超重油降粘中超聲波作用的研究

徐德龍，鄧京軍，李超，白立新，丁彬，羅健輝

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超重油降粘中超聲波作用的研究

徐德龍1，鄧京軍1，李超1，白立新1，丁彬2，羅健輝2

中國科學(xué)院聲學(xué)研究所，北京 100190；2.中國石油集團(tuán)科學(xué)技術(shù)研究院，北京 100083)

以委內(nèi)瑞拉超重油和新疆風(fēng)城超重油為研究對象，進(jìn)行了超聲輔助降粘的研究。在實(shí)驗(yàn)中，制備了兩類四種實(shí)驗(yàn)樣品：分別摻入20%和30%柴油的兩種委內(nèi)瑞拉超重油樣品、在O/W降粘體系下制備的委內(nèi)瑞拉超重油樣品和風(fēng)城超重油樣品。使用頻率為18 kHz的超聲變幅桿和24 kHz的超聲清洗槽對上述四種實(shí)驗(yàn)樣品進(jìn)行超聲處理，結(jié)果表明：1) 對摻入20%和30%柴油的委內(nèi)瑞拉超重油，經(jīng)過超聲處理的超重油樣品在20℃時(shí)粘度分別增高了25%和15%以上；2) 在O/W降粘體系超重油降粘中，風(fēng)城超重油樣品經(jīng)過超聲作用后，在20℃粘度降低了25%以上，而降粘劑的使用量可減少20%，超聲輔助降粘效果明顯；3) 在O/W降粘體系超重油降粘中，委內(nèi)瑞拉超重油樣品經(jīng)過超聲處理后，在14℃時(shí)，超聲處理過的樣品的粘度降低不高于25%，在高于這一溫度的情況下則未觀察到明顯的粘度降低。文中對上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果產(chǎn)生的原因進(jìn)行了定性的分析。

超聲波；超重油；降粘；降粘劑；O/W降粘體系

0 前言

隨著世界石油資源的日益緊缺，超重油的開發(fā)利用越來越得到人們的重視。在我國已探明的儲(chǔ)量中，超重油占有較大比重，尤其是西部地區(qū)，超重油比重更大。近年來，我國積極參與國際市場石油資源的競爭，獲得的開發(fā)區(qū)塊大多位于石油資源較為豐富的非洲、南美州，而這些區(qū)塊的石油資源大多也是超重油。因此，如何降低超重油的表觀粘度，改善超重油的流動(dòng)性，不僅對超重油的開發(fā)和運(yùn)輸具有重要技術(shù)支撐，而且對我國獲取更多可采儲(chǔ)量石油資源有重要意義[1]。

超重油密度大、粘度高的特性使它的開采和運(yùn)輸?shù)碾y度極大，常規(guī)的開采方法很難用于超重油的開采。為了解決超重油的開采、輸運(yùn)問題，人們已發(fā)展了可用于加熱降粘，稀釋降粘和表面活性劑降粘的超聲、微波、電磁等多種降粘方法，這些方法與其他技術(shù)相結(jié)合，在一定的條件下均可降低稠油粘度，提高其流動(dòng)性，從而提高采收率[2,3]。

作為原油降粘的物理方法之一，超聲降粘利用在超聲激勵(lì)下產(chǎn)生的空化效應(yīng)、機(jī)械效應(yīng)、熱效應(yīng)而使原油產(chǎn)生顯著的物理、化學(xué)變化，從而使之粘度下降，流動(dòng)性增加?，F(xiàn)有的超聲波降粘的研究成果多以稠油為研究對象[4-8]，對超重油研究不多，而且迄今為止，除利用超聲加熱效應(yīng)降粘以外的超聲降粘的物理機(jī)理尚不清楚。此外，由于各油田產(chǎn)出油物理、化學(xué)性質(zhì)的差異，這些成果還未得到良好的大規(guī)模應(yīng)用效果。本文以南美委內(nèi)瑞拉和新疆風(fēng)城的超重油為研究對象，進(jìn)行超聲波輔助降粘的初步研究。

1 實(shí)驗(yàn)材料和儀器

本文中使用的實(shí)驗(yàn)儀器包括DVRV-III流變儀(Brookfield)，恒溫水浴和小樣適配器、天平、超聲變幅桿(中國科學(xué)院聲學(xué)研究所，18 kHz，實(shí)驗(yàn)中輸入電功率150 W)、超聲清洗槽(24 kHz，北京金星超聲波設(shè)備技術(shù)有限公司，實(shí)驗(yàn)中輸入電功率600 W)等。

原油樣品包括委內(nèi)瑞拉超重油、新疆風(fēng)城超重油兩種，其主要物理性質(zhì)參數(shù)見表1。在實(shí)驗(yàn)中測得原油的原始粘溫曲線見圖1。從圖1可看出，風(fēng)城原油和委內(nèi)瑞拉原油均為非牛頓流體，兩者粘溫曲線變化趨勢相近，由于委內(nèi)瑞拉原油的獲取困難、運(yùn)輸成本高，因此在進(jìn)行室內(nèi)超聲輔助降粘實(shí)驗(yàn)和現(xiàn)場試驗(yàn)時(shí)，可先期選用較易獲得的風(fēng)城原油進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

在實(shí)驗(yàn)中，柴油摻混中所用的柴油為0#柴油，其粘溫曲線見圖2。在對柴油粘溫曲線的測量過程中，還考察了粘度測量系統(tǒng)的影響因素：小樣適配器底部溫度和水浴溫度的影響、剪切率和剪切應(yīng)力的影響、轉(zhuǎn)子類型和速率的影響、測試時(shí)間間隔的影響、測量系統(tǒng)的一致性和穩(wěn)定性等，限于篇幅，在此不多述。通過這些工作，盡量排除粘度測量中的干擾因素，將原油粘度測量系統(tǒng)的測量誤差降至最低。

在超聲輔助O/W降粘體系降粘實(shí)驗(yàn)中，使用的是中國石油科學(xué)技術(shù)研究院研制的強(qiáng)親油、弱親水的活性大分子降粘劑，根據(jù)已建立的風(fēng)城超重油O/W降粘體系下進(jìn)行原油、水、降粘劑實(shí)驗(yàn)用乳化液的配制[9]。下文中“標(biāo)準(zhǔn)劑量”中原油、水、降粘劑摻混比例為10: 3: 0.2(重量比，下同)；“80%標(biāo)準(zhǔn)劑量”中油、水、降粘劑摻混比例為10: 2.4: 0.16。

表1 委內(nèi)瑞拉和風(fēng)城超重油物理性質(zhì)

圖1 委內(nèi)瑞拉原油和風(fēng)城原油粘溫曲線

圖2 0#柴油的粘溫曲線

2 柴油稀釋降粘中的超聲作用

首先，對摻入柴油的委內(nèi)瑞拉超重油樣品進(jìn)行了超聲降粘實(shí)驗(yàn)。在實(shí)驗(yàn)中，首先將配好的原油樣品裝入100 ml的燒杯中。在超聲變幅桿的處理中，將超聲變幅桿浸入盛有原油樣品的燒杯中進(jìn)行處理，原油樣品放在水浴中，保持溫度不超過50 ℃；在超聲清洗槽的處理中則是將燒杯浸入清洗槽中處理，清洗槽中液體是自來水，在實(shí)驗(yàn)前，先將水溫升至50 ℃并保持穩(wěn)定。

柴油稀釋降粘中的實(shí)驗(yàn)結(jié)果見圖3和圖4。從圖3中可知：(1) 對摻入20%(重量比，下同)柴油的委內(nèi)瑞拉原油，經(jīng)過超聲變幅桿和超聲清洗槽處理后的摻柴油，在20 ℃時(shí)，原油粘度升高25%以上；(2) 其中：超聲變幅桿處理2 min后的原油粘度升高的最大；超聲清洗槽處理3 min和15 min后的原油粘度升高的幅度次之；(3) 超聲清洗槽處理3 min和15 min原油粘度升高的幅度相近。從圖4可知，對摻入30%柴油的委內(nèi)瑞拉原油，經(jīng)過超聲清洗糟處理3 min后，在20℃時(shí)，原油粘度升高15%以上。

圖3 摻入20% 0#柴油委內(nèi)瑞拉原油的粘溫曲線

圖4 摻入30％0#柴油委內(nèi)瑞拉原油的粘溫曲線

對原油樣品經(jīng)過超聲處理后出現(xiàn)粘度升高的現(xiàn)象，有人曾觀測到類似結(jié)果[10]，并且給出了最優(yōu)輸入功率、頻率、處理時(shí)間等。造成這種現(xiàn)象可能的原因是：(1) 超聲處理提高了原油中大分子量成分(如瀝青質(zhì)成分等)的溶解度，促進(jìn)了其溶解；(2) 原油中大分子成分的溶解導(dǎo)致其屈服壓力的升高，從而造成測量粘度的升高。(3) 另外，在使用超聲變幅桿進(jìn)行處理時(shí)，其高聲強(qiáng)導(dǎo)致的溫度過快升高造成原油中輕質(zhì)油成分的揮發(fā)以及原油的焦化炭化也可使經(jīng)過超聲處理的超重油的粘度升高(本文對此在實(shí)驗(yàn)中采取降溫措施予以避免)。

在現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)條件下，從實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，對摻入了20%和30%柴油的原油，經(jīng)過超聲作用不僅沒有使其粘度降低，反而造成粘度升高，其中的機(jī)理和確切原因尚需進(jìn)一步研究?？梢源_知的是，本實(shí)驗(yàn)條件下的超聲處理不適用于摻柴油的委內(nèi)瑞拉超重油輔助降粘。

3 O/W降粘體系中的超聲作用

在超聲輔助降粘劑降粘實(shí)驗(yàn)中，分別對摻入標(biāo)準(zhǔn)劑量和80%標(biāo)準(zhǔn)劑量的委內(nèi)瑞拉和風(fēng)城超重油O/W降粘體系進(jìn)行了超聲處理。在實(shí)驗(yàn)中，首先將配好的待處理樣品裝入100 ml燒杯中，在超聲變幅桿處理中，將超聲變幅桿浸入盛有樣品的燒杯中進(jìn)行處理，原油樣品放在水浴中，保持溫度不超過50 ℃；在攪拌處理中，將樣品按照“水包油型稠油降粘劑技術(shù)規(guī)范”(中國石油天然氣集團(tuán)公司企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)報(bào)批稿)攪拌1 min。圖5、6分別是風(fēng)城超重油和委內(nèi)瑞拉超重油O/W降粘體系粘溫曲線。

圖5 風(fēng)城超重油O/W降粘體系粘溫曲線

圖6 委內(nèi)瑞拉超重油O/W降粘體系粘溫曲線

由圖5可知，風(fēng)城超重油O/W降粘體系經(jīng)過攪拌和超聲變幅桿處理后，樣品粘度從高到低順序依次為標(biāo)準(zhǔn)劑量攪拌、80%標(biāo)準(zhǔn)劑量攪拌、80%標(biāo)準(zhǔn)劑量超聲變幅桿處理1 min、標(biāo)準(zhǔn)劑量超聲變幅桿處理30 s。與標(biāo)準(zhǔn)劑量攪拌相比(實(shí)際生產(chǎn)中常使用)，超聲處理30 s和1 min后的粘度均降低了25%以上，由此可見，超聲處理后，不僅對風(fēng)城O/W降粘體系的降粘有顯著促進(jìn)作用，而且可以減少20%降粘劑的使用量。

由圖6可知，委內(nèi)瑞拉超重油O/W降粘體系經(jīng)過攪拌和超聲變幅桿處理后，在14℃時(shí)樣品粘度從高到低順序依次為標(biāo)準(zhǔn)劑量攪拌、80%標(biāo)準(zhǔn)劑量攪拌、標(biāo)準(zhǔn)劑量超聲變幅桿處理30 s、80%標(biāo)準(zhǔn)劑量超聲變幅桿處理1 min，在這一溫度下，超聲輔助降粘效果明顯。在高于14℃ 時(shí)，上述四種處理方法后的樣品的粘度差異無明顯規(guī)律，并且有的在相同溫度下粘度值相差不大。

委內(nèi)瑞拉超重油降粘效果不明顯的主要原因是實(shí)驗(yàn)中所用的O/W降粘體系主要是針對風(fēng)城原油制備的[9]。這種大分子活性降粘劑在用于委內(nèi)瑞拉原油時(shí)的效果不如應(yīng)用在風(fēng)城原油效果好。由此可見，在超重油降粘中，適合的降粘O/W降粘體系中降粘劑的選擇相當(dāng)重要的，它不但影響到原油的降粘效果，也直接影響到超聲輔助降粘的效果。從O/W降粘體系的制備來說，委內(nèi)瑞拉原油和風(fēng)城原油是有不同的，因此需要對委內(nèi)瑞拉原油制定O/W降粘體系。

4 結(jié)論和討論

以委內(nèi)瑞拉超重油和風(fēng)城超重油為研究對象，本文進(jìn)行了超聲輔助降粘實(shí)驗(yàn)，考察了降粘效果。得出了以下結(jié)論：

(1) 委內(nèi)瑞拉超重油和風(fēng)城超重油的粘溫曲線相似，在超聲輔助降粘的室內(nèi)實(shí)驗(yàn)和現(xiàn)場試驗(yàn)中，可先期使用較易獲取的風(fēng)城超重油進(jìn)行實(shí)驗(yàn)；

(2) 在超聲波輔助摻柴油的委內(nèi)瑞拉超重油降粘中，經(jīng)過超聲處理的摻入20%和30%柴油的委內(nèi)瑞拉超重油，在20 ℃時(shí)粘度分別增高了25%和15%以上。由此可見，超聲處理不適用于這種情況下的輔助降粘。經(jīng)過分析，認(rèn)為造成這種現(xiàn)象的可能原因是：超聲處理提高了原油中大分子量成分(如瀝青質(zhì)成分等)的溶解度。這也說明在將超聲用于超重油降粘時(shí)是具有適用條件的，其物理機(jī)理尚需進(jìn)一步研究。

(3) 在O/W降粘體系降粘中，風(fēng)城超重油經(jīng)過超聲作用后，粘度降低了25%以上，降粘劑的使用量可減少20%，超聲輔助降粘效果明顯。

(4) 委內(nèi)瑞拉超重油經(jīng)過超聲處理后，在14 ℃時(shí)，粘度降低不高于25%，在高于這一溫度時(shí)則無明顯的降粘作用。主要原因是委內(nèi)瑞拉超重油和風(fēng)城超重油的O/W降粘體系是不同的，而該降粘體系主要是為風(fēng)城超重油研制的。由于降粘劑與委內(nèi)瑞拉超重油沒有形成穩(wěn)定、均勻的懸濁液，在實(shí)驗(yàn)中，重油有時(shí)從體系中脫離，包圍在流變儀轉(zhuǎn)子周圍，造成了粘度讀數(shù)上下波動(dòng)較大。對風(fēng)城超重油則沒有這種情況。

從本文的實(shí)驗(yàn)中可看出，在使用超聲降粘時(shí)，除去超聲作用的時(shí)間、頻率、功率、聲場的分布等超聲自身的差別以外，能否取得明顯的效果還要取決于超聲應(yīng)用對象的具體條件(原油性質(zhì)、降粘體系等)。要想在較大范圍、較廣泛的應(yīng)用對象上取得較好的降粘效果，還需對超聲降粘的機(jī)理(如超聲對原油中蠟質(zhì)成分分布結(jié)構(gòu)的改變、對膠質(zhì)和瀝青質(zhì)等大分子量成分溶解度的改變、對原油剪切率和剪切應(yīng)力的改變，對結(jié)構(gòu)不同的烴組分分子鏈的改變、對C-H、C-C鍵的改變等)進(jìn)行深入的研究。

致謝：本文實(shí)驗(yàn)中所用的委內(nèi)瑞拉超重油、風(fēng)城超重油和活性大分子降粘劑由中國石油集團(tuán)科學(xué)技術(shù)研究院油化所提供，在此表示感謝！

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Effects of ultrasonic wave on viscosity reduction for Venezuela and Fengcheng ultra heavy oil

XU De-long1, DENG Jing-jun1, LI Chao1, BAI Li-xin1, DING Bin2, LUO Jian-hui2

(1. Institute of Acoustics, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100190, China; 2. Research Institute of Science and Technology, China National Petroleum Corp, Beijing 100083, China)

In this paper, the effects of ultrasonic wave on viscosity reduction for Venezuela and Fengcheng ultra heavy oil are studied. Four types of ultra heavy oil examples are prepared for experiments:80% Venezuela ultra heavy oil with 20% 0#diesel (Example I), 70% Venezuela ultra heavy oil with 30% 0#diesel (Example II), the oil-in-water (O/W) for Venezuela and Fengcheng ultra heavy oil(Examples III and IV) by using active macromolecule viscosity reducer. In the experiments, these four types of examples are irradiated by ultrasonic horn (18kHz) and ultrasonic bath (24kHz) respectively. Here are the results: (1)the viscosity of Example I irradiated by ultrasonic wave is 25% higher than that un-irradiated at 20℃, for Example II, 15% higher. (2) the obvious effects of ultrasonic wave on reducing viscosity can be observed for Example III whose viscosity irradiated by ultrasonic wave is 25% lower than that un-irradiated at 20℃ and 20% less quantity of active macromolecule viscosity reducer is needed. (3) For Example IV, no obvious effects are observed except at 14℃, where less than 25% viscosity reduction is observed for that irradiated by ultrasonic wave. The reason of the phenomenon observed in this paper is analyzed qualitatively.

ultrasonic wave, ultra heavy oil, viscosity reduction, viscosity reducer, oil-in-water viscosity reduction

A

1000-3630(2014)-06-0517-05

10.3969/j.issn1000-3630.2014.06.008

2013-09-30;

2013-12-04

國家科技重大專項(xiàng)課題(2011ZX05032-003)、國家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目(11474305)資助。

徐德龍(1976－), 男, 山東蓬萊人, 博士, 副研究員, 研究方向?yàn)樘幚沓晫W(xué)及工程應(yīng)用。

徐德龍, E-mail: xudelong@mail.ioa.ac.cn