稠油粘温特性及流变特性分析

朱 静, 李传宪, 辛培刚

(1.中国石油大学(华东)储运与建筑工程学院,山东青岛266555; 2.海洋石油工程(青岛)有限公司,山东青岛266555)

稠油粘温特性及流变特性分析

朱 静1, 李传宪1, 辛培刚2

(1.中国石油大学(华东)储运与建筑工程学院,山东青岛266555; 2.海洋石油工程(青岛)有限公司,山东青岛266555)

采用RS75旋转粘度计对稠油的粘温特性及流变特性进行了测量及研究。结果表明,稠油的粘温特性在测量区间内(80～20℃)较好地符合Arrhenius方程;温度越低,稠油粘度对温度变化越敏感;不同温度区间稠油的活化能不同,低温区间(36.5～20.3℃)内的活化能比高温区间(80.0～55.9℃)内的活化能增长了45%;反常点温度为35℃,当温度高于35℃时,稠油表现为牛顿流体,温度低于35℃时,稠油表现为非牛顿流体;在非牛顿流体区,稠油不具有触变性。

稠油; 粘温特性; Arrhenius方程; 活化能; 流变性

稠油是指在地层条件下粘度大于50 m Pa·s的原油。稠油的主要特征是相对密度大、粘度高、流动性差,常表现为非牛顿特性,渗流特征也不符合达西定律,这些性质是由稠油的组分特点及其内部微观结构决定的。

稠油的组分特点为含有大量的胶质、沥青质。对于稠油的族组成研究,目前最广泛采用的是四组分分离法,四组分即饱和分、芳香分、胶质、沥青质,也称为SARA法[1]。稠油本身是一种多分散的胶体体系,有关石油胶质结构的研究已有许多报道,以目前广泛采用的SARA四组分来表示,其中分散相由沥青质(胶束中心)和其表面或内部吸附的部分可溶质构成,分散介质均由余下的可溶质构成,分散介质亦称胶束间相[2-4]。实际系统中并不存在截然变化的相界面,而是沿胶束核心向外,其芳香度和分子极性连续递减至最小,呈现梯度变化特征[5]。

沥青质胶束在体系各种力作用下通过自缔合作用,可形成不同层次的超分子结构,使稠油成为一种多分散的胶体体系;稠油体系中的这些超分子结构并不是紧密堆积的,低层次的结构在某种分子间力作用下可发生相互连接、聚集,进一步形成松散的较高层次的超分子结构,在此过程中把大量的液态油包裹其中;另外,在超分子结构的周围会吸附一些芳香性较低的轻质组分,称为溶剂化层,溶剂化层的存在可增大分散相的体积,使沥青质胶粒具有较大的空间延展度,这些因素都可造成稠油的高粘性。

稠油体系内微观结构的复杂性在宏观上表现为粘温特性及流变特性的复杂性[6-8]。本文利用RS75旋转粘度计等测量了塔河普通稠油的粘温特性及流变特性,分析了不同温度区间稠油的活化能,从微观角度对测量数据进行了深入系统的分析。

1 实验部分

1.1 实验原料

实验所用的油样来自新疆塔河油田,塔河油田外输稠油的物性参数见表1。

表1 稠油的物性参数Table 1 Physical property of heavy oil

1.2 实验仪器

德国哈克公司生产的RS75旋转粘度计、恒温水浴等。

2 结果与讨论

2.1 稠油的粘温特性

将塔河稠油加热到80℃,恒温60 min,然后以0.5℃/min的速度连续降温,在剪切速率为5 s-1的条件下,用RS75旋转粘度计测量其不同温度下的粘度值,结果如图1所示。

Fig.1 The curve of viscosity-temperature characteristics for heavy oil图1 稠油粘温曲线

由图1可知,当温度高于50℃时,粘度随温度的变化比较平缓;但当温度低于50℃时,随温度降低,粘度迅速增加,且温度越低,粘度的变化越剧烈。

对塔河稠油样品的粘温关系进行回归分析,回归方程能较好地符合Arrhenius方程,这与有关文献[9-10]的报道是一致的。粘度计算式见式(1)。

式中:η—粘度,m Pa·s;

A—常数;

R—普适气体常数;

T—热力学温度,K;

ΔE—活化能,J/mol;

B=ΔE/R—常数。

对图1的曲线进行回归,得到方程为:

对方程(1)求导可得:

dη/dT的绝对值大小反映了粘度随温度的变化速率,上式中Bη正比于粘温曲线上某温度点的斜率,其物理意义反映了某温度点附近,当原油温度上升或下降时原油粘度下降或上升的速率,此值越大表明粘度对温度越敏感。根据(3)式可计算出各测量温度下dη/dT的数值,结果见图2。

Fig.2 The curve of relationship between dη/d T and temperature for heavy oil图2 稠油随温度变化曲线

由图2可见,温度越低,原油粘度越大,dη/dT的数值越大,即温度越低,稠油粘度对温度变化越敏感。

对Arrhenius方程两边取对数得:

即lnη～(1/T)呈直线关系。把塔河稠油的粘温曲线转化为lnη～(1/T)曲线,结果如图3所示。

从图3中可看出,该曲线并不是一条严格意义上的直线,而是随1/T的增大,即温度的降低,lnη逐渐向上偏离,这说明在塔河稠油的温降过程中,稠油内部粒子间的作用力不仅仅是范德华力在起作用,而且稠油内部的微观结构也发生了变化,从而导致稠油粘度随温度降低而急剧升高。该曲线上并没有明显的转折点,随1/T增大,曲线平滑地向上弯曲,说明在温降过程中稠油的内部微观结构逐渐发生变化,而不存在明显的相转化点。

Fig.3 The curve of relationship between logarithm of viscosity and reciprocal of temperature for heavy oil图3 稠油粘度对数与温度倒数的关系曲线

根据曲线上lnη随1/T的变化趋势,大概把1/T分为3个区间,并在每个区间内依照(4)式对lnη～(1/T)进行回归,回归结果如表2所示。

表2 不同温度区间内粘度对数与温度倒数的关系式Table 2 The relation between logarithm of viscosity and reciprocal of temperature

从表2中可看出,在每一个温度区间内,lnη～(1/T)均能用方程(4)进行很好的回归,相关度都大于0.999 5,说明曲线在每一个温区内均能很好地符合Arrhenius方程。ΔE/R可用来表示活化能的相对大小。活化能指流体开始流动前在微粒旁形成足够大的空穴以供该微粒移动所必须克服的能垒,是流体微粒间内摩擦力大小的量度,它取决于流体微粒的极性、分子质量大小及粒子的构型。对于分子不发生缔合的一定物系来讲,活化能为一定值。分子愈大,它们之间的相互作用力就越大,流动所需的能量也愈大,因此粘度也就越大。此外,分子间的氢键等也会使液体的粘度增大[11]。

从表2中还可以看出,不同温度区间稠油的活化能不同,在较高温度区间稠油的活化能小于较低温度区间的活化能,在低温段(36.5～20.3℃)内的活化能比高温段(80.0～55.9℃)内的活化能增长了45%。分析可知引起低温段活化能增大的原因有以下几点:①在温度降低过程中,质点的热运动程度减弱,胶质在稠油中的溶解度减小,使得胶质分子不断从原油中析出,从而在沥青质粒子表面发生吸附和聚集,形成具有一定厚度的溶剂化层。原油温度越低,这种吸附作用越明显,溶剂化层也就越厚。温降过程中沥青质聚集体吸附一定厚度的溶剂化层,使得胶体粒子的体积不断增大,它们之间的相互作用力也就越大。②低温下,随胶体-沥青质聚集体体积的增大,粒子之间的距离减小,相邻的粒子之间可能通过氢键作用相连形成一定的空间网络结构,并把大量的液态油包裹在其中。③稠油中所含的少量石蜡在低温下结晶析出,并且在析出过程中和胶质、沥青质共同作用,使稠油在低温下具有一定的结构强度。这都会造成低温下稠油粘度的急剧增大,这也是低温下曲线上lnη向上偏离较大的原因。

如果把t=20℃带入高温区段(80～50℃)的lnη～(1/T)关系式lnη=-20.1+6 154.1/T中,计算得到η20=2 442 m Pa·s,比实际测量的20℃的粘度5 010 m Pa·s降低了51%。也就是说,如果采用一定的方法,有效阻止温降过程中液相中的胶质-沥青质分子的进一步析出聚集,改善低温下蜡晶的结晶性能,就可以达到大幅度降低稠油粘度的目的,比如添加油溶性降粘剂。

2.2 稠油的流变特性

虽然在高温下稠油也具有较大的粘度,但稠油在很大一段温区内仍表现为牛顿流体,实验测得塔河稠油的反常点为35℃。当温度高于35℃时,稠油表现为牛顿流体,说明此温度区间稠油还是一种稀分散的胶体体系。当温度低于35℃时,稠油表现为非牛顿流体,说明低温下稠油中超分子结构形成的胶体体系进一步增强,且低温下蜡晶的析出也参与进来,体系中已存在具有一定尺寸的颗粒聚集体,当受到剪切时发生定向、剪切分散等作用,从而使稠油具有剪切变稀的非牛顿特性。但在测量温度范围内(80～20℃)稠油不具有触变性,说明其结构较弱,并没有形成很强的结构体系。

当温度低于35℃时,测得稠油35,30,25,20℃的流变曲线如图4所示。由图4可知,在直角坐标系中,各流变曲线呈直线,流变模式遵从宾汉姆流型模式。

Fig.4 The curve of rheology behavior for heavy oil in low temperature图4 低温下稠油的流变曲线

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(Ed.:SGL,Z)

Analysis of Viscosity-Temperature Characteristics and Rheology Behavio r for Heavy Oil

ZHU Jing1,L IChuan-xian1,X IN Pei-gang2
(1.College of Storage-Transportation and Construction,China University of Petroleum,Qingdao Shandong266555,P.R.China;2.Offshore Oil Engineering(Qingdao)Co.,L td.,Qingdao Shandong266555,P.R.China)

Viscosity-temperature characteristics and rheology behavio r for heavy oil were measured and researched by using RS75 rotary viscosimeter.The results show that viscosity-temperature characteristics are acco rding with Arrhenius equation in temperature interval(80～20℃),viscosity is mo re sensitive to temperature changes in lower temperature,the activation energy rises40%in lower temperature interval(36.5～20.3℃)mo re than in higher temperature interval(80.0～55.9℃),and heavy oil is New tonian fluid above anomalistic point(35℃),non-new tonian fluid and without thixotropic property below anomalistic point.

Heavy oil;Viscosity-temperature characteristics;Arrhenius equation;Activation energy;Rheology behavior Corresponding author.Tel.:+86-13864861931;e-mail:angel_zhujing@163.com

TE266.5

A

10.3696/j.issn.1006-396X.2011.02.017

2010-12-29

朱静(1978-),女,山东单县,讲师,硕士。

1006-396X(2011)02-0066-03

Received29December2010;revised4M arch2011;accep ted14M arch2011