玻璃钢管壁_原油界面特性对高含水原油低温集输的影响_张富强.pdf

投稿网址：http：/辽宁石油化工大学学报JOURNAL OF LIAONING PETROCHEMICAL UNIVERSITY第43卷 第2期2023 年4月Vol.43 No.2Apr.2023玻璃钢管壁/原油界面特性对高含水原油低温集输的影响张富强1,2，王坤3，高丽娟4，王多琦4，黄启玉1（1.中国石油大学（北京）机械与储运工程学院，北京 102249；2.中国石油工程项目管理公司 天津设计院，天津 300457；3.中国石油规划总院，北京 100083；4.中石化江苏石油工程设计有限公司，江苏 扬州 225012）摘要：我国大部分油田已进入开采中后期，油井采出液含水率较高，玻璃钢管道因其良好的抗腐蚀性广泛应用于油田地面集输系统。同时，为了节约加热能耗，可采用低温集输工艺输送高含水原油，但可能出现的原油黏附问题严重威胁系统安全。因此，探究玻璃钢管壁/原油界面特性，对揭示高含水原油低温集输黏附机理具有重要意义。基于接触角仪探究了含蜡原油在玻璃钢和不锈钢表面的界面特性。结果表明，在水相中，油滴在不同材质平板的接触角随温度的降低而增大，且油滴在玻璃钢表面的接触角大于在不锈钢表面的接触角，油滴在水相中的界面张力随温度的降低而增大；与不锈钢表面相比，油滴在玻璃钢表面的黏附功较小，油滴之间的内聚功随温度的升高而减小；在集输系统中，凝油不易黏附于玻璃钢管道，玻璃钢管道更有利于低温集输工艺的实施。关键词：高含水原油；低温集输；玻璃钢管道；界面特性中图分类号：TE832 文献标志码：A doi：10.3969/j.issn.16726952.2023.02.007Effect of Interface Characteristics of FRP Pipe Wall/Crude Oil on LowTemperature Transportation of High WaterCut Crude OilZhang Fuqiang1,2，Wang Kun3，Gao Lijuan4，Wang Duoqi4，Huang Qiyu1（1.College of Mechanical and Transportation Engineering，China University of Petroleum（Beijing），Beijing 102249，China；2.Tianjin Design Institute of CNPC Project Management Company，Tianjin 300457，China；3.PetroChina Planning and Engineering Institute，Beijing 100083，China；4.Jiangsu Petroleum Engineering Design Co.，Ltd.，SINOPEC，Yangzhou Jiangsu 225012，China）Abstract:Most of the oil fields in China have entered the middle and late stage of exploitation,and the well produced fluid has a high water content.FRP pipes are widely used in surface gathering system of oilfield because of their excellent corrosion resistance.At the same time,in order to save heating energy,lowtemperature transportation process can be used to transport high watercut crude oil,but the possible adhesion problem of crude oil is a serious threat to system safety.Therefore,it is important to investigate the interfacial properties of FRP pipe wall/crude oil to reveal the adhesion mechanism of lowtemperature transportation of crude oil with high watercut.The interfacial properties of crude oil on the FRP surface and stainless steel surface were investigated based on the contact angle apparatus.In the aqueous phase,the contact angle of oil droplet on the solid surface increased with decreasing temperature,and the contact angle of oil droplet on the FRP surface is larger than that on the stainless steel surface.The interfacial tension of oil droplet increased with decreasing temperature in the aqueous phase,and compared to the stainless steel surface,the adhesion work of oil droplet on the FRP surface is lower.And the cohesion work of oil droplet decreased with increasing temperature in the aqueous phase.Crude oil is not easy to adhere to the FRP pipe in the gathering system,FRP pipe is more conducive to the implementation of lowtemperature transportation process.Keywords:High watercut crude oil；Lowtemperature transportation；Fiber reinforced plastics pipe；Interface characteristics文章编号：16726952（2023）02004205收稿日期：20220926 修回日期：20221023基金项目：国家自然科学基金项目（51534007）。作者简介：张富强（1996），男，硕士研究生，从事高含水原油低温集输黏附特性方面的研究；Email：。通信联系人：黄启玉（1969），男，博士，教授，博士生导师，从事油库安全、原油流变性和原油蜡沉积等方面的研究；Email：。第 2 期张富强等.玻璃钢管壁/原油界面特性对高含水原油低温集输的影响我国部分油田已经进入开采中后期，油井采出液含水率显著升高，造成地面集输管线加热能耗与日俱增12，高含水原油低温集输工艺正逐渐取代传统的加热输送工艺。高含水工况虽然改善了油田采出液的流动性，但在低温集输条件下，当管线的输送温度降低至黏壁温度时，原油会黏附于管道内壁面并形成凝油层，缩小管道的有效流通面积，致使井口回压增大，严重威胁油田集输系统的安全3。为了缓解集输管线内部腐蚀和结垢等问题45，玻璃钢管线应用于油田现场68，其抗腐蚀性强、管道强度高和保温效果好的特点为低温集输工艺的实施提供了有利条件。因此，亟需明确玻璃钢管道表面特性对高含水原油低温集输黏壁规律的影响，以确定科学的集输管线输送温度，提高油田集输系统的经济效益910。部分学者对固体表面/液滴的界面特性进行了相关研究。朱子涵11测试了水滴与不同矿物表面的接触角，并得到了矿物表面与水滴间的黏附功随接触角的变化趋势。R.Silva 等12测试了油滴在固体表面被氧化前后的接触角，发现被氧化的固体表面亲水性更强，通过材质氧化的方法可以把疏水表面转换为亲水表面。S.Saraji 等13测试了不同类型的沥青质对多孔介质润湿性的影响。结果表明，沥青质的吸附主要受多孔介质的影响，沥青质类型对吸附的影响较小。H.Lu 等14通过实验定量分析了液滴的变形和运动。结果表明，在相同流速下，与接触角较小的液滴系统相比，接触角较大的液滴系统在下游接触点的移动速度快，说明在润湿性较好的固体表面需要更大的剪切力驱动液滴。原油的黏壁规律研究也取得了较大的进展。田东恩15针对高含水原油的黏壁温度进行了实验，得到了黏壁温度与含水率和流量之间的关系，并提出了低温集输黏壁温度计算式。H.M.Zheng等16利用环道实验探究了凝点与管壁温度的差值、流量和原油综合含水率对原油黏壁特性的影响，并建立了黏壁温度和黏壁速率的计算模型。吴浩等17针对稠油和含蜡原油分别进行了黏壁实验。结果表明，高含水原油在运行过程中存在某一临界温度；当实验温度高于该临界温度时，原油基本不黏壁；当实验温度低于该临界温度时，管道内原油的黏壁质量显著增大，极大地影响集输管线的稳定运行。张莹18利用稠油进行了原油黏壁实验，发现温度是影响高含水条件下稠油黏壁的主要因素；搅拌桨转速越大，壁面所黏附的凝油越少，当壁面凝油的黏附作用与搅拌桨的剪切剥离作用达到动态平衡后，时间对黏附层的厚度没有影响。张燕等1920根据原油黏壁过程阐述了凝油的黏壁机理，并根据理论分析过程建立了黏壁温度的计算模型。李鸿英等21利用改进后的冷指试验装置探究了剪切力、温度和含水率等因素对管壁凝油黏附层厚度的影响，验证了黏壁行为与蜡沉积的不同。目前，相关学者已经探究了含蜡量、综合含水率和剪切强度等因素对含蜡原油黏壁规律的影响，得到了高含水含蜡原油的黏壁温度，但针对管材性质对原油黏壁规律影响的研究较少。玻璃钢与传统金属管道的表面特性区别较大，因此本研究利用接触角仪探究了含蜡原油油滴在玻璃钢和不锈钢表面的界面特性，并对其黏附功和内聚功进行了计算，以揭示不同管材性质对含蜡原油黏附特性的影响机理。1 实验部分 1.1 实验油样实验油样为 A 油井所产含蜡原油，实验水样为去离子水。实验之前测试了含蜡原油的基础物性及原油黏温曲线，结果见表 1、图 1。脱水后含蜡原油的反常点为 45 左右，当含蜡原油的温度高于45 时，含蜡原油呈现牛顿流体特性，其黏度随温度的升高逐渐降低，与剪切率无关。1.2 实验装置实验装置为接触角仪（见图 2），主要由样品载物台、微量注射器、LED 光源、高分辨率数码镜头、控温水箱（包括玻璃钢和不锈钢固体平板）组成。通过数码镜头采集油滴黏附于固体平板的图片，并利用软件对该图片进行分析，得到油滴在固体表面的接触角和水相中的界面张力。1.3 实验方法含蜡原油界面实验主要包括测试水相中油滴在固体平板上的接触角（见图 3（a）和水相中油滴的界面张力（见图 3（b）。实验油样的凝点低于35。当测试温度低于凝点时，含蜡原油发生相变，无法测试其接触角，因此实验温度设为原油凝表 1原油的基础物性50 热处理凝点/C3550/（kgm-3）824.0w（蜡）/%25.97析蜡点/58.10析蜡高峰温度/22.50图 1原油黏温曲线43辽宁石油化工大学学报第 43 卷点以上，每 5 为一间隔，测试范围为 4060。具体实验步骤如下：制备玻璃钢和不锈钢测试平板，并利用抛光机处理表面，保证两种材质表面的粗糙度相同；利用石油醚和蒸馏水擦拭表面，去除表面的油污，并用氮气干燥，对表面进行预处理；调整接触角仪使其保持水平，将预处理后的平板放入控温水箱，并向控温水箱内加