油蠟混合物的性質(zhì)研究

朱方達 任翌劼

摘 要：油蠟混合物性質(zhì)的研究是制定清管方案的基礎(chǔ)。目前，一些實驗通過原油和白蠟摻混制備混合物進行模擬，但物性與實際管道蠟沉積物有所差別。為了使研究結(jié)果更貼近實際，以管輸原油和球前蠟沉積物為實驗原料。通過研究熔蠟溫度對油蠟混合物析蠟特性、顯微特性和屈服特性的影響，發(fā)現(xiàn)熔蠟溫度越高，蠟晶在混合物中溶解越充分，微觀條件下混合物的長徑比增大，盒維數(shù)減小，導(dǎo)致低溫下相同條件油蠟混合物的強度降低屈服應(yīng)力減小。從宏觀和微觀角度對油蠟混合物的性質(zhì)進行分析，對于制定清管方案具有一定意義。

關(guān) 鍵 詞：析蠟特性；顯微特性；屈服特性

中圖分類號：TE 624 文獻標識碼： A 文章編號： 1671-0460（2016）08-1732-04

Abstract： Research on properties of the wax-oil mixture is the foundation to develop pigging plan. At present， the mixture of white oil and candle wax is always used in the experiments， but its properties are different from wax deposits in actual pipeline. To make the experiment more close to the actual condition， crude oil and field wax deposit were used as raw materials. The impact of wax melting temperature on wax precipitation characteristics， microscopic characteristics and yield characteristics of the mixture was studied. The results show that， the higher the wax melting temperature is， the better the wax melting effect is. The aspect ratio of wax crystal particles increases， meanwhile， the area fraction and yield stress decrease. Analysis on properties of the wax-oil mixture from macro and micro perspectives has certain significance for making pigging plan.

Key words： wax precipitation characteristics；microstructure characteristics；yield characteristics

目前，管輸含蠟原油主要采用加熱輸送工藝，較高的輸油溫度將會導(dǎo)致能耗增加，而較低的輸油溫度將會使得原油中的蠟晶析出附著于管壁上，易造成蠟堵事故，從而增加了管道的運行風險。為了確保管道安全運行，合理制定清管方案，需要綜合衡量含蠟原油的熱歷史和含蠟量對其流變特性和屈服特性的影響。

前人針對熱歷史和含蠟量對于原油物性的影響已經(jīng)有了一定程度的研究[1，2]，但較少有人結(jié)合蠟晶的微觀形態(tài)，分析蠟晶微觀結(jié)構(gòu)與原油析蠟特性和屈服特性之間的相互影響。對于目前出現(xiàn)的低輸量及降溫輸送高含蠟原油的情況，管輸含蠟原油流動安全保障變得尤為重要，國內(nèi)也進行過一些探索性研究。但是，這些研究尚不具有普遍適用性，有待進一步研究。文章從含蠟原油析蠟特性、顯微特性和屈服特性出發(fā)，探討了熱歷史和含蠟量對于含蠟原油物性的影響，研究成果對于制定清管方案、確保管道安全運行具有一定意義。

1 實驗過程

1.1 實驗原料的準備

實驗油樣取自現(xiàn)場原油管道。實驗蠟樣取自管道清管球前堆積的蠟沉積物。油樣和蠟樣的常規(guī)物性分別見表1和表2。將蠟樣切至薄片，油樣用1 000 mL燒杯裝樣固定于恒溫水浴中預(yù)熱5 min，水浴溫度為實驗溫度。預(yù)熱完成后啟動攪拌裝置，將薄片蠟樣以恒定速度逐步加入燒杯中制備油蠟混合物，攪拌轉(zhuǎn)速為800 r/min，使用四葉槳式轉(zhuǎn)子，葉片直徑為50 mm。蠟樣全部投入油樣后，延長10～15 min加熱時間，保證蠟樣的溶解效果。

1.2 實驗儀器及方法

（1）差示掃描量熱（DSC）實驗：采用美國TA公司生產(chǎn)的TA 2000/MDSC 2910差示掃描熱量儀，控溫精度為±0.1 ℃，熱流精度為0.1 μW。DSC用來測量油蠟混合物的析蠟點和含蠟量[3]。用鋁制坩堝裝樣4～8 mg，壓實密封后放入DSC坩堝池中加熱至80 ℃，恒溫1 min后勻速降溫至-25 ℃，降溫速率為5 ℃/min。測試完成后，經(jīng)轉(zhuǎn)換計算得到油蠟混合物的析蠟點、含蠟量以及相關(guān)析蠟特性數(shù)據(jù)。

（2）顯微觀察實驗：采用日本Nikon公司生產(chǎn)的OPTIPHOT2-POL型透射光偏光顯微鏡，配套Linkam PE60冷熱臺，控溫精度為±0.1 ℃。顯微觀察實驗用于觀察蠟晶微觀形態(tài)和結(jié)構(gòu)。實驗前將載玻片置于顯微鏡冷熱臺上預(yù)熱至熔蠟實驗溫度，恒溫1～2 min后用細胞刮子蘸取試樣進行刷片，靜置2 min待試樣均勻散開，以1 ℃/min的速率降溫至40 ℃，靜置兩分鐘后，選擇載玻片不同區(qū)域進行顯微拍攝。將所拍攝的蠟晶顯微圖像保存后，導(dǎo)入基于數(shù)學形態(tài)學的圖像處理軟件ImageJ，進行蠟晶形態(tài)相關(guān)定量參數(shù)的提取[4]。

（3）屈服應(yīng)力實驗：采用德國Anton Paar GmbH公司生產(chǎn)的控制應(yīng)力流變儀RheolabQC，四葉漿式轉(zhuǎn)子（vane），測試系統(tǒng)為 ST10-4V-8.8-SN20662，其原理見文獻[5]。控溫水浴為德國Julabo公司生產(chǎn)的F32-ME水浴，控溫精度為±0.1 ℃。將制備好的油蠟混合物倒入事先已預(yù)熱至熔蠟試驗溫度的配套轉(zhuǎn)筒中，通過旋轉(zhuǎn)卡口固定于流變儀中，恒溫2 min，以1 ℃/min的速率勻速降溫至測試溫度，恒溫60 min，開始屈服應(yīng)力測試程序。程序采用控制應(yīng)力對數(shù)加載方式，初始測試應(yīng)力0.1 Pa。應(yīng)變曲線由平緩至陡升的轉(zhuǎn)折點所對應(yīng)的剪切應(yīng)力稱為試樣的屈服應(yīng)力，圖1中已用黑色方框標注出來。

2 油蠟混合物的制備敏感性實驗研究

油蠟混合物的物性受到多種因素的影響，為了研究摻蠟比例、熔蠟溫度、終冷溫度對混合物的析蠟特性、顯微特性以及屈服特性的影響，將進行一下實驗。實驗條件包括，按質(zhì)量比例30%、50%、70%分別取油樣和蠟樣若干克分別稱重，保證兩者總質(zhì)量為600 g制備油蠟混合物；熔蠟溫度為60、70、80 ℃；終冷溫度為20、30 ℃。

2.1 析蠟特性研究

熔蠟溫度較低時，油蠟溶液的飽和溶解蠟晶含量較小，因此摻蠟比例50 %、70 %的油蠟混合物中的大量蠟晶無法充分溶解以形成均一的油蠟溶液，為了保證較好的熔蠟效果。在60 ℃下制備摻蠟比例30 %的油蠟溶液一組，70 ℃下制備摻蠟比例30 %、50 %的油蠟溶液各一組，80 ℃下制備摻蠟比例30 %、50 %、70 %的油蠟混合物各一組，油蠟溶液制備完成后立即取樣進行差示掃描量熱（DSC）實驗，結(jié)果見圖2。

由圖2可知，不同熔蠟溫度下制備得到的油蠟混合物的析蠟點、析蠟高峰點和含蠟量隨熔蠟溫度的升高而增大，且含蠟量越高，析蠟點越高。造成以上實驗結(jié)果的原因主要是：在一定溫度下，飽和的油蠟溶液中的蠟晶含量是一定的，且溫度越高，溶解的蠟晶會越多，因此隨著熔蠟溫度的升高，同一摻蠟比例下的油蠟溶液含蠟量越大。熔蠟溫度較低時，雖然油蠟溶液中已經(jīng)沒有肉眼能觀察得到的未溶解的蠟晶顆粒團，但是其相比于高溫下的熔蠟效果，溶解的蠟晶顆粒較大，且蠟晶顆粒分散度的均勻性較差，由于DSC測試試樣在mg數(shù)量級上，因此測試結(jié)果的含蠟量偏低。

2.2 蠟晶顯微特性研究

在60、70、80 ℃下制備三組摻蠟比例30%的油蠟混合物，70、80 ℃下制備兩組摻蠟比例50%的油蠟混合物，80 ℃下制備一組摻蠟比例70%的油蠟混合物。每次熔蠟實驗完成后，立即取樣進行顯微觀察實驗，摻蠟比例30 %、50 %的油蠟混合物在40 ℃下的顯微測試結(jié)果見圖3。

面積盒維數(shù)和周界盒維數(shù)反應(yīng)了蠟晶形態(tài)與結(jié)構(gòu)的不規(guī)則特征，其數(shù)值越大表征結(jié)構(gòu)越復(fù)雜。長徑比定量表征蠟晶的形狀，其數(shù)值越大說明蠟晶形狀更接近長棒狀。由圖3可知，隨著熔蠟溫度的降低，相同摻蠟比例下的油蠟混合物的蠟晶盒維數(shù)增大，長徑比減小，說明熔蠟溫度越低，蠟晶顆粒相對較大，顆粒的聚集程度較大，因此邊界盒維數(shù)以及面積盒維數(shù)的數(shù)值較大，表明油蠟混合物中的蠟晶結(jié)構(gòu)更復(fù)雜，結(jié)構(gòu)的強度越大。

2.3 屈服特性測試

在70 ℃、80 ℃下制備摻蠟比例30 %、50 %的油蠟混合物各一組。每次熔蠟實驗完成后立即取樣進行屈服應(yīng)力測試，摻蠟比例30 %、50 %的混合物的屈服應(yīng)力測試溫度分別為20 ℃和30 ℃，結(jié)果見圖4。

由圖4知，同一摻蠟比例油蠟溶液的屈服應(yīng)力值隨熔蠟溫度的升高而減小。造成上述實驗現(xiàn)象的原因是：熱歷史的影響能夠影響油蠟混合物在低溫下析出蠟晶的大小、形狀、聚集狀態(tài)和蠟晶之間的相互作用，由于油蠟混合物經(jīng)歷的熱歷史不同導(dǎo)致在相同終冷溫度下的屈服值不同。結(jié)合上文蠟晶顯微實驗結(jié)果，熔蠟溫度越低，蠟晶的長徑比越小，其端部與蠟晶表面之間的作用面積大，顆粒之間的作用力越大；蠟晶的盒維數(shù)越大表明其三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)越復(fù)雜，易形成較強的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，從而導(dǎo)致屈服應(yīng)力增大。

3 實驗結(jié)論

（1）相同摻蠟比例油蠟混合物的析蠟點、析蠟高峰和含蠟量隨熔蠟溫度的升高而增大。

（2）對于同一摻蠟比例的油蠟混合物，隨著熔蠟溫度的降低，油蠟混合物的盒維數(shù)增大，長徑比減小。

（3）熱歷史的影響能夠影響油蠟混合物在低溫下析出蠟晶的大小、形狀、聚集狀態(tài)和蠟晶之間的相互作用，同一摻蠟比例油蠟溶液的屈服應(yīng)力值隨熔蠟溫度的升高而減小。

參考文獻：

[1] 李鴻英， 丁建林， 張勁軍. 含蠟原油流動特性與熱歷史和剪切歷史的關(guān)系[J]. 油氣儲運， 2008， 27（5）： 16-20.

[2] 王飛飛， 王岳， 翁蕾， 等. 有剪切歷史和熱歷史加劑原油的流變性[J]. 油氣儲運， 2010， 29（5）： 327-328+330.

[3] 李鴻英， 黃啟玉， 張帆， 等. 用差示掃描量熱法確定原油的含蠟量[J]. 石油大學學報（自然科學版）， 2003， 27（1）： 60-62.

[4] 馮頡. 原油蠟晶顯微觀察實驗改進及蠟晶特征參數(shù)研究[D]. 北京：中國石油大學（北京）， 2011.

[5] Juyal P， Cao T， Yen A， et al. Study of live oil wax precipitation with high-pressure micro-differential scanning calorimetry[J]. Energy & Fuels，2011， 25（2）： 568–572.