基于非平衡态热力学的含蜡原油管输过程蜡沉积机理研究

我国油田生产的原油多为含蜡高凝原油，准确掌握含蜡原油管道蜡沉积机理，对于保证管道的安全、经济运行具有重要意义。本项目运用非平衡态热力学有关理论和方法对含蜡原油管道内的蜡沉积过程及蜡沉积机理进行深入研究，主要包括建立输油非平衡过程的物理模型及数学模型，推导反映过程不可逆性的熵平衡方程与熵产率方程，给出输油主要不可逆过程间的非平衡定态线性耦合方式，研究管内原油蜡沉积速率定解问题的数值求解技术，完成原油管道蜡沉积规律的室内试验验证和修正，最后对典型含蜡原油管道进行低输量输送时蜡沉积机理及安全运行应用研究。本项目的研究对象属于同时存在扩散、传热、流体流动和相变等多个不可逆过程交叉作用的复杂热物理问题，研究内容具有重要理论意义和学术价值，研究成果将有助于推进交叉前沿学科非平衡态热力学的进一步向前发展，并可为油田生产企业制订科学管输方案、提高输送效率、降低输送成本，提供理论及技术支持。

我国所产原油大多为含蜡高凝原油，蜡沉积是原油管道生产运行中普遍存在的问题。本项目运用非平衡态热力学有关理论和方法开展了含蜡原油管道多场耦合蜡沉积机理的深入研究，具体完成了以下内容：1、根据管输原油内、外部传热特点建立了管输过程的非平衡物理模型，并在局域平衡假说和连续性假说的基础之上建立了管输过程的场平衡方程组。2、推导得到了管输原油非平衡热力过程的熵方程和传热、扩散及粘滞等不可逆现象由不同张量级“力”和“流”的双线性形式表达的熵产率方程，探究了输油过程熵产率的变化规律。3、推导得到了传热、扩散及粘滞等不可逆现象相互交叉的线性唯象方程组，揭示了各不可逆现象间通过提供“力”或影响唯象系数而产生耦合的作用机理。4、结合蜡沉积过程的熵产率分析和耦合作用机理，研究得到了蜡分子扩散速率和蜡沉积速率的确定方法，分析了不同输量、出站油温和环境温度对蜡分子扩散速率与蜡沉积速率的影响，对比了二者变化规律的异同。5、改造利用现有室内实验装置，进行了管流条件下的原油蜡沉积模拟实验，实验表明考虑热质耦合过程的蜡沉积速率计算结果与室内管道实验测得的蜡沉积速率结果基本吻合，印证了本课题运用非平衡态热力学理论研究含蜡原油管输蜡沉积过程的科学性。6、选取大庆油田典型低输量运行的含蜡原油管道进行应用研究，明确不同输油温度、不同输量及不同运行天数条件下管流结蜡量的特征及变化规律，定义并求解得出管道最优清蜡周期，分析了不同工况条件对清管周期的影响机制。本项目的研究完成对油田生产企业制定科学管输方案、提高输送效率、降低输送成本具有一定的理论和实际意义。研究成果获得11项奖励，取得国家专利9项，发表论文44篇，培养博士研究生4名，硕士研究生11名。