中，为常数，为蜡分子扩散系数，用Hayduk-Minhas方法求得：其中，为油流温度，为粘度，mPa.s，为石蜡摩尔体积，；是的函