垢对蜡沉积物强度及聚乙烯管道清管特性的影响

doi:10.12422/j.issn.1672-6952.2024.04.005

辽宁石油化工大学学报 ›› 2024, Vol. 44 ›› Issue (4): 33-43.DOI: 10.12422/j.issn.1672-6952.2024.04.005

垢对蜡沉积物强度及聚乙烯管道清管特性的影响

卢晓东¹(), 陈伟², 尚培娟³, 王毅杰³, 庞永莉⁴, 谢伟¹, 曹俊杰¹, 黄启玉³()

^1.国家管网集团联合管道有限责任公司西部甘肃输油气分公司，甘肃兰州 730070
^2.海洋石油工程股份有限公司，天津 300450
^3.中国石油大学（北京）城市油气输配北京市重点实验室，北京 102249
^4.长庆工程设计有限公司，陕西西安 710018

收稿日期:2023-08-24 修回日期:2023-09-28 出版日期:2024-08-25 发布日期:2024-08-06
通讯作者: 黄启玉
作者简介:卢晓东（1983⁃），男，高级工程师，从事油气输运相关研究；E⁃mail：luxd01@pipechina.com.cn。
基金资助:
国家自然科学基金项目(1534007)

The Influence of Scale on the Strength of Wax Deposits and the Pigging Characteristics of Polyethylene Pipeline

Xiaodong LU¹(), Wei CHEN², Peijuan SHANG³, Yijie WANG³, Yongli PANG⁴, Wei XIE¹, Junjie CAO¹, Qiyu HUANG³()

^1.Western Gansu Oil and Gas Transportation Branch of National Pipe Network Group United Pipeline Co. ，Ltd. ，Lanzhou Gansu 730070，China
^2.Offshore Oil Engineering Co. ，Ltd. ，Tianjin 300450，China
^3.Beijing Key Laboratory of Urban Oil and Gas Distribution Technology，China University of Petroleum，Beijing 102249，China
^4.Changqing Engineering Design Co. ，Ltd. ，Xi'an Shaanxi 710018，China

Received:2023-08-24 Revised:2023-09-28 Published:2024-08-25 Online:2024-08-06
Contact: Qiyu HUANG

摘要/Abstract

摘要：

油井采出原油中含有泥沙、垢等颗粒物，在管输过程中颗粒物与原油中的蜡分子协同沉积，导致管道输量降低，严重时可能造成管道堵塞，影响原油管道安全输送。对掺垢蜡沉积物进行了屈服应力测试实验和显微特性实验；对室内聚乙烯管道进行了清管实验；基于清管实验结果，利用π定理建立了清管效率预测模型。结果表明，碳酸钙垢对蜡沉积物强度的影响存在临界垢质量分数；沉积物中含垢，会提高清管器的蜡层破坏力和清管效率；通过室内实验和第三方文献实验数据，验证了所建立的模型。

关键词: 屈服应力, 蜡沉积物强度, 临界含垢质量分数, 清管实验, 清管效率预测模型

Abstract:

The crude oil produced by oil wells contains sediment, scale and other particles, which are deposited together with the wax in the process of crude oil pipeline transportation. It leads to a decrease in pipeline throughput, and may cause pipeline blockage and affect the safety of transportation in severe cases.The yield stress test and microscopic characteristic experiments show that there is a critical scale containing ratio in wax deposits of the influence of calcium carbonate scale on the strength of wax deposits. And it is found that the wax deposits containing scale will increase the breaking force on the wax layer and the pigging efficiency of the pig through the indoor pigging experiment of polyethylene pipeline. Based on the data of pigging experiment, a prediction model of pigging efficiency was established by using the π theorem. The model was validated by indoor experiments and third?party literature experimental data.

Key words: Yield stress, Strength of wax deposits, Critical scale content mass fraction, Pigging experiment, Prediction model for pigging efficiency

中图分类号:

TE832

卢晓东, 陈伟, 尚培娟, 王毅杰, 庞永莉, 谢伟, 曹俊杰, 黄启玉. 垢对蜡沉积物强度及聚乙烯管道清管特性的影响[J]. 辽宁石油化工大学学报, 2024, 44(4): 33-43.

Xiaodong LU, Wei CHEN, Peijuan SHANG, Yijie WANG, Yongli PANG, Wei XIE, Junjie CAO, Qiyu HUANG. The Influence of Scale on the Strength of Wax Deposits and the Pigging Characteristics of Polyethylene Pipeline[J]. Journal of Liaoning Petrochemical University, 2024, 44(4): 33-43.

图/表 18

表1 原油的基础物性

Table 1 Basic physical properties of crude oil

凝点/℃	$ρ$ ₂₀/（kg $⋅$ m^-3）	析蜡点/℃	w（蜡）/%
33	877	53.11	19.90

表1 原油的基础物性

Table 1 Basic physical properties of crude oil

凝点/℃	$ρ$ ₂₀/（kg $⋅$ m^-3）	析蜡点/℃	w（蜡）/%
33	877	53.11	19.90

表2 现场蜡沉积物的基础物性

Table 2 Basic physical properties of Field wax deposits

析蜡点/℃	w（蜡）/%
71.10	57.30

图1 原油的黏温曲线

Fig.1 Viscosity?temperature curve of crude oil

图2 原油的析蜡特性曲线

Fig.2 Wax characteristics curve of crude oil

表3 蜡沉积物的质量分数

Table 3 Wax?oil mass ratio of wax deposits

编号	w（蜡沉积物）/%
1^#	10
2^#	20
3^#	30

图3 室内清管实验装置

Fig.3 Laboratory equipment for pigging

表4 3种蜡沉积物的屈服应力

Table 4 Yield stress of three kinds of wax deposits

编号	屈服应力/Pa
1^#	7 200
2 ^#	13 000
3^#	56 500

图5 垢质量分数不同的1#蜡沉积物的微观结构

Fig.5 Microscopic structure of 1# wax deposits containing different mass fractions of scales

图4 #蜡沉积物的应力?应变曲线和屈服应力变化曲线

Fig.4 Stress?strain curve and yield stress variation curve of 1# wax deposits

（a）蜡晶圆度（b）蜡晶边界分形维数（c）蜡晶面积分形维数图6　垢质量分数不同的蜡晶微观参数和屈服应力的变化

Fig.6 Changes of microscopic parameters and yield stress of wax crystals with different scale mass fractions

图7 固相沉积层的屈服应力测试结果（a） 1#固相沉积层（b） 2#固相沉积层（c） 3#固相沉积层

Fig.7 Yield stress test results of solid deposit

图8 不同类型清管器的清蜡阻力曲线

Fig.8 Wax removal resistance curves of different types of pig

Fig.10 Influence of pigging type on wax layer destructive force and pigging efficiency when scale mass fraction is 0 and 20%

图9 沉积层厚度为8.5 mm时垢质量分数对蜡层破坏力和清管效率的影响

Fig.9 Effect of scale mass fraction of 8.5 mm deposit on destructive force of wax layer and pigging efficiency

图11 e√π1与eπ2的线性关系图

Fig.11 Linear relationship between e√π1 and eπ2

表5 各个清管器预测模型的拟合参数

Table 5 Fitting parameters of each pig prediction model

清管器类型	a	b
球形清管器	88.273	-87.041
泡沫⁃80清管器	618.600	-617.330
泡沫⁃120清管器	446.230	-444.750
蝶形⁃80清管器	313.850	-312.130
蝶形⁃90清管器	166.900	-165.030

表6 室内验证实验的实测值和计算值对比

Table 6 Comparison of measured values and calculated values of laboratory verification experiments

清管器类型	$δ w$ /mm	w（垢）/%	$τ y$ /Pa	蜡层破坏力/N	清管效率实测值/%	清管效率计算值/%	相对误差/%
泡沫⁃80	8.5	0	32 000	53	90	94.18	4.64
	8.5	20	50 000	60	92	82.74	-10.07
	6.5	0	32 000	42	82	89.34	8.95
	6.5	20	50 000	50	85	79.33	-6.67
	8.5	0	72 000	71	69	75.23	9.03
	8.5	20	125 000	83	71	65.49	-7.76
	6.5	0	72 000	63	63	72.12	14.48
	6.5	20	125 000	78	66	62.79	-4.86
泡沫⁃120	8.5	0	32 000	48	92	98.54	7.11
	8.5	20	50 000	55	93	89.78	-3.46
	6.5	0	32 000	41	89	94.48	6.16
	6.5	20	50 000	46	91	89.78	-1.34
	8.5	0	72 000	61	78	80.55	3.27
	8.5	20	125 000	70	80	72.49	-9.39
	6.5	0	72 000	52	74	80.55	8.85
	6.5	20	125 000	60	77	72.49	-5.86
蝶形⁃80	8.5	0	32 000	48	81	83.55	3.15
	8.5	20	50 000	52	79	76.61	-3.03
	6.5	0	32 000	40	78	80.10	2.69
	6.5	20	50 000	55	80	73.45	-8.19
	8.5	0	72 000	85	68	71.76	5.53
	8.5	20	125 000	90	71	65.62	-7.58
	6.5	0	72 000	70	65	68.80	5.85
	6.5	20	125 000	81	69	62.92	-8.81
蝶形⁃90	8.5	0	32 000	50	88	95.70	8.75
	8.5	20	50 000	58	89	91.67	3.00
	6.5	0	32 000	46	85	91.76	7.95
	6.5	20	50 000	56	89	87.89	-1.25
蝶形⁃90	8.5	0	72 000	89	82	88.91	8.43
	8.5	20	125 000	101	80	85.49	6.86
	6.5	0	72000	78	76	85.24	12.16
	6.5	20	125000	83	78	81.96	5.08

表6 室内验证实验的实测值和计算值对比

Table 6 Comparison of measured values and calculated values of laboratory verification experiments

清管器类型	$δ w$ /mm	w（垢）/%	$τ y$ /Pa	蜡层破坏力/N	清管效率实测值/%	清管效率计算值/%	相对误差/%
泡沫⁃80	8.5	0	32 000	53	90	94.18	4.64
	8.5	20	50 000	60	92	82.74	-10.07
	6.5	0	32 000	42	82	89.34	8.95
	6.5	20	50 000	50	85	79.33	-6.67
	8.5	0	72 000	71	69	75.23	9.03
	8.5	20	125 000	83	71	65.49	-7.76
	6.5	0	72 000	63	63	72.12	14.48
	6.5	20	125 000	78	66	62.79	-4.86
泡沫⁃120	8.5	0	32 000	48	92	98.54	7.11
	8.5	20	50 000	55	93	89.78	-3.46
	6.5	0	32 000	41	89	94.48	6.16
	6.5	20	50 000	46	91	89.78	-1.34
	8.5	0	72 000	61	78	80.55	3.27
	8.5	20	125 000	70	80	72.49	-9.39
	6.5	0	72 000	52	74	80.55	8.85
	6.5	20	125 000	60	77	72.49	-5.86
蝶形⁃80	8.5	0	32 000	48	81	83.55	3.15
	8.5	20	50 000	52	79	76.61	-3.03
	6.5	0	32 000	40	78	80.10	2.69
	6.5	20	50 000	55	80	73.45	-8.19
	8.5	0	72 000	85	68	71.76	5.53
	8.5	20	125 000	90	71	65.62	-7.58
	6.5	0	72 000	70	65	68.80	5.85
	6.5	20	125 000	81	69	62.92	-8.81
蝶形⁃90	8.5	0	32 000	50	88	95.70	8.75
	8.5	20	50 000	58	89	91.67	3.00
	6.5	0	32 000	46	85	91.76	7.95
	6.5	20	50 000	56	89	87.89	-1.25
蝶形⁃90	8.5	0	72 000	89	82	88.91	8.43
	8.5	20	125 000	101	80	85.49	6.86
	6.5	0	72000	78	76	85.24	12.16
	6.5	20	125000	83	78	81.96	5.08

表7 清管效率实测值与本文清管效率预测模型计算值对比

Table 7 Comparison of pigging efficiency measured value and pigging efficiency prediction model calculated value

清管器类型	$δ w$ /mm	$τ y$ /Pa	文献[6]清管效率实测值/%	本文预测模型清管效率计算值/%	相对误差/%
蝶形⁃80	6	53 400	89.60	72.71	18.85
	6	11 300	57.50	64.03	11.36
	4	49 100	81.30	70.65	13.10
	4	40 300	80.90	73.35	9.33
蝶形⁃90	6	129 000	80.40	81.97	1.95
	6	53 100	89.80	87.61	2.44
	4	53 400	89.70	83.76	6.62
	4	76 500	88.00	81.32	7.59

表7 清管效率实测值与本文清管效率预测模型计算值对比

Table 7 Comparison of pigging efficiency measured value and pigging efficiency prediction model calculated value

清管器类型	$δ w$ /mm	$τ y$ /Pa	文献[6]清管效率实测值/%	本文预测模型清管效率计算值/%	相对误差/%
蝶形⁃80	6	53 400	89.60	72.71	18.85
	6	11 300	57.50	64.03	11.36
	4	49 100	81.30	70.65	13.10
	4	40 300	80.90	73.35	9.33
蝶形⁃90	6	129 000	80.40	81.97	1.95
	6	53 100	89.80	87.61	2.44
	4	53 400	89.70	83.76	6.62
	4	76 500	88.00	81.32	7.59

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垢对蜡沉积物强度及聚乙烯管道清管特性的影响

The Influence of Scale on the Strength of Wax Deposits and the Pigging Characteristics of Polyethylene Pipeline

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