在CVO 100 Bohlin測量的過程中，彈塑粘凝膠對蠟質原油流動性的抑制

文|墨子翟

編輯|墨子翟

前言

根據相關資料顯示，蠟質原油是一種高分子化合物，它自身的高蠟含量會使得它在常溫下具有較高的黏度和流動性差的特性。

所以說，為了改善蠟質原油的流動性，我們通常會添加熱抑製劑和化學抑製劑，因為熱抑製劑能通過提高原油的溫度，降低其黏度，隨之促進流動性。

不僅如此，熱抑製劑的添加還可以通過改變原油分子結構的有序性，我們可以通過減少蠟晶體的形成和沉積，從而有效降低原油的流動阻力。

但是需要注意的是，熱抑製劑的使用可能會增加能源消耗和操作成本，因此需要權衡其效益和成本。

在之前的實驗中，我們知道化學抑製劑是一種添加劑，可以通過與蠟質分子相互作用，改變其晶體結構和親水性，以降低其黏度和提高流動性。

這也就是說，化學抑製劑可以與蠟質原油中的蠟晶體形成絡合物，阻礙其結晶和沉積過程。

這樣一來，因為這些化學抑製劑通常具有表面活性劑的性質，所以可以在蠟質顆粒表面形成一層保護膜，以防止其聚集和沉積。

實驗準備

這次的實驗是一項廣泛的研究，主要關注蠟質原油的流動行為，並將通過熱學、視覺和動力學等方法來研究蠟質原油的結構和性質。

正因如此，實驗進行前要先通過差示掃描量熱法(DSC)對這些經過處理的樣品進行蠟質形成溫度（TWA）的準確測定，該方法測量了不同溫度和冷卻速率下的熱流。

但是除了未經處理的原油樣品外，我們還需要對處理過不同濃度的蠟質抑製劑的樣品進行測量，以尋找並了解這些添加劑對微觀結構變化的作用機制。

在這之後，我們可以使用交叉偏光顯微鏡（CPM）對凝膠結構進行顯微觀察，包括晶體尺寸和形態。

但是需要注意的是，顯微鏡是一種複雜的方法，用於研究晶體、聚集體間的連接結構和分布，旨在理解不同參數（溫度、冷卻速率、化學類型和濃度）之間的關係。

而在這個實驗中，對於不同處理過的樣品進行流變測量時，我們需要原地冷卻樣品至接近或低於蠟質形成溫度的溫度範圍內，並且採用一系列冷卻速率，以儘可能精確地確定這些彈塑粘凝膠的變形、屈服、流變和粘性流動。

正因如此，為了儘可能精確地確定這些彈塑粘凝膠的變形、屈服、蠕變、斷裂和粘性流動，我們可以通過使用先進的CVO 100 Bohlin流變儀進行原地冷卻的條件測試樣品的流變學測量。

這也就是說，測試樣品在流變儀盤上要先進行原地冷卻，溫度範圍必須在接近或低於蠟質形成溫度的範圍內，並且要採用不同的冷卻速率。

在這一過程中，我們可以通過使用CVO 100 Bohlin流變儀，從而獲得高解析度的測量結果，該儀器支持一系列流變學技術，用於比較研究結果。

實驗過程

我們知道這項研究對實際的利比亞阿布阿提費勒原油具有工業相關性，是一種富含蠟的石蠟原油，這種原油非常適合研究，因為其蠟含量高達29 wt.％，代表了常見的蠟質原油範圍。

但是需要注意的是，由於蠟含量高，生產現場需要使用氣體加熱器來對原油進行熱處理，以減少在運輸過程中蠟沉積問題，所以我們沿著管道布置了八台氣體加熱器。

這樣一來，它們的燃料成本以及在這個油田中用於加熱整個系統的乾燥天然氣總量非常龐大，達到了每天1900萬立方英尺。

在成本降低的項目中，現在這個油田正在考慮選擇化學處理作為加熱選項的補充。

所以說，一方面，這項研究將有助於提供與流變學數據相關的有價值信息，所提供的信息會在選擇適當的化學製劑，並確保原油的安全經濟管道和運輸方面發揮重要作用。

而另一方面，這項研究所採用的方法可以為評估現有處理化學製劑鋪平道路，不僅僅依賴於測量凝固點和粘度這兩個參數。

根據上表中所示的標準方法，通過測量物理性質對原油進行了表徵。

由此可知，DSC（差示掃描量熱法）測量將會被具體描述，因為在這項工作中它們的特別關鍵，可用於確定蠟質形成溫度和蠟質含量。

需要我們注意的是，關於這次實驗所使用的蠟抑製劑，原則上有三個廣泛的選擇類別，與蠟含量低得多的原油混合，簡單地降低蠟含量，從而能夠減少強凝膠的形成。

在這個實驗中，我們使用蠟結晶洗滌劑或分散劑處理原油，使這些表面活性劑能夠阻礙形成蠟結晶並組裝成凝膠網路，常見的分散劑包括烷基磺酸鹽和脂肪胺乙氧基化物。

除此之外，我們還可以使用溶解在溶劑中的蠟結晶改性劑，這些改性劑插入形成的蠟結晶之間，阻礙它們組裝成凝膠網路。

這也就是說，這些蠟結晶改性劑也被稱為凝點降低劑，因為它們能夠降低粘度，而常見的用作蠟結晶改性劑的聚合物有乙烯聚合物（聚丁烯和聚乙烯-b-丙烯）和乙烯共聚物（乙烯-丙烯腈和乙烯-醋酸乙烯），我們實驗中最常用的是乙烯醋酸乙烯（EVA）。

不過，那些類似甲基丙烯酸和馬來酸酐的交聯聚合物也是有效的蠟結晶改性劑。

在這項實驗中，我們首先進行了一項可行性的實驗，用以縮小從上述類別中選擇的眾多抑製劑的範圍，最終選擇了Sirtica原油。

而使用Sirtica原油的原因是，Sirtica原油是低蠟含量（6.4%）的蠟質原油，而這個原油屬於阿拉伯海灣石油公司生產的中間原油。

不僅如此，它還具有12.0的表徵因子，36.46的API度數和與阿布阿提費勒原油（+39°C）相比非常低的凝固點（-9 °C）。

所以說，Sirtica原油的超低凝固點能夠使其成為降低阿布阿提費勒原油重新啟動壓力的良好添加劑候選，因此，這種特定的蠟抑製劑方案被考慮在研究中，以評估所需的混合和相關成本，與化學抑製劑進行比較。

而在這一實驗過程中，我們所使用的稱為 Chimec RO 671A 的蠟結晶洗滌劑要先進行處理，蠟結晶洗滌劑是含有聚合物化合物的水或乙二醇溶液的混合物，其中含有約15-25％的單乙二醇，它的凝固點為-10°C，室溫下的粘度為650-800 cp。

這樣一來，使用蠟結晶改性劑PPD-JOUF（110℃）進行處理，基本上是一種溶於芳香溶劑中的聚合物，下表給出了已測試的抑製劑的規格和濃度。

由這些數據可知，蠟質原油是根據溫度的不同而變化結構的材料，尤其是在接近或低於其蠟質出現溫度的時候。

這也就是說，為了進行有意義的實驗，我們必須為所有樣品設定參考狀態，以便在測量之前進行。

而在這一過程中，這個參考狀態是指樣品被認為沒有過去結構的記憶，並且通過在遠高於阿布阿提費勒原油的39℃蠟質出現溫度的溫度下進行剪切混合來實現的。

實驗開始之後，我們要先從採油現場得到的原油存放在10升的桶中，然後送到實驗室。

在實驗室中，每個桶都要在85℃下加熱，並在攪拌3小時的過程中一直保持在這個溫度下。

由示意圖中我們可以看到，每個桶上都有頂蓋，這個設計是為了使得一旦攪拌器插入後，可以使其保持密封。

在完成第一次調整之後，我們將桶內的內容轉移到一系列50毫升的鋁瓶中，並做到立即封閉，完成後將其在室溫下存放（約20℃）。

不僅如此，在任何實驗（DSC、顯微鏡和流變學）之前，都需要將經過預處理的樣品在100rpm的攪拌器轉速下，在預熱到75℃的熱水浴中混合30分鐘。

混合完成後，繼續在75℃的水浴中以相同的100rpm攪拌器轉速添加蠟抑製劑，並接著在75℃的水浴中攪拌30分鐘。

通過以上步驟，我們完成了樣品的調整，現在已經達到了徹底混合併在75℃的水浴中一直保持著熱狀態，並準備轉移到預熱到75℃的流變儀盤中，然後從這個參考溫度開始冷卻。

在這一過程中，差示掃描量熱法（DSC）的目的是在蠟質原油經歷一定冷卻速率時測量熱流，並從熱曲線中確定蠟質出現溫度TWA和在TWA以下任何溫度下沉澱的蠟質分數。

正因如此，我們使用了最先進的DSC設備，也就是TA Instruments的Thermal Analysis DSC Q20，它可以在非常廣泛的溫度範圍內（-180℃至725℃）工作，它所具有的溫度和熱量精度為+/-0.1℃和+/-0.05%。

在這些實驗中，我們所設定的最低溫度為-20℃，通過DSC池通入乾燥氮氣進行氣抽，最高設定溫度為75℃，從而調整樣品溫度。

但是需要注意的是，這個儀器只需要使用極少量的樣品（4-8mg），而且它還配有50個位置的自動進樣器和方便進行自動化離線運行的Platinum軟體。

在整個實驗中，我們測試了三種冷卻速率（1、5和15℃/min），並進行了兩次並行運行以檢查結果的重複性，圖中展示了一個典型的流動曲線，用於解釋蠟質而做出了溫度的描繪。

實驗結果

在這個實驗過程中，目的其實最主要的是複製導致管道停工的條件，在停電時，管道中的流量將減速至接近零，這也是最關鍵的條件，因為在現場會立即採取措施解決問題並增加流量。

也正是這個原因，為了在流變學上模擬這些條件，我們將油從正常運行溫度75-80℃冷卻到低於臨界點的30℃，這裡的石蠟蠟質出現的溫度在39-40℃以下，冷卻速率為阿布阿提費勒原油環境的典型值0.5-1.0℃/min。

所以說，對未稀釋或添加輕質原油、蠟抑製劑ROA和凝點降低劑PPD的原油，在1s-1切變速率和0.5-1.0℃/min冷卻速率下的數據進行了展示。

不僅如此，我們還對稀釋了輕質原油並添加蠟抑製劑和凝點降低劑的阿布阿提費勒原油樣品進行交叉偏光顯微觀察揭示出，最關鍵的結構變化發生在添加蠟抑製劑之後，這與蠟抑製劑的作用原理一致，其原則上是防止形成強網路。

在顯微下觀察顯示，蠟晶體聚集成大的斷開的弱團塊，而不是個彆強晶體的網路，這支持了流變數據，流變數據顯示，添加了蠟抑製劑ROA後屈服性能降低。

值得我們注意的是，在發生停電或爐子故障時，輕質原油的稀釋和化學添加被認為是對當前加熱方法的補充，然而，一個成本效益研究可以作為這項工作的補充來評估這一方法。

參考文獻

【1】《蠟質原油的流變學與抽運工藝》。

【2】《改性蠟質玉米澱粉的結構特性對流變性能、成膜溶液和水蒸氣的影響》。

【3】《油酸-馬來酸酐共聚物酯的製備及其作為蠟質原油流動促進劑的評價》。

【4】《蠟質原油的流變學和管道啟動壓力》。

【5】《溫度和天然氣凝析油添加對重油粘度的影響研究》。