油田老化油超聲波降粘實驗研究

喬健鑫 宋文平 于熙洋 張宏奇 李隆球 王武義

摘 要：老化油普遍存在粘度大、流動性差等特點，對集輸、轉運造成極大困難。利用超聲波對老化油進行處理，通過測試處理前后的老化油粘溫曲線評價超聲波老化油降粘效果。比較不同處理時間、超聲功率、振動方式對降粘效果的影響，結果表明處理時間與聲功率密度共同決定了降粘效果，同功率密度下徑向振動的降粘效果更明顯。此外，研究發(fā)現(xiàn)超聲波老化油降粘處理的熱穩(wěn)定性差，但長時間靜置不會引起粘度恢復。

關鍵詞：老化油;超聲處理;降粘;熱穩(wěn)定性

DOI：10.15938/j.jhust.2019.04.007

中圖分類號： TE624

文獻標志碼： A

文章編號： 1007-2683（2019）04-0042-05

Abstract：Aging oil usually performs large viscosity and poor liquidity，which make it difficult to transport effectively. In this paper， the aging oil is treated by ultrasonic wave， and the viscosity reduction effect is evaluated by measuring the viscosity curve before and after the ultrasonic treatment. The effects of treatment duration， ultrasonic power and vibration mode are investigated. The results show that the treatment duration and the ultrasonic power determine the viscosity reduction effect together. The viscosity reduction effect is more obvious for the radial vibration than that of longitudinal vibration. In addition， the low viscosity of aging oil caused by ultrasound can be kept for a long period， but the aging oil treated by ultrasound shows a poor thermal stability.

Keywords：aging oil; ultrasonic treatment; viscosity reduction; thermal stability

0 引 言

原油在開采過程、運輸、加工中會受到外界環(huán)境及自身成分的影響，乳化形成的穩(wěn)定的、普通藥劑和方法無法處理的原油乳狀液，稱之為老化油[1]。2014年，大慶年產老化油42萬噸[2]，并且呈現(xiàn)出逐年增長的趨勢，對老化油進行有效回收利用能夠大幅提高成品油產量。老化油的特性與原油相比相差甚大[3]，污油泥中回收的老化油在環(huán)境中暴露時間過長，輕質成分揮發(fā)嚴重，粘度大、流動性差、同時混雜著固體雜質[4～6];在洗井作業(yè)、施工作用過程中產生的老化油含水率高[7]，破乳時易出現(xiàn)破乳不充分或過破乳的情況;污水沉降分離出的老化油含水率高、金屬雜質原子含量高。不同來源的老化油性質差異較大，處理難易程度相差也較大。現(xiàn)有技術大多通過化學或加熱方式實現(xiàn)降粘，化學試劑對老化油的適應性較差，加熱降粘過程中的能源消耗大，均難以實現(xiàn)對老化油的高效、低成本降粘。

功率超聲與檢測超聲、醫(yī)療超聲為超聲波技術的三個主要應用方向。功率超聲技術通過強烈的高頻振動改變物體的特性或形態(tài)，伴隨著聲傳播會出現(xiàn)聲空化、聲輻射力、聲致發(fā)光等非線性過程。其主要分支包括超聲化學、超聲馬達、超聲懸浮等。在石油化工行業(yè)，功率超聲技術主要應用于原油降粘、破乳脫鹽、氧化脫硫等方向[8-11]。

本文擬利用超聲波解決老化油在轉運過程中由于低溫流動性差而導致的泵壓過高、管線堵塞、設備停產等問題。與傳統(tǒng)加熱方式相比，超聲處理更加節(jié)能、環(huán)保，同時超聲波處理后的老化油降粘效果穩(wěn)定，能夠長期保持良好的低溫流動性。本文通過分析不同處理條件下老化油的粘溫曲線、粘時曲線對降粘效果進行評價，驗證超聲波老化油降粘的可行性、給出合理的超聲處理參數(shù)范圍。

1 功率超聲老化油降粘原理

超聲波是頻率高于20kHz的聲波，功率超聲指利用超聲波使物體的物理、化學特性發(fā)生改變的技術。在功率超聲中，非線性的聲傳播過程是其較為明顯的特征，比較有代表性的就是聲空化效應。當大功率超聲波作用于液體介質中時，液體內的氣泡在聲壓作用下不斷發(fā)生膨脹、振蕩、破裂，在氣泡破裂的瞬間形成幾千攝氏度的高溫、幾千個大氣壓的高壓以及高速微射流，空化效應是超聲清洗、超聲化學、超聲粉碎等技術中最重要的聲動力。

老化油的重質成分含量高、凝固點高，當溫度降低于蠟凝點時，蠟晶不斷析出并相互吸附，形成穩(wěn)定的空間網狀結構。當蠟晶將油相成分完全包裹時，老化油將失去流動性，結附在管道上便會形成蠟沉積。在超聲波處理老化油的過程中，超聲波空化和機械剪切效應促使蠟晶聚集，蠟晶尺寸大大降低[12]，顆粒狀的蠟晶難以包裹油相成分，老化油的流動性提高，凝點降低[13-17]。與加熱降粘不同，超聲處理后的降粘效果穩(wěn)定好，降粘效果維持時間長[18]。

2 老化油中超聲空化的數(shù)值模擬

空化效應是老化油降粘的主要原因，且只有在聲壓超過空化閾值時才會發(fā)生，通過數(shù)值計算可以獲得老化油中空化氣泡的動力學參數(shù)和空化的產生條件。

其中：空化泡的初始直徑為5μm，老化油的密度為900kg/m3，50℃時動力黏度為20mPa·s。式（1）為二階微分方程，無法得到精確的解析解，本文使用龍格庫塔法對其進行數(shù)值求解，利用Matlab計算獲得空化氣泡半徑隨聲壓的變化曲線（如圖1所示）。由圖1（a）可見，當聲壓低于1個大氣壓時，空化氣泡尺寸隨聲壓發(fā)生周期振蕩，但空化氣泡始終不發(fā)生破裂，此時不出現(xiàn)空化效應;如圖1（b）所示，當聲壓高于1.5個大氣壓時，單個周期內即出現(xiàn)空化氣泡尺寸急劇縮小并破裂，此時在老化油中形成強烈的空化效應。聲壓與聲強的計算關系：

3 老化油超聲波降粘實驗方法與裝置

本文使用三支不同的超聲波換能器對老化油進行降粘處理，其中兩支縱向振動變幅桿換能器，一支徑向振動換能器?？v向振動換能器的優(yōu)勢在于輸出能量集中、功率密度高、能夠引起強烈空化效應，徑向振動換能器的優(yōu)勢在于聲場均勻、發(fā)射面積大、單次處理量大。超聲波換能器的基本參數(shù)分別為：徑向振動換能器額定功率2kW，諧振頻率20kHz;兩支變幅桿換能器的諧振頻率均為20kHz，額定功率分別為2kW、800W。實驗裝置原理圖如圖2所示，實驗中將換能器的工作段浸沒在老化油中，超聲波直接作用于老化油。

老化油超聲波處理的實驗流程如下：①利用恒溫水浴將老化油升溫至50℃，預熱1h;②將預熱后的老化油裝入圖2中的反應容器，其容積為2L，調整換能器位置使得其工作段全部浸沒在老化油中;③啟動超聲波電源，按照設定參數(shù)進行老化油降粘處理;

實驗中使用的老化油取自大慶北十三聯(lián)老化油處理站，采用美國Brookfield公司的DV-2 PRO型旋轉粘度計、TC-202型恒溫水浴測試處理前后的老化油粘度（如圖3所示）。

老化油粘溫曲線測量的流程如下：將老化油油樣放入500mL燒杯內，然后將燒杯置于50℃的恒溫水浴內加熱，并將溫度傳感器插入燒杯內，對油溫進行實時監(jiān)測。待老化油至50℃恒溫后自然冷卻，并使用旋轉粘度計（選用s61型轉子、轉速30r/min）實時測量老化油粘度，每隔10min記錄一次老化油的粘度以及該時刻的老化油溫度，直至老化油粘度大于200mPa·s。

4 實驗結果及分析

4.1 超聲波處理時間的影響

超聲波處理時間對老化油降粘效果有重要影響，本實驗中使用2kW變幅桿換能器對老化油進行處理，處理時間分別為1、2和3min。粘溫曲線如圖4所示，當處理時間為1min時，老化油的粘度幾乎沒有發(fā)生變化;當處理時間超過2min時，老化油的粘溫特性發(fā)生顯著改變，主要體現(xiàn)為：粘度為200mPa·s時對應的溫度下降了5.7℃;當老化油內的蠟晶體從液態(tài)體系中析出，粘溫曲線出現(xiàn)轉折，將該溫度點定義為析蠟點，經過超聲處理老化油析蠟點降低了4℃;當溫度高于初始的析蠟點溫度（約39℃）時，超聲波處理前后的老化油粘溫特性相同，當溫度低于初始的析蠟點溫度時，超聲波處理后的老化油粘度下降顯著，例如超聲處理后的老化油在36℃時的粘度降低高于75%。將處理時間增加至3min，老化油降粘效果僅有小幅度改善，但能量消耗卻增加了50%。此外，處理時間為3min時，老化油內熱效應十分明顯，老化油出現(xiàn)沸騰，造成輕質成分揮發(fā)，綜合考慮最佳處理時間為2min。

4.2 超聲波功率密度的影響

功率密度代表單位面積發(fā)射的能量，前文中計算的聲強為單位面積所需要吸收的聲能，不同換能器的電聲轉化效率不同，本文按70%計算，超聲設備輸出的功率密度在老化油內產生相應的聲強。老化油中發(fā)生超聲空化要求聲強大于1.732W/cm2，本文中所使用的2kW變幅桿換能器功率密度為7.246W/cm2，800W變幅桿換能器功率密度為2.898W/cm2，因此兩支換能器均滿足在老化油中產生超聲空化的條件，但兩者的空化效應劇烈程度不同。

經800W、2kW變幅桿超聲波換能器處理的老化油粘溫曲線如圖5所示，800W變幅桿換能器處理2min，老化油的粘度幾乎不發(fā)生變化，與2kW變幅桿換能器降粘效果相差很大，由此說明處理時間相同時，提升超聲設備的功率密度能夠有效提高降粘效果。若將800W變幅桿換能器的處理時間增加至5min，其降粘效果與2kW變幅桿處理2min的效果近似，這一現(xiàn)象說明降低設備功率密度的同時必須延長處理時間才能取得良好的降粘效果。

4.3 振動方式的影響

本實驗所采用的超聲波換能器主要有徑向振動與縱向振動兩種方式，縱向振動更為劇烈，徑向振動更加均勻。本實驗使用的徑向振動換能器功率密度為2.699W/cm2，與800W變幅桿換能器的功率密度接近，因此選擇這兩支換能器的處理結果進行比較。兩種不同振動方式作用下的老化油粘溫曲線如圖6所示，可見同功率密度下，徑向振動作用的老化油降粘效果較好，其主要原因在于：縱向振動方式處理面積小，需要依靠老化油的自身流動才能實現(xiàn)各部分均勻處理，因此在2min時無法取得良好的降粘效果，而徑向振動換能器從開始工作便能夠向周圍的老化油均勻地輻射超聲波，油溫為35.9℃時降粘率最高，可達46.2%。進一步提升徑向振動換能器的功率密度已經十分困難，而縱向振動換能器功率密度的提高相對容易很多，因此需要根據(jù)實際處理需求、老化油特性來選擇合理的振動方式。

4.4 降粘效果恢復性分析

無論是網狀結構還是顆粒狀結構，老化油內的蠟晶都會隨著靜置時間增長而聚集，宏觀表現(xiàn)為老化油粘度增大，為分析超聲波處理后的老化油粘度恢復性，本文將經2kW變幅桿換能器處理2min后的油樣密封存放，并分別測量靜置3d、5d、7d后的油樣在20℃時的粘度。實驗結果如圖7所示，超聲波處理后老化油的降粘率可達77.74%，靜置后兩種油樣的粘度都出現(xiàn)一定程度的上升，但處理后老化油的降粘率仍大于77%。由此說明超聲波老化油降粘效果是穩(wěn)定的，能夠在長時間集輸、轉運過程中維持良好的低溫流動性。

4.5 降粘效果的熱穩(wěn)定性分析

超聲波處理后的老化油中形成了大量的小顆粒蠟晶，隨著油溫降低，以小顆粒蠟晶為晶核形成分散的空間結構，由此大大提升了老化油的低溫流動性。為探究形成的蠟晶是否具有熱穩(wěn)定性，本文將經2kW變幅桿換能器處理2min的老化油冷卻至室溫后重新加熱至50℃，使蠟晶溶解，然后自然冷卻，按照前述方法測量該老化油油樣的粘溫曲線。實驗結果如圖8所示，由此可見，超聲波處理后的老化油經過加熱，其粘度較未處理的老化油粘度有略微上升，其原因在于：老化油的顆粒蠟晶溶解，降溫過程中凝結為大尺寸蠟晶，導致結蠟。因此，經超聲波處理后的老化油在集輸轉運過程中不建議再次加熱，再次加熱將使超聲波的降粘效果消失。

5 結 論

本文利用超聲波對油田老化油進行降粘處理，通過數(shù)值計算獲得老化油中產生空化所需的聲壓條件，并由此估算所需的超聲波換能器的功率密度。搭建了超聲波老化油降粘實驗裝置，采用三支換能器分別進行老化油降粘實驗，由實驗結果得出：最佳處理時間與聲功率密度緊密相關，聲功率密度越大，最佳處理時間越短，2kW變幅桿換能器處理2min后老化油的降粘率高于75%（當溫度高于析蠟點時）;徑向振動換能器處理后的老化油降粘效果優(yōu)于同功率密度的變幅桿縱向振動換能器;超聲波處理后的老化油靜置不會引起明顯粘度恢復，但再次加熱使其蠟晶完全溶解后，超聲波處理的降粘效果將完全消失，因此超聲波處理后的老化油能夠長期保持良好的低溫流動性，但不能在集輸過程中再次加熱。

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（編輯：關 毅）