时间控制对环庆原油黏度和初馏点测定的影响

罗海静 王美强 陈锋 肖乾 张鹏

1玉门油田公司工程技术研究院

2玉门油田公司水电厂

3中国石油天然气股份有限公司长庆油田分公司第七采油厂

环庆原油属轻质含蜡原油，含蜡原油的组成和结构非常复杂，受固体颗粒的含量及其分散程度、液态介质的成分影响，流变性复杂多变[1]。原油黏度是表征原油流变特性的重要参数，在牛顿流体温度范围内，黏度变化只与温度有关，符合指数规律；当流体为非牛顿流体时，表观黏度既是温度的函数，又具有剪切稀释性，并且逐渐表现出触变性[2]。旋转黏度计平衡法测黏度属条件性试验，影响测定结果的因素很多，在黏度、黏温曲线的测定中，某一温度区间，恒温时间会较大地影响到环庆原油的黏度。初馏点是在标准条件下进行蒸馏时，从冷凝管末端滴下第一滴冷凝液瞬时观察到的温度计读数。从开始加热至初馏点的时间因不同的原油有所不同，时间控制能直观地反映蒸馏时升温速度的快慢，随着时间控制的改变，环庆原油的初馏点发生了相应变化，而测定标准[3]没有细化出各种性质的原油从开始加热到初馏点的控制时间。对于不同的含气含蜡原油，标准规定的时间较模糊，操作随意性强。对于一些较稠油，在这一时间范围操作起来有一定的难度[4]。为了提高黏度、初馏点测量的准确性，保证试验结果的可比性和可重复性，有必要就恒温时间控制对环庆原油黏度、升温时间控制对环庆原油初馏点的影响展开进一步试验研究。

1 不同恒温时间下原油黏度的变化

1.1 试验仪器及油样基本物性参数

NDJ-5S 数字式黏度计，测量范围：1～100 000 mPa·s；CH1006N超级恒温槽。

密度测定和50 ℃黏度测定采用GB/T 1884 和SY/T 7549，凝点和初馏点测定则依据SY/T 0541和GB/T 18611，所用环庆油样物性参数见表1。

表1 环庆油样主要物性参数Tab.1 Main physical parameters of Huanqing crude oil sample

1.2 试验内容

（1）试验标准要求[5]根据黏度计特点、原油种类和测试温度等，一般情况下恒温为20 min～30 min，特殊情况再延长恒温时间。当试样为非牛顿流体时，改变测试温度要更换试样。按照试验标准规定，将常温流动的油样搅拌、摇匀装入预热好的测定外筒中，测量恒温时间为15 min～60 min，增量为5 min，转速选30 r/min（转速a）和60 r/min（转速a*），每个转速取25、30、35、40、45、50、55 ℃中的几个测试温度，对1#、2#、3#环庆原油进行了黏度（表观黏度）测定，试验结果见图1～图4。

图1 1#油样30 r/min不同恒温时间的黏度Fig.1 Viscosity of 1#oil sample with 30 r/min at different constant temperature times

图2 1#油样60 r/min不同恒温时间的黏度Fig.2 Viscosity of 1#oil sample with 60 r/min at different constant temperature times

图3 2#油样不同恒温时间的黏度Fig.3 Viscosity of 2#oil sample at different constant temperature times

图4 3#油样不同恒温时间的黏度Fig.4 Viscosity of 3#oil sample at different constant temperature times

（2）按测量系统要求装入试样[6]，恒温时间选10、20、30 min，测量温度从25 ℃到60 ℃，增量为5 ℃，分别测量转速30、60 r/min时4#、5#油样的黏度（表观黏度），在半对数坐标上绘制原油黏温曲线，试验结果见图5、图6。

图5 4#油样不同恒温时间的黏温曲线Fig.5 Viscosity temperature curve of 4#oil sample at different constant temperature times

图6 5#油样不同恒温时间的黏温曲线Fig.6 Viscosity temperature curve of 5#oil sample at different constant temperature times

1.3 测试结果及讨论

（1）由图1 和图3 可知，在25、30 ℃，恒温[15 min，25 min]区间测试时的数据难以稳定。除了25、30 ℃，在30 r/min转速，恒温[25 min，30 min]区间，油样黏度基本变化不大。由图2、图3 可见，在60 r/min转速下，1#油样25 ℃时的黏度测不出，随着恒温时间的增加，黏度变化的幅度较30 r/min转速时大，且随着测试温度的升高，黏度变化的幅度变小，恒温时间的影响逐渐变小。随着恒温时间的增加，原油黏度总体呈上升趋势，测试过程中恒温时长会直接影响黏度的测定结果。

在溶蜡点到凝点的低温区，恒温时间对低转速下油样的黏度影响较大，温度低、黏度大，溶解气释出有限，剪切降黏起主要作用，黏度变化的幅度大。随着温度升高，更多的轻组分释出增黏，黏度变化趋于平缓。测试中1#油样25 ℃时、2#油样30 ℃时表观黏度值随剪切作用时间的增加而下降，出现了剪切变稀，说明此温度下油样已具有触变性[1]，可认为此温度在反常点附近。判断25 ℃在1#油样反常点附近，30 ℃接近2#油样反常点。在低转速下，恒温时间的增加有利于测试数据的稳定，但在溶蜡点之后的较高温度，太长的恒温时间既不经济，也无意义。

（2）由图3、图4 可知，当油样含有较多的溶解气等轻组分时，轻组分与蜡分子之间的互溶和吸附影响了蜡晶的形成和长大，造成蜡晶结构强度变弱，黏度变小[7]。在恒温20 min 时，三个温度点的黏度均有明显降低，35 ℃时降低最明显。由于黏度在溶蜡点附近明显降低，认为35 ℃更接近含气较多的2#油样、3#油样的溶蜡点。在溶蜡点前后，曲线前期轻微下降后趋于平缓，这是因为随着恒温时间的增加，低温区溶解气的释出削弱了剪切作用的影响[8]，在溶蜡点后曲线呈平缓上升的趋势。溶蜡点后温度的升高使轻组分更多地释放出来，黏度增加，这种增黏作用随着恒温时间的增加越来越明显，且随着温度变高、恒温时间变长带来的黏度增加更加剧这种影响。而高速剪切的降黏作用却随着剪切时间的增加渐趋稳定，增黏幅度压倒了剪切降黏和短期的溶蜡降黏，占据主导地位，出现一个黏度相对稳定阶段后，曲线平缓上升。由于黏度大的油样轻组分释出更为缓慢，图中凝点、黏度较大的2#油样35、40、45 ℃时的黏度变化较3#油样更平缓。轻组分的挥发使原油黏度增大，过长的恒温时间也使黏度增大，但组分不同的原油黏度增加的规律各有不同。随着温度的升高和时间的增加，轻组分逐渐完全释出，剪切降黏作用趋于稳定，变得不明显。长时间恒温凸显了增黏作用，曲线在释气增黏、溶蜡降黏、剪切降黏和长时间恒温增黏共同作用下，40、45 和50 ℃时的黏度在某一恒温时段会有其中两个值很接近。

（3）如图5、图6 所示，随着温度的升高，轻组分的释出增黏只是让黏温曲线在35℃到55℃间曲线的降势变得平缓，并不能改变温升黏度下降的结果。图5中，30 ℃接近4#油样溶蜡点，从接近溶蜡点到反常点的低温区，恒温时间30 min较20 min的黏度的降幅更小。图6中凝点高、密度大的5#油样在反常点附近，剪切速率越大黏度越小，同一剪切速率恒温10 min较恒温20 min，释放出的溶解气较少，黏度反而较小。温度达到稳定需要一定的平衡时间，且温度越低，需要的时间越长。由于在油样开始析蜡或融化时存在着蜡晶形状和分散的不均匀性，太短的恒温时间和测试时间容易造成较大幅度的读数波动，因此在反常点附近，恒温时间、测试时间要适当延长。随后由于温度的上升，轻组分释出随恒温时间的增加而增加，在溶蜡点之后一小段区间，恒温时间越长，黏度的降幅越小，轻组分释出的增黏作用削弱了升温造成的黏度降。在温度更高的区间，4#油样恒温10 min 和恒温20 min、5#油样恒温20 min和恒温30 min黏温曲线接近，此时恒温时间的影响和剪切降黏作用都已不明显。在50 ℃以后，黏度下降的幅度增大，高转速比低转速时下降快，说明轻组分完全释出，蜡将近溶尽，黏度随温度的升高快速降低，在达到温度恒定的时间前提下，恒温时间变化对黏度影响不大。

2 不同升温时间下初馏点的变化

2.1 试验仪器及油样物性参数

原油馏程测定器、蒸馏烧瓶、水银玻璃温度计、量筒、天平、加热器、气压计（符合《GB/T 26984—2011》馏程测定的各项规定）等。不同升温时间对物性不同的环庆油样初馏点的影响见表2。

表2 不同升温时间对初馏点的影响Tab.2 Effect of different heating time on initial boiling point

2.2 试验内容

100 mL 无水试样在规定条件下进行蒸馏，观察温度计读数。要求平稳加热蒸馏烧瓶，使得从开始加热到第一滴冷凝液从冷凝管滴落到量筒的时间为5 min～10 min[3]。试验考察5、7，10 min 三个控温时间对初馏点的影响程度。

2.3 测试结果及讨论

油品蒸馏时，开始有液滴馏出时的最低温度称为油品的初馏点。它是观察到的校正温度计读数。在蒸馏过程中，油中的烃类以连续增高沸点的混合物形式蒸出，原油初馏点是由混合物中最轻的组分决定的，不同的升温时间控制所得的初馏点不同，试验结果为了更靠近“最低温度”，需要根据油样的密度、凝点等因素来确定升温时间控制在靠近试验方法规定区间的最大值还是最小值。表2中，密度小于0.830 0 kg/cm3的6#、7#、8#油样和凝点6 ℃的10#样在5 min 和7 min 的控温时间，初馏点相差较大，意味着凝点低的轻质原油受其影响大。油样凝点较高（20 ℃以上）、密度较大的11#、12#油样，从5 min 到10 min，初馏点逐步降低，但总体变化不大。升温时间控制对初馏点的影响主要与原油密度有关，高凝点次之。

3 结论

本文探讨分析了时间控制因素对环庆原油黏度、初馏点测试结果的影响，这对准确测定含蜡原油的黏度、初馏点具有一定的指导和实用意义。

（1）随着恒温时间的增加，环庆原油黏度总体呈上升趋势，转速越大上升的幅度越大；含蜡原油黏度对温度的变化相当敏感，试验温度的偏差对黏度值影响较大；测量时充分准确的恒温尤为关键，恒温时间不能太短，以避免测量结果出现波动，但加热恒温时间过长又会使油样内部结构发生改变，从而影响测量数据的准确性，

（2）测定标准必须有很强的可操作性，但不意味着在规定的时间范围内可随意选择，对不同的原油，要视具体情况而定。为同一种原油做黏温曲线时，低温区宜采用低转速，较长的恒温时间，整个低温区要尽可能采用一个恒温时间和一个转速，不能认为在恒温时间范围内差不多就可以；同时，在反常点附近，测试时间也要适当延长，以利于数据稳定。需要通过试验数据分析来确定某种原油适宜的恒温时间。通过分析近两年环庆原油的大量数据，在进行环庆原油旋转黏度测定时，建议将恒温时间选在20 min～25 min 左右；黏温曲线测定中，高温区牛顿流体阶段恒温时间定为15 min，低温度段采用较长的恒温时间，至少在20 min以上，但不宜超过30 min。低温段的划分是以反常点为基准[1]，反常点是样品呈现牛顿流体的最低温度。试验前常常无法预知反常点，或判断某些温度时原油是牛顿流体还是非牛顿流体，需要多次的重复测试，以积累数据，加深对规律的认识。

（3）恒温时间对黏度的影响与原油中轻组分的含量有关。环庆原油为较轻质原油，含有许多溶解气，这些轻组分对蜡有较强的溶解能力，在温度降低时能降低原油中固态蜡的析出量，具有降黏效果。对含气、含蜡的环庆原油而言，恒温时间在[30 ℃，45 ℃]区间对黏充影响较明显。在这几个温度点或附近，许多原油都有一个或几个或大或小幅度的黏度降，但也有黏度升高的。在蜡溶解和轻组分释出的共同作用下，随着恒温时间增加，在[25 ℃，45 ℃]区间油样黏度出现了一段基本恒定、稳中有升的阶段。温度较高（大于50 ℃）时轻组分挥发对环庆原油黏度的影响已不明显，55 ℃以后黏度的降低主要是温度升高引起的。通过试验研究升温时间控制对原油黏度的影响，以期能够准确真实反映出环庆原油的黏度变化规律。

（4）初馏点的升温时间控制是蒸馏时加热速度的直观体现，对测定油品馏程的结果有很大影响。升温太快，轻馏分气化产生较多的气体，蒸馏瓶中的气体分子增多来不及自支管逸出，瓶中的气压会大于外界的大气压，并且温度计在快速升温的过程中，不能真实地反映油气温度，测得的初馏点会偏高。当原油中轻馏分的含量接近或大于20%时，为了使轻组分有充足的时间气化、逸出，建议初馏点升温时间控制应更靠近规定区间的最大值。同一种原油，严格控制加热速度，时间控制尽可能统一，且视油样轻重等具体情况进行细微增减。

（5）含有轻组分较多的原油，存储样品的条件和储存时间长短都会对试验结果有较大的影响，即使是密封保存，若室温较高，开瓶塞时会有积聚的气体“喷出”，轻组分仍会损失。对同一批油样，应在20 ℃以下温度存放或尽快完成相关的试验研究，以确保试验结果的准确性和有效性。