劉坤(中國石油大學勝利學院油氣工程學院,山東 東營257097)
含蠟原油中影響蠟結晶的因素有很多[1],包括熱歷史、剪切歷史、降溫速率、原油組成等。在不同的結晶條件下,即使同一種原油所形成的蠟晶形態(tài)結構依然差別很大,從而導致含蠟原油的低溫流動性不同。因此研究不同結晶條件對含蠟原油微觀結構的影響顯得至關重要。
在含蠟原油冷卻過程中,降溫速率不同,蠟的溶解度下降快慢不同,晶核數(shù)目的生成速度和蠟晶體積的生長速度也就不同[2],從而導致蠟晶結構的形態(tài)各異,相應地,原油的低溫流變性差異很大。
通過顯微鏡觀察發(fā)現(xiàn)不同降溫速率下形成的蠟晶顆粒形態(tài)、分散度及均勻程度都有很大差別:慢速降溫時析出的蠟晶多為棒狀,并且顆粒較大,粒徑分布較寬,團聚化程度較高;快速降溫時形成的蠟晶顆粒多為粒狀,形狀較為規(guī)則,顆粒數(shù)量多,且在視場中的分布更為分散。
究其原因,在較小的降溫速率下,蠟的溶解度下降緩慢,晶核的生成速度很小而晶體的生長速度則相對較大,且膠質、瀝青質有充分的時間與蠟晶共晶、吸附,這樣形成的蠟晶數(shù)目少,而蠟晶體積大,蠟晶表面的連接點較多,造成蠟晶顆粒之間作用力較強,使最終形成的結構致密,啟動屈服應力較大;但在較大降溫速率下,蠟的溶解度下降很快,晶核的生成速度要比晶體的生長速度快的多,在相同的降溫區(qū)間下,蠟晶之間的結合機會較小,膠質、瀝青質來不及與蠟晶充分作用,導致形成眾多的細小蠟晶,形狀較規(guī)則,邊緣光滑,連接點少,作用力較弱,因此原油的屈服應力也較小。可見降溫速率也是通過改變蠟晶參數(shù)來影響原油流變性的。
經(jīng)歷一定歷史條件的原油體系中蠟晶已達到一定的濃度,在靜置時,由于蠟晶的生長、重結晶、以及蠟晶之間的相互吸引作用,會導致原油的蠟晶網(wǎng)絡結構發(fā)生改變,進而影響原油的流變性。
將原油靜態(tài)降溫至某一溫度,在靜置過程中發(fā)現(xiàn)蠟晶各個參數(shù)值都隨靜置時間的延長而變化,前幾分鐘變化劇烈,之后就趨于平緩。蠟晶顆粒個數(shù)先有小幅上升,之后就平穩(wěn)下降,變化幅度不大。蠟晶顆粒的平均粒徑有所增加,粒徑分布變寬,顆粒的團聚化程度加劇。
對經(jīng)歷不同降溫速率的原油而言,蠟晶各參數(shù)隨靜置時間的變化規(guī)律是一致的,先變化劇烈,最后逐漸趨于穩(wěn)定,但在相同的溫度下,經(jīng)歷不同降溫速率冷卻的原油在長時間的靜置達到平衡后,所對應的蠟晶各參數(shù)數(shù)值大小依然相差很大,前面我們已經(jīng)討論了降溫速率對析蠟的影響,說明這種偏差受恒溫靜置前歷史條件的影響。
原油加熱時石蠟溶解,膠質-瀝青質游離分散,為低溫下重新結晶并形成流變體結構創(chuàng)造必要的提前條件。當以一定的降溫速率和降溫方式進行冷卻時,由于膠質-瀝青質的作用,會改變蠟晶的形態(tài)和結構,最終改善含蠟原油的低溫流動性。由于加熱溫度的不同,原油低溫流變性改善的效果也就不同。
在不同的熱處理溫度下,原油靜態(tài)降溫至某一溫度時的蠟晶參數(shù)差別較大。這是因為在析蠟點以上的溫度對原油進行熱處理時,膠質、瀝青質充分游離分散,石蠟幾乎全部溶解。析蠟點以后,蠟晶逐漸析出。由于開始時蠟晶顆粒較少,間隙較大,分子間總的力表現(xiàn)為排斥力,隨著溫度的進一步降低,蠟晶不斷增多,近距離的蠟晶由于范德華力而聚集生長,逐漸形成網(wǎng)絡結構的雛形。由于高溫預熱時蠟晶顆粒有足夠的生長時間,所以蠟晶的粒徑較大,呈團聚態(tài),整個視場中游離的液態(tài)原油相對較多,因而流變性較好。
可見,加熱溫度不同形成的蠟晶形態(tài)結構差異較大,對原油宏觀流變性的改性效果也不同。
添加降凝劑輸送作為一種相對簡單、有效的方法,逐漸成為主要的含蠟原油改性輸送技術。國內外學者普遍認為[3],降凝劑改變了蠟晶的大小、形態(tài)和聚集程度從而使原油流動性變好,改變了蠟晶的表面性質,防止蠟晶形成網(wǎng)狀結構。
通過實驗發(fā)現(xiàn)未加降凝劑的空白油析出的蠟晶較為分散,顆粒體孤立存在,呈不規(guī)則的棒狀或粒狀,顆粒尺寸較小,而加劑油中的蠟晶由單個的棒狀變?yōu)槎嗫姿缮畹南灳Ь奂w,顆粒個數(shù)明顯變少,顆粒尺寸較大,呈團簇狀分布,網(wǎng)絡孔隙較大,降低了蠟晶的有效體積濃度,減弱蠟晶聚集體進一步形成空間網(wǎng)絡結構的趨勢,達到了改善體系流動性的效果。
通過本文的分析表明不同結晶條件下蠟晶的微觀形態(tài)結構不同,對含蠟原油流變性的影響也不同。因此今后應加強對含蠟原油微觀結構的研究力度,這對于降低管輸過程中的結蠟、改善含蠟原油的低溫流動性和提高管輸效率具有重要的現(xiàn)實意義。
[1]張紅,沈本賢.蠟晶形態(tài)結構對原油降凝的影響[J].石油學報(石油加工),2006,22(5).
[2]李鴻英,張勁軍等.蠟晶形態(tài)、結構與含蠟原油流變性的關系[J].油氣儲運,2004,23(9).
[3]敬加強,路平,楊莉,黃敏,付先惠.大慶原油加劑前后的蠟晶分形特性研究[J].西南石油大學學報(自然科學版),2008,30(20).