高金彪，徐德龍，王秀明，朱晨輝

（1.中國科學院 聲學研究所 聲場聲信息國家重點實驗室，北京 100190；2. 北京市海洋深部鉆探測量工程技術研究中心，北京 100190；3. 中國科學院大學，北京 100049）

稠油是指在地層條件下黏度不低于50 mPa·s、相對密度大于0.920 g/cm3或在油藏溫度條件下經(jīng)脫氣后黏度不小于100 mPa·s、相對密度大于0.920 g/cm3的原油［1-2］。稠油的黏度大、密度大、凝固點高、含蠟量高，從地下開采到地面運輸都十分困難［3-5］。常規(guī)的稠油降黏方法可分為物理降黏法和化學降黏法。物理降黏法主要包括加熱降黏、摻稀油降黏等；化學降黏法主要包括表面活性劑降黏、催化裂解降黏、加油溶性降黏劑降黏等［6-7］。超聲波降黏是從20 世紀60 年代發(fā)展起來的一種降黏技術，與其他降黏方法相比，超聲波降黏技術具有環(huán)保、節(jié)能、見效快和適用范圍廣等優(yōu)點［8-11］。

正交實驗設計是在全部實驗中挑選出部分有代表性的組合，通過部分實驗結果分析了解整體的情況，并找出最優(yōu)水平組合的實驗設計方法。正交實驗法的實驗點具有均衡分散性，實驗數(shù)據(jù)具有綜合可比性，不僅可以比較各個因素間的主次關系，還可以得到最佳因素組合，因此被廣泛應用于各類較復雜的實驗中［12-14］。

本工作利用超聲波技術對中國西部某油田原油進行降黏處理，通過正交實驗法考察了油樣稀稠比、超聲波作用時間、測量溫度和超聲樣機電功率對稠油降黏過程的影響，并利用SEM 表征探討了超聲波降黏的機理。

1 實驗部分

1.1 原料與儀器

原油：中國西部某油田提供的稠油和稀油，20 ℃時，稀油的黏度為13.3 mPa·s、密度為0.883 0 g/cm3，稠油的部分參數(shù)見表1［15］。

TJS-3000 型超聲變幅桿：杭州成功超聲設備有限公司；RV DV-Ⅲ型流變儀：Brookfield 公司；S-4800 型掃描電子顯微鏡：Hitachi 公司。

1.2 實驗流程

實驗流程見圖1。

表1 稠油的密度和黏度Table 1 The density and viscosity of heavy oil

圖1 實驗流程Fig.1 Schematic diagram of the experimental process.

從圖1 可看出，流程為：1）根據(jù)設計好的實驗方案，在實驗開始前配制不同稀稠比（質(zhì)量比）的稠油油樣，為防止稀油油樣在加熱混合過程中揮發(fā)，使用保鮮膜將燒杯口密封，將盛有待測油樣的燒杯置于90 ℃恒溫水浴中加熱4 h 左右，并不斷攪拌，使稀油和稠油混合均勻。2）調(diào)試流變儀，開啟與流變儀相連的恒溫水浴，設置溫度為50 ～90 ℃。3）將混合好的油樣等體積（50 mL）分裝于完全相同的燒杯中，待油樣冷卻至室溫后開始實驗。使用不同電功率的超聲波分別作用于稠油油樣不同的時間，并將處理后的稠油試樣緩慢倒入裝有轉(zhuǎn)子的凹槽內(nèi)，固定凹槽并將轉(zhuǎn)子與流變儀連接，在不同的待測溫度下測量經(jīng)超聲作用后的稠油油樣的黏度。4）與油樣初始黏度對比，計算降黏率。本工作所有試樣的黏度均在流變儀扭矩為50%的條件下測定。

2 結論與討論

2.1 正交實驗

結合超聲波稠油降黏的實際情況，主要考慮油樣稀稠比、超聲波作用時間、測量溫度、超聲樣機電功率這4 個因素的影響，對4 個因素分別選擇3個不同的水平，設計的因素水平表見表2。將各因子安排在L9（34）正交表上，并以降黏率為評價稠油黏度變化的指標，由實驗數(shù)據(jù)計算的結果見表3。

本工作通過極差R評價因素對實驗結果的影響程度，極差R越大，表明該因素對降黏率的影響越大。表3 中Ⅰ～Ⅲ為不同因素對應的三個不同水平的降黏率的單獨加和（如第Ⅰ行第A 列的71.31 為稀稠比1∶4 時即第1 ～3 組實驗降黏率的加和），K1～K3為每種因素對應的三個水平的三組實驗降黏率加和的平均值（如第K1行第A 列23.77 為第Ⅰ行第A 列的71.31/3），極差R=Kmax-Kmin（對應列）。從表3 可看出，R（A）>R（B）>R（C）>R（D），所以對油樣的降黏效果影響最大的因素是油樣稀稠比，其次是超聲波作用時間、測量溫度，最后是超聲樣機電功率。通過比較得到針對本稠油油樣的最佳降黏條件為：油樣稀稠比1∶3、超聲波作用時間10 s、測量溫度90 ℃、超聲樣機電功率500 W。

表2 因素水平Table 2 The factors studied by orthogonal method

表3 實驗結果分析Table 3 The analysis of experimental results

2.2 單因素實驗

在正交實驗法得到的最佳工藝參數(shù)條件下進行單因素實驗，分別考察油樣稀稠比、超聲波作用時間、測量溫度、超聲樣機電功率單獨對降黏效果的影響。

2.2.1 油樣稀稠比的影響

油樣稀稠比為1∶5，1∶3，1∶2，2∶3，3∶4 時，油樣的初始黏度分別為1 290，332，132，73，60 mPa·s。油樣稀稠比對降黏效果的影響見圖2。由圖2 可看出，隨著油樣稀稠比的增大，降黏率先增大后降低再增大最后再降低，但除油樣稀稠比1∶3外其他條件下降黏率均相差不大。油樣稀稠比較低時，超聲作用對油樣黏度的影響占主導作用，可將油樣中某些大分子的化學鍵打斷使之成為小分子，從而降低黏度；但當稀油濃度逐漸增大時，油樣稀稠比的影響大于超聲作用，此時稀油與稠油的相似相溶作用增強，導致油樣的初始黏度較低，超聲作用對油樣黏度的影響減弱。

圖2 油樣稀稠比對降黏率的影響Fig.2 The effect of the dilute ratio on viscosity reduction rate.

2.2.2 超聲波作用時間的影響

超聲作用時間為10，20，30，40，50 s 時油樣的初始黏度分別為332，325，340，356，364 mPa·s。超聲波作用時間對降黏效果的影響見圖3。從圖3 可看出，隨著作用時間的延長，降黏率先降低后增大，在超聲作用時間為10 s 和50 s 時降黏率均超過了10%。不同超聲作用時間的影響差異很大，原因可能是作用時間不同，在油樣內(nèi)部發(fā)生的物理和化學反應也在變化，具體原因仍需進一步研究。

2.2.3 測量溫度的影響

測量溫度為50，60，70，80，90 ℃時油樣的初始黏度分別為14 943，4 204，1 506，653，332 mPa·s。測量溫度對降黏效果的影響見圖4。由圖4 可知，隨著流變儀轉(zhuǎn)子內(nèi)測量溫度的升高，降黏率增大，其中，當溫度低于60 ℃時，隨著溫度上升，降黏率迅速增大；高于60 ℃后，隨著溫度的升高，降黏率增幅變緩，在90 ℃時降黏率最大為10.15%。這可能是因為，稠油的黏度對溫度變化比較敏感，溫度越高，稠油的流動性越好，黏度越低。

圖3 超聲波作用時間對降黏率的影響Fig.3 The effect of the ultrasonic irradiation time on viscosity reduction rate.

圖4 測量溫度對降黏率的影響Fig.4 The effect of the measuring temperature on viscosity reduction rate.

2.2.4 超聲樣機電功率的影響

超聲樣機電功率為200，300，400，500 W時油樣的初始黏度分別為290，313，336，332 mPa·s。超聲樣機電功率對降黏效果的影響見圖5。由圖5 可看出，200 W 時降黏率最低為0.85%，隨著超聲樣機電功率的增大，降黏率逐漸增大，但當電功率超過400 W 時，降黏率增幅變緩，在500 W 時降黏率最大，為10.15%，說明了一定的輸入功率對于增大降黏效果的必要性。

圖5 超聲樣機電功率對降黏率的影響Fig.5 The effect of the electric power of ultrasonic prototype on viscosity reduction rate.

3 機理分析

利用SEM 對原始稠油油樣和經(jīng)最佳降黏條件作用后的油樣進行了微觀形貌觀察，結果見圖6。由圖6 可看出，超聲作用前后油樣的表面形態(tài)發(fā)生了很大的改變：未經(jīng)超聲作用的原始油樣微觀結構褶皺較多、排列較規(guī)則、剛性較強，這種規(guī)則的結構導致了稠油的黏度高、流動性差；而經(jīng)超聲作用后的油樣微觀結構排列無序、更柔順、更平整，說明超聲作用打破了油樣的“固有平衡”，破壞了稠油規(guī)則的微觀結構。經(jīng)過分析，本工作中稠油油樣超聲波降黏的主要作用機理為：1）超聲波激勵的空化作用產(chǎn)生局部的高溫高壓，它作用在稠油上，打斷了稠油的長碳鏈分子，形成短碳鏈分子，破壞了稠油的“籠狀結構”，從而降低了稠油的黏度［16］；2）稠油的黏度大主要是因為瀝青質(zhì)、膠質(zhì)的含量高，超聲激勵的機械剪切作用會使分子間具有較大的振動速度，促使大分子斷裂形成小分子，降低了膠質(zhì)和瀝青質(zhì)的含量，從而導致黏度降低［17］。但是，因為稠油的組分會因地而異，所以超聲降黏的機理對不同的稠油會有一定的適用性，還需深入研究。

圖6 稠油的SEM 照片F(xiàn)ig.6 SEM images of heavy crude oil.

4 結論

1）針對本工作選取的稠油油樣，影響降黏率最大的因素為油樣稀稠比，其次是超聲波作用時間、測量溫度，最后是超聲樣機電功率，最佳降黏條件為：油樣稀稠比1∶3、超聲波作用時間10 s、測量溫度90 ℃、超聲樣機電功率500 W。

2）不同作用條件會導致降黏效果有很大差異，測量溫度和超聲樣機電功率對降黏率的影響基本呈線性變化，而油樣稀稠比和超聲作用時間的影響較為復雜，需進一步研究。

3）超聲波作用破壞了稠油原始的規(guī)則結構，改變了稠油的化學組分，從而使稠油的黏度降低。