高含蠟原油流變性和黏溫特性研究

辛迎春

(中石化石油工程設(shè)計有限公司,山東 東營 257027)

含蠟原油是一種組成復(fù)雜的混合物,其流變性與其組成(蠟、膠質(zhì)和瀝青質(zhì))有關(guān),也與其經(jīng)歷的熱歷史和剪切歷史有關(guān)。在不同的溫度下,原油中的蠟處于不同的形態(tài),使原油呈現(xiàn)出不同的流變特性。其中蠟的組成、含量、性質(zhì)及其在原油中的形態(tài)等是導(dǎo)致原油流變性復(fù)雜化的根本原因[1]。屈服值是呈現(xiàn)非牛頓流特性參數(shù)之一,是原油管輸工藝設(shè)計中非牛頓流部分計算的重要參數(shù),也是反映原油低溫流動性的一個重要指標(biāo)。含蠟原油在凝點溫度附近時,由于蠟晶的析出和交聯(lián)而發(fā)生膠凝,具有屈服應(yīng)力等特性,屈服特性[2-3]是膠凝含蠟原油重要的依時流變特性,是含蠟原油膠凝結(jié)構(gòu)強度的體現(xiàn),對輸送含蠟原油管道的運行與停輸再啟動有重要意義。

為了實現(xiàn)原油輸送的安全性和高效性,需要確定原油油包水(W/O)乳狀液的反相點[4-6]。原油乳狀液反相點是作為原油混輸油水比控制的重要依據(jù),也是原油開采及管輸評價的重要內(nèi)容。隨著原油乳狀液含水率的增大,原油乳狀液的黏度逐漸增大至最大值,再繼續(xù)增加含水率,原油乳狀液黏度減小,黏度最大值所對應(yīng)的含水率即為反相點,此點處發(fā)生相變,由 W/O 型乳狀液轉(zhuǎn)變?yōu)?O/W型乳狀液[7]。段林林[8]等提出乳狀液的反相點實際上是一個條件性參數(shù),即乳狀液的反相點主要取決于制備乳狀液的試驗操作條件,因此反相點的測定應(yīng)盡可能接近現(xiàn)場實際輸送條件。

對樁23區(qū)塊原油進行了流變性和黏溫特性研究,尋找含蠟原油投加破乳劑前后反相點的變化規(guī)律,確定原油管輸時基于原油反相點的摻水量,為樁23區(qū)塊輸油管道科學(xué)設(shè)計和安全運行提供指導(dǎo)。

1 實驗部分

1.1 材料及儀器

(1)材料:NMDE破乳劑(中石化石油工程設(shè)計有限公司自主研制)。

(2)實驗油樣:樁23區(qū)塊高含蠟原油。

(3)儀器設(shè)備:Haake RS300型同軸旋轉(zhuǎn)式流變儀,具有控制剪切速率(CR)和剪切應(yīng)力(CS)兩種測量模式,溫度控制通過配套的水浴循環(huán)來實現(xiàn),變化范圍為0～100 ℃。恒溫水浴:控溫精度±1 ℃。

1.2 實驗方法

1.2.1 油樣預(yù)處理

對實驗油樣進行預(yù)處理以消除油樣的“歷史記憶效應(yīng)”,從而確保含蠟原油的物性實驗數(shù)據(jù)具有重復(fù)性和可比性。具體操作方法:首先將混合油樣適當(dāng)加熱并充分?jǐn)嚢杈鶆?分裝到磨口瓶內(nèi)予以密封保存。然后將盛有混合油樣的磨口瓶放入恒溫水浴內(nèi),靜置加熱至80 ℃,并恒溫加熱2 h,使瓶內(nèi)原油借助于分子熱運動達到均勻狀態(tài),隨后靜置自然冷卻至室溫,再放置48 h以上,便獲得開展原油物性分析實驗的基礎(chǔ)油樣。

1.2.2 析蠟點測試

依據(jù)SY/T 0522—2008《原油析蠟點測定 旋轉(zhuǎn)黏度計法》標(biāo)準(zhǔn)進行析蠟點測定,測試儀器采用Haake RS300流變儀。將原油自高溫75 ℃向低溫恒剪切應(yīng)力下連續(xù)測試,自某點開始與其后各點連線的斜率有明顯改變時,將測試結(jié)果在半對數(shù)坐標(biāo)上連成線,對應(yīng)溫度即原油的析蠟點。

1.2.3 原油屈服值測試

依據(jù)SY/T 7547—2014《原油屈服值測定 旋轉(zhuǎn)黏度計法》標(biāo)準(zhǔn)測試原油屈服值。測量時,將試樣裝入流變儀的圓筒系統(tǒng)中,并以0.5～1 ℃/m的降溫速率緩降至某一溫度,恒溫一定時間,使其形成蠟晶網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),選擇適當(dāng)?shù)募羲偌羟性嚇?將剛轉(zhuǎn)動時的剪切應(yīng)力定義為原油試樣在該條件下的屈服值。

1.2.4 原油乳狀液制備

樁23塊原油輸送溫度在45 ℃左右,原油乳狀液制備溫度參考其輸送溫度。油水樣品在45 ℃預(yù)熱30 min,然后在500 r/min條件下(模擬實際管道輸送的剪切狀況),攪拌10 min,制備不同含水率的系列原油乳狀液,并把制備的系列原油乳狀液進行黏度測試。繪制各油水乳狀液的表觀黏度隨著含水率的變化趨勢圖,表觀黏度最大值對應(yīng)的含水率就是油水乳狀液的反相點。

1.2.5 原油黏溫特性測試

依據(jù)SY/T 7549—2000《原油黏溫曲線的測定 旋轉(zhuǎn)黏度計法》標(biāo)準(zhǔn)進行測試。黏溫曲線測試步驟:取一瓶油樣在50 ℃預(yù)熱30 min后,裝樣恒溫20 min,依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)調(diào)出測試程序把溫度區(qū)間、降溫間隔、剪速范圍、降溫速率、恒溫時間等參數(shù)設(shè)置好后,進行原油黏溫曲線測試。凈化油和含水原油的測試方法相同。

2 結(jié)果與討論

2.1 原油物性

樁23區(qū)塊原油的含蠟量為20.0%,凝固點為34 ℃,析蠟點高達68 ℃,屬于高含蠟高凝點原油。如表1含蠟油析蠟點的高低與其自身蠟含量、蠟的結(jié)晶形態(tài)、碳數(shù)分布以及族組成均密切相關(guān),通常高碳蠟含量越多越容易析出。

表1 原油物性參數(shù)

2.2 原油流變性測試

樁23區(qū)塊含蠟原油符合冪律流體本構(gòu)方程。通過回歸分析,考察含蠟原油不同溫度下的屈服值、流體類型、稠度系數(shù)和流變指數(shù)等流變參數(shù)與溫度的變化關(guān)系(表2)。

表2 樁23區(qū)塊原油不同溫度下流變參數(shù)

表2數(shù)據(jù)顯示,樁23區(qū)塊含蠟原油的屈服值對溫度較敏感,隨著溫度降低屈服值大幅增加。在20 ℃低溫條件下,其屈服值高達1 996.0 Pa。其主要原因是,在該溫度下蠟晶大量析出,蠟晶之間相互連接形成空間網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),此時原油呈膠凝狀態(tài),導(dǎo)致原油屈服值較大。溫度越高,稠度系數(shù)K越小。溫度越低,流變指數(shù)n越小,含蠟原油越偏離牛頓流體,溫度介于35～40 ℃時為屈服-假塑性流體,50 ℃時為假塑性流體,55 ℃時是牛頓流體。

由圖1可見,樁23區(qū)塊含蠟原油的流型反常點在55 ℃,所以溫度高于55 ℃時,屬于牛頓流體,黏溫關(guān)系接近直線,即黏度只隨溫度而變化,與剪切速率無關(guān)。溫度低于55 ℃時,黏溫曲線類似一束射線,黏度隨剪速增大而逐漸降低,具有剪切稀釋性,溫度愈低,油中的蠟不斷析出并形成三維空間網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),結(jié)構(gòu)強度越高,剪速對黏度的影響愈大,流變特性偏離牛頓流體越遠。

圖1 凈化原油黏溫曲線

圖2 不加劑含水油黏溫曲線(剪速100 s-1)

圖3 不加劑含水油黏溫曲線(剪速200 s-1)

圖4 不加劑含水油黏溫曲線(剪速300 s-1)

圖5 不加劑原油反相點曲線( 剪速200 s-1)

圖6 加劑含水油黏溫曲線(剪速100 s-1)

圖7 加劑含水油黏溫曲線(剪速200 s-1)

圖8 加劑含水油黏溫曲線(剪速300 s-1)

圖9 加劑含水油反相點曲線( 剪速200 s-1)

2.3 含水原油加破乳劑前后黏溫特性變化

在不加破乳劑情況下,在剪切速率為100,200,300 s-1下,對含水10%～70%的樁23區(qū)塊含水油進行30～70 ℃黏溫特性測試。在相同剪切速率下,投加優(yōu)選出的NMDE破乳劑100 mg/L,對樁23區(qū)塊原油在反相點附近的含水乳狀液(含水率為40%,50%,60%)進行了黏溫特性測試。

在不加劑條件下,樁23區(qū)塊含水油視黏度對溫度十分敏感。在30 ℃低溫下視黏度較高,這是因為原油中的蠟晶在低溫下結(jié)晶析出,并且和膠質(zhì)、瀝青質(zhì)共同作用,在體系內(nèi)形成了一定的結(jié)構(gòu)強度[9],而溫度升至40 ℃時,結(jié)構(gòu)強度降低,表觀黏度迅速下降3～7倍,隨溫度繼續(xù)升高,黏度緩慢降低。剪切速率對樁23區(qū)塊含水油黏度的影響與溫度密切相關(guān),當(dāng)溫度低于反常點55 ℃時,油樣具有剪切稀釋效應(yīng),且溫度越低,剪切稀釋作用越明顯。溫度高于反常點后,即含蠟原油為牛頓流體時,剪切速率對原油黏度基本無影響。

原油含水率小于60%時,在同一溫度下的原油視黏度隨含水率的增加而逐漸增大;當(dāng)含水率為60%時,原油視黏度為最大,隨著含水率繼續(xù)增大,其原油視黏度急劇下降。不加劑樁23區(qū)塊原油的反相點為60%。

NMDE破乳劑投加100 mg/L,對樁23區(qū)塊40%～60%含水油的流動性有明顯改善,尤其在30,40 ℃低溫下,加破乳劑后含水油的視黏度顯著降低,降黏率可高達90%以上,但在高溫下破乳劑對含水油的視黏度影響較小。投加破乳劑后使原油乳狀液反相點降低,由含水60%降到含水50%。

為降低原油管輸黏滯阻力,通常要求原油管輸摻水量要在原油反相點以上,形成 O/W 型乳狀液后黏度大幅降低,從而有利于原油管輸。加劑后原油反相點在50%左右,因此選取60%的原油含水作為加劑原油摻水輸送的最低含水要求。

3 結(jié)論

(1)樁23區(qū)塊含蠟原油凝固點為34 ℃,析蠟點為68 ℃,該原油具有高凝固點和高析蠟點的顯著特點。

(2)樁23區(qū)塊含蠟原油的流型反常點在55 ℃,溫度高于55 ℃時,屬于牛頓流體。溫度低于55 ℃時,黏度隨剪速增大而逐漸降低,具有剪切稀釋性,溫度愈低,剪速對黏度的影響愈大,流變特性偏離牛頓流體越遠。

(3)在不加破乳劑條件下,樁23區(qū)塊含水油在30 ℃低溫下黏度較高,40 ℃時黏度迅速下降3～7倍,隨溫度繼續(xù)升高,黏度緩慢降低。當(dāng)溫度低于其反常點55 ℃時,油樣具有剪切稀釋效應(yīng),且溫度越低,剪切稀釋作用越明顯。溫度高于反常點后,剪切速率對原油黏度基本無影響。

(4)NMDE破乳劑投加100 mg/L,可使樁23區(qū)塊含水油的流動性明顯改善,尤其在30,40 ℃低溫下投加破乳劑能顯著降低含水油視黏度,降黏率可高達90%以上,但在高溫下破乳劑對含水油的視黏度影響較小。加劑后含水率反相點由60%降低為50%。

(5)加劑原油反相點在50%左右,基于摻水量要在原油乳化反相點以上,因此選取60%的原油含水作為該區(qū)塊加劑原油摻水輸送的最低含水要求。