稠油管道输送技术研究

邹 帅, 吴 明, 刘佳春

（辽宁石油化工大学， 辽宁 抚顺 113001）

由于稠油粘度非常大，在运动过程中不仅与管道内壁之间还与周围的稠油微团之间产生非常大的内摩擦力，这给稠油的安全、顺利和经济输送带来难题。本章对稠油的高粘实质和国内外稠油输送方法进行深入研究。

1 稠油高粘实质

稠油中胶质和沥青质含量较高，含蜡较少，且含有氧、硫、氮等元素和一些金属化合物。宏观上主要表现为高密度、高粘度和低凝点。对于稠油的高粘的实质已经进行了大量的研究工作：

敬加强等[1]进行的研究表明：即使含蜡量极低的稠油中蜡全部析出，也不会形成以蜡晶为主体的稠油结构。由此可以看出，稠油中的蜡并非是引起稠油高粘的原因和实质，而是由类似于沥青胶质分子等本身分子在该稠油体系内的各种相互作用力下形成的复杂的聚合分子或者高分子结构引起。

晏德福等[2]认为：引起稠油高粘度的实质是稠油体系中的沥青质分子，沥青胶质分子以三维缔合网络结构形式存在于稠油体系中，借助氢键力和分子间力形成紧凑的聚集体。同时，胶质分子则附着在沥青质分子构成的聚集体上而形成了石油胶体，悬浮于油中。这样当稠油分子发生相对位移时产生很大的内摩擦力，即表现出稠油的高粘度。

1940年由Pfeiffer和Saal[3]最早提出了“沥青质（Bitumens）物理模型”，认为，沥青质是被原油中其他组分通过芳香π-π轨道杂化、分子间作用力和氢键力等相互作用而溶解形成的，具有很强极性内核和很弱极性外壳的“胶束（micelles）”或洋葱状微粒[4]。但后来，由于考虑到沥青质多以分散状存在于原油中，很多研究者对该模型进行了补充和修正。

David等人[5]坚持，由Pfeiffer和Saal提出的“沥青质物理模型”的胶束本质上就是其他组分吸附于沥青质分子表面而形成的大分子结构。另外，Yen等，提出了“层叠（Stacks）模型”，即沥青质稠环芳香化合物（PACs）聚集体由酯、硫化物、环烷链和链烷链连接而成。近5个沥青质胶体分子的PAC核通过π-π键、氢键和其他作用力共同作用形成聚集的层叠结构，这种层叠的聚集体大分子结构即“胶束”。综合可以认为，沥青质胶束分子有大分子结构，该结构可能是导致稠油具有高粘度的根本和直接原因，因为结构决定性质。

Burg等[6]认为，油品的粘度原油粘度实质上取决于偶极-偶极和偶极-诱发偶极相互作用，而与氢键影响不大。根据研究表明，London力作用、原油与可极化溶质和偶极/极化作用是影响油品粘度的决定性作用。

综合以上各观点，我们可以看出决定原油粘度的本质是个复杂的问题，但大体上可以认为，原油粘度的实质为原油体系中沥青质分子和非沥青质分子相互作用所形成的大分子胶束聚集体所致。

因此，通过各种方法（如稀释、热处理等）降低原油中沥青质胶体、金属等杂原子浓度或减小胶束大分子结构是原油降粘的根本途径和措施。

2 稠油管输技术现状

稠油管道输送方法主要包括：加热法（常规加热法、电磁感应加热法）、裂解降粘法、稀释降粘法、改性剂（油溶性降粘剂、乳化降粘剂）降粘法等。

2.1 加热法输送

顾名思义，加热法即对稠油进行加热来提高稠油的输送温度而降低油品在输送条件下的粘度，以减少管路摩擦损失的一种输送方法。该方法主要考虑稠油对温度具有很大敏感性，随着温度升高，稠油粘度急剧减小，流动性显著增强。该方法是国内外最为常用的原油输送方法，但是该方法有其缺点，即输送能耗很高，据统计，加热需要消耗输送油品总量的 1.0%[7]。同时，当事故发生导致管道沿线温度较低时容易发生油品凝固而堵塞管道，这对于管道来说是非常危险。当再次启动时，需要通过其他稀油或成品油进行预热顶替。因此，当管道需要进行停输时，一般提前用稀油置换管中的稠油，以保证管道的顺利启动和运行。

加热法输送又可分为常规加热法和电磁感应加热法。常规加热法能耗较高，且当温度降低时容易发生凝固而堵塞管道事故，而电磁感应加热法可以提高交流电功率来提高管内温度。因此如果将常规加热法和电磁感应加热法结合使用，将会带来更好的加热和保温效果，并降低稠油凝管事故的概率。

2.2 裂解降粘法

裂化降粘技术是伴随着热裂化工艺发展而来，并经历过多次的工艺改进[8]而日益成熟。原油改质是通过炼制加工工艺，如：脱沥青质、加氢裂解、脱蜡、水裂解和热裂解等，来改变稠油的化学成分，提高轻质组分含量减少重质组分，改善流动性而提高管输的操作弹性和安全性。

我国研究人员自主开发上流式缓和降粘裂化、延迟降粘裂化等工艺降粘工艺方法[9]。其中，延迟降粘裂化工艺不需要加热炉，只需几个反应塔进行串联，使减压塔底油在降粘罐中滞留一段时间，而达到降粘目的；上流式工艺反应时间长，温度低，这样得到的油品粘度较低，该方法具有方法简单，投资节约和操作简单的优点。

针对单家寺油田的蒸汽吞吐过程，国内许多研究者也进行了一些研究[10]，主要是分析了蒸汽吞吐前后油品物性的变化情况，证实了稠油中注入蒸汽的水热裂解过程具有降粘改质的效果，流动性得以较大改善而有助于稠油的顺利开采和后期的安全输送。

2.3 掺稀输送降粘法

掺稀降粘法是利用相似相容原理在稠油中掺入一定比例的轻质稀原油、液化石油气、原油馏分油、石油产品或天然气凝析液等后形成混合油，粘度、凝点、胶质沥青质浓度等显著降低，且掺入的稀释剂粘度越小，降粘的效果越明显。并且，一般来说，稠油掺稀时的混合温度越低，越有利于降粘。当掺入的稀释剂合适且较多时能够实现常温输送，可以避免因温度降低而凝管事故。

对于稀释剂的选取，往往根据当地的稀释剂获取难易程度并综合考虑经济性问题。在稀原油比较充足的地区，选取稀原油作为稀释剂是一种较经济且有效的降粘方法。像国内很多油田，如胜利、新疆、辽河、塔河和吐哈等油田，均采用过掺入稀原油的降粘技术。国外也得到广泛应用。

掺稀稠油输送方法优点明显，主要表现：1）工艺简单，具有经济性；2）降粘效果明显，工艺简单；3）若稀释比选取合适，可以实现常温输送；4）掺稀稠油脱水效果较纯稠油脱水效果明显得多。当然，掺稀稠油输送工艺也有它的缺点，即：1）在输送或稀释混合过程中可能会出现沥青质的析出；2）稠油和稀释剂品质的破坏；3）稀释剂的来源必须充足，并可能需要建设专门的管线把稀油等稀释剂输送至掺混点，这将增大前期的投入。

2.4 改性剂降粘法

改性剂降粘法是通过向稠油中掺入一定剂量的化学添加剂，改变或疏松稠油中沥青质胶束的结构或表面张力，使之流动性能得到很大的改善，能够在常温下进行长距离安全输送。常用的改性剂有两种：油溶性改性剂和乳化改性剂，且在国内外均得到一定的应用。

2.4.1 油溶性改性剂

油溶性降凝剂是基于原油降凝技术，在溶剂作用下，稠油中本为聚集状的沥青质胶束结构变得疏松，降粘剂在各种力的作用下深入胶束间隙之中，使聚集结构遭到破坏，聚集体变小。当有相对运动时，稠油分子与管道内壁及稠油分子之间的内摩擦力减小，即稠油粘度得以降低。

国内外研究开发和应用的一些降粘剂有：阿尔及利亚和利比亚混合油应用的 ECA-841流动改进剂（1969年）、胜利原油和中原油田从美国进口的PLC-102流动改性剂（1985年）、苏丹混合原油应用的CNPC No.9A流动改性剂（1998年）[11]、辽河油田从日本引进的 A-137和 V-220降凝剂（2001年）[12]、马惠宁管道输送的红井子和马岭地区混合油引进的Exxon8806/8361降凝剂（1986）[13]。

可以看出，国内外开发的流动性改性剂多为降凝剂，这类降粘剂是以降凝为主要目的的流动改性剂，能较有效的降低稠油的粘度和凝点，从而改善稠油的低温流动性能。这是因为在凝点附近改变腊晶的网状结构，在降低凝点的同时可以顺带降低粘度，但是对该类改性剂的加入量有一定的要求，当加入量较多时，会出现增稠现象。

2.4.2 乳化降粘剂

乳化降粘剂是一种表面活性剂，它可以降低油滴对水的表面张力，使原本油包水型乳状液转变为水包油型乳状液，稠油微粒稳定地悬浮在水中，显著降低，流动性能较大程度提高，有利于稠油的安全输送，同时又是一种比较经济的降粘方法。在选取合适的化学药剂时，需要综合考虑形成的乳状液的稳定性和破乳难易程度。许多研究人员通过实验发现，非离子表面活性剂的效果最好，形成的乳状液具有平均油滴直径较小，稳定性能较好，在适当条件下又易于破乳[14]。

据相关报道，世界上较早应用该工艺的输油管道为一条由美国德士古公司运营的直径200mm，长21km的管线，采用油/水=50:50形成的乳状液进行输送。国内常用乳化剂有J-50[15]、HRV[16]、J-50[17]、AE1910[18]、BN-99 等。

2.5 低粘液环输送方法

低粘液环输送原理是，在稠油进入管道输送之前掺入一定量的水等低粘不相容液体，为了在输送过程中形成液环，应控制油品输送速度在0.84～1.3 m/s范围内。这样在管道内壁处形成了一个水环，稠油则不与管壁接触而直接和水环接触，从而减小了流动的摩擦阻力，提高了稠油的流动性能，增加输油效率。自K.A.Clark最早发现高粘原油掺水长距离输送可以实现减少压头损失后，许多研究人员纷纷通过实验方法提出低粘液环输送高粘原油专利，如 Eke.Verschuur、James、F.H.Poettmann等，且这些专利均取得较好的减阻效果[19]。

据报道，该技术经过了大量的室内和现场试验，被认为是稠油输送方法中最为经济的方法[20]。但在长距离输送存在过泵破坏水环难题，为了克服该问题，一般在泵后管道上连接一个起旋器，利用旋转离心力使得水环再生。此外，还需要处理好管道腐蚀、结垢及到站脱水等问题。

2.6 超声波降粘输送技术

国内外许多研究人员对超声波降粘进行了较深入的研究，发现原油经超声波处理后，原油粘度得到12%～25%范围内不同程度的降低。还发现，当稠油中掺入活性水后，降粘效果较不掺有了较大程度的提高。尽管如此，该工艺的降粘规律仍不明朗，目前该方法处于实验室研究阶段，真正投入实际生产之前还有一些问题需要进一步讨论和研究。

孙仁远等人[21]分别利用辽河油田田坨首站外输油和胜利油田孤岛采油厂采出油进行了实验室研究，研究结果发现：随着实验温度升高，原油降粘效果有所降低；随着超声波处理时间的延长，降粘效果提高；当超声波对原油进行处理后粘度会有一定的回升，但幅度不大，也就说明经超声波处理的原油，其原油分子结构发生了改变。

2.7 微生物降粘技术

微生物降粘法[22]是以稠油中胶质、沥青质和石蜡为培养基，通过微生物的作用消耗高碳链的培养基而生成低碳链成分，实现大分子转化为小分子物质，降低粘度。早期微生物降粘技术是以石蜡为培养基而应用于采油中（Microbial Enhanced Oil Recovery，MEOR）期，以张延山教授为首的研究人员对沥青质和胶质作为培养基进行了一些探索研究工作，并取得了明显的效果。与化学降粘法相比，该技术具有降粘效率高，无二次污染等优势。

微生物降粘机理[57]包括四个方面：产气和溶剂、产酸和表面活性剂、调剖作用和产微生物胞外酶。影响微生物降解的因素有微生物种类、石油烃性质以及环境因素。

2.8 超临界CO2稠油输送技术

超临界CO2是近几年来迅速发展并获得应用的一种流体，它处于温度高于临界温度31.1 ℃和压力大于临界压力7.38 MPa下。该流体既具有类似于液体的高密度，又有与气体相当的低粘度和高渗透力，另外，它还具有溶解能力强和自扩散系数大等特点[24]，因而能够非常迅速地渗透到混合体系内部。超临界 CO2流体在石油领域的应用起始于油气的开采，提高原油的采收率。

李玉星等[25]对超临界 CO2超稠油降粘进行了综述，结果发现：1）在一定温度和压力条件下，稠油中掺入超临界 CO2后粘度显著降低，降粘率达到90%以上，且掺入比越大，降粘效果越好；2）温度和掺入比保持不变条件下，增大压力粘度明显降低，同样，保持压力和掺入比不变，提高温度，粘度迅速减小，但随着温度提高，粘度降低幅度减小；3）可以利用Lederer公式[26]较准确地预测溶解 CO2后稠油的粘度；4）超临界 CO2在稠油中的溶解度一般不超过124[27]，且随着压力增大而增大，随稠油密度减小而增大；5）可以利用 Chung[28]公式对稠油中超临界CO2的溶解度进行较准确预测和计算。

与传统稠油降粘输送技术相比，该方法具有很多优点[29]：来源广泛，成本较低；稠油输送目的地后CO2便于分离，且对稠油品质影响不大；降粘效果明显，有利于实现等温输送。

3 稠油输送方法选择

综上所述，稠油由于高粘使得输送成为难题，稠油输送方法也较多，但是最佳输送方法的选择需要进行深入研究方可决定，因为它需要考虑许多因素，如气候、电力供应、稠油种类、周围是否有稀油等资源等等。一般来说，需要考虑投资费用和操作费用而进行全面的经济分析，从中选出最经济合理的工艺方案。

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