葛 陽(yáng)，楊 林，劉 超，李 達(dá)

(1.東北石油大學(xué)石油工程學(xué)院，黑龍江 大慶 163318；2.大慶油田有限責(zé)任公司儲(chǔ)運(yùn)銷售分公司，黑龍江 大慶 163411；3.大慶師范學(xué)院化學(xué)工程學(xué)院，黑龍江 大慶 163712)

原油從地下開(kāi)采出來(lái)后，在外輸之前主要儲(chǔ)存在油罐中，若罐中原油存儲(chǔ)時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，其中的碳?xì)浠衔铩⑾?、瀝青、泥沙和水等不可避免地要在罐底形成淤積物，尤其是大型儲(chǔ)罐，會(huì)出現(xiàn)很多死角，淤積物也會(huì)隨時(shí)間的推移而越積越多。這些淤積物中5%～10%的泥沙、油渣不可回收，而且長(zhǎng)期堆積將有很多危害【1】，如減小罐容量、影響正常生產(chǎn)、影響設(shè)備正常運(yùn)行等。因此，必須準(zhǔn)確掌握儲(chǔ)罐淤積物沉積規(guī)律，以保證儲(chǔ)罐正常工作。

目前,國(guó)內(nèi)外對(duì)原油儲(chǔ)存過(guò)程中的淤積物沉降規(guī)律研究較少，因此，有必要進(jìn)行系統(tǒng)研究【2-3】。本文分析了淤積物沉積規(guī)律的影響因素，可為減少淤積物在罐底的生成提供理論指導(dǎo)。此外，掌握淤積物沉積規(guī)律對(duì)淤積物處理也有著重要意義【4】。

1 儲(chǔ)罐淤積物影響因素對(duì)比實(shí)驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)原理

通過(guò)儲(chǔ)罐實(shí)驗(yàn)?zāi)M現(xiàn)場(chǎng)儲(chǔ)罐，改變罐內(nèi)原油的儲(chǔ)存環(huán)境或儲(chǔ)存因素，對(duì)沉積量或其他物性參數(shù)進(jìn)行分析，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行整理，得到不同儲(chǔ)存因素下的沉積規(guī)律。

1.2 實(shí)驗(yàn)介質(zhì)

實(shí)驗(yàn)介質(zhì)為大慶油田某油庫(kù)含蠟原油，其部分物性參數(shù)如下：凝點(diǎn)33 ℃、密度856.41 kg/m3、析蠟點(diǎn)44.57℃、粘度210.75mPa·s、比熱容2.91 kJ/(kg·℃)。

1.3 實(shí)驗(yàn)裝置

該裝置能夠改變淤積物沉降溫度、剪切速率等多種影響因素。在儲(chǔ)罐的管壁設(shè)有多個(gè)取樣口，研究不同液位高度的原油的物性規(guī)律。罐壁上部、下部和罐體底部鋼板裝有熱電阻探頭，對(duì)儲(chǔ)罐的各個(gè)部位實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)控溫。儲(chǔ)罐的上部裝有控速電機(jī)，根據(jù)實(shí)驗(yàn)要求裝備1～3個(gè)葉輪，通過(guò)控制高度對(duì)罐中各個(gè)部位進(jìn)行攪拌。

1.4 實(shí)驗(yàn)步驟

實(shí)驗(yàn)前對(duì)儲(chǔ)罐進(jìn)行實(shí)驗(yàn)設(shè)備的調(diào)試，加水測(cè)試儲(chǔ)罐密封性。將油樣按實(shí)驗(yàn)用量比例裝入罐中，開(kāi)啟所有電偶升溫至65 ℃，預(yù)處理6 h，消除罐中混合原油的剪切歷史，充分溶解原油析出的蠟晶。降低電偶溫度至儲(chǔ)存溫度40 ℃，將電機(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)到實(shí)驗(yàn)設(shè)定值，根據(jù)實(shí)驗(yàn)所需條件調(diào)節(jié)不同影響因素進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，達(dá)到實(shí)驗(yàn)所需時(shí)間進(jìn)行取樣。

無(wú)攪拌實(shí)驗(yàn)取樣步驟如下：在達(dá)到實(shí)驗(yàn)取樣預(yù)定時(shí)間后，將罐底部小桶緩慢提出，并將內(nèi)部混合原油迅速倒入燒杯中，量取小桶內(nèi)淤積物的高度并記錄。用鋼板刮出小桶內(nèi)壁和外壁殘留的凝油后，稱量獲得的淤積物質(zhì)量。最后將淤積物樣品刮下，放入取樣盒中。

有攪拌實(shí)驗(yàn)取樣步驟如下：攪拌狀態(tài)的淤積物高度測(cè)定采用量油重錘和測(cè)繩深入儲(chǔ)罐中測(cè)定淤積物沉積厚度。淤積物質(zhì)量通過(guò)對(duì)小部分淤積物密度的測(cè)定以及儲(chǔ)罐的體積計(jì)算得出。

1.5 實(shí)驗(yàn)方案

1.5.1 溫度區(qū)間

通過(guò)改變罐的電偶溫度，研究溫度區(qū)間變化對(duì)淤積物沉積的影響規(guī)律。設(shè)定沉積時(shí)間，待沉積實(shí)驗(yàn)進(jìn)行到預(yù)定時(shí)間后，按上述實(shí)驗(yàn)步驟進(jìn)行取樣、測(cè)量和記錄，并將取出的淤積物保存在取樣盒中進(jìn)行進(jìn)一步測(cè)定。

1.5.2 剪切速率

通過(guò)改變罐電機(jī)的轉(zhuǎn)速，研究不同剪切速率對(duì)淤積物沉積的影響規(guī)律。設(shè)定沉積時(shí)間，待實(shí)驗(yàn)進(jìn)行到預(yù)定時(shí)間后，停止攪拌，按上述實(shí)驗(yàn)步驟進(jìn)行取樣、測(cè)量和記錄，并將取出的淤積物保存在取樣盒中進(jìn)行進(jìn)一步測(cè)定。最終可以繪制出儲(chǔ)存溫度與淤積物質(zhì)量的關(guān)系曲線。

1.5.3 驅(qū)油劑含量

通過(guò)改變?cè)椭械尿?qū)油劑含量，研究驅(qū)油劑含量對(duì)淤積物沉積的影響規(guī)律。首先處理油樣。對(duì)水驅(qū)油區(qū)塊的原油添加定量驅(qū)油劑，再用破乳劑使原油脫水得到實(shí)驗(yàn)油樣。之后對(duì)原油進(jìn)行預(yù)處理，消除原油的剪切歷史【5】。按上述實(shí)驗(yàn)步驟進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，設(shè)定沉積時(shí)間，待實(shí)驗(yàn)進(jìn)行到預(yù)定時(shí)間后，按上述實(shí)驗(yàn)步驟進(jìn)行取樣、測(cè)量和記錄，并將取出的淤積物保存在取樣盒中進(jìn)行進(jìn)一步測(cè)定。最終可以繪制出驅(qū)油劑含量與淤積物質(zhì)量的關(guān)系曲線。

1.5.4 瀝青質(zhì)含量

在研究瀝青質(zhì)含量對(duì)淤積物沉積的影響因素【6-9】之前，需要根據(jù)1.6節(jié)的操作步驟制作實(shí)驗(yàn)原油的模擬油。選定的加量依據(jù)為在已測(cè)原油中含有的瀝青質(zhì)含量上下附近取1～2個(gè)含量值，原油中瀝青質(zhì)含量為4.0%(w，%)左右，因此可以研究含量為3.5%、4.0%、4.5%以及5.0%(w，%)的瀝青質(zhì)對(duì)沉積的影響。由于無(wú)法實(shí)現(xiàn)從原油中去除掉瀝青質(zhì)而不改變?cè)痛蟛糠中再|(zhì)，因此做實(shí)驗(yàn)前，配置與原油性質(zhì)相近的模擬油。按上述實(shí)驗(yàn)步驟進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，設(shè)定沉積時(shí)間，待實(shí)驗(yàn)進(jìn)行到預(yù)定時(shí)間后，按上述實(shí)驗(yàn)步驟進(jìn)行取樣、測(cè)量和記錄，并將取出的淤積物保存在取樣盒中進(jìn)行進(jìn)一步測(cè)定。最終可以繪制出瀝青質(zhì)含量與淤積物質(zhì)量的關(guān)系曲線。

1.6 模擬油的配置

模擬油配置步驟如下：

1)按一定質(zhì)量分?jǐn)?shù)將瀝青質(zhì)加入鄰二甲苯中，在超聲波水浴中超聲振蕩10 min，使瀝青質(zhì)均勻溶解于鄰二甲苯中；

2)將一定質(zhì)量切片石蠟(熔點(diǎn)范圍60～62 ℃)加入液體石蠟中，在65 ℃水浴中加熱30 min，令石蠟全部溶解；

3)將配置步驟第1)步(瀝青質(zhì)+芳香分)與第2)步(蠟+飽和分)中所得溶液進(jìn)行混合，在80 ℃水浴中靜置2 h，熱處理完成后，在水浴中自然降溫至所需溫度。

2 儲(chǔ)罐淤積物沉積影響因素研究

2.1 溫度區(qū)間對(duì)淤積物沉積速率的影響規(guī)律

改變壁溫，分別取34、36、38和40 ℃，同時(shí)，保持油壁溫差5 ℃，利用儲(chǔ)罐進(jìn)行相應(yīng)的沉積實(shí)驗(yàn)【10-11】，對(duì)淤積物進(jìn)行稱重，得出其質(zhì)量。將實(shí)驗(yàn)淤積物質(zhì)量數(shù)據(jù)繪制成圖，如圖1所示。

圖1 溫度區(qū)間變化與淤積物沉積關(guān)系

由圖1可以看出：當(dāng)油壁溫差始終保持在5 ℃時(shí)，隨著壁溫不斷升高，淤積物沉積量呈下降趨勢(shì)。根據(jù)分子擴(kuò)散理論【12-13】，當(dāng)壁溫低于油溫時(shí)，油流主體將會(huì)與結(jié)蠟筒壁面形成徑向溫度梯度，由于壁溫較低，壁面處的油流溫度遠(yuǎn)低于原油的析蠟點(diǎn)溫度，蠟分子會(huì)從原油中析出，使得油流主體與結(jié)蠟筒壁面處蠟晶分子存在徑向的濃度梯度，因此溶解于原油中的蠟分子不斷向管壁處擴(kuò)散形成淤積物沉積。當(dāng)油流主體與結(jié)蠟筒之間溫差恒為5 ℃時(shí)，隨著油流主體與結(jié)蠟筒壁溫度區(qū)間的不斷上升，蠟分子溶解度也逐漸升高，油流主體與結(jié)蠟筒壁處的蠟晶分子徑向濃度梯度并未明顯增大，同時(shí)，油流主體溫度與結(jié)蠟筒壁面溫度以相同的溫差向高溫區(qū)平移，所處的析蠟區(qū)間不斷減小，淤積物沉積量逐漸減小。因此，淤積物的含量也逐漸減小。

2.2 剪切速率變化對(duì)淤積物沉積速率的影響規(guī)律

為研究剪切速率【14-16】變化對(duì)淤積物沉積速率的影響，在壁溫40 ℃時(shí)，改變攪拌器轉(zhuǎn)速，分別取0、60、90和120 r/min，利用儲(chǔ)罐進(jìn)行相應(yīng)的沉積實(shí)驗(yàn)，并對(duì)淤積物進(jìn)行稱重，得出其質(zhì)量。將實(shí)驗(yàn)淤積物質(zhì)量數(shù)據(jù)繪制成圖，如圖2所示。

圖2 剪切速率變化與淤積物沉積關(guān)系

由圖2可以看出：當(dāng)轉(zhuǎn)速低于90 r/min時(shí)，隨著轉(zhuǎn)速增加，淤積物質(zhì)量逐漸增大；當(dāng)轉(zhuǎn)速高于90 r/min時(shí)，隨著轉(zhuǎn)速增大，淤積物質(zhì)量逐漸減小。這是由于淤積物質(zhì)量是蠟分子擴(kuò)散與油流沖刷的共同作用，轉(zhuǎn)速較小時(shí)，剪應(yīng)力較小，罐內(nèi)溫度梯度是沉積量的主導(dǎo)因素，隨著攪拌器轉(zhuǎn)速增大，溫度梯度明顯增大，蠟分子擴(kuò)散速率明顯加快，淤積物質(zhì)量明顯增大；轉(zhuǎn)速較大時(shí)，模擬罐內(nèi)溫度梯度基本保持不變，隨著攪拌器轉(zhuǎn)速增大，剪應(yīng)力【17】明顯增大，油流沖刷作用顯著增強(qiáng)，淤積物質(zhì)量隨之減少。

2.3 驅(qū)油劑含量變化對(duì)淤積物沉降速率的影響規(guī)律

為研究驅(qū)油劑含量變化對(duì)淤積物沉積速率的影響，在壁溫40 ℃時(shí)，改變驅(qū)油劑含量，分別取0.5%、0.8%、1.1%、1.4%，利用儲(chǔ)罐進(jìn)行相應(yīng)的沉積實(shí)驗(yàn)，并對(duì)淤積物進(jìn)行稱重，得出其質(zhì)量。將實(shí)驗(yàn)淤積物質(zhì)量數(shù)據(jù)繪制成圖，如圖3所示。

圖3 驅(qū)油劑含量變化與淤積物沉積關(guān)系

一方面，驅(qū)油劑在油中能夠包裹、吸附一些物質(zhì)而形成為結(jié)晶核心【18】，從而增大淤積物的產(chǎn)生量；另一方面，其又能夠與蠟分子進(jìn)行共晶反應(yīng)抑制沉積的速率。由圖3可以看出：淤積物隨驅(qū)油劑加量的上升而增多。這說(shuō)明驅(qū)油劑含量增大在淤積物產(chǎn)生量中占在主導(dǎo)地位。

2.4 瀝青質(zhì)含量對(duì)淤積物沉積速率的影響規(guī)律

為了研究瀝青質(zhì)含量對(duì)蠟沉積量的影響【19】，設(shè)定壁溫40 ℃、0轉(zhuǎn)速和無(wú)驅(qū)油劑加量的條件下，按照第1.5.4節(jié)的實(shí)驗(yàn)方案開(kāi)始進(jìn)行罐的沉降實(shí)驗(yàn)，達(dá)到儲(chǔ)存時(shí)間后，取出淤積物進(jìn)行稱量，并依次進(jìn)行相應(yīng)的沉積實(shí)驗(yàn)，得到不同瀝青質(zhì)含量下沉積實(shí)驗(yàn)中淤積物的質(zhì)量。將實(shí)驗(yàn)淤積物質(zhì)量數(shù)據(jù)繪制成圖，如圖4所示。

圖4 瀝青質(zhì)含量變化與淤積物沉積關(guān)系

由圖4可見(jiàn)，隨著瀝青質(zhì)含量的增加，淤積物的質(zhì)量出現(xiàn)先升高后降低再升高的趨勢(shì)。這是由于在蠟含量一定時(shí)，存在的瀝青質(zhì)分子和蠟分子會(huì)發(fā)生共晶作用，當(dāng)瀝青質(zhì)在較小范圍內(nèi)增加時(shí)，由于瀝青質(zhì)和蠟晶共晶作用【20】的增強(qiáng)，會(huì)使得蠟沉積速率增加，沉積量升高；當(dāng)瀝青質(zhì)含量繼續(xù)增加時(shí)，油樣中溶劑的量減少，油樣粘度增加，蠟分子沉降的阻力增加，且此時(shí)共晶作用減弱，因此沉積的量減少；隨著瀝青質(zhì)的進(jìn)一步增加，大量的大分子瀝青質(zhì)會(huì)加速沉降，使得沉積的量又有所增加。

3 結(jié)論

用室內(nèi)儲(chǔ)罐的實(shí)驗(yàn)裝置對(duì)大慶原油進(jìn)行淤積物沉積對(duì)比實(shí)驗(yàn)，以單一變量法，控制不同溫度區(qū)間、剪切速率、驅(qū)油劑含量和瀝青質(zhì)含量，研究其對(duì)儲(chǔ)罐淤積物沉積影響，得出以下結(jié)論：

1)油壁溫差不變時(shí)，隨著溫度區(qū)間逐漸升高，淤積物沉積量逐漸減小。

2)在油壁溫差保持一定的情況下，當(dāng)轉(zhuǎn)速較小時(shí)，隨著轉(zhuǎn)速增加，淤積物質(zhì)量逐漸增加；當(dāng)轉(zhuǎn)速較大時(shí)，沖刷下來(lái)的淤積物會(huì)隨著轉(zhuǎn)速增大而逐漸減少。

3)淤積物的質(zhì)量在0.8%～1.4%含量區(qū)間內(nèi)隨驅(qū)油劑加量的上升而增多。

4)瀝青質(zhì)含量在3.5%～4.0%(w,%)和4.5%～5.0%(w,%)區(qū)間時(shí)，淤積物沉積速率逐漸增大；瀝青質(zhì)含量在4.0%～4.5%(w,%)區(qū)間時(shí)，淤積物沉積量會(huì)有所降低。

掌握了罐底沉積淤積物分布規(guī)律，即可通過(guò)改變儲(chǔ)存參數(shù)減少罐底油泥沉積、提高油品質(zhì)量、增大罐容、減少清洗油罐次數(shù)，對(duì)于罐底油泥的減量化與資源化利用，具有實(shí)際指導(dǎo)意義。