基于多孔网状结构的蜡分子扩散及其对沉积物径向性质的影响机理研究

The wax molecule diffusion and the wax content variation in wax deposits of waxy crude oil pipeline are complicated, which involve basic theories of heat and mass transfer, molecular dynamics, crystallization and rheology. This project is focused on the wax molecule movement characteristics and radial properties of wax deposits. The basic scientific problems are put forward and will be solved by the combined approach of experimental research, numerical simulation and theoretical analysis. The three-dimensional model of the porous network structure will be established from microscopic perspective. The effect of porosity, path tortuosity and morphological parameters of wax crystals on wax molecule diffusion will be quantified, and the effective diffusion coefficient of wax molecule will be deduced. In addition, the wax molecule diffusion, precipitation and deposition process will be converted to mathematical problems according to the theory of heat and mass transfer, molecular dynamics, so the model on radial direction wax content distribution could be established. Finally, the wax crystal microstructure and mechanical properties will be studied to reveal the internal relations between wax crystal microstructure and yield strength. The study will enrich and extend the solid deposition theory for waxy crude oil pipelines, and it will provide fundamental basis for the prediction of wax deposits and process control of pigging.

原油管道蜡沉积物内部的蜡分子扩散及径向含蜡量分布变化是一个复杂的动态过程，涉及传热传质学、分子动力学、结晶学、流变学等学科理论。本项目围绕沉积物内部的蜡分子扩散和沉积物径向性质进行，提炼出其中的基础科学问题，采用实验研究、数值模拟与理论分析相结合的技术手段完成。从微观尺度入手，构建沉积物多孔网状蜡晶结构三维模型，量化孔隙度、路径迂曲度、蜡晶形态参数对蜡分子扩散的影响，推导蜡分子有效扩散系数计算式；根据分子动力学、传热传质学等理论，将沉积物内部的蜡分子扩散、析出及沉积过程转换为数学问题，并建立沉积物径向含蜡量动态分布预测模型；对沉积物不同径向位置的蜡晶微观结构和力学特性进行研究，揭示微观蜡晶结构与宏观屈服强度的内在关系。该课题研究将丰富和扩展含蜡原油管道固相沉积理论，为管道蜡沉积物性质预测、清管工艺控制提供理论基础。

蜡沉积会造成管道输量降低、能耗增加、停输再启动困难等问题，若未及时采取科学的清蜡措施进行有效控制和处理，严重时甚至完全堵塞管道截面，造成巨大经济损失。能源安全是保证我国经济高质量发展的关键因素之一，目前我国原油管道总里程已超过3万公里，而我国所产原油的80%为含蜡原油，蜡沉积问题一直是国内外关注和研究的热点。本项目从微观角度入手，结合室内实验、数值计算和理论分析等手段研究蜡分子在沉积物内部扩散的动力学过程。采用静态及动态实验对沉积过程进行研究，对不同径向位置的沉积物进行取样并测试，明确了沉积物含蜡量、碳数分布、蜡晶微观形态及屈服应力等关键特性参数在径向上的分布特征，揭示了蜡分子在沉积物内部多孔网状结构中的扩散与反扩散内在驱动力及机理。发现了沉积物中的临界碳数与析蜡高峰碳数受温度等的影响规律。探究了蜡分子在扩散过程中受蜡晶颗粒、乳状液液滴分布的影响，计算了油蜡体系中的Gibbs自由能和范德华力，推导了有效扩散系数计算式。通过室内实验与现场取样，提出了沉积物固化边界、固化时间、固化含蜡量等概念，确定了沉积物固化边界为60%含蜡量，当沉积物含蜡量达到这一数值后很难继续增加，沉积物达到固化状态。基于分子动力学、传热传质学等理论，建立了沉积物径向含蜡量动态分布计算模型，可以预测不同径向位置沉积物的含蜡量动态变化情况。量化了沉积物屈服应力与含蜡量之间的关系，明确了沉积物屈服应力变化情况。研究成果为蜡沉积预测、清管器选型、清管工艺设计等工程问题提供了理论依据。对原油管道安全经济运行具有重要意义，将为国家经济发展和保障能源安全做出重要贡献。