不同結(jié)晶條件對(duì)含蠟原油微觀結(jié)構(gòu)的影響研究

劉坤(中國石油大學(xué)勝利學(xué)院油氣工程學(xué)院，山東 東營257097)

1 概述

含蠟原油中影響蠟結(jié)晶的因素有很多[1]，包括熱歷史、剪切歷史、降溫速率、原油組成等。在不同的結(jié)晶條件下，即使同一種原油所形成的蠟晶形態(tài)結(jié)構(gòu)依然差別很大，從而導(dǎo)致含蠟原油的低溫流動(dòng)性不同。因此研究不同結(jié)晶條件對(duì)含蠟原油微觀結(jié)構(gòu)的影響顯得至關(guān)重要。

2 含蠟原油微觀結(jié)構(gòu)的影響因素分析

2.1 降溫速率的影響

在含蠟原油冷卻過程中，降溫速率不同，蠟的溶解度下降快慢不同，晶核數(shù)目的生成速度和蠟晶體積的生長速度也就不同[2]，從而導(dǎo)致蠟晶結(jié)構(gòu)的形態(tài)各異，相應(yīng)地，原油的低溫流變性差異很大。

通過顯微鏡觀察發(fā)現(xiàn)不同降溫速率下形成的蠟晶顆粒形態(tài)、分散度及均勻程度都有很大差別：慢速降溫時(shí)析出的蠟晶多為棒狀，并且顆粒較大，粒徑分布較寬，團(tuán)聚化程度較高；快速降溫時(shí)形成的蠟晶顆粒多為粒狀，形狀較為規(guī)則，顆粒數(shù)量多，且在視場中的分布更為分散。

究其原因，在較小的降溫速率下，蠟的溶解度下降緩慢，晶核的生成速度很小而晶體的生長速度則相對(duì)較大，且膠質(zhì)、瀝青質(zhì)有充分的時(shí)間與蠟晶共晶、吸附，這樣形成的蠟晶數(shù)目少，而蠟晶體積大，蠟晶表面的連接點(diǎn)較多，造成蠟晶顆粒之間作用力較強(qiáng)，使最終形成的結(jié)構(gòu)致密，啟動(dòng)屈服應(yīng)力較大；但在較大降溫速率下，蠟的溶解度下降很快，晶核的生成速度要比晶體的生長速度快的多，在相同的降溫區(qū)間下，蠟晶之間的結(jié)合機(jī)會(huì)較小，膠質(zhì)、瀝青質(zhì)來不及與蠟晶充分作用，導(dǎo)致形成眾多的細(xì)小蠟晶，形狀較規(guī)則，邊緣光滑，連接點(diǎn)少，作用力較弱，因此原油的屈服應(yīng)力也較小。可見降溫速率也是通過改變蠟晶參數(shù)來影響原油流變性的。

2.2 靜置時(shí)間的影響

經(jīng)歷一定歷史條件的原油體系中蠟晶已達(dá)到一定的濃度，在靜置時(shí)，由于蠟晶的生長、重結(jié)晶、以及蠟晶之間的相互吸引作用，會(huì)導(dǎo)致原油的蠟晶網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，進(jìn)而影響原油的流變性。

將原油靜態(tài)降溫至某一溫度，在靜置過程中發(fā)現(xiàn)蠟晶各個(gè)參數(shù)值都隨靜置時(shí)間的延長而變化，前幾分鐘變化劇烈，之后就趨于平緩。蠟晶顆粒個(gè)數(shù)先有小幅上升，之后就平穩(wěn)下降，變化幅度不大。蠟晶顆粒的平均粒徑有所增加，粒徑分布變寬，顆粒的團(tuán)聚化程度加劇。

對(duì)經(jīng)歷不同降溫速率的原油而言，蠟晶各參數(shù)隨靜置時(shí)間的變化規(guī)律是一致的，先變化劇烈，最后逐漸趨于穩(wěn)定，但在相同的溫度下，經(jīng)歷不同降溫速率冷卻的原油在長時(shí)間的靜置達(dá)到平衡后，所對(duì)應(yīng)的蠟晶各參數(shù)數(shù)值大小依然相差很大，前面我們已經(jīng)討論了降溫速率對(duì)析蠟的影響，說明這種偏差受恒溫靜置前歷史條件的影響。

2.3 加熱溫度的影響

原油加熱時(shí)石蠟溶解，膠質(zhì)-瀝青質(zhì)游離分散，為低溫下重新結(jié)晶并形成流變體結(jié)構(gòu)創(chuàng)造必要的提前條件。當(dāng)以一定的降溫速率和降溫方式進(jìn)行冷卻時(shí)，由于膠質(zhì)-瀝青質(zhì)的作用，會(huì)改變蠟晶的形態(tài)和結(jié)構(gòu)，最終改善含蠟原油的低溫流動(dòng)性。由于加熱溫度的不同，原油低溫流變性改善的效果也就不同。

在不同的熱處理溫度下，原油靜態(tài)降溫至某一溫度時(shí)的蠟晶參數(shù)差別較大。這是因?yàn)樵谖鱿烖c(diǎn)以上的溫度對(duì)原油進(jìn)行熱處理時(shí)，膠質(zhì)、瀝青質(zhì)充分游離分散，石蠟幾乎全部溶解。析蠟點(diǎn)以后，蠟晶逐漸析出。由于開始時(shí)蠟晶顆粒較少，間隙較大，分子間總的力表現(xiàn)為排斥力，隨著溫度的進(jìn)一步降低，蠟晶不斷增多，近距離的蠟晶由于范德華力而聚集生長，逐漸形成網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的雛形。由于高溫預(yù)熱時(shí)蠟晶顆粒有足夠的生長時(shí)間，所以蠟晶的粒徑較大，呈團(tuán)聚態(tài)，整個(gè)視場中游離的液態(tài)原油相對(duì)較多，因而流變性較好。

可見，加熱溫度不同形成的蠟晶形態(tài)結(jié)構(gòu)差異較大，對(duì)原油宏觀流變性的改性效果也不同。

2.4 添加降凝劑的影響

添加降凝劑輸送作為一種相對(duì)簡單、有效的方法，逐漸成為主要的含蠟原油改性輸送技術(shù)。國內(nèi)外學(xué)者普遍認(rèn)為[3]，降凝劑改變了蠟晶的大小、形態(tài)和聚集程度從而使原油流動(dòng)性變好，改變了蠟晶的表面性質(zhì)，防止蠟晶形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。

通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)未加降凝劑的空白油析出的蠟晶較為分散，顆粒體孤立存在，呈不規(guī)則的棒狀或粒狀，顆粒尺寸較小，而加劑油中的蠟晶由單個(gè)的棒狀變?yōu)槎嗫姿缮畹南灳Ь奂w，顆粒個(gè)數(shù)明顯變少，顆粒尺寸較大，呈團(tuán)簇狀分布，網(wǎng)絡(luò)孔隙較大，降低了蠟晶的有效體積濃度，減弱蠟晶聚集體進(jìn)一步形成空間網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的趨勢，達(dá)到了改善體系流動(dòng)性的效果。

3 結(jié)語

通過本文的分析表明不同結(jié)晶條件下蠟晶的微觀形態(tài)結(jié)構(gòu)不同，對(duì)含蠟原油流變性的影響也不同。因此今后應(yīng)加強(qiáng)對(duì)含蠟原油微觀結(jié)構(gòu)的研究力度，這對(duì)于降低管輸過程中的結(jié)蠟、改善含蠟原油的低溫流動(dòng)性和提高管輸效率具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

[1]張紅,沈本賢.蠟晶形態(tài)結(jié)構(gòu)對(duì)原油降凝的影響[J].石油學(xué)報(bào)(石油加工),2006,22(5).

[2]李鴻英,張勁軍等.蠟晶形態(tài)、結(jié)構(gòu)與含蠟原油流變性的關(guān)系[J].油氣儲(chǔ)運(yùn),2004,23(9).

[3]敬加強(qiáng),路平,楊莉,黃敏,付先惠.大慶原油加劑前后的蠟晶分形特性研究[J].西南石油大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2008,30(20).