渤海高凝含蜡原油流变特性及降凝剂效果评价研究

*董长友 任志勇 曲日涛 张铜耀 张旭东

(中海油能源发展股份有限公司工程技术分公司 天津 300452)

渤海高凝含蜡原油流变特性及降凝剂效果评价研究

*董长友 任志勇 曲日涛 张铜耀 张旭东

(中海油能源发展股份有限公司工程技术分公司 天津 300452)

渤海油田原油具有含蜡、高凝固点的特性,为了保证海底管道原油运输及停输再启动的安全性,渤海油田普遍采用加入降凝剂,降低含蜡原油凝固点,改变其低温流动性.本文主要采用流变学实验测试与分析方法,通过实验评价含蜡原油流变特性,降凝剂对含蜡原油屈服值、测试温度、剪切速率的影响,降凝剂剂量对不同含蜡原油流变曲线的影响,热处理温度和降温速率对含蜡原油粘温曲线的影响.

含蜡原油;凝固点;流变性;静屈服值;降凝剂

含蜡原油是一种组成及其复杂的混合物,其流动性与原油组成(胶质、沥青质、蜡)有关,也与原油经历的热历史和剪切历史有关.热历史和剪切历史是通过影响蜡晶的形态和结构来影响含蜡原油的流变性,导致管道输送存在诸多困难.改进低温输油加入降凝剂来改变蜡晶形态和结构的机理大致有3种:晶核作用、吸附作用、共晶作用.含蜡原油在管道内流动过程中,随着温度降低,油品中的蜡将会析出并沉积在管壁上.海底管道输送的前提是保证管道停输后能够安全再启动.这是因为,原油粘度直接影响到输油管道设计、输油能耗及输油效率,而静屈服值决定了管道停输后再启动的能力.渤海油田原油物性相差甚大,由于凝点高、含蜡高,通过海底管道输送时,由于环境温度低,管壁温度低于管内油温和原油析蜡点,导致过饱和结晶析出的蜡与原油中其他组份一道沉积在管壁上,使得管路通过能力降低,输油成本增加,不利于管道的安全运行.因此,对原油的低温流动性进行了研究,以流变曲线、粘温曲线和屈服应力来评价其流动性.

1.含蜡原油性质

表1 原油样品物性数据

本文对渤海油田原油的基本性质进行了实验分析,见表1.结果说明,原油样品具有低密度、低粘度、低含硫、高含蜡和高凝点的quot;三低两高quot;特征.给海底管道输送带来一定的困难.

2.含蜡原油流变特性研究

(1)加剂前后对含蜡原油屈服值的影响

图1 20℃屈服值测定曲线

图2 26℃屈服值测定曲线

渤海油田含蜡原油加剂前实验条件及结果见表2、图1、图2.温度是影响屈服值的主要因素.随着温度升高,屈服值逐渐减少,达到屈服值的时间也是最少的.说明屈服值与温度呈现很好的指数关系,即随着温度的升高,含蜡原油的结构强度逐渐降低,一旦停输后再启动,在较高温度下,需要较少的泵压即可恢复流动.

测定温度/℃屈服值/Pa 4 46 46 0.2 0.5 30 1032 10 46 46 0.2 0.5 30 813.6预热温度/℃装样温度/℃剪切率/S-1降温速率/(℃.min-1)测温下恒温时间/min

表2 含蜡原油屈服值测试条件及结果

加入不同量的降凝剂及在不同温度下如表3,屈服值在温度低于10℃时,为一恒定值,原油中蜡晶所形成的结构强度大,不易破坏.但屈服值和粘度均有不同程度的增大.经试验和研究发现,在含蜡原油冷却重结晶的过程中,若降凝剂的长链烃与蜡的正构烷烃的链相近,则降凝剂比原油中的蜡略早或同时析出,起到晶核或共晶的作用.同时降凝剂中的极性基团阻碍蜡晶的进一步积聚,使晶核的大小、形状和聚集程度发生变化,延缓蜡晶网络结构的形成,从而降低含蜡原油的凝点和粘度,改善原油的低温流动性,获得较好的降凝、降粘效果.总之,加入降凝剂后,可以大幅度降低含蜡原油的静屈服值,可以有效解决其停输后再启动困难的问题,确保海底管道的安全性.

表3 加入降凝剂含蜡原油屈服值测试结果

(2)测试条件及加剂前后对流变曲线的影响

图3 10℃流变曲线

图4 20℃流变曲线

绘制几种含蜡原油加剂前后在不同温度下的剪切应力与剪切速率的关系曲线.加剂前如图3、图4、图5.测试结果非常好的显示了在10℃、20℃和26℃温度下对渤海油田含蜡原油实施剪切条件下克服原油内部结构强度而产生流动所需要的力.温度低于10℃,由于蜡晶交结致密,结构强度大,在测试时,造成曲线异常.但随着剪切速率的增加,剪切力急剧增加,一旦原油发生流动后,随着结构强度的破坏,原油粘度急剧下降,然后发生了蜡晶的瞬时裂解,之后是缓慢裂解,在裂解和结合达到平衡后,出现一个流变曲线上剪切力的最低值.然后随剪切速率的增加,剪切力是逐渐增加的.这一过程中影响剪切力的主要因素是液间层面上的剪切阻力增加,液体表现为宾汉塑性流体.随着温度升高,原油的剪切阻力是降低的,其粘度也是降低的.

加入降凝剂后,如图6、图7、图8.关系图说明,在相同温度下,随着加剂量的增加,原油流变曲线发生一定量的改变,最大剪切力变化不太明显.但是随着剪切速率的增加,剪切力有较大幅度的增加.在加入相同量的降凝剂时,随着温度升高,最大剪切力明显降低,粘度也随之降低.但温度低于10℃时,如图9,无论加入何种量的降凝剂,它对原油的流动性失去了作用.

图5 26℃流变曲线

图6 含300ppm降凝剂原油20℃流变曲线

图7 含300ppm降凝剂原油26℃流变曲线

图8 含350ppm降凝剂原油26℃流变曲线

图9 含350ppm降凝剂原油10℃流变曲线

图10 不同浓度降凝剂粘温 流变特征曲线

(3)实验条件对粘温特性的影响

绘制加剂前及加入不同量的降凝剂后,在不同温度下含蜡原油粘温曲线,如图10.在不同剪切速率下,其粘度均随温度的降低而增加,且增大幅度越来越大.在低温区域(15-35℃),由于蜡在原油中的溶解度降低,含蜡原油呈过饱和溶液,高分子蜡晶析出,逐渐形成双向体系,原油为连续相,蜡晶为分散相,这时原油随温度的降低表现出牛顿假塑性流体.流动性差,且在同一温度下,随着剪切速率的增大,粘度降低.加入降凝剂后的含蜡原油在同一温度下,粘度差距较大,且随着温度降低不断扩大.相对而言,加剂后的原油粘温曲线比较平缓,非牛顿流体的倾向较加剂前弱.粘度总体上有一定程度的升高,粘温特性有所改善.从而有效解决其停输后再启动困难的问题,确保海底管道安全.在高温段(35-80℃),加剂前后含蜡原油粘温曲线几乎为直线,即基本重合.加入降凝剂的作用效果不明显,说明含蜡原油为牛顿流体,对其降凝剂不敏感,流动性好.

3.结论

(1)渤海油田含蜡原油具有quot;三低两高quot;的特点,屈服值与温度呈现很好的指数关系,即随着温度升高,原油的屈服值是逐渐降低的.加入降凝剂后,其屈服值明显降低,可以有效地防止停输后再启动过程中发生凝管现象,从而使含蜡原油在低温下安全输送.

(2)处于低温非牛顿流体的含蜡原油,其流变曲线不仅与测试时间、降温速率有关,也与剪切速率的大小有关.加入降凝剂后改善了低温流动性,改变了原油中蜡的发育过程.

(3)高凝、高蜡原油在高温区域,热处理温度,降温方式,降温速率等测试条件对其粘温特性影响不明显.在加入降凝剂的情况下,使含蜡原油在低温段的非牛顿流体趋势减弱.当含蜡原油处于非牛顿流体流态时,降凝剂效果显著.

(4)渤海油田高凝、高蜡原油流变参数强烈地依赖于测试条件并对降凝剂表现出良好的感受性.因此,在海底管道输送时,采用添加降凝剂的方式,可以确保安全及可靠性,降低了输送能耗.

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Yang Fei and Li Chuanxian, Lin Mingzhen, et al. Research Progress and Discussion of the Performance MechanismsBetween Pour Point Depressants and Wax in Waxy Crude Oils[J].Polymer Bulletin,2009,(8):24-31.

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董长友(1962-),男,中海油能源发展股份有限公司工程技术分公司;研究方向:油气田勘探开发实验研究.

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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