CN110208500A - 一种原油管道蜡沉积物清管模拟实验方法 - Google Patents
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Abstract
一种原油管道蜡沉积物清管模拟实验方法，通过控制油流与管壁间温差，在清蜡测试管段进行蜡沉积实验，在达到预设沉积时间后，通过两端的压力传感器测得两端压力，并进一步得到清蜡测试段沉积层厚度，随后切换至清管流程，使清管器由发球筒发出，在油流推动下对清蜡测试段进行清管操作，并通过透明测试段观察清管器推动球前蜡塞或油蜡浆液的过程，并得到清蜡测试段蜡沉积前及清蜡后的质量，测得一次清管过程的清蜡效率。本发明通过对清蜡测试段沉积层厚度以及不同清管器一次清管过程的清蜡效率进行分析，以研究实际清管过程中的清蜡机理，解决实际管道通球清蜡过程中卡球、蜡堵等难题，为实际清管作业提供更科学的理论指导。
Description
技术领域
本发明属于原油管道蜡沉积物模拟设备技术领域，具体是一种原油管道蜡沉积物清管模拟实验方法。
背景技术
蜡沉积问题是含蜡原油管道在流动保障领域面临的严峻挑战。当管壁温度降低到原油析蜡点温度以下时，由于管壁处蜡分子溶解度降低，导致蜡分子从原油中析出形成蜡晶，并沉积在管壁上。而油流中心处温度高，蜡分子浓度大，蜡分子在分子扩散作用下不断向管壁处迁移，并形成蜡晶，致使在管壁形成蜡沉积层。由于含蜡原油在生产及运输过程中，外界环境温度通常低于油温，尤其在深水环境下，蜡沉积问题更为严重。随着蜡沉积层厚度的不断增加，会造成管道有效流通面积减小、管道输送能力下降、动力运行能耗增加等问题，蜡沉积问题严重时甚至会造成管道蜡堵或停产事故。因此，需采取相应措施来减缓蜡沉积问题带来的影响。现场生产中可采取管道保温或加热、添加化学药剂等方法解决蜡沉积问题，但这些方法经济性及可行性较差。目前，机械清管措施为含蜡原油管道最为常用的减缓蜡沉积的方法。通过定期向管道内投入清管器，从而清除管道内蜡沉积物，降低管道沿程摩阻，提高管道输送能力。
管道清管过程中，清管器在两端压差作用下，由油流推动在管道中前进。在前进过程中，清管器通过相应部件不断刮削管壁上的蜡沉积物，最终将其推出管外。在清管器运动过程中，其主要受到自身重力、球前后压差力、管壁摩擦阻力以及管壁蜡沉积物阻力作用。其中，管壁蜡沉积物阻力最为关键，其可分为蜡沉积物抗剪阻力与球前积蜡阻力，以上两个力共同决定了蜡层剥离过程与积蜡排出过程的本质。而目前在现场生产中，管道的清管作业严重依赖操作经验，缺乏清管器选用、清管周期制定等相应方面的理论指导。这使得在清管过程中，造成管道“卡球”、“蜡堵”甚至停产的风险极高。“卡球”是由于对球前蜡沉积物抗剪阻力估计不足造成的，而“蜡堵”则是由于球前积蜡阻力过大造成的。以上两种问题如不能及时解决，极易造成管道的停产停输事故。因此，为了保证含蜡原油管道的经济高效生产，很有必要研究清管过程中蜡沉积层的破坏、剥离规律、蜡塞生长规律以及油蜡浆液生长规律，建立用于指导清管作业的理论依据，提供更加低风险、高效率以及低成本的清管方案。
发明内容
针对上述背景技术存在的问题，本发明提供一种原油管道蜡沉积物清管模拟实验方法，可控性强、精确度高、实用性好，能够模拟管流条件下蜡沉积过程以及清管操作中的蜡层破坏、剥离过程、蜡塞生长过程、油蜡浆液生长过程，以研究实际清管过程中的清蜡机理，为实际管道清蜡提供更科学的理论指导。
为了实现上述目的，本发明一种原油管道蜡沉积清管模拟实验方法，包括清蜡环道***、收发球***以及数据测量与采集***，具体步骤如下：
1)取油样15L-35L，预热至实验温度，并恒温1.5h-2.5h；
2)将油罐和清蜡环道***中各管段连接水浴设定至预定温度，使清蜡测试段和透明测试段的恒温水套达到实验温度，并恒温0.3h-0.8h；
3)取1.5L-3.5L水浴用去离子水置于恒温水浴锅中，使其温度保持为清蜡测试段恒温水套的温度；
4)清蜡测试段恒温水套恒温0.3h-0.8h后，将清蜡测试段从清蜡环道***中拆下，置于支架上并保持水平，关停水浴，依次拔掉进、出水口乳胶软管，并通过进水口加入步骤(3)中预热好的去离子水，直至加满，采用橡胶塞密封，对进、出水口密封后的清蜡测试段进行称重，质量记为m0；
5)将步骤(1)中预热好的油样倒入油罐，启动螺杆泵并调节变频器转速，使原油流速达到实验流速；
6)在达到设定的蜡沉积实验时间后，关停螺杆泵，并根据清蜡测试管段两端的压差计算沉积层厚度，清蜡测试管段两端的压力由2#压力传感器和3#压力传感器测得；
7)启动吹扫流程：关闭阀门，打开扫线阀，启动空气压缩机，将清蜡环道***中管道内的剩余原油吹扫进入油罐1；
8)清扫结束后，打开清蜡测试段两端卡箍，拆卸清蜡测试段，保持其与水浴相连，将清蜡测试段置于支架上并保持水平，同时进水口竖直朝下，出水口朝上；
9)关停清蜡测试段控温水浴，拔掉与出水口连接的乳胶软管，并采用橡胶塞对出水口密封，随后将清蜡测试段垂直翻转180°，使进水口朝上，拔掉与进水口连接的乳胶软管，通过进水口加入步骤(4)中提前预热好的去离子水，直至加满，并用橡胶塞密封，对进、出水口密封后的清蜡测试段进行称重；
10)对步骤(10)中测得的清蜡测试段质量记录为m1；
11)将清蜡测试段置于支架并保持水平，翻转清蜡测试段使其出水口朝上，并依次拔掉进、出水口橡胶塞，同时进、出水口连接水浴乳胶软管，启动水浴，将清蜡测试段重新安装在清蜡环道***上；
12)再次启动螺杆泵，使油流在同样流速下循环1min，确保油流与蜡沉积物的充分接触和润湿；
13)切换工艺流程至清管流程，若清管器为泡沫清管器或常规清管器，则执行步骤(14)-(16)，若为射流清管器，则执行步骤(17)：
14)清蜡结束后，开启收球流程；
15)打开收球筒排污阀，放空收球筒内剩余原油，打开快开盲板，取出清管器，并取一定蜡塞试样放入取样瓶中，作进一步分析；
16)清管结束，关停螺杆泵；
17)启动高速摄影机，拍摄动态条件下透明测试段中沉积物颗粒流动及沉降情况，在4#压力传感器指示清管器通过后，关闭螺杆泵，依次关闭透明测试段下游球阀和上游球阀，观察静态条件下透明测试段内沉积物颗粒沉降情况，通过取样器2116下部的取样口2111对不同径向位置处的油蜡浆液进行取样,并化验浆液流变性、含蜡量等物性，用于分析清管后不同时间内油品物性的变化，为后续研究清管后管壁蜡沉积情况及管道运行情况提供基础数据。最后放空清蜡循环***中其余管道内的原油并取出清管器，之后重复步骤(7)-(9)，测得清蜡测试段质量为m2，从而由结蜡前后及清管前后清蜡测试段质量计算一次清管过程的清蜡效率；
18)再次启动空气压缩机31，打开放空阀33、扫线阀40，进行吹扫作业，并放空油罐1、发球筒36及清蜡环道***中各管段内的剩余原油。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
(1)本发明首次实现了室内模拟真实蜡沉积形成与清管过程的在线连续操作，考虑了原油对蜡沉积物、管壁、清管器的润湿作用，实现了管流条件下油流推动清管器进行清蜡的现场清管条件。
(2)本发明通过收发球工艺装置，实现了对发送及接收不同种类清管器的控制，清管器在管流条件下由实际油流压力驱动前进并进行清蜡，模拟了管流下原油对蜡沉积物、管壁以及清管器的润湿作用，且为量化研究原油管道管流条件下的蜡层破坏、剥离过程、蜡塞生长过程、油蜡浆液增长过程，在清蜡测试段前后设置压力传感器，实现了实时监测清蜡过程不同阶段压力变化规律，定量化描述了蜡沉积规律及不同清蜡阶段的规律，量化结果还可对机械拖拽研究可靠性进行说明评价。
(3)本发明通过透明测试段前后的上下游截断球阀，实现了对球前油蜡浆液的动静态研究及控制，通过安装在透明测试段上方的高速摄影机，实现了可视化并定量化地研究了动静态条件下，球前油蜡浆液中真实蜡沉积物颗粒分布及沉降规律。
(4)本发明通过油罐、清蜡测试段、透明测试段、管道连接的水浴和缠绕的保温层，实现了对装置各部位温度的调节与控制，并由热电偶温度传感器进行监测，实现了各测试管段温度和油温的精确调控；
(5)本发明通过对螺杆泵的变频调速，实现了对环道***中原油流速的调节与控制，并由流量传感器进行监测，以便于工作人员随时调控螺杆泵的流量；
(6)本发明通过不同类型的泡沫清管器，研究清管过程中的清蜡阻力和清蜡效率的影响规律，确定并优化了泡沫清管球的清蜡效果，首次实现了室内模拟泡沫清管器的清蜡操作过程。
(7)本发明射流清管器采用聚氨酯材质刮蜡板与钢骨架制成，并在刮蜡板上开孔形成旁通，使油流通过旁通形成射流，从而开展仅能在管流条件下进行的射流清管实验，首次实现了对管流条件下，射流清管实验及真实蜡沉积物颗粒形成的油蜡浆液室内模拟实验。
(8)本发明模拟实验方法，准确、便捷地测量了管流条件下不同种类清管器清管过程的清蜡效率，且测量过程中不会对沉积物性质产生影响，实现了模拟管流条件下蜡沉积过程以及清管操作中的蜡层破坏、剥离过程、蜡塞生长过程、油蜡浆液生长过程，以研究实际清管过程中的清蜡机理，建立用于指导实际清管作业的理论依据，解决管道通球清蜡过程中面临的难题。
附图说明
图1为本发明清蜡环道循环***俯视图；
图2为图1主视图；
图3为本发明清蜡测试段剖面图；
图4为本发明透明测试段剖面图；
图5为本发明有牵引泡沫清管器结构示意图；
图6为本发明无牵引泡沫清管器结构示意图；
图7为本发明射流清管器结构示意图；
图8为本发明各清管器不同清蜡阶段压力变化情况图。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明作进一步说明。
如图1所示，应用本发明的试验方法的装置包括清蜡环道***、收发球***和数据测量与采集***，清蜡环道***包括依次连接成闭合回路的油罐1、螺杆泵2以及设置在检测管道52上的清蜡测试段17和透明测试段21，在该***中，油流循环由螺杆泵2提供动力，将油罐1内原油输入管道，依次经过螺杆泵2、清蜡测试段17、透明测试段21，最终返回油罐1。
所述清蜡测试段17和透明测试段21同轴设置，且清蜡测试段17和透明测试段21活动安装在检测管道53中；检测管道52水平设置在清蜡环道***中；清蜡测试段17，用于模拟实际原油运输中真实蜡沉积物形成过程，透明测试段21，用于观察对射流清管产生的油蜡浆液中非均一性真实蜡沉积物颗粒分布及沉降规律；
收发球***，包括与清蜡环道***连通的收球筒37和发球筒36，收球筒37和发球筒36一端分别同轴连接在检测管道52两端，发球筒36另一端通过发球旁通管线30与清蜡循环***连通，发球旁通管线30上连接有发球旁通阀门4，收球筒37另一端通过收球旁通管线27与清蜡循环***连通，收球旁通管线27上连接有收球旁通阀门28，所述发球筒36位于清蜡测试段17之前，收球筒37位于透明测试段21之后(以图1“上”为“前”，“下”为“后”)，用于模拟实际管道清管条件。
数据测量与采集***，主要对清蜡环道***相关压力、温度、流量数据进行监测，从而获得用于分析蜡沉积过程与清管过程的实验数据，包括计算机，以及连接在清蜡环道***中的压力传感器、电磁流量计39、热电偶温度传感器，清蜡环道***中的流量通过电磁流量计39测得，并显示在仪表盘上；热电偶温度传感器用于监测透明测试段17、清蜡测试段21和油罐1内的油温，压力传感器设有4个，分别设置在清蜡测试段17前后，用于监测清管器与管壁间的动摩擦力、清管过程中的清蜡阻力的变以及蜡塞或油蜡浆液的运移阻力，上述压力传感器采集的压力数据同步输出至计算机上，计算机将采集的压力数据点保存并输出。
油罐1与螺杆泵2之间连接有出油管104，螺杆泵2与检测管道52前端之间依次连接有扫线排空管401、立管3和第一直管段51，扫线排空管401上依次连接有扫线阀40和空气压缩机31，立管3呈竖直状态，第一直管段51分别与检测管道52和立管3垂直连接；检测管道52后端与油罐1之间连接有第二直线段53、进油管102，第二直管段53分别与检测管道52和进油管102垂直连接，所述发球旁通管线30与第一直线管段51连通，收球旁通管线27与第二直线管段53连通。
所述螺杆泵2的主要参数分别为：功率7.5kW，扬程60m，螺杆泵2的使用是为了能够使油流更加平稳，脉动更小，从而可为油流推动清管器条件下的数据采集提供更加准确稳定的动力数据。但即使油流平稳，如果出现仅有管道下部流体推动清管器运动，而上部为空气的情况，也会对动力数据的采集产生影响。因此，为了避免“不满流现象”对数据采集的影响，在第一直线管道51前采用了立管3结构，立管3高590mm，可有效避免“不满流现象”。
电磁流量计39连接在第一直管段51上，第一直管段51通过第一干线阀门41与检测管道52连接；发球筒36通过发球干线阀门13与检测管道52连接，发球干线阀门13与清蜡测试段17之间依次连接通球指示器14和1#压力传感器15，清蜡测试段17前、后端分别安装有2#压力传感器16和3#压力传感器17，清蜡测试段17与透明测试段21之间安装有4#压力传感器19；其中，1#压力传感器15与2#压力传感器16用于测量清管器与管壁间的动摩擦力；2#压力传感器16与3#压力传感器18用于实时测量清管过程中的清蜡阻力的变化；3#压力传感器18与4#压力传感器19用于测量蜡塞或油蜡浆液的运移阻力。上述压力传感器量程为0-1MPa，精度等级为0.05％FS，上述四个压力传感器采集的压力数据同步输出至计算机上，计算机将采集的压力数据点保存并输出。
透明测试段21前、后端分别连接有上游球阀20和下游球阀23，收球筒37通过收球干线球阀24与检测管道52连接；检测管道52通过第二干线阀门26与第二直管段53连接。
如图2所示，油罐1出油管104设在底部，出油管104上依次连接有阀门32、放空阀33，便于实验结束后通过放空阀33放空罐内原油，进油管102设置在油罐1上部，油流从上部进入油罐1，促进了罐内原油的扰动，有利于充分换热。为有利于原油在检测管道52内满流流动，进油管102的进油端为缩径口结构103，提高了油流在管道内的压力，有利于原油在管道内满流流动。
油罐1为环空结构105，油罐1上部设有进水口A101和出水口A106，且进水口A101、出水口A106与环空结构连通，进水口A101、出水口A106通过乳胶软管与控温水浴连接，油罐1温度由控温水浴控制。
为有助于水流均匀流过环空结构105的管壁，不产生水流的流动“死区”，保证环空结构105内温度的均匀分布，环空结构105中设置肋片式导流槽107，肋片式导流槽107在罐壁周向上均匀分布。
为更加清楚、准确地观察动态条件下透明测试段21中沉积物颗粒流动及沉降情况，在透明测试段21上方安装有高速摄影机，用于拍摄透明测试段21中沉积颗粒流动及沉降情况，从而对透明测试段21中非均一性蜡沉积物颗粒分布及沉降进行可视化及量化处理。
如图3和图4所示，为便于控制清蜡测试段17和透明测试段21的温度，清蜡测试段17和透明测试段21外部均套有保温管1703，清蜡测试段17与保温管1703、透明测试段21与保温管1703之间均形成环空间隙12mm的环空区域，保温管1703两端分别设有进水口1705和出水口1707，进水口1705和出水口1707分别通过乳胶软管与控温水浴连接，从而与环空区域贯通形成恒温水套1704，实现对清蜡测试段17和透明测试段21管壁温度的控制，为有利于恒温水套1704内的恒温流体与清蜡测试段17和透明测试段21内壁间的充分换热，保温管1703进水口1705在下部、出水口1707在上部；为一进步便于控制恒温水套1704内部的恒温水流，所述恒温水套1704内部设置两立插刀肋片式导流槽1706。
为延长清蜡测试段17的保温时间，清蜡测试段17的保温管1703外侧管壁敷设有橡塑保温棉。
实验时，通过控温水浴控制恒温水套1704的温度，从而控制清蜡测试段17和透明测试段21内壁的温度。
清蜡测试段17以及套设在清蜡测试段17外部的保温管1704，由不锈钢管制成，透明测试段17以及套设在其外部的保温管1704由亚克力材料制成。
如图4所示，为更加精确地了解到透明测试段21中油蜡浆液的真实情况，透明测试段21开设有三个用于取样的监测通道22，各通道分别相距300mm，孔径25mm，每个监测通道22内在透明测试段21外壁与保温管2106内壁之间安装有亚克力套管2104，为防止流体渗透，监测通道22两端通过橡胶旋塞2115密封，从而使监测通道22与透明测试段17和保温管2106密封。
每个亚克力套管2104内均设有取样器2116，取样器2116下部设有取样口2111，取样器2116分别穿过橡胶旋塞2115和亚克力套管2104探入到透明测试段17中径向不同位置(上、中、下)进行取样，通过取样器2116下部的取样口2111对透明测试段17中不同径向位置处的油蜡浆液进行取样，取样器2116上还设有调节旋钮2108，用于调节取样量。
为防止取样过程中造成跑、冒、滴、漏问题，取样器2116与橡胶旋塞2115通过弹性橡胶圈2117连接，弹性橡胶圈2117安装在橡胶旋塞2115上。
如图4所示，为了准确监测取样时取样位置处的温度，亚克力套管2104内嵌入有热电偶温度传感器，热电偶温度传感器由热电偶2109、热电偶补偿导线和显示仪表2107组成，热电偶2109通过热电偶补偿导线与显示仪表2107连接，显示仪表2107位于保温管1703外部，热电偶2109监测的温度由显示仪表2107读出。当取样器2116穿过亚克力套管进行取样时，取样器2116底部会推动热电偶2109至取样点，从而准确测得取样点的温度。
为实现清蜡测试段17和透明测试段21与检测管道52的快速安装和拆卸，如图3所示，清蜡测试段17两端为快速卡盘，通过卡箍连接在检测管道52上；如图4所示，透明测试段21通过法兰盘2102连接在检测管道52上。
当清蜡测试段17和透明测试段21安装在清蜡环道***上时，通过控制恒温水套1704的温度来控制油流与管壁间的温差，即可在清蜡测试段17上进行蜡沉积实验，在达到预设沉积时间后，将流程切换至清管工艺流程，使清管器由发球筒36发出，在油流推动下对清蜡测试段17进行清管操作，而清管器推动球前蜡塞或油蜡浆液的过程可由透明测试段21进行观察。
如图1所示，收、发球筒36、37由大球筒7、大小头11和小球筒12组成，大球筒7一端安装有快开盲板6，另一端通过大小头11与小球筒12连通，发球筒36的大球筒7靠近快开盲板6一端，通过发球旁通管线30与第一直线管段51连通，发球旁通管线30上连接有发球旁通阀门4。收球筒37的大球筒7靠近快开盲板6一端，通过收球旁通管线27与第二直线管段53连通，收球旁通管线27上连接有收球旁通阀门28；
由于收球筒37需要同时容纳下清管器与蜡塞，所以，收球筒37的大球筒7长度大于发球筒36的大球筒7；为了避免当清管器由小球筒12进入大小头11时速度减小，从而使清管器不能完全通过收球干线球阀24，导致收球干线球阀24在切换流程时不能关闭，因此，收球筒37的小球筒12长度大于发球筒36的小球筒12长度。
大小头11为缩径口结构，一端口径与大球筒7相同，另一端口径与小球筒12相同，大球筒7上连接有排污阀5、压力表8、安全阀9和排气阀10，排气阀10用于排出球筒内剩余气体；安全阀9用于泄放球筒内多余压力；压力表8用于监测球筒内压力变化；而排污阀5用于排放球筒内剩余原油。
为确保发球操作的迅速、灵活，快开盲板6通过卡箍与大球筒7连接在一起，并采用V型密封圈进行密封，有效地避免了原油泄漏。大球筒7管径为清管器外径的一倍，便于清管器收发球时的取出与放入，大小头11的设置便于在收发球时清管器的手动取出与安放。
为避免清管器携带磁力源对其清蜡过程造成的影响，以及管道距离短对磁感应通球判断准确性造成的影响，通球指示器14采用***式通球指示器，摆杆深入管道内，可沿管道轴向绕轴双向摆动。当清管器通过时，使得摆杆发生摆动，从而引起指示牌动作，摆杆采用了高弹性软质材料，从而不会对清管器造成较大阻力，也不会对蜡塞造成较大破坏。
为研究泡沫清管器性质对清蜡效果的影响，以及对比油流推动条件与机械拖拽条件下清蜡过程的不同，本发明设计了不同类型的泡沫清管器38，包括以下类型：无涂层泡沫清管器，由聚氨酯泡沫3803发泡制成，有80、120、180kg/m3三种密度类型；有涂层泡沫清管器，在由聚氨酯泡沫3803发泡制成的泡沫清管器表层，喷涂3mm高密度聚氨酯弹性体作为密封涂层3801，有65、75、85HA三种硬度类型(邵氏A硬度)；
有牵引泡沫清管器，如图5所示，有牵引带泡沫清管器采用聚氨酯泡沫3803在模具中以尼龙带3804为轴线进行整体发泡，使尼龙带3804与聚氨酯泡沫3803成为一体，最终成型，可应用于机械拖拽条件下的清管过程。相比于金属骨架，选用尼龙带作为牵引带，对聚氨酯泡沫的力学性能产生的影响更小。如图6所示，还有一种无牵引带泡沫清管器，即无牵引带的泡沫清管器，主要应用于油流推动清管器条件下的清管操作；
如图7所示，为了揭示射流清管器射流清蜡机理，在常规清管器和泡沫清管器基础上，本发明设计并加工了适用于管流清管条件下的射流清管器42，该射流清管器42包括开设有旁通孔4204的聚氨酯刮蜡板4203、压板4202和钢骨架4205；钢骨架4205由大直径圆柱体4207，以及安装在大直径圆柱体4207上部和下部的小直径圆柱体4208组成，聚氨酯刮蜡板4203套设在钢骨架4205上部和下部的小直径圆柱体4208上，压板4202中间开设有盲孔4209，通过盲孔4209套设在钢骨架4205的最顶端和最底端，且压板4202与钢骨架4205的最顶端和最低端之间设有压缩间隙4201；压板4202、聚氨酯刮蜡板4203和钢骨架4205的大直径圆柱体4207沿圆周方向均开设有多个轴向贯穿顶部和底部的通孔4206，螺栓穿过通孔将压板4202、聚氨酯刮蜡板4203和钢骨架4205连接为一个整体。刮蜡板4203上的旁通孔4204直径为1mm，射流清管器后油流可从该处通过，产生射流，从而对射流清管器42前清下的蜡沉积物产生冲击分散作用。
具体实验方法，包括以下步骤：
1)检查清蜡环道***中各部分设备是否完好，能否正常运行；各连接处能否有效连接且密封，有无存在跑、冒、滴、漏现象；各阀门开闭状态是否正确；
2)取油样20L，预热至实验温度，并恒温2h；
3)将油罐1和清蜡环道***中各管段连接水浴设定至预定温度，使清蜡测试段17和透明测试段21的恒温水套1704达到实验温度，并恒温0.5h，通过热电偶温度传感器监测恒温水套1704的温度；
4)将2L水浴用去离子水置于恒温水浴锅中，使其温度保持为清蜡测试段17恒温水套1704的温度，用以在测量清蜡效率时使用；
5)清蜡测试段17恒温水套恒温0.5h后，将清蜡测试段17从清蜡环道***中拆下，并置于支架上并保持水平，关停水浴，依次拔掉进、出水口1705、1707乳胶软管，并通过进水口1705加入步骤(4)中预热好的去离子水，直至加满，采用橡胶塞密封，对上述进、出水口1705、1707密封后的清蜡测试段17进行称重，质量记为m0；
6)将步骤(2)中预热好的20L油样倒入油罐1，启动螺杆泵2并调节变频器转速，使原油流速达到实验流速；
7)在达到设定的蜡沉积实验时间后，关停螺杆泵2，并根据清蜡测试管段17两端的压差计算沉积层厚度，清蜡测试管段17两端的压力由2#压力传感器和3#压力传感器测得，清蜡测试管段17两端的压差计算沉积层厚度，以对比不同类型清管器清蜡效果，如表4所示，所述沉积层厚度计算公式如下：
其中，ΔP为清蜡测试段17运行压差，单位为Pa；R0为清蜡测试段17初始管径，单位为m；Q为清蜡测试段17质量流量，单位为kg/h；L为清蜡测试段17长度，单位为m；μ油品粘度，单位为Pa·s。
8)启动吹扫流程：关闭阀门32，打开扫线阀40，启动空气压缩机，将清蜡环道***中管道内的剩余原油吹扫进入油罐1；
9)清扫结束后，打开清蜡测试段17两端卡箍，拆卸清蜡测试段17，保持其与水浴相连，将清蜡测试段17置于支架上并保持水平，同时水浴连接进水口1705竖直朝下，出水口1706朝上；
10)关停清蜡测试段17控温水浴，拔掉与出水口1707连接的乳胶软管，并采用橡胶塞将出水口1707密封，随后将清蜡测试段17垂直翻转180°，使进水口1705朝上，拔掉与进水口1705连接的乳胶软管，通过进水口1705加入步骤(4)中提前预热好的去离子水，直至加满，并用橡胶塞密封，对进、出水口1705、1707密封后的清蜡测试段17进行称重；
11)对步骤(10)中测得的清蜡测试段17质量记录为m1；
12)将清蜡测试段17置于支架并保持水平，翻转清蜡测试段17使其出水口1707朝上，并依次拔掉进、出水口1705、1707橡胶塞，同时连接乳胶软管，启动水浴，将清蜡测试段17重新安装在清蜡环道***上；
13)再次启动螺杆泵2，使油流在同样流速下循环1min，确保油流与蜡沉积物的充分接触和润湿；
14)切换工艺流程至清管流程，步骤如下：
14.1)将清管器放入发球筒36大球筒7中，并推至大小头11处，关闭快开盲板6；
14.2)依次打开旁通阀门4与发球干线阀13，关闭干线阀门41，清管器在油流推动下前进，当通球指示器14动作时，发球成功，在运行过程中，1#、2#、3#、4#压力传感器15、16、18、19将测得的压力值传送至计算机保存并输出；
若清管器为泡沫清管器38或常规清管器，所述常规清管器为直板清管器、蝶形清管器等，当泡沫清管器38或常规清管器运行到1#、2#压力传感器15、16之间，测试的两者压力差为清管器与管壁之间的摩擦力(基线力)，当清管器运行到2#、3#压力传感器16、18之间，测得的压力差为清蜡过程的清蜡阻力变化情况，而3#、4#压力传感器18、19测得的压力差为运移蜡塞的积蜡阻力；对于射流清管器42，当射流清管器42运行到2#、3#压力传感器16、18之间，同样记录基线力，当清管器运行到2#、3#压力传感器16、18之间，测得清蜡阻力(此处指基线力、蜡层破坏力与运移该段长度油蜡浆液所需压力三者之和)，3#、4#压力传感器记录运移油蜡浆液所需压力，根据以上数据计算不同清管器清管过程中的球壁间摩擦力(基线力)、蜡层破坏力、积蜡阻力；
14.3)打开干线阀门41，关闭旁通阀门4和发球干线阀门13；
若清管器为泡沫清管器38或常规清管器，则执行步骤(15)-(17)，若为射流清管器，则执行步骤(18)：
15)清蜡结束后，开启收球流程，步骤如下：
15.1)依次打开收球干线阀门24及旁通阀门28，关闭干线阀门26，当清管器进入到收球筒37小球筒后，收球指示器25动作，收球成功；
15.2)打开干线阀门26，并依次关闭收球干线阀门24与旁通阀门28；
16)打开收球筒37排污阀5，放空收球筒37内剩余原油，打开快开盲板6，取出清管器，并取一定蜡塞试样放入取样瓶中，作进一步分析；
17)清管结束，关停螺杆泵2。
18)启动高速摄影机，拍摄动态条件下透明测试段21中沉积物颗粒流动及沉降情况，在4#压力传感器指示清管器通过后，关闭螺杆泵2，依次关闭透明测试段下游球阀23和上游球阀20，观察静态条件下透明测试段21内沉积物颗粒沉降情况，并通过取样器2116下部的取样口2111对不同径向位置处的油蜡浆液进行取样，化验浆液流变性、含蜡量等物性，用于分析清管后不同时间内油品物性的变化，为后续研究清管后管壁蜡沉积情况及管道运行情况提供基础数据。最后放空清蜡循环***中其余管道内的原油并取出清管器，之后重复步骤(8)-(10)，测得清蜡测试段17质量为m2，从而由结蜡前后及清管前后清蜡测试段17质量计算一次清管过程的清蜡效率，计算公式如下：
19)再次启动空气压缩机31，打开放空阀33、扫线阀40，进行吹扫作业，并放空油罐1、发球筒36及清蜡环道***中各管段内的剩余原油。
本发明提供了一种原油管道蜡沉积物清管模拟实验方法，在管道输送条件下，蜡组分沉积在管内壁上形成蜡沉积层，随后清管器在油流推动作用下在管道内前进并进行清蜡；这是首次实现对现场管流条件下真实蜡沉积层形成过程及清管过程的室内模拟。本发明实现了：1.室内模拟实现了真实蜡沉积物形成过程及清管过程的模拟实验方法。2.管流条件下实际油流推动清管器前进并进行清管，考虑了原油对蜡沉积物、管壁及清管器的润湿作用；3.室内模拟了管道清管广泛采用的泡沫清管器的清管过程；4.室内模拟了实际清管广泛采用的射流清管器42的清管过程，为观察油蜡浆液中真实沉积物颗粒提供必要条件；5.通过高速摄影观察透明测试段中油蜡浆液，对浆液中非均一性真实蜡沉积物颗粒分布及沉降规律进行可视化及量化处理。
实施例：
在表1所示实验条件下，进行蜡沉积实验。达到蜡沉积实验设定时间后，切换为清管流程。在表2所示实验条件下，进行清管作业。对于射流清管器42，在表3所示实验条件下，观察动态条件和静态条件下油蜡浆液中真实蜡沉积物颗粒沉降情况。
实验条件：
(1)蜡沉积实验条件
表1蜡沉积实验条件
| 循环介质 | 油温(℃) | 壁温(℃) | 运行时间(h) | 流速(m/s) |
| 原油 | 41 | 31 | 72 | 0.5 |
(2)清管实验条件
表2清管实验条件
(3)动态、静态条件下油蜡浆液中真实蜡沉积物颗粒沉降实验条件
表3动态、静态条件下沉积物颗粒沉降实验条件
实验结果及分析：
(1)蜡沉积物厚度及含蜡量
在上述蜡沉积实验条件下，分别进行四次重复试验，得到用于各清管器清管实验的蜡沉积物厚度及含蜡量如表4所示。
表4各清管器清管所用蜡沉积物的厚度及含蜡量
由表1可知，在同样实验条件下，四次蜡沉积实验所得到的蜡沉积物的厚度和含蜡量重复性好，可用于对比不同类型清管器清蜡效果。
(2)不同类型清管器的清蜡压力及清蜡效率，如图8所示，不同类型清管器在清管过程中具有不同清蜡阶段，各清管器在不同阶段所对应压力以及其清蜡效率如表5所示。
表5各清管器清蜡效率及不同清蜡阶段压力
根据表5，对比常规清管器与泡沫清管器38可知，前者的清蜡效率要高于后者，说明常规清管器清洁能力更强，但更大的蜡层破坏力以及蜡塞运移力也体现了常规清管器具有更高的卡堵风险。而泡沫清管器38虽然清洁能力不强，但更为安全可靠。对比射流清管器42与前两组清管器可以看出，射流清管器42在清管过程中无蜡塞形成，从而降低了因蜡塞导致的清管器卡堵风险，但也引入了浆液性质恶化带来的潜在凝管风险。另外，与常规清管器相比，由于射流清管器42自身压力泄露的特点，使得更高的蜡层破坏力并没有带来更强的清洁能力。
(3)动态、静态条件下油蜡浆液中蜡沉积物颗粒沉降规律
①动态条件下流速对沉积物颗粒沉降影响情况
通过不同流速介质推动射流清管器进行清蜡，从而观察了清蜡过程中透明测试段21内沉积物颗粒的沉降情况如表6所示。
表6动态条件下不同流速下沉积物颗粒沉降情况
| 流速(m/s) | 0.3 | 0.5 | 0.7 |
| 有无沉积物颗粒沉降 | 有颗粒沉降 | 无颗粒沉降 | 无颗粒沉降 |
由表6可知，射流清管器42清管过程中，在流速0.3m/s时，透明测试段21内存在蜡沉积物颗粒沉降，而在0.5m/s和0.7m/s时，则不存在沉降。这是由于低流速情况下，透明测试段21底部沉积物颗粒不能被流体带走，从而导致了沉降。
②静态条件下沉积物颗粒尺寸对沉降时间影响情况
清蜡过程结束后，关闭透明测试段21上、下游球阀20、23，从而研究了静态条件下透明测试段21内不同沉积物颗粒尺寸的沉降时间如表7所示。
表7静态条件下不同沉积物颗粒尺寸的沉降时间
由表7可知，透明测试段21内蜡沉积物颗粒在静态条件下总体沉降规律表现为，沉降时间随沉积物颗粒尺寸增大而变短，随管壁温降低而变长。这是由于尺寸增大，受自身重力作用增大而使沉降速度加快。而随管壁温度的降低，白油黏度增加，使蜡沉积物的受到向上的粘性阻力增大，沉降速度减慢。
Claims (15)
1.一种原油管道蜡沉积清管模拟实验方法，包括清蜡环道***、收发球***以及数据测量与采集***；其特征在于，具体步骤如下：
1)取油样15L-35L，预热至实验温度，并恒温1.5h-2.5h；
2)将油罐(1)和清蜡环道***中各管段连接水浴设定至预定温度，使清蜡测试段(17)和透明测试段(21)的恒温水套(1704)达到实验温度，并恒温0.3h-0.8h；
3)取1.5L-3.5L的水浴用去离子水置于恒温水浴锅中，使其温度保持为清蜡测试段(17)恒温水套(1704)的温度；
4)清蜡测试段(17)恒温水套(1704)恒温0.3h-0.8h后，将清蜡测试段(17)从清蜡环道***中拆下，并置于支架上并保持水平，关停水浴，依次拔掉进、出水口(1705、1707)乳胶软管，并通过进水口(1705)加入步骤(3)中预热好的去离子水，直至加满，采用橡胶塞密封，对进、出水口(1705、1707)密封后的清蜡测试段(17)进行称重，质量记为m0；
5)将步骤(1)中预热好的油样倒入油罐(1)，启动螺杆泵(2)并调节变频器转速，使原油流速达到实验流速；
6)在达到设定的蜡沉积实验时间后，关停螺杆泵(2)，并根据清蜡测试管段(17)两端的压差计算沉积层厚度，清蜡测试管段(17)两端的压力由2#压力传感器和3#压力传感器测得；
7)启动吹扫流程：关闭阀门(32)，打开扫线阀(40)，启动空气压缩机(31)，将清蜡环道***中管道内的剩余原油吹扫进入油罐(1)；
8)清扫结束后，打开清蜡测试段(17)两端卡箍，拆卸清蜡测试段(17)，保持其与水浴相连，将清蜡测试段(17)置于支架上并保持水平，同时进水口(1705)竖直朝下，出水口(1706)朝上；
9)关停清蜡测试段(17)控温水浴，拔掉与出水口(1707)连接的乳胶软管，并采用橡胶塞对出水口(1707)密封，随后将清蜡测试段(17)垂直翻转180°，使进水口(1705)朝上，拔掉与进水口(1705)连接的乳胶软管，通过进水口(1705)加入步骤(3)中提前预热好的去离子水，直至加满，并用橡胶塞密封，对进、出水口(1705、1707)密封后的清蜡测试段(17)进行称重；
10)对步骤(10)中测得的清蜡测试段(17)质量记录为m1；
11)将清蜡测试段(17)置于支架并保持水平，翻转清蜡测试段(17)使其出水口(1707)朝上，并依次拔掉进、出水口(1705、1707)橡胶塞，同时进、出水口(1705、1707)连接水浴乳胶软管，启动水浴，将清蜡测试段(17)重新安装在清蜡环道***上；
12)再次启动螺杆泵(2)，使油流在同样流速下循环0.8min-1.2min，确保油流与蜡沉积物的充分接触和润湿；
13)切换工艺流程至清管流程，若清管器为泡沫清管器(38)或常规清管器，则执行步骤(14)-(16)，若为射流清管器(42)，则执行步骤(17)：
14)清蜡结束后，开启收球流程；
15)打开收球筒(37)排污阀(5)，放空收球筒(37)内剩余原油，打开快开盲板(6)，取出清管器，并取一定蜡塞试样放入取样瓶中，作进一步分析；
16)清管结束，关停螺杆泵(2)；
17)启动高速摄影机，拍摄动态条件下透明测试段(21)中沉积物颗粒流动及沉降情况，在4#压力传感器指示清管器通过后，关闭螺杆泵(2)，依次关闭透明测试段下游球阀(23)和上游球阀(20)，观察静态条件下透明测试段(21)内沉积物颗粒沉降情况，并通过取样器(2116)下部的取样口(2111)对透明测试段(21)内的油蜡浆液进行取样，化验浆液流变性、含蜡量等物性，用于分析清管后不同时间内油品物性的变化，为后续研究清管后管壁蜡沉积情况及管道运行情况提供基础数据；最后放空清蜡循环***中其余管道内的原油并取出清管器，之后重复步骤(7)-(9)，测得清蜡测试段(17)质量为m2，从而由结蜡前后及清管前后清蜡测试段(17)质量计算一次清管过程的清蜡效率；
18)再次启动空气压缩机(31)，打开放空阀(33)、扫线阀(40)，进行吹扫作业，并放空油罐(1)、发球筒(36)及清蜡环道***中各管段内的剩余原油。
2.根据权利要求1所述的一种原油管道蜡沉积清管模拟实验方法，其特征在于，清管流程包括以下步骤：
1)将清管器放入发球筒(36)大球筒(7)中，并推至大小头(11)处，关闭快开盲板(6)；
2)依次打开旁通阀门(4)与发球干线阀(13)，关闭干线阀门(41)，清管器在油流推动下前进，当通球指示器(14)动作时，发球成功，在运行过程中，1#、2#、3#、4#压力传感器(15、16、18、19)将测得的压力值传送至计算机保存并输出；
3)打开干线阀门(41)，关闭旁通阀门(4)和发球干线阀门(13)。
3.根据权利要求2所述的一种原油管道蜡沉积清管模拟试验方法，其特征在于，收球流程包括以下步骤：
1)依次打开收球干线阀门(24)及旁通阀门(28)，关闭干线阀门(26)，当清管器进入到收球筒(37)小球筒后，收球指示器(25)动作，收球成功；
2)打开干线阀门(26)，并依次关闭收球干线阀门(24)与旁通阀门(28)。
4.根据权利要求1所述的一种原油管道蜡沉积物清管模拟实验方法，其特征在于，清蜡环道***包括依次连接成闭合回路的油罐(1)、螺杆泵(2)以及安装在检测管道(52)上的清蜡测试段(17)和透明测试段(21)；所述清蜡测试段(17)和透明测试段(21)同轴设置；清蜡测试段(17)，用于模拟实际原油运输中真实蜡沉积物形成过程，透明测试段(21)，用于观察对射流清管产生的油蜡浆液中非均一性真实蜡沉积物颗粒分布及沉降规律；
收发球***，包括与清蜡环道***连通的收球筒(37)和发球筒(36)，收球筒(37)和发球筒(36)一端分别同轴连接在检测管道(52)两端，发球筒(36)另一端通过发球旁通管线(30)与清蜡循环***连通，发球旁通管线(30)上连接有发球旁通阀门(4)，收球筒(37)另一端通过收球旁通管线(27)与清蜡循环***连通，收球旁通管线(27)上连接有收球旁通阀门(28)，所述发球筒(36)位于清蜡测试段(17)之前，收球筒(37)位于透明测试段(21)之后；
数据测量与采集***，包括计算机，以及连接在清蜡环道***中的压力传感器和热电偶温度传感器，热电偶温度传感器，用于监测透明测试段(17)、清蜡测试段(21)和油罐(1)内的油温，压力传感器分别设置在清蜡测试段(17)前后，用于监测清管器与管壁间的动摩擦力、清管过程中的清蜡阻力的变以及蜡塞或油蜡浆液的运移阻力，上述压力传感器采集的压力数据同步输出至计算机上，计算机将采集的压力数据点保存并输出。
5.根据权利要求4所述的一种原油管道蜡沉积物清管模拟实验方法，其特征在于，油罐(1)与螺杆泵(2)之间连接有出油管(104)，螺杆泵(2)与检测管道(52)前端之间依次连接有扫线排空管(401)、立管(3)和第一直管段(51)，扫线排空管(401)上依次连接有扫线阀(40)和空气压缩机(31)，立管(3)呈竖直状态，第一直管段(51)分别与检测管道(52)和立管(3)垂直连接；检测管道(52)后端与油罐(1)之间连接有第二直线段(53)、进油管(102)，第二直管段(53)分别与检测管道(52)和进油管(102)垂直连接，所述发球旁通管线(30)与第一直线管段(51)连通，收球旁通管线(27)与第二直线管段(53)连通。
6.根据权利要求5所述的一种原油管道蜡沉积物清管模拟实验方法，其特征在于，数据测量与采集***，还包括连接在清蜡环道***中的电磁流量计(39)，电磁流量计(39)，用于监测清蜡环道***中的流量，并显示在仪表盘上；
电磁流量计(39)连接在第一直管段(51)上，第一直管段(51)通过第一干线阀门(41)与检测管道(52)连接；发球筒(36)通过发球干线阀门(13)与检测管道(52)连接，发球干线阀门(13)与清蜡测试段(17)之间依次连接通球指示器(14)和1#压力传感器(15)，清蜡测试段(17)前、后端分别安装有2#压力传感器(16)和3#压力传感器(17)，清蜡测试段(17)与透明测试段(21)之间安装有4#压力传感器(19)；透明测试段(21)前、后端分别连接有上游球阀(20)和下游球阀(23)，收球筒(37)通过收球干线球阀(24)与检测管道(52)连接；检测管道(52)通过第二干线阀门(26)与第二直管段(53)连接。
7.根据权利要求4所述的一种原油管道蜡沉积清管模拟实验方法，其特征在于，出油管(104)设在底部，出油管(104)上依次连接有阀门(32)、放空阀(33)，进油管(102)设置在油罐(1)上部，进油管(102)的进油端为缩径口结构(103)。
8.根据权利要求7所述的一种原油管道蜡沉积清管模拟实验方法，其特征在于，油罐(1)为环空结构(105)，油罐(1)上部设有进水口A(101)和出水口A(106)，且进水口A(101)、出水口A(106)与环空结构连通，进水口A(101)、出水口A(106)通过乳胶软管与控温水浴连接；环空结构(105)中设置肋片式导流槽(107)，肋片式导流槽(107)在罐壁周向上均匀分布。
9.根据权利要求4所述的一种原油管道蜡沉积清管模拟实验方法，其特征在于，清蜡测试段(17)和透明测试段(21)外部均套有保温管(1703)，清蜡测试段(17)与保温管(1703)、透明测试段(21)与保温管(1703)之间均形成一个环空区域，保温管(1703)两端分别设有进水口(1705)和出水口(1707)，进水口(1705)和出水口(1707)分别通过乳胶软管与控温水浴连接，与环形区域贯通形成恒温水套(1704)，保温管(1703)进水口(1705)在下部，出水口(1707)在上部，所述保温管(1703)内部设置两立插刀肋片式导流槽(1706)。
10.根据权利要求4-9任一项所述的一种原油管道蜡沉积清管模拟实验方法，其特征在于，在透明测试段(21)上方安装有高速摄影机，用于拍摄透明测试段(21)中沉积颗粒流动及沉降情况，从而对透明测试段(21)中非均一性蜡沉积物颗粒分布及沉降进行可视化及量化处理。
11.根据权利要求10所述的一种原油管道蜡沉积清管模拟实验方法，其特征在于，透明测试段(21)开设有三个用于取样的监测通道(22)，每个监测通道(22)内在透明测试段(21)外壁与保温管(2106)内壁之间安装有亚克力套管(2104)，且监测通道(22)两端通过橡胶旋塞(2115)密封。
12.根据权利要求11所述的一种原油管道蜡沉积清管模拟实验方法，其特征在于，每个亚克力套管(2104)内均设有取样器(2116)，取样器(2116)下部设有取样口(2111)，取样器(2116)分别穿过橡胶旋塞(2115)和亚克力套管(2104)探入到透明测试段(17)中不同径向位置进行取样，取样器(2116)上还设有调节旋钮(2108)；取样器(2116)与橡胶旋塞(2115)通过弹性橡胶圈(2117)连接，弹性橡胶圈(2117)安装在橡胶旋塞(2115)上。
13.根据权利要求12所述的一种原油管道蜡沉积清管模拟实验方法，其特征在于，亚克力套管(2104)内嵌入有热电偶温度传感器，热电偶温度传感器由热电偶(2109)、热电偶补偿导线和显示仪表(2107)组成，热电偶(2109)通过热电偶补偿导线与显示仪表(2107)连接，显示仪表(2107)位于保温管(1703)外部，热电偶(2109)监测的温度由显示仪表(2107)读出。
14.根据权利要求4所述的一种原油管道蜡沉积清管模拟实验方法，其特征在于，收、发球筒(36、37)由大球筒(7)、大小头(11)和小球筒(12)组成，大球筒(7)一端安装有快开盲板(6)，另一端通过大小头(11)与小球筒(12)一端连通，小球筒(12)另一端通过发球干线阀门(13)与检测管道(52)连通，其中，收球筒(37)的大球筒(7)和小球筒(12)长度均大于发球筒(36)的大球筒(7)和小球筒(12)；所述大小头(11)为缩径口结构，一端口径与大球筒(7)相同，另一端口径与小球筒(12)相同，大球筒(7)上连接有排污阀(5)、压力表(8)、安全阀(9)和排气阀(10)；快开盲板(6)通过卡箍与大球筒(7)连接在一起，并采用V型密封圈进行密封，大球筒(7)管径为清管器外径的一倍。
15.根据权利要求10所述的一种原油管道蜡沉积清管模拟实验方法，其特征在于，还包括泡沫清管器(38)和射流清管器(42)，射流清管器(42)包括开设有旁通孔(4204)的聚氨酯刮蜡板(4203)、压板(4202)和钢骨架(4205)；钢骨架(4205)由大直径圆柱体(4207)，以及安装在大直径圆柱体(4207)上部和下部的小直径圆柱体(4208)组成，聚氨酯刮蜡板(4203)套设在钢骨架(4205)上部和下部的小直径圆柱体(4208)上，压板(4202)中间开设有盲孔(4209)，通过盲孔(4209)套设在钢骨架(4205)的最顶端和最底端，且压板(4202)与钢骨架(4205)的最顶端和最低端之间设有压缩间隙(4201)；压板(4202)、聚氨酯刮蜡板(4203)和钢骨架(4205)的大直径圆柱体(4207)沿圆周方向均开设有多个轴向贯穿顶部和底部的通孔(4206)，螺栓穿过通孔将压板(4202)、聚氨酯刮蜡板(4203)和钢骨架(4205)连接为一个整体。
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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