高志敏，全 青

西安石油大學(xué)石油工程學(xué)院，陜西西安 710065

原油中的蠟是碳原子數(shù)為16 以上的烴類(lèi)混合物，以正構(gòu)烷烴為主，并含少量的異構(gòu)烷烴與環(huán)烷烴，它們的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，結(jié)合性、聚集性較強(qiáng)，一旦以晶體形態(tài)析出后，易與其他蠟晶分子、膠質(zhì)、瀝青質(zhì)等結(jié)合并聚集，形成固相沉積物，阻礙原油的流動(dòng)［1］。在管輸含蠟原油流動(dòng)的過(guò)程中，隨著外在環(huán)境溫度的降低，在溫差的驅(qū)動(dòng)作用下，原油溫度逐漸降低至析蠟點(diǎn)及以下，達(dá)到蠟析出的條件后，蠟晶就會(huì)從原油中不斷析出并在其內(nèi)部分子的相互作用下形成空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)，降低原油的流動(dòng)性。再加上管流環(huán)境中溫度梯度、流速等因素的共同作用，析出的蠟晶逐漸沉積在管壁上，形成蠟沉積層，導(dǎo)致管內(nèi)徑變小，繼而影響管道的清管周期，最終妨礙輸油管道的正常運(yùn)行。

蠟析出取決于溫度條件，而析出的蠟晶的聚集、沉積則受微觀分子結(jié)構(gòu)和復(fù)雜流動(dòng)環(huán)境的影響。目前，為了應(yīng)對(duì)蠟晶的大量析出、聚集和沉積問(wèn)題，常通過(guò)物理加熱法、乳化輸送法、稀釋輸送法和添加降凝劑法來(lái)輸送含蠟原油，以期增大蠟晶在原油中的溶解度、分散蠟晶分子間的聚集，達(dá)到改善含蠟原油流動(dòng)性的目的。其中，將小劑量的降凝劑添加到含蠟原油中，是通過(guò)化學(xué)改性的方法對(duì)原油進(jìn)行適當(dāng)處理，降低原油的凝點(diǎn)并改善其流動(dòng)性，提高管道輸送效率［2-3］。添加化學(xué)降凝劑法相較于物理加熱法、乳化輸送法、稀釋輸送法等方法而言，具有減少設(shè)備投資、降低熱損失、縮短后續(xù)處理過(guò)程等優(yōu)點(diǎn)，經(jīng)濟(jì)性與環(huán)保性較強(qiáng)。

不同含蠟原油之間的物性不同，對(duì)降凝劑的感受性和適應(yīng)性不同，使得常規(guī)降凝劑作用效果在一定程度上難以滿足生產(chǎn)需求［4］，而且，管輸原油過(guò)程中沿線的環(huán)境復(fù)雜，如何將降凝劑高效應(yīng)用于原油管輸工程中，是目前面臨的一個(gè)重要問(wèn)題。因此有必要對(duì)目前管輸含蠟原油添加降凝劑的應(yīng)用情況展開(kāi)綜述和總結(jié)，分析實(shí)際工程中的應(yīng)用效果和目前存在的問(wèn)題，為日后降凝劑的研發(fā)、應(yīng)用指明方向，為該領(lǐng)域的研究提供一定的參考。

1 降凝劑的類(lèi)型及作用機(jī)制

1.1 降凝劑的類(lèi)型

目前常用的降凝劑主要分為3 種類(lèi)型：表面活性劑型、聚合物型、復(fù)配型。表面活性劑型降凝劑基于分子表面吸附的原理，能夠使晶體之間形成機(jī)械隔離，降低溶液的表面張力，減少液固相間的接觸角，從而減少三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)晶體形成的機(jī)會(huì)，達(dá)到降凝的目的［5］，常用的是聚氧乙烯烷基胺類(lèi)降凝劑。

聚合物型降凝劑多由長(zhǎng)鏈烷基基團(tuán)與極性基團(tuán)組成，前者通過(guò)晶核以及吸附的作用，后者通過(guò)將蠟晶分子分散并抑制其生長(zhǎng)來(lái)改變結(jié)晶的特性，以達(dá)到改善原油流動(dòng)性的目的［6］。該類(lèi)型降凝劑主要包括納米類(lèi)、聚酯類(lèi)、聚烯烴類(lèi)與長(zhǎng)鏈烷基萘等，王玉如等［7］指出，我國(guó)自主開(kāi)發(fā)的聚α-烯烴類(lèi)降凝劑性能優(yōu)異、價(jià)格便宜，相較于聚酯類(lèi)降凝劑，該降凝劑可廣泛應(yīng)用于各類(lèi)油品中。隨著新型降凝劑的發(fā)展，研究者嘗試納米復(fù)合降凝劑的制備，并將之應(yīng)用于管輸原油降凝研究中，取得了一定的成效［8-11］。

復(fù)配型降凝劑是將2 種及以上的單一型降凝劑進(jìn)行復(fù)配，也可以是表面活性劑、助劑溶劑等與降凝劑之間的復(fù)配，以達(dá)到協(xié)同增效的作用［12］。劉小波［13］針對(duì)勝利油田濰北區(qū)塊高凝點(diǎn)原油，自制了復(fù)配型降凝劑AMVES，并對(duì)降凝劑的效果進(jìn)行評(píng)價(jià)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)：加劑量為1 000 mg∕L 時(shí)，濰北原油的凝點(diǎn)從48 ℃降低到37 ℃，析蠟點(diǎn)降低2 ℃，效果顯著。

1.2 降凝劑的作用機(jī)制

關(guān)于原油降凝劑的作用機(jī)制，目前尚無(wú)統(tǒng)一定論，但學(xué)者們?cè)谝稽c(diǎn)上達(dá)成了共識(shí)：降凝劑只能改變蠟晶的形態(tài)與結(jié)構(gòu)，阻礙其形成穩(wěn)固的三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，但不能防止蠟晶從原油中析出［14-15］。如今廣為學(xué)者們所接受的降凝機(jī)制，主要有晶核作用、吸附作用、共晶作用、增溶作用等。

晶核作用是指降凝劑在蠟晶尚未析出時(shí)，先一步形成晶核，使后來(lái)析出的蠟晶分子附著于該晶核表面，阻斷蠟晶的聚集。吸附作用是指降凝劑分子附著于已析出的蠟晶上面，形成包裹層，阻斷蠟晶分子之間的結(jié)合。共晶作用是指降凝劑分子中的長(zhǎng)鏈烷基（非極性基團(tuán)）與析出的蠟晶分子共結(jié)晶，而極性基團(tuán)則起排斥蠟晶的作用，降凝劑中的烷基鏈需多于蠟中的碳鏈（圖1）。增溶作用是指降凝劑加入含蠟原油中后，溶液的過(guò)飽和度降低，使蠟在原油樣品中的溶解度和分散度增加，減少三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的形成，保障含蠟原油的流動(dòng)性。

圖1 共晶作用示意圖［16］

除了上述4 種機(jī)制之外，有學(xué)者提出了其他機(jī)制，如共晶-吸附作用［16］、抗凝膠化作用［17］、自降凝作用［18］等。也有學(xué)者提出多種機(jī)制協(xié)同作用的觀點(diǎn)，趙榮祥等［19］認(rèn)為降凝劑的降凝作用并非依賴于一種降凝機(jī)制，而是多種機(jī)制協(xié)同作用，只是其中的一種機(jī)制在不同階段占主導(dǎo)作用。但目前關(guān)于多種機(jī)制協(xié)同作用的研究較少。

2 含蠟原油降凝劑的應(yīng)用

目前，多個(gè)科研單位的研究者對(duì)于管輸含蠟原油添加降凝劑的研究已取得一定的進(jìn)展，且已將該工藝成功應(yīng)用到了多條輸油管線中，如國(guó)外的鹿特丹—萊茵管線［20］、印度尼西亞Handil 管線［21］、蘇丹黑格林格—蘇丹港管線［22］、哈薩克斯坦Akshabulak 管線［23］等，國(guó)內(nèi)的河石線［24］、濮 臨線［25］、馬惠寧線［26］等，取得了較好的降凝效果。但由于不同原油的物性及管輸條件不同，并非所有的管道應(yīng)用都比較理想，也存在一定的問(wèn)題，學(xué)者正針對(duì)不同的管輸工藝，結(jié)合加劑方案進(jìn)行積極的研究探索。

2.1 工程實(shí)例應(yīng)用

不同原油對(duì)各類(lèi)降凝劑的適應(yīng)性不同，隨著油田的開(kāi)采以及管道的改建或擴(kuò)建，已建管道中的舊原油物性則會(huì)發(fā)生改變，而新建管道中的新原油需另進(jìn)行添加降疑劑的研究。近年來(lái)，關(guān)于添加降凝劑對(duì)原油改性效果的針對(duì)性研究較多［27-29］，各種管輸應(yīng)用案例也不斷涌現(xiàn)。

張冬敏等［30］開(kāi)展了管輸含蠟原油加劑的應(yīng)用試驗(yàn)，將納米材料改性劑添加到秦皇島—北京線的遷安—寶坻工業(yè)管道、寶坻—寶坻中試環(huán)道中研究原油的低溫流動(dòng)性，結(jié)果表明：相比于未處理原油，添加納米材料改性劑可使原油凝點(diǎn)降低16 ℃，屈服值溫度降低14 ℃，析蠟點(diǎn)溫度降低6 ℃左右，25 ℃條件下的表觀黏度（剪切速率為50 s-1）降低86.7%，顯著改善了原油低溫流動(dòng)性，應(yīng)用效果較好。

張絢等［31］在克拉瑪依—獨(dú)山子原油管道添加降凝劑的應(yīng)用中，向克拉瑪依—獨(dú)山子管道三管添加KD-1 型號(hào)的降凝劑，其總站加注量為30 mg∕kg，現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果表明：該管道通過(guò)添加降凝劑可節(jié)約費(fèi)用2×106元∕a 以上，帶來(lái)的經(jīng)濟(jì)效益較好，而在克拉瑪依—獨(dú)山子管道377 管中的應(yīng)用效果則欠佳，難以滿足部分管段停爐后的熱力需求。

彭鵬等［32-33］將納米降凝劑應(yīng)用于石空—蘭州原油管道與任丘—北京原油管道中，結(jié)果表明：將石空—蘭州管道原油的凝點(diǎn)從19 ℃降至-3 ℃，并在10 ℃條件下將黏度降至40 mPa·s以下；將任丘—北京管道原油的凝點(diǎn)從30 ℃降至18～20 ℃，并在30 ℃條件下將黏度降至50 mPa·s以下。

張燕霞等［34］研究降凝劑在天津港—華北石化原油管道工程（津華線）的應(yīng)用，針對(duì)所輸送的含蠟原油具有高凝高黏的特點(diǎn)，在津華線投產(chǎn)前，先在高尚堡—遷安管道進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，分別添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.0×10-4、5.0×10-5的JD1#降凝劑和1.0×10-4的納米降凝劑后，將原油的凝點(diǎn)從22 ℃降至11～13 ℃，在津華線投產(chǎn)后，測(cè)得原油的首站凝點(diǎn)為11 ℃，中間站凝點(diǎn)為13 ℃，末站凝點(diǎn)為16 ℃，這與室內(nèi)實(shí)驗(yàn)、高尚堡—遷安管道現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試結(jié)果基本吻合，實(shí)際降凝效果較好。

戶凱［35］針對(duì)石西—克拉瑪依原油管道和克拉瑪依—獨(dú)山子原油管道添加降凝劑的冬季運(yùn)行，基于室內(nèi)實(shí)驗(yàn)，選定LS-1 型號(hào)降凝劑、KD-31 型號(hào)降凝劑分別作為2 種原油的降凝劑，在管道的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)中，依據(jù)不同階段條件添加不同劑量的降凝劑，結(jié)果發(fā)現(xiàn)：石西—克拉瑪依管道原油凝點(diǎn)降低幅度達(dá)12～15 ℃，降黏率高于80%，克拉瑪依—獨(dú)山子管道原油凝點(diǎn)降低幅度達(dá)12～20 ℃，降黏率高于69%，可節(jié)約原油1 036.20 t∕a，減少碳排放5 677.02 t∕a，節(jié)省生產(chǎn)運(yùn)行費(fèi)用7.846×105元∕a以上。

余博等［36］針對(duì)西非ZD 原油對(duì)常規(guī)降凝劑感受性差的特點(diǎn)，制備了四元（丙烯酸酯、乙酸乙烯酯、苯乙烯、馬來(lái)酸酐）梳型聚合物降凝劑，并與2種常規(guī)降凝劑（EVA、T801）、2 種國(guó)外降凝劑（P4、P5）進(jìn)行效果對(duì)比，結(jié)果發(fā)現(xiàn)：該聚合物降凝劑可將ZD 原油的凝點(diǎn)降低8 ℃，并且可以細(xì)化蠟晶，降凝效果比其他4 種降凝劑都要顯著，更適用于西非ZD原油的管道輸送。

綜上，管輸含蠟原油添加降凝劑工藝已成功應(yīng)用于多個(gè)工程實(shí)例，降凝效果顯著，可改善原油的低溫流動(dòng)性，具有一定的合理性和可行性，并且能夠降低一定的熱力費(fèi)用、人工費(fèi)用，進(jìn)而節(jié)省生產(chǎn)運(yùn)行費(fèi)用，具有一定的應(yīng)用價(jià)值和經(jīng)濟(jì)效益。

2.2 管輸含蠟原油運(yùn)行方案研究

管輸含蠟原油過(guò)程中，單一的添加降凝劑方案并不能滿足所有原油管線的生產(chǎn)運(yùn)行，尤其對(duì)于輸送環(huán)境惡劣的低輸量的易凝高黏原油，在冬季運(yùn)行時(shí)流動(dòng)性差，易發(fā)生凝管、堵塞等事故，因此，需考慮引入其他可并行的改善方案。

李鑫源等［37］針對(duì)蘇丹Neem 油田的高含蠟、高凝點(diǎn)原油難以實(shí)現(xiàn)常溫輸送問(wèn)題，以乙烯-醋酸乙烯酯、丙烯酸高碳醇酯聚合物等為原料，配制了KS-10-21 型號(hào)的降凝劑，綜合加劑熱處理方案，在熱處理溫度為80 ℃、最優(yōu)加劑量為350 mg∕L下，對(duì)該油田某區(qū)塊進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用。結(jié)果表明：經(jīng)處理后的原油凝點(diǎn)由31～33 ℃降至23～24 ℃，效果較好，為蘇丹124 區(qū)管線的安全運(yùn)行提供了保障。

于濤等［38］在石空—蘭州原油管道的運(yùn)行方案優(yōu)化研究中，根據(jù)不同運(yùn)行時(shí)段采用常溫、加熱、加劑熱處理3 種方案，其中，加劑熱處理方案的指標(biāo)：首站加劑熱處理溫度75～85 ℃，換熱后的油溫不低于60 ℃；1～2 月份加劑量不低于25 g∕t，其他月份不低于12.5 g∕t。在冬季輸量5.0×106t∕a 下，比較了加熱、加劑熱處理輸送方案的費(fèi)用，結(jié)果發(fā)現(xiàn)加劑熱處理方案的經(jīng)濟(jì)性更好。類(lèi)似地，在惠安堡—銀川原油管道運(yùn)行方案研究中，于濤等［39］針對(duì)冬季和秋季運(yùn)行工況，綜合對(duì)比了加熱、加劑熱處理2 種輸送方案，結(jié)果表明：在冬季輸量3.2×108t∕a 下，向原油中添加25 g∕t 的降凝劑并熱處理至65 ℃出站，相比于加熱輸送而言，可節(jié)省（2.66～6.01）×104元∕d，經(jīng)濟(jì)性較好；在秋季工況運(yùn)行時(shí)，熱處理溫度與冬季相同，但降凝劑量減少一半，經(jīng)濟(jì)性更好；而且，加劑熱處理方案在2 種工況下都能延長(zhǎng)管道的停輸時(shí)間，具有更好的適應(yīng)性和安全性。

邢進(jìn)超等［40］通過(guò)在任丘—北京原油管道中添加納米降凝劑，在含蠟原油熱處理溫度57～60 ℃下，實(shí)現(xiàn)了其中一個(gè)中間站高碑店的熱力越站；在熱處理溫度60 ℃下，加劑量為100 g∕t 時(shí)，可將輸量降至250 m3∕h，實(shí)現(xiàn)了管道運(yùn)行能耗的大幅降低。同時(shí)，該加劑熱處理方案可使管道在停輸26 h后順利啟輸，延長(zhǎng)了安全停輸時(shí)間，為管道的運(yùn)行提供了安全保障。

盛麗媛［41］根據(jù)不同原油對(duì)降凝劑的感受性，選用DPD8861 型降凝劑，在高凝油與低凝油比例為5∶5、混合油中加劑質(zhì)量濃度為30 mg∕L 下，研究了混合原油在3 種摻混綜合加劑改性方式下的流動(dòng)性，結(jié)果發(fā)現(xiàn)：高凝油與低凝油先摻混后加劑改性的方式，對(duì)混油流動(dòng)性改善最顯著，而較高溫度的改性高凝油與常溫低凝油直接摻混、改性高凝油動(dòng)態(tài)降溫后與低凝油等溫?fù)交斓姆绞捷^差。該研究為管輸含蠟原油加劑協(xié)同摻混運(yùn)行方案提供了一定的理論指導(dǎo)。

王圣潔［42］針對(duì)石西—克拉瑪依原油管道添加降凝劑運(yùn)行后期凝點(diǎn)大幅回升問(wèn)題，對(duì)石西—克拉瑪依管道、石南21#線的原油進(jìn)行了添加降凝劑與摻稠油共同應(yīng)用的方案研究，基于室內(nèi)與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)當(dāng)2 種原油與所摻混油的比例都為1∶1 且加劑質(zhì)量濃度都為30 mg∕L 時(shí)，可使混油的凝點(diǎn)降至-10 ℃，而摻混比例都為8∶2且加劑質(zhì)量濃度都為20 mg∕L時(shí)，即可滿足冬季石西—克拉瑪依原油管道的正常輸送、石南21#線的間歇輸送要求，并且該方案能夠抑制小幅度溫度回升、低速率剪切帶來(lái)的原油流動(dòng)性惡化，提高管道的利用率，具有一定的應(yīng)用價(jià)值。

2.3 存在的問(wèn)題

雖然目前多個(gè)管輸工程加劑案例應(yīng)用較為成功，但不可避免會(huì)出現(xiàn)一些問(wèn)題。聶超飛等［43］通過(guò)分析某管輸原油物性變化和加劑效果，結(jié)果發(fā)現(xiàn)：在管道正常運(yùn)行后，添加降凝劑對(duì)某管段原油的降凝效果不穩(wěn)定，管段起點(diǎn)的加劑油凝點(diǎn)為19～21 ℃，而管段終點(diǎn)的加劑油凝點(diǎn)上升為24～27 ℃，降凝劑的穩(wěn)定性欠佳。魏偉［44］在姚店—甘泉原油管道加降凝劑輸送工藝研究中發(fā)現(xiàn)，加劑方案只能減少該管線在最小輸量輸送條件下的輸送成本，而在最大輸量及平均輸量下，由于出站溫度均低于降凝劑最優(yōu)加劑溫度，降凝效果差，難以節(jié)省費(fèi)用。王成林等［45］在研究大落差管道改性輸送工藝中，針對(duì)三塘湖油田原油外輸管道內(nèi)原油黏度、凝點(diǎn)和蠟含量等增加的特點(diǎn)進(jìn)行了降凝試驗(yàn)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)：該管道的原油對(duì)降凝劑的感受性不強(qiáng)，通過(guò)摻混其他原油的輸送工藝可以降低該管道原油的凝點(diǎn)及黏度，且能降低最小管輸量并延長(zhǎng)安全停輸時(shí)間。這表明降凝劑的作用并非適用于任何原油，需針對(duì)不同物性的原油進(jìn)行不同的配制及試驗(yàn)研究。

綜合目前的管輸工程實(shí)例應(yīng)用以及方案研究，可以得出在原油管道輸送中添加降凝劑方面存在以下問(wèn)題：

1）目前對(duì)于管道長(zhǎng)距離輸送易凝高黏原油、重質(zhì)稠油工藝，添加單一降凝劑的方式難以滿足管輸要求，需考慮引入其他并行工藝。

2）部分原油對(duì)降凝劑感受性不強(qiáng)，添加降凝劑后的降凝效果不明顯，如三塘湖油田原油。

3）對(duì)于復(fù)雜的管輸條件和變化的原油物性，會(huì)出現(xiàn)降凝劑穩(wěn)定性降低或失效問(wèn)題。

3 結(jié)論與展望

目前國(guó)內(nèi)對(duì)于管輸含蠟原油添加降凝劑的研究雖已取得一定的進(jìn)展，但在現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)與投產(chǎn)應(yīng)用方面仍存在一定的不足，在降凝劑配制、實(shí)驗(yàn)研究與管輸應(yīng)用方面還有繼續(xù)改進(jìn)的空間。

1）現(xiàn)有降凝劑受原油組成及管線條件等因素影響較多，有必要研究作用范圍更廣、適應(yīng)性更強(qiáng)的普適性降凝劑。新興的納米型降凝劑、復(fù)配型降凝劑具有較好的應(yīng)用前景，可結(jié)合其他領(lǐng)域的技術(shù)，引導(dǎo)未來(lái)新型降凝劑的發(fā)展。

2）一般的降凝劑難以滿足管道長(zhǎng)距離輸送易凝高黏原油、重質(zhì)稠油的要求，且存在對(duì)部分原油感受性不強(qiáng)、穩(wěn)定性不足等問(wèn)題，需結(jié)合具體的管輸工藝有針對(duì)性地篩選或配制特定的降凝劑，更好地滿足管道的適應(yīng)性。

3）管輸應(yīng)用方案逐漸由單一化轉(zhuǎn)向綜合化，由單一添加降凝劑方案向加劑熱處理、加劑與摻混油并行等綜合方案過(guò)渡，未來(lái)的發(fā)展方向需考慮添加降凝劑和其他能提高管輸效率的并行方案的結(jié)合。