稠油管道輸送技術方法綜述

龍震

摘 要：我國稠油資源十分豐富，儲量超過80億t，開發這些稠油資源可以很好彌補我國常規石油資源的缺乏。目前，我國已在全國多個油田發現稠油區塊，并已開始生產開發，隨著對稠油資源開發的不斷深入，對其相應的管輸能力和效率提出了新要求，若想實現稠油的安全、穩定、經濟輸送，需要確定合理的稠油輸送方法。介紹了幾種不同稠油管輸技術方法各自的原理和特點，并就采用每種方法的可行性進行了論述。

關 鍵 詞：稠油；降粘；輸送

中圖分類號：TE 832 文獻標識碼： A 文章編號： 1671-0460（2016）08-2030-04

Abstract： China has rich heavy oil resources， its reserve has over 8 billion tons； exploiting these resources can solve the lack problem of conventional petroleum resources. At present， China has found lots of heavy oil blocks among several national oil fields which have been exploited already. With exploitation and development of heavy oil， the pipeline capacity and efficiency of heavy oil need to be improved to meet the new requirements. To ensure safety， stability and economy of the pipeline transport， the reasonable transportation method is necessary. In this paper， theories and characteristics of several heavy oil pipeline transportation methods were respectively introduced， and the feasibility of each method were discussed.

Key words： heavy crude oil； viscosity reduction； pipeline

1 稠油概述

1.1 稠油特征

稠油作為一種非常規石油資源，其資源量非常豐富，在世界范圍內，稠油地質儲量已超一萬億噸。稠油也稱為重油，其密度接近于水的密度。我國將稠油分為三類：在50 ℃時粘度小于10 000 mPa·s，在20 ℃時相對密度大于0.92的稠油稱為普通稠油；在50 ℃時粘度大于10 000 mPa·s小于50 000 mPa·s，在20 ℃時相對密度大于0.95的稠油稱為特稠油；在50 ℃時粘度大于50 000 mPa·s，在20 ℃時相對密度大于0.98的稠油稱為超稠油。稠油中硫、氧、氮等雜原子含量較高，且其組分中含有大量的膠質和瀝青質，輕質組分含量較少，重質組分含量較多，具有很高的粘度，流動性很差。

由于稠油的高粘特性，使稠油與管壁間和稠油與稠油間摩擦力很大，輸送這樣的油品會導致管道壓降很大，對泵送設備要求很高，如不經過特殊工藝處理，無法正常輸送，因此降粘和減阻是稠油輸送工藝的核心。

1.2 稠油高粘原因

原油的組成十分復雜，其流變性主要取決于原油中的氣體和固體物質含量及固體物質在原油中的分散程度。石蠟、膠質和瀝青質作為原油中的主要固體組分，其含量較高時，原油表現出明顯的非牛頓體特征，其中膠質和瀝青質是造成稠油高粘度的主要組分。

決定原油粘度的本質是個復雜的問題，經過前人的不斷研究關于稠油高粘實質的解釋有多種理論，其中晏德福等人提出的理論得到較多認可。晏德福等認為在稠油分散系中，瀝青質分子作為膠核，膠質分子吸附在上面形成膠束，并呈懸浮狀態；膠質與瀝青質膠束之間通過氫鍵相互作用，相互締合，形成緊湊的三維網絡狀層疊的巨型聚合結構，導致稠油分子發生相對位移時產生很大內摩擦力，造成稠油粘度很高[1]。因此，若想降低稠油粘度，常通過改變膠束分子結構來實現[2]。

2 稠油管道輸送技術方法

2.1 加熱輸送

稠油的加熱輸送是利用稠油比一般普通原油對溫度更加敏感，隨著溫度的升高粘度減小較快的特性，通過加熱的方法提高稠油的輸送溫度，以降低稠油的粘度，減少在管路中的摩阻損失的一種輸送方法[3]。加熱輸送分為熱處理輸送和預加熱輸送。

熱處理輸送是在稠油管輸前對其進行加熱至一定溫度然后進行輸送，使用該技術時要求將加熱溫度與冷卻速度協同控制好。預加熱輸送是利用稠油對于溫度較為敏感的特性，通過設置加熱站、電伴熱和對管線進行保溫等措施，使稠油在管道運輸過程中，始終保持較高的溫度，從而降低的稠油粘度和管路壓力損失的輸送方法[4]。我國目前較多采用蒸汽熱水加熱方式，近些年來電伴熱加熱方法發展較快。電伴熱法與熱載體法相比，具有可調節溫度的范圍廣；可以實現間歇加熱；同一管線不同管段加溫強度可以有不同的設定；有較強的適應性，易于實現自動化控制運行；結構緊湊，裝配簡單的優點[5]。

加熱輸送的缺點是加熱耗費大量燃料，并且在溫度下降時容易發生凝管事故。由此帶來的問題是在啟動和停輸工況時需要一種粘度較小的替代油品，啟動前需要用先用替代油品預熱管道，停輸前需要用替代油品置換掉管道中的稠油。

單獨使用加熱法運用于長距離輸油管道的情況并不多，常與其他方法協同應用于長距離輸油管道。對地處低溫地區的油田，常采用伴熱的方法解決遠距離單井的集輸問題。

2.2 摻稀輸送

摻稀輸送是向稠油中摻入一定比例粘度較低的輕質油，以降低稠油粘度，并與稠油以混合物的形式進行輸送的一種方法。作為稀釋劑的低粘油可以是輕質原油、天然氣凝析液或原油的餾分油。其作用機理實際上就是通過加入輕質油后稀釋瀝青質膠質的濃度，從而減弱膠質與瀝青質膠束間的相互作用力，達到降粘的目的[6]。

在稀油供應充足的時候，該方法適用性比較高。

摻稀輸送的優點有：降粘明顯，工藝簡單；停輸期間不易凝管；可以用常規原油輸送系統輸送；稀釋劑可以回收利用。摻稀輸送的缺點有：摻稀后對稀油和稠油的品質都有較大影響；為保證稀油充分供給往往需要修建稀油供給管線，增加投入成本。

摻稀輸送在國內外稠油管道輸送中應用很多。國外曾對甲基叔丁基醚（MTBE）對稠油降粘效果進行過研究，加拿大冷湖原油選用MTBE作為稀釋劑，在4℃時摻入質量比在25%～30%，可將粘度降至符合管輸指標的270 mPa·s[7]。我國新疆風城地區稠油選擇克拉瑪依稀油作為稀釋劑，在50℃時摻入稀油質量比在10%～30%時，粘度較快速度下降，達到30%后降粘速率放緩，此時降粘率可達90%，選擇摻稀比在20%～25%可滿足經濟與工藝需求，同時凝點下降12～14℃[8]。

2.3 改質輸送

稠油改質輸送是通過煉化的方法，將稠油中的大分子結構分解為小分子結構，減弱分子間作用力，從而實現降粘輸送的一種輸送方法。常用的方法有除碳和加氫：除碳方法包括熱加工（減粘裂化、焦化等）、催化加工（催化裂化等）、溶劑脫碳等；加氫方法包括加氫熱催化和加氫催化裂化等[9]。

稠油改質輸送的優點有：稠油改質后粘度降低，流動性改善，使其較易實現常溫輸送；稠油改質所得的副產品也可以回收利用。稠油改質輸送的缺點是該技術生產成本較高，不經濟。

彭旭等[10]選用某區塊稠油進行實驗室試驗，綜合考慮效果與經濟性后選擇油酸鐵作為改質催化劑，通過試驗選出適宜條件為加劑量10%，反應溫度370℃，反應時間30min；催化改質后粘度由21040 mPa·s下降到336 mPa·s，凝點由21℃下降到-5℃，成分中膠質和瀝青質含量明顯下降。中國石油大學利用委內瑞拉超重原油餾分的供氫特性開發的超重油供氫熱裂化技術（HDTC）已經完成委瑞內拉超重油40萬t/a工業試驗，并在遼河石化公司100萬t/a工業裝置上完成了工業應用，降粘率可達99%，儲存穩定天數可達90天[11，12]。

2.4 水包油乳化輸送

水包油乳化輸送是在稠油或油水分散相體系中加入適當的水和O/W型乳化劑，在適當的溫度和機械剪切的混合作用下，將稠油以很小的液滴分散于水中，形成以油為分散相，水為連續相的O/W乳狀液，使稠油在管道中流動中時，稠油與管壁間摩擦和稠油間的內摩擦轉變為水與管壁間摩擦和水與稠油液滴間的摩擦，從而大大降低了管輸時的摩阻損失的一種輸送方式。

稠油乳化降粘的機理可以從兩個方面來理解，一是表面活性劑降低油水界面張力，從而在一定溫度下攪拌后形成O/W型乳狀液，乳化劑分子吸附于油珠周圍，形成定向的單分子保護膜，防止油珠聚合，從而減小液流對管壁摩擦力和分子內摩擦力（見圖1）。二是利用表面活性劑水溶液具有濕潤作用，其進入管道后吸附在管壁上形成水膜使稠油與管壁的摩擦變為水膜與管壁的摩擦，降低液體流動阻力（見圖2）。

這項技術的關鍵在于選擇穩定有效的乳化劑，制備出穩定性好的乳狀液，使其可以在經受管輸過程中的各種剪切和熱力作用時不被破壞，同時還需要具備在一定條件下易于破乳的不穩定性。此外要實現乳化降粘輸送還需具備的條件有：要具備充分的油水攪拌剪切混合條件；要具備合適的乳化溫度條件；乳化劑的濃度要進行優選，具有經濟的運行成本[13]。O/W乳狀液若反相為W/O乳狀液，其粘度比同溫度下純油粘度還要高，因此管輸時一定要避免這種情況的發生。

水包油乳化輸送的缺點有：難以選擇合適的乳化劑；對乳化劑如何影響對稠油降粘效果缺乏系統性認識；不同油田稠油組成差異較大，單一配方的乳化劑很難適應不同稠油油田的差異化要求。

委內瑞拉于上世紀80年代完成乳化技術試驗，在60℃時向奧里諾科稠油中摻入含有乳化劑的活性水，使含水達到30%，混合攪拌后粘度可降至500 mPa·s以下，乳化時間可保持1年以上[14]。BITOR公司為了生產和銷售奧里乳化油，建成了管徑914 mm的從莫爾查爾至何塞港315 km的乳化油輸送管線[14]。我國曾在新灘油田墾東18稠油外輸管線進行乳化輸送試驗，其管道規格為管徑273×7 mm，管長24 km，在首站墾東451加入為其研發的VRKD18乳化劑，加劑量為300 mg/L，出站溫度為48～55℃，流量為1100～1200 t/d時，減阻率可達60 %左右，節省年運行費用約104萬元[15]。

2.5 摻水輸送

稠油摻水輸送是在稠油中摻入大量水或活性水，必要時加入破乳劑，使稠油形成水包油懸浮液而不乳化，從而減小輸送阻力的一種輸送方法。因為不追求乳化效果，所以摻水量一般較大。根據杰弗雷創立的最小能量散失理論：管路中流動的稠油以液體球的形式會從管壁向管路中心移動，水在外層產生類似滑動的現象，從而降低粘度減小輸送阻力[16]。使用該種方法要求油水混合液穩定性好，找到性價比較高的破乳劑，防止乳化現象發生。

稠油摻水輸送缺點是：摻水量較大，容易造成管道結垢和腐蝕，后期需要大量脫水；減阻效果不夠穩定。

我國對勝利油田河口稠油進行室內環道試驗發現，摻水量達到50 %時，粘度快速下降，呈現水漂油懸浮液，在河口采油廠義西——義和輸油管道（管長12.2 km，管徑219×6 mm，設計輸量1500～2000 m3/d）進行稠油摻水的現場試驗，優化后確定最優出站溫度為68.4℃，最優摻水率為54 %[17]。對新疆紅山嘴油田紅003 井區T1和TA兩種稠油用內徑為25 mm的水平環道進行模擬試驗發現，這兩種稠油的W/O乳狀液的反相點分別約為40 %和45 %，當這兩種稠油的油水混合液含水率分別達到50 %和55 %，溫度在60～70℃時，其表觀粘度可降至100 mPa·s以下[18]。

2.6 水環輸送

水環輸送是在稠油中摻入水等低粘不相容的液體，控制流速（0.84～1.3 m/s）設法在管壁形成穩定的水環，將稠油包圍起來，使稠油不與管壁接觸，從而減小流動阻力的一種輸送方式。該技術經過大量室內和現場試驗，其經濟性被認為是比較高的[19]。其管輸阻力與含水率有關，國外室內試驗表明，管輸量中水含量為8%～12%時最好，其輸送摩阻約為同等輸量輸水時摩阻的1.5倍[20]。水環減阻輸送的關鍵是保證水環可以穩定存在，若水環遭受到破壞，稠油接觸到管壁會導致粘度大幅增加，而且稠油還會附著在管壁上難以清理。輸送時由于油水兩相間有密度差，導致輸送時油核上浮使油流偏心，因此需要向水中添加添加劑，使水溶液具有粘彈性，從而抑制油流偏心的趨勢。當具有粘彈性的水環受到剪切時，會產生法向應力。油核上浮時使水環頂部變薄，剪切率增大，產生的法向應力增大，方向指向水環底部且大于水環底部的指向向上的法應力，二者合力向下平衡浮力，起到穩定液環的作用。

水環輸送的優點在于可以顯著的減小輸送摩阻，提升輸送效率；容易實現不加熱常溫輸送；摻水率較低且油水不乳化易分離，水可以回收循環再使用。缺點在于水環穩定性較差，容易受到破壞造成混相；長距離輸送時有如何過泵不破壞水環的難題。

該技術已在美國加利福尼亞及委內瑞拉的短管道（約40 km）試用[7]，國內對該種方法經過多年研究，目前仍處于試驗階段。

2.7 超臨界CO2輸送

CO2具有臨界溫度和臨界壓力低的特點，其臨界點在溫度31.1 ℃和壓力7.38 MPa，當溫度和壓力超過臨界點時，其密度接近于液體且具有類似液體的溶解能力，其粘度和滲透能力接近于氣體，自擴散系數遠大于液體，可以迅速滲透到混合體系內部[21]。稠油超臨界CO2輸送就是利用超臨界CO2溶解在稠油中，對稠油內部膠束網絡結構造成破壞，減弱分子間作用力，從而大幅降低稠油粘度減小輸送阻力的一種輸送方法。

CO2濃度對稠油粘度的影響：隨著稠油中超臨界CO2濃度的增加，稠油的粘度下降越多。壓力對稠油粘度的影響：在同一溫度下，壓力越高則稠油中溶解的CO2越多，使稠油粘度越低。溫度對稠油粘度的影響：溫度越高稠油粘度越低，溶解CO2后稠油的粘度隨溫度升高而降低的梯度更加明顯。

稠油超臨界CO2輸送的優點有：原料來源廣泛且成本較低；降粘效果明顯，可將稠油粘度降至十分之一以下；CO2與稠油易于分離，對稠油性質影響不大。缺點是：對管道承壓能力要求較高，不適宜老管線改造。目前該技術還處于起步階段。

3 結 論

綜上所述，每種方法都有各自的適用條件及優缺點，有的技術已經應用于生產，有的技術還處在研發試驗階段。確定最佳輸送方案需要綜合考慮許多因素并進行深入研究，我們需要考慮稠油的性質、管線的長度、現有設備情況、所處環境因素、經濟因素等諸多因素的影響。對于確定某一管道，首先需要工藝技術上可行，但經濟上是否合算最終決定該工藝能否得到應用，其經濟考量主要有原始投資和運行管理費用。合理選擇稠油輸送方法，可以帶來安全、經濟等多重效益。

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