朱 靜, 李傳憲, 辛培剛

(1.中國石油大學(xué)(華東)儲(chǔ)運(yùn)與建筑工程學(xué)院,山東青島266555; 2.海洋石油工程(青島)有限公司,山東青島266555)

稠油粘溫特性及流變特性分析

朱 靜1, 李傳憲1, 辛培剛2

(1.中國石油大學(xué)(華東)儲(chǔ)運(yùn)與建筑工程學(xué)院,山東青島266555; 2.海洋石油工程(青島)有限公司,山東青島266555)

采用RS75旋轉(zhuǎn)粘度計(jì)對(duì)稠油的粘溫特性及流變特性進(jìn)行了測(cè)量及研究。結(jié)果表明,稠油的粘溫特性在測(cè)量區(qū)間內(nèi)(80～20℃)較好地符合Arrhenius方程;溫度越低,稠油粘度對(duì)溫度變化越敏感;不同溫度區(qū)間稠油的活化能不同,低溫區(qū)間(36.5～20.3℃)內(nèi)的活化能比高溫區(qū)間(80.0～55.9℃)內(nèi)的活化能增長了45%;反常點(diǎn)溫度為35℃,當(dāng)溫度高于35℃時(shí),稠油表現(xiàn)為牛頓流體,溫度低于35℃時(shí),稠油表現(xiàn)為非牛頓流體;在非牛頓流體區(qū),稠油不具有觸變性。

稠油; 粘溫特性; Arrhenius方程; 活化能; 流變性

稠油是指在地層條件下粘度大于50 m Pa·s的原油。稠油的主要特征是相對(duì)密度大、粘度高、流動(dòng)性差,常表現(xiàn)為非牛頓特性,滲流特征也不符合達(dá)西定律,這些性質(zhì)是由稠油的組分特點(diǎn)及其內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)決定的。

稠油的組分特點(diǎn)為含有大量的膠質(zhì)、瀝青質(zhì)。對(duì)于稠油的族組成研究,目前最廣泛采用的是四組分分離法,四組分即飽和分、芳香分、膠質(zhì)、瀝青質(zhì),也稱為SARA法[1]。稠油本身是一種多分散的膠體體系,有關(guān)石油膠質(zhì)結(jié)構(gòu)的研究已有許多報(bào)道,以目前廣泛采用的SARA四組分來表示,其中分散相由瀝青質(zhì)(膠束中心)和其表面或內(nèi)部吸附的部分可溶質(zhì)構(gòu)成,分散介質(zhì)均由余下的可溶質(zhì)構(gòu)成,分散介質(zhì)亦稱膠束間相[2-4]。實(shí)際系統(tǒng)中并不存在截然變化的相界面,而是沿膠束核心向外,其芳香度和分子極性連續(xù)遞減至最小,呈現(xiàn)梯度變化特征[5]。

瀝青質(zhì)膠束在體系各種力作用下通過自締合作用,可形成不同層次的超分子結(jié)構(gòu),使稠油成為一種多分散的膠體體系;稠油體系中的這些超分子結(jié)構(gòu)并不是緊密堆積的,低層次的結(jié)構(gòu)在某種分子間力作用下可發(fā)生相互連接、聚集,進(jìn)一步形成松散的較高層次的超分子結(jié)構(gòu),在此過程中把大量的液態(tài)油包裹其中;另外,在超分子結(jié)構(gòu)的周圍會(huì)吸附一些芳香性較低的輕質(zhì)組分,稱為溶劑化層,溶劑化層的存在可增大分散相的體積,使瀝青質(zhì)膠粒具有較大的空間延展度,這些因素都可造成稠油的高粘性。

稠油體系內(nèi)微觀結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性在宏觀上表現(xiàn)為粘溫特性及流變特性的復(fù)雜性[6-8]。本文利用RS75旋轉(zhuǎn)粘度計(jì)等測(cè)量了塔河普通稠油的粘溫特性及流變特性,分析了不同溫度區(qū)間稠油的活化能,從微觀角度對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行了深入系統(tǒng)的分析。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)原料

實(shí)驗(yàn)所用的油樣來自新疆塔河油田,塔河油田外輸稠油的物性參數(shù)見表1。

表1 稠油的物性參數(shù)Table 1 Physical property of heavy oil

1.2 實(shí)驗(yàn)儀器

德國哈克公司生產(chǎn)的RS75旋轉(zhuǎn)粘度計(jì)、恒溫水浴等。

2 結(jié)果與討論

2.1 稠油的粘溫特性

將塔河稠油加熱到80℃,恒溫60 min,然后以0.5℃/min的速度連續(xù)降溫,在剪切速率為5 s-1的條件下,用RS75旋轉(zhuǎn)粘度計(jì)測(cè)量其不同溫度下的粘度值,結(jié)果如圖1所示。

Fig.1 The curve of viscosity-temperature characteristics for heavy oil圖1 稠油粘溫曲線

由圖1可知,當(dāng)溫度高于50℃時(shí),粘度隨溫度的變化比較平緩;但當(dāng)溫度低于50℃時(shí),隨溫度降低,粘度迅速增加,且溫度越低,粘度的變化越劇烈。

對(duì)塔河稠油樣品的粘溫關(guān)系進(jìn)行回歸分析,回歸方程能較好地符合Arrhenius方程,這與有關(guān)文獻(xiàn)[9-10]的報(bào)道是一致的。粘度計(jì)算式見式(1)。

式中:η—粘度,m Pa·s;

A—常數(shù);

R—普適氣體常數(shù);

T—熱力學(xué)溫度,K;

ΔE—活化能,J/mol;

B=ΔE/R—常數(shù)。

對(duì)圖1的曲線進(jìn)行回歸,得到方程為:

對(duì)方程(1)求導(dǎo)可得:

dη/dT的絕對(duì)值大小反映了粘度隨溫度的變化速率,上式中Bη正比于粘溫曲線上某溫度點(diǎn)的斜率,其物理意義反映了某溫度點(diǎn)附近,當(dāng)原油溫度上升或下降時(shí)原油粘度下降或上升的速率,此值越大表明粘度對(duì)溫度越敏感。根據(jù)(3)式可計(jì)算出各測(cè)量溫度下dη/dT的數(shù)值,結(jié)果見圖2。

Fig.2 The curve of relationship between dη/d T and temperature for heavy oil圖2 稠油隨溫度變化曲線

由圖2可見,溫度越低,原油粘度越大,dη/dT的數(shù)值越大,即溫度越低,稠油粘度對(duì)溫度變化越敏感。

對(duì)Arrhenius方程兩邊取對(duì)數(shù)得:

即lnη～(1/T)呈直線關(guān)系。把塔河稠油的粘溫曲線轉(zhuǎn)化為lnη～(1/T)曲線,結(jié)果如圖3所示。

從圖3中可看出,該曲線并不是一條嚴(yán)格意義上的直線,而是隨1/T的增大,即溫度的降低,lnη逐漸向上偏離,這說明在塔河稠油的溫降過程中,稠油內(nèi)部粒子間的作用力不僅僅是范德華力在起作用,而且稠油內(nèi)部的微觀結(jié)構(gòu)也發(fā)生了變化,從而導(dǎo)致稠油粘度隨溫度降低而急劇升高。該曲線上并沒有明顯的轉(zhuǎn)折點(diǎn),隨1/T增大,曲線平滑地向上彎曲,說明在溫降過程中稠油的內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)逐漸發(fā)生變化,而不存在明顯的相轉(zhuǎn)化點(diǎn)。

Fig.3 The curve of relationship between logarithm of viscosity and reciprocal of temperature for heavy oil圖3 稠油粘度對(duì)數(shù)與溫度倒數(shù)的關(guān)系曲線

根據(jù)曲線上lnη隨1/T的變化趨勢(shì),大概把1/T分為3個(gè)區(qū)間,并在每個(gè)區(qū)間內(nèi)依照(4)式對(duì)lnη～(1/T)進(jìn)行回歸,回歸結(jié)果如表2所示。

表2 不同溫度區(qū)間內(nèi)粘度對(duì)數(shù)與溫度倒數(shù)的關(guān)系式Table 2 The relation between logarithm of viscosity and reciprocal of temperature

從表2中可看出,在每一個(gè)溫度區(qū)間內(nèi),lnη～(1/T)均能用方程(4)進(jìn)行很好的回歸,相關(guān)度都大于0.999 5,說明曲線在每一個(gè)溫區(qū)內(nèi)均能很好地符合Arrhenius方程。ΔE/R可用來表示活化能的相對(duì)大小。活化能指流體開始流動(dòng)前在微粒旁形成足夠大的空穴以供該微粒移動(dòng)所必須克服的能壘,是流體微粒間內(nèi)摩擦力大小的量度,它取決于流體微粒的極性、分子質(zhì)量大小及粒子的構(gòu)型。對(duì)于分子不發(fā)生締合的一定物系來講,活化能為一定值。分子愈大,它們之間的相互作用力就越大,流動(dòng)所需的能量也愈大,因此粘度也就越大。此外,分子間的氫鍵等也會(huì)使液體的粘度增大[11]。

從表2中還可以看出,不同溫度區(qū)間稠油的活化能不同,在較高溫度區(qū)間稠油的活化能小于較低溫度區(qū)間的活化能,在低溫段(36.5～20.3℃)內(nèi)的活化能比高溫段(80.0～55.9℃)內(nèi)的活化能增長了45%。分析可知引起低溫段活化能增大的原因有以下幾點(diǎn):①在溫度降低過程中,質(zhì)點(diǎn)的熱運(yùn)動(dòng)程度減弱,膠質(zhì)在稠油中的溶解度減小,使得膠質(zhì)分子不斷從原油中析出,從而在瀝青質(zhì)粒子表面發(fā)生吸附和聚集,形成具有一定厚度的溶劑化層。原油溫度越低,這種吸附作用越明顯,溶劑化層也就越厚。溫降過程中瀝青質(zhì)聚集體吸附一定厚度的溶劑化層,使得膠體粒子的體積不斷增大,它們之間的相互作用力也就越大。②低溫下,隨膠體-瀝青質(zhì)聚集體體積的增大,粒子之間的距離減小,相鄰的粒子之間可能通過氫鍵作用相連形成一定的空間網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),并把大量的液態(tài)油包裹在其中。③稠油中所含的少量石蠟在低溫下結(jié)晶析出,并且在析出過程中和膠質(zhì)、瀝青質(zhì)共同作用,使稠油在低溫下具有一定的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。這都會(huì)造成低溫下稠油粘度的急劇增大,這也是低溫下曲線上lnη向上偏離較大的原因。

如果把t=20℃帶入高溫區(qū)段(80～50℃)的lnη～(1/T)關(guān)系式lnη=-20.1+6 154.1/T中,計(jì)算得到η20=2 442 m Pa·s,比實(shí)際測(cè)量的20℃的粘度5 010 m Pa·s降低了51%。也就是說,如果采用一定的方法,有效阻止溫降過程中液相中的膠質(zhì)-瀝青質(zhì)分子的進(jìn)一步析出聚集,改善低溫下蠟晶的結(jié)晶性能,就可以達(dá)到大幅度降低稠油粘度的目的,比如添加油溶性降粘劑。

2.2 稠油的流變特性

雖然在高溫下稠油也具有較大的粘度,但稠油在很大一段溫區(qū)內(nèi)仍表現(xiàn)為牛頓流體,實(shí)驗(yàn)測(cè)得塔河稠油的反常點(diǎn)為35℃。當(dāng)溫度高于35℃時(shí),稠油表現(xiàn)為牛頓流體,說明此溫度區(qū)間稠油還是一種稀分散的膠體體系。當(dāng)溫度低于35℃時(shí),稠油表現(xiàn)為非牛頓流體,說明低溫下稠油中超分子結(jié)構(gòu)形成的膠體體系進(jìn)一步增強(qiáng),且低溫下蠟晶的析出也參與進(jìn)來,體系中已存在具有一定尺寸的顆粒聚集體,當(dāng)受到剪切時(shí)發(fā)生定向、剪切分散等作用,從而使稠油具有剪切變稀的非牛頓特性。但在測(cè)量溫度范圍內(nèi)(80～20℃)稠油不具有觸變性,說明其結(jié)構(gòu)較弱,并沒有形成很強(qiáng)的結(jié)構(gòu)體系。

當(dāng)溫度低于35℃時(shí),測(cè)得稠油35,30,25,20℃的流變曲線如圖4所示。由圖4可知,在直角坐標(biāo)系中,各流變曲線呈直線,流變模式遵從賓漢姆流型模式。

Fig.4 The curve of rheology behavior for heavy oil in low temperature圖4 低溫下稠油的流變曲線

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(Ed.:SGL,Z)

Analysis of Viscosity-Temperature Characteristics and Rheology Behavio r for Heavy Oil

ZHU Jing1,L IChuan-xian1,X IN Pei-gang2
(1.College of Storage-Transportation and Construction,China University of Petroleum,Qingdao Shandong266555,P.R.China;2.Offshore Oil Engineering(Qingdao)Co.,L td.,Qingdao Shandong266555,P.R.China)

Viscosity-temperature characteristics and rheology behavio r for heavy oil were measured and researched by using RS75 rotary viscosimeter.The results show that viscosity-temperature characteristics are acco rding with Arrhenius equation in temperature interval(80～20℃),viscosity is mo re sensitive to temperature changes in lower temperature,the activation energy rises40%in lower temperature interval(36.5～20.3℃)mo re than in higher temperature interval(80.0～55.9℃),and heavy oil is New tonian fluid above anomalistic point(35℃),non-new tonian fluid and without thixotropic property below anomalistic point.

Heavy oil;Viscosity-temperature characteristics;Arrhenius equation;Activation energy;Rheology behavior Corresponding author.Tel.:+86-13864861931;e-mail:angel_zhujing@163.com

TE266.5

A

10.3696/j.issn.1006-396X.2011.02.017

2010-12-29

朱靜(1978-),女,山東單縣,講師,碩士。

1006-396X(2011)02-0066-03

Received29December2010;revised4M arch2011;accep ted14M arch2011