羅海靜 唐海忠 陳鋒 朱英斌 汪芝龍

1玉門油田分公司勘探開發(fā)研究院

2玉門油田分公司水電廠

3中國石油大港油田石油工程研究院

4玉門油田分公司煉化總廠

原油是一種多組分烴類的復(fù)雜混合物。高溫下，蠟晶被溶解，瀝青質(zhì)高度分散，原油可被視為假均勻流體，表現(xiàn)出牛頓流體特性。隨著溫度降低，蠟晶析出并長大，原油成為一種以液態(tài)烴為連續(xù)相、蠟顆粒和瀝青質(zhì)為分散相的細(xì)分散懸浮液，表現(xiàn)出非牛頓流體特性。油溫更低時，蠟油連成網(wǎng)絡(luò)，出現(xiàn)屈服現(xiàn)象，表現(xiàn)出更復(fù)雜的非牛頓流體特性。非牛頓流體原油的流變特性與熱歷史、剪切歷史有關(guān)，原油黏溫曲線反映了原油黏度隨溫度變化的規(guī)律。

在采油和地面輸送環(huán)節(jié)，需要了解原油的黏溫關(guān)系、蠟沉積狀況，以便更好地采取措施來提高采收率和產(chǎn)能。目前，環(huán)慶區(qū)塊是玉門油田勘探開發(fā)的重點，試驗室通過測定不同溫度、不同剪切速率下的黏度（表觀黏度），繪制環(huán)慶原油的黏溫曲線，找出了原油黏度與溫度變化的關(guān)系，研究了在熱處理溫度、剪切速率變化的條件下，環(huán)慶原油的溶蠟、析蠟行為及特性。研究成果為環(huán)慶原油的儲運、生產(chǎn)運行提供了指導(dǎo)依據(jù)，并對如何利用工程實際中常規(guī)使用的旋轉(zhuǎn)黏度計更準(zhǔn)確測定黏溫曲線、溶蠟點和析蠟點提出實際有用的建議。

1 試驗

1.1 試驗油樣和儀器

試驗油樣：環(huán)慶含蠟原油，含蠟量10%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）以上。

試驗儀器：NDJ-5S 數(shù)字式黏度計，測量范圍為1～100 000 mPa·s；CH1006N超級恒溫槽。

1.2 試驗內(nèi)容

1.2.1 油樣主要物性參數(shù)

試驗所用部分環(huán)慶油樣物性參數(shù)見表1。

表1 油樣主要物性參數(shù)Tab.1 Main physical parameters of oil sample

1.2.2 原油黏溫曲線測定

采用工礦企業(yè)原油流變性測量常規(guī)使用的旋轉(zhuǎn)黏度計，按測量系統(tǒng)要求裝入試樣[1]，試驗溫度按照從高到低，剪切速率按照從小到大的順序，用旋轉(zhuǎn)黏度計測定不同溫度下原油的黏度（表觀黏度），在半對數(shù)坐標(biāo)上繪制原油黏溫曲線，實測1#油樣黏溫曲線如圖1 所示，其中b 代表降溫程序。在曲線上，隨著溫度的降低，牛頓流體階段直線發(fā)生轉(zhuǎn)折處對應(yīng)的溫度就是原油的析蠟點；牛頓流體與非牛頓流體曲線的分界點所對應(yīng)的溫度，即為原油的反常點。在不同的剪切速率下測定黏溫曲線，在同一坐標(biāo)系下找出直線段與放射線段的分界點所對應(yīng)的溫度，即是反常點。

圖1 1#油樣黏溫曲線Fig.1 Viscosity-temperature curve of 1#oil sample

1.2.3 熱處理溫度對黏度曲線的影響試驗

對常溫下呈凝固態(tài)的原油應(yīng)進(jìn)行預(yù)處理[2]，將試樣置于恒溫浴中密閉加熱至80 ℃，恒溫1 h后取出，自然降至室溫，在暗處存放48 h 后可供使用。對于常溫下呈流動狀態(tài)的原油也可選擇不加熱處理。環(huán)慶原油較輕質(zhì)，夏季室溫呈流動狀態(tài)時，沒有進(jìn)行加熱預(yù)處理。

提前將油樣分別在30、50、55、65、70、80 ℃進(jìn)行熱處理。加熱到65 ℃，恒溫10 min，以恒定的降溫速率降溫至油樣凝點以上5 ℃左右，并對每個測試溫度恒溫10 min，應(yīng)用旋轉(zhuǎn)黏度計測定每個熱處理溫度下環(huán)慶原油的黏溫曲線（圖2）。

圖2 不同熱處理溫度對2#油樣黏溫曲線的影響（降溫程序）Fig.2 Effects of different heat treatment temperature on viscosity-temperature curve of 2#oil sample（cooling procedure）

提前將油樣分別在30、50、55、65、70、80 ℃下進(jìn)行熱處理。設(shè)定起始溫度為油樣凝點以上5 ℃左右，恒溫10 min，然后以恒定速率升溫至60 ℃，每個測試溫度恒溫10 min，測定不同熱處理溫度下油樣的黏溫曲線（圖3），其中a代表升溫程序。圖4是升溫程序中不同熱處理溫度對1#油樣黏溫曲線的影響。

圖3 不同熱處理溫度對2#油樣黏溫曲線的影響(升溫程序)Fig.3 Effects of different heat treatment temperature on viscosity-temperature curve of 2#oil sample（heating procedure）

圖4 不同熱處理溫度對1#油樣黏溫曲線的影響(升溫程序)Fig.4 Effects of different heat treatment temperature on viscosity-temperature curve of 1#oil sample（heating procedure）

在降溫程序測析蠟點和升溫程序測溶蠟點的過程中，按照剪切速率逐級增大的方式對油樣進(jìn)行測量。

1.2.4 析蠟點和溶蠟點的對比試驗

析蠟點是原油降溫過程開始析出固體石蠟的溫度，溶蠟點是原油在升溫過程中蠟晶全部溶解的最低溫度。通常通過測定原油的黏溫曲線來得到析蠟點。在連續(xù)降溫過程中[3]，在規(guī)定的剪切速率下測定并記錄剪切應(yīng)力或黏度－溫度對應(yīng)值，繪成黏溫曲線，其轉(zhuǎn)折點對應(yīng)的溫度即為原油的析蠟點。有文獻(xiàn)認(rèn)為，對原油進(jìn)行加熱處理或加降凝劑改善其低溫流動性時，將原油加熱至溶蠟點以上，蠟晶全部溶解，才能得到較好的處理效果，用原油溶蠟點數(shù)據(jù)確定所需的最低加熱溫度比用析蠟點數(shù)據(jù)更準(zhǔn)確可靠，用旋轉(zhuǎn)黏度計測定原油溶蠟點逐漸被研究、采用[4]。其原理同旋轉(zhuǎn)黏度計法測定原油析蠟點，是以蠟晶全部溶解時原油的半對數(shù)黏溫曲線出現(xiàn)轉(zhuǎn)折點來確定原油的溶蠟點。參照析蠟點測定標(biāo)準(zhǔn)[5]，在升溫試驗過程中，將記錄的黏溫數(shù)據(jù)點繪到對應(yīng)的坐標(biāo)圖上，當(dāng)自某點后的數(shù)據(jù)點明顯偏離高溫區(qū)各數(shù)據(jù)點的連線時，該點對應(yīng)的溫度即為試樣的溶蠟點。試驗測試結(jié)果見圖5和圖6。

圖5 升溫程序油樣黏溫曲線Fig.5 Viscosity-temperature curve of oil samples in heating procedure

圖6 降溫程序油樣黏溫曲線Fig.6 Viscosity-temperature curve of oil samples in cooling procedure

1.2.5 剪切速率和溶解氣對黏溫曲線的影響試驗

當(dāng)流體為牛頓流體時，黏度值只與溫度有關(guān)而不隨剪切率變化；當(dāng)流體為非牛頓流體時，黏度值不僅與溫度有關(guān)而且隨剪切速率（剪切時間）的變化而變化。剪切對油樣蠟晶結(jié)構(gòu)的改變程度將隨剪切速率的增加而增加，試驗按剪切速率逐級增大的方式對油樣進(jìn)行測量。圖7是不同剪切速率下4#油樣升、降溫過程的黏溫曲線。

圖7 4#油樣升、降溫程序的黏溫曲線Fig.7 Viscosity-temperature curve of 4#oil sample in heating and cooling procedure

一些環(huán)慶油樣含較多溶解氣，由于常規(guī)方法只能測量地面脫氣原油的溶蠟點，試驗室對這些油樣進(jìn)行了敞開靜置釋氣、30 ℃低溫攪拌釋氣處理。氣泡在黏度計轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)后一段時間大部分會上浮消失，附在轉(zhuǎn)子下部的氣泡有時無法消除，氣泡的存在會給測量數(shù)據(jù)帶來較大的偏差。圖8是6#油樣釋氣處理前后試驗所得曲線，a*表示油樣未進(jìn)行釋氣處理。

圖8 6#油樣升溫程序的黏溫曲線Fig.8 Viscosity-temperature curve of 6#oil sample in heating procedure

2 結(jié)果與討論

2.1 溫度對黏溫曲線影響

原油的物理化學(xué)性質(zhì)對溫度有依賴性，從析蠟點溫度開始，表觀黏度隨溫度下降的趨勢加大。當(dāng)熱處理溫度為70 ℃時原油的低溫流變性變好，當(dāng)熱處理溫度為50 ℃和80 ℃時，原油的低溫流動性出現(xiàn)不同程度的惡化?？紤]到經(jīng)濟(jì)可行性，認(rèn)為改變環(huán)慶原油黏度的合適溫度范圍在40～45 ℃。對于較稠的原油，改變其黏度的最佳溫度范圍為60～70 ℃，經(jīng)預(yù)熱后，低溫區(qū)黏度普遍下降。試驗的降溫方式為階梯降溫，每個測溫點都恒定一定時間，避免了固定剪切速率下，連續(xù)降溫時筒內(nèi)樣品實際溫度與外套筒溫度的差異。

從黏溫關(guān)系圖可見，原油對溫度的變化十分敏感，測量時充分準(zhǔn)確的恒溫很關(guān)鍵。試驗中設(shè)定達(dá)到測定溫度后油樣恒溫時間統(tǒng)一為10 min，但常規(guī)的非密閉測試系統(tǒng)在測定輕質(zhì)原油黏度時，常常由于原油輕組分的揮發(fā)導(dǎo)致測試結(jié)果偏高，因此，試驗測定過程中恒溫時間不宜過長。

一些研究表明，加熱溫度高于溶蠟點溫度時，析蠟點隨溫度變化??；加熱溫度低于溶蠟點溫度，析蠟點隨溫度的降低先增大后減小，所以試驗前要預(yù)估試樣溶蠟點[6]。

如果能預(yù)估試樣析蠟點，可升溫至高于該預(yù)估析蠟點以上15～25 ℃，恒溫10 min，再開始降溫程序。由于凝點的測試方法簡便，設(shè)備簡單，常用凝點粗略地評估析蠟點和溶蠟點。當(dāng)油溫高于原油的凝點TZ+（10～15 ℃）以上時（TZ是相同熱力條件下所測的凝點），原油多數(shù)呈現(xiàn)牛頓流體特性[7]。因此，一般情況下先確定原油被加熱的溫度，并測出該加熱溫度下的凝點，則可估計某測溫點下原油的流變類型，如果測溫點比凝點高很多，可以確定原油呈現(xiàn)牛頓流體特性。

具體試驗中可使用如下的方法粗估試樣溶蠟點：在凝點測定預(yù)熱試樣時，先將室溫凝固的油樣放入水浴，設(shè)定溫度為25 ℃、30 ℃，記錄試管中油樣達(dá)到水浴溫度的時間，觀察油樣的融化狀態(tài)，如果沒有完全融化，提高水浴溫度繼續(xù)觀察直至油樣完全融化，通過這一操作來大致確定溶蠟點測定時起始溫度和低溫區(qū)測溫點的恒溫時間。析蠟點測定時要求測出加熱溫度下的凝點，需在恒溫水浴中將裝有油樣的凝點試管加熱至預(yù)熱溫度后，接通冷卻水或打開制冷儀，靜置冷卻油樣至50 ℃±1 ℃。這一過程中觀察油樣溫度計示值達(dá)到預(yù)熱溫度的時間及降到下一個測溫點的時間，以此來確定析蠟點測定中高溫區(qū)的恒溫時間。一些油樣特別是黏稠原油，油樣融化需要的時間遠(yuǎn)比預(yù)計的長，通過這些簡單方法可設(shè)定較合適的恒溫時間。

含蠟原油的流變特性在很大程度上依賴于測試條件，當(dāng)對原油進(jìn)行不同溫度的加熱處理，再經(jīng)冷卻到析蠟點溫度以下時，原油會呈現(xiàn)出不同的流變特性。對于很多含蠟原油都存在一個使其流動性最好和最差的加熱溫度范圍[8]。對于熱處理改性的原油[7]，當(dāng)重復(fù)加熱的溫度仍為原油的最優(yōu)熱處理溫度時，其低溫流動性基本不受重復(fù)加熱的影響。但若重復(fù)加熱的溫度達(dá)不到最優(yōu)熱處理溫度將導(dǎo)致原有的低溫流動性惡化，試驗預(yù)熱溫度選擇應(yīng)接近最優(yōu)熱處理溫度。又由于油樣從預(yù)熱溫度到測定溫度的降溫過程中，因熱脹冷縮，液面下降，使轉(zhuǎn)子與油樣的接觸面積變小，從而使測量結(jié)果偏小，并且溫差越大，測量結(jié)果偏差就越大。為減小溫差，環(huán)慶原油的預(yù)熱溫度設(shè)定為60 ℃或65 ℃，沒有選擇方法規(guī)定的70～80 ℃，試驗結(jié)果證明能滿足測試要求。

秋冬季的環(huán)慶含蠟原油有分層、凝結(jié)情況，需要預(yù)熱處理。在加熱處理原油的過程中，影響熱處理的根本原因是原油的組分。環(huán)慶原油的含蠟量比較大，加熱處理后含蠟原油的黏度及析蠟點溫度有較明顯的變化。原油在試驗標(biāo)準(zhǔn)推薦的80 ℃下預(yù)處理后，其低溫流動性較好，若再進(jìn)行不同溫度的加熱，會使其低溫流動性有不同程度的惡化。而實際工程中，很多原油并未進(jìn)行80 ℃的預(yù)處理，室內(nèi)經(jīng)預(yù)處理后測得的原油低溫流變性會比工程實際條件下的好，這種試驗數(shù)據(jù)在實際應(yīng)用時會帶來一定的誤差。預(yù)處理溫度應(yīng)盡可能和最優(yōu)加熱溫度一致，根據(jù)試驗結(jié)果，環(huán)慶原油預(yù)處理溫度和試驗預(yù)熱溫度都選擇60 ℃或65 ℃。本地域很多原油加熱到60 ℃左右就可以達(dá)到很好的處理效果。

2.2 析蠟點和溶蠟點的對比

由黏溫曲線可知，反常點溫度多在凝點溫度以上3～5 ℃，溶蠟點在36～40 ℃，環(huán)慶原油的溶蠟點比析蠟點高7～11 ℃左右。在高溫區(qū)，升溫和降溫過程的黏溫曲線趨于一致，黏度僅僅只是溫度的單值函數(shù)。當(dāng)原油的溫度低于析蠟點時，蠟就開始從液相中結(jié)晶析出，隨著油溫逐漸下降，析出的蠟晶不斷增多，相互聯(lián)結(jié)形成的三維空間結(jié)構(gòu)使原油逐漸失去流動性。析蠟點的測定是根據(jù)降溫過程中蠟析出一定程度所產(chǎn)生的效應(yīng)[9]，測定值較實際值偏低。采用升溫程序測定溶蠟點時，隨著溫度的升高，在原油中的蠟晶還未及全部融化，黏溫曲線已表現(xiàn)出牛頓流體特性，測得的溶蠟點也會比實際偏低。試驗室一般通過觀測析蠟點處的清防蠟效果進(jìn)行原油的加劑評價，實際工程應(yīng)用中的加劑處理溫度往往高于測定的析蠟點，而接近或高于測定的溶蠟點。

降溫程序測析蠟點受測定方法、降溫速率、恒溫時間等影響；同樣，升溫程序測溶蠟點受含蠟原油的假塑性、觸變性、剪切稀釋性等非牛頓流體特性的影響。在接近凝點的低溫區(qū)數(shù)據(jù)波動幅度大，高剪切速率測不出，低剪切速率測不準(zhǔn)，有的溫度點表觀黏度持續(xù)升，有的溫度點表觀黏度持續(xù)降，需要更多的平衡穩(wěn)定時間，而對此做預(yù)加熱處理的改善效果很有限。

當(dāng)油樣數(shù)量多、物性變化較大時，旋轉(zhuǎn)黏度計可以根據(jù)測試狀態(tài)及時進(jìn)行初始溫度、恒溫時間等測試條件調(diào)整。升溫程序較降溫程序簡便，溫變速率更易控制。按照升溫程序測試，可防止高溫時間過長導(dǎo)致輕組分流失，樣品變稠。但在凝點之后的低溫區(qū)，最初的幾個測溫點數(shù)據(jù)測不出或不穩(wěn)定，或測出的數(shù)據(jù)可靠性差，在分析時要舍去這些數(shù)據(jù)。采用作圖法確定含蠟原油的析蠟點、溶蠟點時要注意曲線兩頭的數(shù)據(jù)，有時黏度變化幅度大僅僅是剪切速率變化引起的，隨著溫度持續(xù)變化到一定程度，儀器需要匹配一個新的剪切速率，以便得到準(zhǔn)確的黏度數(shù)據(jù)。

2.3 剪切速率、含溶解氣對黏溫曲線影響

旋轉(zhuǎn)黏度計在生產(chǎn)設(shè)計時都是假定所測液體處于層流狀態(tài)，并在此基礎(chǔ)上設(shè)定不同檔位或最高轉(zhuǎn)速，測量過程中若轉(zhuǎn)速過高，測量結(jié)果會出現(xiàn)較大偏差；轉(zhuǎn)速過小，扭矩低于20%，測量也不準(zhǔn)確。在遠(yuǎn)高于析蠟點的溫度，剪切速率對原油的流動性基本無影響。在含蠟原油的低溫非牛頓流體區(qū)域，剪切速率越大，黏度降低幅度也越大；高溫區(qū)50 ℃往上，則需要1.0 s-1以上剪切速率才能測出數(shù)據(jù)。較高轉(zhuǎn)速下一些溫度點測不出黏度或數(shù)據(jù)置信度低，大多數(shù)油樣自23 ℃后的更低溫度，只有0.2 s-1或0.1 s-1轉(zhuǎn)等低剪切速率下才能測出黏度。

多數(shù)情況下，低剪切速率對原油的低溫流動性的影響不大[10]。不做任何熱處理的含蠟原油，低剪切主要是通過剪切時間來呈現(xiàn)影響，因此測定時平衡穩(wěn)定時間也不宜過長。

非牛頓流體的黏度值隨剪切速率和時間等條件的變化而變化，故在不同轉(zhuǎn)子、轉(zhuǎn)速和時間下測定的結(jié)果不一致。試驗中要選擇合適的轉(zhuǎn)子或轉(zhuǎn)速，在低轉(zhuǎn)速的測定時間相對要長些。測量應(yīng)盡量選擇同一轉(zhuǎn)速，以便得到可靠的黏度數(shù)據(jù)。

試驗結(jié)果表明：含蠟原油在一定程度的脫氣后黏度增大，溶蠟點變大，當(dāng)剪切速率增大時，溶蠟點也會前移。與脫氣原油相比，飽和溶氣原油的析蠟點、凝點、黏度等流變參數(shù)降低，低溫流動性明顯改善。由于缺乏測量飽和溶氣原油流變性的儀器和手段，通常根據(jù)脫氣原油的凝點、黏度等流變參數(shù)來指導(dǎo)礦場集輸系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)安全運行。

3 結(jié)論

含蠟原油的流變特性與原油的剪切歷史和熱歷史因素有關(guān)。環(huán)慶原油加熱處理后黏度和析蠟點降低，但原油會隨存放時間的延長而老化，使測量數(shù)據(jù)偏高。同樣加熱時間過長或次數(shù)過多，也會使油樣內(nèi)部結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，從而影響所測黏度數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。常溫下流動性好的原油，例如環(huán)慶原油應(yīng)依據(jù)實況考慮不做預(yù)處理或選擇處理溫度高于原油的凝點TZ+（10～15 ℃）以上即可。同時，加熱溫度升高，熱能損耗增加，還有可能破壞油樣的某些組分，實際運用中還應(yīng)從技術(shù)經(jīng)濟(jì)的角度考慮選擇預(yù)處理溫度。

環(huán)慶原油的溶蠟點比析蠟點高7～11 ℃左右。通過測定黏溫曲線很容易得到溶蠟點，而析蠟點在凝點附近的低溫區(qū)測定值更加準(zhǔn)確。在旋轉(zhuǎn)黏度計法測定溶蠟點的過程中，需要考慮初始溫度及其后幾個溫度點測量數(shù)據(jù)的有效性。呈現(xiàn)非牛頓特性的含蠟原油，其表觀黏度是一個條件性很強(qiáng)的指標(biāo)，測定黏溫曲線時需根據(jù)研究應(yīng)用的目的和原油流變性的基本特點制定科學(xué)合理的試驗方案和試驗條件。

在60 ℃或65 ℃預(yù)處理和預(yù)熱溫度下，測得的原油析蠟點、溶蠟點數(shù)據(jù)為加劑改善低溫流動性試驗評價提供了較好的數(shù)據(jù)支持，實際工程應(yīng)用中的加劑處理溫度往往高于測定的析蠟點，接近或高于測定的溶蠟點。