超重油降粘中超声波作用的研究

徐德龙，邓京军，李超，白立新，丁彬，罗健辉



超重油降粘中超声波作用的研究

徐德龙1，邓京军1，李超1，白立新1，丁彬2，罗健辉2

中国科学院声学研究所，北京 100190；2.中国石油集团科学技术研究院，北京 100083)

以委内瑞拉超重油和新疆风城超重油为研究对象，进行了超声辅助降粘的研究。在实验中，制备了两类四种实验样品：分别掺入20%和30%柴油的两种委内瑞拉超重油样品、在O/W降粘体系下制备的委内瑞拉超重油样品和风城超重油样品。使用频率为18 kHz的超声变幅杆和24 kHz的超声清洗槽对上述四种实验样品进行超声处理，结果表明：1) 对掺入20%和30%柴油的委内瑞拉超重油，经过超声处理的超重油样品在20℃时粘度分别增高了25%和15%以上；2) 在O/W降粘体系超重油降粘中，风城超重油样品经过超声作用后，在20℃粘度降低了25%以上，而降粘剂的使用量可减少20%，超声辅助降粘效果明显；3) 在O/W降粘体系超重油降粘中，委内瑞拉超重油样品经过超声处理后，在14℃时，超声处理过的样品的粘度降低不高于25%，在高于这一温度的情况下则未观察到明显的粘度降低。文中对上述实验结果产生的原因进行了定性的分析。

超声波；超重油；降粘；降粘剂；O/W降粘体系

0 前言

随着世界石油资源的日益紧缺，超重油的开发利用越来越得到人们的重视。在我国已探明的储量中，超重油占有较大比重，尤其是西部地区，超重油比重更大。近年来，我国积极参与国际市场石油资源的竞争，获得的开发区块大多位于石油资源较为丰富的非洲、南美州，而这些区块的石油资源大多也是超重油。因此，如何降低超重油的表观粘度，改善超重油的流动性，不仅对超重油的开发和运输具有重要技术支撑，而且对我国获取更多可采储量石油资源有重要意义[1]。

超重油密度大、粘度高的特性使它的开采和运输的难度极大，常规的开采方法很难用于超重油的开采。为了解决超重油的开采、输运问题，人们已发展了可用于加热降粘，稀释降粘和表面活性剂降粘的超声、微波、电磁等多种降粘方法，这些方法与其他技术相结合，在一定的条件下均可降低稠油粘度，提高其流动性，从而提高采收率[2,3]。

作为原油降粘的物理方法之一，超声降粘利用在超声激励下产生的空化效应、机械效应、热效应而使原油产生显著的物理、化学变化，从而使之粘度下降，流动性增加。现有的超声波降粘的研究成果多以稠油为研究对象[4-8]，对超重油研究不多，而且迄今为止，除利用超声加热效应降粘以外的超声降粘的物理机理尚不清楚。此外，由于各油田产出油物理、化学性质的差异，这些成果还未得到良好的大规模应用效果。本文以南美委内瑞拉和新疆风城的超重油为研究对象，进行超声波辅助降粘的初步研究。

1 实验材料和仪器

本文中使用的实验仪器包括DVRV-III流变仪(Brookfield)，恒温水浴和小样适配器、天平、超声变幅杆(中国科学院声学研究所，18 kHz，实验中输入电功率150 W)、超声清洗槽(24 kHz，北京金星超声波设备技术有限公司，实验中输入电功率600 W)等。

原油样品包括委内瑞拉超重油、新疆风城超重油两种，其主要物理性质参数见表1。在实验中测得原油的原始粘温曲线见图1。从图1可看出，风城原油和委内瑞拉原油均为非牛顿流体，两者粘温曲线变化趋势相近，由于委内瑞拉原油的获取困难、运输成本高，因此在进行室内超声辅助降粘实验和现场试验时，可先期选用较易获得的风城原油进行实验。

在实验中，柴油掺混中所用的柴油为0#柴油，其粘温曲线见图2。在对柴油粘温曲线的测量过程中，还考察了粘度测量系统的影响因素：小样适配器底部温度和水浴温度的影响、剪切率和剪切应力的影响、转子类型和速率的影响、测试时间间隔的影响、测量系统的一致性和稳定性等，限于篇幅，在此不多述。通过这些工作，尽量排除粘度测量中的干扰因素，将原油粘度测量系统的测量误差降至最低。

在超声辅助O/W降粘体系降粘实验中，使用的是中国石油科学技术研究院研制的强亲油、弱亲水的活性大分子降粘剂，根据已建立的风城超重油O/W降粘体系下进行原油、水、降粘剂实验用乳化液的配制[9]。下文中“标准剂量”中原油、水、降粘剂掺混比例为10: 3: 0.2(重量比，下同)；“80%标准剂量”中油、水、降粘剂掺混比例为10: 2.4: 0.16。

表1 委内瑞拉和风城超重油物理性质

图1 委内瑞拉原油和风城原油粘温曲线

图2 0#柴油的粘温曲线

2 柴油稀释降粘中的超声作用

首先，对掺入柴油的委内瑞拉超重油样品进行了超声降粘实验。在实验中，首先将配好的原油样品装入100 ml的烧杯中。在超声变幅杆的处理中，将超声变幅杆浸入盛有原油样品的烧杯中进行处理，原油样品放在水浴中，保持温度不超过50 ℃；在超声清洗槽的处理中则是将烧杯浸入清洗槽中处理，清洗槽中液体是自来水，在实验前，先将水温升至50 ℃并保持稳定。

柴油稀释降粘中的实验结果见图3和图4。从图3中可知：(1) 对掺入20%(重量比，下同)柴油的委内瑞拉原油，经过超声变幅杆和超声清洗槽处理后的掺柴油，在20 ℃时，原油粘度升高25%以上；(2) 其中：超声变幅杆处理2 min后的原油粘度升高的最大；超声清洗槽处理3 min和15 min后的原油粘度升高的幅度次之；(3) 超声清洗槽处理3 min和15 min原油粘度升高的幅度相近。从图4可知，对掺入30%柴油的委内瑞拉原油，经过超声清洗糟处理3 min后，在20℃时，原油粘度升高15%以上。

图3 掺入20% 0#柴油委内瑞拉原油的粘温曲线

图4 掺入30％0#柴油委内瑞拉原油的粘温曲线

对原油样品经过超声处理后出现粘度升高的现象，有人曾观测到类似结果[10]，并且给出了最优输入功率、频率、处理时间等。造成这种现象可能的原因是：(1) 超声处理提高了原油中大分子量成分(如沥青质成分等)的溶解度，促进了其溶解；(2) 原油中大分子成分的溶解导致其屈服压力的升高，从而造成测量粘度的升高。(3) 另外，在使用超声变幅杆进行处理时，其高声强导致的温度过快升高造成原油中轻质油成分的挥发以及原油的焦化炭化也可使经过超声处理的超重油的粘度升高(本文对此在实验中采取降温措施予以避免)。

在现有的实验条件下，从实验结果可知，对掺入了20%和30%柴油的原油，经过超声作用不仅没有使其粘度降低，反而造成粘度升高，其中的机理和确切原因尚需进一步研究。可以确知的是，本实验条件下的超声处理不适用于掺柴油的委内瑞拉超重油辅助降粘。

3 O/W降粘体系中的超声作用

在超声辅助降粘剂降粘实验中，分别对掺入标准剂量和80%标准剂量的委内瑞拉和风城超重油O/W降粘体系进行了超声处理。在实验中，首先将配好的待处理样品装入100 ml烧杯中，在超声变幅杆处理中，将超声变幅杆浸入盛有样品的烧杯中进行处理，原油样品放在水浴中，保持温度不超过50 ℃；在搅拌处理中，将样品按照“水包油型稠油降粘剂技术规范”(中国石油天然气集团公司企业标准报批稿)搅拌1 min。图5、6分别是风城超重油和委内瑞拉超重油O/W降粘体系粘温曲线。

图5 风城超重油O/W降粘体系粘温曲线

图6 委内瑞拉超重油O/W降粘体系粘温曲线

由图5可知，风城超重油O/W降粘体系经过搅拌和超声变幅杆处理后，样品粘度从高到低顺序依次为标准剂量搅拌、80%标准剂量搅拌、80%标准剂量超声变幅杆处理1 min、标准剂量超声变幅杆处理30 s。与标准剂量搅拌相比(实际生产中常使用)，超声处理30 s和1 min后的粘度均降低了25%以上，由此可见，超声处理后，不仅对风城O/W降粘体系的降粘有显著促进作用，而且可以减少20%降粘剂的使用量。

由图6可知，委内瑞拉超重油O/W降粘体系经过搅拌和超声变幅杆处理后，在14℃时样品粘度从高到低顺序依次为标准剂量搅拌、80%标准剂量搅拌、标准剂量超声变幅杆处理30 s、80%标准剂量超声变幅杆处理1 min，在这一温度下，超声辅助降粘效果明显。在高于14℃ 时，上述四种处理方法后的样品的粘度差异无明显规律，并且有的在相同温度下粘度值相差不大。

委内瑞拉超重油降粘效果不明显的主要原因是实验中所用的O/W降粘体系主要是针对风城原油制备的[9]。这种大分子活性降粘剂在用于委内瑞拉原油时的效果不如应用在风城原油效果好。由此可见，在超重油降粘中，适合的降粘O/W降粘体系中降粘剂的选择相当重要的，它不但影响到原油的降粘效果，也直接影响到超声辅助降粘的效果。从O/W降粘体系的制备来说，委内瑞拉原油和风城原油是有不同的，因此需要对委内瑞拉原油制定O/W降粘体系。

4 结论和讨论

以委内瑞拉超重油和风城超重油为研究对象，本文进行了超声辅助降粘实验，考察了降粘效果。得出了以下结论：

(1) 委内瑞拉超重油和风城超重油的粘温曲线相似，在超声辅助降粘的室内实验和现场试验中，可先期使用较易获取的风城超重油进行实验；

(2) 在超声波辅助掺柴油的委内瑞拉超重油降粘中，经过超声处理的掺入20%和30%柴油的委内瑞拉超重油，在20 ℃时粘度分别增高了25%和15%以上。由此可见，超声处理不适用于这种情况下的辅助降粘。经过分析，认为造成这种现象的可能原因是：超声处理提高了原油中大分子量成分(如沥青质成分等)的溶解度。这也说明在将超声用于超重油降粘时是具有适用条件的，其物理机理尚需进一步研究。

(3) 在O/W降粘体系降粘中，风城超重油经过超声作用后，粘度降低了25%以上，降粘剂的使用量可减少20%，超声辅助降粘效果明显。

(4) 委内瑞拉超重油经过超声处理后，在14 ℃时，粘度降低不高于25%，在高于这一温度时则无明显的降粘作用。主要原因是委内瑞拉超重油和风城超重油的O/W降粘体系是不同的，而该降粘体系主要是为风城超重油研制的。由于降粘剂与委内瑞拉超重油没有形成稳定、均匀的悬浊液，在实验中，重油有时从体系中脱离，包围在流变仪转子周围，造成了粘度读数上下波动较大。对风城超重油则没有这种情况。

从本文的实验中可看出，在使用超声降粘时，除去超声作用的时间、频率、功率、声场的分布等超声自身的差别以外，能否取得明显的效果还要取决于超声应用对象的具体条件(原油性质、降粘体系等)。要想在较大范围、较广泛的应用对象上取得较好的降粘效果，还需对超声降粘的机理(如超声对原油中蜡质成分分布结构的改变、对胶质和沥青质等大分子量成分溶解度的改变、对原油剪切率和剪切应力的改变，对结构不同的烃组分分子链的改变、对C-H、C-C键的改变等)进行深入的研究。

致谢：本文实验中所用的委内瑞拉超重油、风城超重油和活性大分子降粘剂由中国石油集团科学技术研究院油化所提供，在此表示感谢！

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Effects of ultrasonic wave on viscosity reduction for Venezuela and Fengcheng ultra heavy oil

XU De-long1, DENG Jing-jun1, LI Chao1, BAI Li-xin1, DING Bin2, LUO Jian-hui2

(1. Institute of Acoustics, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100190, China; 2. Research Institute of Science and Technology, China National Petroleum Corp, Beijing 100083, China)

In this paper, the effects of ultrasonic wave on viscosity reduction for Venezuela and Fengcheng ultra heavy oil are studied. Four types of ultra heavy oil examples are prepared for experiments:80% Venezuela ultra heavy oil with 20% 0#diesel (Example I), 70% Venezuela ultra heavy oil with 30% 0#diesel (Example II), the oil-in-water (O/W) for Venezuela and Fengcheng ultra heavy oil(Examples III and IV) by using active macromolecule viscosity reducer. In the experiments, these four types of examples are irradiated by ultrasonic horn (18kHz) and ultrasonic bath (24kHz) respectively. Here are the results: (1)the viscosity of Example I irradiated by ultrasonic wave is 25% higher than that un-irradiated at 20℃, for Example II, 15% higher. (2) the obvious effects of ultrasonic wave on reducing viscosity can be observed for Example III whose viscosity irradiated by ultrasonic wave is 25% lower than that un-irradiated at 20℃ and 20% less quantity of active macromolecule viscosity reducer is needed. (3) For Example IV, no obvious effects are observed except at 14℃, where less than 25% viscosity reduction is observed for that irradiated by ultrasonic wave. The reason of the phenomenon observed in this paper is analyzed qualitatively.

ultrasonic wave, ultra heavy oil, viscosity reduction, viscosity reducer, oil-in-water viscosity reduction

A

1000-3630(2014)-06-0517-05

10.3969/j.issn1000-3630.2014.06.008

2013-09-30;

2013-12-04

国家科技重大专项课题(2011ZX05032-003)、国家自然科学基金面上项目(11474305)资助。

徐德龙(1976－), 男, 山东蓬莱人, 博士, 副研究员, 研究方向为处理超声学及工程应用。

徐德龙, E-mail: xudelong@mail.ioa.ac.cn