渤海高凝含蠟原油流變特性及降凝劑效果評價研究

*董長友 任志勇 曲日濤 張銅耀 張旭東

(中海油能源發展股份有限公司工程技術分公司 天津 300452)

渤海高凝含蠟原油流變特性及降凝劑效果評價研究

*董長友 任志勇 曲日濤 張銅耀 張旭東

(中海油能源發展股份有限公司工程技術分公司 天津 300452)

渤海油田原油具有含蠟、高凝固點的特性,為了保證海底管道原油運輸及停輸再啟動的安全性,渤海油田普遍采用加入降凝劑,降低含蠟原油凝固點,改變其低溫流動性.本文主要采用流變學實驗測試與分析方法,通過實驗評價含蠟原油流變特性,降凝劑對含蠟原油屈服值、測試溫度、剪切速率的影響,降凝劑劑量對不同含蠟原油流變曲線的影響,熱處理溫度和降溫速率對含蠟原油粘溫曲線的影響.

含蠟原油;凝固點;流變性;靜屈服值;降凝劑

含蠟原油是一種組成及其復雜的混合物,其流動性與原油組成(膠質、瀝青質、蠟)有關,也與原油經歷的熱歷史和剪切歷史有關.熱歷史和剪切歷史是通過影響蠟晶的形態和結構來影響含蠟原油的流變性,導致管道輸送存在諸多困難.改進低溫輸油加入降凝劑來改變蠟晶形態和結構的機理大致有3種:晶核作用、吸附作用、共晶作用.含蠟原油在管道內流動過程中,隨著溫度降低,油品中的蠟將會析出并沉積在管壁上.海底管道輸送的前提是保證管道停輸后能夠安全再啟動.這是因為,原油粘度直接影響到輸油管道設計、輸油能耗及輸油效率,而靜屈服值決定了管道停輸后再啟動的能力.渤海油田原油物性相差甚大,由于凝點高、含蠟高,通過海底管道輸送時,由于環境溫度低,管壁溫度低于管內油溫和原油析蠟點,導致過飽和結晶析出的蠟與原油中其他組份一道沉積在管壁上,使得管路通過能力降低,輸油成本增加,不利于管道的安全運行.因此,對原油的低溫流動性進行了研究,以流變曲線、粘溫曲線和屈服應力來評價其流動性.

1.含蠟原油性質

表1 原油樣品物性數據

本文對渤海油田原油的基本性質進行了實驗分析,見表1.結果說明,原油樣品具有低密度、低粘度、低含硫、高含蠟和高凝點的quot;三低兩高quot;特征.給海底管道輸送帶來一定的困難.

2.含蠟原油流變特性研究

(1)加劑前后對含蠟原油屈服值的影響

圖1 20℃屈服值測定曲線

圖2 26℃屈服值測定曲線

渤海油田含蠟原油加劑前實驗條件及結果見表2、圖1、圖2.溫度是影響屈服值的主要因素.隨著溫度升高,屈服值逐漸減少,達到屈服值的時間也是最少的.說明屈服值與溫度呈現很好的指數關系,即隨著溫度的升高,含蠟原油的結構強度逐漸降低,一旦停輸后再啟動,在較高溫度下,需要較少的泵壓即可恢復流動.

測定溫度/℃屈服值/Pa 4 46 46 0.2 0.5 30 1032 10 46 46 0.2 0.5 30 813.6預熱溫度/℃裝樣溫度/℃剪切率/S-1降溫速率/(℃.min-1)測溫下恒溫時間/min

表2 含蠟原油屈服值測試條件及結果

加入不同量的降凝劑及在不同溫度下如表3,屈服值在溫度低于10℃時,為一恒定值,原油中蠟晶所形成的結構強度大,不易破壞.但屈服值和粘度均有不同程度的增大.經試驗和研究發現,在含蠟原油冷卻重結晶的過程中,若降凝劑的長鏈烴與蠟的正構烷烴的鏈相近,則降凝劑比原油中的蠟略早或同時析出,起到晶核或共晶的作用.同時降凝劑中的極性基團阻礙蠟晶的進一步積聚,使晶核的大小、形狀和聚集程度發生變化,延緩蠟晶網絡結構的形成,從而降低含蠟原油的凝點和粘度,改善原油的低溫流動性,獲得較好的降凝、降粘效果.總之,加入降凝劑后,可以大幅度降低含蠟原油的靜屈服值,可以有效解決其停輸后再啟動困難的問題,確保海底管道的安全性.

表3 加入降凝劑含蠟原油屈服值測試結果

(2)測試條件及加劑前后對流變曲線的影響

圖3 10℃流變曲線

圖4 20℃流變曲線

繪制幾種含蠟原油加劑前后在不同溫度下的剪切應力與剪切速率的關系曲線.加劑前如圖3、圖4、圖5.測試結果非常好的顯示了在10℃、20℃和26℃溫度下對渤海油田含蠟原油實施剪切條件下克服原油內部結構強度而產生流動所需要的力.溫度低于10℃,由于蠟晶交結致密,結構強度大,在測試時,造成曲線異常.但隨著剪切速率的增加,剪切力急劇增加,一旦原油發生流動后,隨著結構強度的破壞,原油粘度急劇下降,然后發生了蠟晶的瞬時裂解,之后是緩慢裂解,在裂解和結合達到平衡后,出現一個流變曲線上剪切力的最低值.然后隨剪切速率的增加,剪切力是逐漸增加的.這一過程中影響剪切力的主要因素是液間層面上的剪切阻力增加,液體表現為賓漢塑性流體.隨著溫度升高,原油的剪切阻力是降低的,其粘度也是降低的.

加入降凝劑后,如圖6、圖7、圖8.關系圖說明,在相同溫度下,隨著加劑量的增加,原油流變曲線發生一定量的改變,最大剪切力變化不太明顯.但是隨著剪切速率的增加,剪切力有較大幅度的增加.在加入相同量的降凝劑時,隨著溫度升高,最大剪切力明顯降低,粘度也隨之降低.但溫度低于10℃時,如圖9,無論加入何種量的降凝劑,它對原油的流動性失去了作用.

圖5 26℃流變曲線

圖6 含300ppm降凝劑原油20℃流變曲線

圖7 含300ppm降凝劑原油26℃流變曲線

圖8 含350ppm降凝劑原油26℃流變曲線

圖9 含350ppm降凝劑原油10℃流變曲線

圖10 不同濃度降凝劑粘溫 流變特征曲線

(3)實驗條件對粘溫特性的影響

繪制加劑前及加入不同量的降凝劑后,在不同溫度下含蠟原油粘溫曲線,如圖10.在不同剪切速率下,其粘度均隨溫度的降低而增加,且增大幅度越來越大.在低溫區域(15-35℃),由于蠟在原油中的溶解度降低,含蠟原油呈過飽和溶液,高分子蠟晶析出,逐漸形成雙向體系,原油為連續相,蠟晶為分散相,這時原油隨溫度的降低表現出牛頓假塑性流體.流動性差,且在同一溫度下,隨著剪切速率的增大,粘度降低.加入降凝劑后的含蠟原油在同一溫度下,粘度差距較大,且隨著溫度降低不斷擴大.相對而言,加劑后的原油粘溫曲線比較平緩,非牛頓流體的傾向較加劑前弱.粘度總體上有一定程度的升高,粘溫特性有所改善.從而有效解決其停輸后再啟動困難的問題,確保海底管道安全.在高溫段(35-80℃),加劑前后含蠟原油粘溫曲線幾乎為直線,即基本重合.加入降凝劑的作用效果不明顯,說明含蠟原油為牛頓流體,對其降凝劑不敏感,流動性好.

3.結論

(1)渤海油田含蠟原油具有quot;三低兩高quot;的特點,屈服值與溫度呈現很好的指數關系,即隨著溫度升高,原油的屈服值是逐漸降低的.加入降凝劑后,其屈服值明顯降低,可以有效地防止停輸后再啟動過程中發生凝管現象,從而使含蠟原油在低溫下安全輸送.

(2)處于低溫非牛頓流體的含蠟原油,其流變曲線不僅與測試時間、降溫速率有關,也與剪切速率的大小有關.加入降凝劑后改善了低溫流動性,改變了原油中蠟的發育過程.

(3)高凝、高蠟原油在高溫區域,熱處理溫度,降溫方式,降溫速率等測試條件對其粘溫特性影響不明顯.在加入降凝劑的情況下,使含蠟原油在低溫段的非牛頓流體趨勢減弱.當含蠟原油處于非牛頓流體流態時,降凝劑效果顯著.

(4)渤海油田高凝、高蠟原油流變參數強烈地依賴于測試條件并對降凝劑表現出良好的感受性.因此,在海底管道輸送時,采用添加降凝劑的方式,可以確保安全及可靠性,降低了輸送能耗.

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董長友(1962-),男,中海油能源發展股份有限公司工程技術分公司;研究方向:油氣田勘探開發實驗研究.

The Study of Rheological Properties of The Crude Oil with High Pour Point and Evaluate of the Effects of Reducing Agent in Bohai Oilfield

Dong Changyou, Ren Zhiyong, Qu Ritao, Zhang Tongyao, Zhang Xudong
(CNOOC Energy Development Limited By Share Ltd Engineering Branch, Tianjin, 300452)

Crude oil in Bohai oilfield with wax and high freezing point, in order to ensure the safety of crude oil transportation in submarine pipeline and the submarine pipeline's shutdown and restart, it is widely used to add pour point agent to reduce the freezing point of waxy crude oil,and to change its fluidity under low temperature in Bohai oilfield. In this paper, the way of rheological experiment test and analysis are mainly used,through experimental evaluation, rheological properties of waxy crude oil, the yield value of the reducing agent to waxy crude oil, testing temperature and the effects of shear rate can be achieved, in addition, this paper can also achieve the effects that the contents of the reducing agent having on the rheological curves of the crude oil which have different wax content and the effects heat treating temperature and cooling rate having on the viscosity and temperature curve of the waxy crude oil.

waxy crude oil;freezing point;rheological property;static yield stress;pour point depressant

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