油田老化油超声波降粘实验研究

乔健鑫 宋文平 于熙洋 张宏奇 李隆球 王武义

摘 要：老化油普遍存在粘度大、流动性差等特点，对集输、转运造成极大困难。利用超声波对老化油进行处理，通过测试处理前后的老化油粘温曲线评价超声波老化油降粘效果。比较不同处理时间、超声功率、振动方式对降粘效果的影响，结果表明处理时间与声功率密度共同决定了降粘效果，同功率密度下径向振动的降粘效果更明显。此外，研究发现超声波老化油降粘处理的热稳定性差，但长时间静置不会引起粘度恢复。

关键词：老化油;超声处理;降粘;热稳定性

DOI：10.15938/j.jhust.2019.04.007

中图分类号： TE624

文献标志码： A

文章编号： 1007-2683（2019）04-0042-05

Abstract：Aging oil usually performs large viscosity and poor liquidity，which make it difficult to transport effectively. In this paper， the aging oil is treated by ultrasonic wave， and the viscosity reduction effect is evaluated by measuring the viscosity curve before and after the ultrasonic treatment. The effects of treatment duration， ultrasonic power and vibration mode are investigated. The results show that the treatment duration and the ultrasonic power determine the viscosity reduction effect together. The viscosity reduction effect is more obvious for the radial vibration than that of longitudinal vibration. In addition， the low viscosity of aging oil caused by ultrasound can be kept for a long period， but the aging oil treated by ultrasound shows a poor thermal stability.

Keywords：aging oil; ultrasonic treatment; viscosity reduction; thermal stability

0 引 言

原油在開采过程、运输、加工中会受到外界环境及自身成分的影响，乳化形成的稳定的、普通药剂和方法无法处理的原油乳状液，称之为老化油[1]。2014年，大庆年产老化油42万吨[2]，并且呈现出逐年增长的趋势，对老化油进行有效回收利用能够大幅提高成品油产量。老化油的特性与原油相比相差甚大[3]，污油泥中回收的老化油在环境中暴露时间过长，轻质成分挥发严重，粘度大、流动性差、同时混杂着固体杂质[4～6];在洗井作业、施工作用过程中产生的老化油含水率高[7]，破乳时易出现破乳不充分或过破乳的情况;污水沉降分离出的老化油含水率高、金属杂质原子含量高。不同来源的老化油性质差异较大，处理难易程度相差也较大。现有技术大多通过化学或加热方式实现降粘，化学试剂对老化油的适应性较差，加热降粘过程中的能源消耗大，均难以实现对老化油的高效、低成本降粘。

功率超声与检测超声、医疗超声为超声波技术的三个主要应用方向。功率超声技术通过强烈的高频振动改变物体的特性或形态，伴随着声传播会出现声空化、声辐射力、声致发光等非线性过程。其主要分支包括超声化学、超声马达、超声悬浮等。在石油化工行业，功率超声技术主要应用于原油降粘、破乳脱盐、氧化脱硫等方向[8-11]。

本文拟利用超声波解决老化油在转运过程中由于低温流动性差而导致的泵压过高、管线堵塞、设备停产等问题。与传统加热方式相比，超声处理更加节能、环保，同时超声波处理后的老化油降粘效果稳定，能够长期保持良好的低温流动性。本文通过分析不同处理条件下老化油的粘温曲线、粘时曲线对降粘效果进行评价，验证超声波老化油降粘的可行性、给出合理的超声处理参数范围。

1 功率超声老化油降粘原理

超声波是频率高于20kHz的声波，功率超声指利用超声波使物体的物理、化学特性发生改变的技术。在功率超声中，非线性的声传播过程是其较为明显的特征，比较有代表性的就是声空化效应。当大功率超声波作用于液体介质中时，液体内的气泡在声压作用下不断发生膨胀、振荡、破裂，在气泡破裂的瞬间形成几千摄氏度的高温、几千个大气压的高压以及高速微射流，空化效应是超声清洗、超声化学、超声粉碎等技术中最重要的声动力。

老化油的重质成分含量高、凝固点高，当温度降低于蜡凝点时，蜡晶不断析出并相互吸附，形成稳定的空间网状结构。当蜡晶将油相成分完全包裹时，老化油将失去流动性，结附在管道上便会形成蜡沉积。在超声波处理老化油的过程中，超声波空化和机械剪切效应促使蜡晶聚集，蜡晶尺寸大大降低[12]，颗粒状的蜡晶难以包裹油相成分，老化油的流动性提高，凝点降低[13-17]。与加热降粘不同，超声处理后的降粘效果稳定好，降粘效果维持时间长[18]。

2 老化油中超声空化的数值模拟

空化效应是老化油降粘的主要原因，且只有在声压超过空化阈值时才会发生，通过数值计算可以获得老化油中空化气泡的动力学参数和空化的产生条件。

其中：空化泡的初始直径为5μm，老化油的密度为900kg/m3，50℃时动力黏度为20mPa·s。式（1）为二阶微分方程，无法得到精确的解析解，本文使用龙格库塔法对其进行数值求解，利用Matlab计算获得空化气泡半径随声压的变化曲线（如图1所示）。由图1（a）可见，当声压低于1个大气压时，空化气泡尺寸随声压发生周期振荡，但空化气泡始终不发生破裂，此时不出现空化效应;如图1（b）所示，当声压高于1.5个大气压时，单个周期内即出现空化气泡尺寸急剧缩小并破裂，此时在老化油中形成强烈的空化效应。声压与声强的计算关系：

3 老化油超声波降粘实验方法与装置

本文使用三支不同的超声波换能器对老化油进行降粘处理，其中两支纵向振动变幅杆换能器，一支径向振动换能器。纵向振动换能器的优势在于输出能量集中、功率密度高、能够引起强烈空化效应，径向振动换能器的优势在于声场均匀、发射面积大、单次处理量大。超声波换能器的基本参数分别为：径向振动换能器额定功率2kW，谐振频率20kHz;两支变幅杆换能器的谐振频率均为20kHz，额定功率分别为2kW、800W。实验装置原理图如图2所示，实验中将换能器的工作段浸没在老化油中，超声波直接作用于老化油。

老化油超声波处理的实验流程如下：①利用恒溫水浴将老化油升温至50℃，预热1h;②将预热后的老化油装入图2中的反应容器，其容积为2L，调整换能器位置使得其工作段全部浸没在老化油中;③启动超声波电源，按照设定参数进行老化油降粘处理;

实验中使用的老化油取自大庆北十三联老化油处理站，采用美国Brookfield公司的DV-2 PRO型旋转粘度计、TC-202型恒温水浴测试处理前后的老化油粘度（如图3所示）。

老化油粘温曲线测量的流程如下：将老化油油样放入500mL烧杯内，然后将烧杯置于50℃的恒温水浴内加热，并将温度传感器插入烧杯内，对油温进行实时监测。待老化油至50℃恒温后自然冷却，并使用旋转粘度计（选用s61型转子、转速30r/min）实时测量老化油粘度，每隔10min记录一次老化油的粘度以及该时刻的老化油温度，直至老化油粘度大于200mPa·s。

4 实验结果及分析

4.1 超声波处理时间的影响

超声波处理时间对老化油降粘效果有重要影响，本实验中使用2kW变幅杆换能器对老化油进行处理，处理时间分别为1、2和3min。粘温曲线如图4所示，当处理时间为1min时，老化油的粘度几乎没有发生变化;当处理时间超过2min时，老化油的粘温特性发生显著改变，主要体现为：粘度为200mPa·s时对应的温度下降了5.7℃;当老化油内的蜡晶体从液态体系中析出，粘温曲线出现转折，将该温度点定义为析蜡点，经过超声处理老化油析蜡点降低了4℃;当温度高于初始的析蜡点温度（约39℃）时，超声波处理前后的老化油粘温特性相同，当温度低于初始的析蜡点温度时，超声波处理后的老化油粘度下降显著，例如超声处理后的老化油在36℃时的粘度降低高于75%。将处理时间增加至3min，老化油降粘效果仅有小幅度改善，但能量消耗却增加了50%。此外，处理时间为3min时，老化油内热效应十分明显，老化油出现沸腾，造成轻质成分挥发，综合考虑最佳处理时间为2min。

4.2 超声波功率密度的影响

功率密度代表单位面积发射的能量，前文中计算的声强为单位面积所需要吸收的声能，不同换能器的电声转化效率不同，本文按70%计算，超声设备输出的功率密度在老化油内产生相应的声强。老化油中发生超声空化要求声强大于1.732W/cm2，本文中所使用的2kW变幅杆换能器功率密度为7.246W/cm2，800W变幅杆换能器功率密度为2.898W/cm2，因此两支换能器均满足在老化油中产生超声空化的条件，但两者的空化效应剧烈程度不同。

经800W、2kW变幅杆超声波换能器处理的老化油粘温曲线如图5所示，800W变幅杆换能器处理2min，老化油的粘度几乎不发生变化，与2kW变幅杆换能器降粘效果相差很大，由此说明处理时间相同时，提升超声设备的功率密度能够有效提高降粘效果。若将800W变幅杆换能器的处理时间增加至5min，其降粘效果与2kW变幅杆处理2min的效果近似，这一现象说明降低设备功率密度的同时必须延长处理时间才能取得良好的降粘效果。

4.3 振动方式的影响

本实验所采用的超声波换能器主要有径向振动与纵向振动两种方式，纵向振动更为剧烈，径向振动更加均匀。本实验使用的径向振动换能器功率密度为2.699W/cm2，与800W变幅杆换能器的功率密度接近，因此选择这两支换能器的处理结果进行比较。两种不同振动方式作用下的老化油粘温曲线如图6所示，可见同功率密度下，径向振动作用的老化油降粘效果较好，其主要原因在于：纵向振动方式处理面积小，需要依靠老化油的自身流动才能实现各部分均匀处理，因此在2min时无法取得良好的降粘效果，而径向振动换能器从开始工作便能够向周围的老化油均匀地辐射超声波，油温为35.9℃时降粘率最高，可达46.2%。进一步提升径向振动换能器的功率密度已经十分困难，而纵向振动换能器功率密度的提高相对容易很多，因此需要根据实际处理需求、老化油特性来选择合理的振动方式。

4.4 降粘效果恢复性分析

无论是网状结构还是颗粒状结构，老化油内的蜡晶都会随着静置时间增长而聚集，宏观表现为老化油粘度增大，为分析超声波处理后的老化油粘度恢复性，本文将经2kW变幅杆换能器处理2min后的油样密封存放，并分别测量静置3d、5d、7d后的油样在20℃时的粘度。实验结果如图7所示，超声波处理后老化油的降粘率可达77.74%，静置后两种油样的粘度都出现一定程度的上升，但处理后老化油的降粘率仍大于77%。由此说明超声波老化油降粘效果是稳定的，能够在长时间集输、转运过程中维持良好的低温流动性。

4.5 降粘效果的热稳定性分析

超声波处理后的老化油中形成了大量的小颗粒蜡晶，随着油温降低，以小颗粒蜡晶为晶核形成分散的空间结构，由此大大提升了老化油的低温流动性。为探究形成的蜡晶是否具有热稳定性，本文将经2kW变幅杆换能器处理2min的老化油冷却至室温后重新加热至50℃，使蜡晶溶解，然后自然冷却，按照前述方法测量该老化油油样的粘温曲线。实验结果如图8所示，由此可见，超声波处理后的老化油经过加热，其粘度较未处理的老化油粘度有略微上升，其原因在于：老化油的颗粒蜡晶溶解，降温过程中凝结为大尺寸蜡晶，导致结蜡。因此，经超声波处理后的老化油在集输转运过程中不建议再次加热，再次加热将使超声波的降粘效果消失。

5 结 论

本文利用超声波对油田老化油进行降粘处理，通过数值计算获得老化油中产生空化所需的声压条件，并由此估算所需的超声波换能器的功率密度。搭建了超声波老化油降粘实验装置，采用三支换能器分别进行老化油降粘实验，由实验结果得出：最佳处理时间与声功率密度紧密相关，声功率密度越大，最佳处理时间越短，2kW变幅杆换能器处理2min后老化油的降粘率高于75%（当温度高于析蜡点时）;径向振动换能器处理后的老化油降粘效果优于同功率密度的变幅杆纵向振动换能器;超声波处理后的老化油静置不会引起明显粘度恢复，但再次加热使其蜡晶完全溶解后，超声波处理的降粘效果将完全消失，因此超声波处理后的老化油能够长期保持良好的低温流动性，但不能在集输过程中再次加热。

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（编辑：关 毅）