重油输送过程流动性改进方法概述

鄂宇恒，毕秦岭，王路海，张艳梅

（中国石油天然气股份有限公司石油化工研究院，北京 102200）

重油是指密度和粘度比常规原油高很多的重质石油资源。世界已探明重油可采储量远比常规石油可采储量丰富[1-2]。近年来，随着全球石油资源劣质化趋势不断加剧，重油已经成为委内瑞拉、加拿大、俄罗斯等国家原油输出的主要支柱[3]。但是重油具有粘度大、流动性差等缺点，这为开采、输送和后续加工过程带来很大困难。因此降低重油粘度，改进重油流动性，实现其低成本开采和输送是重油大规模加工利用需解决的首要问题。

目前重油流动性改进方法大致有三种：一种是物理法，常用的有加热法和掺稀法等；第二种是添加剂法，例如向重油中添加油溶性降粘剂、减阻剂、降凝剂、表面活性剂等；第三种是通过加氢或者脱碳工艺的改质降粘。

1 加热法

加热法是在输油管线加上蒸汽伴管，用提高温度的方法降低粘度。

1.1 机理

因为重油粘度对温度极其敏感，适当提高温度可大幅度降低重油粘度。随着温度升高，重油粘度显著下降。加热法因其效果显著获得广泛应用[4]。

1.2 存在问题

加热过程能耗很高，约有1%的原油被用做热源[4]，在寒冷地区则更多，同时需要建设加热站，投资较大，此外，还存在加热管腐蚀、管道结焦等问题，可能会导致停工和其他安全隐患。

2 掺稀法

掺稀法是在开采输送过程中掺入轻质油品[4]（多为凝析油、石脑油等）用以降低粘度，改善重油流动性的输送方法。

2.1 原理

掺稀法采用相似相溶和稀释的原理[5]：相似组分的稀油更容易与重油互溶，且稀油的加入降低了重油中胶质沥青质的浓度，因而可以降低重油粘度。

2.2 优点

掺稀法有着轻质油成本低，供应充足，降粘效果好等优点，同时在停输期间不会发生油品凝结现象[6]。

2.3 缺点

所掺入的稀油需要循环使用，即在起点加入的同时要在终点将轻油蒸馏出来并输送回起点，这一蒸馏和输送过程增加了能耗，提高了输送成本，同时掺稀前后都要经过脱水，操作复杂，也会增加成本[7]。

2.4 前景

重油掺稀输送已经在加拿大、委内瑞拉、美国以及我国新疆等油田广泛应用[4]。

3 油溶性降粘剂

3.1 机理

降粘剂分子由高碳数烷基主链和带有极性基团的侧链组成[8]。主碳链可以增加油溶性，侧链极性基团具有很强的氢键形成能力和渗透分散作用，很容易插入到胶质和沥青质的分子之间，与胶质、沥青质分子形成更强的缔合氢键，拆散平面重叠堆积的聚集体，降低聚集体结构有序程度，从而降低粘度[9-10]。

3.2 种类[11]

油溶性降粘剂主要分为不饱和单体的均聚物和共聚物[10]。均聚物包括聚丙烯酸酯类和聚丙烯高碳醇类[12]等；共聚物包括乙烯-醋酸乙烯酯共聚物、烷基苯乙烯-丙烯酸高级酯共聚物、苯乙烯-马来酸酐-丙烯酸高级酯聚合物等[13-15]。

3.3 存在问题

降粘剂存在很强的选择性，适用范围窄[15]，机理研究不透彻，如何解决降粘剂适用范围的问题至关重要。生产成本高，对于成本低、效果好的降粘剂的开发也需要进一步探索。

4 减阻剂

4.1 机理

减阻剂加入油品后处于具有弹性的卷曲状态，它的存在使得湍流状态下原油中的各级旋涡把能量传递给减阻剂分子，使减阻剂分子发生形变，将能量存储起来。减阻剂分子把力释放出来，维持原有的湍流状态，减少了外界为此过程提供的能量，降低了重油输送过程中的阻力，因此减阻剂只有在湍流状态时才发挥作用[16-17]。

4.2 种类

减阻剂的种类很多，包括聚乙烯、聚丙烯、聚异丁烯、十二烯-辛烯共聚物、丁烯和异戊二烯共聚物等[18]，以及近年来研发出的具有抗剪切能力的分子缔合型减阻剂。

4.3 优点

减阻剂具有效果好、投资少、能耗降低等优点。

4.4 缺点

目前减阻剂存在制备成本高、抗剪切能力差、无法获得普适性等问题[19]。

5 降凝剂

原油中的蜡在温度降低时结晶析出，蜡晶相互作用形成空间网状结构，增大了分子间作用力，使得油品流动性变差。降凝剂的作用是改变蜡晶的尺寸和形状，阻止其形成空间网状结构，增强重油流动性[20]。

5.1 机理

5.1.1 晶核作用[21]

降凝剂分子先于蜡结晶析出，并起晶核作用成为蜡晶发育的核心，使重油中产生更多的小蜡晶，阻止大蜡晶的形成，从而改善流动性。

5.1.2 吸附作用

降凝剂吸附在已经析出的蜡晶晶核中心，改变蜡进一步结晶的取向，减弱蜡晶间的粘附作用。

5.1.3 共晶作用

降凝剂和蜡共同析出，改变蜡结晶的行为和取向，使蜡在降凝剂分子的烷基链上结晶，减弱蜡晶继续发育的趋势。当降凝剂烷基链碳数和蜡分子链的碳数相等时，降凝效果最好。

宋昭峥[22]认为，降凝机理可以同时存在，不只是一种机理在起作用：在蜡形成晶核时，降凝剂起晶核作用而产生降凝效果；在蜡晶增长阶段，共晶和吸附机理中的一种在起作用，或者两者同时起作用。

5.2 种类[23-24]

5.2.1 表面活性剂型

表面活性剂型包括石油磺酸盐、聚氧乙烯烷基胺等。这类降凝剂通过蜡晶表面原理，使蜡不易形成遍及整个体系的网状结构，从而起到降凝作用。

5.2.2 聚合物型

聚合物型主要包括长链烷基萘、聚α烯烃、酯类聚合物等。此类聚合物通过与石蜡共晶作用的机理，使得蜡晶晶形产生扭曲，阻碍蜡晶进一步形成网状结构，起到降凝作用。

5.3 存在问题[25]

目前，对降凝剂机理认知不够全面，大多数降凝剂成本高昂，目前开发的降凝剂选择性较强，适应性不够，开发费用偏高。

6 表面活性剂（乳化降粘）

6.1 机理

由于油品中含有天然的乳化剂（包括胶质、沥青质、环烷酸等），当原油含水之后容易形成油包水（W/O）型乳状液，使原油粘度急剧增加。当加入表面活性剂之后，油品从W/O乳状液转变成O/W型乳状液，乳状液的粘度只与水溶液和管壁的摩擦有关，因而大幅度降低重油粘度[26]。

6.2 优点

工艺成熟简单，成本低，降粘效果好[27]，具有良好前景。

6.3 存在问题

后续处理涉及到破乳过程，如果处理不当重油会重新聚集；同时需消耗大量水资源，增加脱水成本[28]。

7 改质法

改质法是用脱碳或加氢工艺处理重油，目的是从根本上降低重油粘度和凝点，而不是生产产品[29]。

7.1 机理

改质原理是对重油进行热裂化、催化裂化或加氢裂化等反应，使得重油中高粘度的大分子裂化为低粘度的小分子产物，从根本上降低重油粘度和凝点，增强重油流动性。

7.2 优点

流动性改进效果非常好，且这种改变来自重油组成发生根本变化，相比于化学添加剂有更好的适应性。

7.3 缺点

需要大量投资建造改质装置，成本过高。

8 比较

上述各种方法分别存在优缺点，总体而言，添加剂法（减阻剂、降粘剂、降凝剂、表面活性剂）添加方便，不需要过多设备投资，但普适性较差，需要针对不同油品开发专属产品，效果因油而异。加热和掺稀法常常搭配使用，相比添加剂而言消耗更多能源，针对所有油品都有显著效果。效果最好的改质法需要投入大量资金建造改质厂，耗时耗力，见效时间长。

9 现状和发展前景

（1）加热和掺稀法几乎应用于所有油田，例如加拿大油砂沥青开采过程，但当地存在掺稀油需要回收的难题，因为油砂粘度过大，掺稀油用量高导致耗能极大，改质厂短时间内又无法建成，所以急需添加剂解决油砂的输送问题。加热和掺稀法技术成熟，进一步发展可能性较小。

（2）油溶性降粘剂经过多年的发展取得了很多成果，广泛应用于国内外油田的管输，但降粘剂的适应性制约其发展，近年来的研究是在降粘剂分子上引入极性或者表面活性剂基团以提高分散沥青质、胶质的能力[30]。

（3）近年来，国内高校研制出多种高蜡原油降凝剂，并在现场取得了很好的效果。据不完全统计，我国已有10多条管线使用降凝剂，但是降凝剂具有较强的选择性，生产过程比较复杂，因此在长距离管输全面推广仍有很多工作要做[22]。

（4）减阻剂当前广泛应用于世界各地数百条输油管道中[31]，展现出了巨大的经济价值，然而高分子量和抗剪切性这一矛盾并未得到很好解决，阻碍了减阻剂的发展，这将是今后研究工作的重点。

（5）我国自二十世纪90年代以来，对胜利、辽河、大港等油田也相继进行了掺表面活性剂输油的研究，并取得了初步成果[22]，成本低廉，效果好，但是用水量较高，污染较大。在当前环保法规越来越严格的趋势下发展前景不乐观，今后的工作重点是开发绿色的表面活性剂。

（6）改质法是本文提到的方法中唯一的化学方法，具有适应性强的特点，针对所有油品均可以改质降粘，暂时还不能完全被替代，今后的发展趋势是沸腾床、浆态床加氢工艺，相比传统的脱碳过程，具有产率高、污染小的特点。

10 结束语

随着世界原油重质化趋势加剧，重油流动性改进技术需求相当迫切。建议加大关注和支持力度，在重油流动技术改进方面围绕以下研究内容进行：

（1）对重油高粘度的机理和流变特性开展深入研究，为研制新型流动改进剂提供理论帮助。

（2）降粘、降凝和减阻协同进行，利用多种剂的复合效应，改善对不同类型重油的适应能力，使其拥有更高效和广阔的使用范围。

（3）开发绿色环保、对原油性质影响小的流动性改进剂。

[1]张义堂，张朝晖.国外稠油低成本开采新技术[C].中国石油学会石油工程学会2001年度年会，2001.

[2]蔺爱国.2012年世界炼油技术新进展[M].北京：石油工业出版社，2013.

[3]于连东.世界稠油资源的分布及其开采技术的现状与展望[J].特种油气藏，2001，8（2）：98-103.

[4]高婷，刘明.稠油超稠油管道输送降粘方法研究现状[J].辽宁化工，2012，41（7）：721-723.

[5]王晓宇，宋天民.稠油降粘方法研究现状[J].煤炭与化工，2009，32（11）：27-29.

[6]王建成，傅绍斌.重油集输降粘方法概述[J].安徽化工，2005，31（2）：15-18.

[7]柳荣伟，陈侠玲，周宁.稠油降粘技术及降粘机理研究进展[J].精细石油化工进展，2008（4）：20-25.

[8]全红平，崔荣华，马艳君，等.一种新型油溶性稠油降黏剂的制备与评价[J].精细石油化工，2012，29（5）：14-17.

[9]宋红真.甲基丙烯酸长链酯基三元共聚物合成工艺及降粘性能的研究[D].山东大学，2011.

[10]韩涛.稠油用降粘型减阻聚合物的合成及性能研究[D].山东大学，2011.

[11]赵素惠，王永清，赵田红.稠油化学降粘法概述[J].化工时刊，2005，19（8）：64-66.

[12]陈秋芬，王大喜，刘然冰.油溶性重油降粘剂研究进展[J].石油钻采工艺，2004，26（2）：45-49.

[13]唐旭东，刘伟，吕广.原油改性输送技术的现状及发展[J].广东化工，1998（3）：49-51.

[14]宋昭峥，孙洁，李传宪，等.降凝剂对高蜡原油流变性的改性效果分析 [J].中国石油大学学报（自然科学版），2002，26（1）：52-55.

[15]胡合贵，戚国荣，高建厂，等.不同分子结构星形降凝剂对油品降凝、降粘性能的影响[J].石油学报（石油加工），2000，16（1）：40-46.

[16]宋昭峥，张雪君，葛际江.原油减阻剂的研究概况[J].油气田地面工程，2000，19（6）：7-9.

[17]朱燕，赵亚洲，李志洲.减阻剂的应用及其研究进展[J].化工技术与开发，2011，40（10）：42-44.

[18]陈刚，张洁.原油流动性改进剂研究进展[J].天然气与石油，2013，31（2）：1-5.

[19]许东彬.高粘原油降摩阻机理的研究[D].山东师范大学，2007.

[20]宝月，彭清华，姜帅.降凝剂机理研究技术进展概论[J].当代化工，2015（8）：2010-2013.

[21]王敏，赵静，张廷山，等.原油降凝剂及其在我国原油中的应用[J].现代化工，2001，21（11）：58-61.

[22]宋昭峥，葛际江，张贵才，等.高蜡原油降凝剂发展概况[J].中国石油大学学报（自然科学版），2001，25（6）：117-122.

[23]梁青城，周漳睿，卢丽，等.原油流动性改进剂研究现状[J].重庆科技学院学报（自然科学版），2014，16（3）：37-39.

[24]Hafiz A A，Khidr T T.Hexa-triethanolamine Oleate Esters as Pour Point Depressant for Waxy Crude Oils[J].Journal of Petroleum Science&Engineering，2007，56（4）：296-302.

[25]赵书华，刘飞飞，王树立，等.含蜡原油降凝剂的研究进展及其应用[J].常州大学学报（自然科学版），2015，27（3）：45-50.

[26]尉小明，刘喜林，王卫东，等.稠油降粘方法概述[J].精细石油化工，2002（5）：45-48.

[27]Gateau P，HenautI，BarréL，et al.Heavy Oil Dilution[J].Oil&Gas Science&Technology，2004，59（5）：503-509.

[28]王建成，傅绍斌.稠油集输降粘方法概述[J].安徽化工，2005，31（2）：15-18.

[29]刘文胜，郭东旭.稠油输送技术及方法[J].石油科技论坛，2008，27（2）：53-57.

[30]张凤英，李建波，诸林，等.稠油油溶性降粘剂研究进展[J].特种油气藏，2006，13（2）：1-4.

[31]马卫荣，谭芳，赵玲莉，等.减阻剂的发展与应用[J].新疆石油天然气，2005，1（1）：71-74.

[32]吴本芳，郭金波.原油乳化降粘研究进展[J].洛阳师范学院学报，2002，21（5）：47-52.□