原油相對(duì)分子質(zhì)量測(cè)定新方法

閆福麗 劉衛(wèi)東 叢蘇男 羅莉濤 張寶榮 王 喆

1.中國(guó)科學(xué)院大學(xué) 2.中國(guó)科學(xué)院滲流流體力學(xué)研究所3.中國(guó)石油勘探開(kāi)發(fā)研究院廊坊分院4.中國(guó)石油機(jī)關(guān)服務(wù)中心北京華油科隆開(kāi)發(fā)公司

分析計(jì)量與標(biāo)準(zhǔn)化

原油相對(duì)分子質(zhì)量測(cè)定新方法

閆福麗1,2劉衛(wèi)東3叢蘇男3羅莉濤1,2張寶榮4王 喆4

1.中國(guó)科學(xué)院大學(xué) 2.中國(guó)科學(xué)院滲流流體力學(xué)研究所3.中國(guó)石油勘探開(kāi)發(fā)研究院廊坊分院4.中國(guó)石油機(jī)關(guān)服務(wù)中心北京華油科隆開(kāi)發(fā)公司

針對(duì)遼河油田沈84-安12塊高凝油，利用元素分析儀測(cè)定原油碳、氫元素含量及氫碳原子個(gè)數(shù)比，判定原油主要組成。對(duì)原油進(jìn)行氣相色譜分析，采用歸一化法得到原油碳數(shù)分布。結(jié)合原油的元素分析和碳數(shù)分布，計(jì)算出原油的相對(duì)分子質(zhì)量。實(shí)驗(yàn)結(jié)果：遼河油田沈84-安12塊高凝油的碳、氫元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)之和達(dá)99.21%，氫碳原子個(gè)數(shù)比為2.10，說(shuō)明此原油以飽和烷烴為主；氣相色譜測(cè)得原油碳數(shù)分布為nC12～nC35之間的烴類組分，分離效果好；由碳元素濃度和碳數(shù)分布計(jì)算所得遼河油田沈84-安12塊高凝油相對(duì)分子質(zhì)量為334.98，由氫元素濃度和碳數(shù)分布計(jì)算所得數(shù)值為332.92，兩者相差2.06。

原油 相對(duì)分子質(zhì)量 碳數(shù)分布 元素分析

研究原油的物性及化學(xué)組成時(shí)，其相對(duì)分子質(zhì)量是必不可少的原始數(shù)據(jù)。測(cè)定原油的相對(duì)分子質(zhì)量對(duì)分析原油的主要化學(xué)成分，深入研究原油的理化性質(zhì)及原油評(píng)價(jià)具有重要意義[1]。對(duì)不同相對(duì)分子質(zhì)量原油的界面張力測(cè)定，可探尋原油活性組分界面擴(kuò)張黏彈性的變化規(guī)律[2]。表面活性劑在化學(xué)驅(qū)中占有舉足輕重的作用，對(duì)表面活性劑與原油的匹配關(guān)系研究，相對(duì)分子質(zhì)量是極為重要的物性參數(shù)[3]。研究原油降解降黏，反應(yīng)前后樣品的相對(duì)分子質(zhì)量對(duì)比，是判斷降黏的重要指標(biāo)之一[4]。油田化學(xué)中原油及其相關(guān)產(chǎn)品相對(duì)分子質(zhì)量的測(cè)定具有重要的意義，但由于原油組成的復(fù)雜性，所含化合物的相對(duì)分子質(zhì)量各不相同，其范圍往往又很寬，所以對(duì)于原油這類物質(zhì)只能用平均相對(duì)分子質(zhì)量來(lái)加以表征。

1 研究現(xiàn)狀

對(duì)于原油這種不均一的多分散體系，常用數(shù)均相對(duì)分子質(zhì)量和重均相對(duì)分子質(zhì)量來(lái)表示平均相對(duì)分子質(zhì)量。數(shù)均分子質(zhì)量是應(yīng)用最廣泛的一種平均相對(duì)分子質(zhì)量，它是依據(jù)溶液的依數(shù)性來(lái)測(cè)定的。重均相對(duì)分子質(zhì)量在石油上用的較少，它是利用光散射等方法測(cè)定的[5]。

對(duì)于石油常用的數(shù)均相對(duì)分子質(zhì)量的測(cè)定方法主要有冰點(diǎn)降低法[6]、蒸汽壓滲透法(VPO)。另外還有測(cè)定黏度以確定原油平均相對(duì)分子質(zhì)量的方法[3]。

目前，文獻(xiàn)中對(duì)于原油及其產(chǎn)品相對(duì)分子質(zhì)量的測(cè)定絕大多數(shù)采用VPO法[7-8]，此方法應(yīng)用較為成熟，且測(cè)量范圍廣，對(duì)樣品性質(zhì)要求低，實(shí)驗(yàn)測(cè)得數(shù)據(jù)重復(fù)性好，已被業(yè)內(nèi)廣為認(rèn)可。但VPO法仍存在一定的缺陷：①實(shí)驗(yàn)所用溶劑一般為苯，苯為易燃，有毒溶劑；②VPO法所用儀器昂貴，實(shí)驗(yàn)室應(yīng)用較少，國(guó)內(nèi)利用VPO法測(cè)定樣品相對(duì)分子質(zhì)量的測(cè)試機(jī)構(gòu)也極少。所以，利用VPO法測(cè)定原油相對(duì)分子質(zhì)量非常不便。

冰點(diǎn)降低法也存在不足之處：①常用溶劑也是有毒的苯溶劑；②苯的冰點(diǎn)為5.5 ℃，在低溫下油樣的溶解性不好，還會(huì)析出蠟[1,6]。所以，此法不適用于密度較大或含蠟油品，可用于測(cè)定輕質(zhì)油品的相對(duì)分子質(zhì)量。

黏度法測(cè)原油相對(duì)分子質(zhì)量的優(yōu)點(diǎn)是裝置簡(jiǎn)易、價(jià)格便宜、操作容易。原油的黏度與相對(duì)分子質(zhì)量有關(guān)，黏度大，相對(duì)分子質(zhì)量較高；黏度小，相對(duì)分子質(zhì)量較低。根據(jù)這一原理，分別測(cè)定37.8 ℃和98.9 ℃時(shí)石油樣品運(yùn)動(dòng)黏度，利用H函數(shù)表和黏度、H函數(shù)與平均相對(duì)分子質(zhì)量關(guān)系圖確定樣品平均相對(duì)分子質(zhì)量[9-10]。但此法僅適用于平均相對(duì)分子質(zhì)量在250～700范圍內(nèi)的石油樣品，且無(wú)法測(cè)定凝固點(diǎn)高(37.8 ℃時(shí)呈固態(tài))的石油樣品。

遼河油田沈84-安12塊高凝油中蠟的質(zhì)量分?jǐn)?shù)高達(dá)45%[11]，室溫下呈無(wú)定型固體。冰點(diǎn)法不適用于蠟濃度高的油品。沈84-安12塊原油在37.8 ℃下已呈凝固狀態(tài)，無(wú)法測(cè)定此溫度下的運(yùn)動(dòng)黏度，故黏度法不適用。目前，測(cè)定原油相對(duì)分子質(zhì)量的方法中，只有VPO法適用于沈84-安12塊高凝油相對(duì)分子質(zhì)量的測(cè)定，但所用溶劑為苯，且為儀器所限。

本研究提出一種測(cè)定原油相對(duì)分子質(zhì)量的新方法，利用實(shí)驗(yàn)室常見(jiàn)的氣相色譜儀和元素分析儀測(cè)定原油相對(duì)分子質(zhì)量。該方法操作簡(jiǎn)單、分析速度快、樣品用量少、安全性好，不足之處在于實(shí)驗(yàn)采用氣相色譜分析，不適用于如膠質(zhì)或?yàn)r青質(zhì)這類黏度較大，氣相難分離的樣品。

2 實(shí)驗(yàn)部分

2.1 儀器與材料

Agilent 7890氣相色譜儀(美國(guó)安捷倫公司生產(chǎn))。Vario EL元素分析儀(德國(guó)公司生產(chǎn))，檢測(cè)范圍為：C 0～40 mg、O 0～6 mg、H 0～3 mg、N 0～15 mg；分析精度為：CHN≤0.1% 、O≤0.2% 。

遼河油田沈84-安12塊原油，由遼河油田提供，實(shí)驗(yàn)前已經(jīng)脫水；二硫化碳(分析純)，用于溶解稀釋樣品；乙酰苯胺(分析純)。

2.2 原油碳數(shù)分布測(cè)定

2.2.1 測(cè)試條件

色譜柱：彈性石英毛細(xì)柱HP-1,長(zhǎng)30 m，內(nèi)徑0.25 mm；膜度0.25 μm。

檢測(cè)器：氫火焰離子化檢測(cè)器，溫度為320 ℃。

柱溫：初始溫度為80 ℃，恒溫3 min，以6 ℃/min的速率升溫至310 ℃，恒溫至峰全部出完。

汽化室溫度：310 ℃。

載氣：氮?dú)?，純度?9.99%(φ)。

分流比：1∶1。

氫氣流量：40 mL/min，純度為99.99%(φ)。

空氣流量：400 mL/min。

進(jìn)樣量：0.1 μL。

2.2.2 實(shí)驗(yàn)方法

由于沈84-安12塊原油室溫(28 ℃)下為無(wú)定形固體，必須將其溶解稀釋方可測(cè)定。本實(shí)驗(yàn)用二硫化碳溶解原油，用微量注射器吸取0.1 μL的稀釋樣品進(jìn)樣。

2.3 原油元素分析

2.3.1 測(cè)試條件

檢測(cè)器：TCD；氧化溫度：1 150 ℃；還原溫度：850 ℃；H2O柱吸附溫度：50 ℃,解吸溫度280 ℃；CO2:柱吸附溫度50 ℃,解吸溫度130 ℃；氧氣流量:30 mL/min，純度為99.995%(φ)；進(jìn)氧時(shí)間:90 s；氦氣流量：200 mL/min，純度為99.995%(φ)。

2.3.2 測(cè)試方法

Vaior EL元素分析儀采用空管動(dòng)態(tài)燃燒法,試樣燃燒后，其中的碳、氫元素分別轉(zhuǎn)換為CO2和H2O，隨氦氣流被不同吸附柱吸附分離后，依次加熱吸附柱解析，并逐次通過(guò)熱導(dǎo)檢測(cè)器被檢測(cè)。由于元素分析儀不能做絕對(duì)測(cè)量，樣品的元素濃度和元素測(cè)定值(積值分值)的關(guān)系則必須通過(guò)校準(zhǔn)才能計(jì)算出。本實(shí)驗(yàn)選取乙酰苯胺標(biāo)樣，建立校準(zhǔn)曲線。

在電子天平上準(zhǔn)確稱取一定量的乙酰苯胺標(biāo)樣和沈84-安12塊原油(室溫下為固體)樣品，分別用錫舟包好，用鑷子依次裝入自動(dòng)進(jìn)樣器，測(cè)定其碳、氫濃度。

2.4 原油相對(duì)分子質(zhì)量的計(jì)算方法

由原油的氣相色譜分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果得到遼河油田沈84-安12塊原油所含碳數(shù)及其質(zhì)量分?jǐn)?shù)。由元素分析得到原油碳元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)，則原油的相對(duì)分子質(zhì)量可由式(1)計(jì)算。

(1)

式中：12為碳原子的相對(duì)原子質(zhì)量；x為原油含碳數(shù)最小值；y為原油含碳數(shù)最大值；wn為相應(yīng)碳數(shù)烷烴質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%，n=1，2，3…；wC為由元素分析得到的原油碳元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%；N為原油的相對(duì)分子質(zhì)量。

若將原油看作完全由飽和烷烴組成，由原油碳數(shù)分布可以得到氫原子的總相對(duì)原子質(zhì)量，由元素分析得到氫原子的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，得到由氫元素算出原油的相對(duì)分子質(zhì)量，其計(jì)算如式(2)。

(2)

式中：(2n+2)為氫原子的個(gè)數(shù)；wH為氫元素占原油的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%。

3 結(jié)果與分析

3.1 原油碳數(shù)分布

對(duì)遼河油田沈84-安12塊原油碳數(shù)的定性分析。根據(jù)碳數(shù)之間的保留距離，確定姥鮫烷C17和植烷C18的出峰位置，即可推出一系列正烷烴的分布，見(jiàn)圖1。

定量分析用歸一化法計(jì)算原油各烴類相對(duì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)，見(jiàn)式(3)，分析結(jié)果見(jiàn)表1。

(3)

式中：wi為樣品各組分的相對(duì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%;Ai為樣品各組分的峰面積，μA·min；fi為樣品各組分的質(zhì)量校正因子。

相對(duì)質(zhì)量校正因子接近1,與1差值小于0.1，取近似值1。

3.2 原油元素分析

利用Vaior EL元素分析儀測(cè)得遼河油田沈84-安12塊高凝原油碳元素的質(zhì)量占原油總質(zhì)量的84.41%，氫元素的占14.80%。氫碳原子個(gè)數(shù)比為2.10。由飽和烷烴通式CnH2n+2，得到其氫碳原子個(gè)數(shù)比(q)的計(jì)算公式為：

表1 沈84-安12塊原油碳數(shù)分布Table1 CarbonnumberdistributionofcrudeoilinShen84-An12Block碳數(shù)峰面積/(μA·min)質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%碳數(shù)峰面積/(μA·min)質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%C11C241475.295.64C129.080.03C251505.465.75C13105.180.40C261510.555.77C14455.441.74C271591.696.08C15979.623.74C281454.215.56C161264.054.83C291362.275.20C171495.495.71C301138.864.35C181465.645.60C31980.043.74C191519.515.81C32772.852.95C201435.445.48C33594.882.27C211436.355.49C34425.491.63C221413.395.40C35284.411.09C231498.785.73C36

(4)

由式(4)可得，飽和烷烴的氫碳比隨著碳數(shù)的增加而減小，但其變化的幅度不會(huì)很大。由沈84-安12塊高凝油的氫碳原子個(gè)數(shù)比可以得知，該原油所含成分主要為飽和烷烴。

3.3 原油相對(duì)分子質(zhì)量計(jì)算結(jié)果

根據(jù)式(1)，以原油的碳數(shù)分布和原油中碳元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)計(jì)算得到原油的相對(duì)分子質(zhì)量。

根據(jù)式(2)，以原油的碳數(shù)分布和原油中氫元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)計(jì)算得到原油的相對(duì)分子質(zhì)量。

由碳、氫兩種元素分別計(jì)算得到的原油相對(duì)分子質(zhì)量數(shù)值差別不大，僅為2.06，對(duì)分析效果影響不大。此方法可用來(lái)定性分析原油的性質(zhì)。

3.4 方法驗(yàn)證

為驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)方法的可靠性，采用相同的方法測(cè)定沈84-安12塊原油飽和烴的相對(duì)分子質(zhì)量。按照SH/T 0509—2010《石油瀝青四組分測(cè)定法》分離原油得到飽和烴，飽和烴的質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)64.36%。利用氣相色譜儀得到沈84-安12塊原油飽和烴的碳數(shù)分布，氣相色譜圖見(jiàn)圖2。

沈84-安12塊原油飽和烴含烴類的質(zhì)量分?jǐn)?shù)見(jiàn)表2。

表2 沈84-安12塊原油飽和烴碳數(shù)分布Table2 CarbonnumberdistributionofsaturatedhydrocarbonincrudeoilinShen84-An12Block碳數(shù)峰面積/(μA·min)質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%碳數(shù)峰面積/(μA·min)質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%C10C24258.326.22C117.950.18C25279.515.91C1244.420.99C26279.845.83C13100.492.23C27265.935.10C14149.333.32C28262.384.13C15191.564.26C29229.163.25C16197.844.40C30185.582.36C17214.644.77C31146.371.54C18213.784.75C32106.261.07C19221.514.93C3369.320.70C20226.325.03C3448.280.44C21237.035.27C3531.416.22C22243.095.41C3619.695.91C23254.955.67C3712.11

利用Vaior EL元素分析儀測(cè)得遼河油田沈84-安12塊高凝原油飽和烴碳元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)為84.12%，氫元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)為15.49%，氫碳原子個(gè)數(shù)比為2.21，大于原油的氫碳原子個(gè)數(shù)比。

根據(jù)飽和烴的碳數(shù)分布和飽和烴中碳元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，由式(1)計(jì)算得到原油飽和烴的相對(duì)分子質(zhì)量：

為考查本實(shí)驗(yàn)方法的可靠性，驗(yàn)證結(jié)果的重復(fù)性和再現(xiàn)性，利用氣相色譜儀和元素分析儀再一次測(cè)定沈84-安12塊高凝原油和原油飽和烴的碳數(shù)分布及碳、氫元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)，由式(1)計(jì)算原油及原油飽和烴的相對(duì)分子質(zhì)量。得到結(jié)果：沈84-安12塊高凝原油的相對(duì)分子質(zhì)量為333.15，與第1次得到的結(jié)果334.98相差1.83；原油飽和烴的相對(duì)分子質(zhì)量為329.85，與第1次得到的結(jié)果329.28相差0.57。采用本實(shí)驗(yàn)方法對(duì)沈84-安12塊高凝原油和原油飽和烴的兩次相對(duì)分子質(zhì)量測(cè)定，由得到的結(jié)果可以判定該實(shí)驗(yàn)方法可行可靠。

3.5 結(jié)果分析

采用歸一化法測(cè)得原油的碳數(shù)分布，計(jì)算原油烴類的質(zhì)量分?jǐn)?shù)時(shí)，對(duì)數(shù)據(jù)的簡(jiǎn)化處理，會(huì)給結(jié)果帶來(lái)一定誤差。但相對(duì)質(zhì)量校正因子與1差值小于0.1，根據(jù)式(3)可知，所得結(jié)果仍然可靠。

沈84-安12塊原油的氫碳原子個(gè)數(shù)比大于2，將原油假設(shè)為飽和烷烴計(jì)算。實(shí)際上，原油的組成中除了飽和烷烴外，還有環(huán)烷烴和芳香烴，以及碳鏈上會(huì)連有氧、氮、硫等雜原子，這是產(chǎn)生誤差的原因之一。所以，對(duì)于氫碳比低于2的樣品則不能用氫元素來(lái)計(jì)算，可用碳元素和原油碳數(shù)分布計(jì)算其相對(duì)分子質(zhì)量。

4 結(jié) 論

(1) 建立原油相對(duì)分子質(zhì)量測(cè)定新方法。利用原油碳元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)與原油碳數(shù)分布，或原油氫元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)與原油碳數(shù)分布得出原油相對(duì)分子質(zhì)量。方法簡(jiǎn)單、用樣量少、分析快速、安全性高。

(2) 測(cè)得遼河油田沈84-安12塊高凝油所含烴類的分布為nC12～nC35，得到了各組分的質(zhì)量分?jǐn)?shù)。

(3) 遼河油田沈84-安12塊高凝油的碳、氫元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)之和達(dá)到99.21%，雜元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)較低。氫碳原子個(gè)數(shù)比為2.10，表明原油主要由飽和烷烴組成。

(4) 本研究計(jì)算原油相對(duì)分子質(zhì)量的方法適用于原油、飽和烴和芳香烴相對(duì)分子質(zhì)量的測(cè)定。

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A new method for determination of relative molecular mass of crude oil

Yan Fuli1,2， Liu Weidong3， Cong Sunan3， Luo Litao1,2， Zhang Baorong4， Wang Zhe4

1. University of Chinese Academy of Science, Beijing , China； 2. Institute of Porous Flow and Fluid Mechanics , Chinese Academy of Science, Langfang, Hebei, China； 3. Langfang Branch of Research Institute of Petroleum Exploration and Development, PetroChina, Langfang, Hebei, China;4. PetroChina Service Center Beijing Huayou Kelong Development Company, Beijing, China

The content of C and H in the high pour-point oil of Shen84-An12 Block in Liaohe Oilfield was measured by element analyzer, and then the major components of this oil were analyzed. The oil’s carbon number distribution was obtained by GC. Combining with element analysis and the carbon number distribution, the relative molecular mass of the oil was calculated. The results show that saturated alkane is the major component of this oil because that the contents of C and H reached the sum of 99.21%, and the ratio of hydrogen atom to carbon atom is 2.10; the distribution of carbon number of crude oil is from nC12to nC35, and the good analysis results about the distribution of the carbon numbers in the oil have been obtained by the chromatography conditions described in the paper; the molecular mass of the high pour-point oil of Shen84-An12 Block in Liaohe Oilfield is 334.98, which was calculated by the content of carbon and the distribution of the carbon numbers. In addition, calculating value is 332.92 by the content of hydrogen and the distribution of the carbon numbers. The difference value is 2.06.

crude oil, relative molecular mass, carbon number distribution, element analysis

閆福麗(1991-)，女，中國(guó)科學(xué)院大學(xué)碩士研究生，研究方向?yàn)樘岣咴筒墒章省-mail:1274189768@qq.com

TE622

A

10.3969/j.issn.1007-3426.2017.03.019

2016-09-09；編輯：鐘國(guó)利