梁光川 張兵強(qiáng) 許啟軍 朱學(xué)熹

1.西南石油大學(xué) 石油工程學(xué)院 (四川 成都 610500)

2.中國(guó)石化中原石油勘探局工程建設(shè)總公司 （河南 濮陽(yáng) 457000）

3.中國(guó)石油西南油氣田分公司 天然氣研究院 （四川 成都 610213）

我國(guó)大部分油田所產(chǎn)原油大多為含蠟原油，部分油田的原油含蠟量甚至高達(dá)15%～45%，含蠟原油具有凝點(diǎn)高、低溫流動(dòng)性差的特點(diǎn)，在油田的整個(gè)生產(chǎn)開(kāi)發(fā)和油品運(yùn)輸過(guò)程中，原油中的蠟沉積問(wèn)題都普遍存在，這給油田的正常生產(chǎn)和高效發(fā)展帶來(lái)了不少的危害和損失?；瘜W(xué)防蠟技術(shù)主要是通過(guò)向原油中添加防蠟劑以起到防蠟的作用，這種技術(shù)不影響油井的正常生產(chǎn)，具有經(jīng)濟(jì)有效、操作方便的特點(diǎn)，而且在原油中加入某些藥劑除了會(huì)起到防蠟作用，還可以起到降凝降黏的作用，達(dá)到了改善原油低溫流變性的目的，從而實(shí)現(xiàn)降低能耗和生產(chǎn)成本、提高管道運(yùn)行的安全性。但是，我國(guó)原油物性變化大，流變性較為復(fù)雜，不同原油對(duì)防蠟劑的感受性也不相同。因此，針對(duì)不同原油的特性，優(yōu)選出適合不同原油的防蠟劑，進(jìn)一步研究原油在輸送過(guò)程中的防蠟技術(shù)方案，在實(shí)現(xiàn)安全輸送、節(jié)能降耗，提高經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益等方面具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1 化學(xué)防蠟機(jī)理及防蠟性能影響因素

1.1 防蠟機(jī)理

國(guó)內(nèi)外對(duì)化學(xué)防蠟方法的研究都比較重視，但是對(duì)其作用機(jī)理還未研究得十分清楚，比較公認(rèn)的有以下2種[1]。

1.1.1 水膜理論

水膜理論主要指使用一種（或多種）物質(zhì)在金屬表面形成一層極性膜進(jìn)而影響金屬表面的潤(rùn)濕性。此理論是基于表面活性劑的作用，表面活性劑的水溶液可以大大降低水的表面張力，并且具有潤(rùn)濕作用，容易潤(rùn)濕與之接觸的金屬表面，并在其表面形成一層極性水膜。石蠟為非極性烴，故石蠟不易在設(shè)備或管線表面沉積。

1.1.2 蠟晶改性理論

蠟晶改性理論主要指加入一種（或多種）物質(zhì)能夠改變蠟晶的結(jié)構(gòu)或使結(jié)晶處于分散狀態(tài),彼此不互相疊加,而懸浮于原油中。蠟晶改性理論有3種:

（1）分散理論:防蠟劑分子在蠟晶分子析出之前先從原油中析出，產(chǎn)生大量細(xì)小的結(jié)晶中心，石蠟烷烴則粘附在防蠟劑微晶之上，這樣結(jié)構(gòu)的結(jié)晶，相互之間并不趨于粘接，處于分散狀而不能聚集長(zhǎng)大，因此減輕了蠟在設(shè)備表面上的沉積。

（2）共晶理論:防蠟劑分子與石蠟同時(shí)析出，并與蠟分子共晶，這種晶體的晶形不規(guī)則，分枝多，破壞了純石蠟生長(zhǎng)的方向性，抑制了蠟晶網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的形成，使蠟晶不能聚集長(zhǎng)大，減輕了蠟在管線和設(shè)備表面上的沉積。

（3）吸附理論:防蠟劑在蠟分子剛析出之后立即從原油中析出，吸附在蠟分子表面，改變了蠟晶固有的結(jié)晶形態(tài)，阻礙了蠟晶之間相互連接和聚集，使其不能長(zhǎng)大，進(jìn)而減輕了蠟在管線和設(shè)備表面的沉積。

1.2 防蠟劑性能影響因素

對(duì)于一定的原油，當(dāng)防蠟劑選定后，改性效果主要取決于處理?xiàng)l件。處理?xiàng)l件包括添加劑溫度、降溫速率和方式、注入量等[2-4]。

（1）防蠟劑溫度:其和原油組成與石蠟結(jié)構(gòu)有關(guān)。所以應(yīng)根據(jù)室內(nèi)實(shí)驗(yàn)結(jié)果選擇合適的添加劑溫度，使原油中含有的膠質(zhì)、瀝青質(zhì)和以C16～C35的正烷烴為主的石蠟充分溶解和游離，防蠟劑充分分散，以發(fā)揮防蠟劑的最大效用。

（2）降溫速率和方式:在析蠟點(diǎn)以上的溫度，降溫速率和方式對(duì)改性效果沒(méi)有影響，在析蠟點(diǎn)以下的溫度，降溫速率和剪切速率過(guò)快或過(guò)慢都會(huì)降低改性效果。

（3）防蠟劑注入量:原油的改性效果與防蠟劑的注入量并不呈線性的關(guān)系，當(dāng)防蠟劑的注入量超過(guò)一定值后，原油的改性效果隨防蠟劑的注入量增加不會(huì)再有大幅度提高，由此可見(jiàn)，存在著使原油在管輸過(guò)程中最小的防蠟劑注入量。

加防蠟劑輸油的最佳處理?xiàng)l件是上述各因素的最優(yōu)組合，但在實(shí)際應(yīng)用中，應(yīng)將最佳條件與實(shí)際結(jié)合起來(lái)，充分考慮管道的運(yùn)行方式和設(shè)備能力，選擇合適的組合條件。

2 防蠟劑的制備

根據(jù)我國(guó)某油田原油物性分析結(jié)果及原油中蠟碳數(shù)分布的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，結(jié)合應(yīng)用化學(xué)、高分子化學(xué)等相關(guān)研究理論，通過(guò)改變參與反應(yīng)的十六醇與丙烯酸甲酯的摩爾比例和十六醇與馬來(lái)酸酐摩爾比例進(jìn)行合成及酯化實(shí)驗(yàn)，最終得到防蠟劑SK-1、SK-2。

2.1 制備原理

2.2 實(shí)驗(yàn)藥品與儀器

實(shí)驗(yàn)藥品:馬來(lái)酸酐、丙烯酸甲酯、單體D、十六醇、偶氮二異丁腈、對(duì)甲苯磺酸、甲苯。

實(shí)驗(yàn)儀器:三口燒瓶、分析天平、磁力攪拌恒溫水浴鍋、ZDHW型調(diào)溫電熱套。

2.3 實(shí)驗(yàn)方案

（1）稱取一定量的馬來(lái)酸酐、丙烯酸甲酯、單體D，以甲苯作為溶劑，加入250mL的三口燒瓶中，用冷凝回流的裝置，加入偶氮二異丁腈作為引發(fā)劑，控制水浴溫度在60±2℃，反應(yīng)5h。

（2）將步驟1中的水浴鍋換位電熱套，并改冷凝回流裝置為常壓蒸餾裝置。

（3）稱取一定量的十六醇，加入三口燒瓶中，對(duì)甲苯磺酸作為引發(fā)劑，保持溫度為140±5℃，反應(yīng)5h，反應(yīng)結(jié)束，得到目標(biāo)共聚物。

2.4 防蠟劑評(píng)價(jià)依據(jù)

析蠟點(diǎn)是表征原油析蠟過(guò)程的一個(gè)重要參數(shù)，原油的析蠟點(diǎn)高，說(shuō)明原油在輸送過(guò)程中，隨著管輸溫度的降低，容易在管道內(nèi)壁形成較嚴(yán)重的結(jié)蠟現(xiàn)象。本次實(shí)驗(yàn)以析蠟點(diǎn)作為原油結(jié)蠟的實(shí)驗(yàn)研究對(duì)象，室內(nèi)開(kāi)展黏溫關(guān)系測(cè)試實(shí)驗(yàn)，最終確定出油樣的析蠟點(diǎn)。通過(guò)對(duì)原油油樣加入防蠟劑前后的析蠟點(diǎn)的變化情況的分析，對(duì)防蠟劑的防蠟效果進(jìn)行評(píng)價(jià)。

3 防蠟效果評(píng)價(jià)

根據(jù)中國(guó)石化西北油田分公司塔河油田原油物性實(shí)驗(yàn)結(jié)果可得，該原油具有析蠟點(diǎn)較高、凝固點(diǎn)較低的特點(diǎn)，原油在管輸過(guò)程中的主要問(wèn)題就在于結(jié)蠟，因此以防蠟率作為防蠟劑性能的主要標(biāo)準(zhǔn)，參照采油用清防蠟劑技術(shù)條件（SY/T 6300-2009），結(jié)合室內(nèi)實(shí)驗(yàn)條件，進(jìn)行防蠟劑的評(píng)價(jià)篩選工作，防蠟率的計(jì)算方法如下:

式中 ma—蠟沉積量，g；

mt—蠟沉積量與結(jié)蠟管的總質(zhì)量，g；

me—結(jié)蠟管的質(zhì)量，g。

防蠟率的計(jì)算，見(jiàn)計(jì)算公式（2）:

式中 f—防蠟率，%；

m0—空白試液的蠟沉積量，g；

mf—加藥試液的蠟沉積量，g。

3.1 實(shí)驗(yàn)方案

實(shí)驗(yàn)評(píng)價(jià)防蠟劑效果的實(shí)驗(yàn)裝置如圖1，將冷指垂直放入油槽中，并油槽放入溫度可調(diào)的恒溫水浴中，調(diào)節(jié)循環(huán)水溫度和油槽放置恒溫水浴溫度使之形成一定的溫差，同時(shí)必須保證冷指壁溫低于原油析蠟點(diǎn)溫度。然后打開(kāi)循環(huán)水泵，運(yùn)行1h，取下冷指用分析天平稱出冷指和蠟的總質(zhì)量，精確度為萬(wàn)分之一；總質(zhì)量和冷指自身質(zhì)量之差即為結(jié)蠟量。

向2個(gè)油槽分別加入500mL原油，并預(yù)熱至50℃，然后向2個(gè)油槽中依次加入用甲苯溶解過(guò)的破乳劑 SK-1，加劑量分別為 200mg/kg、400mg/kg，攪拌10min使之混合均勻，然后以1.0℃/min的速率降溫至28℃開(kāi)始實(shí)驗(yàn)。然后重復(fù)上述步驟評(píng)價(jià)破乳劑SK-1在加劑量為600mg/kg、800mg/kg時(shí)的防蠟效果；在評(píng)價(jià)破乳劑SK-2時(shí)，實(shí)驗(yàn)步驟和評(píng)價(jià)SK-1時(shí)相同，只是將油槽中添加的防蠟劑SK-1換成

從圖2和圖4可以看出，該油田油樣在添加防蠟劑SK-1之后，在相同溫度下結(jié)蠟量明顯減少，并且隨著加劑量的增加結(jié)蠟量呈減少趨勢(shì)，防蠟率增高，但是隨著劑量的增加防蠟率增高趨勢(shì)不明顯，同時(shí)考慮到經(jīng)濟(jì)性問(wèn)題，建議采用加劑量為200 mg/kg。從圖3和圖5可以看出，在相同溫度下，該油田油樣加入SK-2防蠟劑后，原油結(jié)蠟量呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢(shì)，在加劑量200mg/kg時(shí)防蠟率最SK-2，每次實(shí)驗(yàn)防蠟劑的加劑量保持不變。在實(shí)驗(yàn)中，為了減小誤差，優(yōu)選防蠟劑，驗(yàn)證防蠟劑在不同溫度下的防蠟效果，將循環(huán)水溫分別設(shè)為5℃、10℃、15℃、20℃。每組測(cè)試時(shí)間為60min。

3.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)每次實(shí)驗(yàn)測(cè)量結(jié)果，通過(guò)計(jì)算求得在不同條件下的結(jié)蠟量和防蠟率(圖2～圖5)。高，隨著加劑量的增加防蠟效果有惡化趨勢(shì)，因此SK-2防蠟劑加劑量不宜大于200mg/kg。

3.3 原油析蠟微觀分析

在通過(guò)動(dòng)態(tài)評(píng)價(jià)防蠟效果后，為了進(jìn)一步了解防蠟劑的防蠟效果，分別取等量的2份油樣，其中1份加入400mg/kg的SK-2防蠟劑，在恒定溫度15℃條件下穩(wěn)定30min，然后通過(guò)微觀電鏡成像觀察空白原油和加防蠟劑油樣的析蠟微觀形態(tài)（圖6、圖 7）。

從圖6可以看出在不加任何防蠟劑的情況下，油樣中蠟晶呈均勻分布并形成了穩(wěn)定的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，因此易于在管道壁上結(jié)蠟，造成管道輸送能力下降；從圖7可以看出，在加防蠟劑后的原油油樣在同樣條件下只有稀疏分散的蠟晶，沒(méi)有形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，因此原油在管道流動(dòng)過(guò)程中蠟晶不容易沉淀結(jié)晶析出，從而達(dá)到了良好的防蠟效果。

4 結(jié) 論

（1）對(duì)化學(xué)防蠟技術(shù)進(jìn)行了詳細(xì)研究，根據(jù)油樣物性通過(guò)實(shí)驗(yàn)合成2種防蠟劑SK-1、SK-2。

（2）通過(guò)實(shí)驗(yàn)分別對(duì)2種防蠟劑防蠟效果進(jìn)行了評(píng)價(jià)，實(shí)驗(yàn)證明防蠟劑SK-1，具有良好的防蠟效果，并且隨著加劑量的增加，防蠟效果也在改善；防蠟劑SK-2也具有較高的防蠟效果，但是隨著加劑量的增加，防蠟效果有惡化的趨勢(shì)，因此在使用過(guò)程中必須控制加劑量。

（3）在管輸原油中添加防蠟劑，原油在相同溫度下析蠟量減少可以明顯降低原油的黏度，因此可以改善原油的流動(dòng)特性，進(jìn)而降低原油的輸送成本。

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