压力作用下油品蜡晶颗粒微观特征

2021-07-16仝滢泽滕厚兴卢兴国李秉繁

中国石油大学学报（自然科学版） 2021年3期

陈雷，仝滢泽，刘刚，滕厚兴，卢兴国，李秉繁

(1.中国石油大学(华东)储运与建筑工程学院，山东青岛 266580； 2.海洋石油工程股份有限公司,天津 300461)

管内输送压力会影响油品宏观流变性[1]与体积压缩性[2-3]，进而影响油品管输水力特性。对于含蜡原油，压力还可能影响其析蜡特性，改变蜡沉积规律。前人研究压力对油品性质影响时，通常从压力影响轻组分溶解特性的角度出发，即压力有助于轻组分的溶解，进而降低原油析蜡点[4-6]、黏度[7]、凝点[8]、触变特性[9]等。对于含蜡原油，其内部蜡晶颗粒微观特征直接影响宏观物性参数[10]。Viekra等[11]研究发现原油显蜡点与压力呈线性关系，压力每升高1 MPa，显蜡点升高约0.1 ℃；MORTAZAVI-MANESH 等[1]研究了压力对Maya原油黏度及结构恢复特性的影响，认为压力加速原油微观结构的建立；Quan等[12]用一种配有锚式叶轮和冷指的高压釜研究了天然气对不同含蜡原油的析蜡点和析蜡量的影响，但通过冷指上附着形成的蜡沉积量判断存在一定的误差。由于试验观测条件的限制，目前大多学者仅从理论或分子模拟的角度分析压力与溶气条件对蜡晶颗粒生长规律和分布状态的影响[13-15]，并未直接获得压力条件下蜡晶颗粒微观影像，缺乏压力对油品内部蜡晶颗粒微观特征影响的直观认识。笔者自主设计并搭建带压显微测试系统，可以借助气体控制样品环境压力，观测油样颗粒微观形态结构，并以大庆原油为样例，研究压力对油品内部蜡晶颗粒微观特征的影响。

1 装置介绍

设计了一种适合偏光显微镜观察的带压冷热台RTL200,装置构成见图1，整体由带压冷热台、OlympusBX51偏光显微镜、UCMOS系列相机、温控仪、冷冻控制仪组成。带压冷热台中央内设放置样品的压力舱，其上方装有可承压5 MPa的蓝宝石视窗；设置位移转接台控制带压冷热台位移微调，实现样品在显微镜视野内的移动。

图1 试验装置

本系统以液氮作为冷却介质控制冷热台整体温度，通过调节冷冻泵转速控制降温速率。热电偶温度传感器设在距离带压样品舱外部边缘2 mm处，最大限度保证测量温度与样品温度一致。

1.1 压力控制

冷热台压力舱内气体热胀冷缩会影响压力控制。开展气体温度变化对压力影响的试验测试：在70 ℃高温条件下增加氮气压力至5 MPa，保持压力舱密闭，以0.5 ℃/min降温速率降至20 ℃，记录舱内压力变化过程如下：温度为70、60、50、40、30和20 ℃时，压力分别为5.0、5.0、5.0、4.96、4.91和4.85 MPa。可以看出，温度下降50 ℃时，密闭舱内气体冷缩引发的压力降幅仅有3%，故可以忽略密闭舱内气体热胀冷缩对压力控制的影响。

1.2 温度控制

采用PID控制调节升降温，控温精度为±0.2 ℃，通过温控软件和温度控制器，可控制冷热台压力舱最小降温速率达0.1 ℃ /min，最大速率达10 ℃ /min。图2中给出了一个示例跟踪，热电偶温度与控制温度相差不超过0.20 ℃。

图2 程序控制下的温度-时间曲线

1.3 装置可靠性

为验证设计的高压冷热台RTL200系统测试油样析蜡过程的精密性，在常压条件下，对比常规冷热台LTS120，对同一油样在相同降温速率下拍摄蜡晶显微图片，利用Image J软件处理得到各温度测试点的析蜡面积，绘制蜡晶面积随温度的变化曲线，如图3所示。高压冷热台RTL200测得的模型油析蜡点约35 ℃，而常规冷热台LTS120测得该蜡-油系统析蜡点约34.3 ℃，测试结果相差小于0.8 ℃。对其他油样的析蜡测试，可重复性也均在1 ℃范围内。

图3 常压条件下两种系统的析蜡-温度曲线

2 试验材料和方法

2.1 试验样品

试验所用油样为大庆油田南三一外输原油，密度为906.3 kg/m3、凝点为22 ℃、析蜡点为38 ℃、含蜡质量分数为21.6%；按照0.5 ℃/min的降温速率，以试管水平放置5 s不发生移动的温度记为试样凝点[16]，测得常压脱气条件下凝点为22 ℃。为了确保测量结果具有可重复性，对油样进行80 ℃预处理，然后在室温下静置48 h后使用。

采用DSC 821e差式扫描量热仪，按照原油析蜡热特性参数测定方法[17]，以油样的单位质量热流率偏离基线对应的最高温度点即为析蜡点，如图4所示，析蜡点约为38 ℃。

图4 大庆原油热流曲线

2.2 试验方法

为确保气体压力直接作用于油样，载玻片上方不可加盖玻片。因此载玻片上油膜厚度的控制十分关键。为降低油膜厚度对蜡晶显微测试数据的影响，制备中央设有直径6 mm、深度0.15 mm凹槽的特殊载玻片(图5)，并精确控制每次滴加的油样体积，最大限度保证每次滴加油样后油膜铺展厚度一致。

图5 定制载玻片实物

首先将大庆油样预热到80 ℃，然后用微量注射器(25 μL)将油样滴入定制载玻片中央凹槽。在敞口环境中恒温60 min使油膜充分铺平，之后将载玻片置入压力舱，密封。

测试开始前，先打开出口管路上的针阀，调节气瓶出口减压阀，待压力表显示值达1 MPa后，缓慢打开进气针阀，通入足量氮气以排出压力舱内部空气。由于氮气在高分子蜡中的溶解度很小，可忽略其对原油性质的影响[1,18]，所以采用N2提供舱内压力，以排除气体溶解对油品内部蜡晶颗粒微观特征的影响。

测试方案：①恒压降温测试。在预热高温下关闭出口阀，缓慢调节进气针阀的开度达到试验压力，以恒定的降温速率0.5 ℃/min带压冷却；②恒温加压测试。从预热温度降低至不同的测试温度，之后在该测试温度下开展加压或泄压试验。

同一温度条件下，每组蜡晶显微图片至少重复拍摄3次，共计128张，利用Image J软件对拍摄的蜡晶图片进行分析处理，经过转化“降维”分析8位灰度图的像素信息。

3 试验结果与讨论

3.1 恒温条件下原油升压过程蜡晶显微观察

控制试验温度从70 ℃降至特定测试温度，降温速率为0.5 ℃/min；然后在该恒定温度下，控制压力由0阶跃增加至5 MPa，阶跃值为1 MPa，每次阶跃后压力恒定50 min。从加压初始时刻开始，间隔5 s拍摄一组显微照片。

图6为大庆原油在24.2 ℃不同阶跃压力下稳定50 min后拍摄的蜡晶图片。从图6可观察到，温度保持不变时，蜡晶仍会随着压力增加而进一步析出，当压力增加至1 MPa时，蜡晶旋转取向差别变大，呈不规则排布；且压力越大，团聚的蜡晶数量越多，当压力增加至5 MPa后，蜡晶相互交联的程度也增加，体现出压力对析蜡的促进作用，原油蜡晶颗粒的不规则程度也随压力增加而增大。

图6 大庆原油在24.2 ℃下阶跃加压稳定后的蜡晶显微图片(100X)

为保证加压后油样内部蜡晶充分析出，尽量减少主观因素对测试结果的影响，每个测试温度条件下均重复3组，且在每一个压力阶段下，均统计30～50 min时间段内所有蜡晶图片中分析参数的平均值，作为该压力条件下的测试结果。

依据上述试验步骤，对不同恒温条件下压力稳定后的蜡晶颗粒微观参数进行对比分析。图7～10分别为蜡晶数量、析蜡面积、等积圆直径平均值和基于盒子数法计算的周界盒维数等参数随压力的变化曲线。由图可知，恒温条件下，蜡晶数量、析蜡面积随着压力增大而增大，且温度越低，涨幅越明显。蜡晶等积圆直径平均值并未随压力发生明显变化，即蜡晶颗粒大小受加压过程影响不大。蜡晶颗粒周界盒维数随压力增大而增大，即颗粒结构复杂程度随压力增大；但与蜡晶数量、析蜡面积不同，温度越低，周界盒维数随压力增长越慢。

图7 恒温加压蜡晶数量变化曲线

图8 恒温加压析蜡面积变化曲线

图9 恒温加压蜡晶等积圆直径平均值变化曲线

图10 恒温加压周界盒维数变化曲线

3.2 恒压降温过程蜡晶显微观察

将测试油样加热至60 ℃，控制压力为某特定恒定压力，然后以0.5 ℃/min降温速率恒压降温。从降温至50 ℃开始，每间隔30 s拍摄蜡晶颗粒照片。

3.2.1 压力对原油析蜡点影响

利用Image J软件批量处理同一压力不同温度下的蜡晶图片，得到每个温度点处析出的蜡晶数量，将每个试验压力条件下蜡晶数量出现显著增长[19]的温度点作为该压力下的析蜡点，获得析蜡点随压力变化的曲线，如图11所示。

图11 大庆原油析蜡点随压力变化曲线

由图11可知，压力作用会导致油品析蜡点升高，压力每增加1 MPa，由蜡晶显微图像得到的析蜡点升高约0.35 ℃。

3.2.2 恒压降温过程中原油的析蜡特性

在恒压降温阶段，对相同采点间隔下拍摄到的蜡晶照片进行处理，对比分析不同加压条件下蜡晶的降温析出规律。图12～15给出了恒定压力条件下蜡晶颗粒数量、析蜡面积、等积圆直径平均值以及圆度随温度的变化规律。

图12 恒压降温过程中蜡晶数量随温度变化

图13 恒压降温过程中析蜡面积随温度变化

图14 恒压降温过程蜡晶等积圆直径平均值随温度变化

图15 恒压降温过程中蜡晶圆度随温度变化

从图12、13可以看出，压力越高，蜡晶颗粒随温度下降析出的越快，析蜡量越大，这与恒温加压过程的结果相似。但对比图14和图9可看出，恒压降温与恒温加压过程对蜡晶颗粒尺寸影响存在差异：在恒压降温过程中，颗粒等积圆直径平均值表现出与压力的相关性，特别在低温范围内，高压环境下的蜡晶颗粒尺寸明显偏大。从图15中可以看出，在恒压降温过程中高压与低温条件下的蜡晶颗粒圆度较小，即蜡晶颗粒不规则程度随压力升高、温度下降而增加。