稠油物理场降粘技术研究进展.pdf

稠油物理场降粘技术研究进展 程亮杨林邹长军 （西南石油学院化学化工学院， 四川 成都 610500） 摘要综述了物理场在稠油降粘过程中的技术进展， 包括超声波、 电磁场、 电场、 微波、 及低频脉冲波等物理场在稠油 降粘中的原理、 潜在优势及存在的问题。 关键词物理场降粘技术超声波电磁场电场微波脉冲波 收稿日期： 2005 - 03 - 11 基金项目： 油气田化学品合成与应用开发四川省重点实验室项目 （s005） 。 作者简介： 程亮 （1977 ） ， 男， 硕士生， 研究方向： 稠油降粘机理及应用工艺， e- maii： cidejia2000 study on viscosity reducing methods and technigues for viscous crude oils with physical field cheng liangyang linzou changjun （department of chemistry and chemicai engineering， southwest petroieum institute，schuan chengdu 61500） abstractviscosity reducing methods and technigues for viscous crude oiis with physicai fieid are reviewed. the vis- breaking principies of uitrasonic wave，magnetic fieid，eiectric fieid，microwave radiation，iow freguency eiectric puise vi- brotechniguem， potentiai merist and demerits，are introduced in this paper. key wordsviscosity reducing methods and technigues with physicai fiediuitrasonic wavemagnetic fieideiec- tric fieid、 microwave radiationiow freguency eiectric puise vibrotechnigue 目前， 稠油降粘方法主要分为物理降粘和化学降 粘两大类。化学降粘包括以减粘裂化、 延迟焦化、 催 化裂化等为手段的稠油改质降粘和蜡晶改进剂、 表面 活性剂、 稠油加碱、 水热裂解和微生物降解等。物理 降粘主要有加热降粘、 掺稀油或减阻剂降粘、 掺 “活性 水” 降粘和物理场降粘等方法。这些常规的物理降粘 方法虽然具有操作简单等优点， 但也存在很多缺点。 如加热降粘需消耗大量的热能， 造成能量损耗和经济 损失； 而掺稀油降粘又存在着需大量稀质油而造成成 本偏高， 稠油与稀油混合后造成各自物性改变等不利 因素； 掺 “活性水” 形成油包水型或水包油型乳化液可 使粘度降低， 但乳化液的稳定性会影响泵的效 率 1 4 。物理场处理稠油为稠油开采提供了一条新 的思路， 且物理场凭其特殊性质在改善稠油性能， 降 低稠油粘度方面有一定的效果。 1超声波降粘 27 超声波降粘是近年来发展迅速的一种降粘新技 术， 西方发达国家在声波研究上已取得了一定的成效 和发展， 现在国内各大油田也陆继开展了超声波降粘 的工作。 1.1降粘原理 超声波在液体界质中传播， 产生空化作用、 乳化 作用、 机械振动作用和热效应。稠油粘度降低是由于 超声空化、 乳化、 机械振动和热效应综合作用的结果。 1.1.1空化作用 超声波作用于稠油时， 会激活稠油中的微小气泡 核。当声压达到一定程度， 负压会使气泡核膨胀， 正 压使其压缩， 正负压综合作用将使气泡核产生振荡、 生长、 收缩及崩溃等一系列动力学过程。一旦泡核崩 15 第 19 卷第 6 期 2005 年 6 月 化工时刊 chemical lndustry times vol.19， no.6 jun.6. ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! 2005 溃， 瞬间将在周围极限空间产生高温与高压， 并伴随 强烈的冲击波和射流， 在高温、 高压以及冲击波和射 流的作用下， 超声波改变了稠油内部结构中的蜡、 胶 质和沥青质高分子聚合物， 使长链石蜡烃分子、 沥青 质分子断裂， 使相对分子质量减小， 从而使稠油粘度 降低。 使稠油产生空化的最低声强或声压幅值称为空 化阀.空化阀 po 与液体粘度的关系为： po= 0.8 （iog!+ 5）（1） 式中!为粘度 1.1.2乳化作用 超声波作用于稠油， 使稠油内一定数量的空泡产 生振动并在空泡界面产生剪切力， 使稠油形成乳状 液， 在相浓度小于一定值时乳状液是以 w/0 型为主。 其粘度较大， 当相浓度超过一定值时， 乳状液类型受 机械剪切力作用发生突变， 由 w/0 型突变为 0/w 型， 其突变结果使稠油间的摩擦转变为水与管壁及水 与水之间的摩擦， 从而使其粘度， 摩擦阻力大幅度降 低。 1.1.3热作用 超声波的热作用有 3 个方面： t在稠油中传播， 其稠油吸收声能， 并将其转化为热能。频率越高的超 声波将产生越多的热能。o在不同介质的分界处， 边 界摩擦会产生热升高油体温度， 边界摩擦越剧烈， 温 度越高。空化作用在气泡崩溃时释放热能。 三者综合作用使稠油的温度升高， 从而使稠油降 粘。 1.1.4机械振动作用 超声波在弹性介质中传播， 会显著提高弹性粒子 的振幅、 速度及加速度。机械振动作用造成稠油中较 小分子与惰性大的大分子链之间发生较大的相对运 动， 增强分子间的摩擦力， 打断 cc 键， 破碎大分子 团， 有效起到降粘的作用。 1.2降粘规律 经超声波处理后， 稠油分子结构发生变化， 导致 其部分结构永久性的改变， 造成了不可逆性， 引起原 油的粘度降低， 但随着分子结构的恢复， 处理后的稠 油粘度略有上升， 但回升幅度不大， 远低于处理前的 粘度。图 1 为降粘曲线图， 从图中可以看出温度较低 时超声作用明显， 接近地层温度时， 可达到 25%的降 粘率。此外， 处理时间、 频率和声强对降粘率也有影 响。 图 1 超声波粘温曲线图 2磁处理降粘 812 磁处理技术稠油降粘方面的应用研究在近几年 发展比较快， 由于稠油是抗磁性物质， 当磁场作用于 稠油时， 磁化作用会产生诱导磁距， 抑制蜡晶形成和 聚结， 使蜡晶以小颗粒形式存在于稠油中， 同时稠油 中的石蜡、 胶质、 沥青质等抗磁性物质会进行近程有 序排列， 增强了流动性， 降低了稠油的粘度。 2.1磁降粘原理 稠油受到外磁场作用时， 分子中的电子轨道自旋 磁矩受到磁场作用均绕外磁场按同一方向旋进从而 形成涡旋电场， 该涡旋电场使分子产生瞬时诱导偶 极， 该磁距的产生使无极性的石蜡分子产生极性， 并 与极性胶质或其他粒子结合， 从而防止蜡晶的聚结、 成长和形成； 同时， 由于分子及其聚合体在其平衡位 置附近作振动时， 分子间的电性力提供了一个电场， 但外磁场为振动的分子施加了一个正交且同频率的 交变电场。在外磁场的作用下， 磁化作用破坏了稠油 各烃类分子间的作用力， 分子通过自身内振荡而受到 磁感应共振， 从而使分子振动增强和分子间相互作用 减弱， 导致分子的聚集状态发生改变， 使分子间的聚 合力减弱， 其中的胶质和沥青质以分散相而非缔结相 溶解在稠油中， 从而使稠油的粘度降低， 流动性增强。 磁处理分子涡旋电场 e ! 涡旋和磁感应共振电场 e交变 可用式 （2） 和式 （3） 计算。 x e ! 涡旋= 0 4。x ze （ ! x b ） mr3 （2） 式中： p0真空磁导率/h/m； b 外磁场磁感应强度； 25 化工时刊2005.vol.19， no.6论文综述 overview of thesises # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # z分子中电子数； m电子静止质量/kg； e电子电荷/c； r分子间距/m； ! !电子轨道磁矩/a m2 e交变= abcost（3） 式中： a分子或分子聚合体振动的振幅/m； b外磁场磁感应强度/t； 分子或分子聚合体固有振动频率/ s- l。 2.2降粘规率 稠油磁处理降粘主要是磁场对稠油中的石蜡分 子或蜡晶产生作用， 故作用效果受稠油析蜡因素的影 响， 同时， 还与磁感应强度、 作用时间、 温度和含水率 密切相关， 图 2 为经磁场处理过的粘度变化， 由图可 知， 当温度较低时磁处理降粘效果比高温时明显。 图 2 磁处理前后粘温曲线图 1 为 处理前粘度曲线 2 为处理后粘度曲线 图 3 磁场作用前后分子运动状态变化 磁处理是一种短暂状态过程， 稠油受磁场作用的 时间很短， 诱导磁距是逐渐消失的， 由此而引起稠油 物理性质的变化也是逐渐消失的， 其效果也随时间的 延长而衰减， 有效保持时间是 4 h。磁化作用一定时 间后， 稠油的性质会恢复到磁化前的状态。 （见图 3、 4） 图 4 磁处理降粘效果的有效时间 3电场降粘 8， 13 介质在外电场作用下其内部束缚电荷发生极化， 在一定条件下， 选取足够能量和频率的电场可达到原 油极化降粘的目的。 3.l降粘原理 稠油中极性分子受到交流电场作用产生转向极 化， 造成分子转向磨擦、 碰撞而将电磁能转换为热能， 使稠油温度升高， 有利于稠油粘度下降； 同时稠油分 子在交变电场作用下进行周期性排列组合， 稠油物质 分子键被破坏， 稠油粘度进一步降低。 直流电场对稠油的作用异于交流电场， 其能促使 油、 水分离。直流电场作用使稠油中的游离水及乳化 水成为电偶极子， 偶极子的异号极相吸引， 小水分子 受电场作用合并成大水分子， 加快了水的沉降， 达到 油水分离的目的， 改变了稠油物性， 这对降低粘度高 的含水稠油相当有利。 电场与磁场接合， 既能对稠油产生极化作用和电 热效应， 又有磁化效应， 会达到较好的降粘效果。 3.2应用实列 加拿大 eor 国际公司采取 电磁激化增产技 术 ， 将地面电源通过油管向井下电极通低频交流电 流， 并通过电极传入地层与地面电源接地系统构成回 路。电流对地层中的流体加热， 在井筒附近形成环形 加热带， 降低了环形加热带的粘度。 大港油田使用交变电场将电流通过抽油杆输入 到井内， 在钢管上因交变电磁场而产生涡流， 该涡流 与外加电压产生的电流相互作用， 使钢管内侧形成内 集肤效应并伴有大量热， 其热直接传给稠油， 有利于 降低粘度。大庆喇嘛甸油田已将电场应用于稠油开 35 程亮等稠油物理场降粘技术研究进展2005.voi.19， no.6 化工时刊 采中。 4微波降粘 1416 微波辐射具有热效应与非热效应两种功能， 利用 微波非热效应对稠油进行改性， 改变稠油的化学组 分， 不可逆地改善了稠油的流变性， 以达到快速降粘 的目的。 4.1微波降粘原理 微波是频率大约在 300 mhz 300 ghz、 波长在 100 cm 1 mm 范围内的电磁波。微波作用于介电材 料时会产生两种效应： 热效应和非热效应。热效应是 由于微波会对介电材料产生电子或原子极化、 界面及 偶极转向极化， 造成介质损耗从而将损耗能转变成热 能。因微波作用是介质内外部同时吸收微波能量， 是 一种体加热， 这也区别于传统意义上由外及里传热的 加热方式。而非热效应是在微波作用下， 反应体系在 低温状态下的产率或反应速度等同或优于常规加热 状态。 稠油是准塑性流型的流体， 在微波作用下会发生 了非热效应化学裂解反应。原因是微波对稠油辐射 后， 在一定的条件下， 能引起微波化学意义上的化学 变化， 高频微波给极性胶质沥青质分子提供了一个额 外的转动矩， 使其作旋转运动， 且微波的频率接近分 子的转动频率， 使处于微波场中的烃类大分子发生共 振产生剪应力， 该剪应力会使发生分子键断裂， 使大 分子烃链断裂成小分子烃链， 引起化学分子结构的变 化， 从而使得稠油中胶质沥青质含量减小， 降低稠油 粘度， 改善了稠油流动性， 且稠油粘度在低温下不反 弹。图5 表明了稠油在微波处理过程中的变化过程： 图 5 稠油流变曲线图 图 5 中 oa 段由于剪应力和剪应速率小， 剪应力 没有破坏胶质沥青质基于范德华力形成的结构， 此时 粘度很高， 而在 ab 段， 随着剪应力的增加， 剪应速率 也急剧上升， 胶质沥青质形成的结构被破坏， 粘度随 之减小， 在 b 点时胶质沥青质形成的结构被完全破 坏， 达到极限。在 bc 段时虽然剪应力仍在增加， 但 剪应速率增加缓慢， 粘度逐渐降低， 其原因是胶质、 芳 烃等在剪应力的作用下受到破坏， 已溶剂化的液体部 分被分离出来， 降低了原来粒晶体积， 流动阻力减小， 粘度降低。 胶质和沥青质的含量、 温度对稠油的流变性有显 著影响； 同时， 随着微波功率的增加， 稠油化学组分变 化程度聚增。 对含水稠油， 由于纯稠油中胶质、 沥青质造成稠 油本身粘度很高， 而油包水乳化液中液滴会改变稠油 在流动中的流场， 使流动阻力进一步加大， 使含水稠 油粘度显著提高。微波作用能加快水滴沉降速度， 促 进分子碰撞凝聚， 增大水滴直径， 同时削弱了油水界 面薄膜强度并使之破裂， 有利于液滴并聚， 从而加快 油水分离。 4.2特点 用微波处理后的稠油要比非微波处理的稠油的 粘度低， 而且粘度下降后不再恢复。图显示了微波处 理前后稠油粘度的变化。 图 6 微波作用前后稠油的粘温曲线图 从上图可以看出在 20 60c的低温段区， 经微 波处理后的稠油粘度低于微波处理前的粘度， 温度越 低粘度差越大， 但在高温段区， 由于稠油粘度下降， 两 条曲线重合。 微波加热效率高、 速度快、 清洁无污染； 同时又具 有非热效应的独特优势， 是一种比较理想的降粘方 法。 5低频电脉冲振动波 17， 18 低频电脉冲波采用了电液压冲击法的高压放电 45 化工时刊2005.vol.19， no.6论文综述 overview of thesises ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! 原理， 吸收了高能气体压裂产生瞬间高压脉冲波的特 点和人工地震波的低频特性， 通过仪器的放电部分进 行脉冲放电， 放电瞬间在液体中激发产生高强度的低 频脉冲振动波。 低频电脉冲的频率和能量低于 15 hz， 在流体中 传播时会产生空化作用， 脉冲波在液体中传播时， 由 于功率大， 频率相对较高， 所以引起液体的密度疏密 变化快， 差别大。这种变化使液体受压受拉。而液体 本身具有一定耐压性， 但耐拉性能差。当达到一定程 度时液体无法承受拉力时， 就会发生断裂， 形成一些 类似于真空的子空穴， 在形成过程中产生正负电荷。 子空穴形成后由于继续受到压力作用， 空穴就会被压 至崩溃， 空穴内部在崩溃过程中产生局部高温， 同时 伴随着放电现象。稠油在脉冲波的这种作用下产生 空化， 其强度与脉冲波的频率成正比。稠油的分子结 构在空化作用和剪切应力的作用下遭到破坏， 从而降 低了稠油的粘度。 表 1 列出了经低频脉冲波处理后稠油物性发生 变化的情况。从表中可以看出经低频脉冲波处理后， 稠油粘度下降明显。 表 1 低频脉冲波处理稠油前后物性表 项目 1 # 处理 前 处理 后 降低率 / （%） 2 # 处理 前 处理 后 降低率 / （%） 胶质沥青/ （%）30.47 29.632.731.32 30.562.4 含蜡量/ （%）12.65 10.7315.212.55 10.8713.4 30c粘度/ （mpa s） 1970148224.83329209936.9 凝固点/ c82 75.014471.4 6结束语 （1） 稠油由于碳链长， 分子间相互作用力大， 从而 造成粘度大。超声波、 电场、 磁处理、 微波及低频脉冲 波等物理场通过在稠油介质中传播， 造成介质内部性 质波动， 改变介质分子状态， 使介质化学分子结构发 生变化， 减小了分子间作用力， 有效降低了稠油粘度。 （2） 相对于其它降粘方法， 物理场降粘具有成本 较低、 效果较好、 无污染等特点， 因而很适合于工业上 应用， 其独特的优点为解决稠油降粘指明了一个很好 发展方向， 同时也展示了良好的前景。 （3） 物理场降粘作用原理尚未得到充分的认识， 其动力学机理和数学模型的建立尚不成熟， 主要采取 经验公式和实验现象对问题进行处理， 同时操作参数 和应用条件有待进一步优化其真正推广到实际生产 还有许多问题需要进一步探讨与解决。 参考文献 1 尉小明， 刘喜林， 王卫东， 等.精细石油化工， 2002.9，6） ： 45 48 2 阎向雄， 张亚萍.油气田地面工程， 1996.9， 15 （5） ： 20 21 3 王阳恩， 杨长铭， 凌向虎. 油气田地面工程， 2002.5， 21 （3） ： 61 62， 4 王阳恩， 程衍富， 凌向虎.油气储运， 1999， 18 （4） ： 10 11 5 程存弟.超声技术 功率超声及其应用.西安.陕西师范大学 出版社， 1993 6 李兆敏， 林日亿， 张平， 等.水动力学研究与进展， 2004.7， a 辑 19 （4） ： 463 468 7 孙仁远， 王连保， 彭秀君， 等.油气田地面工程， 2001.9， 20 （5） ： 22 23 8 高丙坤， 李文甫， 李华， 等.油田地面工程， 1999.5， 18 （3） ： 20 21 9 杨文军。特种油气藏， 2003.4， 10 （2） ： 67 68 10 朱林， 熊滨沙， 曲哲.油田地面工程， 1994.2， 13 （1） ： 27 31 11 纪永波.石油规划设计.1994， 5 （4） ： 46 48 12 王晓华.磁降凝降粘技术的研究与应用 硕士论文.大庆： 大庆 石油学院 13 洪建荣， 秦永华， 路斌， 等.石油钻采工艺， 1994， 16 （7） ： 90 92 14 蒋华义， 路庆良.油气储运， 2004， 23 （5） ： 34 37 15 王颖.稠油微波加热降粘机理的研究 博士论文 .北京： 中国科 学院电子学研究所， 2002 16 金钦汉， 戴树珊， 黄卡玛.微波化学： 北京， 科学出版社， 1999 17 班志强， 姚建豪， 补福.测井技术， 2002， 26 （3） ： 238 241 18 宋建平， 陈建华， 刘斌.石油钻采工艺， 1994， 16 （6） ： 81 87 19 路斌， 关继腾， 张建国.物理， 2002， 31 （8） ： 517 520 20 龙安厚， 孙玉学， 王晓明.大庆石油学院学报， 1995.12， 19 （4） ： 10 13 21 路斌， 张建国， 关继腾， 等.石油钻采工艺， 2002， 1 （24） ： 44 47 55 程亮等稠油物理场降粘技术研究进展2005.voi.19， no.6 ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! 化工时刊 稠油物理场降粘技术研究进展稠油物理场降粘技术研究进展 作者：程亮， 杨林， 邹长军， cheng liang， yang lin， zou changjun 作者单位：西南石油学院化学化工学院,四川,成都,610500 刊名： 化工时刊 英文刊名：chemical industry times 年，卷(期)：2005,19(6) 被引用次数：4次 参考文献(21条)参考文献(21条) 1.尉小明;刘喜林;王卫东 查看详情 2002(06) 2.阎向雄;张亚萍 查看详情 1996(05) 3.王阳恩;杨长铭;凌向虎 超声对原油的乳化研究期刊论文-油气田地面工程 2002(03) 4.王阳恩;程衍富;凌向虎 查看详情 1999(04) 5.程存弟 超声技术