磁处理技术在石油储运中的研究进展

薛一菡

摘      要： 磁处理技术可以显著增强原油的流动性，提高原油的输送效率，在石油行业中有较多应用，目前其深层次改性机理研究仍受国内外学者关注。总结了国内外磁处理技术在降低原油黏度、防止原油结蜡以及油水乳状液处理方面的研究进展，从宏观和微观进一步阐述了磁处理技术对原油的改性机理及影响因素，提出了磁处理在原油流动改性方面的后续研究建议，旨在为扩展其在石油行业的应用提供进一步的理论依据。

关  键  词：原油;磁处理技术;流动性;改性机理;影响因素

中图分类号：TE 83       文献标识码： A       文章编号： 1671-0460（2019）08-1801-05

Abstract： Magnetic processing technique can significantly enhance the fluidity of crude oil and improve the transportation efficiency of crude oil. So it is widely used in petroleum industry， and the deep-level modification mechanism is still concerned by domestic and foreign scholars in recent years. First， the research progress of magnetic processing technique at home and abroad in reducing crude oil viscosity， preventing crude oil waxing and oil-water emulsion treatment was summarized. Then， the modification mechanism and influencing factors of crude oil by magnetic processing technique were further illustrated. Finally， a follow-up research proposal for magnetic processing in the fluidity modification of crude oil was proposed. The paper can provide a theoretical basis for expanding application of magnetic processing technique in the petroleum industry.

Key words：Crude oil; Magnetic processing technique; Fluidity; Modification mechanism; Influencing factors

石油作为一种不可再生的资源，其开发和利用一直受到人们的高度关注。由于原油具有高黏、高凝、高含蜡的特点，可能引发管道堵塞、破裂等一系列流动安全保障问题，尤其是国内外逐渐将视野转向深海[1]，在深海環境下（低温）原油流动性更低，给石油的开采和输送带来了巨大挑战[2]。解决原油输送的关键在于改善原油的流动性，目前，加热、稀释、加入降凝剂等一系列物理、化学方法被应用到含蜡原油的流动改性中，并取得了一定的效果[3]。热处理法通过提升油流温度、降低原油黏度来增强其流动性，但该方法耗能高，在深海环境下操作性较低[4];稀释法采用掺入轻质油品的方式，增加原油中胶质、沥青质的溶解性，起到改善含蜡原油流动性的目的，但轻质油品往往难以获取且输运成本较高，在一定程度上制约了该方法的推广[5];降凝剂对含蜡原油的流动性呈现较好的改性效果，但该方法受油品组成、含水率、热历史、剪切历史等因素的综合影响较大，改性效果稳定性较差。磁场，由于其取得相同改性效果的能耗仅为加热输送的1%左右，受到密切关注且在油田得到较多的推广和应用[6-12]。总结了磁处理技术在原油流动改性中的研究进展，阐述了影响改性的作用机理及影响因素，提出了磁处理在原油流动改性方面的后续研究建议。

1  原油磁处理技术研究进展

1.1  磁技术的发展及演变

自法拉第在1830年提出磁感应以来，磁场和强磁物质（铁）、磁场与弱磁物质、磁场与无磁性物质间相互作用被学者们广泛探讨，推动了磁处理技术在工业、农业和医学等方面的广泛应用。如Johan Sohaili等[13]基于磁场与水中碳酸钙的相互作用，将磁处理技术引入到防垢处理中，发现其磁场能够显著抑制水的结垢能力。Pittman等[14]将磁场引入到农业中，探究了磁场对农作物生长速率和产量的影响，发现了施加于休眠种子的磁场增加了大麦、玉米、豆类、小麦和某些树木果实的幼苗生长速率。Somoshree等[15]则借助磁场研究了不同强度的磁场对癌细胞活性的影响，阐释了磁场对癌细胞生长的显著抑制作用，为磁技术的医学应用打下了基础。郑少波等[16]在探讨磁场和光子的相互作用时发现，磁场会与光子反应产生一定量的过氧化氢和羟基，从而提高紫外线的消毒效果，进一步拓展了磁处理技术的应用范围。前苏联的石油工作者在20世纪60年代率先提出了磁处理技术防蜡方法，发现了磁场可以防止原油管道结垢，在此基础上，开始了磁处理技术在油井与管线中的研究与应用。美国在磁处理技术防蜡方面晚一些，大约80年代开始有相关的试验与应用。中国也大约是在80年代开始进行磁处理技术的相关研究。

1.2  磁技术在原油中的研究进展

早期的磁处理技术，比较集中于油井防蜡除蜡，随着时间的推移，石油储运磁处理技术逐渐发展，取得了显著的效果。

F. Homayuni等[17]将脉冲磁场用于重质原油的降黏，研究了低磁场强度和高磁场强度下，持续时间对原油黏度的降低程度的影响，考察脉冲磁场改性效果持续时间发现，当停止施加磁场后约80 min，原油恢复到原始状态。R. Tao等[18]通过研究发现磁场可以促使原油中的悬浮颗粒沿流动方向聚集成短链，从而降低含蜡原油的黏度，认为磁场改性的本质是通过改变原油蜡晶生长的取向和形态，阻碍蜡晶三维网状结构的形成，最终起到流动改性的目的。魏爱军等[19]对原油施加高频电磁场，研究发现原油经电磁处理后，聚结的石蜡分子以小颗粒的形式悬浮在原油中，原油的流变特征向牛顿流体特征发展，原油黏度降低。黄伟莉等[20]将磁处理应用于高酸原油的降黏时发现，在一定的磁感应强度和处理时间范围内，磁感应强度越大且磁作用时间越长，降黏效果越好。

含水原油主要以油水乳状液的形式存在，需要采用可靠和高效的破乳技术对乳化原油进行脱水处理。近年来，随着纳米技术的发展，将纳米材料引入油水乳状液的破乳研究逐渐引起国内外学者的关注，由于磁性纳米颗粒对外磁场有较强的响应能力，且在外磁场的作用可将其快速分离，因此其在原油破乳技术中具有一定的应用潜力和研究前景。J. Peng等[21]制备了名为M-EC的可循环使用的磁性纳米颗粒，并将其加入石脑油稀释的沥青乳液中，结果表明在外部磁场的作用下，乳液中磁性标记水滴的聚结效应显著增强，使除水效率提高至80%。Wang等[22]制备了一种可回收的核-壳结构磁性纳米粒子MNP，通过施加外部磁场控制MNP涂覆的油滴，提高油水乳状液中分离油相的效率，并通过倾析实现水的回收。Amir Hossein等[23]发现CTAB溶液具有增加油/纳米乳液的界面张力的作用，同时界面张力随着磁场强度的增强而呈线性增加，由于纳米乳剂在暴露于磁场时具有较高的黏度，导致了较低的流动比。

2  作用机理

磁性是物质的属性，磁性是以物质对磁场的反应，即以磁化率分为抗磁性和顺磁性。磁化率是表征磁属性的物理量，等于磁化强度与磁场强度之比，顺磁质磁化率大于零，抗磁质磁化率小于零。流体中颗粒内部电子自旋可以形成磁化区，这种自发磁化区称为磁畴，相邻的不同磁畴之间磁矩排列的方向具有随机性，相互抵消，整体不显磁性。外加磁场后，磁矩排列取向趋于一致，磁畴重新排列趋势与磁畴初始空间相位之间的差异可导致蜡晶聚集在薄弱部位破坏，干扰胶凝结构的形成，降低屈服应力。如果抗磁作用较大，破坏作用明显。国内外专家和学者，从不同的视角与不同的层次对磁致流变特性改变的机理进行细致的阐释。

Loskutova[24]等认为原油的流变行为通过其分散相的量和组成来确定，其分散相的复杂结构单元（CSU）中包含顺磁性沥青质形成的强极性核、极性较小的中间层和由树脂组分形成的弱极性外层。在磁场的作用下，由于分子相互作用，顺磁性物质自旋重定向，从而达到扰乱CSU壳并改变原油流变性质的目的。Evdokimov和Kornishin[25]基于含蜡原油，采用了双光束记录分光光度计测量了磁处理前后原油的消光光谱，通过实验发现磁处理后的原油的消光减少，说明了分子之间氢键可能出现断裂现象，从而导致石油胶体的解聚。同样，Gon?alves等[26]则研究了磁场对石蜡晶体形成过程的影响，发现磁场作用下原油析出蜡晶减少，并用光学显微镜清晰地观察到施加磁场前后石蜡晶体形貌变化（图1，黑点代表蜡晶）。Jiang等[27]采用太赫兹时域光谱技术，分析了原油的太赫兹光学性质的磁场依赖性以及原子在磁场中的运动，发现磁场可以导致原油中胶体粒子的解聚。蜡晶体解聚见图2。

F. Homayuni等[17]认为对原油施加短脉冲磁场，尽管没有足够的时间来影响由宏观距离分离的粒子，但是有足够的时间将接近的粒子组装成簇，使聚集颗粒的尺寸增加，根据悬浮液内球体的平均自由程公式，悬浮颗粒在悬浮液中的运动自由度会增加，从而达到原油降黏的效果。

王升等[28]基于分子的色散理论，从量子的角度出发，以高黏原油为研究对象评价了磁场降黏防蜡的机理，认为蜡的网状结构是决定原油黏度的主要因素，磁场会使蜡聚集成蜡团并抑制蜡网状结构的生成，从而达到降凝降黏的效果。R. Tao等[18]进一步研究了蜡晶聚集假设，指出在磁场的作用下，悬浮颗粒产生极化现象，其分子在一个方向上排列，相互作用使得顆粒沿着磁场方向快速聚集成短链，使得聚集体沿流动方向流线化，蜡晶结构的空间对称性被破坏（图3），这个研究成果强调了磁场下短链的方向一致性。Arthur R等[29]实验研究了具有低界面张力的磁流体乳液，结果发现乳液在外部磁场作用下体现出各向异性效应，乳液介质渗透率是磁场强度、乳液浓度和电磁场角度的函数，揭示了乳液在磁场作用下具有非牛顿剪切稀化行为，从而解释磁场下液滴变形对乳液流变行为的影响（图4）。

由于原油组成不同以及磁场性质不同，研究人员对于磁场降黏的机理解释也不同，存在一些分歧，需要今后进一步的理论与试验研究进行逐渐完善。

3  影响因素

3.1  原油组成

原油是复杂烃类和非烃类组成的复杂混合物，其组成对磁场改性效果有显著影响。

R. Tao等[30-32]在探讨不同类型原油对磁场的响应效果时发现，磁场对轻质石蜡基原油的降黏效果要优于沥青基原油。进一步分析认为，原油中环状石蜡分子的存在是引起改性效果差异的主要原因。当石蜡分子存在环结构时，致使含蜡原油具有抗磁性，对磁场的敏感性增强。当石蜡分子无环结构，蜡对磁场不敏感，此时改性效果较弱。Gon?alves等[26]在相同的条件下对两种具有相同含蜡量的含蜡原油施加磁场，通过NMR进行成分分析，发现黏度降低较大的油样中脂肪族分子含量和水含量较大。

3.2  原油流動方向

目前为止，关于原油流动方向和磁场方向关系（图5）对原油磁处理效果的影响尚无统一的认识。

对此，Johnny J.R[33]基于含蜡原油，采用不同强度的磁场对其黏度进行了多次实验，发现当原油流动方向与磁场平行时，其降黏效果略优于原油流动方向与磁场方向垂直时的降黏效果。年威等[34]通过对含蜡原油施加变频磁场进行实验研究，认为如果使高含蜡原油沿（与磁场方向）垂直的方向流过变频磁场，石蜡分子间的作用因受洛伦兹力的作用而增强，更容易脱离液态游离烃的表面，降黏效果将更为明显。从现场应用的角度考虑，磁场方向宜与原油的流动反向垂直。

3.3  磁处理温度

温度对含蜡原油的磁处理效果具有显著的影响，当温度比较高的时候，蜡分子主要以分子热运动为主，随着温度的降低，分子热运动剧烈程度逐渐减弱，当温度降低至析蜡点附近时，蜡的溶解度降低，蜡分子开始逐渐形成微小晶核，当温度继续降低时，越来越多的蜡晶开始生成，蜡分子逐渐变大，蜡晶开始逐渐相互连接进而形成网状结构。在较低的磁处理温度下蜡分子热运动减弱，微小蜡晶结晶析出，磁场作用可以改变蜡晶生长的取向和形态，减弱蜡晶三维网状结构的强度，从一定程度上增强磁场对含蜡原油的调控作用。磁处理温度过高则会导致分子热运动加剧，原油体系中蜡以分子形式存在，磁场对原油的改性效果不明显。处理温度过低则会导致原油形成三维结构，磁场对蜡晶颗粒生长、取向影响受到抑制，影响改性效果[35，36]。因此在一定磁场强度下，选择合适的磁场处理温度可显著提升含蜡原油磁场处理效果。

3.4  磁处理时间

R. Tao等[37]在磁场强度为0.15 T的条件下对磁处理时间对原油黏度降低效果影响展开了研究，发现磁场在一定的磁处理时间范围内具有降低原油黏度的效果，且在一定的时间范围内，随着处理时间的延长，由于颗粒聚集而形成的粒子簇的平均尺寸逐渐增加，从而导致黏度降低。同样，黄伟莉等[20]的研究得到类似结论，在磁场强度为80 mT的条件下，考察了磁场作用时间对高酸原油黏度的影响，结果表明，当磁场作用时间为20 min以内时，原油黏度显著降低，而当磁处理时间过长时，原油分子间作用力增大，导致降黏效果降低，甚至出现反弹现象。因此，需要选择合适的磁处理时间以达到对含蜡原油的最佳处理效果。

3.5  磁场频率、强度及波形

王升等[27]发现在一定磁场强度范围内含蜡原油的降黏率随着磁场强度的增大而升高，但磁场强度达到一定值后，降黏率随磁场强度的增大而减小。Chen和Hou等[38]通过分子动力学模拟解释磁场强度影响，在含蜡原油模型上施加低磁场时，洛伦兹力将分子拉向一起运动，分子之间距离减小，同时在迁移过程中分子的运动距离增大，扩散系数增加。洛伦兹力随磁场强度的增大而增大，分子间距离在强磁场中逐渐减小，分子间没有足够的空间进行灵活的迁移，运动距离变短，扩散系数相应减小，分子堆积在一起，形成一个更紧密的结构。马先国[39]通过参数研究发现波形对原油的降黏效果并无明显的影响，而频率对原油的降黏效果存在明显影响，随着磁场频率的增加，降黏率逐渐增大，经历峰值后，降黏率随磁场频率的增加而逐渐下降（图6）。贺亚维[40]采用电磁防蜡器探究磁场频率对含蜡柴油的溶蜡率的影响，得到同样的结论，在一定的频率范围内磁场可显著提高含蜡柴油的溶蜡率，且低频段的溶蜡效果明显比高频段好。

实验证明，对于交变磁场，磁场强度与磁处理效果不存在线性关系，也不存在增函数或减函数关系。磁场频率与磁处理效果之间关系亦如此。在特定的磁场强度和磁场频率时，磁处理效果最好。因此对于交变磁场，实际上存在磁场频率和磁场强度的优化组合问题，最优组合机理与方法还需要进一步研究。

4  结论与展望

由于磁处理技术具有操作简便、耗能量小及对环境无污染等优点，在石油行业中有较多的应用。目前普遍认为原油组分、磁处理时间、磁处理强度、磁处理频率及磁处理温度等因素是影响磁处理效果的关键因素。虽然磁处理技术在原油防蜡、降黏及油水乳液处理等方面取得了明显效果和研究进展，但是对磁处理的微观解释仍有待进一步深入研究。

对未来研究工作展望如下：

（1）结合宏观、介观及微观三个层次的研究，在改性机理方面逐渐形成更为完善的理论体系，从而为进一步增强原油磁处理效果以及拓展磁处理应用领域奠定良好的基础和理论依据;

（2）紧随新型化学降凝剂的研发及其改性机理的深入揭示[41，42]，将新型降凝剂技术与磁处理技术结合，揭示改性原油在低温磁环境下流动规律。

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