羅海靜 王美強(qiáng) 陳鋒 肖乾 張鵬

1玉門油田公司工程技術(shù)研究院

2玉門油田公司水電廠

3中國(guó)石油天然氣股份有限公司長(zhǎng)慶油田分公司第七采油廠

環(huán)慶原油屬輕質(zhì)含蠟原油，含蠟原油的組成和結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜，受固體顆粒的含量及其分散程度、液態(tài)介質(zhì)的成分影響，流變性復(fù)雜多變[1]。原油黏度是表征原油流變特性的重要參數(shù)，在牛頓流體溫度范圍內(nèi)，黏度變化只與溫度有關(guān)，符合指數(shù)規(guī)律；當(dāng)流體為非牛頓流體時(shí)，表觀黏度既是溫度的函數(shù)，又具有剪切稀釋性，并且逐漸表現(xiàn)出觸變性[2]。旋轉(zhuǎn)黏度計(jì)平衡法測(cè)黏度屬條件性試驗(yàn)，影響測(cè)定結(jié)果的因素很多，在黏度、黏溫曲線的測(cè)定中，某一溫度區(qū)間，恒溫時(shí)間會(huì)較大地影響到環(huán)慶原油的黏度。初餾點(diǎn)是在標(biāo)準(zhǔn)條件下進(jìn)行蒸餾時(shí)，從冷凝管末端滴下第一滴冷凝液瞬時(shí)觀察到的溫度計(jì)讀數(shù)。從開始加熱至初餾點(diǎn)的時(shí)間因不同的原油有所不同，時(shí)間控制能直觀地反映蒸餾時(shí)升溫速度的快慢，隨著時(shí)間控制的改變，環(huán)慶原油的初餾點(diǎn)發(fā)生了相應(yīng)變化，而測(cè)定標(biāo)準(zhǔn)[3]沒有細(xì)化出各種性質(zhì)的原油從開始加熱到初餾點(diǎn)的控制時(shí)間。對(duì)于不同的含氣含蠟原油，標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的時(shí)間較模糊，操作隨意性強(qiáng)。對(duì)于一些較稠油，在這一時(shí)間范圍操作起來(lái)有一定的難度[4]。為了提高黏度、初餾點(diǎn)測(cè)量的準(zhǔn)確性，保證試驗(yàn)結(jié)果的可比性和可重復(fù)性，有必要就恒溫時(shí)間控制對(duì)環(huán)慶原油黏度、升溫時(shí)間控制對(duì)環(huán)慶原油初餾點(diǎn)的影響展開進(jìn)一步試驗(yàn)研究。

1 不同恒溫時(shí)間下原油黏度的變化

1.1 試驗(yàn)儀器及油樣基本物性參數(shù)

NDJ-5S 數(shù)字式黏度計(jì)，測(cè)量范圍：1～100 000 mPa·s；CH1006N超級(jí)恒溫槽。

密度測(cè)定和50 ℃黏度測(cè)定采用GB/T 1884 和SY/T 7549，凝點(diǎn)和初餾點(diǎn)測(cè)定則依據(jù)SY/T 0541和GB/T 18611，所用環(huán)慶油樣物性參數(shù)見表1。

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

1.2 試驗(yàn)內(nèi)容

（1）試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)要求[5]根據(jù)黏度計(jì)特點(diǎn)、原油種類和測(cè)試溫度等，一般情況下恒溫為20 min～30 min，特殊情況再延長(zhǎng)恒溫時(shí)間。當(dāng)試樣為非牛頓流體時(shí)，改變測(cè)試溫度要更換試樣。按照試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，將常溫流動(dòng)的油樣攪拌、搖勻裝入預(yù)熱好的測(cè)定外筒中，測(cè)量恒溫時(shí)間為15 min～60 min，增量為5 min，轉(zhuǎn)速選30 r/min（轉(zhuǎn)速a）和60 r/min（轉(zhuǎn)速a*），每個(gè)轉(zhuǎn)速取25、30、35、40、45、50、55 ℃中的幾個(gè)測(cè)試溫度，對(duì)1#、2#、3#環(huán)慶原油進(jìn)行了黏度（表觀黏度）測(cè)定，試驗(yàn)結(jié)果見圖1～圖4。

圖1 1#油樣30 r/min不同恒溫時(shí)間的黏度Fig.1 Viscosity of 1#oil sample with 30 r/min at different constant temperature times

圖2 1#油樣60 r/min不同恒溫時(shí)間的黏度Fig.2 Viscosity of 1#oil sample with 60 r/min at different constant temperature times

圖3 2#油樣不同恒溫時(shí)間的黏度Fig.3 Viscosity of 2#oil sample at different constant temperature times

圖4 3#油樣不同恒溫時(shí)間的黏度Fig.4 Viscosity of 3#oil sample at different constant temperature times

（2）按測(cè)量系統(tǒng)要求裝入試樣[6]，恒溫時(shí)間選10、20、30 min，測(cè)量溫度從25 ℃到60 ℃，增量為5 ℃，分別測(cè)量轉(zhuǎn)速30、60 r/min時(shí)4#、5#油樣的黏度（表觀黏度），在半對(duì)數(shù)坐標(biāo)上繪制原油黏溫曲線，試驗(yàn)結(jié)果見圖5、圖6。

圖5 4#油樣不同恒溫時(shí)間的黏溫曲線Fig.5 Viscosity temperature curve of 4#oil sample at different constant temperature times

圖6 5#油樣不同恒溫時(shí)間的黏溫曲線Fig.6 Viscosity temperature curve of 5#oil sample at different constant temperature times

1.3 測(cè)試結(jié)果及討論

（1）由圖1 和圖3 可知，在25、30 ℃，恒溫[15 min，25 min]區(qū)間測(cè)試時(shí)的數(shù)據(jù)難以穩(wěn)定。除了25、30 ℃，在30 r/min轉(zhuǎn)速，恒溫[25 min，30 min]區(qū)間，油樣黏度基本變化不大。由圖2、圖3 可見，在60 r/min轉(zhuǎn)速下，1#油樣25 ℃時(shí)的黏度測(cè)不出，隨著恒溫時(shí)間的增加，黏度變化的幅度較30 r/min轉(zhuǎn)速時(shí)大，且隨著測(cè)試溫度的升高，黏度變化的幅度變小，恒溫時(shí)間的影響逐漸變小。隨著恒溫時(shí)間的增加，原油黏度總體呈上升趨勢(shì)，測(cè)試過程中恒溫時(shí)長(zhǎng)會(huì)直接影響?zhàn)ざ鹊臏y(cè)定結(jié)果。

在溶蠟點(diǎn)到凝點(diǎn)的低溫區(qū)，恒溫時(shí)間對(duì)低轉(zhuǎn)速下油樣的黏度影響較大，溫度低、黏度大，溶解氣釋出有限，剪切降黏起主要作用，黏度變化的幅度大。隨著溫度升高，更多的輕組分釋出增黏，黏度變化趨于平緩。測(cè)試中1#油樣25 ℃時(shí)、2#油樣30 ℃時(shí)表觀黏度值隨剪切作用時(shí)間的增加而下降，出現(xiàn)了剪切變稀，說(shuō)明此溫度下油樣已具有觸變性[1]，可認(rèn)為此溫度在反常點(diǎn)附近。判斷25 ℃在1#油樣反常點(diǎn)附近，30 ℃接近2#油樣反常點(diǎn)。在低轉(zhuǎn)速下，恒溫時(shí)間的增加有利于測(cè)試數(shù)據(jù)的穩(wěn)定，但在溶蠟點(diǎn)之后的較高溫度，太長(zhǎng)的恒溫時(shí)間既不經(jīng)濟(jì)，也無(wú)意義。

（2）由圖3、圖4 可知，當(dāng)油樣含有較多的溶解氣等輕組分時(shí)，輕組分與蠟分子之間的互溶和吸附影響了蠟晶的形成和長(zhǎng)大，造成蠟晶結(jié)構(gòu)強(qiáng)度變?nèi)?，黏度變小[7]。在恒溫20 min 時(shí)，三個(gè)溫度點(diǎn)的黏度均有明顯降低，35 ℃時(shí)降低最明顯。由于黏度在溶蠟點(diǎn)附近明顯降低，認(rèn)為35 ℃更接近含氣較多的2#油樣、3#油樣的溶蠟點(diǎn)。在溶蠟點(diǎn)前后，曲線前期輕微下降后趨于平緩，這是因?yàn)殡S著恒溫時(shí)間的增加，低溫區(qū)溶解氣的釋出削弱了剪切作用的影響[8]，在溶蠟點(diǎn)后曲線呈平緩上升的趨勢(shì)。溶蠟點(diǎn)后溫度的升高使輕組分更多地釋放出來(lái)，黏度增加，這種增黏作用隨著恒溫時(shí)間的增加越來(lái)越明顯，且隨著溫度變高、恒溫時(shí)間變長(zhǎng)帶來(lái)的黏度增加更加劇這種影響。而高速剪切的降黏作用卻隨著剪切時(shí)間的增加漸趨穩(wěn)定，增黏幅度壓倒了剪切降黏和短期的溶蠟降黏，占據(jù)主導(dǎo)地位，出現(xiàn)一個(gè)黏度相對(duì)穩(wěn)定階段后，曲線平緩上升。由于黏度大的油樣輕組分釋出更為緩慢，圖中凝點(diǎn)、黏度較大的2#油樣35、40、45 ℃時(shí)的黏度變化較3#油樣更平緩。輕組分的揮發(fā)使原油黏度增大，過長(zhǎng)的恒溫時(shí)間也使黏度增大，但組分不同的原油黏度增加的規(guī)律各有不同。隨著溫度的升高和時(shí)間的增加，輕組分逐漸完全釋出，剪切降黏作用趨于穩(wěn)定，變得不明顯。長(zhǎng)時(shí)間恒溫凸顯了增黏作用，曲線在釋氣增黏、溶蠟降黏、剪切降黏和長(zhǎng)時(shí)間恒溫增黏共同作用下，40、45 和50 ℃時(shí)的黏度在某一恒溫時(shí)段會(huì)有其中兩個(gè)值很接近。

（3）如圖5、圖6 所示，隨著溫度的升高，輕組分的釋出增黏只是讓黏溫曲線在35℃到55℃間曲線的降勢(shì)變得平緩，并不能改變溫升黏度下降的結(jié)果。圖5中，30 ℃接近4#油樣溶蠟點(diǎn)，從接近溶蠟點(diǎn)到反常點(diǎn)的低溫區(qū)，恒溫時(shí)間30 min較20 min的黏度的降幅更小。圖6中凝點(diǎn)高、密度大的5#油樣在反常點(diǎn)附近，剪切速率越大黏度越小，同一剪切速率恒溫10 min較恒溫20 min，釋放出的溶解氣較少，黏度反而較小。溫度達(dá)到穩(wěn)定需要一定的平衡時(shí)間，且溫度越低，需要的時(shí)間越長(zhǎng)。由于在油樣開始析蠟或融化時(shí)存在著蠟晶形狀和分散的不均勻性，太短的恒溫時(shí)間和測(cè)試時(shí)間容易造成較大幅度的讀數(shù)波動(dòng)，因此在反常點(diǎn)附近，恒溫時(shí)間、測(cè)試時(shí)間要適當(dāng)延長(zhǎng)。隨后由于溫度的上升，輕組分釋出隨恒溫時(shí)間的增加而增加，在溶蠟點(diǎn)之后一小段區(qū)間，恒溫時(shí)間越長(zhǎng)，黏度的降幅越小，輕組分釋出的增黏作用削弱了升溫造成的黏度降。在溫度更高的區(qū)間，4#油樣恒溫10 min 和恒溫20 min、5#油樣恒溫20 min和恒溫30 min黏溫曲線接近，此時(shí)恒溫時(shí)間的影響和剪切降黏作用都已不明顯。在50 ℃以后，黏度下降的幅度增大，高轉(zhuǎn)速比低轉(zhuǎn)速時(shí)下降快，說(shuō)明輕組分完全釋出，蠟將近溶盡，黏度隨溫度的升高快速降低，在達(dá)到溫度恒定的時(shí)間前提下，恒溫時(shí)間變化對(duì)黏度影響不大。

2 不同升溫時(shí)間下初餾點(diǎn)的變化

2.1 試驗(yàn)儀器及油樣物性參數(shù)

原油餾程測(cè)定器、蒸餾燒瓶、水銀玻璃溫度計(jì)、量筒、天平、加熱器、氣壓計(jì)（符合《GB/T 26984—2011》餾程測(cè)定的各項(xiàng)規(guī)定）等。不同升溫時(shí)間對(duì)物性不同的環(huán)慶油樣初餾點(diǎn)的影響見表2。

表2 不同升溫時(shí)間對(duì)初餾點(diǎn)的影響Tab.2 Effect of different heating time on initial boiling point

2.2 試驗(yàn)內(nèi)容

100 mL 無(wú)水試樣在規(guī)定條件下進(jìn)行蒸餾，觀察溫度計(jì)讀數(shù)。要求平穩(wěn)加熱蒸餾燒瓶，使得從開始加熱到第一滴冷凝液從冷凝管滴落到量筒的時(shí)間為5 min～10 min[3]。試驗(yàn)考察5、7，10 min 三個(gè)控溫時(shí)間對(duì)初餾點(diǎn)的影響程度。

2.3 測(cè)試結(jié)果及討論

油品蒸餾時(shí)，開始有液滴餾出時(shí)的最低溫度稱為油品的初餾點(diǎn)。它是觀察到的校正溫度計(jì)讀數(shù)。在蒸餾過程中，油中的烴類以連續(xù)增高沸點(diǎn)的混合物形式蒸出，原油初餾點(diǎn)是由混合物中最輕的組分決定的，不同的升溫時(shí)間控制所得的初餾點(diǎn)不同，試驗(yàn)結(jié)果為了更靠近“最低溫度”，需要根據(jù)油樣的密度、凝點(diǎn)等因素來(lái)確定升溫時(shí)間控制在靠近試驗(yàn)方法規(guī)定區(qū)間的最大值還是最小值。表2中，密度小于0.830 0 kg/cm3的6#、7#、8#油樣和凝點(diǎn)6 ℃的10#樣在5 min 和7 min 的控溫時(shí)間，初餾點(diǎn)相差較大，意味著凝點(diǎn)低的輕質(zhì)原油受其影響大。油樣凝點(diǎn)較高（20 ℃以上）、密度較大的11#、12#油樣，從5 min 到10 min，初餾點(diǎn)逐步降低，但總體變化不大。升溫時(shí)間控制對(duì)初餾點(diǎn)的影響主要與原油密度有關(guān)，高凝點(diǎn)次之。

3 結(jié)論

本文探討分析了時(shí)間控制因素對(duì)環(huán)慶原油黏度、初餾點(diǎn)測(cè)試結(jié)果的影響，這對(duì)準(zhǔn)確測(cè)定含蠟原油的黏度、初餾點(diǎn)具有一定的指導(dǎo)和實(shí)用意義。

（1）隨著恒溫時(shí)間的增加，環(huán)慶原油黏度總體呈上升趨勢(shì)，轉(zhuǎn)速越大上升的幅度越大；含蠟原油黏度對(duì)溫度的變化相當(dāng)敏感，試驗(yàn)溫度的偏差對(duì)黏度值影響較大；測(cè)量時(shí)充分準(zhǔn)確的恒溫尤為關(guān)鍵，恒溫時(shí)間不能太短，以避免測(cè)量結(jié)果出現(xiàn)波動(dòng)，但加熱恒溫時(shí)間過長(zhǎng)又會(huì)使油樣內(nèi)部結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，從而影響測(cè)量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，

（2）測(cè)定標(biāo)準(zhǔn)必須有很強(qiáng)的可操作性，但不意味著在規(guī)定的時(shí)間范圍內(nèi)可隨意選擇，對(duì)不同的原油，要視具體情況而定。為同一種原油做黏溫曲線時(shí)，低溫區(qū)宜采用低轉(zhuǎn)速，較長(zhǎng)的恒溫時(shí)間，整個(gè)低溫區(qū)要盡可能采用一個(gè)恒溫時(shí)間和一個(gè)轉(zhuǎn)速，不能認(rèn)為在恒溫時(shí)間范圍內(nèi)差不多就可以；同時(shí)，在反常點(diǎn)附近，測(cè)試時(shí)間也要適當(dāng)延長(zhǎng)，以利于數(shù)據(jù)穩(wěn)定。需要通過試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析來(lái)確定某種原油適宜的恒溫時(shí)間。通過分析近兩年環(huán)慶原油的大量數(shù)據(jù)，在進(jìn)行環(huán)慶原油旋轉(zhuǎn)黏度測(cè)定時(shí)，建議將恒溫時(shí)間選在20 min～25 min 左右；黏溫曲線測(cè)定中，高溫區(qū)牛頓流體階段恒溫時(shí)間定為15 min，低溫度段采用較長(zhǎng)的恒溫時(shí)間，至少在20 min以上，但不宜超過30 min。低溫段的劃分是以反常點(diǎn)為基準(zhǔn)[1]，反常點(diǎn)是樣品呈現(xiàn)牛頓流體的最低溫度。試驗(yàn)前常常無(wú)法預(yù)知反常點(diǎn)，或判斷某些溫度時(shí)原油是牛頓流體還是非牛頓流體，需要多次的重復(fù)測(cè)試，以積累數(shù)據(jù)，加深對(duì)規(guī)律的認(rèn)識(shí)。

（3）恒溫時(shí)間對(duì)黏度的影響與原油中輕組分的含量有關(guān)。環(huán)慶原油為較輕質(zhì)原油，含有許多溶解氣，這些輕組分對(duì)蠟有較強(qiáng)的溶解能力，在溫度降低時(shí)能降低原油中固態(tài)蠟的析出量，具有降黏效果。對(duì)含氣、含蠟的環(huán)慶原油而言，恒溫時(shí)間在[30 ℃，45 ℃]區(qū)間對(duì)黏充影響較明顯。在這幾個(gè)溫度點(diǎn)或附近，許多原油都有一個(gè)或幾個(gè)或大或小幅度的黏度降，但也有黏度升高的。在蠟溶解和輕組分釋出的共同作用下，隨著恒溫時(shí)間增加，在[25 ℃，45 ℃]區(qū)間油樣黏度出現(xiàn)了一段基本恒定、穩(wěn)中有升的階段。溫度較高（大于50 ℃）時(shí)輕組分揮發(fā)對(duì)環(huán)慶原油黏度的影響已不明顯，55 ℃以后黏度的降低主要是溫度升高引起的。通過試驗(yàn)研究升溫時(shí)間控制對(duì)原油黏度的影響，以期能夠準(zhǔn)確真實(shí)反映出環(huán)慶原油的黏度變化規(guī)律。

（4）初餾點(diǎn)的升溫時(shí)間控制是蒸餾時(shí)加熱速度的直觀體現(xiàn)，對(duì)測(cè)定油品餾程的結(jié)果有很大影響。升溫太快，輕餾分氣化產(chǎn)生較多的氣體，蒸餾瓶中的氣體分子增多來(lái)不及自支管逸出，瓶中的氣壓會(huì)大于外界的大氣壓，并且溫度計(jì)在快速升溫的過程中，不能真實(shí)地反映油氣溫度，測(cè)得的初餾點(diǎn)會(huì)偏高。當(dāng)原油中輕餾分的含量接近或大于20%時(shí)，為了使輕組分有充足的時(shí)間氣化、逸出，建議初餾點(diǎn)升溫時(shí)間控制應(yīng)更靠近規(guī)定區(qū)間的最大值。同一種原油，嚴(yán)格控制加熱速度，時(shí)間控制盡可能統(tǒng)一，且視油樣輕重等具體情況進(jìn)行細(xì)微增減。

（5）含有輕組分較多的原油，存儲(chǔ)樣品的條件和儲(chǔ)存時(shí)間長(zhǎng)短都會(huì)對(duì)試驗(yàn)結(jié)果有較大的影響，即使是密封保存，若室溫較高，開瓶塞時(shí)會(huì)有積聚的氣體“噴出”，輕組分仍會(huì)損失。對(duì)同一批油樣，應(yīng)在20 ℃以下溫度存放或盡快完成相關(guān)的試驗(yàn)研究，以確保試驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性和有效性。