梁光川 張兵強(qiáng) 許啟軍 朱學(xué)熹

1.西南石油大學(xué) 石油工程學(xué)院 (四川 成都 610500)

2.中國石化中原石油勘探局工程建設(shè)總公司 （河南 濮陽 457000）

3.中國石油西南油氣田分公司 天然氣研究院 （四川 成都 610213）

我國大部分油田所產(chǎn)原油大多為含蠟原油，部分油田的原油含蠟量甚至高達(dá)15%～45%，含蠟原油具有凝點高、低溫流動性差的特點，在油田的整個生產(chǎn)開發(fā)和油品運(yùn)輸過程中，原油中的蠟沉積問題都普遍存在，這給油田的正常生產(chǎn)和高效發(fā)展帶來了不少的危害和損失?；瘜W(xué)防蠟技術(shù)主要是通過向原油中添加防蠟劑以起到防蠟的作用，這種技術(shù)不影響油井的正常生產(chǎn)，具有經(jīng)濟(jì)有效、操作方便的特點，而且在原油中加入某些藥劑除了會起到防蠟作用，還可以起到降凝降黏的作用，達(dá)到了改善原油低溫流變性的目的，從而實現(xiàn)降低能耗和生產(chǎn)成本、提高管道運(yùn)行的安全性。但是，我國原油物性變化大，流變性較為復(fù)雜，不同原油對防蠟劑的感受性也不相同。因此，針對不同原油的特性，優(yōu)選出適合不同原油的防蠟劑，進(jìn)一步研究原油在輸送過程中的防蠟技術(shù)方案，在實現(xiàn)安全輸送、節(jié)能降耗，提高經(jīng)濟(jì)效益和社會效益等方面具有重要的現(xiàn)實意義。

1 化學(xué)防蠟機(jī)理及防蠟性能影響因素

1.1 防蠟機(jī)理

國內(nèi)外對化學(xué)防蠟方法的研究都比較重視，但是對其作用機(jī)理還未研究得十分清楚，比較公認(rèn)的有以下2種[1]。

1.1.1 水膜理論

水膜理論主要指使用一種（或多種）物質(zhì)在金屬表面形成一層極性膜進(jìn)而影響金屬表面的潤濕性。此理論是基于表面活性劑的作用，表面活性劑的水溶液可以大大降低水的表面張力，并且具有潤濕作用，容易潤濕與之接觸的金屬表面，并在其表面形成一層極性水膜。石蠟為非極性烴，故石蠟不易在設(shè)備或管線表面沉積。

1.1.2 蠟晶改性理論

蠟晶改性理論主要指加入一種（或多種）物質(zhì)能夠改變蠟晶的結(jié)構(gòu)或使結(jié)晶處于分散狀態(tài),彼此不互相疊加,而懸浮于原油中。蠟晶改性理論有3種:

（1）分散理論:防蠟劑分子在蠟晶分子析出之前先從原油中析出，產(chǎn)生大量細(xì)小的結(jié)晶中心，石蠟烷烴則粘附在防蠟劑微晶之上，這樣結(jié)構(gòu)的結(jié)晶，相互之間并不趨于粘接，處于分散狀而不能聚集長大，因此減輕了蠟在設(shè)備表面上的沉積。

（2）共晶理論:防蠟劑分子與石蠟同時析出，并與蠟分子共晶，這種晶體的晶形不規(guī)則，分枝多，破壞了純石蠟生長的方向性，抑制了蠟晶網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的形成，使蠟晶不能聚集長大，減輕了蠟在管線和設(shè)備表面上的沉積。

（3）吸附理論:防蠟劑在蠟分子剛析出之后立即從原油中析出，吸附在蠟分子表面，改變了蠟晶固有的結(jié)晶形態(tài)，阻礙了蠟晶之間相互連接和聚集，使其不能長大，進(jìn)而減輕了蠟在管線和設(shè)備表面的沉積。

1.2 防蠟劑性能影響因素

對于一定的原油，當(dāng)防蠟劑選定后，改性效果主要取決于處理條件。處理條件包括添加劑溫度、降溫速率和方式、注入量等[2-4]。

（1）防蠟劑溫度:其和原油組成與石蠟結(jié)構(gòu)有關(guān)。所以應(yīng)根據(jù)室內(nèi)實驗結(jié)果選擇合適的添加劑溫度，使原油中含有的膠質(zhì)、瀝青質(zhì)和以C16～C35的正烷烴為主的石蠟充分溶解和游離，防蠟劑充分分散，以發(fā)揮防蠟劑的最大效用。

（2）降溫速率和方式:在析蠟點以上的溫度，降溫速率和方式對改性效果沒有影響，在析蠟點以下的溫度，降溫速率和剪切速率過快或過慢都會降低改性效果。

（3）防蠟劑注入量:原油的改性效果與防蠟劑的注入量并不呈線性的關(guān)系，當(dāng)防蠟劑的注入量超過一定值后，原油的改性效果隨防蠟劑的注入量增加不會再有大幅度提高，由此可見，存在著使原油在管輸過程中最小的防蠟劑注入量。

加防蠟劑輸油的最佳處理條件是上述各因素的最優(yōu)組合，但在實際應(yīng)用中，應(yīng)將最佳條件與實際結(jié)合起來，充分考慮管道的運(yùn)行方式和設(shè)備能力，選擇合適的組合條件。

2 防蠟劑的制備

根據(jù)我國某油田原油物性分析結(jié)果及原油中蠟碳數(shù)分布的實驗結(jié)果，結(jié)合應(yīng)用化學(xué)、高分子化學(xué)等相關(guān)研究理論，通過改變參與反應(yīng)的十六醇與丙烯酸甲酯的摩爾比例和十六醇與馬來酸酐摩爾比例進(jìn)行合成及酯化實驗，最終得到防蠟劑SK-1、SK-2。

2.1 制備原理

2.2 實驗藥品與儀器

實驗藥品:馬來酸酐、丙烯酸甲酯、單體D、十六醇、偶氮二異丁腈、對甲苯磺酸、甲苯。

實驗儀器:三口燒瓶、分析天平、磁力攪拌恒溫水浴鍋、ZDHW型調(diào)溫電熱套。

2.3 實驗方案

（1）稱取一定量的馬來酸酐、丙烯酸甲酯、單體D，以甲苯作為溶劑，加入250mL的三口燒瓶中，用冷凝回流的裝置，加入偶氮二異丁腈作為引發(fā)劑，控制水浴溫度在60±2℃，反應(yīng)5h。

（2）將步驟1中的水浴鍋換位電熱套，并改冷凝回流裝置為常壓蒸餾裝置。

（3）稱取一定量的十六醇，加入三口燒瓶中，對甲苯磺酸作為引發(fā)劑，保持溫度為140±5℃，反應(yīng)5h，反應(yīng)結(jié)束，得到目標(biāo)共聚物。

2.4 防蠟劑評價依據(jù)

析蠟點是表征原油析蠟過程的一個重要參數(shù)，原油的析蠟點高，說明原油在輸送過程中，隨著管輸溫度的降低，容易在管道內(nèi)壁形成較嚴(yán)重的結(jié)蠟現(xiàn)象。本次實驗以析蠟點作為原油結(jié)蠟的實驗研究對象，室內(nèi)開展黏溫關(guān)系測試實驗，最終確定出油樣的析蠟點。通過對原油油樣加入防蠟劑前后的析蠟點的變化情況的分析，對防蠟劑的防蠟效果進(jìn)行評價。

3 防蠟效果評價

根據(jù)中國石化西北油田分公司塔河油田原油物性實驗結(jié)果可得，該原油具有析蠟點較高、凝固點較低的特點，原油在管輸過程中的主要問題就在于結(jié)蠟，因此以防蠟率作為防蠟劑性能的主要標(biāo)準(zhǔn)，參照采油用清防蠟劑技術(shù)條件（SY/T 6300-2009），結(jié)合室內(nèi)實驗條件，進(jìn)行防蠟劑的評價篩選工作，防蠟率的計算方法如下:

式中 ma—蠟沉積量，g；

mt—蠟沉積量與結(jié)蠟管的總質(zhì)量，g；

me—結(jié)蠟管的質(zhì)量，g。

防蠟率的計算，見計算公式（2）:

式中 f—防蠟率，%；

m0—空白試液的蠟沉積量，g；

mf—加藥試液的蠟沉積量，g。

3.1 實驗方案

實驗評價防蠟劑效果的實驗裝置如圖1，將冷指垂直放入油槽中，并油槽放入溫度可調(diào)的恒溫水浴中，調(diào)節(jié)循環(huán)水溫度和油槽放置恒溫水浴溫度使之形成一定的溫差，同時必須保證冷指壁溫低于原油析蠟點溫度。然后打開循環(huán)水泵，運(yùn)行1h，取下冷指用分析天平稱出冷指和蠟的總質(zhì)量，精確度為萬分之一；總質(zhì)量和冷指自身質(zhì)量之差即為結(jié)蠟量。

向2個油槽分別加入500mL原油，并預(yù)熱至50℃，然后向2個油槽中依次加入用甲苯溶解過的破乳劑 SK-1，加劑量分別為 200mg/kg、400mg/kg，攪拌10min使之混合均勻，然后以1.0℃/min的速率降溫至28℃開始實驗。然后重復(fù)上述步驟評價破乳劑SK-1在加劑量為600mg/kg、800mg/kg時的防蠟效果；在評價破乳劑SK-2時，實驗步驟和評價SK-1時相同，只是將油槽中添加的防蠟劑SK-1換成

從圖2和圖4可以看出，該油田油樣在添加防蠟劑SK-1之后，在相同溫度下結(jié)蠟量明顯減少，并且隨著加劑量的增加結(jié)蠟量呈減少趨勢，防蠟率增高，但是隨著劑量的增加防蠟率增高趨勢不明顯，同時考慮到經(jīng)濟(jì)性問題，建議采用加劑量為200 mg/kg。從圖3和圖5可以看出，在相同溫度下，該油田油樣加入SK-2防蠟劑后，原油結(jié)蠟量呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢，在加劑量200mg/kg時防蠟率最SK-2，每次實驗防蠟劑的加劑量保持不變。在實驗中，為了減小誤差，優(yōu)選防蠟劑，驗證防蠟劑在不同溫度下的防蠟效果，將循環(huán)水溫分別設(shè)為5℃、10℃、15℃、20℃。每組測試時間為60min。

3.2 實驗結(jié)果

根據(jù)每次實驗測量結(jié)果，通過計算求得在不同條件下的結(jié)蠟量和防蠟率(圖2～圖5)。高，隨著加劑量的增加防蠟效果有惡化趨勢，因此SK-2防蠟劑加劑量不宜大于200mg/kg。

3.3 原油析蠟微觀分析

在通過動態(tài)評價防蠟效果后，為了進(jìn)一步了解防蠟劑的防蠟效果，分別取等量的2份油樣，其中1份加入400mg/kg的SK-2防蠟劑，在恒定溫度15℃條件下穩(wěn)定30min，然后通過微觀電鏡成像觀察空白原油和加防蠟劑油樣的析蠟微觀形態(tài)（圖6、圖 7）。

從圖6可以看出在不加任何防蠟劑的情況下，油樣中蠟晶呈均勻分布并形成了穩(wěn)定的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，因此易于在管道壁上結(jié)蠟，造成管道輸送能力下降；從圖7可以看出，在加防蠟劑后的原油油樣在同樣條件下只有稀疏分散的蠟晶，沒有形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，因此原油在管道流動過程中蠟晶不容易沉淀結(jié)晶析出，從而達(dá)到了良好的防蠟效果。

4 結(jié) 論

（1）對化學(xué)防蠟技術(shù)進(jìn)行了詳細(xì)研究，根據(jù)油樣物性通過實驗合成2種防蠟劑SK-1、SK-2。

（2）通過實驗分別對2種防蠟劑防蠟效果進(jìn)行了評價，實驗證明防蠟劑SK-1，具有良好的防蠟效果，并且隨著加劑量的增加，防蠟效果也在改善；防蠟劑SK-2也具有較高的防蠟效果，但是隨著加劑量的增加，防蠟效果有惡化的趨勢，因此在使用過程中必須控制加劑量。

（3）在管輸原油中添加防蠟劑，原油在相同溫度下析蠟量減少可以明顯降低原油的黏度，因此可以改善原油的流動特性，進(jìn)而降低原油的輸送成本。

[1]鄒德健.水溶性和油溶性清防蠟劑研制與應(yīng)用[D].大慶:大慶石油學(xué)院，2003:34-37.

[2]閆向宏,張亞萍.超聲波降低稠油黏度的實驗結(jié)果[J].油氣田地面工程,1996,15(5):20-21.

[3]路斌.流體動力式發(fā)聲器在采油工業(yè)中的應(yīng)用研究[J].物理學(xué)和高新技術(shù),2004,33(4):278-281.

[4]N.P.Tung,N.Q.Vinh,N.T.P Phong.Perspective for Using Nd-Fe-B Magnets as a Tool for the Improvement of the Production and Transportation of Vietnamese Crude Oil with High Paraffin Content[J].Physica B,2003，327（8）:443-447.