高含蜡原油流变性和黏温特性研究

辛迎春

(中石化石油工程设计有限公司,山东 东营 257027)

含蜡原油是一种组成复杂的混合物,其流变性与其组成(蜡、胶质和沥青质)有关,也与其经历的热历史和剪切历史有关。在不同的温度下,原油中的蜡处于不同的形态,使原油呈现出不同的流变特性。其中蜡的组成、含量、性质及其在原油中的形态等是导致原油流变性复杂化的根本原因[1]。屈服值是呈现非牛顿流特性参数之一,是原油管输工艺设计中非牛顿流部分计算的重要参数,也是反映原油低温流动性的一个重要指标。含蜡原油在凝点温度附近时,由于蜡晶的析出和交联而发生胶凝,具有屈服应力等特性,屈服特性[2-3]是胶凝含蜡原油重要的依时流变特性,是含蜡原油胶凝结构强度的体现,对输送含蜡原油管道的运行与停输再启动有重要意义。

为了实现原油输送的安全性和高效性,需要确定原油油包水(W/O)乳状液的反相点[4-6]。原油乳状液反相点是作为原油混输油水比控制的重要依据,也是原油开采及管输评价的重要内容。随着原油乳状液含水率的增大,原油乳状液的黏度逐渐增大至最大值,再继续增加含水率,原油乳状液黏度减小,黏度最大值所对应的含水率即为反相点,此点处发生相变,由 W/O 型乳状液转变为 O/W型乳状液[7]。段林林[8]等提出乳状液的反相点实际上是一个条件性参数,即乳状液的反相点主要取决于制备乳状液的试验操作条件,因此反相点的测定应尽可能接近现场实际输送条件。

对桩23区块原油进行了流变性和黏温特性研究,寻找含蜡原油投加破乳剂前后反相点的变化规律,确定原油管输时基于原油反相点的掺水量,为桩23区块输油管道科学设计和安全运行提供指导。

1 实验部分

1.1 材料及仪器

(1)材料:NMDE破乳剂(中石化石油工程设计有限公司自主研制)。

(2)实验油样:桩23区块高含蜡原油。

(3)仪器设备:Haake RS300型同轴旋转式流变仪,具有控制剪切速率(CR)和剪切应力(CS)两种测量模式,温度控制通过配套的水浴循环来实现,变化范围为0～100 ℃。恒温水浴:控温精度±1 ℃。

1.2 实验方法

1.2.1 油样预处理

对实验油样进行预处理以消除油样的“历史记忆效应”,从而确保含蜡原油的物性实验数据具有重复性和可比性。具体操作方法:首先将混合油样适当加热并充分搅拌均匀,分装到磨口瓶内予以密封保存。然后将盛有混合油样的磨口瓶放入恒温水浴内,静置加热至80 ℃,并恒温加热2 h,使瓶内原油借助于分子热运动达到均匀状态,随后静置自然冷却至室温,再放置48 h以上,便获得开展原油物性分析实验的基础油样。

1.2.2 析蜡点测试

依据SY/T 0522—2008《原油析蜡点测定 旋转黏度计法》标准进行析蜡点测定,测试仪器采用Haake RS300流变仪。将原油自高温75 ℃向低温恒剪切应力下连续测试,自某点开始与其后各点连线的斜率有明显改变时,将测试结果在半对数坐标上连成线,对应温度即原油的析蜡点。

1.2.3 原油屈服值测试

依据SY/T 7547—2014《原油屈服值测定 旋转黏度计法》标准测试原油屈服值。测量时,将试样装入流变仪的圆筒系统中,并以0.5～1 ℃/m的降温速率缓降至某一温度,恒温一定时间,使其形成蜡晶网络结构,选择适当的剪速剪切试样,将刚转动时的剪切应力定义为原油试样在该条件下的屈服值。

1.2.4 原油乳状液制备

桩23块原油输送温度在45 ℃左右,原油乳状液制备温度参考其输送温度。油水样品在45 ℃预热30 min,然后在500 r/min条件下(模拟实际管道输送的剪切状况),搅拌10 min,制备不同含水率的系列原油乳状液,并把制备的系列原油乳状液进行黏度测试。绘制各油水乳状液的表观黏度随着含水率的变化趋势图,表观黏度最大值对应的含水率就是油水乳状液的反相点。

1.2.5 原油黏温特性测试

依据SY/T 7549—2000《原油黏温曲线的测定 旋转黏度计法》标准进行测试。黏温曲线测试步骤:取一瓶油样在50 ℃预热30 min后,装样恒温20 min,依据标准调出测试程序把温度区间、降温间隔、剪速范围、降温速率、恒温时间等参数设置好后,进行原油黏温曲线测试。净化油和含水原油的测试方法相同。

2 结果与讨论

2.1 原油物性

桩23区块原油的含蜡量为20.0%,凝固点为34 ℃,析蜡点高达68 ℃,属于高含蜡高凝点原油。如表1含蜡油析蜡点的高低与其自身蜡含量、蜡的结晶形态、碳数分布以及族组成均密切相关,通常高碳蜡含量越多越容易析出。

表1 原油物性参数

2.2 原油流变性测试

桩23区块含蜡原油符合幂律流体本构方程。通过回归分析,考察含蜡原油不同温度下的屈服值、流体类型、稠度系数和流变指数等流变参数与温度的变化关系(表2)。

表2 桩23区块原油不同温度下流变参数

表2数据显示,桩23区块含蜡原油的屈服值对温度较敏感,随着温度降低屈服值大幅增加。在20 ℃低温条件下,其屈服值高达1 996.0 Pa。其主要原因是,在该温度下蜡晶大量析出,蜡晶之间相互连接形成空间网络结构,此时原油呈胶凝状态,导致原油屈服值较大。温度越高,稠度系数K越小。温度越低,流变指数n越小,含蜡原油越偏离牛顿流体,温度介于35～40 ℃时为屈服-假塑性流体,50 ℃时为假塑性流体,55 ℃时是牛顿流体。

由图1可见,桩23区块含蜡原油的流型反常点在55 ℃,所以温度高于55 ℃时,属于牛顿流体,黏温关系接近直线,即黏度只随温度而变化,与剪切速率无关。温度低于55 ℃时,黏温曲线类似一束射线,黏度随剪速增大而逐渐降低,具有剪切稀释性,温度愈低,油中的蜡不断析出并形成三维空间网络结构,结构强度越高,剪速对黏度的影响愈大,流变特性偏离牛顿流体越远。

图1 净化原油黏温曲线

图2 不加剂含水油黏温曲线(剪速100 s-1)

图3 不加剂含水油黏温曲线(剪速200 s-1)

图4 不加剂含水油黏温曲线(剪速300 s-1)

图5 不加剂原油反相点曲线( 剪速200 s-1)

图6 加剂含水油黏温曲线(剪速100 s-1)

图7 加剂含水油黏温曲线(剪速200 s-1)

图8 加剂含水油黏温曲线(剪速300 s-1)

图9 加剂含水油反相点曲线( 剪速200 s-1)

2.3 含水原油加破乳剂前后黏温特性变化

在不加破乳剂情况下,在剪切速率为100,200,300 s-1下,对含水10%～70%的桩23区块含水油进行30～70 ℃黏温特性测试。在相同剪切速率下,投加优选出的NMDE破乳剂100 mg/L,对桩23区块原油在反相点附近的含水乳状液(含水率为40%,50%,60%)进行了黏温特性测试。

在不加剂条件下,桩23区块含水油视黏度对温度十分敏感。在30 ℃低温下视黏度较高,这是因为原油中的蜡晶在低温下结晶析出,并且和胶质、沥青质共同作用,在体系内形成了一定的结构强度[9],而温度升至40 ℃时,结构强度降低,表观黏度迅速下降3～7倍,随温度继续升高,黏度缓慢降低。剪切速率对桩23区块含水油黏度的影响与温度密切相关,当温度低于反常点55 ℃时,油样具有剪切稀释效应,且温度越低,剪切稀释作用越明显。温度高于反常点后,即含蜡原油为牛顿流体时,剪切速率对原油黏度基本无影响。

原油含水率小于60%时,在同一温度下的原油视黏度随含水率的增加而逐渐增大;当含水率为60%时,原油视黏度为最大,随着含水率继续增大,其原油视黏度急剧下降。不加剂桩23区块原油的反相点为60%。

NMDE破乳剂投加100 mg/L,对桩23区块40%～60%含水油的流动性有明显改善,尤其在30,40 ℃低温下,加破乳剂后含水油的视黏度显著降低,降黏率可高达90%以上,但在高温下破乳剂对含水油的视黏度影响较小。投加破乳剂后使原油乳状液反相点降低,由含水60%降到含水50%。

为降低原油管输黏滞阻力,通常要求原油管输掺水量要在原油反相点以上,形成 O/W 型乳状液后黏度大幅降低,从而有利于原油管输。加剂后原油反相点在50%左右,因此选取60%的原油含水作为加剂原油掺水输送的最低含水要求。

3 结论

(1)桩23区块含蜡原油凝固点为34 ℃,析蜡点为68 ℃,该原油具有高凝固点和高析蜡点的显著特点。

(2)桩23区块含蜡原油的流型反常点在55 ℃,温度高于55 ℃时,属于牛顿流体。温度低于55 ℃时,黏度随剪速增大而逐渐降低,具有剪切稀释性,温度愈低,剪速对黏度的影响愈大,流变特性偏离牛顿流体越远。

(3)在不加破乳剂条件下,桩23区块含水油在30 ℃低温下黏度较高,40 ℃时黏度迅速下降3～7倍,随温度继续升高,黏度缓慢降低。当温度低于其反常点55 ℃时,油样具有剪切稀释效应,且温度越低,剪切稀释作用越明显。温度高于反常点后,剪切速率对原油黏度基本无影响。

(4)NMDE破乳剂投加100 mg/L,可使桩23区块含水油的流动性明显改善,尤其在30,40 ℃低温下投加破乳剂能显著降低含水油视黏度,降黏率可高达90%以上,但在高温下破乳剂对含水油的视黏度影响较小。加剂后含水率反相点由60%降低为50%。

(5)加剂原油反相点在50%左右,基于掺水量要在原油乳化反相点以上,因此选取60%的原油含水作为该区块加剂原油掺水输送的最低含水要求。