发布时间 : 星期六 文章大庆高蜡原油乳化降粘研究更新完毕开始阅读
第2章 大庆原油流变性与蜡晶形态结构及原油组成间关系
我国所产原油大多为含蜡原油，其流变性复杂，管输能耗高。含蜡原油安全、经济输送的理论和技术一直是我国油气储运领域科技进步的方向之一，在国际学术界和工程技术界也得到越来越多的关注。原油流变特性是输送工艺的主要基础，但多年来国内外对原油流变性的研究基本上都采用唯象的方法，即通过实验测定不同条件下的流变性参数，研究其规律。
在析蜡点以下温度，原油的组成、蜡晶的形态及结构是影响含蜡原油流变性的主要内因。通过物理或化学的方法改变蜡晶的形态和结构，可以改善原油的流变性。但由于原油中蜡晶形态及结构的复杂多变性及不规则性（如下图所示），国内外对含蜡原油流变性与蜡晶形态、结构及原油组成关系的认识主要限于定性的层面。
近年来，国外研究者开始借助胶体悬浮液体系流变性模型、基于原油流变数据推算蜡晶形态和结构参数，并以此来分析含蜡原油流变性与微观结构间的关系。显然，由这种方法得到的对原油微观结构及其与流变性关系的认识依然是间接的。
本研究在原油流变性实验的基础上，突破了含蜡原油中蜡晶形态和结构的量化描述（分形描述），进而应用多元聚类分析法、多元逐步回归分析法和灰色关联度分析法，用统计方法分别定量研究了含蜡原油粘度／表观粘度、粘弹性参数（储能模量、耗能模量、绝对动态模量和损耗角）、屈服应力和凝点／倾点与蜡晶形态、结构及原油组成间的关系。这些研究成果加深了对含蜡原油流变性机理的认识，使原油流变学研究前进了重要的一步。
2.1大庆含蜡原油中蜡晶形态和结构的量化表征
为了实现蜡晶形态与结构的量化表征，本研究提出了基于显微图像分析的蜡晶结构直接分形表征方法。
对8种含蜡原油添加降凝剂改性前后的蜡晶形态与结构进行了显微成像实验。结果表明，同一试样不同视域蜡晶形态边界盒维数的相对极差为9.97%～1.88%，各组数据的标准偏差在0.0549～0.0107，说明同一试样不同视域的蜡晶颗粒或蜡晶聚集体分维数基本一致。相关性t假设检验表明，有99％以上的可信度认为，蜡晶形态及结构的分形效应显著。随温度下降，蜡晶的边界盒维数明显增大；降凝剂改性处理后，蜡晶的边界盒维数也明显增大。这表明分形维数可表征蜡晶形态与结构随温度和改性处理条件变化而显示出的高度非线性程度和不规则程度。此外，将利用表观粘度数据基于悬浮液流变模型拟合出的分形维数与直接分形表征法得到的平均分维数的对比结果表明，用分形维数能够有效地表征蜡晶形态及结构总体特征。
近年国外发表的采用分形维数描述含蜡原油微观结构的文献都是基于胶体悬浮液的有关模型，利用流变参数的实测数据拟合出分维数，进而描述微观结构，是间接表征，并且表征的结果依赖于流变模型。本研究的直接分形表征法成果实现了蜡晶形态与结构的独立表征，为在更科学的基础上研究宏观流变性与微观结构的关系扫除了一个主要障碍。
除了分形表征以外，根据体视学理论，本文同时采用了两个经典结构表征参数――蜡晶实际体积分数与表观面积分数，与分形表征方法互为补充，对含蜡原油中蜡晶形态、结构特征进行了更全面的描述。
2.2蜡晶形态、结构及原油组成特征的多因素聚类分析
由于影响含蜡原油流变性的因素众多，除去热历史与剪切历史等外部影响以外，以现有的技术条件，本研究重点考察了影响原油流变性的有关微观结构及原油组成等内部因素，共计13个表征参数，包括原油平均分子量MW、C8～C40油全烃平均碳数CNoil、C16～C40蜡的平均碳数CNwax、沥青质含量、胶质含量、含蜡量、Arrhenius方程中的粘性流动活化能Ea与指前因子A、原油液相粘度、原油相对密度、蜡晶体积分数、表观面积分数AF、平均分形维数Da。以变量之间关联的紧密程度作为聚类指标，应用多因素R型变量聚类分析法，实现了多变量的统计学分类，从13个参数中定量分析出5个相互独立的代表性变量，即蜡晶实际体积分数、原油液相粘度、蜡晶平均分形维数、原油含蜡量、原油平均分子量。这样，就可以用尽可能少的参数比较全面地表征原油的组成及蜡晶形态、结构特征，以便研究原油流变性与微观结构及原油组成间的定量关系。
2.3原油的粘度与蜡晶形态及结构特征以及原油组成间的关系
在实验研究的基础上，综合运用多种数理统计方法建立了宏观的粘度参数与微观结构及原油组成关系的模型。
对8种典型含蜡原油的实验结果表明，含蜡原油粘度的对数值与蜡晶形态、结构及原油组成等单一表征参数的对数值之间具有线性关系，这为应用多因素逐步回归方法分析蜡晶形态、结构及原油组成对含蜡原油粘度的影响提供了基础。
针对20s-1下的表观粘度、50s-1下的表观粘度、100s-1下的表观粘度、稠度系数K、流变行为指数n等5个参数，分别与蜡晶形态、结构及原油组成的5个表征量进行多元逐步回归分析。结果表明，在95%的置信水平上，原油液相粘度η0、蜡晶平均分形维数Da、原油含蜡量Cwax、原油平均分子量MW等4个因素对η20、η50、η100与K的影响均为高度显著；蜡晶实际体积分数?对η20、η50、η100与K的影响均为一般显著。而在95%的置信水平上，只有蜡晶平均分形维数Da和原油含蜡量Cwax对流变行为指数n影响显著。
基于多因素逐步回归分析方法，在统计学意义上定量描述了析蜡点以下温度时微观结构及原油组成等因素对原油粘度参数的影响：
经过降凝剂改性处理后，含蜡原油中蜡晶的形态、结构与宏观流变性均发生了变化。降凝剂改性后原油各粘度参数（20s-1下的表观粘度、50s-1下的表观粘度、100s-1下的表观粘度、稠度系数K、流变行为指数n）与蜡晶体积分数?间关系可用如下类型的经验式描述：
式中η可分别代表η验式描述：
20
?、η
50
?、η
100
?，但相应的拟合参数ai不同。
类似地，降凝剂改性原油粘度参数与蜡晶平均分形维数D间关系可用如下类型的经
降凝剂改性原油粘度参数与原油液相粘度η0间关系可用如下类型的经验式描述：
与同类文献相比，本研究空白原油粘度微观机理模型中除了同样都有分形维数、蜡晶体积分数与原油液相粘度等参数以外，还通过逐步回归分析法，将原油含蜡量与原油平均分子量等表征其组成的两个重要参数也引入了原油粘度微观机理模型参数中，丰富了含蜡原油粘度的微观结构机理模型。
迄今为止，国内外文献未见有利用独立取得的宏观与微观数据建立蜡晶形态、结构及原油组成等微观特征参数与含蜡原油粘度关系模型的其它报道。
2.4含蜡原油的粘弹性参数与蜡晶形态及结构特征以及原油组成间的关系
虽已采用分形方法和数学形态学方法实现了对蜡晶形态与结构的量化表征，但建立原油粘弹性参数与蜡晶形态与结构间关系的难度相当大。
实验结果表明，不同含蜡原油储能模量或耗能模量与蜡晶实际体积分数（累积析蜡量）、平均分维数间关系曲线不同。粘弹性参数除了与蜡晶形态、结构有关，还与原油的组成有关。
对原油小振幅振荡剪切（SAOS）恒温时间扫描的实验结果表明，无论是否经降凝剂改性，含蜡原油损耗角～温度曲线中的折点损耗角相差不大，均为10°左右。同时发现，在相同的热历史条件下，空白原油的损耗角～温度曲线的折点温度与其凝点间存在显著的线性关系
通过F检验法对储能模量、耗能模量、绝对动态模量和损耗角与表征原油微观结构及组成的5个特征量（即原油平均分子量MW、含蜡量、原油液相粘度、蜡晶实际体积分数、平均分形维数Da）的关系模型的显著性进行了检验。结果表明，所提出的模型可用于描述微观结构及原油组成等特征对含蜡原油粘弹性的影响。
多元逐步回归分析表明，在统计学意义上，对储能模量有显著影响的变量按影响程度由强而弱依次为蜡晶平均分形维数Da、原油平均分子量MW与蜡晶实际体积分数；对耗能模量有显著影响的变量为蜡晶实际体积分数；对绝对动态模量有显著影响的变量按影响程度由强而弱依次为蜡晶实际体积分数与原油平均分子量MW；对损耗角有显著影响的变量按影响程度由强而弱依次为蜡晶平均分形维数Da、原油平均分子量MW与含蜡量。这为进一步建立含蜡原油粘弹性的机理数学模型指出了可行的切入点。