超声波处理对辽河油田稠油黏度的影响

李 莹，赵德智，宋官龙，郝明阳

（辽宁石油化工大学 石油化工学院，辽宁 抚顺 113001）

超声波处理对辽河油田稠油黏度的影响

李 莹，赵德智，宋官龙，郝明阳

（辽宁石油化工大学 石油化工学院，辽宁 抚顺 113001）

采用变幅杆式声化学反应器进行了辽河稠油超声波降黏的实验研究，考察了超声反应时间、反应温度对辽河稠油降黏率的影响，分析了超声波对稠油降黏的可能机理。并考察了在超声作用下含水稠油与脱水稠油降黏率的关系，超声波作用对稠油 C7沥青质和甲苯不溶物的影响。确定了最优的反应条件，稠油经超声反应4.5 h，温度300 ℃，处理后50 ℃时降黏效果最佳，且C7沥青质和甲苯不溶物含量均较低。

超声波；稠油；降黏率；C7沥青质；甲苯不溶物

由于稠油黏度高且具有大型聚合体结构，使其在开采和输送等方面受到制约，直接影响稠油输送的成本和效益[1,2]。降低稠油黏度，减少输送成本以成为亟待解决的问题。随着超声波技术的快速发展，超声波的物理化学效应受到广泛关注[3]。其在石油产品中的作用成为人们研究的热点。Mullakaev等[4]在超声波作用下对各种不同原油的黏温性能进行了研究，通过增加反应时间来增加超声效率使黏度显著降低。钟伟华等[5]研究了减压渣油的降黏实验，实验证明超声波作用时间越长，输出电压越大，降黏率越高。Sun[6]和Gunal[7]等提出在超声波的作用下重质油的黏度降低。张龙力等[8,9]运用超声波对中东常压渣油进行处理，使其胶体的稳定性得到改善，沥青质的含量、结构均发生变化。Wang[10]课题组和Pawar等[11]也深入研究了超声波对黏度的影响。本文主要研究超声波处理辽河稠油黏度变化及其降黏机理，超声波作用于液体介质中，具有空化作用、热效应、机械振动及乳化等作用[12-14]。为油品反应提供着起重要作用的物理化学环境。

1 根据黏度定义分析超声波降黏的机理

1.1 黏度定义

黏度可以衡量流体的黏滞性，是流动力在流体内部的一种摩擦现象。内摩擦力大，分子量越大，碳氢结合越多，黏度也就越大。当馏出温度相同时，烷烃含量高的油品黏度低，黏度指数高，且黏温性能良好；环烷烃、芳烃及胶质含量高的油品黏度高，黏温性能差，黏度指数低；根据黏度的定义，要使油品黏度降低就要降低其内部摩擦力，减小分子量，减小碳氢结合，降低稠油中环烷烃、芳烃及胶质的含量，从而使黏度指数升高，使稠油黏度下降。

1.2 超声波降黏机理

第一，超声波的机械振动起到均化和搅拌的作用，使空化气泡发生强烈振动并伴有辐射流和微冲流，削弱了液体表面的张力及摩擦力，使固液界面层被破坏，即机械振动很好的降低了稠油的液体表面摩擦力。而使黏度降低。第二，空化作用使稠油中的微小气泡核发生崩溃，并在瞬间形成强烈的高温高压和局部的冲激波。使稠油中的沥青及长链石蜡烃等大分子基团断裂，同时破坏稠环芳烃稳定的盘状芳环结构，使氢／碳的原子比增大，沥青质和胶质分子的尺寸减小，环烷烃、芳烃的含量减少，分子量明显降低，从而使稠油黏度减小。使稠油黏度降低。综上所述超声波降黏机理符合黏度定义中的降黏本质。在超声波作用下，空化作用使得生成的烷烃、烯烃、环烷烃（或芳烃）等继续发生裂解反应生成更小的分子基团，不发生缩合反应，故不是缩合成沥青质进而生成焦炭。所以实验中沥青质的含量和甲苯不溶物均逐渐降低。

2 实验部分

2.1 实验原料及仪器

实验原料为辽河稠油，其基本性质见表1。

表1 实验原料的基本性质Table 1 Basic properties of the experimental raw materials

变幅杆式超声波处理器，成都超声波研究所；NDJ-79型旋转式黏度计，上海平轩科学仪器有限公司；GSH-0.25型反应釜，上海岩征实验仪器有限公司；电子称，深圳安衡衡器电子有限公司；HH-4数显恒温水浴（油浴）锅，常州澳华仪器有限公司；索氏抽提器，台州市椒江玻璃仪器厂。实验装置如图1所示。

图1 超声波反应实验装置示意图Fig.1 Schematic diagram of the experimental apparatus of ultrasonic reaction

2.2 实验条件及测定方法

实验条件：取辽河稠油250 mL，超声功率1 kW，反应温度80～300 ℃，反应时间0～6 h等条件下进行辽河稠油超声降黏实验。

测定方法：超声波对辽河稠油黏度作用效果可用降黏率 来表示，其计算公式为

其中：μ—辽河稠油经超声处理后的黏度，mPa·s;

γ—降黏率，%；

μo—开始反应时稠油黏度，mPa·s。

3 实验结果与讨论

3.1 超声时间对降黏效果的影响

变幅杆超声波反应器的处理面积较小，超声空化的累积作用随反应时间的增加效果越好。研究超声功率1 kW，反应温度190 ℃时，超声波作用0、2、4、6 h时油样的50 ℃黏度，结果如图2所示。

图2 超声波作用下稠油黏度随时间的变化关系曲线Fig.2 Change of heavy oil viscosity reduction rate with time under ultrasonic treatment

由图2可知，超声反应温度为190 ℃，超声功率1 kW，50 ℃下处理后的原料随超声波作用时间的增加，降黏率先上升后保持平稳，超声波的裂解降黏有一个恰当的处理时间，在达到此时间以前，随着反应时间的增加稠油的降黏效果由比较显著变为稳定状态。超声处理4.5 h左右具有最好的降黏效果，因为在开始反应阶段随反应时间的增加，稠油分子的碰撞次数增加，由于超声波具有集聚作用，所以反应初期降黏率逐渐增加。当反应达到一定时间时，因为反应温度一定，因此体系的裂化和缩合常数并不发生改变。所以降黏率趋于稳定状态，表现为稠油降黏率不再增加。

3.2 超声温度对降黏效果的影响

稠油的黏度是温度的函数，当超声功率1 kW，超声时间为2 h，经反应温度分别为80、190、300 ℃处理后原料 50 ℃下的稠油的降黏率的变化曲线，结果如图3所示。

图3 超声波处理稠油温度与降黏率（50 ℃)的关系变化曲线Fig.3 Relationship between heavy oil temperature and viscosity reduction rate (50 )℃ under ultrasonic treatment

由图3可知，原料经超声波处理后，随着反应温度的增加稠油降黏率逐渐增加。由 0～300 ℃降黏率增加约40%，而在无超声辐照下，原料380 ℃以前黏度变化较小，由此可见超声波可以降低稠油黏度，其具有的机械混合、强化传质及空化裂化作用在超声波处理过程中具有主要作用。

3.3 超声波作用下含水稠油与脱水稠油黏度的变化关系

超声功率1 kW，超声时间2 h，反应温度为40、80、120、160 ℃，压力1 MPa（保证水为液态且压力对稠油黏度的影响不大），处理后含水稠油（含水量10%）和脱水原油在50 ℃下的降黏率变化，结果如图4所示。

图4 超声波作用下含水稠油与脱水稠油的降黏率变化曲线Fig.4 Viscosity-reducing ratio variation curve ofwater-bearing and dehydrated heavy oil with the processing of ultrasonic

由图4可知，超声处理后原料在50 ℃时含水原油的降黏率远高于脱水原油的降黏率。含水原油超声作用下反应温度有 20～160 ℃时降黏率增加了70%，而脱水稠油的降黏率只增加了20%。其原因是超声波作用于含水稠油时，会形成自由基反应，重组分裂化为轻组分，使稠油的降黏率升高。在脱水稠油中，在反应初期温度较低，空化裂化作用小，黏度变化小或基本不变。随着反应的进行，空化裂化作用增加，因此黏率增加的会比较明显。

3.4 超声处理后稠油的C7沥青质的含量变化

对超声处理后的原料进行正庚烷抽提，测得C7沥青质含量变化关系曲线，结果如图5所示。

图5 超声处理后稠油的C7沥青质的含量的变化关系曲线Fig.5 Relationship curve of the content of C7asphaltene in heavy oil after ultrasonic treatment

由图5可知，C7沥青质的含量随着超声波的作用时间增加而逐渐降低，超声2 h之内C7沥青质的含量下降的比较明显，由 3.756%下降到 1.259%。由2 h到4 h下降的比较缓慢，由0.916%下降到0.132%。其降低原因是由于超声波的物理效应使沥青质的单元体间的缔合结构受到破坏，进而沥青质结构单元的缔合数量减少，缩小了沥青质和其他组分间的芳香性的差距，使稠油中沥青质的含量降低。在一定程度上提高了稠油的品质。实验结果符合Gunal等[15]关于超声波使沥青质含量降低的实验。

3.5 超声处理后稠油的甲苯不溶物含量的变化

对超声波处理后的原料进行甲苯抽提，得到甲苯不溶物的含量变化曲线，结果如图6所示。

图6 超声处理后稠油的甲苯不溶物含量的变化曲线Fig.6 Change curve of toluene insoluble content in heavy oil after ultrasonic treatment

由图6可知，随着超声波作用时间的增加甲苯不容物的含量逐渐降低，在超声波作用下，空化作用产生的高温高压和冲击波使得生成的烷烃、烯烃、环烷烃（或芳烃）等继续发生裂解反应生成更小的分子基团，不发生缩合反应，故不是缩合成沥青质进而生成焦炭。所以甲苯不溶物均逐渐降低。

4 结 论

（1） 超声反应4.5 h左右时稠油的降黏率最佳，反应温度300 ℃降黏率高达40%。超声处理后50 ℃时降黏效果最好。

（2）超声波能降低稠油体系的黏度，降黏机理主要为机械振动作用和空化作用，机械振动作用降黏导致体系产生了物理变化，空化作用降黏使体系发生化学变化。

（3）超声波作用降低稠油黏度对稠油的高效开发及炼制都具有重要意义，使稠油的开采和运输成本得到极大的降低。

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Effect of Ultrasonic Treatment on the Viscosity of Heavy Oil From Liaohe Oilfield

LI Ying, ZHAO De-zhi, SONG Guan-long, HAO Ming-yang

(College of Petrochemical Engineering, Liaoning Shihua University, Liaoning Fushun 113001, China)

The experimental study on ultrasonic viscosity reduction of Liaohe heavy oil by using the variable spoke sound chemical reactor was carried out. The influence of ultrasonic reaction time and reaction temperature on the viscosity reduction rate of Liaohe heavy oil was investigated. The possible mechanism of ultrasonic on the viscosity reduction of heavy oil was analyzed. The relationship between the viscosities of water-bearing heavy oil and dehydrated heavy oil under the action of ultrasonic was investigated. The effect of ultrasonic wave on C7asphaltene and toluene insoluble substance was investigated. The optimum reaction conditions were determined as follows: the ultrasonic reaction time 4.5 h, the ultrasonic temperature 300 ℃. After treatment under above conditions, the viscosity reducing effect of heavy oil was the best at 50 ℃, and the content of C7and toluene was lower.

ultrasonic; heavy oil; viscosity reduction; C7asphaltene; toluene insoluble substance

TE 624

A

1671-0460（2016）12-2751-04

中海油重大科研攻关项目“渣油悬浮床加氢反应器设计开发及反应机理研究”，项目号：HLOOFW(P)2014-0005。

2016-09-06

李莹（1991-）, 女, 辽宁铁岭人, 读硕士研究生，从事超声波在重质油加工方面研究。E-mail: 2631217272@qq.com。

赵德智（1959-），男，辽宁鞍山人，教授，从事重油加工工艺研究。E-mail: fszhaodezhi@163.com。