环庆原油黏温曲线测定研究

罗海静 唐海忠 陈锋 朱英斌 汪芝龙

1玉门油田分公司勘探开发研究院

2玉门油田分公司水电厂

3中国石油大港油田石油工程研究院

4玉门油田分公司炼化总厂

原油是一种多组分烃类的复杂混合物。高温下，蜡晶被溶解，沥青质高度分散，原油可被视为假均匀流体，表现出牛顿流体特性。随着温度降低，蜡晶析出并长大，原油成为一种以液态烃为连续相、蜡颗粒和沥青质为分散相的细分散悬浮液，表现出非牛顿流体特性。油温更低时，蜡油连成网络，出现屈服现象，表现出更复杂的非牛顿流体特性。非牛顿流体原油的流变特性与热历史、剪切历史有关，原油黏温曲线反映了原油黏度随温度变化的规律。

在采油和地面输送环节，需要了解原油的黏温关系、蜡沉积状况，以便更好地采取措施来提高采收率和产能。目前，环庆区块是玉门油田勘探开发的重点，试验室通过测定不同温度、不同剪切速率下的黏度（表观黏度），绘制环庆原油的黏温曲线，找出了原油黏度与温度变化的关系，研究了在热处理温度、剪切速率变化的条件下，环庆原油的溶蜡、析蜡行为及特性。研究成果为环庆原油的储运、生产运行提供了指导依据，并对如何利用工程实际中常规使用的旋转黏度计更准确测定黏温曲线、溶蜡点和析蜡点提出实际有用的建议。

1 试验

1.1 试验油样和仪器

试验油样：环庆含蜡原油，含蜡量10%（质量分数）以上。

试验仪器：NDJ-5S 数字式黏度计，测量范围为1～100 000 mPa·s；CH1006N超级恒温槽。

1.2 试验内容

1.2.1 油样主要物性参数

试验所用部分环庆油样物性参数见表1。

表1 油样主要物性参数Tab.1 Main physical parameters of oil sample

1.2.2 原油黏温曲线测定

采用工矿企业原油流变性测量常规使用的旋转黏度计，按测量系统要求装入试样[1]，试验温度按照从高到低，剪切速率按照从小到大的顺序，用旋转黏度计测定不同温度下原油的黏度（表观黏度），在半对数坐标上绘制原油黏温曲线，实测1#油样黏温曲线如图1 所示，其中b 代表降温程序。在曲线上，随着温度的降低，牛顿流体阶段直线发生转折处对应的温度就是原油的析蜡点；牛顿流体与非牛顿流体曲线的分界点所对应的温度，即为原油的反常点。在不同的剪切速率下测定黏温曲线，在同一坐标系下找出直线段与放射线段的分界点所对应的温度，即是反常点。

图1 1#油样黏温曲线Fig.1 Viscosity-temperature curve of 1#oil sample

1.2.3 热处理温度对黏度曲线的影响试验

对常温下呈凝固态的原油应进行预处理[2]，将试样置于恒温浴中密闭加热至80 ℃，恒温1 h后取出，自然降至室温，在暗处存放48 h 后可供使用。对于常温下呈流动状态的原油也可选择不加热处理。环庆原油较轻质，夏季室温呈流动状态时，没有进行加热预处理。

提前将油样分别在30、50、55、65、70、80 ℃进行热处理。加热到65 ℃，恒温10 min，以恒定的降温速率降温至油样凝点以上5 ℃左右，并对每个测试温度恒温10 min，应用旋转黏度计测定每个热处理温度下环庆原油的黏温曲线（图2）。

图2 不同热处理温度对2#油样黏温曲线的影响（降温程序）Fig.2 Effects of different heat treatment temperature on viscosity-temperature curve of 2#oil sample（cooling procedure）

提前将油样分别在30、50、55、65、70、80 ℃下进行热处理。设定起始温度为油样凝点以上5 ℃左右，恒温10 min，然后以恒定速率升温至60 ℃，每个测试温度恒温10 min，测定不同热处理温度下油样的黏温曲线（图3），其中a代表升温程序。图4是升温程序中不同热处理温度对1#油样黏温曲线的影响。

图3 不同热处理温度对2#油样黏温曲线的影响(升温程序)Fig.3 Effects of different heat treatment temperature on viscosity-temperature curve of 2#oil sample（heating procedure）

图4 不同热处理温度对1#油样黏温曲线的影响(升温程序)Fig.4 Effects of different heat treatment temperature on viscosity-temperature curve of 1#oil sample（heating procedure）

在降温程序测析蜡点和升温程序测溶蜡点的过程中，按照剪切速率逐级增大的方式对油样进行测量。

1.2.4 析蜡点和溶蜡点的对比试验

析蜡点是原油降温过程开始析出固体石蜡的温度，溶蜡点是原油在升温过程中蜡晶全部溶解的最低温度。通常通过测定原油的黏温曲线来得到析蜡点。在连续降温过程中[3]，在规定的剪切速率下测定并记录剪切应力或黏度－温度对应值，绘成黏温曲线，其转折点对应的温度即为原油的析蜡点。有文献认为，对原油进行加热处理或加降凝剂改善其低温流动性时，将原油加热至溶蜡点以上，蜡晶全部溶解，才能得到较好的处理效果，用原油溶蜡点数据确定所需的最低加热温度比用析蜡点数据更准确可靠，用旋转黏度计测定原油溶蜡点逐渐被研究、采用[4]。其原理同旋转黏度计法测定原油析蜡点，是以蜡晶全部溶解时原油的半对数黏温曲线出现转折点来确定原油的溶蜡点。参照析蜡点测定标准[5]，在升温试验过程中，将记录的黏温数据点绘到对应的坐标图上，当自某点后的数据点明显偏离高温区各数据点的连线时，该点对应的温度即为试样的溶蜡点。试验测试结果见图5和图6。

图5 升温程序油样黏温曲线Fig.5 Viscosity-temperature curve of oil samples in heating procedure

图6 降温程序油样黏温曲线Fig.6 Viscosity-temperature curve of oil samples in cooling procedure

1.2.5 剪切速率和溶解气对黏温曲线的影响试验

当流体为牛顿流体时，黏度值只与温度有关而不随剪切率变化；当流体为非牛顿流体时，黏度值不仅与温度有关而且随剪切速率（剪切时间）的变化而变化。剪切对油样蜡晶结构的改变程度将随剪切速率的增加而增加，试验按剪切速率逐级增大的方式对油样进行测量。图7是不同剪切速率下4#油样升、降温过程的黏温曲线。

图7 4#油样升、降温程序的黏温曲线Fig.7 Viscosity-temperature curve of 4#oil sample in heating and cooling procedure

一些环庆油样含较多溶解气，由于常规方法只能测量地面脱气原油的溶蜡点，试验室对这些油样进行了敞开静置释气、30 ℃低温搅拌释气处理。气泡在黏度计转子旋转后一段时间大部分会上浮消失，附在转子下部的气泡有时无法消除，气泡的存在会给测量数据带来较大的偏差。图8是6#油样释气处理前后试验所得曲线，a*表示油样未进行释气处理。

图8 6#油样升温程序的黏温曲线Fig.8 Viscosity-temperature curve of 6#oil sample in heating procedure

2 结果与讨论

2.1 温度对黏温曲线影响

原油的物理化学性质对温度有依赖性，从析蜡点温度开始，表观黏度随温度下降的趋势加大。当热处理温度为70 ℃时原油的低温流变性变好，当热处理温度为50 ℃和80 ℃时，原油的低温流动性出现不同程度的恶化。考虑到经济可行性，认为改变环庆原油黏度的合适温度范围在40～45 ℃。对于较稠的原油，改变其黏度的最佳温度范围为60～70 ℃，经预热后，低温区黏度普遍下降。试验的降温方式为阶梯降温，每个测温点都恒定一定时间，避免了固定剪切速率下，连续降温时筒内样品实际温度与外套筒温度的差异。

从黏温关系图可见，原油对温度的变化十分敏感，测量时充分准确的恒温很关键。试验中设定达到测定温度后油样恒温时间统一为10 min，但常规的非密闭测试系统在测定轻质原油黏度时，常常由于原油轻组分的挥发导致测试结果偏高，因此，试验测定过程中恒温时间不宜过长。

一些研究表明，加热温度高于溶蜡点温度时，析蜡点随温度变化小；加热温度低于溶蜡点温度，析蜡点随温度的降低先增大后减小，所以试验前要预估试样溶蜡点[6]。

如果能预估试样析蜡点，可升温至高于该预估析蜡点以上15～25 ℃，恒温10 min，再开始降温程序。由于凝点的测试方法简便，设备简单，常用凝点粗略地评估析蜡点和溶蜡点。当油温高于原油的凝点TZ+（10～15 ℃）以上时（TZ是相同热力条件下所测的凝点），原油多数呈现牛顿流体特性[7]。因此，一般情况下先确定原油被加热的温度，并测出该加热温度下的凝点，则可估计某测温点下原油的流变类型，如果测温点比凝点高很多，可以确定原油呈现牛顿流体特性。

具体试验中可使用如下的方法粗估试样溶蜡点：在凝点测定预热试样时，先将室温凝固的油样放入水浴，设定温度为25 ℃、30 ℃，记录试管中油样达到水浴温度的时间，观察油样的融化状态，如果没有完全融化，提高水浴温度继续观察直至油样完全融化，通过这一操作来大致确定溶蜡点测定时起始温度和低温区测温点的恒温时间。析蜡点测定时要求测出加热温度下的凝点，需在恒温水浴中将装有油样的凝点试管加热至预热温度后，接通冷却水或打开制冷仪，静置冷却油样至50 ℃±1 ℃。这一过程中观察油样温度计示值达到预热温度的时间及降到下一个测温点的时间，以此来确定析蜡点测定中高温区的恒温时间。一些油样特别是黏稠原油，油样融化需要的时间远比预计的长，通过这些简单方法可设定较合适的恒温时间。

含蜡原油的流变特性在很大程度上依赖于测试条件，当对原油进行不同温度的加热处理，再经冷却到析蜡点温度以下时，原油会呈现出不同的流变特性。对于很多含蜡原油都存在一个使其流动性最好和最差的加热温度范围[8]。对于热处理改性的原油[7]，当重复加热的温度仍为原油的最优热处理温度时，其低温流动性基本不受重复加热的影响。但若重复加热的温度达不到最优热处理温度将导致原有的低温流动性恶化，试验预热温度选择应接近最优热处理温度。又由于油样从预热温度到测定温度的降温过程中，因热胀冷缩，液面下降，使转子与油样的接触面积变小，从而使测量结果偏小，并且温差越大，测量结果偏差就越大。为减小温差，环庆原油的预热温度设定为60 ℃或65 ℃，没有选择方法规定的70～80 ℃，试验结果证明能满足测试要求。

秋冬季的环庆含蜡原油有分层、凝结情况，需要预热处理。在加热处理原油的过程中，影响热处理的根本原因是原油的组分。环庆原油的含蜡量比较大，加热处理后含蜡原油的黏度及析蜡点温度有较明显的变化。原油在试验标准推荐的80 ℃下预处理后，其低温流动性较好，若再进行不同温度的加热，会使其低温流动性有不同程度的恶化。而实际工程中，很多原油并未进行80 ℃的预处理，室内经预处理后测得的原油低温流变性会比工程实际条件下的好，这种试验数据在实际应用时会带来一定的误差。预处理温度应尽可能和最优加热温度一致，根据试验结果，环庆原油预处理温度和试验预热温度都选择60 ℃或65 ℃。本地域很多原油加热到60 ℃左右就可以达到很好的处理效果。

2.2 析蜡点和溶蜡点的对比

由黏温曲线可知，反常点温度多在凝点温度以上3～5 ℃，溶蜡点在36～40 ℃，环庆原油的溶蜡点比析蜡点高7～11 ℃左右。在高温区，升温和降温过程的黏温曲线趋于一致，黏度仅仅只是温度的单值函数。当原油的温度低于析蜡点时，蜡就开始从液相中结晶析出，随着油温逐渐下降，析出的蜡晶不断增多，相互联结形成的三维空间结构使原油逐渐失去流动性。析蜡点的测定是根据降温过程中蜡析出一定程度所产生的效应[9]，测定值较实际值偏低。采用升温程序测定溶蜡点时，随着温度的升高，在原油中的蜡晶还未及全部融化，黏温曲线已表现出牛顿流体特性，测得的溶蜡点也会比实际偏低。试验室一般通过观测析蜡点处的清防蜡效果进行原油的加剂评价，实际工程应用中的加剂处理温度往往高于测定的析蜡点，而接近或高于测定的溶蜡点。

降温程序测析蜡点受测定方法、降温速率、恒温时间等影响；同样，升温程序测溶蜡点受含蜡原油的假塑性、触变性、剪切稀释性等非牛顿流体特性的影响。在接近凝点的低温区数据波动幅度大，高剪切速率测不出，低剪切速率测不准，有的温度点表观黏度持续升，有的温度点表观黏度持续降，需要更多的平衡稳定时间，而对此做预加热处理的改善效果很有限。

当油样数量多、物性变化较大时，旋转黏度计可以根据测试状态及时进行初始温度、恒温时间等测试条件调整。升温程序较降温程序简便，温变速率更易控制。按照升温程序测试，可防止高温时间过长导致轻组分流失，样品变稠。但在凝点之后的低温区，最初的几个测温点数据测不出或不稳定，或测出的数据可靠性差，在分析时要舍去这些数据。采用作图法确定含蜡原油的析蜡点、溶蜡点时要注意曲线两头的数据，有时黏度变化幅度大仅仅是剪切速率变化引起的，随着温度持续变化到一定程度，仪器需要匹配一个新的剪切速率，以便得到准确的黏度数据。

2.3 剪切速率、含溶解气对黏温曲线影响

旋转黏度计在生产设计时都是假定所测液体处于层流状态，并在此基础上设定不同档位或最高转速，测量过程中若转速过高，测量结果会出现较大偏差；转速过小，扭矩低于20%，测量也不准确。在远高于析蜡点的温度，剪切速率对原油的流动性基本无影响。在含蜡原油的低温非牛顿流体区域，剪切速率越大，黏度降低幅度也越大；高温区50 ℃往上，则需要1.0 s-1以上剪切速率才能测出数据。较高转速下一些温度点测不出黏度或数据置信度低，大多数油样自23 ℃后的更低温度，只有0.2 s-1或0.1 s-1转等低剪切速率下才能测出黏度。

多数情况下，低剪切速率对原油的低温流动性的影响不大[10]。不做任何热处理的含蜡原油，低剪切主要是通过剪切时间来呈现影响，因此测定时平衡稳定时间也不宜过长。

非牛顿流体的黏度值随剪切速率和时间等条件的变化而变化，故在不同转子、转速和时间下测定的结果不一致。试验中要选择合适的转子或转速，在低转速的测定时间相对要长些。测量应尽量选择同一转速，以便得到可靠的黏度数据。

试验结果表明：含蜡原油在一定程度的脱气后黏度增大，溶蜡点变大，当剪切速率增大时，溶蜡点也会前移。与脱气原油相比，饱和溶气原油的析蜡点、凝点、黏度等流变参数降低，低温流动性明显改善。由于缺乏测量饱和溶气原油流变性的仪器和手段，通常根据脱气原油的凝点、黏度等流变参数来指导矿场集输系统的经济安全运行。

3 结论

含蜡原油的流变特性与原油的剪切历史和热历史因素有关。环庆原油加热处理后黏度和析蜡点降低，但原油会随存放时间的延长而老化，使测量数据偏高。同样加热时间过长或次数过多，也会使油样内部结构发生改变，从而影响所测黏度数据的准确性。常温下流动性好的原油，例如环庆原油应依据实况考虑不做预处理或选择处理温度高于原油的凝点TZ+（10～15 ℃）以上即可。同时，加热温度升高，热能损耗增加，还有可能破坏油样的某些组分，实际运用中还应从技术经济的角度考虑选择预处理温度。

环庆原油的溶蜡点比析蜡点高7～11 ℃左右。通过测定黏温曲线很容易得到溶蜡点，而析蜡点在凝点附近的低温区测定值更加准确。在旋转黏度计法测定溶蜡点的过程中，需要考虑初始温度及其后几个温度点测量数据的有效性。呈现非牛顿特性的含蜡原油，其表观黏度是一个条件性很强的指标，测定黏温曲线时需根据研究应用的目的和原油流变性的基本特点制定科学合理的试验方案和试验条件。

在60 ℃或65 ℃预处理和预热温度下，测得的原油析蜡点、溶蜡点数据为加剂改善低温流动性试验评价提供了较好的数据支持，实际工程应用中的加剂处理温度往往高于测定的析蜡点，接近或高于测定的溶蜡点。