超重油降粘中超聲波作用的研究

徐德龍，鄧京軍，李超，白立新，丁彬，羅健輝

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超重油降粘中超聲波作用的研究

徐德龍1，鄧京軍1，李超1，白立新1，丁彬2，羅健輝2

中國科學院聲學研究所，北京 100190；2.中國石油集團科學技術研究院，北京 100083)

以委內瑞拉超重油和新疆風城超重油為研究對象，進行了超聲輔助降粘的研究。在實驗中，制備了兩類四種實驗樣品：分別摻入20%和30%柴油的兩種委內瑞拉超重油樣品、在O/W降粘體系下制備的委內瑞拉超重油樣品和風城超重油樣品。使用頻率為18 kHz的超聲變幅桿和24 kHz的超聲清洗槽對上述四種實驗樣品進行超聲處理，結果表明：1) 對摻入20%和30%柴油的委內瑞拉超重油，經過超聲處理的超重油樣品在20℃時粘度分別增高了25%和15%以上；2) 在O/W降粘體系超重油降粘中，風城超重油樣品經過超聲作用后，在20℃粘度降低了25%以上，而降粘劑的使用量可減少20%，超聲輔助降粘效果明顯；3) 在O/W降粘體系超重油降粘中，委內瑞拉超重油樣品經過超聲處理后，在14℃時，超聲處理過的樣品的粘度降低不高于25%，在高于這一溫度的情況下則未觀察到明顯的粘度降低。文中對上述實驗結果產生的原因進行了定性的分析。

超聲波；超重油；降粘；降粘劑；O/W降粘體系

0 前言

隨著世界石油資源的日益緊缺，超重油的開發利用越來越得到人們的重視。在我國已探明的儲量中，超重油占有較大比重，尤其是西部地區，超重油比重更大。近年來，我國積極參與國際市場石油資源的競爭，獲得的開發區塊大多位于石油資源較為豐富的非洲、南美州，而這些區塊的石油資源大多也是超重油。因此，如何降低超重油的表觀粘度，改善超重油的流動性，不僅對超重油的開發和運輸具有重要技術支撐，而且對我國獲取更多可采儲量石油資源有重要意義[1]。

超重油密度大、粘度高的特性使它的開采和運輸的難度極大，常規的開采方法很難用于超重油的開采。為了解決超重油的開采、輸運問題，人們已發展了可用于加熱降粘，稀釋降粘和表面活性劑降粘的超聲、微波、電磁等多種降粘方法，這些方法與其他技術相結合，在一定的條件下均可降低稠油粘度，提高其流動性，從而提高采收率[2,3]。

作為原油降粘的物理方法之一，超聲降粘利用在超聲激勵下產生的空化效應、機械效應、熱效應而使原油產生顯著的物理、化學變化，從而使之粘度下降，流動性增加。現有的超聲波降粘的研究成果多以稠油為研究對象[4-8]，對超重油研究不多，而且迄今為止，除利用超聲加熱效應降粘以外的超聲降粘的物理機理尚不清楚。此外，由于各油田產出油物理、化學性質的差異，這些成果還未得到良好的大規模應用效果。本文以南美委內瑞拉和新疆風城的超重油為研究對象，進行超聲波輔助降粘的初步研究。

1 實驗材料和儀器

本文中使用的實驗儀器包括DVRV-III流變儀(Brookfield)，恒溫水浴和小樣適配器、天平、超聲變幅桿(中國科學院聲學研究所，18 kHz，實驗中輸入電功率150 W)、超聲清洗槽(24 kHz，北京金星超聲波設備技術有限公司，實驗中輸入電功率600 W)等。

原油樣品包括委內瑞拉超重油、新疆風城超重油兩種，其主要物理性質參數見表1。在實驗中測得原油的原始粘溫曲線見圖1。從圖1可看出，風城原油和委內瑞拉原油均為非牛頓流體，兩者粘溫曲線變化趨勢相近，由于委內瑞拉原油的獲取困難、運輸成本高，因此在進行室內超聲輔助降粘實驗和現場試驗時，可先期選用較易獲得的風城原油進行實驗。

在實驗中，柴油摻混中所用的柴油為0#柴油，其粘溫曲線見圖2。在對柴油粘溫曲線的測量過程中，還考察了粘度測量系統的影響因素：小樣適配器底部溫度和水浴溫度的影響、剪切率和剪切應力的影響、轉子類型和速率的影響、測試時間間隔的影響、測量系統的一致性和穩定性等，限于篇幅，在此不多述。通過這些工作，盡量排除粘度測量中的干擾因素，將原油粘度測量系統的測量誤差降至最低。

在超聲輔助O/W降粘體系降粘實驗中，使用的是中國石油科學技術研究院研制的強親油、弱親水的活性大分子降粘劑，根據已建立的風城超重油O/W降粘體系下進行原油、水、降粘劑實驗用乳化液的配制[9]。下文中“標準劑量”中原油、水、降粘劑摻混比例為10: 3: 0.2(重量比，下同)；“80%標準劑量”中油、水、降粘劑摻混比例為10: 2.4: 0.16。

表1 委內瑞拉和風城超重油物理性質

圖1 委內瑞拉原油和風城原油粘溫曲線

圖2 0#柴油的粘溫曲線

2 柴油稀釋降粘中的超聲作用

首先，對摻入柴油的委內瑞拉超重油樣品進行了超聲降粘實驗。在實驗中，首先將配好的原油樣品裝入100 ml的燒杯中。在超聲變幅桿的處理中，將超聲變幅桿浸入盛有原油樣品的燒杯中進行處理，原油樣品放在水浴中，保持溫度不超過50 ℃；在超聲清洗槽的處理中則是將燒杯浸入清洗槽中處理，清洗槽中液體是自來水，在實驗前，先將水溫升至50 ℃并保持穩定。

柴油稀釋降粘中的實驗結果見圖3和圖4。從圖3中可知：(1) 對摻入20%(重量比，下同)柴油的委內瑞拉原油，經過超聲變幅桿和超聲清洗槽處理后的摻柴油，在20 ℃時，原油粘度升高25%以上；(2) 其中：超聲變幅桿處理2 min后的原油粘度升高的最大；超聲清洗槽處理3 min和15 min后的原油粘度升高的幅度次之；(3) 超聲清洗槽處理3 min和15 min原油粘度升高的幅度相近。從圖4可知，對摻入30%柴油的委內瑞拉原油，經過超聲清洗糟處理3 min后，在20℃時，原油粘度升高15%以上。

圖3 摻入20% 0#柴油委內瑞拉原油的粘溫曲線

圖4 摻入30％0#柴油委內瑞拉原油的粘溫曲線

對原油樣品經過超聲處理后出現粘度升高的現象，有人曾觀測到類似結果[10]，并且給出了最優輸入功率、頻率、處理時間等。造成這種現象可能的原因是：(1) 超聲處理提高了原油中大分子量成分(如瀝青質成分等)的溶解度，促進了其溶解；(2) 原油中大分子成分的溶解導致其屈服壓力的升高，從而造成測量粘度的升高。(3) 另外，在使用超聲變幅桿進行處理時，其高聲強導致的溫度過快升高造成原油中輕質油成分的揮發以及原油的焦化炭化也可使經過超聲處理的超重油的粘度升高(本文對此在實驗中采取降溫措施予以避免)。

在現有的實驗條件下，從實驗結果可知，對摻入了20%和30%柴油的原油，經過超聲作用不僅沒有使其粘度降低，反而造成粘度升高，其中的機理和確切原因尚需進一步研究。可以確知的是，本實驗條件下的超聲處理不適用于摻柴油的委內瑞拉超重油輔助降粘。

3 O/W降粘體系中的超聲作用

在超聲輔助降粘劑降粘實驗中，分別對摻入標準劑量和80%標準劑量的委內瑞拉和風城超重油O/W降粘體系進行了超聲處理。在實驗中，首先將配好的待處理樣品裝入100 ml燒杯中，在超聲變幅桿處理中，將超聲變幅桿浸入盛有樣品的燒杯中進行處理，原油樣品放在水浴中，保持溫度不超過50 ℃；在攪拌處理中，將樣品按照“水包油型稠油降粘劑技術規范”(中國石油天然氣集團公司企業標準報批稿)攪拌1 min。圖5、6分別是風城超重油和委內瑞拉超重油O/W降粘體系粘溫曲線。

圖5 風城超重油O/W降粘體系粘溫曲線

圖6 委內瑞拉超重油O/W降粘體系粘溫曲線

由圖5可知，風城超重油O/W降粘體系經過攪拌和超聲變幅桿處理后，樣品粘度從高到低順序依次為標準劑量攪拌、80%標準劑量攪拌、80%標準劑量超聲變幅桿處理1 min、標準劑量超聲變幅桿處理30 s。與標準劑量攪拌相比(實際生產中常使用)，超聲處理30 s和1 min后的粘度均降低了25%以上，由此可見，超聲處理后，不僅對風城O/W降粘體系的降粘有顯著促進作用，而且可以減少20%降粘劑的使用量。

由圖6可知，委內瑞拉超重油O/W降粘體系經過攪拌和超聲變幅桿處理后，在14℃時樣品粘度從高到低順序依次為標準劑量攪拌、80%標準劑量攪拌、標準劑量超聲變幅桿處理30 s、80%標準劑量超聲變幅桿處理1 min，在這一溫度下，超聲輔助降粘效果明顯。在高于14℃ 時，上述四種處理方法后的樣品的粘度差異無明顯規律，并且有的在相同溫度下粘度值相差不大。

委內瑞拉超重油降粘效果不明顯的主要原因是實驗中所用的O/W降粘體系主要是針對風城原油制備的[9]。這種大分子活性降粘劑在用于委內瑞拉原油時的效果不如應用在風城原油效果好。由此可見，在超重油降粘中，適合的降粘O/W降粘體系中降粘劑的選擇相當重要的，它不但影響到原油的降粘效果，也直接影響到超聲輔助降粘的效果。從O/W降粘體系的制備來說，委內瑞拉原油和風城原油是有不同的，因此需要對委內瑞拉原油制定O/W降粘體系。

4 結論和討論

以委內瑞拉超重油和風城超重油為研究對象，本文進行了超聲輔助降粘實驗，考察了降粘效果。得出了以下結論：

(1) 委內瑞拉超重油和風城超重油的粘溫曲線相似，在超聲輔助降粘的室內實驗和現場試驗中，可先期使用較易獲取的風城超重油進行實驗；

(2) 在超聲波輔助摻柴油的委內瑞拉超重油降粘中，經過超聲處理的摻入20%和30%柴油的委內瑞拉超重油，在20 ℃時粘度分別增高了25%和15%以上。由此可見，超聲處理不適用于這種情況下的輔助降粘。經過分析，認為造成這種現象的可能原因是：超聲處理提高了原油中大分子量成分(如瀝青質成分等)的溶解度。這也說明在將超聲用于超重油降粘時是具有適用條件的，其物理機理尚需進一步研究。

(3) 在O/W降粘體系降粘中，風城超重油經過超聲作用后，粘度降低了25%以上，降粘劑的使用量可減少20%，超聲輔助降粘效果明顯。

(4) 委內瑞拉超重油經過超聲處理后，在14 ℃時，粘度降低不高于25%，在高于這一溫度時則無明顯的降粘作用。主要原因是委內瑞拉超重油和風城超重油的O/W降粘體系是不同的，而該降粘體系主要是為風城超重油研制的。由于降粘劑與委內瑞拉超重油沒有形成穩定、均勻的懸濁液，在實驗中，重油有時從體系中脫離，包圍在流變儀轉子周圍，造成了粘度讀數上下波動較大。對風城超重油則沒有這種情況。

從本文的實驗中可看出，在使用超聲降粘時，除去超聲作用的時間、頻率、功率、聲場的分布等超聲自身的差別以外，能否取得明顯的效果還要取決于超聲應用對象的具體條件(原油性質、降粘體系等)。要想在較大范圍、較廣泛的應用對象上取得較好的降粘效果，還需對超聲降粘的機理(如超聲對原油中蠟質成分分布結構的改變、對膠質和瀝青質等大分子量成分溶解度的改變、對原油剪切率和剪切應力的改變，對結構不同的烴組分分子鏈的改變、對C-H、C-C鍵的改變等)進行深入的研究。

致謝：本文實驗中所用的委內瑞拉超重油、風城超重油和活性大分子降粘劑由中國石油集團科學技術研究院油化所提供，在此表示感謝！

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Effects of ultrasonic wave on viscosity reduction for Venezuela and Fengcheng ultra heavy oil

XU De-long1, DENG Jing-jun1, LI Chao1, BAI Li-xin1, DING Bin2, LUO Jian-hui2

(1. Institute of Acoustics, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100190, China; 2. Research Institute of Science and Technology, China National Petroleum Corp, Beijing 100083, China)

In this paper, the effects of ultrasonic wave on viscosity reduction for Venezuela and Fengcheng ultra heavy oil are studied. Four types of ultra heavy oil examples are prepared for experiments:80% Venezuela ultra heavy oil with 20% 0#diesel (Example I), 70% Venezuela ultra heavy oil with 30% 0#diesel (Example II), the oil-in-water (O/W) for Venezuela and Fengcheng ultra heavy oil(Examples III and IV) by using active macromolecule viscosity reducer. In the experiments, these four types of examples are irradiated by ultrasonic horn (18kHz) and ultrasonic bath (24kHz) respectively. Here are the results: (1)the viscosity of Example I irradiated by ultrasonic wave is 25% higher than that un-irradiated at 20℃, for Example II, 15% higher. (2) the obvious effects of ultrasonic wave on reducing viscosity can be observed for Example III whose viscosity irradiated by ultrasonic wave is 25% lower than that un-irradiated at 20℃ and 20% less quantity of active macromolecule viscosity reducer is needed. (3) For Example IV, no obvious effects are observed except at 14℃, where less than 25% viscosity reduction is observed for that irradiated by ultrasonic wave. The reason of the phenomenon observed in this paper is analyzed qualitatively.

ultrasonic wave, ultra heavy oil, viscosity reduction, viscosity reducer, oil-in-water viscosity reduction

A

1000-3630(2014)-06-0517-05

10.3969/j.issn1000-3630.2014.06.008

2013-09-30;

2013-12-04

國家科技重大專項課題(2011ZX05032-003)、國家自然科學基金面上項目(11474305)資助。

徐德龍(1976－), 男, 山東蓬萊人, 博士, 副研究員, 研究方向為處理超聲學及工程應用。

徐德龍, E-mail: xudelong@mail.ioa.ac.cn