稠油管道输送技术概述

稠油管道输送技术概述作者：曾司亮【摘要】稠油管道输送难度大是限制稠油规模应用的关键问题，可通过降粘和减阻两种方法解决该问题。稀释法、乳化法和加热法可以有效实现降粘，加入减阻剂和使原油形成环形流可以实现减阻。【关键词】稠油；输送；降粘；减阻稠油的定义为密度小于20API（API指的是美国石油协会油品比重指数）的石油，但是如果石油相对比重等于或小于10API，则被认为是超稠油或是沥青，超稠油的密度比水还大。历史上，对稠油的需求被边缘化，这是因为这种石油粘度高，组成复杂，采油、输送和炼制成本高。原油之所以具有高的粘度（103-106cp）和低的API比重，是因为这种原油中含有大量的沥青以及相对低比例的低分子量化合物，也就是说不含有轻馏分。同时，还含有大量的硫、盐以及镍、矾等金属。稠油管道输送的主要问题有沥青的不稳定性、石蜡沉淀、高粘度造成的多相流问题、管道堵塞、高压力降等。稠油输送难度大是限制稠油规模应用的关键问题，目前，主要通过降粘和减阻两种方法解决稠油的管道输送问题。一、降低粘度法降低粘度的方法主要有稀释法、乳化法和加热法。稀释法是最古老的最常用的稠油降粘方法，自1930年代开始，人们就开始给稠油添加轻质液态油品，典型的稀释剂是来自于产气过程的凝析油，但轻质原油也可作为稀释剂。这是一种有效的降低稠油粘度、帮助稠油管输的方法，20-30%的轻油比例就足以避免压力降过高或者很高的原油温度。稀释稠油也有助于稠油脱水、脱盐等工艺的完成。这种方法应用最多，其缺点是投资大，包括凝析油管道和泵站建设、溶剂分离并重新输送回到稠油生产地点等。从经济性角度来说，提高稀释效果，减少稀释剂用量很重要，因此人们做了很多研究希望寻找到更加有效的稀释剂。Henaut提出用二甲醚作为溶剂在一定压力下可以降低稠油的粘度和管输过程中的压力降，而且，与其他溶剂相比，在炼厂回收二甲醚较为容易。Henaut对用醇类作溶剂也进行过一些研究，比如，戊醇作为稠油稀释剂的降粘效果是煤油的两倍，这是因为溶剂的氢键极性越强，稀释稠油的降粘效果越好。由于石脑油或轻质原油的API比重较大，对稠油的稀释效果更好，因此比天然气凝析油更常被选作稠油稀释剂。但是混合油可能会改变沥青的稳定性，从而引发絮凝而造成管道堵塞。为此，需要进一步研究沥青的絮凝和聚集以及石蜡的结晶和沉积特性，而且混合油的市场售价低于溶剂油，因此需要对稠油处理工艺的经济性进行评估。乳化法主要形式有油包水和更加复杂的水包油结构外层又被油包裹。奥利乳化油是水包裹沥青形成的乳化剂，上世纪80年代，这种工艺代替稀释法用于委内瑞拉所产稠油的管道输送。直到90年代后期，这种工艺又逐渐被稠油改良法所取代。稠油形成乳化剂比较有效的方法是添加表面活性剂，这样在管输时，原油成为一种连续、均匀的油滴。为了提高原油管输经济性，要求乳化剂含有尽可能多的原油和尽可能少的水，但是，输送对粘度的要求一般在环境温度下为400cp，这样的要求一般在水含量为25-30%时能够达到。原油含量超过30%时，粘度就可能太高，甚至会转化成油包水型乳化剂。Gregoli研究出了一种水包油乳化方法，利用一个安装有导流板的静态混合器，保证了原油在水中的充分扩散。Gutnick曾对生物乳化剂进行了广泛的研究，这种乳化剂对于含有脂族和芳族成分的烃基质在淡水和海水中的水包油乳化都有很好的效果。在使用时生物乳化剂一般是固着在油水界面上，从而避免油滴的聚集，并对形成的乳化剂起到稳定作用。当管道处于-20℃或更低温度时，可以在盐水中加入乙二醇等冰点抑制剂来保证正常的管输。加热法使稠油在管道中输送时维持温度不低于从油井中生产出来时的温度。Ghanam和Esmail研究了加拿大稠油（密度0.929，120℃时粘度1375cp）的热流动情况。剪切速率为10s-1时，原油粘度从10℃时的700cp降低到30℃时的300cp，可以看出温度对原油粘度的影响比较大。Perry提出了一个新的近似方法可以不用在泵站对原油进行直接加热，认为通过改变管道直径、站间距、运行压力以及常温下输送的油品粘度等参数就可以控制原油的温度。这种方法的应用于新建管道，管道长度要大于250km，运行压力较高。二、降低阻力法降低管输阻力的方法主要有加入减阻剂和使原油形成环形流。为了克服原油输送过程中与管壁摩擦而造成的压力降，人们将减阻剂加入原油，减阻剂的作用是吸收流体在管内较高速度流动时由于层纹破坏而产生的能量，从而控制漩涡的形成。这样，流体基本保持在层流状态，紊流状态难以形成，流动阻力也会减小。减阻剂大体分为三类：表面活性剂、纤维质和高聚物。表面活性剂是通过降低液体的表面张力起作用，而后两种是通过限制涡流产生从而降低阻力。对减阻剂的主要要求是能溶解于稠油，对于高聚物，影响其减阻性能的参数有：高分子量、抗剪切降解、快速溶解以及在光、热、化学品和生物制剂作用下的稳定性。目前，投入商业应用的减阻剂大都是高分子α烯烃的均聚物或共聚物，这种减阻剂对于低API密度、高沥青含量的稠油减阻效果不是很好。Milligan提出用丙烯酸酯基的高聚物作为减阻剂，根据报导，这种减阻剂用于稠油的减阻率为28-36%，相对于以前的减阻剂，这是很大的进步。使流体形成核心环状流（CAF）的原理是在管道的内表面形成一层水或其他液体的薄膜，对稠油的核心流动区形成一定的“润滑”作用，从而降低流体的轴向压力梯度，总的压力降与输送水相类似。环形流是两相流的流动形式之一，事实上很难形成真正的、稳定的环形流，通常更有可能存在于流体核心的是波浪流。这种技术从上世纪初被提出，直到70年代通过环形流实现稠油的管道输送才真正实现，壳牌公司宣布利用水做润滑剂，在加利福尼亚州输送了相当数量的稠油。很多实验和理论研究都证明核心环状流对于常温输送稠油是可行的方法，但对于在商业管道中怎样才能建立这种流动模式的研究却很少有提及。在现有管道上使用这种技术关系到环形流与管道的适应性，建立这种流动模式不仅包含技术问题，也涉及到运行方法，特别怎样与非环形流流体共用一条管道的问题。三、认识对于具备大量轻质原油、凝析油或水，而且有足够空间安置混合和乳化设施的稠油产区，适宜采用降粘的方法实现稠油管输。在需要改善稠油或添加化学剂的情况，要着眼于表面活性剂、减阻剂、催化剂等的选择。将来的研究在基础研究之外，更要立足于小规模试验、半工业化试验，比如环道试验等。或者未来的研究重心会从井外转移到井内，也就是说在油藏内就对稠油进行乳化或改良。