超聲波處理對遼河油田稠油黏度的影響

李 瑩，趙德智，宋官龍，郝明陽

（遼寧石油化工大學 石油化工學院，遼寧 撫順 113001）

超聲波處理對遼河油田稠油黏度的影響

李 瑩，趙德智，宋官龍，郝明陽

（遼寧石油化工大學 石油化工學院，遼寧 撫順 113001）

采用變幅桿式聲化學反應器進行了遼河稠油超聲波降黏的實驗研究，考察了超聲反應時間、反應溫度對遼河稠油降黏率的影響，分析了超聲波對稠油降黏的可能機理。并考察了在超聲作用下含水稠油與脫水稠油降黏率的關系，超聲波作用對稠油 C7瀝青質和甲苯不溶物的影響。確定了最優的反應條件，稠油經超聲反應4.5 h，溫度300 ℃，處理后50 ℃時降黏效果最佳，且C7瀝青質和甲苯不溶物含量均較低。

超聲波；稠油；降黏率；C7瀝青質；甲苯不溶物

由于稠油黏度高且具有大型聚合體結構，使其在開采和輸送等方面受到制約，直接影響稠油輸送的成本和效益[1,2]。降低稠油黏度，減少輸送成本以成為亟待解決的問題。隨著超聲波技術的快速發展，超聲波的物理化學效應受到廣泛關注[3]。其在石油產品中的作用成為人們研究的熱點。Mullakaev等[4]在超聲波作用下對各種不同原油的黏溫性能進行了研究，通過增加反應時間來增加超聲效率使黏度顯著降低。鐘偉華等[5]研究了減壓渣油的降黏實驗，實驗證明超聲波作用時間越長，輸出電壓越大，降黏率越高。Sun[6]和Gunal[7]等提出在超聲波的作用下重質油的黏度降低。張龍力等[8,9]運用超聲波對中東常壓渣油進行處理，使其膠體的穩定性得到改善，瀝青質的含量、結構均發生變化。Wang[10]課題組和Pawar等[11]也深入研究了超聲波對黏度的影響。本文主要研究超聲波處理遼河稠油黏度變化及其降黏機理，超聲波作用于液體介質中，具有空化作用、熱效應、機械振動及乳化等作用[12-14]。為油品反應提供著起重要作用的物理化學環境。

1 根據黏度定義分析超聲波降黏的機理

1.1 黏度定義

黏度可以衡量流體的黏滯性，是流動力在流體內部的一種摩擦現象。內摩擦力大，分子量越大，碳氫結合越多，黏度也就越大。當餾出溫度相同時，烷烴含量高的油品黏度低，黏度指數高，且黏溫性能良好；環烷烴、芳烴及膠質含量高的油品黏度高，黏溫性能差，黏度指數低；根據黏度的定義，要使油品黏度降低就要降低其內部摩擦力，減小分子量，減小碳氫結合，降低稠油中環烷烴、芳烴及膠質的含量，從而使黏度指數升高，使稠油黏度下降。

1.2 超聲波降黏機理

第一，超聲波的機械振動起到均化和攪拌的作用，使空化氣泡發生強烈振動并伴有輻射流和微沖流，削弱了液體表面的張力及摩擦力，使固液界面層被破壞，即機械振動很好的降低了稠油的液體表面摩擦力。而使黏度降低。第二，空化作用使稠油中的微小氣泡核發生崩潰，并在瞬間形成強烈的高溫高壓和局部的沖激波。使稠油中的瀝青及長鏈石蠟烴等大分子基團斷裂，同時破壞稠環芳烴穩定的盤狀芳環結構，使氫／碳的原子比增大，瀝青質和膠質分子的尺寸減小，環烷烴、芳烴的含量減少，分子量明顯降低，從而使稠油黏度減小。使稠油黏度降低。綜上所述超聲波降黏機理符合黏度定義中的降黏本質。在超聲波作用下，空化作用使得生成的烷烴、烯烴、環烷烴（或芳烴）等繼續發生裂解反應生成更小的分子基團，不發生縮合反應，故不是縮合成瀝青質進而生成焦炭。所以實驗中瀝青質的含量和甲苯不溶物均逐漸降低。

2 實驗部分

2.1 實驗原料及儀器

實驗原料為遼河稠油，其基本性質見表1。

表1 實驗原料的基本性質Table 1 Basic properties of the experimental raw materials

變幅桿式超聲波處理器，成都超聲波研究所；NDJ-79型旋轉式黏度計，上海平軒科學儀器有限公司；GSH-0.25型反應釜，上海巖征實驗儀器有限公司；電子稱，深圳安衡衡器電子有限公司；HH-4數顯恒溫水浴（油浴）鍋，常州澳華儀器有限公司；索氏抽提器，臺州市椒江玻璃儀器廠。實驗裝置如圖1所示。

圖1 超聲波反應實驗裝置示意圖Fig.1 Schematic diagram of the experimental apparatus of ultrasonic reaction

2.2 實驗條件及測定方法

實驗條件：取遼河稠油250 mL，超聲功率1 kW，反應溫度80～300 ℃，反應時間0～6 h等條件下進行遼河稠油超聲降黏實驗。

測定方法：超聲波對遼河稠油黏度作用效果可用降黏率 來表示，其計算公式為

其中：μ—遼河稠油經超聲處理后的黏度，mPa·s;

γ—降黏率，%；

μo—開始反應時稠油黏度，mPa·s。

3 實驗結果與討論

3.1 超聲時間對降黏效果的影響

變幅桿超聲波反應器的處理面積較小，超聲空化的累積作用隨反應時間的增加效果越好。研究超聲功率1 kW，反應溫度190 ℃時，超聲波作用0、2、4、6 h時油樣的50 ℃黏度，結果如圖2所示。

圖2 超聲波作用下稠油黏度隨時間的變化關系曲線Fig.2 Change of heavy oil viscosity reduction rate with time under ultrasonic treatment

由圖2可知，超聲反應溫度為190 ℃，超聲功率1 kW，50 ℃下處理后的原料隨超聲波作用時間的增加，降黏率先上升后保持平穩，超聲波的裂解降黏有一個恰當的處理時間，在達到此時間以前，隨著反應時間的增加稠油的降黏效果由比較顯著變為穩定狀態。超聲處理4.5 h左右具有最好的降黏效果，因為在開始反應階段隨反應時間的增加，稠油分子的碰撞次數增加，由于超聲波具有集聚作用，所以反應初期降黏率逐漸增加。當反應達到一定時間時，因為反應溫度一定，因此體系的裂化和縮合常數并不發生改變。所以降黏率趨于穩定狀態，表現為稠油降黏率不再增加。

3.2 超聲溫度對降黏效果的影響

稠油的黏度是溫度的函數，當超聲功率1 kW，超聲時間為2 h，經反應溫度分別為80、190、300 ℃處理后原料 50 ℃下的稠油的降黏率的變化曲線，結果如圖3所示。

圖3 超聲波處理稠油溫度與降黏率（50 ℃)的關系變化曲線Fig.3 Relationship between heavy oil temperature and viscosity reduction rate (50 )℃ under ultrasonic treatment

由圖3可知，原料經超聲波處理后，隨著反應溫度的增加稠油降黏率逐漸增加。由 0～300 ℃降黏率增加約40%，而在無超聲輻照下，原料380 ℃以前黏度變化較小，由此可見超聲波可以降低稠油黏度，其具有的機械混合、強化傳質及空化裂化作用在超聲波處理過程中具有主要作用。

3.3 超聲波作用下含水稠油與脫水稠油黏度的變化關系

超聲功率1 kW，超聲時間2 h，反應溫度為40、80、120、160 ℃，壓力1 MPa（保證水為液態且壓力對稠油黏度的影響不大），處理后含水稠油（含水量10%）和脫水原油在50 ℃下的降黏率變化，結果如圖4所示。

圖4 超聲波作用下含水稠油與脫水稠油的降黏率變化曲線Fig.4 Viscosity-reducing ratio variation curve ofwater-bearing and dehydrated heavy oil with the processing of ultrasonic

由圖4可知，超聲處理后原料在50 ℃時含水原油的降黏率遠高于脫水原油的降黏率。含水原油超聲作用下反應溫度有 20～160 ℃時降黏率增加了70%，而脫水稠油的降黏率只增加了20%。其原因是超聲波作用于含水稠油時，會形成自由基反應，重組分裂化為輕組分，使稠油的降黏率升高。在脫水稠油中，在反應初期溫度較低，空化裂化作用小，黏度變化小或基本不變。隨著反應的進行，空化裂化作用增加，因此黏率增加的會比較明顯。

3.4 超聲處理后稠油的C7瀝青質的含量變化

對超聲處理后的原料進行正庚烷抽提，測得C7瀝青質含量變化關系曲線，結果如圖5所示。

圖5 超聲處理后稠油的C7瀝青質的含量的變化關系曲線Fig.5 Relationship curve of the content of C7asphaltene in heavy oil after ultrasonic treatment

由圖5可知，C7瀝青質的含量隨著超聲波的作用時間增加而逐漸降低，超聲2 h之內C7瀝青質的含量下降的比較明顯，由 3.756%下降到 1.259%。由2 h到4 h下降的比較緩慢，由0.916%下降到0.132%。其降低原因是由于超聲波的物理效應使瀝青質的單元體間的締合結構受到破壞，進而瀝青質結構單元的締合數量減少，縮小了瀝青質和其他組分間的芳香性的差距，使稠油中瀝青質的含量降低。在一定程度上提高了稠油的品質。實驗結果符合Gunal等[15]關于超聲波使瀝青質含量降低的實驗。

3.5 超聲處理后稠油的甲苯不溶物含量的變化

對超聲波處理后的原料進行甲苯抽提，得到甲苯不溶物的含量變化曲線，結果如圖6所示。

圖6 超聲處理后稠油的甲苯不溶物含量的變化曲線Fig.6 Change curve of toluene insoluble content in heavy oil after ultrasonic treatment

由圖6可知，隨著超聲波作用時間的增加甲苯不容物的含量逐漸降低，在超聲波作用下，空化作用產生的高溫高壓和沖擊波使得生成的烷烴、烯烴、環烷烴（或芳烴）等繼續發生裂解反應生成更小的分子基團，不發生縮合反應，故不是縮合成瀝青質進而生成焦炭。所以甲苯不溶物均逐漸降低。

4 結 論

（1） 超聲反應4.5 h左右時稠油的降黏率最佳，反應溫度300 ℃降黏率高達40%。超聲處理后50 ℃時降黏效果最好。

（2）超聲波能降低稠油體系的黏度，降黏機理主要為機械振動作用和空化作用，機械振動作用降黏導致體系產生了物理變化，空化作用降黏使體系發生化學變化。

（3）超聲波作用降低稠油黏度對稠油的高效開發及煉制都具有重要意義，使稠油的開采和運輸成本得到極大的降低。

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Effect of Ultrasonic Treatment on the Viscosity of Heavy Oil From Liaohe Oilfield

LI Ying, ZHAO De-zhi, SONG Guan-long, HAO Ming-yang

(College of Petrochemical Engineering, Liaoning Shihua University, Liaoning Fushun 113001, China)

The experimental study on ultrasonic viscosity reduction of Liaohe heavy oil by using the variable spoke sound chemical reactor was carried out. The influence of ultrasonic reaction time and reaction temperature on the viscosity reduction rate of Liaohe heavy oil was investigated. The possible mechanism of ultrasonic on the viscosity reduction of heavy oil was analyzed. The relationship between the viscosities of water-bearing heavy oil and dehydrated heavy oil under the action of ultrasonic was investigated. The effect of ultrasonic wave on C7asphaltene and toluene insoluble substance was investigated. The optimum reaction conditions were determined as follows: the ultrasonic reaction time 4.5 h, the ultrasonic temperature 300 ℃. After treatment under above conditions, the viscosity reducing effect of heavy oil was the best at 50 ℃, and the content of C7and toluene was lower.

ultrasonic; heavy oil; viscosity reduction; C7asphaltene; toluene insoluble substance

TE 624

A

1671-0460（2016）12-2751-04

中海油重大科研攻關項目“渣油懸浮床加氫反應器設計開發及反應機理研究”，項目號：HLOOFW(P)2014-0005。

2016-09-06

李瑩（1991-）, 女, 遼寧鐵嶺人, 讀碩士研究生，從事超聲波在重質油加工方面研究。E-mail: 2631217272@qq.com。

趙德智（1959-），男，遼寧鞍山人，教授，從事重油加工工藝研究。E-mail: fszhaodezhi@163.com。