（电磁场与微波技术专业论文）稠油微波加热降粘机理的研究.pdf

/随 着 世 界 稠 油 开 采 量 的 不 断 增 加 ， 稠 油 的 乳 度 高 、 流 动 性 差 成 为 制 约 稠 油 开采和集输的主要问题，稠油的豁度对温度的敏感性使得加热成为稠油开采和 集输的主要方法，但由于稠油的导热性差，常规以传导为主要传热方式的加热 方法往往效率低、速度慢。我们课题组在国内首先将微波能引入到石油工业领 域，在实验中我们发现:微波加热稠油具有效率高、速度快的特点，更重要的 是微波加热处理改变了稠油的化学组分，不可逆地改善了稠油的流变性。本文 研 究 的 主 要 内 容 是 对 微 波 加 热 稠 油 的 降 粘 机 理 进 行 研 5 u n 探 讨 。厂 几一 本文的主要工作如下: 尸!. . 在国 内 ， 我 们 最 先 设 计 和 使 用 遨 丝这 备 进 行 油田 现 场 实 验， 在9 1 5 m h z 的 微 波频率下， 在不同功率下对含水稠油进行了现场加热实验， 对微波加热前后 稠油的温度、 含水率、 流变性进行了测量，并通过红外光谱法对微波加热前 后 稠 油 的 化 学 组 分 进 行 了 分 机媛现 尽 管 稠 油 的 化 学 组 分 没 有 明 显 的 变 化 ， 但稠油中乳化水的含水率显著减少， 从而大大降低了 稠油的豁度， 改善了 稠 油 的 流 变 性， 有 利 于 稠 油 的 集 输 少 - . 在国内， 我们最先设计和使用微波设备在2 4 5 o m h z 的 微波频率下， 在不同 功率下对脱水稠油进行了微波处理，对微波处理前后稠油的样品进行了 温 度、 含水率、 流变性的测量， 并用红外光谱法对微波加热前后稠油的化学组 分 进 行 了 分 析 ; 涟2 4 5 0 m h z 的 微 波 频 率 下 ， 功 率 为 3 k w 、 作 用 时 间 为i m in 对四个不同产地的稠油进行了微波加热处理， 对微波处理前后稠油的样品进 行 了 温 度 、 含 水 率 、 流 变 性 的 测 量 犷 并 用 红 外 光 谱 法 和 t l c - f id 棒 色 谱 法 对微波加热前后稠油的化学组分变化进行了全面的分析， 发现脱水稠油中的 沥青质胶质的含量显著减少， 从而大大降低了稠油的乳度， 有利于稠油的开 采。 . 为了 研 究 这 种 变 化 发 生 的 原 因 ， 本 文 建 立 了 vi 7鱼 1_ja u 过 程的 宏 观 和 微 观数 学 模型， 用电磁场的时域有限差分和传热方程的有限差分法建立了稠油微波加 热过程的宏观数带模型， 建立了 稠油加热过程中网格内部的介电 性质具有很 大 差 异 的 不 同 组 分 的 微 观 数 学 模 k 过 数 学 模 型 得 到 的 稠 油 加 热 过 程 中 的 宏观和微观的电磁和温度分布， 对微波加热过程中稠油化学组分的变化的机 理做出合理的解释。 无论是在国际还是国内， 对微波加热发生的物理、 化学 变化都还只停留在对实验现象的描述和推测上， 木文首先采用建立数学模型 的方法对稠油的加热过程进行了模拟研究，对实验现象进行了合理的解释. 甘厅.沙 稠油微波加热降 粘机理的研究 4 .在la 内，我们首次对稠汕及各组分的介电参数随温度的变化关系进行了测 量。 5 .最后，给出了简要的结论以 及进一步需要进行的工作。 关键词:微波加热 、微波脱水、微波降粘、f d t d法 摘要 t he s t udy of t h e me c h ani s m o n t he vi s co s i t y r educ t i on of t h e he a vy oi l r adi a t e d b y t he mi c r owa ve wa n g y i n g ( e l e c t r o m a g n e t ic t h e o ry a n d mi c r o w a v e t e c h n o l o g y ) d i r e c t e d b y s o n g we n mi a o 今 s i n c e t h e y i e l d o f t h e h e a v y o i l i n t h e w o r l d i n c r e as e s g r a d u a l l y , e x t r a c t i n g a n d t r a n s p o rt in g i t b e c a m e t h e m a i n p r o b l e m s i n p e t r o l e u m i n d u s t ry f o r t h e h e a v y o i l h a s h i g h v i s c o s i t y a n d b a d fl u i d i t y . t h e v i s c o s i t y o f t h e h e a v y o i l i s s e n s i b l e t o t h e t e m p e r a t u r e , s o h e a t i n g b e c o m e s t h e m a i n w a y t o e x t r a c t a n d t r a n s p o rt t h e h e a v y o i l . b u t h e a t i n g t h e h e a v y o i l b y t h e t r a d i t i o n a l m e t h o d s i s o ft e n i n e ff i c i e n t a n d s l o w b e c a u s e t h e h e a v y o i l h as l o w t h e r m a l c o n d u c t i v i t y . o u r r e s e a r c h g r o u p f i r s t l y i n t r o d u c e s t h e m i c r o w a v e e n e r g y i n t o t h e p e t r o l e u m i n d u s t ry t o p r o c e s s t h e h e a v y o i l . i n t h e e x p e r i m e n t , w e f o u n d t h a t h e a t i n g t h e h e a v y o i l b y m i c r o w a v e r a d i a t i o n i s e f f i c i e n t a n d r a p i d . b u t t h e m o s t i m p o rt a n t t h i n g i s t h a t t h e c h e m i c a l c o m p o n e n t s o f t h e h e a v e o i l r a d i a t e d b y m i cr o w a v e a r e c h a n g e d a n d t h e r h e o l o g i c a l p r o p e rt y o f i t i s im p r o v e d . t h e m a i n i d e a o f t h i s d i s s e rt a t i o n i s t o s t u d y t h e m e c h a n i s m o f t h e v i s c o s i t y r e d u c t i o n o f t h e h e a v y o i l r a d i a t e d b y m i c r o w a v e . i n d o m e s t i c , w e f i r s t l y d e s i g n a n d u s e t h e m i c r o w a v e d e v i c e t o h e a t t h e h e a v y o i l . t h e w a t e r c u t h e a v y o i l a n d t h e p u r e h e a v y o i l i s r a d i a t e d . t h e t e m p e r a t u r e , t h e w a t e r c u t a n d t h e o l o g ic a l p r o p e r ty o f t h e s a m p l e s o f t h e h e a v y o i l a ft e r a n d b e f o r e m i c r o w a v e r a d i a t i o n a r e m e a s u r e d . t h e c h e m i c a l c o m p o n e n t o f t h e m i s a l s o a n a l y z e d b y i r a n d t l c - f i d i n d e t a i l . t h e r e s u l t o f a n a l y s i s a n d e x p e r i m e n t r e s e a r c h ,s h o w t h a t a ft e r t h e m i c r o w a v e h e a t i n g , t h e w a t e r c u t 梦t h e w a t e r c u t h e a v y o i l r a d i a t e d b y m i c r o w a v e d e c r e a s e d o b v i o u s l y a n d t h e p e r c e n t a g e o f g u m a n d b it u m e n i n t h e p u r e h e a v y o i l r a d i a t e d b y m i c r o w a v e d e c r e a s e s , t h e r e f o r e , t h e v i s c o s i t y o f t h e t h e m r e d u c e s g r e a t l y a n d t h e r h e o l o g i c a l p r o p e rt y o f t h e m i s i m p r o v e d . i t i s b e n e f i t t o t h e e x t r a c t i n g a n d t r a n s p o rt i n g o f t h e h e a v y o i l . 1 . i n d o m e s t i c , w e f i r s t l y d e s i g n a n d u s e t h e m ic r o w a v e d e v i c e t o p r o c e s s t h e h e a v y o i l w i t h m ic r o w a v e f r e q u e n c y o f 2 4 5 0 mh z a n d d i ff e r e n t p o w e r . t h e t e m p e r a t u r e a n d t h e t h e o l o g i c a l p r o p e rt y o f t h e s a m p l e s o f t h e h e a v y o i l a ft e r a n d b e f o r e m i c r o w a v e r a d i a t i o n a r e m e as u r e d a n d t h e c h e m i c a l c o m p o n e n t o f t h e m i s a n a l y z e d b y i r i n d e t a i l . t h e e x p e r i m e n t r e s e a r c h a n d a n a l y s i s s h o w t h a t t h e p e r c e n t a g e o f t h e g u m a n d b i t u m e n i n h e a v y o i l r a d i a t e d b y m i c r o w a v e d e c r e as e s a s t h e m i c r o w a v e p o w e r i n c r e as e s . f o u r s a m p l e s o f t h e h e a v y o i l e x t r a c t e d f r o m d i ff e r e n t o i l f i e l d s a r e r a d i a t e d b y m i c r o w a v e w i t h m i c r o w a v e p o w e r o f 3 k w a n d r a d i a t i o n t i m e o f l m i n . t h e t e m p e r a t u r e a n d t h e r h e o l o g i c a l p r o p e rt y o f t h e s a m p l e s a ft e r a n d b e f o r e m i c r o w a v e r a d i a t i o n a r e m e a s u r e d a n d t h e c h e m i c a l c o m p o n e n t o f t h e m i s a n a l y z e d b y i r a n d t h e r e s u l t s o f a n a l y s i s s h o w t h a t t h e v i s c o s i t y o f t h e m r e d u c e s g r e a t l y . t h a t i s b e n e f i t t o t h e e x t r a c t i n g o f t h e h e a v y o i l . 2 . i n o r d e r t o s t u d y t h e r e as o n o f v i s c o s i t y r e d u c t i o n o f t h e h e a v y o i l r a d i a t e d b y m i c r o w a v e , t h e m a c r o s c o p i c a n d m i c r o s c o p i c m a t h e m a t i c m o d e l i s f o u n d e d . i n t h e m a c r o s c o p ic m o d e l , t h e f d t d m e t h o d i s u s e d t o s o l v e t h e ma x w e l l e q u a t i o n 稠油微波加热降粘机理的研究 a n d t h e f d i s f o u n d e d m e t h o d 砰 s u s e d t o s o l v e t h e t h e r m a l e q u a t i o n . t h e m i c r o s c o p i c t o c a l c u l a t e e l e c t r o m a g n e t i c a n d .t e m p e r a t u r e d i s t r i b u t i o n mo d e l o f t h e 3 d i ff e r e n t c o m p o n e n t s i n s i d e t h e m a c r o s c o p i c m e s h , w h i c h h a v e d i ff e r e n t d i e l e c t r i c c o e f f i c i e n t . t h e r e s u l t s o f m a c r o s c o p i c a n d m i c r o s c o p i c e l e c t r o m a g n e t i c a n d t e m p e r a t u r e d i s t r i b u t i o n c a l c u l a t e d b y t h e m a t h e m a t i c m o d e l g i v e a r a t i o n a l e x p l a n a t i o n t o t h e c h a n g e o f t h e c h e m i c a l c o m p o n e n t s o f t h e h e a v y o i l a f t e r a n d b e f o r e t h e r a d i a t i o n b y m i c r o w a v e . i t i s t h e f i r s t t i m e t h a t th e m a t h e m a t i c m e t h o d i s u s e d t o s i m u l a t e t h e h e a t i n g p r o c e s s o f t h e h e a v y o i l a n d t h e r e s u lt i s u s e d t o e x p l a i n t h e e x p e r i m e n t a l p h e n o m e n a . i n d o m e s t i c , w e f i r s t l y m e a s u r e t h e d i e l e c t r i c p a r a m e t e r o f t h e h e a v y o i l a n d i t s c h e m i c a l c o mp o n e n t s a s t h e f u n c t i o n o f t h e t e m p e r a t u r e . f i n a l l y b r i e f c o n c l u d i n g r e m a r k s a n d f u t u r e w o r k a r e l i s t e d k e y w o r d s : mi c r o w a v e h e a t i n g , mi c r o w a v e d e h y d r a t i o n , v i s c o s i ty r e d u c t i o n o f t h e h e a v y o i l b y mi c r o w a v e r a d i a t i o n , f d t d me t h o d i v 第一 章 绪论 第一章引言 互 1 . 1 研究背景和国内外现状 稠油亦称重质原油或高薪原油 ( 英文名为h e a v y o i l )，并不是一个严格 的范畴，按比重对原油进行分类，通常将d 4 0 0 . 9 2 的原油称为稠油。按勤度分 类，把在油层温度下乳度高于l 0 0 m p a s 的脱气原油称为稠油。据估计世界常 规石油的总资源量为3 0 0 0 亿吨，此外还有稠油、油砂及油页岩等非常规石油资 源，它们的储量折合为石油估计有八九千亿吨之多，这些将成为 2 1 世纪石油 的重要来源。 据有关资料报道l ， ， 我国 稠油的储量在世界上居第七位， 迄今己 发现有巧个大中型含油盆地和数量众多的稠油油藏区块。世界各国在石油工业 的发展过程中，都是先开采较易开采的、较轻的原油，随着较轻原油资源的逐 渐减少，不得不开始开采一些较难开采的重质油，因此在世界石油产量中重质 油的份额正在逐渐增大。近年来，我国也加速了 稠油的开发，目前稠油的产量 己 经占 全国石油年产量的十分之一左右。 稠油的特点是比重大、薪度高， 给开采和管道集输造成很大困难， 降低稠 油豁度是解决这一难题的关键。 稠油的私度对温度较为敏感，所以 在稠油的开 采和集输中，加热降粘是稠油降粘的主要方式之 一 。 我国稠油油田开采稠油的主要技术为:蒸汽吞吐和蒸汽驱替技术。蒸汽吞 吐方法是周期性地向油井中注入蒸汽，将大量热带入油层的一种稠油增产措施 。注入的热使稠油的勃度大大降低，从而提高了油井中稠油的流动能力，起到 增产作用。蒸汽驱是 指注气井连续注蒸汽而周围油井连续生产的过程。幻 对于 蒸汽吞吐而言，蒸汽注入地层冷却变成水，在采油中不可能将水全部排出，将 部分水留在地层中，再次注入水蒸汽，除地层散热外，还不得不加热这些地层 水，使蒸汽热量用于稠油加热的有效利用率降低。这样仅仅只是几个循环，注 入的蒸汽就已很难达到加热油层的效果。另外由于沿注入管线的热损耗，使得 注入蒸汽注入地层的干度大大降低，因此在一般的情况下，蒸汽吞吐仅适用于 埋深不超过1 2 0 0 m 的稠油油藏的开发。蒸汽驱除要求蒸汽的+度高外，还要求 地层的孔隙度好、 连通性好，且注入井和采油井之间 井距较小1:,1 。由 于注蒸汽 开采工艺存在局限性，从而使我国目前的稠油采收率最高只能到3 0 % 左右。 稠油的管输工艺主要有: i 、传统的加热降勒输送:2 、掺液稀释输送:3 , 掺活性水乳化降勒输送;4 、勒弹性环减阻输送;5 、伴热保温输送 ( 蒸汽外伴 热、管中管加热、介质伴热和电流集输效应伴热);6 ,就地加工处理后的成 品油输送。其中1 , 2 , 3 三种均有应用，但每一种方法都存在一定的局限性， 加热输送经济上比较昂贵;稀释输送要用轻质汕、凝析油或蒸馏产品 ( 如煤 稠油微波加热降枯机理的研究 油、柴油的半成.n 等) 稀释稠油降t r, 输送，应用这种方法有可能使汕质变坏， 1 1- 要有来源方便的稀释油源刁 能使i 日 ;搀活性水乳化降孙是在原油中掺入大幼 的水及表面活性物质，在适当的温度及机械剪切作川下，使原油以液滴状分散 于水 ， ，形成满足管输稳定性要求的油水混合液，从而大大降低所输介质的勃 度。f f l 山于原油的成分在不同产地有很大差异，这种方法存在活性剂的选择、 乳状液成型稳定、流变性及管输到终点的破乳脱水等问题。 鉴于稠油在开发和管道集输存在的各种问题，开发一种经济、方便、清洁 的新型稠油降赫方法对提高我国稠油的开采量具有非常重要的意义。和其它的 工 _ 业领域一样，石油工业迫切需要高科技的新技术来提高产量、降低成本，面 对稠汕开采和集输这一世界性难题，各国科研工作者都在不断地探索和研究 。微波的热效应早已被人们所熟知，随着微波设备的性能和可靠性的提高，特 别是磁控管的可靠性的提高，微波作为一种新的能源方式被广泛应用于工业、 农业、医疗等领域。微波的加热机理是材料在外加电 磁场作用下内部介质的极 化产生的极化强度矢量落后于电 场一个角度，从而导致与电 场同相的电流的产 生，构成了材料内部的功率耗散。这种加热不同于一般的外部热源由表及里的 传导式加热，而是材料在电磁场中由于介质内部的功率损耗而引起的体积加热 ，这对于导热性较差的材料加热，微波具有明显的优势，而稠油由于导热性较 差，常规方法加热稠油存在加热速度慢、加热效率低的缺点。微波加热具有的 高效率、高速度和清洁性逐渐引起广大石油工作者的浓厚兴趣，各国的科研工 作者开始探索微波能在石油工业中的应用。到目 前为止，微波能在石油工业中 的应川仍处于实验阶段，其原因是多方面的:一力 一 面，石油是一种极为复杂的 混合物，其各组分之间的的物理、化学、电学性质有很大差异，其微观结构具 有不均匀性，在微波处理过程中会出现一些常规加热中不可能出现的物理、化 学现象，这些现象的产生原因和对开采、集输过程的影响都没有得到很好的解 答;另一方面，石油工业工作的现场大都是野外，而且工作中设务的功率大， . l 作条件复杂、多变，受井口的大小限制，井下空i司 有限，功率密度高，对微 波设备的安全性、可靠性要求很高。目 前，微波在石油工业中的试验主要集中 在两个方面:l . 微波开采稠油;2 . 微波处理稠油。 在微波开采稠油的过程中，将微波能量辐射到油层中，微波在油层中传播 时，山于岩石骨架对微波的损耗较小 大部分能量被最靠近微波源处油层岩石 孔隙中的油和束缚水吸收，油温和水温升高，油的乳度降低+ 1 ，在一定情况下 ，油中的气体和轻烃挥发出来。山于束缚水对微波的吸收远比 稠油大，束缚水 很快i发，增加了地层的压力，便于稠汕的开采，随着这部分被加热的稠油的 ! 几 采，这一加热区域的介电损耗逐渐减小，微波的集肤深度增加，微波能逐渐 向吏 远的地层传播(6 ) 。 在高功率微波作用下，微波在油 层的气隙中 产生等离子 第一章绪论 体，等离子体中的高能电子能直接于 1 断稠油中高分子的化学键，使稠汕的化学 组成发生改变， 从而降低稠油的 v度!n l高功率微波作用下， 微波加热的选择 性使加热过程中产生局部过热现象，造成稠油中的部分高损耗组分的过热分解 ，从而降低稠油的私度。在二十世纪五十年代，人们开始将微波能应用于石油 工业领域。1 9 5 6 年，微波采油技术产生了第一个专利。1 9 6 9 年，有人提出用电 磁能增加稠油的产量，并在德克萨斯的小通油田 ( l i t t l e t o m , t e x a s )进行了 现场实验，使产量由最初的1 桶/ 天( 0 . 1 6 m / d ) 提高到2 0 捅/ 天( 3 . 1 8 m / d ) 17 1 。7 0 年代，在美国能源部的资助下，伊利诺斯研究所( i i t )开始了电磁加热法 开 采稠油的研究， 他们研究了 的电 磁波频率从i o h z 一直到微波频段( 3 0 0 m h z - 3 0 0 0 h z ) ,s , 16 . 1 a a b a l i n t的室内 模拟实验表明，在5 . 8 g , 9 1 5 m 以及脉冲形式的 微波的作用下，油砂温度不超过2 2 0 度，油砂的出油率超过6 5 % 0 微波处理稠油、油砂能改变稠油和油砂中的油分的各组分含量，因此，改 善稠油的性质、将油分从油砂中分离出来是一个被广泛研究的方向，许多文献 和专利 探讨了 微波处理稠油、 油 砂、 油 页岩的方法和 机理 12, 11 , 14 . 15 , 16 , 17 , 16 1 。 r . g . b o s i s i o 的实验【 19 1 是在微波谐振腔中完成的，实验样品选用含沥青1 4 % 、 含水 3 % 、 含砂8 3 % 的阿尔伯塔油砂制成重5 g 的柱状样品， 将样品放入特制的石英管 中，在l o o w的微波功率下处理了3 0 分钟，实验过程中收集的液体在实验结束 后进行分析，实验过程中产生的气体经冷却后直接送入气相色谱仪，经过多次 实验，作者发现，实验过程可分为三个不同的阶段: 、在微波功率作用一开 始，谐振腔内等离子体形成阶段 ( 此阶段持续1 0 - 1 5 分钟)。2 、谐振腔内沥青 稳定减少阶段，在此阶段，释放出大量的黄色的油蒸汽 ( 此阶段持续5 - 1 0 分钟) 。3 、无明显反应的稳定阶段。实验液体产物的分析表明微波作用后油的分子 量比常规方法得到的油分的平均分子量小，且最大的液体产物的生产率发生是 12 1 在较低的温度下。 实验气体产物h 2 , c 2 h 2 . c o 主要产生于实 验的第一阶段的化 学反应，c h 4 1 c 0 2 主要产生于实验的第二阶段沥青的分馏和裂化。形成c 0 2 和c o 的氧是由等离子体中水蒸汽的分解产生的。在实验中作者发现，实验中微波功 率增加两倍和减小两倍对沥青的生产率的影响很小，这是因为在等离子体产生 和维持的功率为5 0 - 1 0 o w 。作者还发现，随着样品在加热腔内位置的改变，沥 青的生产率会发生很大的变化，这是由于位置的变化使样品和微波作用的部分 增加pp减小。e d w a r d t . w a l l 在他的实验中发现微波蒸馏的产物和常规蒸馏 的产物具有显著的区别，微波蒸馏产物中的气相产物中含有常规蒸馏中不可能 在低温下产生的一氧化碳，微波蒸馏的液态产物和常规蒸馏的液态产物也具有 明显的差别，说明微波热裂解的机理和常规裂解是不同的，作者认为这和加热 过程中极性成分对微波的强烈吸收导致的局部过热现象有一定的关系。 w a l l 从他的实验中发现微波处理油砂产生的油具有较低的乳度，微波处理过程中 稠油微波加热降粘机理的朋究 汕、2 元 产物的生成速度非常快， 产生的热碳产物少。 k i r b r i d c 研究了 微波对 稠油的催化裂化的影响发现微波的作用使催化裂化反映在较低的温度和压力下 进行，作者认为这主要归因于微波能的存了 对催化剂有活化作用。 微波能还被用于原汕的脱水处理211. 2 1, 2 -1,， c . s . fang_研究了 微波对含水率分 别为5 0 % 和3 0 % 的油包水乳化液的脱水过程，发现微波对油包水乳化液的脱水效 果 很好。 wolf在他的实验中比 较了 用常规加热方法和微波加热方法将含水率 为3 0 % 的油包水乳化液加热到相同的温度，然后在相同的条件下进行沉降，作 者发现无论是在有无破乳剂的情况下，微波破乳较常规加热所需要的时间短、 破乳的效果好，虽然作者没有深入研究破乳的机理，但作者指出微波破乳的机 理和常规加热破乳的机理显然是不相同的。刘惠玲比较了微波破乳脱水和热化 学重力沉降脱水发现，从立即脱水率和总脱水率以及沉降消耗时间上看，都说 明微波脱水优于热化学重力沉降脱水。 以上的研究主要集中在对微波处理稠油过程的实验现象的研究，而对实验 现象产生的原因仅仅是进行了一些推测，而没有根据实验的条件和过程对这些 推测进行验证。例如:一些文献指出微波蒸馏、微波脱水和常规蒸馏、常规脱 水的不同之处在于微波的选择性加热引起的局部过热，但在这种局部过热到达 什么样的程度，是否可以引发所观测到的现象方面却没有进行更深入的探讨 。有些文献将出现的化学变化归因于微波的量子能量直接打断了化学键，但微 波具有的量子能量和分子的转动动能处于一个数量级，相对于结合力很强的化 学键，其作用还很微弱，直接打断化学键的可能性很小。也有些文献认为，由 于微波的振荡电场使油分子中的极性基产生共振，并在极性基周围形成局部过 热从而引发了常规条件下无法发生的化学变化。山于稠油是一种微观结构不均 匀的混合物，而微波加热的选择性造成的温度失控在含杂质的介质的加热过程 中己 经多次得到证明【2, 1微波加热过程的局部过热是造成微波处 理和常规处理 显著差别的原因是最普遍最易于接受的推测，而宏观和局部温度的分布是验证 这一推测的关键，温度分布的实验测量是很难得到的，因为局部过热或局部热 失控不仅和宏观的电磁场、温度分布直接有关，而且发生在介质微观不均匀的 极小区域内，温度传感器一方面无法小到观测到如此小的区域，另一方面，温 度传感器的介入本身就影响了这个区域的介质连续性，对该区域的电磁、温度 分布产生扰动。因此，用一个合理的数学模型来研究整个加热过程中发生的变 化，根据实验数据对数学模型进行修正，用计算结果对发生的现象进行解释是 研究微波降私的有效方法之一。 用数学模型来模拟微波加热过程是分析加热过程中加热腔内电磁场分布 (: . y; . m . 11)和 温 度 分 布 t. , n . . . , . ,. . 的 有 效 方 式， 在 微 波 加 热 的 各 个 领 域 都 有 应 用 。h . c . r e a d e r e 3 用数值方法计算了 单模和多 模加热腔内的电 场分布并和电 场 第一章绪论 的测量值进行比较， 得到了 一致的结果; k . i w a b u c h i 用数值方法分析了 有加 热 物 体的 微 波 炉内 的电 磁 场 的 分 布并 证明 数 值方 法的 有 效 性。 l i z h u a n g 用 数 值方法分析了微波加热腔加热食品的加热过程，计算结果和测量结果一致性很 好。 f . l i u , 0 分析了 脊波导加 热聚 合 物材料的加 热过 程。 m . s u b i r a t s 1 用 数值 方法分析了 微波烧制陶瓷的 过程。 b . a d u l 分析了 微波干 燥的过程， 数学模型 计算的结果和实验数据均有很好的一致性。介质的微观不均匀性( 含有杂质) 和 介质介电损耗随温度的正的上升率会导致微波加热过程中的局部过热和热失控 ，这种局部过热和热失控用一般的测温方法是很难得到的，而用建立数学模型 的方法研究加热过程中的局部过热点温度变化的情况和控制方法是很有效的 1 11 :15, : 阮 17) a t . r . m a r c h a n t m 建 立了 含 有 杂 质的 材 料的 微 波 加热 一 维 模型， 讨论 了 加 热 过 程中 发 生 热 失 控 的 条 件; g e o r g e s r o u s s y e 5j , t . r . m a r c h a n t ，及 p . j o l l y 4 , 分别建立了 各自 的 微波加 热的一 维模型， 讨论了 热失 控的 条件和控 制方法。 互 1 . 2 本文的研究方法和研究内容 作者从一九九六年开始一直从事稠油的微波降勃方面的研究工作，先后参 与了“ 单井出油管线微波加热器的研制”项目的室内和现场实验和 “ 稠油微波 降1 6 机理研究”的大量实验研究工作，在实验中不断总结和摸索，建立了本文 的研究思路:对大量的实验数据进行分析，以实验数据为基础建立合理的数学 模型，用实验数据检验数学模型，用计算数据分析实验现象。 本文工作按以下几个步骤进行: 1 、微波处理稠油的室内、现场实验。 2 ,微波处理稠油过程的数学模型的建立。 3 ,稠油介电性质的测量。 4 、稠油微波加热降钻的机理探讨。 1 . 2 . 1 微波处理稠油的室内、现场实验 在稠油的开采和集输过程中， 需要处理两种类型的的稠油， 一种是沉积在地 下 的地层稠油，这种稠油含水率较低、勤度高、流动性差，在开采过程中，需 要加热降粘( 蒸汽吞吐、蒸汽驱替) 才能开采出来;另一种稠油是井口开采出来 后的稠油，在开采过程中稠油和大量的水混合形成稳定的油包水的乳化液，由 于水相微液滴的形成，使稠油的勃度进一步提高。这一类含水稠油在管线传输 前需要进行加热降粘处理。所以，为了研究微波在石油工业中的应用的可行性 ，我们将微波处理稠油的实验分为两大类:一类是微波对含水原汕的处理，另 稠油微波加热降v i i i l 理的研究 类是微波对脱水原油的处理。 微波对含水原油的处理研究的主要日的是研究微波对含水原油的加热效果 和加热过程中 含水原油的f t, 度和含水率的变化情况，为微波加热稠油集输做理 论和实验上的准备。该研究是在辽河油田的配合下进行的，我们研制了微波频 率为9 1 5 m i i z ，最大输出功率为2 0 k w 的 “ 单井出油管线微波加热器”，经过室内 实验后，进行了采油现场实验，实验中对现场处理前后的稠油进行了采样、测 量，取得了不同功率下微波加热稠油的温度上升幅度，不同功率处理后稠油流 变性、含水率的变化情况。 微波对脱水原油的处理主要进行了 室内实验，其目的是研究在微波的作用 卜 ，稠油的流变性、化学组分的变化情况，为微波在稠油的开采和深化处理方 面的应用做理论上的准备和探讨。该研究采用微波谐振腔作为加热器，微波频 率为2 4 5 0 m h z ，功率为1 - 5 k w 可调，对四种不同产地的稠油进行了一系列的实验 ，取得了不同功率、不同加热时间的实验数据和处理前后原油的流变性和化学 组分的变化情况. 1 . 2 . 2 微波加热稠油过程的数学模型的建立 稠油本身是一种化学组成非常复杂的混合物，随着温度的变化，各组分的 含量会发生一定的变化，研究加热过程中，加热腔内部温度的空间分布和随时 间的变化情况，对研究微波对稠油的作用机理有着重要的作用。另一方面，在 高功率微波场的作用下，加热腔内的电场分布对加热的均匀性和加热效率有着 显著的影响。为了深入研究微波对稠油的作用机理，得到加热腔内部的电磁分 d li 和温度分布是非常必要的。 微波场中电 场强度和温度分布的测量在技术上具 有很大的难度，建立合理的微波加热稠油过程的数学模型是至关重要。 微波对物质的加热实质上是一种电磁场能量在传播过程中的损耗过程。由 于电 磁场是以 接近光速的速率在介质中传播，所以微波加热对于加热介质而言 具有内部加热的特点。如果介质有足够大的介电损耗的话，微波加热的速度比 常规的依赖于传导加热 ( 油的传热性较差)的方法要快很多倍。在微波加热过 程中，微波损耗作为内热源。所以建立稠油加热的数学模型要解决三个问题: 1 .求解m a x w e l l 方程得到加热器内的电磁场的分布 2 求解传热方程得到加热器内的温度分布 3 . m a x w e l l 方程与传热方程的祸合 ( 1 ) 求解m a x w e l l 方程得到加热器内的电磁场的分布 电磁场计算的数值方法有很多种， 二 要分为频域计算方法和时域计算方法 ，频域计算方法包括有限元法、矩鱼法和单矩法:时域方法有:有限差分法、 1 : 吊绪论 干 , i 俞 线知阵和时域积分方程法 频域1 i i 1 : if 分为积分方k 1l 形式f 1 1 微分方f y ) f a.积分方v 1a i 式足把1 k f6 a 的作) i n 乍 为边值1, 7 题来对待， ,l 匕 场， ,k 16 , 1 勿 十 i: v i il界条件导1 i 积分方不 ， : 或积分 一 微分1 i 4- a o f l -i 这些i f 程不i有般， ，不i l i 4 ( x 1 具体的儿何边界 ,u 材料进行 再推导。矩童法是运用最广泛的解这类力程式的近似方法，首先，将积分方程 转换为等效的知阵方不 、 ， ，而后对 i 阵) i 程式进行求逆i i 。这科 ， 方法适) 1 -. 仃 怠形状和非均匀性问题，但可能导致 二 常大的矩午 而且可能是病态的，使) i 1 及 其运用范围受到了限制。微分形式的方法 三 要是有限) 分法和有限儿0 .有ip f 元 法需要用微分方程式的变分形式，这并不是对所有问题都能办到的。 时域法也分为积分方程和微分方程两种形式。积分方程形式叫做滞后位积 分法，方程求解的基本方法是:把空间变量的积分区域和时间变量都离散化， 从而把积分方程式化为线性方程式组，这种方法的主要优点是计算区域限制在 结构的表面，其缺点是需要时间的后存储，以完成推退积分， 这大大增加了对 存储空间的要求。微分形式主要是时域有限差分法，这是一种保持m a x w e l l 旋 度方程中的时间变量，不经变换而直接在时域一空域中求解的方法，它能提供 方程式的齐次部分 ( 瞬时)和非齐次部分 ( 稳态)的全部解答。它在每一网格 反复地运行由 m a x w e l l 旋度方程直接转换来的有限差分格式， 从而实现在计算 机的数字空间中对波的传播及与物体的作用进行模拟。在这种模拟中不需要后 存储，一般只涉及上一时间步的场值。山于它以最普遍的m a x w e l l 方程作为出 发点，故有非常广泛的适用范围。传输线矩阵法恭于惠更斯关于波的传播原理 将m a x w e l l方程及其边界条件按时间、空间进行离散，用一对对互相联结的 传输线来模拟所要求解的导波结构。它与日 j 域有限差分法非常接近。 电磁场计算方法的选用主要根据具体的计算要求而定，在加热过程日 ，介 质的温度是不均匀的，且在一个较大的范田内变化而我们知道介电常数和介 电损耗和温度的关系很大，所以同一时刻，加热体内的介质介电常数和介电损 耗是不均匀的。随着加热时间的推进、热员的积累和了 列 在时问上的迭代计算直接模拟电磁波的传播及其与物体的相互过程，符合物理 规律:在差分格式中，被模拟空间的电磁性质的参里足按空!1 ! 网格给出的，空 ( d 网格的电磁参数可以根据要求在计算过程中进1 f 史新。从 f - 这il l 优点，时域 万分法足稠油加热模型中电磁场计算方法的最了 i - 选抒。 1 1. z h a o t i ) ij p u t d 方法研究了)1 i 热!ir 内介i lf 常数tl i 定i ij 况 曰4 ; 耗介质的i l, l f, j 分布，认为基于这种方法的模型具有高的精度1 土 l i: 模拟微波场时提高了使川的 稠汕微波加热g r # 1 1 u l u 甲 的州左 灵话性。 ”i , i z h i l n g、 !; ， 使川p d f u 方侧 、 研究1 加热介1 l f i 质随温度变化的食1w 1 的加热腔内的温度分石 ，认为i u f 1l 脚法适合一j 几 和f 侧要 、 方程拙合，计算结果 。 实 验结果一 致性好。“ ( l ) 解传热方p i 1.得到加热器内的i l il l x 分布“ . 温度分布的计算i11 要求解传热方程，i l! 热方程是一 组父杂的非线性偏微分 力1 71 a除了一些简单的fii 形外，r te 难获拐这些偏微分方程的精确解。因此，; 布 要采川数值方法求解。求解传热方程的数值解的方法有很多种，其中主要的是 t 1 限差分法、有限元法、边界元法及有限分析法，有限j c 法、边界元法及有限 分析0 : 在最近儿年中有很大的发展，但就方法的发展成热的程度、实施的难易 及应i t 的广泛性等方面而言，有限差分这一 类方