油蜡混合物的性质研究

朱方达 任翌劼

摘 要：油蜡混合物性质的研究是制定清管方案的基础。目前，一些实验通过原油和白蠟掺混制备混合物进行模拟，但物性与实际管道蜡沉积物有所差别。为了使研究结果更贴近实际，以管输原油和球前蜡沉积物为实验原料。通过研究熔蜡温度对油蜡混合物析蜡特性、显微特性和屈服特性的影响，发现熔蜡温度越高，蜡晶在混合物中溶解越充分，微观条件下混合物的长径比增大，盒维数减小，导致低温下相同条件油蜡混合物的强度降低屈服应力减小。从宏观和微观角度对油蜡混合物的性质进行分析，对于制定清管方案具有一定意义。

关 键 词：析蜡特性；显微特性；屈服特性

中图分类号：TE 624 文献标识码： A 文章编号： 1671-0460（2016）08-1732-04

Abstract： Research on properties of the wax-oil mixture is the foundation to develop pigging plan. At present， the mixture of white oil and candle wax is always used in the experiments， but its properties are different from wax deposits in actual pipeline. To make the experiment more close to the actual condition， crude oil and field wax deposit were used as raw materials. The impact of wax melting temperature on wax precipitation characteristics， microscopic characteristics and yield characteristics of the mixture was studied. The results show that， the higher the wax melting temperature is， the better the wax melting effect is. The aspect ratio of wax crystal particles increases， meanwhile， the area fraction and yield stress decrease. Analysis on properties of the wax-oil mixture from macro and micro perspectives has certain significance for making pigging plan.

Key words： wax precipitation characteristics；microstructure characteristics；yield characteristics

目前，管输含蜡原油主要采用加热输送工艺，较高的输油温度将会导致能耗增加，而较低的输油温度将会使得原油中的蜡晶析出附着于管壁上，易造成蜡堵事故，从而增加了管道的运行风险。为了确保管道安全运行，合理制定清管方案，需要综合衡量含蜡原油的热历史和含蜡量对其流变特性和屈服特性的影响。

前人针对热历史和含蜡量对于原油物性的影响已经有了一定程度的研究[1，2]，但较少有人结合蜡晶的微观形态，分析蜡晶微观结构与原油析蜡特性和屈服特性之间的相互影响。对于目前出现的低输量及降温输送高含蜡原油的情况，管输含蜡原油流动安全保障变得尤为重要，国内也进行过一些探索性研究。但是，这些研究尚不具有普遍适用性，有待进一步研究。文章从含蜡原油析蜡特性、显微特性和屈服特性出发，探讨了热历史和含蜡量对于含蜡原油物性的影响，研究成果对于制定清管方案、确保管道安全运行具有一定意义。

1 实验过程

1.1 实验原料的准备

实验油样取自现场原油管道。实验蜡样取自管道清管球前堆积的蜡沉积物。油样和蜡样的常规物性分别见表1和表2。将蜡样切至薄片，油样用1 000 mL烧杯装样固定于恒温水浴中预热5 min，水浴温度为实验温度。预热完成后启动搅拌装置，将薄片蜡样以恒定速度逐步加入烧杯中制备油蜡混合物，搅拌转速为800 r/min，使用四叶桨式转子，叶片直径为50 mm。蜡样全部投入油样后，延长10～15 min加热时间，保证蜡样的溶解效果。

1.2 实验仪器及方法

（1）差示扫描量热（DSC）实验：采用美国TA公司生产的TA 2000/MDSC 2910差示扫描热量仪，控温精度为±0.1 ℃，热流精度为0.1 μW。DSC用来测量油蜡混合物的析蜡点和含蜡量[3]。用铝制坩埚装样4～8 mg，压实密封后放入DSC坩埚池中加热至80 ℃，恒温1 min后匀速降温至-25 ℃，降温速率为5 ℃/min。测试完成后，经转换计算得到油蜡混合物的析蜡点、含蜡量以及相关析蜡特性数据。

（2）显微观察实验：采用日本Nikon公司生产的OPTIPHOT2-POL型透射光偏光显微镜，配套Linkam PE60冷热台，控温精度为±0.1 ℃。显微观察实验用于观察蜡晶微观形态和结构。实验前将载玻片置于显微镜冷热台上预热至熔蜡实验温度，恒温1～2 min后用细胞刮子蘸取试样进行刷片，静置2 min待试样均匀散开，以1 ℃/min的速率降温至40 ℃，静置两分钟后，选择载玻片不同区域进行显微拍摄。将所拍摄的蜡晶显微图像保存后，导入基于数学形态学的图像处理软件ImageJ，进行蜡晶形态相关定量参数的提取[4]。

（3）屈服应力实验：采用德国Anton Paar GmbH公司生产的控制应力流变仪RheolabQC，四叶浆式转子（vane），测试系统为 ST10-4V-8.8-SN20662，其原理见文献[5]。控温水浴为德国Julabo公司生产的F32-ME水浴，控温精度为±0.1 ℃。将制备好的油蜡混合物倒入事先已预热至熔蜡试验温度的配套转筒中，通过旋转卡口固定于流变仪中，恒温2 min，以1 ℃/min的速率匀速降温至测试温度，恒温60 min，开始屈服应力测试程序。程序采用控制应力对数加载方式，初始测试应力0.1 Pa。应变曲线由平缓至陡升的转折点所对应的剪切应力称为试样的屈服应力，图1中已用黑色方框标注出来。

2 油蜡混合物的制备敏感性实验研究

油蠟混合物的物性受到多种因素的影响，为了研究掺蜡比例、熔蜡温度、终冷温度对混合物的析蜡特性、显微特性以及屈服特性的影响，将进行一下实验。实验条件包括，按质量比例30%、50%、70%分别取油样和蜡样若干克分别称重，保证两者总质量为600 g制备油蜡混合物；熔蜡温度为60、70、80 ℃；终冷温度为20、30 ℃。

2.1 析蜡特性研究

熔蜡温度较低时，油蜡溶液的饱和溶解蜡晶含量较小，因此掺蜡比例50 %、70 %的油蜡混合物中的大量蜡晶无法充分溶解以形成均一的油蜡溶液，为了保证较好的熔蜡效果。在60 ℃下制备掺蜡比例30 %的油蜡溶液一组，70 ℃下制备掺蜡比例30 %、50 %的油蜡溶液各一组，80 ℃下制备掺蜡比例30 %、50 %、70 %的油蜡混合物各一组，油蜡溶液制备完成后立即取样进行差示扫描量热（DSC）实验，结果见图2。

由图2可知，不同熔蜡温度下制备得到的油蜡混合物的析蜡点、析蜡高峰点和含蜡量随熔蜡温度的升高而增大，且含蜡量越高，析蜡点越高。造成以上实验结果的原因主要是：在一定温度下，饱和的油蜡溶液中的蜡晶含量是一定的，且温度越高，溶解的蜡晶会越多，因此随着熔蜡温度的升高，同一掺蜡比例下的油蜡溶液含蜡量越大。熔蜡温度较低时，虽然油蜡溶液中已经没有肉眼能观察得到的未溶解的蜡晶颗粒团，但是其相比于高温下的熔蜡效果，溶解的蜡晶颗粒较大，且蜡晶颗粒分散度的均匀性较差，由于DSC测试试样在mg数量级上，因此测试结果的含蜡量偏低。

2.2 蜡晶显微特性研究

在60、70、80 ℃下制备三组掺蜡比例30%的油蜡混合物，70、80 ℃下制备两组掺蜡比例50%的油蜡混合物，80 ℃下制备一组掺蜡比例70%的油蜡混合物。每次熔蜡实验完成后，立即取样进行显微观察实验，掺蜡比例30 %、50 %的油蜡混合物在40 ℃下的显微测试结果见图3。

面积盒维数和周界盒维数反应了蜡晶形态与结构的不规则特征，其数值越大表征结构越复杂。长径比定量表征蜡晶的形状，其数值越大说明蜡晶形状更接近长棒状。由图3可知，随着熔蜡温度的降低，相同掺蜡比例下的油蜡混合物的蜡晶盒维数增大，长径比减小，说明熔蜡温度越低，蜡晶颗粒相对较大，颗粒的聚集程度较大，因此边界盒维数以及面积盒维数的数值较大，表明油蜡混合物中的蜡晶结构更复杂，结构的强度越大。

2.3 屈服特性测试

在70 ℃、80 ℃下制备掺蜡比例30 %、50 %的油蜡混合物各一组。每次熔蜡实验完成后立即取样进行屈服应力测试，掺蜡比例30 %、50 %的混合物的屈服应力测试温度分别为20 ℃和30 ℃，结果见图4。

由图4知，同一掺蜡比例油蜡溶液的屈服应力值随熔蜡温度的升高而减小。造成上述实验现象的原因是：热历史的影响能够影响油蜡混合物在低温下析出蜡晶的大小、形状、聚集状态和蜡晶之间的相互作用，由于油蜡混合物经历的热历史不同导致在相同终冷温度下的屈服值不同。结合上文蜡晶显微实验结果，熔蜡温度越低，蜡晶的长径比越小，其端部与蜡晶表面之间的作用面积大，颗粒之间的作用力越大；蜡晶的盒维数越大表明其三维网络结构越复杂，易形成较强的网络结构，从而导致屈服应力增大。

3 实验结论

（1）相同掺蜡比例油蜡混合物的析蜡点、析蜡高峰和含蜡量随熔蜡温度的升高而增大。

（2）对于同一掺蜡比例的油蜡混合物，随着熔蜡温度的降低，油蜡混合物的盒维数增大，长径比减小。

（3）热历史的影响能够影响油蜡混合物在低温下析出蜡晶的大小、形状、聚集状态和蜡晶之间的相互作用，同一掺蜡比例油蜡溶液的屈服应力值随熔蜡温度的升高而减小。

参考文献：

[1] 李鸿英， 丁建林， 张劲军. 含蜡原油流动特性与热历史和剪切历史的关系[J]. 油气储运， 2008， 27（5）： 16-20.

[2] 王飞飞， 王岳， 翁蕾， 等. 有剪切历史和热历史加剂原油的流变性[J]. 油气储运， 2010， 29（5）： 327-328+330.

[3] 李鸿英， 黄启玉， 张帆， 等. 用差示扫描量热法确定原油的含蜡量[J]. 石油大学学报（自然科学版）， 2003， 27（1）： 60-62.

[4] 冯颉. 原油蜡晶显微观察实验改进及蜡晶特征参数研究[D]. 北京：中国石油大学（北京）， 2011.

[5] Juyal P， Cao T， Yen A， et al. Study of live oil wax precipitation with high-pressure micro-differential scanning calorimetry[J]. Energy & Fuels，2011， 25（2）： 568–572.