稠油乳化降粘輸送優(yōu)化運(yùn)行研究*

賀亞維

（陜西能源職業(yè)技術(shù)學(xué)院，陜西 咸陽 712000）

目前，存在的幾種稠油輸送方法都存在自己的優(yōu)點和不足，針對各方法存在的缺點，本文以稠油乳化降粘方法為例[1]，對該方法降低稠油粘度的有效性進(jìn)行研究，同時對該方法中稠油的含水量和粘度及溫度間的關(guān)系進(jìn)行探討，因稠油的油水混合物的溫度及其含水量影響著油成品的生產(chǎn)成本，首先，從宏觀即稠油的物理特性方面對稠油的物理特性進(jìn)行研究，得出粘度計算公式最佳溫度和含水率[2]；再次對稠油管道輸送過程進(jìn)行模擬，得出壓降、流量和時間對粘度的影響情況，進(jìn)一步得出擬合，推斷出最優(yōu)工藝條件即：最佳含水率、最優(yōu)輸送溫度、最佳單位時間內(nèi)壓降；探討在活性劑存在下，將乳狀液攪拌，制備出分散度高的稠油液珠，結(jié)合乳化工藝，得到稠油水包油降低粘度輸送方法[3]。

1 稠油降粘實驗

1.1 試劑及儀器

原料油：杜66區(qū)塊稠油，由遼河油田曙光采油廠提供。常溫下粘度 8.3Pa·s；密度 0.923g·cm－3；酸值 5.16mg KOH/g；平均分子量 619。

磨口瓶（規(guī)格50mL江蘇正康醫(yī)療器械有限公司）；注射器（規(guī)格10mL江蘇正康醫(yī)療器械有限公司）；NDJ-8S粘度計（上海平軒科學(xué)儀器有限公司）；燒杯（500mL壽光康鵬化工有限公司）；202A-08電熱恒溫干燥箱（紹興市銀河機(jī)械儀器有限公司）；CH1006恒溫水?。ㄉ虾Ｆ杰幙茖W(xué)儀器有限公司）；XY-300C電子天平（上海眾淵實業(yè)有限公司）。

1.2 稠油的物性參數(shù)

試驗樣品稠油為中石油公司提供稠油樣品，基本特性為：在40℃下粘度為 3875mPa·s，密度在20℃下為0.9790g·cm-3凝點為17℃，蠟含量9.8%，膠質(zhì)和瀝青質(zhì)含量為11.2%。

由于稠油的組份中存在瀝青和膠質(zhì)等結(jié)構(gòu)，這些組份的存在會阻礙稠油的流動，稠油粘度大，從物理特性上研究降低粘度的方法[4]，有以下幾種：第一，稠油組份有瀝青及膠質(zhì)等成份降到最低，可以使稠油粘度變小；第二，將其中粘度的難以流動的大分子分解成便于流動的小分子；第三，將分子間的摩擦力降低，摩擦力降低后有利于稠油在管道中的流通，乳化降低粘度的方法就是利用上述中的第三種方法，將稠油粘度大的油包水通過一系列工藝變成粘度小的水包油乳狀液[5]。

1.3 實驗步驟

步驟1 將試樣倒入大燒杯中，將燒燒杯在水浴預(yù)熱5min，然后將其分裝，分裝到10個150mL的試劑瓶里，密封保存，標(biāo)號試劑1，試劑2……試劑10，以此作為實驗研究油樣品，樣品1～10，組成成份相同[6]。

步驟2 選取試劑1，試劑2，試劑3，試劑4,試劑5,油樣，將試劑1～5分裝處理，分別分裝至50mL的磨口瓶中，然后將分裝后的試樣進(jìn)行處理，恒溫80℃加熱2h，分裝后油品內(nèi)成份受熱均勻，在20℃室溫環(huán)境下靜置48h，得到5組成份及物理性能相同的基礎(chǔ)試樣，標(biāo)號樣品1，樣品2，樣品3，樣品4，樣品5[7]。

步驟3 將樣本1～5進(jìn)行處理，配比為實驗所需油樣，油樣含水率（20%～60%）。具體如下：樣本1～樣品5分別水浴恒溫70℃，加熱10min，然后用實驗儀器RV-2，轉(zhuǎn)速分別用5個減速檔減速，從最低速檔開始記錄逐步向高速擋調(diào)節(jié)并記錄穩(wěn)定值。然后通過恒溫槽調(diào)節(jié)樣本1～5的水浴溫度，以5℃為節(jié)點，調(diào)節(jié)速率為 1.0℃·min-1，調(diào)節(jié)范圍 65～30℃，調(diào)節(jié)方式為降速調(diào)節(jié)，計算方法等同，對樣本的不同溫度對應(yīng)的含水率進(jìn)行觀察，得出粘度變化情況。

2 結(jié)果與討論

記錄上述實驗記錄數(shù)據(jù)，并對其進(jìn)行整理，所得數(shù)據(jù)用數(shù)據(jù)處理Origin軟件進(jìn)行繪圖，得出不同溫度下含水率及不同含水率下溫度對稠油粘度的影響，然后對所得數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，得出含水率和溫度對粘度的影響情況。

圖1 粘度在不同溫度段與含水率之間的關(guān)系Fig.1 Relationship between viscosity and moisture at different temperatures rate

由圖1可得，在溫度40～70℃中，在含水率在10%～40%，含水率增大粘度不斷增大，粘度增加幅度緩慢增加；當(dāng)含水率在40%時，粘度達(dá)到最大值，且在溫度為40℃時，粘度最大，溫度為70℃時粘度最小，當(dāng)含水率在40%升高至50%時，粘度開始降低，從圖形中可以看出[8]，降低幅度很大，在溫度為40℃時降低幅度最大，溫度為70℃時粘度降低幅度相對于溫度在50、60℃下??；含水率在50%升高至60%期間，稠油的粘度在各溫度段均有降低，降低幅度趨于平緩，隨著溫度升高，粘度降低幅度越來越緩慢，當(dāng)含水量在40%～50%之間時，粘度在40，50，60，70℃下會有明顯的降低，且降低幅度最大，從圖中可以看出，在溫度50℃后含水量的下降幅度較之前明顯減弱，幅度區(qū)域平緩，從圖1可以得出，溫度40℃是稠油粘度含水量的一個轉(zhuǎn)折相點，在40%～50%期間粘度波動大，50%～60%粘度也呈下降趨勢，波動較小。所以提高稠油溫度，可以顯著降低稠油粘度；在含水率相點周邊，粘度隨溫度變化較為明顯，當(dāng)遠(yuǎn)離相點時，粘度受溫度影響不大，由此得出，遠(yuǎn)離相點后，升高溫度會導(dǎo)致工藝成本升高，但是對粘度并無較大影響，從實際運(yùn)行方面，同時考慮經(jīng)濟(jì)因素，得出通過提高溫度對粘度進(jìn)行降低方法不實際，因此，選擇一個最佳溫度作為輸送溫度。

圖2 粘度在不同含水率與溫度之間的關(guān)系Fig.2 Relationship between viscosity in different moisture rate and temperature

從圖2得出，含水率在40%以下時，粘度受溫度的影響較大，當(dāng)溫度在40～70℃升高的過程中，粘度明顯降低，而含水率在10%～40%增加的過程中，粘度有明顯下降的趨勢，含水率≥50%后，粘度受溫度的影響變化較小，由此說明稠油在含水率一定的情況下，粘度會受溫度的影響較大，含水率超過一定值后，溫度對粘度的影響較??；由此在含水率在10%～40%期間，可以通過對溫度升高的方法來降低稠油的粘度，在含水率≥50%時，此方法不適用。

由此得出，當(dāng)稠油含水率在40%時，稠油油包水向著水包油乳狀液轉(zhuǎn)化較為明顯，當(dāng)含水率在50%～60%段，實驗溫度在60℃左右時，稠油的粘度降低到理想狀態(tài)，符合管道輸送需要的粘度，從粘度降低方面考慮，稠油溫度和含水率繼續(xù)提高，稠油的粘度繼續(xù)降低，有利于管道對稠油的輸送，但是從經(jīng)濟(jì)成本方面考慮，繼續(xù)提高含水率和繼續(xù)升高溫度，對工業(yè)成本方面會提高，且工藝條件會增加響應(yīng)的難度，不利于實際輸送，由此得出管道粘度輸送在此階段為最佳含水率和最佳溫度[9]。

3 稠油乳化降粘輸送環(huán)道實驗研究

為進(jìn)一步探究除稠油本身物理因素外是否還有其余因素可對稠油粘度影響，本文對管道粗糙度等進(jìn)行探究，設(shè)計環(huán)道實驗來對稠油乳化流動性進(jìn)行研究。

3.1 實驗內(nèi)容

模擬環(huán)道對實驗條件在溫度為40～70℃，溫度差為10℃，含水率在30%～60%，含水率差在10%，條件下計算稠油環(huán)道輸送的流量和壓降與時間之間的關(guān)系，根據(jù)實驗觀察稠油在管道內(nèi)的特性，可以深入研究稠油降粘度方法在管道內(nèi)輸送的可實現(xiàn)性，通過實驗得出在考慮管道參數(shù)等因素后，得出稠油輸送的最佳輸送溫度和最佳含水率[10]。

3.2 實驗方法

步驟1 將配置好的含水率分別為30%、40%、50%、60%分成4個樣本，加入油罐中，調(diào)整好儀器，通過軟件收集數(shù)據(jù)，并用實驗記錄本定期記錄實驗數(shù)據(jù)，作為原始數(shù)據(jù)。

步驟2 將4個樣本分別設(shè)置4個不同的溫度，40、50、60、70℃，4 個樣本分別從 40℃向 70℃升高，當(dāng)?shù)竭_(dá)設(shè)定溫度時候，將數(shù)據(jù)輸送出來，并記錄[18]。

步驟3 實驗完畢將實驗設(shè)備停止，并將關(guān)系置換、清洗、吹掃干凈。

步驟4 實驗結(jié)束，裝置歸位，儀器關(guān)閉。

3.3 結(jié)果與分析

實驗結(jié)束，將原始數(shù)據(jù)輸入電腦軟件中，將4個樣本的時間、壓降、流量的值記錄，實驗管子水平放置，測試管段起點與終點壓差為0，管子內(nèi)徑為2.5cm，長度為6.85m。壓降值p：根據(jù)此公式對壓降值和流量進(jìn)行計算，得出圖3～10。

3.3.1 流量與溫度和含水率的變化

圖3 流量隨溫度的關(guān)系（含水率不同）Fig.3 Relationship between flow rate and temperature（different moisture rate）

圖4 流量隨含水率的關(guān)系（溫度不同）Fig.4 Relationship between flow rate and moisture rate（different temperature）

由圖3、4所示，流量與溫度和含水率間的關(guān)系，圖3得出，橫坐標(biāo)含水率為30%～60%，縱坐標(biāo)為流量，探究流量隨含水率的升高變化情況，溫度段為40、50、60、70℃，4 個溫度段的不同含水率隨流量的變化關(guān)系，從圖3中可以得出，4個溫度段的變化趨勢均在含水率為40%時為轉(zhuǎn)折相點，在含水率30%升高至40%階段，流量隨著含水率的升高出現(xiàn)降低趨勢[11]，在含水率在40%升高至50%過程中，流量不斷升高，且在溫度段40℃和50℃時，流量變化幅度很大，含水率在50%升高至60%時，流量也在升高，變化幅度緩慢。這說明在含水率為40%時，稠油成份出現(xiàn)相轉(zhuǎn)化過程，由原來的油包水轉(zhuǎn)化為水包油乳液，阻力和粘度減小，當(dāng)含水率繼續(xù)增大后，流量增加但是幅度很小，結(jié)合圖4得出結(jié)論，為了使流量最佳，則溫度在60～70℃范圍段，含水率在50%～60%范圍段。

3.3.2 壓降與溫度和含水率的關(guān)系

圖5 壓降與溫度的關(guān)系（含水率不同）Fig.5 Relationship between pressure drop and temperature（different moisture rate）

圖6 壓降與含水率的關(guān)系（溫度不同）Fig.6 Relationship between pressure drop and moisture rate（temperature difference）

由圖5、6可得，縱坐標(biāo)壓降橫坐標(biāo)溫度和含水率，由圖5可知，壓降隨著溫度在40℃升高至70℃段，壓降不斷降低，在含水率40%～50%間壓降降低最為明顯，含水率50%～60%間壓降雖然處于降低狀態(tài)，但是變化幅度緩慢，在溫度段40℃升高至60℃間，壓降降低幅度最大，溫度段60℃升高至70℃間，壓降降低幅度緩慢。由圖6中可以得出，在含水率一定情況下，壓降隨著溫度的升高而降低，在溫度一定情況下，含水率從30%上升至40%過程中壓降上升明顯；在含水率40%上升至50%過程中壓降大幅度降低；在含水率50%升至60%過程中壓降呈降低趨勢，降低幅度緩慢。結(jié)論：稠油乳化降低粘度的最佳溫度為60～70℃，最佳含水率為50%～60%，此時壓降較低且穩(wěn)定。

3.3.3 流量與壓降在固定溫度與含水率情況下隨時間的變化

由圖7～10得出，流量和壓降在含水率60%的情況下，不同溫度下隨著時間的變化情況。圖7所示，含水率為60%、溫度70℃時，壓降和流量存在波動，這表現(xiàn)出性能不穩(wěn)定，原因分析為，溫度高會引起乳狀液在水包油狀態(tài)下的穩(wěn)定性差，導(dǎo)致流量和壓差不穩(wěn)定。

圖7 流量與壓降在溫度70℃時和含水率60%時隨時間的變化Fig.7 When the moisture rate is 60%and the temperature is 70℃,the flow rate and pressure drop change with time

圖8 流量與壓降在溫度60℃時和含水率60%時隨時間的變化Fig.8 When the moisture rate is 60%and the temperature is 60℃,the flow rate and pressure drop change with time

由圖8可知，當(dāng)溫度降為60℃時，壓降和流量波動較小，趨于穩(wěn)定狀態(tài)，符合管道傳送條件。

圖9 流量與壓降在溫度50℃時和含水率60%時隨時間的變化Fig.9 When the moisture rate is 60%and the temperature is 50℃,the flow rate and pressure drop change with time

由圖9可知，當(dāng)溫度降為50℃時，壓降和流量都有相應(yīng)的變化，壓降有相應(yīng)的增大，流量有相應(yīng)的減小，出現(xiàn)不穩(wěn)定狀態(tài)，不適合傳送。

圖10 流量與壓降在溫度40℃時和含水率60%時隨時間的變化Fig.10 When the moisture rate is 60%and the temperature is 40℃,the flow rate and pressure drop change with time

由圖10可知，當(dāng)溫度為40℃時，效果與50℃存在相反的變化，不適合輸送。

由圖11～14得出，流量和壓降在含水率50%，情況下不同溫度下隨著時間的變化情況。

圖11 流量與壓降在溫度70℃時和含水率50%時隨時間的變化Fig.11 When the moisture rate is 50%and the temperature is 70℃,the flow rate and pressure drop change with time

圖12 流量與壓降在溫度60℃時和含水率50%時隨時間的變化Fig.12 When moisture rate is 50%and temperature is 60°C,the flow rate and pressure drop with time

圖13 流量與壓降在溫度50℃時和含水率60%時隨時間的變化Fig.13 When the moisture rate is 50%and the temperature is 50℃,the flow rate and pressure drop change with time

圖14 流量與壓降在溫度40℃時和含水率60%時隨時間的變化Fig.14 When the moisture rate is 50%and the temperature is 40℃,the flow rate and pressure drop change with time

圖11所示，含水率為50%、溫度70℃時，壓降和流量存在波動，幅度很小，性能穩(wěn)定，適合輸送；如圖12所示，當(dāng)溫度降為60℃時，壓降和流量波動較小，趨于穩(wěn)定狀態(tài)，符合管道傳送條件；如圖13所示，當(dāng)溫度降為50℃時，壓降和流量都有相應(yīng)的變化，壓降有相應(yīng)的增大，流量有相應(yīng)的減小，出現(xiàn)不穩(wěn)定狀態(tài)，不適合傳送，如圖14所示，當(dāng)溫度為40℃時，效果與50℃存在相反的變化，不適合輸送。

4 結(jié)論

通過環(huán)道實驗得出，流量和壓降在不同溫度和含水率情況下隨著時間的變化規(guī)律，研究流量和壓降的穩(wěn)定流動性和溫度段及含水率的關(guān)系，從而確定稠油乳狀液的最佳輸送含水率和溫度。通過以上對比實驗得出，對于稠油乳狀液在含水率為60%時，最佳輸送溫度為60℃，此時稠油流動性穩(wěn)定且最佳，當(dāng)含水率在50%時，乳狀液在溫度60～70℃間流動性最好，當(dāng)稠油含水率在60%和50%時，溫度處于50～60℃時，流動性能變差，不適合傳送，當(dāng)溫度低于40℃時，流動性變得更差，無法進(jìn)行管道輸送，所有最終得出結(jié)論為，綜合考慮運(yùn)送成本，確定最佳輸送條件為：含水率為50%～60%，溫度為60℃。