原油减阻剂的研究概况

原油减阻剂的研究概况原油减阻剂的研究概况宋昭峥张雪君葛际江(石油大学山东省东营市257062)摘要减阻剂是一种高分子聚合物的化学制品,能减少液体在管道内流动的摩阻。减阻剂的使用,对输油管道的增输、节能降耗、提高经济效益和.效益起到重要的作用。减阻剂的研究热点仍是开发新产品及新合成方法。通过改变单体种类、结构单元连接方式、序列分布和单体组分组成,可以合成品种众多的聚合物,为制备具有指定结构和预期性能的高分子聚合物减阻剂提供了可能性和可行性。主题词原油降阻剂聚合物长输管道化学处理剂合成分子量减阻剂是一种减少管道摩阻损失的化学制品,是高分子聚合物,属于碳氢化合物。40年代后期,催化剂与添加剂的研究取得了巨大的进展,为石油炼制工业提供了有利条件,使炼制成品收率大大提高,产品质量也有了极大的改进。接着添加剂又进入了油田,为油田开发做出了巨大的贡献。到70年代,减阻剂才开始逐渐进入管道工业。输油管道对铁路、公路、水路要有竞争力,采用的化学剂要求高效、低价,但减阻剂要在经济上可行,还需要做许多工作。1979年横贯阿拉斯加的原油管道成功地应用了高分子聚合物减阻剂,为减阻剂在输油工业上的应用打开了局面,使输油工艺出现了一个飞跃。1.减阻剂的发展概况20世纪30年代初,人们肯定了在液体中加入某些可溶添加物,有可能减少表面摩阻。1945～1946年,国外才正式开展减阻剂的研究。1948年,B1A1Toms首次发现高分子聚合物在紊流时的减阻现象,引起了化学界、物理学界、流体力学界和高分子学界的广泛注意。1949年,注册了第一个减阻剂专利。50年代发展了油田压裂技术,井场上使用某些高分子聚合物,如Guar胶稳定钻井泥浆,发现这些添加物质能使压裂过程中泵的功率有明显下降。Savins捕捉到这些现象的实际意义,命名此种现象为“减阻”。他定义“减阻”为“在流体中添加少量添加剂,流体可输性的增加”。大量的实验研究表明,不溶的固体纤维、可溶性的长链聚合物和缔合胶体均有一定的减阻效应。目前,已发现的减阻剂均为链状高分子聚合物。60年代,减阻剂的研究已取得了很大的进展。由于经济、技术上的原因,减阻技术潜力没有得到充分的发挥。为了解决这些问题,某公司进行了大量的实验,所用的减阻剂为CDR。这个实验报告解决了大口径管道中间组的起点、剪切降解和管径加大后对减阻的影响问题,证明了减阻剂在技术上是可行的。1972年,CDR取得了专利,这是减阻剂进入管道的先声。1979年,美国Conoco生产CDR,开始在横贯阿拉斯加的原油管道连续使用,标志了减阻技术的成熟。自80年代以来,在世界范围内,海上、陆上有几百条输油管道都陆续使用了减阻剂。我国在80年代中期也在原油管道上进行过加减阻剂的实验,取得了一定的效果。2.减阻剂的化学合成已知的减阻剂主要是烯烃的聚合物,聚异丁烯、丁烯与异戊二烯共聚物或其加氢聚合物、聚乙烯、乙烯与丙烯,或它们与其它烯的共聚物、丁二烯与异戊二烯或苯乙烯的共聚物等等。也试验了一些非烃聚合物,如聚硅氧烷、聚丙烯酸酯或聚甲基丙烯酸酯或其它烯羧酸酯、羧酸醚与醇的共聚物。但不论是何种聚合物,作为减阻剂,都要求有超高的分子量。减阻剂的分子量通常达二、三百万,甚至一千万以上。分子量越大,主链越长,减阻效果愈佳。减阻剂的分子链增长,有利于减阻,但降低了抗剪切能力,这一矛盾目前还没有找到最好的解决方法。211原料很多化合物都可以用作减阻剂,但至今效果最7油气田地面工程(OGSE)第19卷第6期(2021.11)佳、应用最广的是聚C4～C14α2烯烃,特别是聚辛、癸烯21。减阻剂的原料可以是单一烯烃,也可以是两种不同烯烃,嵌段聚合或共聚。原料组成影响聚合物无规性、柔顺性和弹性,最终反映为减阻性能。多组分原料聚合,也可以加入烯基羧酸酯、烯基酰胺等非烯组分,可对聚合结果与产品性能产生很大影响。212合成方法合成减阻剂一般用Ziegler2Natta法。该方法的特点是设备与压力要求不高,产品聚合分散度与立构无规则性较高。催化剂的制备、晶体类型、聚合条件、原料中杂质含量都能灵敏地影响产品质量。3.减阻机理流体在管道中的流动可分为两种状态,即层流和紊流。在层流中,流体的流动阻力是由流体相邻各流层之间的动量交换造成的。在紊流中,流体的流动阻力是由尺度大小随机、运动随机的旋涡形成的。尽管旋涡的形成是随机的,但旋涡总是逐渐分解而产生尺度越来越小的旋涡。由于旋涡尺度越小,能量的粘滞损耗越大。所以由于分解形成的小旋涡的能量最终变成流体的粘滞力损耗掉,变成热能。由于处于紊流状态的原油有许多旋涡,而且这些旋涡是逐级变小,从而使管输能量逐渐由较大的旋涡传递给较小的旋涡,最后转变为热能而被消耗掉,因此处于紊流状态的原油,需要消耗大量的管输能量。为了减少能量消耗,在原油中加入化学剂,即减阻剂。减阻剂是油溶性聚合物,它在油中以蜷曲的状态存在,这种状态存在的聚合物分子是具有弹性的。由于减阻剂的存在,紊流原油中各级旋涡把能量传递给减阻剂分子,使其发生弹性变形,将能量储存起来。这些能量可在减阻剂应力松弛时释放出来,还给相应的旋涡,维持原油的紊流状态,从而减少外界为保持这一状态所必须提供的能量,达到减阻的目的。只有当原油处于紊流状态时,减阻剂才起减阻作用。4.减阻剂分子结构与减阻性能的关系高分子减阻剂从B1A1Toms开始研究以来引起了化学界的广泛重视。50年来国内外进行了大量的实验研究和理论研究,在理论方面积累了大量有关高分子结构与减阻性能之间的资料,弄清这些关系对高分子减阻剂的分子设计与提高应用技术水平具有十分重要的意义。411分子量高分子的分子量(M)是影响减阻性能的基本结构参数之一。高分子聚合物必须超过一定的分子量MC(称为起始分子量)以后才具有减阻作用。其减阻效率(DR)开始时随分子量增加很快,随后达到平衡。许多研究者力图用数学分析表达式来描述DR与M的关系,Hunston提出Virk2Little关系式定义的特性减阻率(DR),特性浓度(C)与M的关系为[DR]/[C]=K(M-MC)式中K为常数,MC为上面提到的起始分子量,而[DR]/[C]是表征减阻剂无限稀时单位浓度的减阻率,它是表示减阻能力高低的一种度量。代加林等系统地研究了聚甲基丙烯酸己酯在煤油及煤油丙酮中的减阻性能,由数据处理,得到一个新的DR2M数学关联式DR=A?M/(M+B)-D式中A、B、D为一定流动条件下的常数。412分子量分布绝大部分高分子试样都具有一定的分子量分布(MWD)。在一定条件下,不是所有的分子都具有减阻作用,高分子的减阻性能与分子量分布有很大关系。严格地讲,在没有明确分子量分布的情况下,研究分子量与减阻性能的关系是不严密的。到目前为止,对分子量分布有两种不同的解释,一种认为DR与高分子的平均分子量有关;另一种则认为DR与试样的高分子量部分有关。笔者认为,后一种更为合理。413高分子的主链结构高分子链节的化学组成及键的类型不是决定减阻效率高低的唯一因素,链的几何形状和柔性对减阻效率影响很大。目前发现有效的高分子减阻剂多是线形或螺旋型结构的柔性高分子。Gramain等研究了线型、星形和梳形PS在甲苯溶液的减阻效率,实验结果表明分子链的支化大大降低了高分子的减阻效率。Meier研究了氢化聚异戊二烯对原油的减阻效率,发现它在原油中的溶解性、抗剪切性能和减阻能力随氢化度的提高而提高。根据聚异戊二烯的结8油气田地面工程(OGSE)第19卷第6期(2021.11)油田已建原油集输系统对三次加密井适应性的分析白晓东田晶(大庆油田设计院黑龙江省大庆市163712)摘要油田开发到了高含水后期,原油稳产的难度越来越大,三次加密井作为大庆油田稳产的又一手段,越发显示出它的重要性。通过对喇萨杏油田已建地面流程及三次加密井特点的分析,阐述了油田进入井网的三次加密井阶段的配套工艺技术,同时对油田已建地面设施对三次加密井的适应性进行了分析,提出了采取的技术措施,并对提高油田原油集输系统水平提出了几点建议。主题词大庆油田集输系统加密井工艺流程技术经济评价随着油田开发到了高含水后期,油田产油量递减加速,能耗上升与能力不足两大矛盾越来越突出,原油稳产的难度越来越大,三次加密井作为大庆油田稳产的又一手段,越发显示出它的重要性。根据大庆油田1999～2021年滚动开发规划安排,在今后5年内三次加密井基建井数占总基建井数的五分之一以上。因此,对油田已建地面设施适应性和三次加密技术进行研究,这对油田高效益、高水平、可持续发展将有着重要意义。1.三次加密井的特点、技术研究及技术经济评价111三次加密井的特点试验区三次加密井开发指标见表1。各油田原油物性见表2。三次加密井主要是对储量丰度极低的薄差层和表外储层进行开采,其产油量、产液量、单井注水量都较二次加密井低,注入水质与二次加密井注水水质相同,注水压力也相当。112三次加密井的技术研究11211抽油设备为了摸清杆式泵、电潜泵和螺杆泵三种机采方式的能耗情况,在采油一厂中区对31口机采井进行了能耗平衡测试。测试结果表明,螺杆泵不论在水驱采油还是聚驱采油方面,其能耗和系统效率都明显优于其它两种机采设备,其整机投资费用也低,随着免修期的增长及人们对其了解认识的加深,螺杆泵会成为一种很有发展前途的低投资低能耗机采方式。构,随着氢化度的提高,分子链柔性增强,其减阻效率自然提高。Liaw等从另一角度研究了不同结构的高分子的减阻性能和僵硬程度的关系,发现随着高分子链刚性提高,减阻性能降低。在其它条件相同时,分子链柔性较好的高分子减阻性能高,这可能与高分子在流场中的伸展程度和变形能力有关。414高分子的侧链结构高分子的减阻性能与其侧链结构有很大的关系。一般来说,高分子主链上带有少量长或较大的侧基,会增加其减阻性能。Wade研究了侧链长度对减阻性能的影响。发现在高分子主链上普遍接上短侧基后,其减阻性能降低,而接上少量的长侧基后减阻性能增强。Deshmukh等也证实了这一点。5.结语减阻剂的研究热点仍是开发新产品及新合成方法。通过改变单体种类、结构单元连接方式、序列分布和单体组分组成,可以合成品种众多的聚合物,为制备具有指定结构和预期性能的高分子聚合物减阻剂提供了可能性和可行性。关于高分子聚合物结构与性能的关系,至今缺乏系统了解。由于分散体系中复杂的相互作用和表征方法的局限性等因素,分散体系中高分子形态仍然是聚合物科学的困难课题之一。高分子聚合物结构、分子形态的研究具有重要的理论意义和使用价值,日益受到国内外的重视。(收稿日期2021202201编辑王德祥)9油气田地面工程(OGSE)第19卷第6期(2021.11)OIL2GASFIELDSURFACEENGINEERINGVol.19No.6Nov.2021CONTENTS&ABSTRACTS1StudyandApplicationofSmallConcreteLayingBlocksArchitectureEnergy2SavingTechniqueZhangYongchengetc3TheAboveGroundEngineering’sCharacterofTazhongNo4Oilfield’sProductiongCapacityConstructionBaiZihua5TheDevelopingStatusQueandExistingProblemsofCrudeFlowabilityImprovingAgentZhangFusheng7ResearchSituationofCrudeDragReducingAgentCrudedragreductionagentisakindofchemicalsthatismadefromhigh2molecular