重油輸送過(guò)程流動(dòng)性改進(jìn)方法概述

鄂宇恒，畢秦嶺，王路海，張艷梅

（中國(guó)石油天然氣股份有限公司石油化工研究院，北京 102200）

重油是指密度和粘度比常規(guī)原油高很多的重質(zhì)石油資源。世界已探明重油可采儲(chǔ)量遠(yuǎn)比常規(guī)石油可采儲(chǔ)量豐富[1-2]。近年來(lái)，隨著全球石油資源劣質(zhì)化趨勢(shì)不斷加劇，重油已經(jīng)成為委內(nèi)瑞拉、加拿大、俄羅斯等國(guó)家原油輸出的主要支柱[3]。但是重油具有粘度大、流動(dòng)性差等缺點(diǎn)，這為開(kāi)采、輸送和后續(xù)加工過(guò)程帶來(lái)很大困難。因此降低重油粘度，改進(jìn)重油流動(dòng)性，實(shí)現(xiàn)其低成本開(kāi)采和輸送是重油大規(guī)模加工利用需解決的首要問(wèn)題。

目前重油流動(dòng)性改進(jìn)方法大致有三種：一種是物理法，常用的有加熱法和摻稀法等；第二種是添加劑法，例如向重油中添加油溶性降粘劑、減阻劑、降凝劑、表面活性劑等；第三種是通過(guò)加氫或者脫碳工藝的改質(zhì)降粘。

1 加熱法

加熱法是在輸油管線(xiàn)加上蒸汽伴管，用提高溫度的方法降低粘度。

1.1 機(jī)理

因?yàn)橹赜驼扯葘?duì)溫度極其敏感，適當(dāng)提高溫度可大幅度降低重油粘度。隨著溫度升高，重油粘度顯著下降。加熱法因其效果顯著獲得廣泛應(yīng)用[4]。

1.2 存在問(wèn)題

加熱過(guò)程能耗很高，約有1%的原油被用做熱源[4]，在寒冷地區(qū)則更多，同時(shí)需要建設(shè)加熱站，投資較大，此外，還存在加熱管腐蝕、管道結(jié)焦等問(wèn)題，可能會(huì)導(dǎo)致停工和其他安全隱患。

2 摻稀法

摻稀法是在開(kāi)采輸送過(guò)程中摻入輕質(zhì)油品[4]（多為凝析油、石腦油等）用以降低粘度，改善重油流動(dòng)性的輸送方法。

2.1 原理

摻稀法采用相似相溶和稀釋的原理[5]：相似組分的稀油更容易與重油互溶，且稀油的加入降低了重油中膠質(zhì)瀝青質(zhì)的濃度，因而可以降低重油粘度。

2.2 優(yōu)點(diǎn)

摻稀法有著輕質(zhì)油成本低，供應(yīng)充足，降粘效果好等優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)在停輸期間不會(huì)發(fā)生油品凝結(jié)現(xiàn)象[6]。

2.3 缺點(diǎn)

所摻入的稀油需要循環(huán)使用，即在起點(diǎn)加入的同時(shí)要在終點(diǎn)將輕油蒸餾出來(lái)并輸送回起點(diǎn)，這一蒸餾和輸送過(guò)程增加了能耗，提高了輸送成本，同時(shí)摻稀前后都要經(jīng)過(guò)脫水，操作復(fù)雜，也會(huì)增加成本[7]。

2.4 前景

重油摻稀輸送已經(jīng)在加拿大、委內(nèi)瑞拉、美國(guó)以及我國(guó)新疆等油田廣泛應(yīng)用[4]。

3 油溶性降粘劑

3.1 機(jī)理

降粘劑分子由高碳數(shù)烷基主鏈和帶有極性基團(tuán)的側(cè)鏈組成[8]。主碳鏈可以增加油溶性，側(cè)鏈極性基團(tuán)具有很強(qiáng)的氫鍵形成能力和滲透分散作用，很容易插入到膠質(zhì)和瀝青質(zhì)的分子之間，與膠質(zhì)、瀝青質(zhì)分子形成更強(qiáng)的締合氫鍵，拆散平面重疊堆積的聚集體，降低聚集體結(jié)構(gòu)有序程度，從而降低粘度[9-10]。

3.2 種類(lèi)[11]

油溶性降粘劑主要分為不飽和單體的均聚物和共聚物[10]。均聚物包括聚丙烯酸酯類(lèi)和聚丙烯高碳醇類(lèi)[12]等；共聚物包括乙烯-醋酸乙烯酯共聚物、烷基苯乙烯-丙烯酸高級(jí)酯共聚物、苯乙烯-馬來(lái)酸酐-丙烯酸高級(jí)酯聚合物等[13-15]。

3.3 存在問(wèn)題

降粘劑存在很強(qiáng)的選擇性，適用范圍窄[15]，機(jī)理研究不透徹，如何解決降粘劑適用范圍的問(wèn)題至關(guān)重要。生產(chǎn)成本高，對(duì)于成本低、效果好的降粘劑的開(kāi)發(fā)也需要進(jìn)一步探索。

4 減阻劑

4.1 機(jī)理

減阻劑加入油品后處于具有彈性的卷曲狀態(tài)，它的存在使得湍流狀態(tài)下原油中的各級(jí)旋渦把能量傳遞給減阻劑分子，使減阻劑分子發(fā)生形變，將能量存儲(chǔ)起來(lái)。減阻劑分子把力釋放出來(lái)，維持原有的湍流狀態(tài)，減少了外界為此過(guò)程提供的能量，降低了重油輸送過(guò)程中的阻力，因此減阻劑只有在湍流狀態(tài)時(shí)才發(fā)揮作用[16-17]。

4.2 種類(lèi)

減阻劑的種類(lèi)很多，包括聚乙烯、聚丙烯、聚異丁烯、十二烯-辛烯共聚物、丁烯和異戊二烯共聚物等[18]，以及近年來(lái)研發(fā)出的具有抗剪切能力的分子締合型減阻劑。

4.3 優(yōu)點(diǎn)

減阻劑具有效果好、投資少、能耗降低等優(yōu)點(diǎn)。

4.4 缺點(diǎn)

目前減阻劑存在制備成本高、抗剪切能力差、無(wú)法獲得普適性等問(wèn)題[19]。

5 降凝劑

原油中的蠟在溫度降低時(shí)結(jié)晶析出，蠟晶相互作用形成空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，增大了分子間作用力，使得油品流動(dòng)性變差。降凝劑的作用是改變蠟晶的尺寸和形狀，阻止其形成空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，增強(qiáng)重油流動(dòng)性[20]。

5.1 機(jī)理

5.1.1 晶核作用[21]

降凝劑分子先于蠟結(jié)晶析出，并起晶核作用成為蠟晶發(fā)育的核心，使重油中產(chǎn)生更多的小蠟晶，阻止大蠟晶的形成，從而改善流動(dòng)性。

5.1.2 吸附作用

降凝劑吸附在已經(jīng)析出的蠟晶晶核中心，改變蠟進(jìn)一步結(jié)晶的取向，減弱蠟晶間的粘附作用。

5.1.3 共晶作用

降凝劑和蠟共同析出，改變蠟結(jié)晶的行為和取向，使蠟在降凝劑分子的烷基鏈上結(jié)晶，減弱蠟晶繼續(xù)發(fā)育的趨勢(shì)。當(dāng)降凝劑烷基鏈碳數(shù)和蠟分子鏈的碳數(shù)相等時(shí)，降凝效果最好。

宋昭崢[22]認(rèn)為，降凝機(jī)理可以同時(shí)存在，不只是一種機(jī)理在起作用：在蠟形成晶核時(shí)，降凝劑起晶核作用而產(chǎn)生降凝效果；在蠟晶增長(zhǎng)階段，共晶和吸附機(jī)理中的一種在起作用，或者兩者同時(shí)起作用。

5.2 種類(lèi)[23-24]

5.2.1 表面活性劑型

表面活性劑型包括石油磺酸鹽、聚氧乙烯烷基胺等。這類(lèi)降凝劑通過(guò)蠟晶表面原理，使蠟不易形成遍及整個(gè)體系的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，從而起到降凝作用。

5.2.2 聚合物型

聚合物型主要包括長(zhǎng)鏈烷基萘、聚α烯烴、酯類(lèi)聚合物等。此類(lèi)聚合物通過(guò)與石蠟共晶作用的機(jī)理，使得蠟晶晶形產(chǎn)生扭曲，阻礙蠟晶進(jìn)一步形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，起到降凝作用。

5.3 存在問(wèn)題[25]

目前，對(duì)降凝劑機(jī)理認(rèn)知不夠全面，大多數(shù)降凝劑成本高昂，目前開(kāi)發(fā)的降凝劑選擇性較強(qiáng)，適應(yīng)性不夠，開(kāi)發(fā)費(fèi)用偏高。

6 表面活性劑（乳化降粘）

6.1 機(jī)理

由于油品中含有天然的乳化劑（包括膠質(zhì)、瀝青質(zhì)、環(huán)烷酸等），當(dāng)原油含水之后容易形成油包水（W/O）型乳狀液，使原油粘度急劇增加。當(dāng)加入表面活性劑之后，油品從W/O乳狀液轉(zhuǎn)變成O/W型乳狀液，乳狀液的粘度只與水溶液和管壁的摩擦有關(guān)，因而大幅度降低重油粘度[26]。

6.2 優(yōu)點(diǎn)

工藝成熟簡(jiǎn)單，成本低，降粘效果好[27]，具有良好前景。

6.3 存在問(wèn)題

后續(xù)處理涉及到破乳過(guò)程，如果處理不當(dāng)重油會(huì)重新聚集；同時(shí)需消耗大量水資源，增加脫水成本[28]。

7 改質(zhì)法

改質(zhì)法是用脫碳或加氫工藝處理重油，目的是從根本上降低重油粘度和凝點(diǎn)，而不是生產(chǎn)產(chǎn)品[29]。

7.1 機(jī)理

改質(zhì)原理是對(duì)重油進(jìn)行熱裂化、催化裂化或加氫裂化等反應(yīng)，使得重油中高粘度的大分子裂化為低粘度的小分子產(chǎn)物，從根本上降低重油粘度和凝點(diǎn)，增強(qiáng)重油流動(dòng)性。

7.2 優(yōu)點(diǎn)

流動(dòng)性改進(jìn)效果非常好，且這種改變來(lái)自重油組成發(fā)生根本變化，相比于化學(xué)添加劑有更好的適應(yīng)性。

7.3 缺點(diǎn)

需要大量投資建造改質(zhì)裝置，成本過(guò)高。

8 比較

上述各種方法分別存在優(yōu)缺點(diǎn)，總體而言，添加劑法（減阻劑、降粘劑、降凝劑、表面活性劑）添加方便，不需要過(guò)多設(shè)備投資，但普適性較差，需要針對(duì)不同油品開(kāi)發(fā)專(zhuān)屬產(chǎn)品，效果因油而異。加熱和摻稀法常常搭配使用，相比添加劑而言消耗更多能源，針對(duì)所有油品都有顯著效果。效果最好的改質(zhì)法需要投入大量資金建造改質(zhì)廠，耗時(shí)耗力，見(jiàn)效時(shí)間長(zhǎng)。

9 現(xiàn)狀和發(fā)展前景

（1）加熱和摻稀法幾乎應(yīng)用于所有油田，例如加拿大油砂瀝青開(kāi)采過(guò)程，但當(dāng)?shù)卮嬖趽较∮托枰厥盏碾y題，因?yàn)橛蜕罢扯冗^(guò)大，摻稀油用量高導(dǎo)致耗能極大，改質(zhì)廠短時(shí)間內(nèi)又無(wú)法建成，所以急需添加劑解決油砂的輸送問(wèn)題。加熱和摻稀法技術(shù)成熟，進(jìn)一步發(fā)展可能性較小。

（2）油溶性降粘劑經(jīng)過(guò)多年的發(fā)展取得了很多成果，廣泛應(yīng)用于國(guó)內(nèi)外油田的管輸，但降粘劑的適應(yīng)性制約其發(fā)展，近年來(lái)的研究是在降粘劑分子上引入極性或者表面活性劑基團(tuán)以提高分散瀝青質(zhì)、膠質(zhì)的能力[30]。

（3）近年來(lái)，國(guó)內(nèi)高校研制出多種高蠟原油降凝劑，并在現(xiàn)場(chǎng)取得了很好的效果。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，我國(guó)已有10多條管線(xiàn)使用降凝劑，但是降凝劑具有較強(qiáng)的選擇性，生產(chǎn)過(guò)程比較復(fù)雜，因此在長(zhǎng)距離管輸全面推廣仍有很多工作要做[22]。

（4）減阻劑當(dāng)前廣泛應(yīng)用于世界各地?cái)?shù)百條輸油管道中[31]，展現(xiàn)出了巨大的經(jīng)濟(jì)價(jià)值，然而高分子量和抗剪切性這一矛盾并未得到很好解決，阻礙了減阻劑的發(fā)展，這將是今后研究工作的重點(diǎn)。

（5）我國(guó)自二十世紀(jì)90年代以來(lái)，對(duì)勝利、遼河、大港等油田也相繼進(jìn)行了摻表面活性劑輸油的研究，并取得了初步成果[22]，成本低廉，效果好，但是用水量較高，污染較大。在當(dāng)前環(huán)保法規(guī)越來(lái)越嚴(yán)格的趨勢(shì)下發(fā)展前景不樂(lè)觀，今后的工作重點(diǎn)是開(kāi)發(fā)綠色的表面活性劑。

（6）改質(zhì)法是本文提到的方法中唯一的化學(xué)方法，具有適應(yīng)性強(qiáng)的特點(diǎn)，針對(duì)所有油品均可以改質(zhì)降粘，暫時(shí)還不能完全被替代，今后的發(fā)展趨勢(shì)是沸騰床、漿態(tài)床加氫工藝，相比傳統(tǒng)的脫碳過(guò)程，具有產(chǎn)率高、污染小的特點(diǎn)。

10 結(jié)束語(yǔ)

隨著世界原油重質(zhì)化趨勢(shì)加劇，重油流動(dòng)性改進(jìn)技術(shù)需求相當(dāng)迫切。建議加大關(guān)注和支持力度，在重油流動(dòng)技術(shù)改進(jìn)方面圍繞以下研究?jī)?nèi)容進(jìn)行：

（1）對(duì)重油高粘度的機(jī)理和流變特性開(kāi)展深入研究，為研制新型流動(dòng)改進(jìn)劑提供理論幫助。

（2）降粘、降凝和減阻協(xié)同進(jìn)行，利用多種劑的復(fù)合效應(yīng)，改善對(duì)不同類(lèi)型重油的適應(yīng)能力，使其擁有更高效和廣闊的使用范圍。

（3）開(kāi)發(fā)綠色環(huán)保、對(duì)原油性質(zhì)影響小的流動(dòng)性改進(jìn)劑。

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