薛一菡

摘 ?????要： 磁處理技術(shù)可以顯著增強(qiáng)原油的流動性，提高原油的輸送效率，在石油行業(yè)中有較多應(yīng)用，目前其深層次改性機(jī)理研究仍受國內(nèi)外學(xué)者關(guān)注?？偨Y(jié)了國內(nèi)外磁處理技術(shù)在降低原油黏度、防止原油結(jié)蠟以及油水乳狀液處理方面的研究進(jìn)展，從宏觀和微觀進(jìn)一步闡述了磁處理技術(shù)對原油的改性機(jī)理及影響因素，提出了磁處理在原油流動改性方面的后續(xù)研究建議，旨在為擴(kuò)展其在石油行業(yè)的應(yīng)用提供進(jìn)一步的理論依據(jù)。

關(guān) ?鍵 ?詞：原油;磁處理技術(shù);流動性;改性機(jī)理;影響因素

中圖分類號：TE 83 ??????文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A ??????文章編號： 1671-0460（2019）08-1801-05

Abstract： Magnetic processing technique can significantly enhance the fluidity of crude oil and improve the transportation efficiency of crude oil. So it is widely used in petroleum industry， and the deep-level modification mechanism is still concerned by domestic and foreign scholars in recent years. First， the research progress of magnetic processing technique at home and abroad in reducing crude oil viscosity， preventing crude oil waxing and oil-water emulsion treatment was summarized. Then， the modification mechanism and influencing factors of crude oil by magnetic processing technique were further illustrated. Finally， a follow-up research proposal for magnetic processing in the fluidity modification of crude oil was proposed. The paper can provide a theoretical basis for expanding application of magnetic processing technique in the petroleum industry.

Key words：Crude oil; Magnetic processing technique; Fluidity; Modification mechanism; Influencing factors

石油作為一種不可再生的資源，其開發(fā)和利用一直受到人們的高度關(guān)注。由于原油具有高黏、高凝、高含蠟的特點(diǎn)，可能引發(fā)管道堵塞、破裂等一系列流動安全保障問題，尤其是國內(nèi)外逐漸將視野轉(zhuǎn)向深海[1]，在深海環(huán)境下（低溫）原油流動性更低，給石油的開采和輸送帶來了巨大挑戰(zhàn)[2]。解決原油輸送的關(guān)鍵在于改善原油的流動性，目前，加熱、稀釋、加入降凝劑等一系列物理、化學(xué)方法被應(yīng)用到含蠟原油的流動改性中，并取得了一定的效果[3]。熱處理法通過提升油流溫度、降低原油黏度來增強(qiáng)其流動性，但該方法耗能高，在深海環(huán)境下操作性較低[4];稀釋法采用摻入輕質(zhì)油品的方式，增加原油中膠質(zhì)、瀝青質(zhì)的溶解性，起到改善含蠟原油流動性的目的，但輕質(zhì)油品往往難以獲取且輸運(yùn)成本較高，在一定程度上制約了該方法的推廣[5];降凝劑對含蠟原油的流動性呈現(xiàn)較好的改性效果，但該方法受油品組成、含水率、熱歷史、剪切歷史等因素的綜合影響較大，改性效果穩(wěn)定性較差。磁場，由于其取得相同改性效果的能耗僅為加熱輸送的1%左右，受到密切關(guān)注且在油田得到較多的推廣和應(yīng)用[6-12]?？偨Y(jié)了磁處理技術(shù)在原油流動改性中的研究進(jìn)展，闡述了影響改性的作用機(jī)理及影響因素，提出了磁處理在原油流動改性方面的后續(xù)研究建議。

1 ?原油磁處理技術(shù)研究進(jìn)展

1.1 ?磁技術(shù)的發(fā)展及演變

自法拉第在1830年提出磁感應(yīng)以來，磁場和強(qiáng)磁物質(zhì)（鐵）、磁場與弱磁物質(zhì)、磁場與無磁性物質(zhì)間相互作用被學(xué)者們廣泛探討，推動了磁處理技術(shù)在工業(yè)、農(nóng)業(yè)和醫(yī)學(xué)等方面的廣泛應(yīng)用。如Johan Sohaili等[13]基于磁場與水中碳酸鈣的相互作用，將磁處理技術(shù)引入到防垢處理中，發(fā)現(xiàn)其磁場能夠顯著抑制水的結(jié)垢能力。Pittman等[14]將磁場引入到農(nóng)業(yè)中，探究了磁場對農(nóng)作物生長速率和產(chǎn)量的影響，發(fā)現(xiàn)了施加于休眠種子的磁場增加了大麥、玉米、豆類、小麥和某些樹木果實(shí)的幼苗生長速率。Somoshree等[15]則借助磁場研究了不同強(qiáng)度的磁場對癌細(xì)胞活性的影響，闡釋了磁場對癌細(xì)胞生長的顯著抑制作用，為磁技術(shù)的醫(yī)學(xué)應(yīng)用打下了基礎(chǔ)。鄭少波等[16]在探討磁場和光子的相互作用時發(fā)現(xiàn)，磁場會與光子反應(yīng)產(chǎn)生一定量的過氧化氫和羥基，從而提高紫外線的消毒效果，進(jìn)一步拓展了磁處理技術(shù)的應(yīng)用范圍。前蘇聯(lián)的石油工作者在20世紀(jì)60年代率先提出了磁處理技術(shù)防蠟方法，發(fā)現(xiàn)了磁場可以防止原油管道結(jié)垢，在此基礎(chǔ)上，開始了磁處理技術(shù)在油井與管線中的研究與應(yīng)用。美國在磁處理技術(shù)防蠟方面晚一些，大約80年代開始有相關(guān)的試驗(yàn)與應(yīng)用。中國也大約是在80年代開始進(jìn)行磁處理技術(shù)的相關(guān)研究。

1.2 ?磁技術(shù)在原油中的研究進(jìn)展

早期的磁處理技術(shù)，比較集中于油井防蠟除蠟，隨著時間的推移，石油儲運(yùn)磁處理技術(shù)逐漸發(fā)展，取得了顯著的效果。

F. Homayuni等[17]將脈沖磁場用于重質(zhì)原油的降黏，研究了低磁場強(qiáng)度和高磁場強(qiáng)度下，持續(xù)時間對原油黏度的降低程度的影響，考察脈沖磁場改性效果持續(xù)時間發(fā)現(xiàn)，當(dāng)停止施加磁場后約80 min，原油恢復(fù)到原始狀態(tài)。R. Tao等[18]通過研究發(fā)現(xiàn)磁場可以促使原油中的懸浮顆粒沿流動方向聚集成短鏈，從而降低含蠟原油的黏度，認(rèn)為磁場改性的本質(zhì)是通過改變原油蠟晶生長的取向和形態(tài)，阻礙蠟晶三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的形成，最終起到流動改性的目的。魏愛軍等[19]對原油施加高頻電磁場，研究發(fā)現(xiàn)原油經(jīng)電磁處理后，聚結(jié)的石蠟分子以小顆粒的形式懸浮在原油中，原油的流變特征向牛頓流體特征發(fā)展，原油黏度降低。黃偉莉等[20]將磁處理應(yīng)用于高酸原油的降黏時發(fā)現(xiàn)，在一定的磁感應(yīng)強(qiáng)度和處理時間范圍內(nèi)，磁感應(yīng)強(qiáng)度越大且磁作用時間越長，降黏效果越好。

含水原油主要以油水乳狀液的形式存在，需要采用可靠和高效的破乳技術(shù)對乳化原油進(jìn)行脫水處理。近年來，隨著納米技術(shù)的發(fā)展，將納米材料引入油水乳狀液的破乳研究逐漸引起國內(nèi)外學(xué)者的關(guān)注，由于磁性納米顆粒對外磁場有較強(qiáng)的響應(yīng)能力，且在外磁場的作用可將其快速分離，因此其在原油破乳技術(shù)中具有一定的應(yīng)用潛力和研究前景。J. Peng等[21]制備了名為M-EC的可循環(huán)使用的磁性納米顆粒，并將其加入石腦油稀釋的瀝青乳液中，結(jié)果表明在外部磁場的作用下，乳液中磁性標(biāo)記水滴的聚結(jié)效應(yīng)顯著增強(qiáng)，使除水效率提高至80%。Wang等[22]制備了一種可回收的核-殼結(jié)構(gòu)磁性納米粒子MNP，通過施加外部磁場控制MNP涂覆的油滴，提高油水乳狀液中分離油相的效率，并通過傾析實(shí)現(xiàn)水的回收。Amir Hossein等[23]發(fā)現(xiàn)CTAB溶液具有增加油/納米乳液的界面張力的作用，同時界面張力隨著磁場強(qiáng)度的增強(qiáng)而呈線性增加，由于納米乳劑在暴露于磁場時具有較高的黏度，導(dǎo)致了較低的流動比。

2 ?作用機(jī)理

磁性是物質(zhì)的屬性，磁性是以物質(zhì)對磁場的反應(yīng)，即以磁化率分為抗磁性和順磁性。磁化率是表征磁屬性的物理量，等于磁化強(qiáng)度與磁場強(qiáng)度之比，順磁質(zhì)磁化率大于零，抗磁質(zhì)磁化率小于零。流體中顆粒內(nèi)部電子自旋可以形成磁化區(qū)，這種自發(fā)磁化區(qū)稱為磁疇，相鄰的不同磁疇之間磁矩排列的方向具有隨機(jī)性，相互抵消，整體不顯磁性。外加磁場后，磁矩排列取向趨于一致，磁疇重新排列趨勢與磁疇初始空間相位之間的差異可導(dǎo)致蠟晶聚集在薄弱部位破壞，干擾膠凝結(jié)構(gòu)的形成，降低屈服應(yīng)力。如果抗磁作用較大，破壞作用明顯。國內(nèi)外專家和學(xué)者，從不同的視角與不同的層次對磁致流變特性改變的機(jī)理進(jìn)行細(xì)致的闡釋。

Loskutova[24]等認(rèn)為原油的流變行為通過其分散相的量和組成來確定，其分散相的復(fù)雜結(jié)構(gòu)單元（CSU）中包含順磁性瀝青質(zhì)形成的強(qiáng)極性核、極性較小的中間層和由樹脂組分形成的弱極性外層。在磁場的作用下，由于分子相互作用，順磁性物質(zhì)自旋重定向，從而達(dá)到擾亂CSU殼并改變原油流變性質(zhì)的目的。Evdokimov和Kornishin[25]基于含蠟原油，采用了雙光束記錄分光光度計(jì)測量了磁處理前后原油的消光光譜，通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)磁處理后的原油的消光減少，說明了分子之間氫鍵可能出現(xiàn)斷裂現(xiàn)象，從而導(dǎo)致石油膠體的解聚。同樣，Gon?alves等[26]則研究了磁場對石蠟晶體形成過程的影響，發(fā)現(xiàn)磁場作用下原油析出蠟晶減少，并用光學(xué)顯微鏡清晰地觀察到施加磁場前后石蠟晶體形貌變化（圖1，黑點(diǎn)代表蠟晶）。Jiang等[27]采用太赫茲時域光譜技術(shù)，分析了原油的太赫茲光學(xué)性質(zhì)的磁場依賴性以及原子在磁場中的運(yùn)動，發(fā)現(xiàn)磁場可以導(dǎo)致原油中膠體粒子的解聚。蠟晶體解聚見圖2。

F. Homayuni等[17]認(rèn)為對原油施加短脈沖磁場，盡管沒有足夠的時間來影響由宏觀距離分離的粒子，但是有足夠的時間將接近的粒子組裝成簇，使聚集顆粒的尺寸增加，根據(jù)懸浮液內(nèi)球體的平均自由程公式，懸浮顆粒在懸浮液中的運(yùn)動自由度會增加，從而達(dá)到原油降黏的效果。

王升等[28]基于分子的色散理論，從量子的角度出發(fā)，以高黏原油為研究對象評價了磁場降黏防蠟的機(jī)理，認(rèn)為蠟的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)是決定原油黏度的主要因素，磁場會使蠟聚集成蠟團(tuán)并抑制蠟網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的生成，從而達(dá)到降凝降黏的效果。R. Tao等[18]進(jìn)一步研究了蠟晶聚集假設(shè)，指出在磁場的作用下，懸浮顆粒產(chǎn)生極化現(xiàn)象，其分子在一個方向上排列，相互作用使得顆粒沿著磁場方向快速聚集成短鏈，使得聚集體沿流動方向流線化，蠟晶結(jié)構(gòu)的空間對稱性被破壞（圖3），這個研究成果強(qiáng)調(diào)了磁場下短鏈的方向一致性。Arthur R等[29]實(shí)驗(yàn)研究了具有低界面張力的磁流體乳液，結(jié)果發(fā)現(xiàn)乳液在外部磁場作用下體現(xiàn)出各向異性效應(yīng)，乳液介質(zhì)滲透率是磁場強(qiáng)度、乳液濃度和電磁場角度的函數(shù)，揭示了乳液在磁場作用下具有非牛頓剪切稀化行為，從而解釋磁場下液滴變形對乳液流變行為的影響（圖4）。

由于原油組成不同以及磁場性質(zhì)不同，研究人員對于磁場降黏的機(jī)理解釋也不同，存在一些分歧，需要今后進(jìn)一步的理論與試驗(yàn)研究進(jìn)行逐漸完善。

3 ?影響因素

3.1 ?原油組成

原油是復(fù)雜烴類和非烴類組成的復(fù)雜混合物，其組成對磁場改性效果有顯著影響。

R. Tao等[30-32]在探討不同類型原油對磁場的響應(yīng)效果時發(fā)現(xiàn)，磁場對輕質(zhì)石蠟基原油的降黏效果要優(yōu)于瀝青基原油。進(jìn)一步分析認(rèn)為，原油中環(huán)狀石蠟分子的存在是引起改性效果差異的主要原因。當(dāng)石蠟分子存在環(huán)結(jié)構(gòu)時，致使含蠟原油具有抗磁性，對磁場的敏感性增強(qiáng)。當(dāng)石蠟分子無環(huán)結(jié)構(gòu)，蠟對磁場不敏感，此時改性效果較弱。Gon?alves等[26]在相同的條件下對兩種具有相同含蠟量的含蠟原油施加磁場，通過NMR進(jìn)行成分分析，發(fā)現(xiàn)黏度降低較大的油樣中脂肪族分子含量和水含量較大。

3.2 ?原油流動方向

目前為止，關(guān)于原油流動方向和磁場方向關(guān)系（圖5）對原油磁處理效果的影響尚無統(tǒng)一的認(rèn)識。

對此，Johnny J.R[33]基于含蠟原油，采用不同強(qiáng)度的磁場對其黏度進(jìn)行了多次實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)當(dāng)原油流動方向與磁場平行時，其降黏效果略優(yōu)于原油流動方向與磁場方向垂直時的降黏效果。年威等[34]通過對含蠟原油施加變頻磁場進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，認(rèn)為如果使高含蠟原油沿（與磁場方向）垂直的方向流過變頻磁場，石蠟分子間的作用因受洛倫茲力的作用而增強(qiáng)，更容易脫離液態(tài)游離烴的表面，降黏效果將更為明顯。從現(xiàn)場應(yīng)用的角度考慮，磁場方向宜與原油的流動反向垂直。

3.3 ?磁處理溫度

溫度對含蠟原油的磁處理效果具有顯著的影響，當(dāng)溫度比較高的時候，蠟分子主要以分子熱運(yùn)動為主，隨著溫度的降低，分子熱運(yùn)動劇烈程度逐漸減弱，當(dāng)溫度降低至析蠟點(diǎn)附近時，蠟的溶解度降低，蠟分子開始逐漸形成微小晶核，當(dāng)溫度繼續(xù)降低時，越來越多的蠟晶開始生成，蠟分子逐漸變大，蠟晶開始逐漸相互連接進(jìn)而形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。在較低的磁處理溫度下蠟分子熱運(yùn)動減弱，微小蠟晶結(jié)晶析出，磁場作用可以改變蠟晶生長的取向和形態(tài)，減弱蠟晶三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度，從一定程度上增強(qiáng)磁場對含蠟原油的調(diào)控作用。磁處理溫度過高則會導(dǎo)致分子熱運(yùn)動加劇，原油體系中蠟以分子形式存在，磁場對原油的改性效果不明顯。處理溫度過低則會導(dǎo)致原油形成三維結(jié)構(gòu)，磁場對蠟晶顆粒生長、取向影響受到抑制，影響改性效果[35，36]。因此在一定磁場強(qiáng)度下，選擇合適的磁場處理溫度可顯著提升含蠟原油磁場處理效果。

3.4 ?磁處理時間

R. Tao等[37]在磁場強(qiáng)度為0.15 T的條件下對磁處理時間對原油黏度降低效果影響展開了研究，發(fā)現(xiàn)磁場在一定的磁處理時間范圍內(nèi)具有降低原油黏度的效果，且在一定的時間范圍內(nèi)，隨著處理時間的延長，由于顆粒聚集而形成的粒子簇的平均尺寸逐漸增加，從而導(dǎo)致黏度降低。同樣，黃偉莉等[20]的研究得到類似結(jié)論，在磁場強(qiáng)度為80 mT的條件下，考察了磁場作用時間對高酸原油黏度的影響，結(jié)果表明，當(dāng)磁場作用時間為20 min以內(nèi)時，原油黏度顯著降低，而當(dāng)磁處理時間過長時，原油分子間作用力增大，導(dǎo)致降黏效果降低，甚至出現(xiàn)反彈現(xiàn)象。因此，需要選擇合適的磁處理時間以達(dá)到對含蠟原油的最佳處理效果。

3.5 ?磁場頻率、強(qiáng)度及波形

王升等[27]發(fā)現(xiàn)在一定磁場強(qiáng)度范圍內(nèi)含蠟原油的降黏率隨著磁場強(qiáng)度的增大而升高，但磁場強(qiáng)度達(dá)到一定值后，降黏率隨磁場強(qiáng)度的增大而減小。Chen和Hou等[38]通過分子動力學(xué)模擬解釋磁場強(qiáng)度影響，在含蠟原油模型上施加低磁場時，洛倫茲力將分子拉向一起運(yùn)動，分子之間距離減小，同時在遷移過程中分子的運(yùn)動距離增大，擴(kuò)散系數(shù)增加。洛倫茲力隨磁場強(qiáng)度的增大而增大，分子間距離在強(qiáng)磁場中逐漸減小，分子間沒有足夠的空間進(jìn)行靈活的遷移，運(yùn)動距離變短，擴(kuò)散系數(shù)相應(yīng)減小，分子堆積在一起，形成一個更緊密的結(jié)構(gòu)。馬先國[39]通過參數(shù)研究發(fā)現(xiàn)波形對原油的降黏效果并無明顯的影響，而頻率對原油的降黏效果存在明顯影響，隨著磁場頻率的增加，降黏率逐漸增大，經(jīng)歷峰值后，降黏率隨磁場頻率的增加而逐漸下降（圖6）。賀亞維[40]采用電磁防蠟器探究磁場頻率對含蠟柴油的溶蠟率的影響，得到同樣的結(jié)論，在一定的頻率范圍內(nèi)磁場可顯著提高含蠟柴油的溶蠟率，且低頻段的溶蠟效果明顯比高頻段好。

實(shí)驗(yàn)證明，對于交變磁場，磁場強(qiáng)度與磁處理效果不存在線性關(guān)系，也不存在增函數(shù)或減函數(shù)關(guān)系。磁場頻率與磁處理效果之間關(guān)系亦如此。在特定的磁場強(qiáng)度和磁場頻率時，磁處理效果最好。因此對于交變磁場，實(shí)際上存在磁場頻率和磁場強(qiáng)度的優(yōu)化組合問題，最優(yōu)組合機(jī)理與方法還需要進(jìn)一步研究。

4 ?結(jié)論與展望

由于磁處理技術(shù)具有操作簡便、耗能量小及對環(huán)境無污染等優(yōu)點(diǎn)，在石油行業(yè)中有較多的應(yīng)用。目前普遍認(rèn)為原油組分、磁處理時間、磁處理強(qiáng)度、磁處理頻率及磁處理溫度等因素是影響磁處理效果的關(guān)鍵因素。雖然磁處理技術(shù)在原油防蠟、降黏及油水乳液處理等方面取得了明顯效果和研究進(jìn)展，但是對磁處理的微觀解釋仍有待進(jìn)一步深入研究。

對未來研究工作展望如下：

（1）結(jié)合宏觀、介觀及微觀三個層次的研究，在改性機(jī)理方面逐漸形成更為完善的理論體系，從而為進(jìn)一步增強(qiáng)原油磁處理效果以及拓展磁處理應(yīng)用領(lǐng)域奠定良好的基礎(chǔ)和理論依據(jù);

（2）緊隨新型化學(xué)降凝劑的研發(fā)及其改性機(jī)理的深入揭示[41，42]，將新型降凝劑技術(shù)與磁處理技術(shù)結(jié)合，揭示改性原油在低溫磁環(huán)境下流動規(guī)律。

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