用于重油管輸?shù)腟DY-3型油溶性降黏劑的合成與評(píng)價(jià)

張世嶺，張秀玲，吳 浩，馬華偉，郭繼香，吳梁紅

1.中國石油大學(xué)（北京），北京 102249

2.中國石油規(guī)劃總院，北京 100083

用于重油管輸?shù)腟DY-3型油溶性降黏劑的合成與評(píng)價(jià)

張世嶺1，張秀玲2，吳 浩2，馬華偉2，郭繼香1，吳梁紅2

1.中國石油大學(xué)（北京），北京 102249

2.中國石油規(guī)劃總院，北京 100083

重油由于膠質(zhì)、瀝青質(zhì)含量高，導(dǎo)致黏度較高，造成長距離管輸困難。油溶性降黏劑分子可滲入膠質(zhì)或?yàn)r青質(zhì)分子層之間，起到降低重油黏度的作用。以丙烯酸十八酯、醋酸乙烯酯、馬來酸酐、引發(fā)劑AIBN為原料，甲苯為溶劑，采用原位合成的方法合成SDY-3型油溶性降黏劑。采用委內(nèi)瑞拉Merey16重油對(duì)油溶性降黏劑的性能進(jìn)行評(píng)價(jià)，研究了反應(yīng)單體、反應(yīng)溫度、反應(yīng)時(shí)間、引發(fā)劑加劑量對(duì)SDY-3型油溶性降黏劑降黏效果的影響。結(jié)果表明，在10～50℃溫度區(qū)間內(nèi)，當(dāng)添加降黏劑的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%時(shí)，降黏率在41.19% ～59.47%之間；變剪切速率和定剪切速率實(shí)驗(yàn)表明，加入SDY-3型油溶性降黏劑的委內(nèi)瑞拉重油穩(wěn)定性較好，降黏劑可用于復(fù)雜多變的管輸環(huán)境。

Merey16重油；降黏率；油溶性降黏劑；合成

重油由于膠質(zhì)、瀝青質(zhì)含量高，導(dǎo)致黏度較高，造成長距離管輸困難。傳統(tǒng)的輸送方法常采用加熱降黏技術(shù)，但當(dāng)管道溫度降至環(huán)境溫度時(shí)，常發(fā)生凝管事故，且其能耗高，占輸送量1%以上的重油被燒掉，經(jīng)濟(jì)損失較大。摻稀降黏技術(shù)由于稀油成本較高，稀油資源有限，且摻稀易造成瀝青質(zhì)沉淀，所以摻稀降黏技術(shù)具有一定局限性[1]?；瘜W(xué)降黏技術(shù)主要分為乳化降黏技術(shù)和油溶性降黏技術(shù)。乳化降黏技術(shù)降黏率高，但是其采出液后期難破乳，且其配方較多，對(duì)重油選擇性強(qiáng)，在復(fù)雜多變的管輸環(huán)境下穩(wěn)定性較差[2]。油溶性降黏劑通過溶劑化作用及降黏劑分子的極性基團(tuán)與膠質(zhì)、瀝青質(zhì)間的相互作用，可以克服乳化降黏技術(shù)的諸多缺陷，同時(shí)又能滿足重油降黏的要求。

油溶性降黏劑主要是基于原油降凝劑的開發(fā)技術(shù)。針對(duì)膠質(zhì)、瀝青質(zhì)分子呈堆積狀態(tài)，利用在高溫狀態(tài)或溶劑作用下堆積層隙疏松的特點(diǎn)，降黏劑分子可滲入膠質(zhì)或?yàn)r青質(zhì)分子層之間，起到降低重油黏度的作用[3]。相比于降凝劑，降黏劑的結(jié)構(gòu)中含有極性較大和具有表面活性的官能團(tuán)[4]，增強(qiáng)了降黏劑分子在重油中的分散性、增溶性和滲透性，使降黏劑分子在重油中更好地溶解和分散[5]。

1 實(shí)驗(yàn)部分

（1）實(shí)驗(yàn)藥品。丙烯酸十八酯、醋酸乙烯酯、馬來酸酐、引發(fā)劑AIBN、甲苯（分析純）、甲醇（分析純）、委內(nèi)瑞拉Merey16重油（用于測(cè)試降黏效果）等。

（2） 實(shí)驗(yàn)儀器。HAAKE MARSIII型流變儀、DZKW-4電子恒溫水浴鍋、JJ-1精密定時(shí)電動(dòng)攪拌器、85-2A恒溫磁力攪拌器、FA2004電子天平、貝克曼溫度計(jì)、冷凝管、分液漏斗、氮?dú)馄康取?/p>

2 SDY-3油溶性降黏劑的合成

2.1 降黏劑的合成方法

將裝有回流冷凝管、攪拌器和通氮?dú)庋b置的500mL三口燒瓶放置在恒溫水浴槽中，以4∶3∶2的單體質(zhì)量配比加入一定量的丙烯酸十八酯、醋酸乙烯酯、馬來酸酐，并加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.7%的引發(fā)劑AIBN以及適量的溶劑甲苯，通入氮?dú)夂蠹訜嶂?0℃，進(jìn)行3h共聚反應(yīng)，冷卻后得到具有一定黏度的淡黃色SDY-3型油溶性降黏劑。

2.2 單體降黏效果評(píng)價(jià)

油溶性降黏劑的不同單體，其極性不同，對(duì)破壞重油中膠質(zhì)、瀝青質(zhì)的層狀結(jié)構(gòu)以及石蠟低溫析出時(shí)空間網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的能力也不同，因此油溶性降黏劑降黏效果受單體性質(zhì)的影響較大。通過考察不同單體的降黏效果，可有效指導(dǎo)油溶性降黏劑的合成和優(yōu)化。不同單體降黏效果如圖1所示。

圖1 單體降黏率隨著加劑量的變化

由圖1中可以看出，隨著丙烯酸十八酯加劑量的增加，降黏率不斷升高，而醋酸乙烯酯對(duì)于降黏率的影響相對(duì)較小。馬來酸酐在低加劑量時(shí)降黏效果較好，加劑量在質(zhì)量分?jǐn)?shù)1%時(shí)降黏率最高，之后隨著加劑量的增加降黏率不斷下降。由此可知，丙烯酸十八酯加劑量對(duì)于油溶性降黏劑降黏效果影響較大，醋酸乙烯酯加劑量影響相對(duì)較小，而馬來酸酐的加劑量需要控制在合理范圍內(nèi)，才能發(fā)揮更好的降黏效果。

2.3 反應(yīng)溫度對(duì)SDY-3油溶性降黏劑的影響

聚合反應(yīng)溫度對(duì)油溶性降黏劑的合成及降黏效果具有較大的影響，反應(yīng)溫度的確定需綜合考慮降黏劑的產(chǎn)率和降黏率。反應(yīng)溫度對(duì)于SDY-3油溶性降黏劑性能的影響如圖2所示。

圖2 反應(yīng)溫度對(duì)油溶性降黏劑性能的影響（降黏劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%）

從圖2中可以看出，隨著反應(yīng)溫度的上升，SDY-3油溶性降黏劑產(chǎn)率逐漸下降，基本維持在80%左右。反應(yīng)溫度對(duì)聚合物聚合度及重油的降黏效果均具有較大的影響，反應(yīng)溫度過低，單體聚合不充分，降黏效率低；反應(yīng)溫度過高，單體聚合度過高，導(dǎo)致部分降黏劑分子長鏈烷基斷裂，降黏效率低。綜合考慮降黏劑的產(chǎn)率和降黏率，認(rèn)為反應(yīng)溫度為60℃時(shí)最為適宜。

2.4 反應(yīng)時(shí)間對(duì)于SDY-3油溶性降黏劑的影響

反應(yīng)時(shí)間的長短直接影響油溶性降黏劑分子的轉(zhuǎn)化率，對(duì)降黏效果影響較大。改變合成反應(yīng)時(shí)間考察SDY-3油溶性降黏劑降黏效率的結(jié)果見圖3。

圖3 反應(yīng)時(shí)間對(duì)降黏劑性能的影響（降黏劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%）

從圖3中可以看出，隨著反應(yīng)時(shí)間的增加，SDY-3油溶性降黏劑的降黏率逐漸增高，當(dāng)反應(yīng)時(shí)間為3 h時(shí)，達(dá)到最高55.2%，繼續(xù)增加反應(yīng)時(shí)間，反應(yīng)產(chǎn)物降黏率開始下降，當(dāng)反應(yīng)時(shí)間為5 h時(shí)，產(chǎn)品降黏率僅為24.7%。由此可以看出，當(dāng)反應(yīng)時(shí)間不足時(shí)，共聚反應(yīng)不充分，產(chǎn)物多表現(xiàn)為單體的降黏性質(zhì)，導(dǎo)致降黏率低。當(dāng)反應(yīng)時(shí)間為3 h時(shí)，共聚反應(yīng)較充分，產(chǎn)物降黏性質(zhì)較優(yōu)。繼續(xù)增加反應(yīng)時(shí)間，導(dǎo)致反應(yīng)產(chǎn)物進(jìn)一步聚合，分子量過高，不利于降黏?？刂凭酆戏磻?yīng)時(shí)間，可以提高反應(yīng)產(chǎn)物的降黏效果，提升SDY-3油溶性降黏劑的降黏率。

2.5 引發(fā)劑加劑量對(duì)SDY-3油溶性降黏劑的影響

引發(fā)劑加劑量是影響油溶性降黏劑分子結(jié)構(gòu)的重要因素之一，控制合理的油溶性降黏劑分子量可以有效提高降黏效果。引發(fā)劑加劑量對(duì)SDY-3油溶性降黏劑性能的影響如圖4所示。

圖4 引發(fā)劑加劑量對(duì)降黏劑性能的影響（降黏劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%）

從圖4中可以看出，當(dāng)引發(fā)劑用量過低時(shí)，反應(yīng)產(chǎn)物的降黏率低；隨著引發(fā)劑加劑量的增加，反應(yīng)產(chǎn)物的降黏率逐漸升高，當(dāng)引發(fā)劑加劑量為質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.7%時(shí)，降黏效果最佳；繼續(xù)提高加劑量，降黏率持續(xù)降低。這是因?yàn)楫?dāng)引發(fā)劑加劑量較少時(shí)，聚合反應(yīng)速率慢，聚合不充分，導(dǎo)致反應(yīng)產(chǎn)物降黏效果差。當(dāng)引發(fā)劑加劑量過高時(shí)，引發(fā)劑分子間籠蔽效應(yīng)作用明顯，降低了引發(fā)效率，導(dǎo)致反應(yīng)產(chǎn)物降黏效果差。通過控制引發(fā)劑加劑量，可以有效控制SDY-3油溶性降黏劑的分子量，提高降黏效率。

3 SDY-3型油溶性降黏劑性能評(píng)價(jià)

3.1 加劑量對(duì)降黏效果的影響

考察SDY-3型油溶性降黏劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為0.5%、1%、2%、5%時(shí)的降黏效果，結(jié)果如圖5所示。

圖5 降黏劑不同加劑量時(shí)的黏溫曲線

從圖5中可以看出，隨著溫度的升高，重油黏度逐漸降低；隨著降黏劑加劑量的增大，重油黏度逐漸降低，降黏率不斷升高，說明SDY-3型油溶性降黏劑對(duì)于委內(nèi)瑞拉重油有較好的降黏效果。試劑加劑量質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%時(shí)效果明顯；當(dāng)加劑量質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%，溫度在10～50℃區(qū)間內(nèi)時(shí)，降黏率在41.19% ～59.47%之間。

3.2 加劑溫度對(duì)降黏效果的影響

在室溫（約27℃）和50℃下，分別在油樣中加入5%降黏劑后測(cè)試各溫度下的黏度，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表1。

從表1可以看出，在不同的加劑溫度下，黏度及降黏率變化均不大，這表明加劑溫度對(duì)降黏效果幾乎無影響，說明SDY-3型油溶性降黏劑可以適應(yīng)管輸過程中不同的加劑溫度。

3.3 降黏劑變剪切速率穩(wěn)定性

對(duì)在不同溫度下加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)5%SDY-3型油溶性降黏劑的委內(nèi)瑞拉重油，做變剪切速率穩(wěn)定性測(cè)試，剪切速率范圍為0.1～200 s-1，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖6所示。

表1 不同加劑溫度下SDY-3的降黏效果

圖6 在不同溫度、變剪切速率下黏度的變化

從圖6中可知，加入SDY-3型油溶性降黏劑的委內(nèi)瑞拉重油在不同溫度、不同剪切速率下均保持了較穩(wěn)定的降黏效果。

3.4 降黏劑定剪切速率穩(wěn)定性

對(duì)在不同溫度下加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)5%SDY-3型油溶性降黏劑的委內(nèi)瑞拉重油，進(jìn)行定剪切速率穩(wěn)定性測(cè)試，剪切速率為10s-1，剪切時(shí)間為1h，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖7所示。

由圖7可知，加入SDY-3型油溶性降黏劑的委內(nèi)瑞拉重油，經(jīng)過1h定剪切后其黏度均比較平穩(wěn)，表明在定剪切速率下，SDY-3型降黏劑穩(wěn)定性較好。

4 結(jié)論

（1）在10～50℃溫度區(qū)間內(nèi)，當(dāng)加劑的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%時(shí)，降黏率在41.19%～59.47%之間，這表明在海拔落差較大，溫度變化幅度較大的復(fù)雜多變的管輸環(huán)境下，SDY-3型油溶性降黏劑仍可以保持較好的降黏效果。

圖7 在不同溫度、定剪切速度下黏度的變化

（2）經(jīng)過變剪切速率和定剪切速率實(shí)驗(yàn)，加入SDY-3型油溶性降黏劑的委內(nèi)瑞拉重油穩(wěn)定性較好，這表明即使經(jīng)過泵高速剪切或長距離管輸，該降黏劑性能仍然穩(wěn)定，說明SDY-3型油溶性降黏劑能夠適應(yīng)復(fù)雜多變的管輸環(huán)境。

[1]郭繼香，張江偉.重油摻稀降黏技術(shù)研究進(jìn)展[J].科學(xué)技術(shù)與工程，2014，14（36）：124-132.

[2]任玉潔，谷俐，吳玉國，等.重油乳化降黏減阻輸送技術(shù)進(jìn)展[J].當(dāng)代化工，2015（9）：2 215-2 218.

[3]張鳳英，李建波，諸林，等.重油油溶性降黏劑研究進(jìn)展[J].特種油氣藏，2006，13（2）：1-4.

[4]姚海軍，司馬義·努爾拉.高稠原油流動(dòng)改性劑（降凝、降黏劑）的研究進(jìn)展[J].化學(xué)工程與裝備，2008（9）：112-115.

[5]陳秋芬，王大喜，劉然冰.油溶性重油降黏劑研究進(jìn)展[J].石油鉆采工藝，2004，26（2）：45-49.

Synthesis and evaluation of SDY-3 oil-soluble viscosity reducer for heavy-oil pipeline transportation

ZHANG Shiling1，ZHANG Xiuling2，WU Hao2，MAHuawei2，GUO Jixiang1，WU Lianghong2
1.China University of Petroleum（Beijing），Beijing 102249，China
2.China Petroleum Planning and Engineering Institute，Beijing100083，China

The molecules of oil-soluble viscosity reducer can seep into molecular layers of colloid or asphalt to reduce viscosity of heavy oil.SDY-3 oil-soluble viscosity reducer was synthesized by in-situ synthesis method using vinylacetate，maleic anhydride and initiator AIBN as raw materials and toluene as solvent.The effects of reaction conditions on the viscosity reduction of SDY-3 oil-soluble viscosity reducer were studied by investigating the reaction monomer，reaction temperature，reaction time and initiator dosage.The SDY-3 oil-soluble viscosity reducer was evaluated by applying Venezuelan Merey16 heavy-oil.The results showed that viscosity reduction rate of SDY-3 was 59.47%in the temperature range of 10～50℃，and the stability was good in complex and variable pipeline transportation conditions.

Merey16 heavy-oil；viscosity reduction rate；oil-soluble viscosity reducer；synthesis

10.3969/j.issn.1001-2206.2017.03.007

張世嶺（1990-），男，新疆烏魯木齊人，中國石油大學(xué)（北京）化學(xué)工程與技術(shù)專業(yè)2016級(jí)在讀博士，研究方向油田化學(xué)。

2017-01-10

Email：zsljames@163.com