稠油管道輸送技術(shù)研究

鄒 帥, 吳 明, 劉佳春

（遼寧石油化工大學(xué)， 遼寧 撫順 113001）

由于稠油粘度非常大，在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中不僅與管道內(nèi)壁之間還與周圍的稠油微團(tuán)之間產(chǎn)生非常大的內(nèi)摩擦力，這給稠油的安全、順利和經(jīng)濟(jì)輸送帶來(lái)難題。本章對(duì)稠油的高粘實(shí)質(zhì)和國(guó)內(nèi)外稠油輸送方法進(jìn)行深入研究。

1 稠油高粘實(shí)質(zhì)

稠油中膠質(zhì)和瀝青質(zhì)含量較高，含蠟較少，且含有氧、硫、氮等元素和一些金屬化合物。宏觀上主要表現(xiàn)為高密度、高粘度和低凝點(diǎn)。對(duì)于稠油的高粘的實(shí)質(zhì)已經(jīng)進(jìn)行了大量的研究工作：

敬加強(qiáng)等[1]進(jìn)行的研究表明：即使含蠟量極低的稠油中蠟全部析出，也不會(huì)形成以蠟晶為主體的稠油結(jié)構(gòu)。由此可以看出，稠油中的蠟并非是引起稠油高粘的原因和實(shí)質(zhì)，而是由類似于瀝青膠質(zhì)分子等本身分子在該稠油體系內(nèi)的各種相互作用力下形成的復(fù)雜的聚合分子或者高分子結(jié)構(gòu)引起。

晏德福等[2]認(rèn)為：引起稠油高粘度的實(shí)質(zhì)是稠油體系中的瀝青質(zhì)分子，瀝青膠質(zhì)分子以三維締合網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)形式存在于稠油體系中，借助氫鍵力和分子間力形成緊湊的聚集體。同時(shí)，膠質(zhì)分子則附著在瀝青質(zhì)分子構(gòu)成的聚集體上而形成了石油膠體，懸浮于油中。這樣當(dāng)稠油分子發(fā)生相對(duì)位移時(shí)產(chǎn)生很大的內(nèi)摩擦力，即表現(xiàn)出稠油的高粘度。

1940年由Pfeiffer和Saal[3]最早提出了“瀝青質(zhì)（Bitumens）物理模型”，認(rèn)為，瀝青質(zhì)是被原油中其他組分通過(guò)芳香π-π軌道雜化、分子間作用力和氫鍵力等相互作用而溶解形成的，具有很強(qiáng)極性內(nèi)核和很弱極性外殼的“膠束（micelles）”或洋蔥狀微粒[4]。但后來(lái)，由于考慮到瀝青質(zhì)多以分散狀存在于原油中，很多研究者對(duì)該模型進(jìn)行了補(bǔ)充和修正。

David等人[5]堅(jiān)持，由Pfeiffer和Saal提出的“瀝青質(zhì)物理模型”的膠束本質(zhì)上就是其他組分吸附于瀝青質(zhì)分子表面而形成的大分子結(jié)構(gòu)。另外，Yen等，提出了“層疊（Stacks）模型”，即瀝青質(zhì)稠環(huán)芳香化合物（PACs）聚集體由酯、硫化物、環(huán)烷鏈和鏈烷鏈連接而成。近5個(gè)瀝青質(zhì)膠體分子的PAC核通過(guò)π-π鍵、氫鍵和其他作用力共同作用形成聚集的層疊結(jié)構(gòu)，這種層疊的聚集體大分子結(jié)構(gòu)即“膠束”。綜合可以認(rèn)為，瀝青質(zhì)膠束分子有大分子結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)可能是導(dǎo)致稠油具有高粘度的根本和直接原因，因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)決定性質(zhì)。

Burg等[6]認(rèn)為，油品的粘度原油粘度實(shí)質(zhì)上取決于偶極-偶極和偶極-誘發(fā)偶極相互作用，而與氫鍵影響不大。根據(jù)研究表明，London力作用、原油與可極化溶質(zhì)和偶極/極化作用是影響油品粘度的決定性作用。

綜合以上各觀點(diǎn)，我們可以看出決定原油粘度的本質(zhì)是個(gè)復(fù)雜的問(wèn)題，但大體上可以認(rèn)為，原油粘度的實(shí)質(zhì)為原油體系中瀝青質(zhì)分子和非瀝青質(zhì)分子相互作用所形成的大分子膠束聚集體所致。

因此，通過(guò)各種方法（如稀釋、熱處理等）降低原油中瀝青質(zhì)膠體、金屬等雜原子濃度或減小膠束大分子結(jié)構(gòu)是原油降粘的根本途徑和措施。

2 稠油管輸技術(shù)現(xiàn)狀

稠油管道輸送方法主要包括：加熱法（常規(guī)加熱法、電磁感應(yīng)加熱法）、裂解降粘法、稀釋降粘法、改性劑（油溶性降粘劑、乳化降粘劑）降粘法等。

2.1 加熱法輸送

顧名思義，加熱法即對(duì)稠油進(jìn)行加熱來(lái)提高稠油的輸送溫度而降低油品在輸送條件下的粘度，以減少管路摩擦損失的一種輸送方法。該方法主要考慮稠油對(duì)溫度具有很大敏感性，隨著溫度升高，稠油粘度急劇減小，流動(dòng)性顯著增強(qiáng)。該方法是國(guó)內(nèi)外最為常用的原油輸送方法，但是該方法有其缺點(diǎn)，即輸送能耗很高，據(jù)統(tǒng)計(jì)，加熱需要消耗輸送油品總量的 1.0%[7]。同時(shí)，當(dāng)事故發(fā)生導(dǎo)致管道沿線溫度較低時(shí)容易發(fā)生油品凝固而堵塞管道，這對(duì)于管道來(lái)說(shuō)是非常危險(xiǎn)。當(dāng)再次啟動(dòng)時(shí)，需要通過(guò)其他稀油或成品油進(jìn)行預(yù)熱頂替。因此，當(dāng)管道需要進(jìn)行停輸時(shí)，一般提前用稀油置換管中的稠油，以保證管道的順利啟動(dòng)和運(yùn)行。

加熱法輸送又可分為常規(guī)加熱法和電磁感應(yīng)加熱法。常規(guī)加熱法能耗較高，且當(dāng)溫度降低時(shí)容易發(fā)生凝固而堵塞管道事故，而電磁感應(yīng)加熱法可以提高交流電功率來(lái)提高管內(nèi)溫度。因此如果將常規(guī)加熱法和電磁感應(yīng)加熱法結(jié)合使用，將會(huì)帶來(lái)更好的加熱和保溫效果，并降低稠油凝管事故的概率。

2.2 裂解降粘法

裂化降粘技術(shù)是伴隨著熱裂化工藝發(fā)展而來(lái)，并經(jīng)歷過(guò)多次的工藝改進(jìn)[8]而日益成熟。原油改質(zhì)是通過(guò)煉制加工工藝，如：脫瀝青質(zhì)、加氫裂解、脫蠟、水裂解和熱裂解等，來(lái)改變稠油的化學(xué)成分，提高輕質(zhì)組分含量減少重質(zhì)組分，改善流動(dòng)性而提高管輸?shù)牟僮鲝椥院桶踩浴?/p>

我國(guó)研究人員自主開發(fā)上流式緩和降粘裂化、延遲降粘裂化等工藝降粘工藝方法[9]。其中，延遲降粘裂化工藝不需要加熱爐，只需幾個(gè)反應(yīng)塔進(jìn)行串聯(lián)，使減壓塔底油在降粘罐中滯留一段時(shí)間，而達(dá)到降粘目的；上流式工藝反應(yīng)時(shí)間長(zhǎng)，溫度低，這樣得到的油品粘度較低，該方法具有方法簡(jiǎn)單，投資節(jié)約和操作簡(jiǎn)單的優(yōu)點(diǎn)。

針對(duì)單家寺油田的蒸汽吞吐過(guò)程，國(guó)內(nèi)許多研究者也進(jìn)行了一些研究[10]，主要是分析了蒸汽吞吐前后油品物性的變化情況，證實(shí)了稠油中注入蒸汽的水熱裂解過(guò)程具有降粘改質(zhì)的效果，流動(dòng)性得以較大改善而有助于稠油的順利開采和后期的安全輸送。

2.3 摻稀輸送降粘法

摻稀降粘法是利用相似相容原理在稠油中摻入一定比例的輕質(zhì)稀原油、液化石油氣、原油餾分油、石油產(chǎn)品或天然氣凝析液等后形成混合油，粘度、凝點(diǎn)、膠質(zhì)瀝青質(zhì)濃度等顯著降低，且摻入的稀釋劑粘度越小，降粘的效果越明顯。并且，一般來(lái)說(shuō)，稠油摻稀時(shí)的混合溫度越低，越有利于降粘。當(dāng)摻入的稀釋劑合適且較多時(shí)能夠?qū)崿F(xiàn)常溫輸送，可以避免因溫度降低而凝管事故。

對(duì)于稀釋劑的選取，往往根據(jù)當(dāng)?shù)氐南♂寗┇@取難易程度并綜合考慮經(jīng)濟(jì)性問(wèn)題。在稀原油比較充足的地區(qū)，選取稀原油作為稀釋劑是一種較經(jīng)濟(jì)且有效的降粘方法。像國(guó)內(nèi)很多油田，如勝利、新疆、遼河、塔河和吐哈等油田，均采用過(guò)摻入稀原油的降粘技術(shù)。國(guó)外也得到廣泛應(yīng)用。

摻稀稠油輸送方法優(yōu)點(diǎn)明顯，主要表現(xiàn)：1）工藝簡(jiǎn)單，具有經(jīng)濟(jì)性；2）降粘效果明顯，工藝簡(jiǎn)單；3）若稀釋比選取合適，可以實(shí)現(xiàn)常溫輸送；4）摻稀稠油脫水效果較純稠油脫水效果明顯得多。當(dāng)然，摻稀稠油輸送工藝也有它的缺點(diǎn)，即：1）在輸送或稀釋混合過(guò)程中可能會(huì)出現(xiàn)瀝青質(zhì)的析出；2）稠油和稀釋劑品質(zhì)的破壞；3）稀釋劑的來(lái)源必須充足，并可能需要建設(shè)專門的管線把稀油等稀釋劑輸送至摻混點(diǎn)，這將增大前期的投入。

2.4 改性劑降粘法

改性劑降粘法是通過(guò)向稠油中摻入一定劑量的化學(xué)添加劑，改變或疏松稠油中瀝青質(zhì)膠束的結(jié)構(gòu)或表面張力，使之流動(dòng)性能得到很大的改善，能夠在常溫下進(jìn)行長(zhǎng)距離安全輸送。常用的改性劑有兩種：油溶性改性劑和乳化改性劑，且在國(guó)內(nèi)外均得到一定的應(yīng)用。

2.4.1 油溶性改性劑

油溶性降凝劑是基于原油降凝技術(shù)，在溶劑作用下，稠油中本為聚集狀的瀝青質(zhì)膠束結(jié)構(gòu)變得疏松，降粘劑在各種力的作用下深入膠束間隙之中，使聚集結(jié)構(gòu)遭到破壞，聚集體變小。當(dāng)有相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，稠油分子與管道內(nèi)壁及稠油分子之間的內(nèi)摩擦力減小，即稠油粘度得以降低。

國(guó)內(nèi)外研究開發(fā)和應(yīng)用的一些降粘劑有：阿爾及利亞和利比亞混合油應(yīng)用的 ECA-841流動(dòng)改進(jìn)劑（1969年）、勝利原油和中原油田從美國(guó)進(jìn)口的PLC-102流動(dòng)改性劑（1985年）、蘇丹混合原油應(yīng)用的CNPC No.9A流動(dòng)改性劑（1998年）[11]、遼河油田從日本引進(jìn)的 A-137和 V-220降凝劑（2001年）[12]、馬惠寧管道輸送的紅井子和馬嶺地區(qū)混合油引進(jìn)的Exxon8806/8361降凝劑（1986）[13]。

可以看出，國(guó)內(nèi)外開發(fā)的流動(dòng)性改性劑多為降凝劑，這類降粘劑是以降凝為主要目的的流動(dòng)改性劑，能較有效的降低稠油的粘度和凝點(diǎn)，從而改善稠油的低溫流動(dòng)性能。這是因?yàn)樵谀c(diǎn)附近改變臘晶的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，在降低凝點(diǎn)的同時(shí)可以順帶降低粘度，但是對(duì)該類改性劑的加入量有一定的要求，當(dāng)加入量較多時(shí)，會(huì)出現(xiàn)增稠現(xiàn)象。

2.4.2 乳化降粘劑

乳化降粘劑是一種表面活性劑，它可以降低油滴對(duì)水的表面張力，使原本油包水型乳狀液轉(zhuǎn)變?yōu)樗托腿闋钜?，稠油微粒穩(wěn)定地懸浮在水中，顯著降低，流動(dòng)性能較大程度提高，有利于稠油的安全輸送，同時(shí)又是一種比較經(jīng)濟(jì)的降粘方法。在選取合適的化學(xué)藥劑時(shí)，需要綜合考慮形成的乳狀液的穩(wěn)定性和破乳難易程度。許多研究人員通過(guò)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，非離子表面活性劑的效果最好，形成的乳狀液具有平均油滴直徑較小，穩(wěn)定性能較好，在適當(dāng)條件下又易于破乳[14]。

據(jù)相關(guān)報(bào)道，世界上較早應(yīng)用該工藝的輸油管道為一條由美國(guó)德士古公司運(yùn)營(yíng)的直徑200mm，長(zhǎng)21km的管線，采用油/水=50:50形成的乳狀液進(jìn)行輸送。國(guó)內(nèi)常用乳化劑有J-50[15]、HRV[16]、J-50[17]、AE1910[18]、BN-99 等。

2.5 低粘液環(huán)輸送方法

低粘液環(huán)輸送原理是，在稠油進(jìn)入管道輸送之前摻入一定量的水等低粘不相容液體，為了在輸送過(guò)程中形成液環(huán)，應(yīng)控制油品輸送速度在0.84～1.3 m/s范圍內(nèi)。這樣在管道內(nèi)壁處形成了一個(gè)水環(huán)，稠油則不與管壁接觸而直接和水環(huán)接觸，從而減小了流動(dòng)的摩擦阻力，提高了稠油的流動(dòng)性能，增加輸油效率。自K.A.Clark最早發(fā)現(xiàn)高粘原油摻水長(zhǎng)距離輸送可以實(shí)現(xiàn)減少壓頭損失后，許多研究人員紛紛通過(guò)實(shí)驗(yàn)方法提出低粘液環(huán)輸送高粘原油專利，如 Eke.Verschuur、James、F.H.Poettmann等，且這些專利均取得較好的減阻效果[19]。

據(jù)報(bào)道，該技術(shù)經(jīng)過(guò)了大量的室內(nèi)和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，被認(rèn)為是稠油輸送方法中最為經(jīng)濟(jì)的方法[20]。但在長(zhǎng)距離輸送存在過(guò)泵破壞水環(huán)難題，為了克服該問(wèn)題，一般在泵后管道上連接一個(gè)起旋器，利用旋轉(zhuǎn)離心力使得水環(huán)再生。此外，還需要處理好管道腐蝕、結(jié)垢及到站脫水等問(wèn)題。

2.6 超聲波降粘輸送技術(shù)

國(guó)內(nèi)外許多研究人員對(duì)超聲波降粘進(jìn)行了較深入的研究，發(fā)現(xiàn)原油經(jīng)超聲波處理后，原油粘度得到12%～25%范圍內(nèi)不同程度的降低。還發(fā)現(xiàn)，當(dāng)稠油中摻入活性水后，降粘效果較不摻有了較大程度的提高。盡管如此，該工藝的降粘規(guī)律仍不明朗，目前該方法處于實(shí)驗(yàn)室研究階段，真正投入實(shí)際生產(chǎn)之前還有一些問(wèn)題需要進(jìn)一步討論和研究。

孫仁遠(yuǎn)等人[21]分別利用遼河油田田坨首站外輸油和勝利油田孤島采油廠采出油進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)室研究，研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)：隨著實(shí)驗(yàn)溫度升高，原油降粘效果有所降低；隨著超聲波處理時(shí)間的延長(zhǎng)，降粘效果提高；當(dāng)超聲波對(duì)原油進(jìn)行處理后粘度會(huì)有一定的回升，但幅度不大，也就說(shuō)明經(jīng)超聲波處理的原油，其原油分子結(jié)構(gòu)發(fā)生了改變。

2.7 微生物降粘技術(shù)

微生物降粘法[22]是以稠油中膠質(zhì)、瀝青質(zhì)和石蠟為培養(yǎng)基，通過(guò)微生物的作用消耗高碳鏈的培養(yǎng)基而生成低碳鏈成分，實(shí)現(xiàn)大分子轉(zhuǎn)化為小分子物質(zhì)，降低粘度。早期微生物降粘技術(shù)是以石蠟為培養(yǎng)基而應(yīng)用于采油中（Microbial Enhanced Oil Recovery，MEOR）期，以張延山教授為首的研究人員對(duì)瀝青質(zhì)和膠質(zhì)作為培養(yǎng)基進(jìn)行了一些探索研究工作，并取得了明顯的效果。與化學(xué)降粘法相比，該技術(shù)具有降粘效率高，無(wú)二次污染等優(yōu)勢(shì)。

微生物降粘機(jī)理[57]包括四個(gè)方面：產(chǎn)氣和溶劑、產(chǎn)酸和表面活性劑、調(diào)剖作用和產(chǎn)微生物胞外酶。影響微生物降解的因素有微生物種類、石油烴性質(zhì)以及環(huán)境因素。

2.8 超臨界CO2稠油輸送技術(shù)

超臨界CO2是近幾年來(lái)迅速發(fā)展并獲得應(yīng)用的一種流體，它處于溫度高于臨界溫度31.1 ℃和壓力大于臨界壓力7.38 MPa下。該流體既具有類似于液體的高密度，又有與氣體相當(dāng)?shù)牡驼扯群透邼B透力，另外，它還具有溶解能力強(qiáng)和自擴(kuò)散系數(shù)大等特點(diǎn)[24]，因而能夠非常迅速地滲透到混合體系內(nèi)部。超臨界 CO2流體在石油領(lǐng)域的應(yīng)用起始于油氣的開采，提高原油的采收率。

李玉星等[25]對(duì)超臨界 CO2超稠油降粘進(jìn)行了綜述，結(jié)果發(fā)現(xiàn)：1）在一定溫度和壓力條件下，稠油中摻入超臨界 CO2后粘度顯著降低，降粘率達(dá)到90%以上，且摻入比越大，降粘效果越好；2）溫度和摻入比保持不變條件下，增大壓力粘度明顯降低，同樣，保持壓力和摻入比不變，提高溫度，粘度迅速減小，但隨著溫度提高，粘度降低幅度減小；3）可以利用Lederer公式[26]較準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)溶解 CO2后稠油的粘度；4）超臨界 CO2在稠油中的溶解度一般不超過(guò)124[27]，且隨著壓力增大而增大，隨稠油密度減小而增大；5）可以利用 Chung[28]公式對(duì)稠油中超臨界CO2的溶解度進(jìn)行較準(zhǔn)確預(yù)測(cè)和計(jì)算。

與傳統(tǒng)稠油降粘輸送技術(shù)相比，該方法具有很多優(yōu)點(diǎn)[29]：來(lái)源廣泛，成本較低；稠油輸送目的地后CO2便于分離，且對(duì)稠油品質(zhì)影響不大；降粘效果明顯，有利于實(shí)現(xiàn)等溫輸送。

3 稠油輸送方法選擇

綜上所述，稠油由于高粘使得輸送成為難題，稠油輸送方法也較多，但是最佳輸送方法的選擇需要進(jìn)行深入研究方可決定，因?yàn)樗枰紤]許多因素，如氣候、電力供應(yīng)、稠油種類、周圍是否有稀油等資源等等。一般來(lái)說(shuō)，需要考慮投資費(fèi)用和操作費(fèi)用而進(jìn)行全面的經(jīng)濟(jì)分析，從中選出最經(jīng)濟(jì)合理的工藝方案。

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