熱處理作用對(duì)含蠟原油流變性的影響

聶 嵐，袁宗明，周子譽(yù)，賴(lài)俊西，謝 明

（1.西南石油大學(xué)，四川成都 610500；2.西南油氣田分公司蜀南氣礦渝西采氣作業(yè)區(qū)，重慶永川 402160；3.中國(guó)石化西南油氣分公司川西采氣廠，四川德陽(yáng) 618000）

我國(guó)油田生產(chǎn)的原油含蠟量普遍較高，其特點(diǎn)是：凝點(diǎn)高，低溫時(shí)表觀粘度大、流動(dòng)性差等[1]。含蠟原油在長(zhǎng)距離輸送過(guò)程中，需要通過(guò)多個(gè)熱站的加熱和泵站的加壓才能輸送至末站[2]。利用原油熱處理技術(shù)能實(shí)現(xiàn)含蠟原油的常溫輸送或延長(zhǎng)輸送距離[3]，含蠟原油常溫輸送的關(guān)鍵在于改善含蠟原油低溫流動(dòng)性，研究含蠟原油在不同熱處理方法下的流變特性，對(duì)節(jié)能安全輸送具有很大的理論意義和實(shí)踐指導(dǎo)意義。所謂含蠟原油熱處理，就是將含蠟原油加熱到一定溫度，使其所含的蠟全部溶解，所含膠質(zhì)、瀝青質(zhì)全部游離出來(lái)之后，再以一定的冷卻速度和方式進(jìn)行冷卻，蠟晶析出，原油中的膠質(zhì)、瀝青質(zhì)吸附包圍在析出的蠟晶周?chē)?，改變蠟晶形態(tài)和強(qiáng)度，以達(dá)到改善原油低溫性能的目的[3～7]。影響原油熱處理效果的因素很多，原油性質(zhì)、熱處理溫度、冷卻速度、降溫剪切速率以及靜置時(shí)間等都會(huì)對(duì)熱處理效果產(chǎn)生影響[8,14]。以BH 油田原油為例研究含蠟原油熱處理后流變參數(shù)的變化規(guī)律。

1 試驗(yàn)

1.1 原油基本物性

原油基本物性參數(shù)（見(jiàn)表1）。

1.2 試驗(yàn)方法

將油樣以1 ℃/min 的速率升溫至設(shè)定的熱處理溫度50 ℃、60 ℃、70 ℃、80 ℃、90 ℃后，恒溫半小時(shí)；再以1 ℃/min 的速率和27.0 s-1的攪拌剪速降溫至測(cè)試溫度25 ℃，測(cè)試屈服值和不同剪速的黏度。測(cè)試凝點(diǎn)時(shí)，油樣的升溫、恒溫、降溫條件和上述條件相同，降溫時(shí)，攪拌杯的攪拌轉(zhuǎn)速設(shè)定為80～100 r/min，當(dāng)接近預(yù)計(jì)凝點(diǎn)時(shí)，將油樣倒入凝點(diǎn)測(cè)試試管中測(cè)試凝點(diǎn)[4]。

2 結(jié)果及討論

2.1 不同熱處理溫度下原油的流變特性

將油樣進(jìn)行不同熱處理溫度的試驗(yàn)（注：1#、2#、3#油樣的冷卻速度為1 ℃/min，降溫剪切速率為27.0 s-1），試驗(yàn)結(jié)果（見(jiàn)表2）。

從表2 數(shù)據(jù)可以看出，1#、3#油樣的最佳熱處理溫度為90 ℃，2#油樣的最佳熱處理溫度為80 ℃；經(jīng)過(guò)最佳溫度的熱處理，1#、2#、3#油樣的凝點(diǎn)分別下降了14 ℃、5 ℃、9 ℃；屈服值分別下降了88.0 %、83.5 %、87.6 %；黏度下降了70.5 %、52.8 %、62.5 %。當(dāng)加熱溫度在50 ℃左右時(shí)，原油凝點(diǎn)均有小幅度的上升，熱處理效果惡化；當(dāng)加熱溫度在70 ℃以上時(shí)，熱處理對(duì)原油都有一定的效果，80～90 ℃的熱處理效果較好，最大降凝幅度可將1#油樣凝固點(diǎn)從25 ℃降低到11 ℃。

表1 油品物性參數(shù)

表2 不同熱處理溫度下原油的流變特性

原油熱處理溫度試驗(yàn)結(jié)果表明，中溫段的熱處理會(huì)使含蠟原油的凝點(diǎn)惡化，高溫?zé)崽幚韯t可以大幅降低含蠟原油的凝點(diǎn)[9]。當(dāng)含蠟原油加熱到中溫段（50～60 ℃）左右的溫度時(shí)，相對(duì)分子質(zhì)量小的低熔點(diǎn)的蠟晶在原油中溶解，原來(lái)吸附在這些蠟晶顆粒上的膠質(zhì)和瀝青質(zhì)將游離分散出來(lái)，吸附在尚未溶解的高熔點(diǎn)的蠟晶顆粒上[10]。然而未溶解的蠟晶顆粒容易聚集，在降溫測(cè)量原油凝點(diǎn)的過(guò)程中，易形成致密的空間網(wǎng)狀流變體結(jié)構(gòu)，流動(dòng)性能較差，故測(cè)量的凝點(diǎn)數(shù)值較高，熱處理效果較差。當(dāng)含蠟原油加熱至較高溫度（70～95 ℃）時(shí)，高溫環(huán)境下，分子熱運(yùn)動(dòng)加快，蠟晶能夠充分吸收熱量，原油體系中的蠟晶顆粒溶解比較完全，瀝青質(zhì)高度分散，膠質(zhì)稀化，宏觀表現(xiàn)為凝點(diǎn)降低，即在該溫度下的熱處理作用對(duì)改變油樣的低溫流變性有非常好的效果[2,11,12]。

表3 不同冷卻速率下原油的流變特性

不同原油具有不同的含蠟量，其所含蠟的蠟分子組成亦不相同，因而使蠟晶全部溶解的溫度各不相同；原油熱處理溫度的不同，也會(huì)導(dǎo)致原油冷卻重結(jié)晶的起始狀態(tài)不同，因此溫度是影響原油熱處理效果的關(guān)鍵因素[4]。

2.2 不同冷卻速度下原油的流變特性

對(duì)經(jīng)過(guò)最佳溫度熱處理后的原油進(jìn)行不同冷卻速度的試驗(yàn)（注：1#、2#、3#油樣的最佳熱處理溫度分別為90 ℃、80 ℃、90 ℃，降溫剪切速率為27.0 s-1），試驗(yàn)結(jié)果（見(jiàn)表3）。

表3 中的數(shù)據(jù)表明，當(dāng)冷卻速度較?。?.5～1.0 ℃/min）時(shí)，油樣熱處理效果較好，1#、2#、3#油樣的凝點(diǎn)分別下降了14 ℃、5 ℃、9 ℃；屈服值分別下降了91.1 %、86.1 %、84.7 %；黏度下降了61.9 %、50.2 %、60.8 %。

在降溫析蠟重結(jié)晶的過(guò)程中，原油中的蠟晶形態(tài)受新晶核數(shù)目的生長(zhǎng)速度與蠟晶體積的長(zhǎng)大速度的雙重影響，而晶核數(shù)目生長(zhǎng)速度與蠟晶體積長(zhǎng)大速度的相對(duì)大小又受制于冷卻速度的大小[10,13]。冷卻速度不同，原油中蠟的過(guò)飽和度各異，晶核數(shù)目生長(zhǎng)速度與蠟晶體積長(zhǎng)大速度不同，從而造成原油中蠟晶顆粒的形態(tài)和結(jié)構(gòu)亦不相同，宏觀上呈現(xiàn)出不同的流變性能[11]。

含蠟原油冷卻速度較?。?.5～1.0 ℃/min）時(shí)，蠟的溶解度下降緩慢，晶核的生成速度很小，蠟晶的長(zhǎng)大速度相對(duì)較大，且原油中的膠質(zhì)、瀝青質(zhì)有充足的時(shí)間與蠟晶共晶、吸附，這樣在原油中最終會(huì)形成蠟晶數(shù)目少而蠟晶體積大、蠟晶比表面積小的結(jié)構(gòu)狀態(tài)，原油的低溫流變性較好[12]。含蠟原油冷卻速度較大（1.2～1.5 ℃/min）時(shí)，蠟的溶解度下降很快，而原油中的蠟分子濃度卻相對(duì)下降較慢，這樣，蠟分子在原油中的過(guò)飽和濃度較大，晶核的生產(chǎn)速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于蠟晶的長(zhǎng)大速度，同時(shí)，膠質(zhì)、瀝青質(zhì)來(lái)不及與蠟晶充分作用來(lái)改善蠟晶的結(jié)構(gòu)形態(tài)，最終會(huì)在原油中形成眾多細(xì)小的結(jié)晶體系，其比表面積較大，導(dǎo)致低溫下形成致密的蠟晶結(jié)構(gòu)，使原油的低溫流變性惡化[12]。

2.3 不同剪切速率下原油的流變特性

將經(jīng)過(guò)最佳溫度熱處理后的原油進(jìn)行不同降溫剪切速率的試驗(yàn)（注：1#、2#、3#油樣的最佳熱處理溫度分別為90 ℃、80 ℃、90 ℃，冷卻速度為1.0 ℃/min），試驗(yàn)結(jié)果（見(jiàn)表4）。

表4 數(shù)據(jù)表明，降溫?cái)嚢杓羲贋?6.2 s-1時(shí)油樣熱處理效果較好，1#、2#、3#油樣的凝點(diǎn)分別下降了15 ℃、6 ℃、10 ℃；屈服值分別下降了65.0 %、71.7 %、63.7 %；黏度下降了64.9 %、51.3 %、62.6 %。

剪切速率通過(guò)影響含蠟原油蠟晶結(jié)構(gòu)的形成來(lái)影響其熱處理效果的[8,15]。含蠟原油的蠟晶結(jié)構(gòu)在外界剪切作用下會(huì)呈現(xiàn)一定程度的破壞。剪切速率的不同，不僅會(huì)讓原油中蠟晶顆粒衍生出不同的聚集、分散、排列形式，還會(huì)對(duì)油樣蠟晶的空間網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)造成不同程度的破壞[6,10,11,12]。所以在宏觀上就表現(xiàn)出如下結(jié)果：同一油樣在經(jīng)受不同剪切速率的剪切作用后，油樣會(huì)呈現(xiàn)出不同的流變特性，將會(huì)測(cè)得不同的凝點(diǎn)值。故降溫剪切速率也是影響含蠟原油熱處理效果的因素之一。不同降溫剪切速率的試驗(yàn)結(jié)果表明，通常在較低的剪切速率（≤16.2 s-1）時(shí)，原油熱處理效果較好，隨著剪切速率的增加，原油熱處理效果變差。其原因是：在較強(qiáng)烈的剪切作用下，容易生產(chǎn)大量細(xì)小的蠟晶，其表面能及結(jié)構(gòu)強(qiáng)度均較大，原油熱處理效果變差[16]。

表4 不同剪切速率下原油的流變特性

表4 不同剪切速率下原油的流變特性（續(xù)表）

2.4 不同靜置時(shí)間下原油的流變特性

原油熱處理后不同靜置時(shí)間的試驗(yàn)結(jié)果（見(jiàn)表5）（注：1#、2#、3#油樣的最佳熱處理溫度分別為90 ℃、80 ℃、90 ℃，冷卻速度為1.0 ℃/min，降溫剪切速率為27.0 s-1）。

表5 的數(shù)據(jù)表明，熱處理后原油的靜置穩(wěn)定時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，將影響原油的熱處理效果，本油田原油熱處理后的最佳穩(wěn)定時(shí)間為48 h。

原油熱處理效果的穩(wěn)定性是熱處理輸送方法能否用于實(shí)際輸油生產(chǎn)的重要依據(jù)，通過(guò)熱處理油樣在不同靜置時(shí)間下的流變特性來(lái)衡量熱處理原油的穩(wěn)定性。靜置時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，大部分原油的流變參數(shù)會(huì)恢復(fù)至未處理情況，甚至?xí)乖蜔崽幚硇Ч麗夯痆4,6,8]。

3 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

將BH 油田1#、2#、3#的含蠟原油分別進(jìn)行最佳溫度的熱處理，其凝點(diǎn)的試驗(yàn)測(cè)試值與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)值（見(jiàn)表6）。

表6 的數(shù)據(jù)表明，BH 油田1#、2#、3#的含蠟原油進(jìn)行最佳溫度熱處理后，凝點(diǎn)的下降幅度分別為12～14 ℃、5～6 ℃及9～10 ℃，試驗(yàn)測(cè)試值與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)值的誤差小于10 %，滿足工程要求。這說(shuō)明熱處理工藝對(duì)降低BH 油田1#、2#、3#含蠟原油的凝點(diǎn)是有效的，可行的，同時(shí)也驗(yàn)證了試驗(yàn)結(jié)果的正確性。

表5 不同靜置時(shí)間下原油的流變特性

表6 熱處理后原油凝點(diǎn)的試驗(yàn)測(cè)試值與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)值

4 結(jié)論

（1）熱處理溫度是影響含蠟原油流變性能的主要因素。不同的熱處理溫度對(duì)含蠟原油流變性能的影響不同，中溫段（50～60 ℃）的熱處理會(huì)使含蠟原油的凝點(diǎn)惡化，高溫段（70～95 ℃）的熱處理則可以大幅降低含蠟原油的凝點(diǎn)。

（2）冷卻速度是影響含蠟原油流變性能的又一重要因素。當(dāng)冷卻速度較?。?.5～1.0 ℃/min）時(shí)，油樣熱處理效果較好；冷卻速度太快，將使熱處理效果變差。

（3）影響含蠟原油流變性能的另一重要因素是剪切作用。剪切作用是通過(guò)影響含蠟原油蠟晶結(jié)構(gòu)的形成來(lái)影響其熱處理效果的，在較低速率（≤16.2 s-1）的剪切作用下，原油熱處理效果較好，隨著剪切速率的增加，原油熱處理效果變差。

（4）熱處理后原油的靜置時(shí)間也會(huì)對(duì)含蠟原油的流變性能產(chǎn)生影響。靜置時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，大部分原油的流變參數(shù)會(huì)恢復(fù)至未處理情況，甚至?xí)乖蜔崽幚硇Ч麗夯?，靜置穩(wěn)定48 h 比較適宜。

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