原油超聲降黏機(jī)制

寇 杰, 王冰冰, 張益華

(1.中國(guó)石油大學(xué)(華東)儲(chǔ)運(yùn)與建筑工程學(xué)院,山東青島 266580; 2. 青海油田采氣一廠,青海格爾木816099)

關(guān)鍵字:超聲波; 原油; 黏度; 瀝青質(zhì); 空化

在原油輸送[1-3]過(guò)程中,為了降低輸送成本、提高經(jīng)濟(jì)效益,降低原油黏度非常重要。目前常用的降黏方式主要有加熱降黏、加劑降黏、微生物降黏、電磁降黏和超聲波降黏等[4-7]。其中超聲波降黏是一種安全、高效且無(wú)污染的降黏方式[8-9]。董慧娟等[10]開(kāi)展原油超聲波降黏實(shí)驗(yàn),對(duì)含水率為60%的油樣超聲處理3 min,降黏率高達(dá)60%。徐德龍等[11]研究超聲波對(duì)風(fēng)城超重油的降黏作用,20 ℃時(shí)黏度降低了25%。TAHERI等[12]采用超聲波降黏實(shí)驗(yàn)考察超聲波對(duì)重油性質(zhì)的影響,100 mL伊朗原油超聲處理4 min時(shí),黏度降低19%。瀝青質(zhì)是影響稠油黏度的最主要因素[13-17]。筆者研究超聲波處理前后瀝青質(zhì)粒徑、分散均勻程度和質(zhì)量分?jǐn)?shù)變化,考察超聲波對(duì)原油黏度的影響。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 試劑及儀器

實(shí)驗(yàn)試劑:油樣為委內(nèi)瑞拉原油,其20 ℃密度為955.50 kg/m3,50 ℃黏度為371.40 mPa·s,凝點(diǎn)為-13.10 ℃,蠟質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.83%,瀝青質(zhì)量分?jǐn)?shù)為8.35%;甲苯,分析純;正庚烷,分析純。

實(shí)驗(yàn)儀器:THD-2012D超聲波發(fā)生器;VT550旋轉(zhuǎn)黏度計(jì),精度為±3.0%;SG100顯微鏡、TDL-5Y臺(tái)式低速石油離心機(jī),轉(zhuǎn)速控制精度為±30 r/min;752型紫外可見(jiàn)分光光度計(jì)。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

(1)原油超聲處理。取200 mL原油于燒杯中,放入恒溫水浴,按照?qǐng)D1所示連接儀器。開(kāi)啟恒溫水浴,設(shè)定水浴溫度20 ℃,觀察溫度計(jì)示數(shù)達(dá)到實(shí)驗(yàn)所需溫度;開(kāi)啟超聲波發(fā)生器,設(shè)定相關(guān)參數(shù),設(shè)定完成后,秒表計(jì)時(shí);達(dá)到實(shí)驗(yàn)規(guī)定時(shí)間(0～40 min),結(jié)束超聲波處理。

圖1 超聲波處理裝置圖Fig.1 Schematic of ultrasonic device

(2)原油黏度測(cè)定。取超聲處理前后的委內(nèi)瑞拉油樣,以0.5 ℃/min的速度降溫到20 ℃,在剪切速率為5 s-1的條件下,采用VT 550旋轉(zhuǎn)黏度計(jì),按照《原油流變性測(cè)定方法》(GB/T 28910-2012)[18],對(duì)油樣進(jìn)行黏度測(cè)定。

(3)瀝青質(zhì)粒徑測(cè)定。取超聲處理前后的委內(nèi)瑞拉油樣,質(zhì)量比為1∶10加入正庚烷進(jìn)行稀釋,在室溫下分散,取2滴于顯微鏡下觀察,為了獲得可靠的粒徑分布,每個(gè)樣本記錄超過(guò)15幅圖像,粒子數(shù)量超過(guò)2 000個(gè)。通過(guò)圖像處理軟件對(duì)瀝青質(zhì)聚集照片進(jìn)行處理,確定瀝青質(zhì)顆粒粒徑。

(4)原油-正庚烷穩(wěn)定性測(cè)定。為了考察瀝青質(zhì)粒徑和分散均勻程度,取超聲處理前后的委內(nèi)瑞拉油樣,分別以質(zhì)量比1∶200、1∶400和1∶600加正庚烷稀釋,采用TDL-5Y離心機(jī),以3 000 r/min離心30 min;原油中瀝青質(zhì)不溶于正庚烷經(jīng)離心后大量沉淀,取上層清液,采用紫外可見(jiàn)分光光度計(jì),以600 nm時(shí)正庚烷為參比樣,進(jìn)行液體樣本透光率和吸光度的測(cè)量。

(5)瀝青質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)測(cè)定。取超聲處理前后的委內(nèi)瑞拉油樣,按照《石油瀝青四組分測(cè)定法》(NB/SH/T 0509-2010)[19],對(duì)原油中瀝青質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)進(jìn)行測(cè)定。

2 結(jié)果分析

2.1 原油黏度

選用100 W超聲功率,用超聲波處理裝置對(duì)油樣進(jìn)行超聲降黏實(shí)驗(yàn),黏度測(cè)定結(jié)果見(jiàn)圖2。

圖2 原油黏度和降黏率與超聲處理時(shí)間的關(guān)系Fig.2 Relationship between viscosity and viscosity reduction of crude oil and ultrasonic treatment time

由圖2看出,超聲處理0～20 min,隨著處理時(shí)間的延長(zhǎng),原油黏度快速下降,20 min時(shí)油樣黏度為1 305.4 mPa·s,降黏率達(dá)69.5%,效果十分明顯;在20～40 min內(nèi),超聲處理時(shí)間越長(zhǎng),黏度開(kāi)始緩慢上升;當(dāng)超聲作用40 min時(shí),黏度增加到2 305.6 mPa·s,遠(yuǎn)低于超聲處理前原油黏度。由此可見(jiàn),超聲波作用于原油能明顯降低其黏度,并且存在最優(yōu)超聲波處理時(shí)間。

2.2 瀝青質(zhì)粒徑

對(duì)超聲處理0、10、20、30和40 min的油樣分別進(jìn)行顯微鏡觀測(cè)拍照,得到瀝青質(zhì)聚集圖像,見(jiàn)圖3。

由圖3(a)看出,原油中存在較大的瀝青質(zhì)聚集顆粒。油樣經(jīng)超聲波處理10 min后,黏度由4 284 mPa·s下降到2 199.3 mPa·s。由圖3(b)看出,10 min時(shí)瀝青質(zhì)的聚集圖像較未超聲處理的瀝青質(zhì)聚集圖像相比,瀝青質(zhì)顆粒明顯減小,平均粒徑由3.5 μm減小為2.8 μm,黏度變化的主要原因是超聲波存在正負(fù)壓交變周期,聲波在液體中傳播,負(fù)壓相位時(shí),原油密度減小,氣泡核膨脹;正壓相位時(shí),超聲波對(duì)液體介質(zhì)擠壓,使介質(zhì)密度增大,液體中的微小氣泡在聲波驅(qū)動(dòng)下成長(zhǎng)、脈動(dòng),達(dá)到空化閾值時(shí),空化泡急劇崩潰閉合,瞬間釋放的高溫高壓致使大量瀝青質(zhì)顆粒破裂,黏度降低[20-21]。由圖3(c)看出,20 min時(shí)降黏率最大,顯示原油超聲處理20 min時(shí)瀝青質(zhì)聚集顆粒最小,平均粒徑為2.1 μm。由圖3(d)、(e)看出,原油超聲處理30和40 min,瀝青質(zhì)平均粒徑由2.4 μm增大為3.0 μm, 當(dāng)超過(guò)40 min時(shí)黏度由1 570.8 mPa·s上升至2 305.6 mPa·s。

不同超聲處理時(shí)間瀝青質(zhì)聚集粒徑分布見(jiàn)圖4。由圖4(a)看出,與超聲處理前瀝青質(zhì)聚集粒徑分布相比,超聲處理20 min后粒徑分布向左移動(dòng),整體變小。當(dāng)超聲作用40 min時(shí),瀝青質(zhì)聚集粒徑呈變大趨勢(shì),粒徑分布整體向右移動(dòng)。這是由于隨著超聲輻射時(shí)間的增加,原油中瀝青質(zhì)顆粒破碎程度更高,但超聲波致使原油流動(dòng)紊亂,增加了瀝青質(zhì)顆粒間的接觸面積,使得破裂的瀝青質(zhì)粒子形成大的瀝青質(zhì)聚集體[22-24],從而使其黏度增加。

圖3 不同超聲處理時(shí)間瀝青質(zhì)聚集圖像Fig.3 Asphaltene aggregation images of different ultrasonic treatment time

圖4 不同超聲處理時(shí)間瀝青質(zhì)聚集粒徑分布Fig.4 Distribution of asphaltene aggregates in different ultrasonic treatment time

2.3 原油-正庚烷穩(wěn)定性

對(duì)于穩(wěn)定分散的委內(nèi)瑞拉原油-正庚烷體系,瀝青質(zhì)顆粒越小越不易被離心沉淀,旋轉(zhuǎn)離心得到的上層清液透光率較低,吸光度較高;反之,瀝青質(zhì)沉淀增多,上層清液透光率升高,吸光度下降[25]。圖5所示為超聲處理前后原油-正庚烷體系旋轉(zhuǎn)離心后上層清液的透光率和吸光度對(duì)應(yīng)曲線。

圖5 透光率和吸光度與超聲處理時(shí)間的關(guān)系Fig.5 Transmittance and absorbance correspond to ultrasonic treatment time

委內(nèi)瑞拉原油-正庚烷體系的穩(wěn)定性反映了瀝青質(zhì)作為分散相與分散介質(zhì)作用力的強(qiáng)弱,原油中的瀝青質(zhì)粒子分散越均勻,顆粒越小,則原油-正庚烷體系越穩(wěn)定。由圖5可知,0～20 min內(nèi),超聲波作用時(shí)間越長(zhǎng),透光率越大,吸光度越小。主要原因是經(jīng)超聲波輻射,空化作用使原油中的微小氣泡崩潰閉合后產(chǎn)生強(qiáng)烈的局部沖擊,粉碎液體中的顆粒,同時(shí)在傳播過(guò)程中超聲波的機(jī)械振動(dòng)對(duì)原油起到有效攪拌的作用,通過(guò)空化作用和機(jī)械作用使瀝青質(zhì)細(xì)化后均勻分散在原油中,顆粒變小,溶劑化程度更高;之后,隨超聲輻射時(shí)間的延長(zhǎng),瀝青質(zhì)顆粒聚集變大,離心沉淀量增多,上層清液透光率減小,吸光度增加。同時(shí),原油-正庚烷稀釋比越大,體系的透光率和吸光度變化幅度越小。

2.4 瀝青質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)

圖6為隨超聲處理時(shí)間增加原油中瀝青質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)的變化趨勢(shì)。委內(nèi)瑞拉原油瀝青質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)為8.35%,經(jīng)超聲處理20 min后,瀝青質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)減少為7.93%,實(shí)驗(yàn)得到油樣黏度降低至1 305.4 mPa·s。30 min時(shí),原油中瀝青質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)減少到7.68%,實(shí)驗(yàn)得到黏度由1 305.4 mPa·s上升為1 570.8 mPa·s。原因是原油中的大多數(shù)微小氣泡在30 min前達(dá)到臨界崩潰值,瀝青質(zhì)長(zhǎng)鏈及絮凝體裂解,裂解為原油中的飽和分[26-27],瀝青質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)減少;20～30 min內(nèi)由于瀝青質(zhì)減少量?jī)H為0.25%,其粒徑變大,分散不均勻程度更高,綜合作用導(dǎo)致原油黏度呈上升趨勢(shì),該實(shí)驗(yàn)結(jié)果與Taheri等[12]研究結(jié)果一致。作用時(shí)間超過(guò)30 min時(shí),瀝青質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)緩慢增加到7.72%,主要是因?yàn)殚L(zhǎng)時(shí)間輻射,原油在超聲波作用下吸收聲能,將其轉(zhuǎn)化為熱能,同時(shí)介質(zhì)聲波特性阻抗不同,不同介質(zhì)產(chǎn)生巨大的振動(dòng)速度差異,介質(zhì)邊界摩擦產(chǎn)生熱量,起到局部加熱的作用,同時(shí)空化作用引起的局部加熱等熱作用增加,油樣溫升明顯;由于飽和分相對(duì)分子質(zhì)量小,蒸發(fā)溫度低,因此超聲處理時(shí)間過(guò)長(zhǎng),飽和分蒸發(fā),瀝青質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加[28]。

圖6 瀝青質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)與超聲處理時(shí)間的關(guān)系Fig.6 Relationship between asphaltene content and ultrasonic treatment time

3 結(jié) 論

(1)超聲波作用溫度為20 ℃、頻率20 kHz、功率100 W的條件下,隨著處理時(shí)間由0增至40 min,原油黏度先下降后上升。超聲作用20 min時(shí)原油降黏率最高,達(dá)到69.5%。

(2)原油超聲處理0～20 min內(nèi),空化作用致使大量瀝青質(zhì)顆粒破裂,瀝青質(zhì)粒徑變小,分布變均勻,原油黏度降低;20～40 min內(nèi),破裂的瀝青質(zhì)顆粒重新聚集,粒徑變大,原油黏度增加。

(3)超聲處理使原油中瀝青質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)降低。作用30 min時(shí)瀝青質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)減少量最大,為0.67%;超聲處理30 min后,瀝青質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)有一定程度的恢復(fù),但恢復(fù)后瀝青質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)仍低于處理前的瀝青質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)。