超聲波應(yīng)用于稠油降黏的實驗研究

徐德龍，高金彪，李 超，林偉軍，臧雨宸

(1.中國科學院聲學研究所超聲技術(shù)中心，北京 100190；2.北京市海洋深部鉆探測量工程技術(shù)研究中心，北京 100190；3.中國科學院大學，北京 100049)

0 引 言

隨著世界經(jīng)濟的發(fā)展，能源的需求與日俱增。截至目前，化石燃料仍然具有不可替代的作用，特別是石油和天然氣更在其中占據(jù)主要地位。作為不可再生能源，化石燃料日益緊缺的現(xiàn)狀，使人們對非常規(guī)原油如稠油、超稠油等的開采更加重視[1]。據(jù) 2014年國際能源組織(International Energy Agency, IEA)公布的數(shù)據(jù)顯示，稠油、超稠油在世界可采石油儲量中占比超過50%，但二者所具有的密度大、黏度高等特征使得對它們的開采和運輸?shù)碾y度極大[2-3]，因此成本低、效益高、見效快的稠油降黏與開采技術(shù)對于油田增產(chǎn)至關(guān)重要。目前人們常使用加熱、摻稀油、增注降黏劑和超聲處理等方法來進行稠油和超稠油的降黏開采，借以提高他們的流動性，從而進行開采[4]。

加熱降黏方法是基于稠油的黏度隨著溫度的升高而降低的原理，通過向油層提供熱能，升高油層的溫度，降低流體的黏度，增大原油的流動能力，從而提高稠油采收率，該方法在稠油開發(fā)和運輸中存在耗能大并且會對地層產(chǎn)生破壞等問題[5]。摻稀油降黏法是自上世紀30年代就開始使用的稠油的開發(fā)和運輸處理方法[6-7]，這種方法是基于相似相溶原理，通過向稠油中摻入稀油降低黏度。該方法的優(yōu)點是可以直接使用常規(guī)的原油管道進行降黏，但后續(xù)需對輕質(zhì)油和稠油進行分離處理，操作復雜，能源消耗大。增注降黏劑的方法可以使稠油形成水包油型(O/W)乳化狀態(tài)，從而達到降黏目的，其優(yōu)點是可根據(jù)實際情況制備不同的降黏劑，也可與其他方法混合使用，但面臨著環(huán)保、降黏體系動態(tài)穩(wěn)定性和后期大處理量的挑戰(zhàn)[8]。與上述三種方法相比較，超聲處理方法的優(yōu)點是環(huán)保、節(jié)能，并且在適當?shù)臈l件下可提高上述方法改善稠油流變性的效果[9-10]。

超聲波采油技術(shù)已經(jīng)在石油開發(fā)領(lǐng)域中得到初步的應(yīng)用，但在稠油降黏和開采方面尚未得到現(xiàn)場大規(guī)模的使用，特別是井筒中的稠油降黏方面，尚處在起步階段[11]。本文以中國西部某油田的原油為研究對象，通過對超聲波在稠油降黏中的室內(nèi)實驗研究，嘗試為超聲降黏技術(shù)在油田井筒中的應(yīng)用做一些探索。

1 實驗平臺與過程

實驗平臺如圖1所示，所用的儀器主要有流變儀(BROOKFIELD-RV DV-III)、智能數(shù)控超聲波發(fā)生器(TJS-3000)、電子天平(AND GR-202)、托盤天平(JPT-1000)、恒溫水浴、燒杯、玻璃棒等，在實驗中使用的油樣為中國西部某油田提供的稠油和稀油。20℃時，稀油的密度和黏度分別為0.883 0 g·m-3、13.3 mPa·s，稠油的密度和黏度如表1所示。

圖1 超聲評價測試平臺Fig.1 The experimental test platform for ultrasonic evaluation

表1 本文實驗中用到的稠油的密度和黏度Table 1 The density and viscosity of heavy oil used in this paper

實驗流程如圖2所示。在實驗開始前根據(jù)不同的稀稠比、使用電子天平或托盤天平分別配制不同初始黏度的油樣，將其在 90 ℃的恒溫水浴中放置6 h 左右，并使用玻璃棒不斷攪拌，當油樣混合均勻后即可開始實驗(本文中所有實驗樣品的黏度均在溫度為50 ℃、扭矩約為50%的條件下測定)。

圖2 實驗流程示意圖Fig.2 Schematic diagram of experimental process

2 實驗結(jié)果與討論

對50 ℃、200 mL的油樣進行超聲處理?？疾斐暡òl(fā)生器電功率、超聲作用時間和油樣初始黏度對油樣黏度的影響。采用控制變量法設(shè)計實驗，部分實驗結(jié)果如圖3。

從圖 3(a)、3(b)可知，初始黏度分別為22 050 mPa·s、15 667 mPa·s 的油樣，用電功率為1 000 W的超聲波發(fā)生器作用20 s時，油樣黏度分別下降至 17 333 mPa·s 和 14 767 mPa·s；從圖 3(c)和圖3(d)可知，當超聲波發(fā)生器電功率為2 000 W、作用時間為20 s時，油樣黏度分別由7 400 mPa·s、3 200 mPa·s下降為 6 600 mPa·s、2 800 mPa·s。

初步分析表明，超聲波可在一定情況下降低本文實驗所用稠油的黏度，在以上結(jié)果基礎(chǔ)上開展下一步實驗研究。

為具體分析超聲波發(fā)生器電功率、超聲作用時間、油樣初始黏度在稠油降黏過程中的作用規(guī)律，引入“降黏率”作為評價降黏效果的指標：

其中：RVR為降黏率；μ0為油樣初始黏度；μ為超聲處理后油樣黏度。

圖3 不同因素對稠油降黏效果的影響Fig.3 The effects of different factors on viscosity reduction

2.1 超聲波發(fā)生器電功率對稠油降黏率的影響

當超聲作用時間為20 s、油樣為 200 mL時，超聲波發(fā)生器電功率分別為 500、1 000、2 000 W時的降黏率分別為?18%、6%、11%，如圖4所示?？梢钥闯?，大功率是降黏的必要條件和保證，電功率為 500 W 時不但不能對本稠油油樣起到降黏作用，反而會促進黏度升高，其原因初步分析可能是超聲波發(fā)生器電功率低時，有可能形成稠油包稀油的油包油狀態(tài)，具體需進一步驗證。

圖4 超聲波發(fā)生器電功率對稠油降黏率的影響Fig.4 The effect of the electric power of ultrasonic generator on viscosity reduction rate

2.2 超聲波作用時間對稠油降黏率的影響

超聲波作用時間對稠油降黏率的影響如圖5所示。當超聲波發(fā)生器電功率為1 000 W、處理量為200 mL時，隨著時間的增加，降黏率逐漸增大，在20 s時降黏效果最好，降黏率為21%。在此之后，隨著作用時間繼續(xù)增加時，降黏率反而降低，在40 s時降黏率為?3%。

圖5 超聲波作用時間對稠油降黏率的影響Fig.5 The effect of the ultrasonic irradiation time on viscosity reduction rate

2.3 油樣初始黏度對稠油降黏率的影響

在超聲波發(fā)生器電功率為 1 000 W、作用時間為20 s、處理量為 200 mL的條件下，進行稠油降黏效果評價。

不同稠油油樣初始黏度對降黏率的影響曲線如圖6所示。由圖6可以看出：1 000 W電功率的超聲對 200 mL 油樣作用 20 s 時，初始黏度為17 333 mPa·s的油樣降黏效果最好，降黏率為21%，其次是在14 767 mPa·s時。從圖6中可知，初始黏度介于10 000～20 000 mPa·s之間的稠油油樣經(jīng)過超聲處理后，降黏率是正值，超聲可以起到降黏的作用。

圖6 油樣初始黏度對稠油降黏率的影響Fig.6 The effect of the initial viscosity of heavy oil on viscosity reduction rate

3 結(jié) 論

本文設(shè)計了超聲波稠油降黏評價測試平臺，通過實驗證實了超聲波技術(shù)在一定的條件下可以有效地降低稠油的黏度，并具體分析了超聲波發(fā)生器電功率、超聲作用時間、油樣初始黏度這三個因素對稠油降黏效果的影響。通過實驗，可以得出以下結(jié)論：

(1) 稠油的降黏率與超聲波發(fā)生器電功率、超聲波作用時間、油樣初始黏度關(guān)系密切；

(2) 適用于本實驗稠油樣品的最佳降黏條件為超聲波發(fā)生器電功率2 000 W、超聲作用時間20 s、油樣初始黏度介于10 000～20 000mPa·s之間；

(3) 利用超聲波技術(shù)處理稠油，在一定條件下可以降低其黏度，提高其流動性，有利于稠油的開采和運輸。但是超聲稠油降黏技術(shù)在油田現(xiàn)場實際井中的應(yīng)用以及其中的降黏機理還需要進一步深入研究。