沥青质对稠油黏度的影响

文 萍，张 庆，李 传，邓文安

(中国石油大学(华东)化学工程学院，山东 青岛 266555)

沥青质对稠油黏度的影响

文 萍，张 庆，李 传，邓文安

(中国石油大学(华东)化学工程学院，山东 青岛 266555)

选用新疆地区的6种高黏稠油为主要研究对象，测定各稠油的性质并配制不同沥青质含量的同源调合稠油、异源调合稠油，利用黏度法考察沥青质含量对稠油黏度的影响。结果表明：无论是同源调合稠油还是异源调合稠油，随着沥青质添加量的增加，稠油黏度均呈增大的趋势，且在沥青质添加量达到一定值时黏度出现突变；相同温度、相同沥青质含量下，四氢呋喃处理过的稠油黏度比甲苯处理过的稠油黏度要大，且增加幅度较甲苯处理过的要大。

稠油 黏度 沥青质 同源 异源

随着经济的发展，石油消耗量逐年增加，而轻质原油可采量逐年减少，这使得稠油开发变得十分必要[1]。同时随着稠油开采技术的不断发展与提高，全球稠油的开采量也不断提高。稠油是一类杂原子含量高、沸点高、相对分子质量较大的复杂混合物[2-4]，具有密度高、黏度大、胶质沥青质含量高等特点，严重制约着稠油的开采、集输及加工利用。因此，降低稠油黏度、改善其流动性是解决这些问题的关键。国内外学者在稠油降黏技术的研究上做了大量工作。由于开采及加工的需要，人们对稠油的研究主要集中在流变性模型的构建以及添加剂对稠油黏度的改善方面，对稠油本身的化学组成结构与黏度关系的研究还没有统一的定论。基于假说和模型的关于常规组分含量对黏度影响[5-6]的研究结果表明，胶质和沥青质含量是影响稠油黏度的主要因素[7]。前期实验[8-11]考察了稠油沥青质的基本化学组成结构与结构参数，本课题选用新疆地区的6种高黏稠油为主要研究对象，测定各稠油的性质，并配制不同沥青质含量的同源调合稠油、异源调合稠油，利用黏度法考察沥青质含量对稠油黏度的影响。

1 实 验

1.1 稠油的基本性质

实验选用6种新疆地区高黏稠油，编号分别为Z32、Z18、208P、103P、风城一站、LG15-9C，6种稠油的主要性质见表1。由表1可见：稠油中轻质馏分少，胶质、沥青质含量较高，且随着胶质、沥青质含量的增加，稠油的密度、黏度也相应增加；6种稠油黏度大小的顺序与沥青质含量、残炭以及稠油数均相对分子质量的顺序基本一致，说明沥青质含量与黏度有一定的相关性。

1.2 四组分分离[12]

先将稠油用正庚烷沉淀，分离出庚烷沥青质(C7沥青质)和C7可溶质，然后将C7可溶质在中性Al2O3色谱柱上进行四组分分离，得到C7饱和分、C7芳香分、C7胶质。

1.3 稠油正戊烷沥青质及可溶质的分离[13]

将稠油用正戊烷沉淀，分离出戊烷沥青质(C5沥青质)和C5可溶质。

1.4 同源调合稠油的配制

同源调合稠油是指同一油样的沥青质与可溶质按不同比例调合后的稠油。

1.4.1 甲苯体系 在稠油的C5可溶质中，分别加入质量分数0，2.0%，4.0%，6.0%，8.0%，10.0%，12.0%各自稠油的C7沥青质，用甲苯加热回流溶解后，将溶剂蒸干，真空干燥，得到甲苯体系下的同源调合稠油。

表1 6种稠油的主要性质

1.4.2 四氢呋喃体系 按1.4.1节方法，用极性相对较大的四氢呋喃溶剂代替甲苯溶剂，得到四氢呋喃体系下的同源调合稠油。

1.5 异源调合稠油的配制

实验在甲苯体系下完成，具体操作过程与同源调合稠油的配制过程基本一致，不同的是将其中的同源沥青质换成结构性质差距较大的异源沥青质。

1.5.1 Z32 以Z32可溶质为母体，分别添加LG15-9C沥青质、Z32沥青质和208P沥青质，配制成沥青质质量分数分别为6%，8%，10%，12%的异源调合稠油，记为：A系列(Z32可溶质+LG15-9C沥青质)；B系列(Z32可溶质+Z32沥青质)；C系列(Z32可溶质+208P沥青质)。

1.5.2 208P 以208P可溶质为母体，分别添加LG15-9C沥青质、Z32沥青质和208P沥青质，配制成沥青质质量分数分别为2%， 4%，6%，8%，10%的异源调合稠油，记为：D系列(208P可溶质+LG15-9C沥青质)；E系列(208P可溶质+Z32沥青质)；F系列(208P可溶质+208P沥青质)。

1.5.3 103P 以103P可溶质为母体，添加LG15-9C沥青质、208P沥青质和103P沥青质，配制成沥青质质量分数分别为2%，4%，6%，8%，10%的调合稠油，记为：G系列(103P可溶质+LG15-9C沥青质)；H系列(103P可溶质+208P沥青质)；I系列(103P可溶质+103P沥青质)。1.5.4 Z18 以Z18可溶质为母体，添加103P沥青质、208P沥青质和Z18沥青质，配制成沥青质质量分数分别为 4%，6%，8%，10%的调合稠油，记为L系列(Z18可溶质+103P沥青质)；J系列(Z18可溶质+208P沥青质)；K系列(Z18可溶质+ Z18沥青质)。

1.6 调合稠油黏度的测定

利用旋转黏度计测定不同温度下的同源、异源调合稠油的黏度，绘制黏温曲线。

2 结果与讨论

2.1 沥青质对同源调合稠油黏度的影响

2.1.1 甲苯体系 在甲苯体系下，Z32、Z18、208P、103P、风城一站同源调合稠油在50～80 ℃以及LG15-9C在较高温度(90 ℃)下的黏度见图1。从图1可以看出：前5种稠油，在相同温度下沥青质含量低时各同源调合稠油黏度较小；沥青质含量相同时，低温下稠油黏度比高温时要大；随着沥青质含量的增加，各温度下稠油黏度均呈增大的趋势；沥青质含量相同时，各同源调合稠油高温下黏度增加缓慢，说明沥青质含量是影响体系黏度的重要因素。产生以上现象的原因可能是胶质中极性杂原子能够起到沥青质胶溶剂的作用[14]，天然胶质可作胶溶剂，对沥青质起到“稀释”作用，并且沥青质被胶溶化后也产生一定的解缔作用从而表现出黏度较小。低温下布朗运动不剧烈，网状结构紧密，而高温则对沥青质缔合体具有一定的解缔作用，使黏度变小。稠油是一个胶体体系，胶体体系中胶质是抑制沥青质聚沉的关键，当沥青质含量相对较高而胶质不足以包裹沥青质时，对沥青质的稳定作用不足，体系的稳定性遭到破坏，导致沥青质的大量聚沉，宏观表现为稠油黏度的骤然增加；另外，稠油沥青质中所含的硫、氮、氧杂原子是氢键、电荷转移、偶极等非共价键作用的主要来源，在这几种相互作用下，沥青质分子产生很强的内聚力，容易发生缔合聚集，使沥青质分子聚集成层状堆积状态，当稠油分子间发生相对位移时可以产生较大的内摩擦力，使得稠油产生高黏度。因为黏度反映的是流体内部分子之间的摩擦力，沥青质含量的增加增大了流体内部分子之间的摩擦力，从而使黏度增大。从图1还可以看出，在较高温度(90 ℃)时，LG15-9C沥青质质量分数为30%处出现非常明显的突跃点，主要原因是当添加沥青质的量超过其原油自身所含沥青质的量时，胶质含量相对减少，沥青质含量偏高，它与胶质的比例发生了变化，胶质可以抑制沥青质纳米聚集体的形成，促进沥青质分散稳定，但此时胶质比例减小破坏了体系的稳定性，进而使黏度骤然增加。

图1 甲苯体系下沥青质添加量对同源调合稠油黏度的影响■—50 ℃； ●—60 ℃； ▲—70 ℃； —80 ℃； ◆—90 ℃

2.1.2 四氢呋喃体系 在四氢呋喃体系下，Z32、Z18、208P、103P、风城一站同源调合稠油在50～70 ℃以及LG15-9C在较高温度(90 ℃)下的黏度见图2。从图2可以看出：前5种稠油，随沥青质含量的增加，同源调合稠油的黏度也在不断增大，且对温度也有较强的敏感性，当沥青质质量分数小于8%时，调合稠油黏度增加缓慢，沥青质质量分数大于8%时，稠油黏度急剧增大，出现突跃点。从图2还可以看出，LG15-9C调合稠油的黏度在沥青质质量分数为30%处出现突跃。温度升高时稠油黏度降低，且低温下随沥青质含量的增加稠油黏度增长的幅度较大，说明低温、沥青质含量高时黏度对温度最敏感。

从图1和图2对比可以看出，在相同温度、相同沥青质含量的条件下，四氢呋喃处理过的稠油黏度比甲苯处理过的稠油黏度要大。出现上述现象的原因可能是因为沥青质是稠油四组分中相对分子质量最大、极性最强的组分，其富集的杂原子导致沥青质内部存在氢键、电荷转移、偶极等非共价键作用。甲苯是极性溶剂，改变沥青质的极性导致黏度增大，四氢呋喃溶剂的极性比甲苯的大，且存在O原子容易与沥青质形成氢键，从而增加沥青质间的相互作用。四氢呋喃溶剂溶解沥青质后又将其蒸干除去，这一过程较甲苯处理时可能改变了沥青质的分布状态，在完全除去溶剂后沥青质的非共价键作用特别是氢键作用的改变导致沥青质容易富集、聚沉，从而使稠油黏度增加，且增加幅度较甲苯(不含杂原子的极性溶剂)处理过的大。这主要与沥青质的缔合性相关，而沥青质的缔合性又与胶质、沥青质在数量、组成结构性质的相容匹配性有关，同时也与其分子中所含杂原子的数目及形态有关[15]。

图2 四氢呋喃体系下沥青质添加量对同源调合稠油黏度的影响■—50 ℃； ●—60 ℃； ▲—70 ℃； ◆—90 ℃

2.2 沥青质对异源调合稠油黏度的影响

2.2.1 Z32异源调合稠油 在50 ℃下，沥青质添加量对Z32异源调合稠油黏度的影响见图3。从图3可以看出，随着沥青质含量的增大，A，B，C系列异源调合稠油的黏度均增大，且在沥青质质量分数为8%处出现突变，但增加的幅度各有差别，温度及沥青质含量相同时，调合稠油黏度由大到小的顺序为A系列>B系列>C系列。

图3 沥青质添加量对Z32异源调合稠油黏度的影响▲—A系列； ■—B系列； ●—C系列

2.2.2 208P异源调合稠油 在50 ℃下，沥青质添加量对208P异源调合稠油黏度的影响见图4。从图4可以看出，随着沥青质含量的增大，D，E，F系列异源调合稠油的黏度均增大，且在沥青质质量分数为6%处出现突变，温度及沥青质含量相同时，调合稠油黏度由大到小的顺序为D系列>E系列>F系列。

图4 沥青质添加量对208P异源调合稠油黏度的影响▲—D系列； ●—E系列； ■—F系列

2.2.3 103P异源调合稠油 在50 ℃下，沥青质添加量对103P异源调合稠油黏度的影响见图5。从图5可以看出，随着沥青质含量的增大，调合稠油的黏度均在沥青质质量分数为8%处发生突跃。可见当沥青质含量在一定范围(原油自身沥青质含量)内，一定量的胶质可以较好地胶溶化定量的沥青质，稳定性较好，黏度随不同来源沥青质含量的增加均缓慢增大，沥青质的量对黏度的影响占据主导地位；另一方面，当沥青质的量超过一定值，胶质不足以包裹沥青质后黏度会发生突变，但从异源调合稠油黏度突变后不同的增长趋势可以看出，此时沥青质的结构与缔合性对稠油黏度的影响占主导地位。总之，稠油的宏观黏度是以上几个方面综合作用的结果。

图5 沥青质添加量对103P异源调合稠油黏度的影响■—G系列； ●—L系列； ▲—H系列

2.2.4 Z18异源调合稠油 在50 ℃下，测定以Z18可溶质为母体的异源调合稠油的黏度，结果见图6。从图6可以看出，在沥青质质量分数小于8%时，随异源沥青质加入量的增多，黏度增长趋势没有太大差别，但当沥青质质量分数大于8%时，黏度发生突变，并且其增长幅度也发生变化，Z18调合稠油黏度与103P稠油沥青质所配异源调合稠油黏度差距较小，而与208P稠油沥青质所配异源调合稠油黏度差距较大。

图6 沥青质添加量对Z18异源调合稠油黏度的影响■—L系列； ●—K系列； ▲—J系列

3 结 论

(1) 随着沥青质含量的增加，不同温度下同源调合稠油黏度均呈增大的趋势；温度高时，黏度增幅减小。沥青质含量较低时，随着沥青质含量增加黏度增加缓慢，对温度变化也不敏感，近似成线性关系；当沥青质含量较高时，曲线开始偏离线性关系，增加幅度变大，黏度对温度变化也较为敏感；沥青质含量达到一定值后，黏度会出现突变点。

(2) 相同温度、相同沥青质含量下，四氢呋喃处理过的稠油黏度比甲苯处理过的稠油黏度要大。且增加幅度较甲苯处理过的要大。可能是用四氢呋喃配制调合稠油时改变了沥青质的分布状态，在完全除去溶剂后沥青质的非共价键作用特别是氢键作用的增强导致沥青质容易富集、聚沉，从而使稠油黏度增加，且增加幅度较甲苯(不含杂原子的极性溶剂)处理过的大。

(3) 随着沥青质添加量的增大，各异源调合稠油黏度均增大，且在沥青质含量达到一定值时出现突变，突变点与同源调合稠油黏度突变点基本一致，但异源调合稠油黏度增加的幅度各有差别。说明当沥青质含量在一定范围(原油自身沥青质含量)内，沥青质的量对黏度的影响占据主导地位。

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EFFECT OF ASPHALTENE ON VISCOSITY OF VISCOUS OILS

Wen Ping， Zhang Qing， Li Chuan， Deng Wen’an

(CollegeofChemicalEngineering，UniversityofPetroleum(EastChina)，Qingdao，Shandong266555)

Six kinds of Xinjiang heavy oils were used as the main research objects. The basic compositions and properties of the heavy oils were determined. The homologous and heterologous blended heavy oils were prepared with different contents of asphaltenes to study the influence of content of asphaltene on viscosity of blended heavy oils by viscosity method. The results show that the viscosity of both of homologous and heterologous heavy oils increases as asphaltene content increases； the viscosity increases sharply when the asphaltene content reaches a certain value. At the same temperature and asphaltene content， the viscosity of heavy oil treated by tetrahydrofuran is higher than that by methylbenzene. The extent of viscosity increase of the oils treated by tetrahydrofuran is larger than that by methylbenzene.

viscous oil； viscosity； asphaltene； homology； heterology

2015-12-08； 修改稿收到日期： 2016-03-10。

文萍，硕士，高级工程师，主要从事应用化学与油田化学的实验教学及重油化学组成与结构、劣质重油轻质化等方面的研究工作，发表论文30余篇。

文萍，E-mail：wenping@upc.edu.cn。

国家自然科学基金青年基金项目(21106186)。