高凝油微波降凝非热效应实验研究

来源:真空技术网(www.chvacuum.com)北京石油化工学院 作者:戴静君

  对高凝油进行微波作用降凝效果研究。析蜡点、凝点和含蜡量是表征原油析蜡过程的重要参数。研究发现经过微波加热处理后,各高凝油的析蜡点、析蜡高峰、常温含蜡量和凝点均有不同程度的降低,高凝油的蜡晶颗粒聚结变大,凝点降低。实验进行了微波加热和水浴作用的对比,当微波和水浴作用原油到相同温度时,微波的作用效果更佳,实验研究结果表明微波降凝存在非热效应。

  高凝油即高含蜡、高凝点原油。高凝油与普通的原油相比含蜡量高,而高含蜡量是导致其高凝点的主要因素之一。在高凝油的开采过程中,随着原油沿井筒向上流动的沿程散热,使原油温度下降,当温度降到一定值时,蜡晶开始聚结,原油逐渐失去流动性,发生“凝固”,造成油井减产甚至因阻塞而停产。目前,开采工艺大多是以传递热量作为补偿原油在井筒里的热量损失,但是存在着能耗大、程序复杂等缺陷。在高凝油的输送过程中,由于石蜡析出并不断沉积于集输管线、阀门、分离器和储罐等金属表面,减小了油流通道,增加了原油的流动阻力,严重时,可能导致管道阻塞或油罐内凝油事故。真空技术网(http://www.chvacuum.com/)认为虽然影响原油结蜡的因素很多,但温度是主要因素。对于高凝油的管道输送,目前大多采用加热输送,但存在着燃料消耗大,设备占用的空间大、人力多等缺点,因此开发一种节能降耗,简单的降凝方法显得越来越重要。

  微波对物质的介电热效应是通过离子迁移和极性分子的旋转使分子运动实现的,即极性分子接收微波能量后,从相对静态瞬间转变为动态,通过分子偶极以数十亿次的高速旋转产生热效应。由于此瞬间变态是在被作用物质内部进行,故称为内加热,使物质瞬间升到较高温度。

  本文利用微波和水浴两种方法对高凝油进行作用,并比较作用后析蜡热特性参数的变化,探索微波技术作用于高凝油具有“非热效应”的特性,采用微波技术改善高凝油的流变性,实现高凝油的高效与低成本开采和输送。

1、实验研究

  1.1、实验油样及仪器

  高凝油油样选取渤海油样,其凝点为28℃。实验仪器包括XH-200A 型电脑微波催化合成/萃取工作站、200F3差示扫描量热仪(DSC)、BF-15型多功能低温测定器、Motic BA300Pol偏光显微镜、DHF-076型恒温水浴箱和其他辅助仪器。

  1.2、实验内容

  采用700W 功率微波和水浴作用高凝油至相同温度后,用DSC测其析蜡热特性参数,分析微波加热和水浴加热后,高凝油的析蜡点温度、析蜡峰值温度、热焓值等热特性参数和常温下蜡含量的变化;并用显微镜观察蜡晶形态和分布。

  1.3、实验方法

  1.3.1、蜡晶形态及分布测定

  在载玻片上涂上薄薄的一层不同方法处理过的原油,调整偏光显微镜焦距,当视野里出现很多白色小颗粒时,打开控制软件,观看软件里的画面,调整亮度、色调等参数,捕捉并保存测得的蜡晶形态和分布显微照片。

  1.3.2、原油热谱图的测定

  (1)打开DSC仪器,万分之一电子秤预热30min;

  (2)制备坩埚,将4~8mg油样涂抹于坩埚内并加盖;

  (3)编辑温度程序,将加好盖的坩埚置入DSC加热炉中,将升温速率定为5℃/min,从20℃升到80℃,保温1min,再以5℃/min降温速率降至-35℃,在降温过程中,启用机械制冷,测得原油的热谱图。

3、微波降凝作用机理分析

  3.1、蜡晶形态和分布的变化

  微波作用过程中磁场使蜡晶胶粒间的范德华引力势能增大。根据溶胶的经典稳定理论(DLVO理论),范德华引力势能越大总势能曲线上位垒的高度越小,第二最小值的深度越大,胶体越容易发生聚结,范德华引力势能的增大致使原油中的蜡晶胶粒在第一最小值和第二最小值处同时以较快的速度聚结长大。蜡晶胶粒在第一最小值处聚结生成结构致密的大蜡晶,但是在聚结速率较大的条件下,生成的大蜡晶形态与蜡晶聚集体有相似之处,蜡晶间距较大,吸引力较弱,蜡晶聚集体内部仍吸附有少量的轻馏分油。因此,微波处理后原油中的蜡晶呈疏松的网状结构,使蜡晶颗粒由处理前的均匀分布的大量细碎单晶,变为少量球粒状的粗大晶体,从而降低了蜡形成能力和三维网状结构强度,进而改善了高凝油的低温流动性。

  3.2、微波降凝存在非热效应

  微波对高凝油作用存在“非热效应”,即降低了断裂分子链的活化能,由于微波的作用,打断高凝点的正构烷烃长链,进而改善高凝油的流变性。

  3.3、热含值等参数的变化

  经过微波处理后,蜡中高熔点的大分子不断断裂成小分子,蜡分子分布向小分子方向移动,推迟了空间网络结构的形成,使形成的结构强度低,因此析蜡点温度降低,析蜡高峰值降低,原油的含蜡量也相继降低。

4、结论

  (1)微波作用后,高凝油的蜡晶经过聚集变大,成明显的球粒状,结构松散,无形成稳固的网状结构,蜡晶形态的强度降低;蜡晶的大小随着微波加热温度的升高增大。

  (2)实验结果证实,微波对原油的作用效果,既存在热效应,也存在一定的非热效应,更深层次地进行微波作用对高凝油的降粘机理,对改进高凝油的开采和集输工艺有重要的意义。

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