高速剪切對定靖三線加劑原油改性效果影響

喬孟辰　安家榮

中國石油大學(華東),　山東　青島　266555

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高速剪切對定靖三線加劑原油改性效果影響

喬孟辰安家榮

中國石油大學(華東),山東青島266555

為探究短時間高速剪切對加劑原油改性效果的影響規律,優選出合適的過泵剪切模擬方式,以定靖三線混合原油-2為例,分別利用攪拌器和流變儀對加劑原油進行高速剪切,并以凝點和表觀粘度考察高速剪切溫度、剪切強度、剪切時間三個因素對加劑原油改性效果的影響規律,對比分析攪拌器高速剪切和流變儀高速剪切的異同。發現長時間或低溫下的高速剪切對加劑原油改性效果影響較大,而短時間內剪切強度的變化對其影響較小,流變儀高速剪切的實驗結果滯后于攪拌器高速剪切,因此管輸過程中應盡量避免原油經受長時間或低溫下的高速剪切,降凝劑加注位置可選在離心泵前,而過泵剪切模擬使用攪拌器更合適。

高速剪切；攪拌器；流變儀；原油降凝劑

0　前言

剪切歷史會影響降凝劑對原油的改性效果,其中短時間高速剪切對加劑原油改性效果影響較大[1]。本文以定靖三線混合原油-2為例,通過實驗模擬高速剪切,探究其對降凝劑改性效果的影響規律。

1　加劑原油的基本物性

2　高速剪切對加劑原油的影響

在管道輸送過程中,原油會受到多種形式的剪切作用,而離心泵的剪切因其高速劇烈會使原油的物化性質發生巨變[4]。高速剪切模擬實驗中,分別利用攪拌器和流變儀對加劑原油進行高速剪切,并以凝點和表觀粘度來考察剪切溫度、剪切強度、剪切時間三個因素對加劑原油改性效果的影響規律[5]。

實驗方法：測量不同高速剪切條件下加劑原油的凝點并與未剪切時凝點[6]作對比,選取最低值以上約7℃為表觀粘度的測量溫度,以確保原油在該溫度下為非牛頓流體。根據《原油粘度測定旋轉粘度計平衡法》測量不同高速剪切條件下加劑混合原油-2的表觀粘度[7]。

2.1剪切溫度對加劑原油改性效果的影響

不同溫度下,含蠟原油各組分在原油中的形態結構、聚集狀態等不同,因此高速剪切對含蠟原油低溫流動性的影響也不同[8]。不同高速剪切溫度下加劑混合原油-2的凝點見圖1。攪拌器和流變儀剪切時凝點最低分別為15.3 ℃和16 ℃,故分別測量加劑混合原油-2在22 ℃和23 ℃下的表觀粘度,見表1。

攪拌器剪切：溫度較高(50、40 ℃)時,短時間的高速剪切降低了原油的表觀粘度；當剪切溫度(35、30 ℃)逐漸接近析蠟點時,原油的表觀粘度開始上升并高于未剪切原油；當剪切溫度(25 ℃)在反常點附近時,降凝劑的改性效果顯著惡化。

圖1　不同剪切溫度下加劑混合原油-2的凝點

表1不同剪切溫度下加劑混合原油-2的表觀粘度

攪拌方式高速剪切溫度T/℃不同剪切速率下表觀粘度η/(mPa·s)40s-170s-1120s-1200s-1攪拌器5045.7244.0742.5441.214055.6950.0747.6244.633587.7768.3758.7452.043083.7766.7858.4952.1325241.08160.9118.3492.69未剪切58.4851.8249.0046.17流變儀5051.6148.0845.0642.924050.4648.7645.7843.343551.8748.9546.0843.603061.0452.6548.5545.192563.8756.1350.5846.662060.7955.8152.3349.50未剪切57.1751.4346.7143.55

流變儀剪切：溫度為50、40、35 ℃時,短時間的高速剪切降低了原油的表觀粘度；當溫度(35、30、25 ℃)在析蠟點附近時,加劑原油的改性效果消失甚至變差。

2.2剪切強度對降凝劑改性效果的影響

攪拌器剪切：在整個剪切轉速變化過程中,原油的表觀粘度都低于未剪切原油；剪切轉速從1 000 r/min變為1 200 r/min時,原油的凝點及表觀粘度增幅較大。

流變儀剪切：隨著剪切速率的增加,原油的表觀粘度增幅緩慢,最終表觀粘度高于未剪切原油。

2.3剪切時間對加劑原油改性效果的影響

高速剪切時間長短同樣會對原油產生不同的作用[12]。

圖2　不同剪切強度下加劑混合原油-2的凝點

表2攪拌器不同剪切強度下加劑混合原油-2的表觀粘度

高速剪切轉速n/(r·min-1)不同剪切速率下表觀粘度η/(mPa·s)40s-170s-1120s-1200s-150060.2755.4351.0448.10100062.1955.9452.6249.39120072.1762.1756.5652.31150073.2362.7356.8952.39未剪切80.2569.1462.3657.18

表3流變儀不同剪切強度下加劑混合原油-2的表觀粘度

高速剪切轉速n/(r·min-1)不同剪切速率下表觀粘度η/(mPa·s)40s-170s-1120s-1200s-150050.0148.0745.4343.6680054.5549.6147.1644.66100055.9251.6848.1145.53120063.1355.6351.4048.16未剪切57.6551.3447.8544.96

不同剪切時間下加劑混合原油-2的凝點見圖3。攪拌器和流變儀剪切時凝點最低分別為15.3 ℃和14 ℃,故分別測量混合原油-2在22 ℃和21 ℃下的表觀粘度,見表4。

圖3　不同剪切時間下加劑混合原油-2的凝點

表4不同剪切時間下加劑混合原油-2的表觀粘度

剪切方式剪切時間t/min不同剪切速率下表觀粘度η/(mPa·s)40s-170s-1120s-1200s-1攪拌器145.7244.0742.5441.21252.3048.8545.0342.02570.4861.7456.4351.95871.3361.6156.1752.141275.1862.5854.9349.871578.9867.0960.1254.96未剪切58.4851.8249.0046.17流變儀154.2750.3548.5046.13256.0451.4348.3045.85558.7052.3748.9646.81861.0452.6548.5545.191267.6159.2054.7150.771574.3560.1753.9049.71未剪切61.0155.5151.6748.24

攪拌器剪切：剪切時間較短(1、2 min)時,原油的表觀粘度都低于未剪切原油；剪切時間繼續增加,加劑原油的改性效果逐漸惡化,但惡化速度比較平均。

流變儀剪切：剪切時間較短時,短時間的高速剪切改善了原油的低溫流動性；當剪切時間延長到12 min時,原油表觀粘度開始高于未剪切原油。

2.4數據對比分析

分析攪拌器高速剪切和流變儀高速剪切對加劑混合原油-2改性效果的影響規律異同,并分析其產生原因。

2.4.1攪拌器和流變儀剪切規律相同點

加劑混合原油-2在兩種剪切方式作用下凝點和表觀粘度的變化趨勢相似。

1)加劑原油制備過程中手動攪拌強度較低,降凝劑在混合原油中的溶解有限,短時間的高速剪切促進了降凝劑在原油中的溶解[13],故剪切溫度較高及剪切時間較短時,原油的表觀粘度有所降低。

2)當剪切溫度逐漸接近析蠟點時,原油中的蠟分子逐漸析出[14],此時高速剪切破壞現有蠟晶聚集體而產生眾多未與GY3(L)鏈接過的蠟晶斷面,并以此為晶核促進蠟晶的進一步形成,原油的表觀粘度明顯增加[15-16],降凝劑逐漸失效。

3)隨著剪切強度的增加或剪切時間的延長,溶解后的降凝劑與蠟晶之間的鏈接逐漸被打散[17],來不及與剛產生的細小蠟晶發生作用,原油的表觀粘度便逐漸升高。當剪切強度或剪切時間增加到一定程度后,被打碎的蠟晶細小到不再受剪切作用的影響,故原油低溫流動性惡化速度變緩。

2.4.2攪拌器和流變儀剪切規律不同點

攪拌器和流變儀的剪切原理不同。攪拌器通過葉片進行剪切,剪切的無序性強,原油飛濺嚴重,剪切時原油液面變化明顯[18]；而流變儀的剪切作用面為轉子外壁,剪切相對較緩[19]。

1)攪拌器高速剪切開始惡化的溫度要高于流變儀高速剪切,惡化程度也較高。

2)不同剪切強度下,攪拌器剪切的原油流變性都優于未剪切原油,且隨剪切強度增加原油表觀粘度變化明顯,而流變儀剪切的原油表觀粘度則與未剪切原油相差不多。剪切溫度較高時,大的蠟晶聚集體還未形成,攪拌器剪切的無序性使降凝劑的溶解更加充分,還未達到惡化原油低溫流動性的強度；而流變儀的剪切強度本來就弱,故短時間高速剪切對原油影響并不大[20]。

3)隨剪切時間的延長,流變儀高速剪切凝點的穩定滯后于攪拌器,原油的低溫流動性優于攪拌器剪切。

3　結論

1)在剪切時間較長或剪切溫度接近反常點時,加劑原油的表觀粘度明顯增加；剪切時間較短且剪切溫度較高時,加劑原油的低溫流動性比未剪切原油有所改善。因此,在加劑原油長距離輸送過程中,應盡量避免原油經受長時間或低溫下的高速剪切,無法避免時應及時補加降凝劑。

2)短時間內剪切轉速、剪切速率的變化對加劑原油凝點和表觀粘度的影響不大,剪切強度較低時甚至有所降低。因此,短時間過泵剪切不會對降凝劑改性效果產生很大影響,降凝劑加注位置可選在離心泵前。

3)流變儀高速剪切的實驗結果滯后于攪拌器剪切,而攪拌器剪切的工作原理與離心泵更相近,劇烈程度更大,剪切的無序性使其更接近實際情況,因此攪拌器剪切的實驗結果更可信,建議高速剪切實驗選用攪拌器進行模擬。

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2015-08-24

延長石油集團定靖三線油品物性分析及加降凝劑研究

喬孟辰(1990-)，女，河北廊坊人，碩士研究生，主要從事多相管流，油氣田集輸技術的研究工作。

10.3969/j.issn.1006-5539.2016.02.002