高速剪切对定靖三线加剂原油改性效果影响

乔孟辰　安家荣

中国石油大学(华东),　山东　青岛　266555



高速剪切对定靖三线加剂原油改性效果影响

乔孟辰安家荣

中国石油大学(华东),山东青岛266555

为探究短时间高速剪切对加剂原油改性效果的影响规律,优选出合适的过泵剪切模拟方式,以定靖三线混合原油-2为例,分别利用搅拌器和流变仪对加剂原油进行高速剪切,并以凝点和表观粘度考察高速剪切温度、剪切强度、剪切时间三个因素对加剂原油改性效果的影响规律,对比分析搅拌器高速剪切和流变仪高速剪切的异同。发现长时间或低温下的高速剪切对加剂原油改性效果影响较大,而短时间内剪切强度的变化对其影响较小,流变仪高速剪切的实验结果滞后于搅拌器高速剪切,因此管输过程中应尽量避免原油经受长时间或低温下的高速剪切,降凝剂加注位置可选在离心泵前,而过泵剪切模拟使用搅拌器更合适。

高速剪切；搅拌器；流变仪；原油降凝剂

0　前言

剪切历史会影响降凝剂对原油的改性效果,其中短时间高速剪切对加剂原油改性效果影响较大[1]。本文以定靖三线混合原油-2为例,通过实验模拟高速剪切,探究其对降凝剂改性效果的影响规律。

1　加剂原油的基本物性

2　高速剪切对加剂原油的影响

在管道输送过程中,原油会受到多种形式的剪切作用,而离心泵的剪切因其高速剧烈会使原油的物化性质发生巨变[4]。高速剪切模拟实验中,分别利用搅拌器和流变仪对加剂原油进行高速剪切,并以凝点和表观粘度来考察剪切温度、剪切强度、剪切时间三个因素对加剂原油改性效果的影响规律[5]。

实验方法：测量不同高速剪切条件下加剂原油的凝点并与未剪切时凝点[6]作对比,选取最低值以上约7℃为表观粘度的测量温度,以确保原油在该温度下为非牛顿流体。根据《原油粘度测定旋转粘度计平衡法》测量不同高速剪切条件下加剂混合原油-2的表观粘度[7]。

2.1剪切温度对加剂原油改性效果的影响

不同温度下,含蜡原油各组分在原油中的形态结构、聚集状态等不同,因此高速剪切对含蜡原油低温流动性的影响也不同[8]。不同高速剪切温度下加剂混合原油-2的凝点见图1。搅拌器和流变仪剪切时凝点最低分别为15.3 ℃和16 ℃,故分别测量加剂混合原油-2在22 ℃和23 ℃下的表观粘度,见表1。

搅拌器剪切：温度较高(50、40 ℃)时,短时间的高速剪切降低了原油的表观粘度；当剪切温度(35、30 ℃)逐渐接近析蜡点时,原油的表观粘度开始上升并高于未剪切原油；当剪切温度(25 ℃)在反常点附近时,降凝剂的改性效果显著恶化。

图1　不同剪切温度下加剂混合原油-2的凝点

表1不同剪切温度下加剂混合原油-2的表观粘度

搅拌方式高速剪切温度T/℃不同剪切速率下表观粘度η/(mPa·s)40s-170s-1120s-1200s-1搅拌器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流变仪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

流变仪剪切：温度为50、40、35 ℃时,短时间的高速剪切降低了原油的表观粘度；当温度(35、30、25 ℃)在析蜡点附近时,加剂原油的改性效果消失甚至变差。

2.2剪切强度对降凝剂改性效果的影响

搅拌器剪切：在整个剪切转速变化过程中,原油的表观粘度都低于未剪切原油；剪切转速从1 000 r/min变为1 200 r/min时,原油的凝点及表观粘度增幅较大。

流变仪剪切：随着剪切速率的增加,原油的表观粘度增幅缓慢,最终表观粘度高于未剪切原油。

2.3剪切时间对加剂原油改性效果的影响

高速剪切时间长短同样会对原油产生不同的作用[12]。

图2　不同剪切强度下加剂混合原油-2的凝点

表2搅拌器不同剪切强度下加剂混合原油-2的表观粘度

高速剪切转速n/(r·min-1)不同剪切速率下表观粘度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流变仪不同剪切强度下加剂混合原油-2的表观粘度

高速剪切转速n/(r·min-1)不同剪切速率下表观粘度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

不同剪切时间下加剂混合原油-2的凝点见图3。搅拌器和流变仪剪切时凝点最低分别为15.3 ℃和14 ℃,故分别测量混合原油-2在22 ℃和21 ℃下的表观粘度,见表4。

图3　不同剪切时间下加剂混合原油-2的凝点

表4不同剪切时间下加剂混合原油-2的表观粘度

剪切方式剪切时间t/min不同剪切速率下表观粘度η/(mPa·s)40s-170s-1120s-1200s-1搅拌器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流变仪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

搅拌器剪切：剪切时间较短(1、2 min)时,原油的表观粘度都低于未剪切原油；剪切时间继续增加,加剂原油的改性效果逐渐恶化,但恶化速度比较平均。

流变仪剪切：剪切时间较短时,短时间的高速剪切改善了原油的低温流动性；当剪切时间延长到12 min时,原油表观粘度开始高于未剪切原油。

2.4数据对比分析

分析搅拌器高速剪切和流变仪高速剪切对加剂混合原油-2改性效果的影响规律异同,并分析其产生原因。

2.4.1搅拌器和流变仪剪切规律相同点

加剂混合原油-2在两种剪切方式作用下凝点和表观粘度的变化趋势相似。

1)加剂原油制备过程中手动搅拌强度较低,降凝剂在混合原油中的溶解有限,短时间的高速剪切促进了降凝剂在原油中的溶解[13],故剪切温度较高及剪切时间较短时,原油的表观粘度有所降低。

2)当剪切温度逐渐接近析蜡点时,原油中的蜡分子逐渐析出[14],此时高速剪切破坏现有蜡晶聚集体而产生众多未与GY3(L)链接过的蜡晶断面,并以此为晶核促进蜡晶的进一步形成,原油的表观粘度明显增加[15-16],降凝剂逐渐失效。

3)随着剪切强度的增加或剪切时间的延长,溶解后的降凝剂与蜡晶之间的链接逐渐被打散[17],来不及与刚产生的细小蜡晶发生作用,原油的表观粘度便逐渐升高。当剪切强度或剪切时间增加到一定程度后,被打碎的蜡晶细小到不再受剪切作用的影响,故原油低温流动性恶化速度变缓。

2.4.2搅拌器和流变仪剪切规律不同点

搅拌器和流变仪的剪切原理不同。搅拌器通过叶片进行剪切,剪切的无序性强,原油飞溅严重,剪切时原油液面变化明显[18]；而流变仪的剪切作用面为转子外壁,剪切相对较缓[19]。

1)搅拌器高速剪切开始恶化的温度要高于流变仪高速剪切,恶化程度也较高。

2)不同剪切强度下,搅拌器剪切的原油流变性都优于未剪切原油,且随剪切强度增加原油表观粘度变化明显,而流变仪剪切的原油表观粘度则与未剪切原油相差不多。剪切温度较高时,大的蜡晶聚集体还未形成,搅拌器剪切的无序性使降凝剂的溶解更加充分,还未达到恶化原油低温流动性的强度；而流变仪的剪切强度本来就弱,故短时间高速剪切对原油影响并不大[20]。

3)随剪切时间的延长,流变仪高速剪切凝点的稳定滞后于搅拌器,原油的低温流动性优于搅拌器剪切。

3　结论

1)在剪切时间较长或剪切温度接近反常点时,加剂原油的表观粘度明显增加；剪切时间较短且剪切温度较高时,加剂原油的低温流动性比未剪切原油有所改善。因此,在加剂原油长距离输送过程中,应尽量避免原油经受长时间或低温下的高速剪切,无法避免时应及时补加降凝剂。

2)短时间内剪切转速、剪切速率的变化对加剂原油凝点和表观粘度的影响不大,剪切强度较低时甚至有所降低。因此,短时间过泵剪切不会对降凝剂改性效果产生很大影响,降凝剂加注位置可选在离心泵前。

3)流变仪高速剪切的实验结果滞后于搅拌器剪切,而搅拌器剪切的工作原理与离心泵更相近,剧烈程度更大,剪切的无序性使其更接近实际情况,因此搅拌器剪切的实验结果更可信,建议高速剪切实验选用搅拌器进行模拟。

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2015-08-24

延长石油集团定靖三线油品物性分析及加降凝剂研究

乔孟辰(1990-)，女，河北廊坊人，硕士研究生，主要从事多相管流，油气田集输技术的研究工作。

10.3969/j.issn.1006-5539.2016.02.002