余 博,舒 銳,李 敏,舒福昌,*
(1.長江大學化學與環(huán)境工程學院,湖北 荊州 434023;2.長江大學工程技術學院,湖北 荊州 434020;3.中國石油吐哈油田分公司物資保障中心,新疆 鄯善 838200;4.湖北省油田化學產(chǎn)業(yè)技術研究院,湖北 荊州 434001)
原油是一種含有石蠟、膠質和瀝青質等多組分的復雜烴類混合物[1]。許多油田產(chǎn)出的原油蠟含量都較高,隨著溫度的降低,大量的蠟晶析出并形成三維網(wǎng)狀結構,使得原油的流動性變差[2]。根據(jù)西非ZD油田開發(fā)規(guī)劃,開采的ZD原油需經(jīng)海洋管道輸送實現(xiàn)出口外銷,管道輸送要求原油的凝點不得超過24 ℃,而ZD原油凝點為30~33 ℃,這就需要解決原油凝點高導致的集輸困難問題。目前,針對原油集輸困難問題一般采用物理降凝技術和化學降凝技術[3-4]。物理降凝技術成本高且效率低,化學降凝技術即在原油中加入降凝劑,該技術經(jīng)濟、高效。
降凝劑的研究最早始于20世紀30年代。研究[5]發(fā)現(xiàn),氯化石蠟和萘反應的產(chǎn)物可以發(fā)揮降凝效果。隨后,聚烷基苯乙烯類降凝劑的開發(fā)成為降凝劑迅速發(fā)展的開端。隨著科技的進步,EVA類、聚丙烯酸酯類、馬來酸酐類聚合物等降凝劑陸續(xù)被開發(fā)[6]。降凝劑已逐漸從簡單化合物向復雜共聚物方向發(fā)展[7]。作者針對西非ZD原油飽和烷烴含量高且碳鏈長的特點,采用長碳鏈醇合成丙烯酸酯,并將其與乙酸乙烯酯、苯乙烯、馬來酸酐進行四元共聚得到降凝劑,對其性能進行評價,并探討其降凝機理。
采用柱層析法對ZD原油進行族組成分析,結果如圖1所示。
圖1 原油族組成分析結果Fig.1 Analysis results of group composition of crude oil
由圖1可知,ZD原油中飽和烴含量高(48.92%),瀝青質含量低(1.69%)。
參照GB/T 18606-2017方法,采用氣相色譜質譜聯(lián)用儀對ZD原油通過柱層析分離后的飽和烴進行不同碳數(shù)正構烷烴含量分析,結果如圖2所示。
圖2 不同碳數(shù)正構烷烴的相對含量Fig.2 Relative content of n-alkanes with different carbon numbers
固體石蠟烴混合物一般主要由正構烷烴CnH2n+2組成,碳原子數(shù)為22~36,分子量范圍為360~540,熔點為47~64 ℃,密度約0.9 g·cm-3。由圖2可知,ZD原油飽和烴中長碳鏈正構烷烴的相對含量非常高,其中C30+質量比達60%以上,C36+質量比達45%以上。
參照SY/T 0522-2008方法,采用旋轉黏度計測定ZD原油黏度,繪制黏溫曲線,結果如圖3所示。
圖3 ZD原油黏溫曲線Fig.3 Viscosity-temperature curve of ZD crude oil
由圖3可知,原油黏度隨著溫度降低逐漸增大。當溫度低于30 ℃后,原油黏度迅速增大,表明此時有蠟晶析出。
雖然ZD原油蠟含量為16%左右,但飽和烴碳鏈較長,原油對常規(guī)降凝劑感受性差,導致常規(guī)降凝劑的降凝效果不明顯。降凝劑分子的空間結構可分為線型、梳型、魚骨型和星型等,其中空間結構規(guī)整的梳型降凝劑可誘導生成致密類球狀蠟晶[8],改性效果較好。因此,為了增強降凝劑的降凝效果,采取合成梳型聚合物。此外,ZD原油中飽和烴碳鏈較長,正構烷烴大多碳數(shù)大于22,相應地需要降凝劑中也含更長碳鏈的烷基,于是采用二十四醇、二十六醇、二十八醇、三十醇以及三十二醇合成丙烯酸酯。
在三頸燒瓶中分別加入A24(丙烯酸二十四酯)/A26(丙烯酸二十六酯)/A28(丙烯酸二十八酯)/A30(丙烯酸三十酯)/A32(丙烯酸三十二酯)、乙酸乙烯酯、苯乙烯、馬來酸酐單體以及甲苯/乙酸丁酯溶劑,攪拌均勻,通氮氣升溫至60 ℃;然后緩慢加入過氧化二苯甲酰(BPO),繼續(xù)升溫至85 ℃反應3 h;再升溫至110 ℃反應2 h;最后減壓蒸餾去除甲苯/乙酸丁酯,即得降凝劑。通過改變單體比例,分別合成得到9個樣品,分別標記為JA1~3、JB1~3、JC1~3。
由圖4可知,JC2降凝劑在1 625 cm-1處(碳碳雙鍵的吸收峰)無明顯的吸收峰,說明丙烯酸酯、乙酸乙烯酯、苯乙烯、馬來酸酐等4種單體的碳碳雙鍵已經(jīng)打開。2 920 cm-1附近為甲基的吸收峰;1 735 cm-1附近為酸酐基團的-C=O吸收帶;1 466 cm-1處為苯環(huán)的吸收峰,此處吸收峰明顯。表明,四元共聚降凝劑已成功合成。
圖4 JC2降凝劑的紅外光譜Fig.4 FTIR spectrum of pour point depressant JC2
采用SYD-510D型石油產(chǎn)品傾點、濁點試驗器測定原油的凝點。具體方法如下:將原油裝入500 mL密閉容器中,加熱至80 ℃,磁力攪拌2 h;將測試管預熱至60 ℃,加入50 mL 60 ℃的原油,再加入降凝劑-甲苯溶液,攪拌至充分混合均勻;插入溫度計,使其垂直于測試管中央,并保持水銀球離測試管底部(20±2) mm;將測試管垂直放入60 ℃水浴中,恒溫30 min;將預熱好的測試管平穩(wěn)、迅速地放入凝點測定儀中,控制原油與制冷儀器溫差在10~25 ℃范圍內(nèi),降溫速度控制在0.5~1 ℃·min-1;當溫度降至比預期凝點高4 ℃時,即開始從套管中取出測試管使之微微傾斜,觀察液面是否有移動跡象,若液面移動,則平穩(wěn)、迅速地將測試管放回套管內(nèi)繼續(xù)冷卻,取出和放回套管內(nèi)的時間不應超過3 s;以后油溫每下降2 ℃觀察1次,直至液面無移動跡象時,立即將測試管水平放置5 s;若液面不發(fā)生移動,該溫度為油樣的凝點。如果在5 s內(nèi)液面還有移動跡象,則平穩(wěn)、迅速地將測試管放回套管內(nèi),待再降溫1 ℃或2 ℃后,取出測試管水平放置5 s;若液面已不移動,則該溫度為凝點,若還能移動,則需重做實驗,并將預期凝點降低2~4 ℃。對降凝劑(加量為2 000 mg·L-1)對ZD原油的降凝效果進行評價,并與常規(guī)降凝劑(EVA、T801)及國外降凝劑(P4、P5)進行比較,結果如圖5所示。
圖5 不同降凝劑對ZD原油的降凝效果Fig.5 Depression effect of different pour point depressants on ZD crude oil
由圖5可知,JC2降凝劑對ZD原油有較好的降凝效果,可將原油凝點由32 ℃降至24 ℃,降凝幅度達8 ℃,明顯大于常規(guī)降凝劑(EVA、T801),也大于國外降凝劑(P4、P5)。
采用旋轉黏度計分別測定空白原油及JC2、T801、P4降凝劑處理后原油的黏度,繪制黏溫曲線,結果如圖6所示。
圖6 降凝劑處理后原油的黏溫曲線Fig.6 Viscosity-temperature curves of crude oil treated withpour point depressant
由圖6可知,JC2降凝劑在低溫下對原油具有明顯的降黏效果,其降黏效果要優(yōu)于T801和P4降凝劑。
通過DSC Q20型差示掃描量熱儀,以5 ℃·min-1的降溫速率測試空白原油及JC2降凝劑處理后原油從80~-10 ℃的DSC曲線(圖7),同時,通過DSC曲線計算不同樣品的結晶焓(ΔH)。
圖7 空白原油(a)及JC2降凝劑處理后原油(b)的DSC曲線Fig.7 DSC curves of blank crude oil(a) and crude oil treated with pour point depressant JC2(b)
由圖7可知,原油在冷卻過程中會出現(xiàn)蠟晶的放熱峰??瞻自图癑C2降凝劑處理后原油的ΔH分別為4.165 J·g-1、3.314 J·g-1,JC2降凝劑處理后原油的ΔH降低,ΔH越小,蠟晶的分散越穩(wěn)定[9]。蠟的ΔH可用于判斷蠟晶的析出量,DSC曲線結果證實,含有長鏈烷基的JC2降凝劑能更有效地減少蠟晶的析出量。加入JC2降凝劑后,降凝劑分子會先析出,其烷基長鏈為蠟的結晶提供了晶核,隨后原油中的蠟再以降凝劑析出的晶核為發(fā)育中心進行結晶[10]。JC2降凝劑的加入阻礙了蠟晶朝一個方向上聚集,減小蠟晶尺寸,進而改善了原油的低溫流動性。
將原油加熱至80 ℃保持5 min,以5 ℃·min-1的降溫速率冷卻至27 ℃,采用BX51型偏光顯微鏡(OLYMPUS)觀察空白原油及JC2降凝劑處理后原油在冷卻結晶過程中的形貌變化,結果如圖8所示。
圖8 空白原油(a)及JC2降凝劑處理后原油(b)的偏光顯微鏡照片F(xiàn)ig.8 Polarized optical microscope images of blank crude oil(a) and crude oil treated with pour point depressant JC2(b)
由圖8可知,當溫度下降到蠟晶的析出溫度后,空白原油及JC2降凝劑處理后原油中均有蠟晶析出,但空白原油中蠟晶的析出量遠多于JC2降凝劑處理后原油的。表明,JC2降凝劑可減少蠟晶析出量,與DSC曲線結果一致。空白原油中蠟晶形狀不規(guī)則且向各個方向生長,蠟晶相互搭接形成網(wǎng)狀結構,使得空白原油中的液體被包裹無法流動;JC2降凝劑處理后原油中蠟晶雖然密集,但極少相互搭接。表明,JC2降凝劑可以改變蠟晶的形態(tài),使蠟形成細小的球形晶體,能有效影響原油中蠟的結晶過程。添加降凝劑后,蠟晶的間距變大,從而改善了原油的宏觀流變性。
(1)JC2降凝劑可以降低ZD原油的凝點,且降凝幅度達8 ℃,降凝效果明顯。
(2)JC2降凝劑可以減少ZD原油中蠟晶的析出量并且可以細化蠟晶,阻礙蠟晶的生長。
(3)JC2降凝劑的降凝效果優(yōu)于EVA、T801、P4、P5等降凝劑,更適用于西非ZD原油的管道輸送。