2019,
Vol. 43
2. 青海油田采气一厂, 青海格尔木 816099
2. The First Natural Gas Plant of Qinghai Oilfield Company, Geermu 816099, China
在原油输送[1-3]过程中, 为了降低输送成本、提高经济效益, 降低原油黏度非常重要。目前常用的降黏方式主要有加热降黏、加剂降黏、微生物降黏、电磁降黏和超声波降黏等[4-7]。其中超声波降黏是一种安全、高效且无污染的降黏方式[8-9]。董慧娟等[10]开展原油超声波降黏实验, 对含水率为60%的油样超声处理3 min, 降黏率高达60%。徐德龙等[11]研究超声波对风城超重油的降黏作用, 20 ℃时黏度降低了25%。TAHERI等[12]采用超声波降黏实验考察超声波对重油性质的影响, 100 mL伊朗原油超声处理4 min时, 黏度降低19%。沥青质是影响稠油黏度的最主要因素[13-17]。笔者研究超声波处理前后沥青质粒径、分散均匀程度和质量分数变化, 考察超声波对原油黏度的影响。
1 实验 1.1 试剂及仪器实验试剂:油样为委内瑞拉原油, 其20 ℃密度为955.50 kg/m3, 50 ℃黏度为371.40 mPa·s, 凝点为-13.10 ℃, 蜡质量分数为0.83%, 沥青质量分数为8.35%;甲苯, 分析纯; 正庚烷, 分析纯。
实验仪器:THD-2012D超声波发生器; VT550旋转黏度计, 精度为±3.0%;SG100显微镜、TDL-5Y台式低速石油离心机, 转速控制精度为±30 r/min; 752型紫外可见分光光度计。
1.2 实验方法(1) 原油超声处理。取200 mL原油于烧杯中, 放入恒温水浴, 按照图 1所示连接仪器。开启恒温水浴, 设定水浴温度20 ℃, 观察温度计示数达到实验所需温度; 开启超声波发生器, 设定相关参数, 设定完成后, 秒表计时; 达到实验规定时间(0~40 min), 结束超声波处理。
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图 1 超声波处理装置图 Fig.1 Schematic of ultrasonic device |
(2) 原油黏度测定。取超声处理前后的委内瑞拉油样, 以0.5 ℃/min的速度降温到20 ℃, 在剪切速率为5 s-1的条件下, 采用VT 550旋转黏度计, 按照《原油流变性测定方法》(GB/T 28910-2012)[18], 对油样进行黏度测定。
(3) 沥青质粒径测定。取超声处理前后的委内瑞拉油样, 质量比为1:10加入正庚烷进行稀释, 在室温下分散, 取2滴于显微镜下观察, 为了获得可靠的粒径分布, 每个样本记录超过15幅图像, 粒子数量超过2000个。通过图像处理软件对沥青质聚集照片进行处理, 确定沥青质颗粒粒径。
(4) 原油-正庚烷稳定性测定。为了考察沥青质粒径和分散均匀程度, 取超声处理前后的委内瑞拉油样, 分别以质量比1:200、1:400和1:600加正庚烷稀释, 采用TDL-5Y离心机, 以3000 r/min离心30 min; 原油中沥青质不溶于正庚烷经离心后大量沉淀, 取上层清液, 采用紫外可见分光光度计, 以600 nm时正庚烷为参比样, 进行液体样本透光率和吸光度的测量。
(5) 沥青质质量分数测定。取超声处理前后的委内瑞拉油样, 按照《石油沥青四组分测定法》(NB/SH/T 0509-2010)[19], 对原油中沥青质质量分数进行测定。
2 结果分析 2.1 原油黏度选用100 W超声功率, 用超声波处理装置对油样进行超声降黏实验, 黏度测定结果见图 2。
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图 2 原油黏度和降黏率与超声处理时间的关系 Fig.2 Relationship between viscosity and viscosity reduction of crude oil and ultrasonic treatment time |
由图 2看出, 超声处理0~20 min, 随着处理时间的延长, 原油黏度快速下降, 20 min时油样黏度为1305.4 mPa·s, 降黏率达69.5%, 效果十分明显; 在20~40 min内, 超声处理时间越长, 黏度开始缓慢上升; 当超声作用40 min时, 黏度增加到2 305.6 mPa·s, 远低于超声处理前原油黏度。由此可见, 超声波作用于原油能明显降低其黏度, 并且存在最优超声波处理时间。
2.2 沥青质粒径对超声处理0、10、20、30和40 min的油样分别进行显微镜观测拍照, 得到沥青质聚集图像, 见图 3。
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图 3 不同超声处理时间沥青质聚集图像 Fig.3 Asphaltene aggregation images of different ultrasonic treatment time |
由图 3(a)看出, 原油中存在较大的沥青质聚集颗粒。油样经超声波处理10 min后, 黏度由4284 mPa·s下降到2199.3 mPa·s。由图 3(b)看出, 10 min时沥青质的聚集图像较未超声处理的沥青质聚集图像相比, 沥青质颗粒明显减小, 平均粒径由3.5 μm减小为2.8 μm, 黏度变化的主要原因是超声波存在正负压交变周期, 声波在液体中传播, 负压相位时, 原油密度减小, 气泡核膨胀; 正压相位时, 超声波对液体介质挤压, 使介质密度增大, 液体中的微小气泡在声波驱动下成长、脉动, 达到空化阈值时, 空化泡急剧崩溃闭合, 瞬间释放的高温高压致使大量沥青质颗粒破裂, 黏度降低[20-21]。由图 3(c)看出, 20 min时降黏率最大, 显示原油超声处理20 min时沥青质聚集颗粒最小, 平均粒径为2.1 μm。由图 3(d)、(e)看出, 原油超声处理30和40 min, 沥青质平均粒径由2.4 μm增大为3.0 μm, 当超过40 min时黏度由1570.8 mPa·s上升至2305.6 mPa·s。
不同超声处理时间沥青质聚集粒径分布见图 4。由图 4(a)看出, 与超声处理前沥青质聚集粒径分布相比, 超声处理20 min后粒径分布向左移动, 整体变小。当超声作用40 min时, 沥青质聚集粒径呈变大趋势, 粒径分布整体向右移动。这是由于随着超声辐射时间的增加, 原油中沥青质颗粒破碎程度更高, 但超声波致使原油流动紊乱, 增加了沥青质颗粒间的接触面积, 使得破裂的沥青质粒子形成大的沥青质聚集体[22-24], 从而使其黏度增加。
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图 4 不同超声处理时间沥青质聚集粒径分布 Fig.4 Distribution of asphaltene aggregates in different ultrasonic treatment time |
对于稳定分散的委内瑞拉原油-正庚烷体系, 沥青质颗粒越小越不易被离心沉淀, 旋转离心得到的上层清液透光率较低, 吸光度较高; 反之, 沥青质沉淀增多, 上层清液透光率升高, 吸光度下降[25]。图 5所示为超声处理前后原油-正庚烷体系旋转离心后上层清液的透光率和吸光度对应曲线。
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图 5 透光率和吸光度与超声处理时间的关系 Fig.5 Transmittance and absorbance correspond to ultrasonic treatment time |
委内瑞拉原油-正庚烷体系的稳定性反映了沥青质作为分散相与分散介质作用力的强弱, 原油中的沥青质粒子分散越均匀, 颗粒越小, 则原油-正庚烷体系越稳定。由图 5可知, 0~20 min内, 超声波作用时间越长, 透光率越大, 吸光度越小。主要原因是经超声波辐射, 空化作用使原油中的微小气泡崩溃闭合后产生强烈的局部冲击, 粉碎液体中的颗粒, 同时在传播过程中超声波的机械振动对原油起到有效搅拌的作用, 通过空化作用和机械作用使沥青质细化后均匀分散在原油中, 颗粒变小, 溶剂化程度更高; 之后, 随超声辐射时间的延长, 沥青质颗粒聚集变大, 离心沉淀量增多, 上层清液透光率减小, 吸光度增加。同时, 原油-正庚烷稀释比越大, 体系的透光率和吸光度变化幅度越小。
2.4 沥青质质量分数图 6为随超声处理时间增加原油中沥青质质量分数的变化趋势。委内瑞拉原油沥青质质量分数为8.35%, 经超声处理20 min后, 沥青质质量分数减少为7.93%, 实验得到油样黏度降低至1305.4 mPa·s。30 min时, 原油中沥青质质量分数减少到7.68%, 实验得到黏度由1 305.4 mPa·s上升为1570.8 mPa·s。原因是原油中的大多数微小气泡在30 min前达到临界崩溃值, 沥青质长链及絮凝体裂解, 裂解为原油中的饱和分[26-27], 沥青质质量分数减少; 20~30 min内由于沥青质减少量仅为0.25%, 其粒径变大, 分散不均匀程度更高, 综合作用导致原油黏度呈上升趋势, 该实验结果与Taheri等[12]研究结果一致。作用时间超过30 min时, 沥青质质量分数缓慢增加到7.72%, 主要是因为长时间辐射, 原油在超声波作用下吸收声能, 将其转化为热能, 同时介质声波特性阻抗不同, 不同介质产生巨大的振动速度差异, 介质边界摩擦产生热量, 起到局部加热的作用, 同时空化作用引起的局部加热等热作用增加, 油样温升明显; 由于饱和分相对分子质量小, 蒸发温度低, 因此超声处理时间过长, 饱和分蒸发, 沥青质质量分数增加[28]。
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图 6 沥青质质量分数与超声处理时间的关系 Fig.6 Relationship between asphaltene content and ultrasonic treatment time |
(1) 超声波作用温度为20 ℃、频率20 kHz、功率100 W的条件下, 随着处理时间由0增至40 min, 原油黏度先下降后上升。超声作用20 min时原油降黏率最高, 达到69.5%。
(2) 原油超声处理0~20 min内, 空化作用致使大量沥青质颗粒破裂, 沥青质粒径变小, 分布变均匀, 原油黏度降低; 20~40 min内, 破裂的沥青质颗粒重新聚集, 粒径变大, 原油黏度增加。
(3) 超声处理使原油中沥青质质量分数降低。作用30 min时沥青质质量分数减少量最大, 为0.67%;超声处理30 min后, 沥青质质量分数有一定程度的恢复, 但恢复后沥青质质量分数仍低于处理前的沥青质质量分数。
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