丁雨溪，仲笑君，孔德晶

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基于電磁技術(shù)改進原油降粘參數(shù)研究

丁雨溪，仲笑君，孔德晶

（東北石油大學(xué)， 黑龍江 大慶 163318）

隨著油田開采進入中后期，原油開采率較以往有了不同程度的減產(chǎn)，但我國仍有70%以上的原油需要管道來輸送，而原油在管道長期運行過程中，不可避免的會因為原油的粘性過大造成水力摩阻損失、結(jié)蠟等問題，導(dǎo)致原油輸送效率降低，能耗增大。因此如何降低油田管道輸送原油粘度過大的問題已經(jīng)成為我們亟需去解決的難題。電磁法降粘技術(shù)作為一種新型的綠色環(huán)保技術(shù)越來越受到青睞，而且能耗極低，完全符合如今的能源可持續(xù)發(fā)展計劃。通過外加電場，控制電場強度和頻率，對原油進行處理，優(yōu)選出電磁法對原油降粘效果達到最佳的電場參數(shù)。設(shè)計了一套模擬電磁場對管輸原油的降粘裝置，模擬不同電場強度以及不同頻率的電磁法降粘實驗。通過實驗數(shù)據(jù)的對比分析，發(fā)現(xiàn)該裝置極大的降低了原油的粘度，改善了原油的流動性。

電磁場；輸油管道；降粘；原油流動性

我國海內(nèi)外油田大多數(shù)原油物性表現(xiàn)為高含蠟原油，常溫下，其表現(xiàn)為易凝高粘。如果不在管輸之前對原油進行降粘處理，就會導(dǎo)致輸送過程中的熱處理消耗燃料過多、水力摩阻過大、輸送效率不高、管道內(nèi)壁易結(jié)蠟等諸多問題。隨著綠色環(huán)保理念逐漸深入人心，超聲波除垢技術(shù)作為后起之秀逐漸贏得人們的青睞。因此在原油輸送過程中存在很多問題。因此，首先在確保管道運輸安全的前提下，通過改善原油在常溫或低溫狀態(tài)下原油的流動性，進一步減少不必要的能源消耗，成為了國際石油專家一直討論的焦點。在這之前，有許多專家學(xué)者對此做了很多研究，目前大多數(shù)應(yīng)用于實際過程中的方法有的在原油運輸過程中加入流動改進劑來降低原油的粘度，來改善原油流動性或流變性，不過該方法存在很多缺陷，首先在實施該方案的過程中，不可避免的需要對原油進行熱處理，而且加劑量相對來說較大，試劑成本較高，而且不予不同物性的原油，加入的流動改進劑是不同的，因此在這一方面需要投入的人力物力相對較大。近年來，有許多國內(nèi)外相關(guān)學(xué)者發(fā)現(xiàn)通過電磁流變學(xué)的研究發(fā)現(xiàn)，由于析出蠟晶后原油中兩相間介電常數(shù)和磁導(dǎo)率的差異，發(fā)明了通過外加電場對原油進行處理從而改善原油流動性的方法。但是實驗發(fā)現(xiàn)其利用電磁技術(shù)的裝置存在一定的缺陷，導(dǎo)致能耗過大且容易產(chǎn)生不必要的中間物質(zhì)，其降解效率較低的問題有待進一步的解決。電磁降粘的原理是利用在管道中外加電場的作用使原油中兩相間介質(zhì)的電導(dǎo)數(shù)產(chǎn)生差異，從而改善原油的流動性[1]。

本文首先對國內(nèi)外常見的降粘技術(shù)進行了歸納總結(jié)，并且介紹了他們的優(yōu)缺點。分別不同參數(shù)的外加電場進行降粘效果評估實驗，通過實驗證明了電磁技術(shù)可以極大的改善原油的粘度。不僅可以使電磁降粘技術(shù)達到“理論指導(dǎo)與實踐相結(jié)合”的效果，而且為以后的原油降粘技術(shù)提供實踐經(jīng)驗。

1 常用的原油降粘方法

目前國內(nèi)外最常見的原油降粘技術(shù)有添加化學(xué)藥劑、超聲波降粘、電磁降粘以及加熱降粘。接下來將一一對上述技術(shù)做出詳細的介紹，尤其是優(yōu)缺點方面。

1.1 添加化學(xué)藥劑

原油是一種多種組分組成的混合物，其中原油粘度主要有其中含有的膠質(zhì)和瀝青質(zhì)決定。通過投加化學(xué)藥劑來降低原油粘度的原理就是減小原油組分中膠質(zhì)和瀝青質(zhì)之間的相互作用力。投加化學(xué)藥劑進行降粘之后的微觀表現(xiàn)為膠質(zhì)和瀝青質(zhì)之間的相互作用力的減??；宏觀表現(xiàn)為原油粘度的降低。

投加化學(xué)藥劑進行降粘的優(yōu)點是降粘效果顯著，能夠取得較好的效果。缺點是投加化學(xué)藥劑違背了綠色環(huán)保的環(huán)境政策，無法做到零污染。在提倡“以人為本”的當(dāng)前大環(huán)境下顯得技術(shù)手段有點落后。

1.2 超聲波降粘

近年來，超聲波降粘技術(shù)是被迅速發(fā)展起來的一種新技術(shù)。超聲波除垢技術(shù)作為后起之秀逐漸贏得人們的青睞。但由于超聲波降解技術(shù)能耗過大且容易產(chǎn)生不必要的中間物質(zhì)，其降解效率較低的問題有待進一步的解決。超聲波降粘的原理是利用超聲波的空化作用、機械振動作用及產(chǎn)生的熱量使原油產(chǎn)生高溫、高壓、射流和沖擊波，使決定原油粘度的膠質(zhì)和瀝青質(zhì)發(fā)生分解和斷鏈，從而降低原油的粘度。俄羅斯和美國通過超聲波在聲波采油技術(shù)研究上取得了成功和快速發(fā)展, 國內(nèi)各大油田也相繼開展了這方面的研究工作[2]。

超聲波降粘技術(shù)具有環(huán)保、零污染、降粘效果顯著等優(yōu)點，屬于一項方興未艾的技術(shù)。同時也存在技術(shù)不成熟、許多小問題還沒有解決的缺點。

1.3 電磁降粘

電磁降粘的原理是電磁場會發(fā)生磁化作用，磁化作用能夠產(chǎn)生抑制蠟晶形成的誘導(dǎo)磁距，這就能導(dǎo)致原油凝點的降低，與此同時，原油的粘度也降低了。雖然磁場作用在原油身上的時間非常短暫，但誘導(dǎo)磁距無法迅速消失，而是逐漸消失的，這一切都得益于磁滯現(xiàn)象的存在。由此而引起的原油的物理性質(zhì)即粘度和析蠟點的變化也是逐漸消失的，所以磁場的作用使原油在一定時間內(nèi)的粘度降低，析蠟點上移[3]。

電磁降粘技術(shù)具有經(jīng)濟實惠、無污染、使用方便、降粘效果穩(wěn)定性強等諸多優(yōu)點。由于永磁材料性能不穩(wěn)定, 場強較低, 耐溫較低,使用一段時間后發(fā)生退磁現(xiàn)象而使儀器失效，這些缺點制約了電磁降粘技術(shù)的發(fā)展，直到人們發(fā)明了高性能稀土永磁材料才解決了上述缺陷[4]。

1.4 加熱降粘

所有的科學(xué)研究都證實，引起稠油粘度高的原因是其膠質(zhì)、瀝青質(zhì)等大分子在偶極作用、電荷轉(zhuǎn)移、氫鍵作用等各種作用力下形成了膠束結(jié)構(gòu)。當(dāng)加熱溫度提高時，如果膠束結(jié)構(gòu)獲得足夠的能量能夠打破化學(xué)鍵，可使稠油粘度迅速降低。因此，稠油尤其是針對超稠油、特超稠油粘度受溫度變化的影響，將會比常規(guī)原油更加敏感。室內(nèi)試驗表明，如溫度升高10 ℃，稠油黏度可降低一半左右。加熱降粘技術(shù)就是利用了稠油的這一特性，以加熱的方式降低稠油加熱降粘的原理是原有溫度升高之后，會使原油中膠質(zhì)和瀝青質(zhì)等物質(zhì)的分子鏈發(fā)生斷裂，從而降低了分子之間的粘附力。微觀表現(xiàn)為粘附力的降低；宏觀表現(xiàn)為原油粘度的降低[5]。

加熱降粘的主要優(yōu)點就是降粘速度較快，能夠起到立竿見影的效果；再就是設(shè)備簡單，技術(shù)成熟可靠。雖然效果較好，但是存在一系列缺點，如：能耗較大，這與節(jié)能降耗的原則不符合；加熱降粘所需成本較大。倘若原油價格上漲的話，從節(jié)約資金的角度出發(fā)，這并不是一種好的方法。

綜上所述，在對幾種常見的原油降粘技術(shù)的優(yōu)劣進行了細致的討論之后，我們可以發(fā)現(xiàn)：加熱降粘和投加化學(xué)藥劑進行降粘雖然見效快，但是由于其帶來的一系列負面影響，必然要被進步的世道所淘汰。超聲波降粘很符合節(jié)能環(huán)保的原則，具有諸多其他技術(shù)無法取得的優(yōu)勢，但是在可靠性上欠缺，投入實際使用的次數(shù)較少。綜合考慮了所有技術(shù)的優(yōu)缺點之后，電磁降粘技術(shù)最適合油田使用。可靠性高、節(jié)能降耗、綠色環(huán)保、見效快使其成為了上上之選。

2 實驗部分

2.1 實驗器材

本次實驗的主要實驗器材主要有：高低溫箱、儲油罐、高壓直流電場發(fā)生器、電磁法處理原油核心部件、電子天平、基于Lab View軟件的數(shù)據(jù)自動采集和計算系統(tǒng)等。各種儀器的性能參數(shù)如表1所示。本次實驗利用高壓直流電場發(fā)生器來產(chǎn)生外加電場。

表1 所用實驗儀器一覽表

2.2 實驗方案

（1）將從現(xiàn)場取來的同一口油井產(chǎn)出的原油，將其放入儲油罐內(nèi)。

（2）將選好儲油罐的下方鏈接好閥門，當(dāng)要開始進行實驗時，打開閥門，原油由于受到中立的影響向下流動，知道流入事先準(zhǔn)備好的電子天平中，根據(jù)之后流入的原油質(zhì)量，來判斷在同一時間內(nèi)，經(jīng)過電磁技術(shù)處理后，原油從始端流入的總的質(zhì)量流量的多少，來判斷電磁技術(shù)對原油流動性的左右，即是否降低了原油的粘度，比較不同的外加電場產(chǎn)生什么樣的效果[2]。

（3）為了達到這些效果，本文采用Lab View軟件的數(shù)據(jù)自動采集和計算系統(tǒng)，計算機根據(jù)采集到的油樣質(zhì)量變化和采集時間，實時計算出被處理油樣的質(zhì)量流量及流速，進而根據(jù)標(biāo)定的毛細管尺寸計算出被處理油樣的實時粘度變化，同時繪制質(zhì)量流量和粘度隨時間的變化曲線[1]。

（4）在40、50、60 ℃溫度條件下，針對管輸原油進行外加電場處理，看粘度是否有變化。為了增加對照組，我們加設(shè)定在統(tǒng)一溫度下不家電場來進行對比，即在40 ℃的時候有氧未施加電場時，質(zhì)量流量值和施加電場時的質(zhì)量流量值的對比情況；在50 ℃的時候有氧未施加電場時，質(zhì)量流量值和施加電場時的質(zhì)量流量值的對比情況；在60 ℃的時候有氧未施加電場時，質(zhì)量流量值和施加電場時的質(zhì)量流量值的對比情況。

（5）記錄、分析實驗數(shù)據(jù)，并且繪制成圖來進一步觀察實驗結(jié)果。

3 實驗結(jié)果

3.1 電磁技術(shù)處理后粘度變化

經(jīng)過施加不同電場強度處理之后油樣粘度數(shù)據(jù)繪制成曲線圖，如圖1所示。

圖1 油樣粘度隨電場強度的變化曲線

從圖1可以看出，在電場的頻率為定值的情況下，原油粘度開始隨著電場強度的增大而顯著降低，降粘率升高，當(dāng)電場強度大于10之后，原油粘度趨于平緩，沒有顯著的變化趨勢?？紤]到電場強度過大會增加耗電量，為了國家能源可持續(xù)發(fā)展，電場強度為10的時候為最佳電場強度。

原油粘度之所以在強度不高的時候一開始快速降低，之后逐漸趨于平穩(wěn)，其原因于：在電磁技術(shù)處理的前期階段，原油中兩相間介質(zhì)的電導(dǎo)數(shù)產(chǎn)生差異激烈，從而使得原油分子間的距離增大。微觀表現(xiàn)為分子間的范德華力減小，宏觀表現(xiàn)為粘度降低。但隨著電場強度逐漸增大直至進入后期階段，在電磁頻率一定的情況下處理下的油樣溫度趨于穩(wěn)定，不會在因為電場的強度作用粘度發(fā)生較大變化，因此整個兩相介質(zhì)電導(dǎo)數(shù)逐漸趨于定值。微觀表現(xiàn)為分子之間的熱運動也不會改變了，宏觀表現(xiàn)為粘度趨于穩(wěn)定[5-10]。

3.2 電磁降粘的最佳頻率

經(jīng)過施加不同電場頻率處理之后油樣粘度數(shù)據(jù)繪制成曲線圖，如圖2所示。通過分析圖2中3種頻率作用下的曲線變化趨勢，不難得出以下幾點結(jié)論。

從圖2可以看出，在電場的強度為定值的情況下，原油粘度開始隨著電場的頻率增大而顯著降低，降粘率升高，當(dāng)電場頻率為50 Hz時，原油流動性是最有利的，隨著電場頻率越來越大，原油降粘的效果反而不升反降?？紤]到電場頻率越小越適合于輸油管道運輸，從清潔角度來看，電場頻率為50 Hz的時候為最佳電場頻率。

原油粘度之所以在低頻率電場作用下，降粘效果最好，其原因于：在電磁頻率處理之前，原油中兩相間介質(zhì)的電導(dǎo)數(shù)產(chǎn)生差異不明顯，使得原油分子間的距離很小。但經(jīng)過低頻率的電場處理之后，原油中的微粒確實形成了短鏈狀聚，微觀表現(xiàn)為分子間的范德華力減小，宏觀表現(xiàn)為粘度降低。但隨著電場頻率逐漸增大直至進入后期階段，在電磁強度一定的情況下。

圖2 不同電場頻率下處理油樣的粘度變化曲線

4 結(jié)論

（1）對管輸原油施加特別設(shè)計外加電場，可以降低原油粘度，改善原油的流動性。

（2）在外加電場頻率為定值時，隨著電場強度的增大，原油粘度先下降后趨于穩(wěn)定。而且在剛施加電場時，降粘效果非常顯著，隨著電場強度越來越大，原油粘度趨于穩(wěn)定值因此，電場強度并不是越高越好。

（3）在外加電場強度為定值時，隨著電場頻率的增大，原油粘度會增大。

（4）粘處理技術(shù)所需要的能源消耗較少，在原油低耗降粘輸送方面將會有較大的利用空間和研究價值。

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［3］梁濤. 離子液體對稠油的改質(zhì)降黏實驗研究[J].大慶石油學(xué)院碩士論文，2007,12(2):02-24.

［4］王曉華.磁降凝降粘技術(shù)的研究與應(yīng)用[J].大慶石油學(xué)院碩士論文，2003,27(9):5-20.

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Study on Improvement of Reducing Parameters of Crude Oil Based on Electromagnetic Technology

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（Northeast Petroleum University, Heilongjiang Daqing 163318，China）

With the oil field development entering into middle and later periods, the crude oil extraction rate reduces, but more than 70% of China's crude oil need be transported by pipelines. In long-term operation process of the crude oil pipeline, hydraulic friction loss, wax precipitation and other issues inevitably happen because of excessive crude oil viscosity, resulting in low efficiency of crude oil delivery, high energy consumption. So how to reduce the crude oil viscosity has become the urgent problem needing to be solved. The electromagnetic technology for viscosity reduction as a new type of green technology is increasingly favored because of its low energy consumption. In this paper, the external electric field was used to control the strength and frequency of the electric field to treat crude oil, electric field parameters were optimized. A set of crude oil viscosity reducing device with simulated electromagnetic field was designed, the electromagnetic viscosity reduction experiment was simulated under different electric field strength and frequency. Through comparative analysis of experimental data, it's found that the device greatly reduced the viscosity of crude oil and improved the fluidity of crude oil.

Electromagnetic field;Oil pipeline;Viscosity reduction;Crude oil liquidity

TE 35

A

1671-0460（2017）08-1600-04

2017-05-24

丁雨溪（1993-），女，黑龍江省肇東市人，在讀研究生，研究方向：從事復(fù)雜流體流動魚石脂模擬方面的研究。E-mail：749865527@qq.com。