微波加熱對高凝油流變特性影響的實驗研究

1、中國石油大學（華東）現(xiàn)代遠程教育畢業(yè)設(shè)計（論文）題 目：微波加熱對高凝油流變特性影響的實驗研究學習中心： 學習中心 年級專業(yè)： 12春油氣儲運工程 學生姓名： 楊* 學 號：06135003 指導教師： 職 稱： 導師單位： 中國石油大學（華東） 中國石油大學（華東）遠程與繼續(xù)教育學院論文完成時間： 年 月 日中國石油大學（華東）現(xiàn)代遠程教育畢業(yè)設(shè)計（論文）任務(wù)書發(fā)給學員 1設(shè)計(論文)題目： 2學生完成設(shè)計(論文)期限： 年 月 日至 年 月 日 3設(shè)計(論文)課題要求： 4實驗（上機、調(diào)研）部分要求內(nèi)容： 5文獻查閱要求： 6發(fā) 出 日 期： 年 月 日 7學員完成日期： 年 月 日指導教

2、師簽名： 學 生 簽 名： 注：此頁由指導教師填寫摘 要高粘高凝原油是一種蠟、膠質(zhì)、瀝青質(zhì)等重組份分散相(膠凝物)含量較高的非常規(guī)原油。高粘高凝原油的長距離管輸在技術(shù)工藝上存在較大的困難，現(xiàn)有的輸送工藝存在一定的局限性。微波加熱是將介質(zhì)損耗變成熱能的一種體加熱，由于物料的介電常數(shù)不同，使得微波加熱具有選擇性，同時微波加熱還存在“非熱效應”。 論文考慮將微波能應用于高粘高凝原油的加熱改性輸送，利用微波具有“非熱效應”的獨特優(yōu)勢對高粘高凝原油進行作用，可望對引起高粘高凝原油高粘度、高凝固點的蠟、膠質(zhì)、瀝青質(zhì)等高損耗的重組分進行選擇性改性處理，從而實現(xiàn)高粘高凝原油經(jīng)濟、高效、清潔、快速地凈化與輸送。

3、 為了搞清微波對高粘高凝原油作用機理，為高粘高凝原油微波加熱輸送技術(shù)的應用與推廣提供理論指導，論文通過實驗及理論兩方面分析了微波對高粘高凝原油不同組分的作用規(guī)律。 論文首先進行了微波對高凝高粘原油作用的室內(nèi)實驗，并對微波作用前后高粘高凝原油的流變性指標進行了測定，然后借助于紅外光譜、棒色譜和色譜/質(zhì)譜分析等化學分析手段，對微波作用前后高粘高凝原油組成及結(jié)構(gòu)進行了測試，分析了引起流變性變化的原因。進一步通過微波對高粘高凝原油單一組份(飽和烴、芳香烴、膠質(zhì)瀝青質(zhì)、蠟)作用前后組份的化學分析，研究了引起流變性變化的直接原因。論文還通過實驗研究了微波作用的最大效果。上述實驗結(jié)果表明，微波對高粘高凝原油

4、作用后，能明顯降低其粘度和凝點，這種降低經(jīng)過較長時間后仍然保持不變，這是原油中的膠質(zhì)瀝青質(zhì)和長鏈烷烴發(fā)生熱裂解，產(chǎn)生不可逆變化所致。 論文還利用均勻設(shè)計方法，對微波功率、微波作用時間、原油含水率與脫水率之間的關(guān)系進行了實驗研究，并根據(jù)實驗結(jié)果，擬合出了上述微波參數(shù)與脫水率之間的經(jīng)驗關(guān)系式。根據(jù)電磁場及熱力學理論，結(jié)合高粘高凝原油及其各組份介電特性及其分散特點，建立了微波對高粘高凝原油作用的數(shù)學模型，并進行了理論求解，確定了實驗加熱腔內(nèi)部的溫度分布。計算結(jié)果表明，高粘高凝原油的介電屬性微觀非均勻性造成微波作用過程中產(chǎn)生選擇性加熱現(xiàn)象，微波作用的選擇性導致微波加熱時溫度分布的不均勻性，使得在原油體

5、系整體溫度并不高的情況下，膠質(zhì)瀝青質(zhì)等高損耗的組分溫度較高，達到了熱裂解的溫度，產(chǎn)生了熱裂解。 實驗和理論分析表明，微波對高粘高凝原油作用，同時具有熱效應和非熱效應。非熱效應是由于在微波的作用下降低了分子鍵的活化能，熱效應是由于微波加熱具有選擇性，出現(xiàn)局部過熱產(chǎn)生熱裂解造成的。 最后根據(jù)室內(nèi)實驗及理論研究成果，研制了單井出油管線微波加熱器，并在現(xiàn)場進行了應用。現(xiàn)場應用表明，將微波應用于輸油管線的加熱理論上是可行的，現(xiàn)場試驗是成功的。關(guān)鍵詞：微波;高粘油;高凝油;脫水輸送;目 錄TOC o 1-3 h u HYPERLINK l _Toc11882 第1章 前言 PAGEREF _Toc1188

6、2 6 HYPERLINK l _Toc21434 1.1研究背景 PAGEREF _Toc21434 6 HYPERLINK l _Toc24241 1.1.1高粘高凝原油及其管道輸送技術(shù) PAGEREF _Toc24241 6 HYPERLINK l _Toc22593 1.1.2微波處理技術(shù) PAGEREF _Toc22593 8 HYPERLINK l _Toc15011 1.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 PAGEREF _Toc15011 10 HYPERLINK l _Toc2809 1.2.1微波采油技術(shù) PAGEREF _Toc2809 10 HYPERLINK l _Toc17779 1

7、.3研究方法和研究內(nèi)容 PAGEREF _Toc17779 15 HYPERLINK l _Toc7615 3.2高粘高凝原油不同組份介電性質(zhì)的測量 PAGEREF _Toc7615 19 HYPERLINK l _Toc7968 第2章 微波對高粘原油作用規(guī)律的實驗研究 PAGEREF _Toc7968 21 HYPERLINK l _Toc22500 2.1高粘原油簡介 PAGEREF _Toc22500 21 HYPERLINK l _Toc9171 2.2實驗條件 PAGEREF _Toc9171 23 HYPERLINK l _Toc5760 2.3實驗內(nèi)容 PAGEREF _Toc

8、5760 24 HYPERLINK l _Toc20347 2.4實驗結(jié)果及分析 PAGEREF _Toc20347 24 HYPERLINK l _Toc29751 2.5微波降粘機理初步結(jié)論 PAGEREF _Toc29751 41 HYPERLINK l _Toc20204 第3章 微波對高凝原油作用規(guī)律的實驗研究 PAGEREF _Toc20204 44 HYPERLINK l _Toc31811 3.1高凝油簡介 PAGEREF _Toc31811 44 HYPERLINK l _Toc13129 3.2實驗條件 PAGEREF _Toc13129 45 HYPERLINK l _T

9、oc10952 3.3實驗內(nèi)容 PAGEREF _Toc10952 46 HYPERLINK l _Toc8586 3.4實驗結(jié)果及分析 PAGEREF _Toc8586 46 HYPERLINK l _Toc19636 3.5微波對高凝油作用規(guī)律初步結(jié)論 PAGEREF _Toc19636 54 HYPERLINK l _Toc26455 第4章 微波對含水原油作用規(guī)律的實驗研究 PAGEREF _Toc26455 55 HYPERLINK l _Toc9149 4.1原油乳狀液簡介 PAGEREF _Toc9149 56 HYPERLINK l _Toc26511 4.2均勻設(shè)計法簡介 P

10、AGEREF _Toc26511 57 HYPERLINK l _Toc5949 4.3實驗方案的均勻設(shè)計 PAGEREF _Toc5949 58 HYPERLINK l _Toc9267 4.4實驗內(nèi)容 PAGEREF _Toc9267 59 HYPERLINK l _Toc16636 4.6實驗數(shù)據(jù)處理 PAGEREF _Toc16636 61 HYPERLINK l _Toc6293 4.7實驗結(jié)果分析 PAGEREF _Toc6293 62 HYPERLINK l _Toc23840 4.8微波破乳脫水的基本結(jié)論 PAGEREF _Toc23840 65 HYPERLINK l _To

11、c28142 第5章 原油介電性質(zhì)的測量 PAGEREF _Toc28142 67 HYPERLINK l _Toc7907 5.1電介質(zhì)基礎(chǔ) PAGEREF _Toc7907 67 HYPERLINK l _Toc9684 5.2脫水稠油介電參數(shù)的測量 PAGEREF _Toc9684 68 HYPERLINK l _Toc14275 5.3瀝青質(zhì)介電參數(shù)的測量 PAGEREF _Toc14275 69 HYPERLINK l _Toc28961 5.4脫瀝青油介電參數(shù)的測量 PAGEREF _Toc28961 70 HYPERLINK l _Toc3386 5.5含水稠油介電參數(shù)和含水率的

12、關(guān)系 PAGEREF _Toc3386 70 HYPERLINK l _Toc24390 5.7基本結(jié)論 PAGEREF _Toc24390 73 HYPERLINK l _Toc14666 第6章 高粘高凝原油微波加熱輸送技術(shù)的現(xiàn)場應用 PAGEREF _Toc14666 74 HYPERLINK l _Toc12590 7.1單井出油管線微波加熱器簡介 PAGEREF _Toc12590 74 HYPERLINK l _Toc5221 第7章 結(jié)論及建議 PAGEREF _Toc5221 77 HYPERLINK l _Toc13322 7.1基本結(jié)論 PAGEREF _Toc13322

13、77 HYPERLINK l _Toc15211 7.2建議 PAGEREF _Toc15211 78第1章 前言1.1研究背景1.1.1高粘高凝原油及其管道輸送技術(shù)我國各油田所產(chǎn)原油，按其流動性質(zhì)可分為三類: 第一類為輕質(zhì)低粘原油，如青海冷湖、新疆柯參原油，其數(shù)量不多。 第二類為膠質(zhì)含量大的高粘度原油。高粘油又稱稠油、重質(zhì)原油(其英文名稱為Heavy oil)，通常指d協(xié)0. 92的原油。高粘油輕餾分(尤其是直鏈含蠟烴)含量少，而膠質(zhì)、瀝青質(zhì)含量高，且硫、氧、氮等元素化合物和鎳、釩等金屬含量也較高，因而高粘油比重大、粘度高、凝點較低，一般在較寬的溫度范圍內(nèi)呈牛頓流體特性。它不僅在常溫下粘度高

14、，即使在較高的溫度下，仍具有較高的粘度，因此，高粘油的長距離管輸在技術(shù)工藝上存在較大的困難。 第三類為含蠟較多的高凝點原油。如大慶、勝利、任丘、南陽等原油。此類原油在油溫高于析蠟溫度時，粘度較低，且隨溫度變化不大，屬于牛頓流體。但當溫度接近凝點時，粘度急劇增大，具有非牛頓流體的特性。 對于第二、第三類非常規(guī)原油，由于其高粘、高凝的特點，在集輸過程中，需采取一些相應的特殊工藝。 對于稠油，技術(shù)上可行的管輸工藝主要有: 傳統(tǒng)的加熱降粘輸送;2、摻液稀釋降粘輸送;3、摻活性水乳化降粘輸送;4、粘彈性液環(huán)減阻輸送;5、伴熱保溫輸送(蒸汽外伴熱，“管中管”加熱介質(zhì)伴熱和電流集膚效應伴熱等);6、就地加工

15、處理后的成品油輸送。在油田稠油集輸過程中，上述工藝均有一定程度的應用，但每一種方法都存在一定的局限性，限制了每種工藝方法的大面積推廣使用。加熱輸送傳統(tǒng)的方法是水套爐加熱，以天然氣為燃料，但是在天然氣短缺的油田，這種方法是不現(xiàn)實的，另外水套爐加熱效率也較低，經(jīng)濟上比較昂貴。加熱輸送同時還存在很大的安全隱患，易造成管路停運、停輸?shù)戎卮笫鹿?稀釋輸送是用輕質(zhì)原油、凝析油或蒸餾產(chǎn)品(如煤油、柴油的半成品等)稀釋稠油降粘輸送，應用這種方法有可能使油質(zhì)變壞，且要有來源方便的稀釋油源才能使用;摻活性水乳化降粘是在原油中摻入大量的水及表面活性物質(zhì)，在適當?shù)臏囟燃皺C械剪切作用下，使原油以液滴狀分散于水中，形成滿

16、足管輸穩(wěn)定性要求的油水混合液，從而大大降低所輸介質(zhì)的粘度。但由于原油的成分在不同產(chǎn)地有很大差異，這種方法存在活性劑的選擇、乳狀液成型穩(wěn)定、流變性及管輸?shù)浇K點的破乳脫水等問題:粘彈性液環(huán)減阻輸送是利用稀的高聚物粘彈性水溶液在管道中形成壁面水環(huán)，將原油與管壁隔開，使高粘原油在管中心流動，從而使摩阻大幅度降低，實現(xiàn)高粘原油的減阻輸送。由于管道的轉(zhuǎn)向、管徑、及管壁表面的突變?nèi)绨枷?、溝槽等均會影響水環(huán)的穩(wěn)定性，使得該工藝在實際應用過程中不穩(wěn)定，易形成偏心油流并逐漸粘附在管壁上，最終會堵塞管道;伴熱保溫輸送同樣存在熱效率較低，經(jīng)濟上比較昂貴等缺點;就地加工處理后的成品油輸送是通過脫蠟、脫瀝青、熱裂化、加氫

17、裂化等煉制加工方法改變原油的化學組成，提高輕餾分的含量，改善原油的流動性，實現(xiàn)原油的常溫輸送。但該技術(shù)需要高溫高壓的龐大的塔、爐等煉油設(shè)備，在現(xiàn)場使用起來具有一定的困難。 高凝油在開采過程中，由于溫度和壓力降低，油中有助于溶解石蠟的輕質(zhì)組份被脫出，致使油中的石蠟聚結(jié)在采油管壁上，造成油井減產(chǎn)甚至因堵塞而停產(chǎn)。在輸送過程中，由于輸油管壁結(jié)蠟，造成阻力增大直至堵塞。國內(nèi)外現(xiàn)行的脫蠟方法主要有熱油循環(huán)、蒸汽加熱、機械剝除和化學溶劑清洗等。雖然影響原油結(jié)蠟的因素比較多(如原油組成、流速、溫度、壓力等)，但溫度變化是主要因素。當加熱溫度達到“析蠟”點以上時，石蠟在油中的溶解度隨溫度的升高而增加。對于高凝

18、油的管道輸送，目前大多采用常規(guī)加熱輸送的方法，雖然行之有效，但存在著燃料消耗大，占用的設(shè)備及人力多，事故停輸后有凝結(jié)危險等缺點。加降凝劑輸送高凝油的方法在現(xiàn)場也得到了一定程度的應用，該方法是通過降凝劑的共晶和吸附作用，改變蠟晶的形態(tài)和結(jié)構(gòu)，從而改善原油的流動性。降凝劑改性效果的主要影響因素有原油組成、原油的含蠟量、蠟分子的碳數(shù)分布、膠質(zhì)瀝青質(zhì)的含量、化學組成。原油含蠟量高，改性難度大;高碳數(shù)蠟對降凝劑處理的感受性和改性效果的剪切穩(wěn)定性都有相當不利的影響;蠟的碳數(shù)分布過于集中也不利:膠質(zhì)的成分對降凝劑改性效果有很大影響。同時，降凝劑價格較貴，加劑原油過泵的高速剪切易使其流變性惡化，故目前多用于某

19、些間歇輸送或中間泵站不多的較短管道，以及在長輸管道投產(chǎn)、延長停輸時間以利再啟動等方面的應用。同時，自地下采出的高粘高凝原油往往含有水，特別是注蒸汽開采的稠油油藏，其含水率可高達70%以上。高粘高凝原油中存在的膠質(zhì)、瀝青質(zhì)、蠟為高分子表面活性物質(zhì)，都是天然的、高性能的油水乳化劑。在油田開發(fā)和油氣集輸過程中，油、水、乳化劑三者共聚一體，在油井井筒、油嘴、管道、閥件和機泵中充分接觸混合(特別是在油田伴生氣的參與下，其攪拌更為激烈)，瀝青質(zhì)、膠質(zhì)、蠟等界面活性物質(zhì)吸附在乳化液的油水界面，形成牢固的界面膜，從而形成穩(wěn)定的W/0型乳化液。而且，膠質(zhì)、瀝青質(zhì)、蠟含量越高，W/0型乳化液越穩(wěn)定:膠質(zhì)、瀝青質(zhì)、

20、蠟含量越高，原油的粘度越大，脫水難度也越大。通常情況下，重質(zhì)原油的脫水難度遠大于中質(zhì)原油和輕質(zhì)原油，特重原油的脫水難度就更大。 原油含水后，其比熱、粘度等物理性質(zhì)發(fā)生很大變化，不僅給油田生產(chǎn)帶來一系列困難，還會給油庫中的儲存、鐵路、公路、船運、長輸管道的輸送，以及煉油廠的加工精煉造成不利影響。因此，原油脫水成為油田原油生產(chǎn)過程中一個不可缺少的環(huán)節(jié)。目前原油脫水方法主要有:1、沉降分離;2、加熱脫水;3、化學破乳;4、電破乳;5、潤濕聚結(jié)。沉降分離速度慢，只能分離游離水;加熱脫水能量利用率低，速度慢，脫水不徹底;潤濕聚結(jié)脫水效果差:加化學破乳劑存在藥劑用量大，沉渣多，設(shè)備易腐蝕，油品不易回收等缺

21、點;電破乳出油效率高，但耗電量大，裝置復雜，安全要求高，而且對于含水量較高的W/0型乳化液，常因加不上電壓使電破乳難以進行。通常為了達到較好的脫水效果，需將各種工藝方法聯(lián)合使用，比如電一化學法，是將加熱沉降法、化學法、電力法聯(lián)合起來使用的一種復合方法。因此研究高效、低耗、便捷的破乳技術(shù)，具有重要的意義。 總之，從流體力學的觀點分析，我國原油大都流型復雜，流動性能差，現(xiàn)有的高粘高凝原油的管道輸送技術(shù)都存在一定的局限性。因此，針對我國原油物性和流變特性，采用不同的物理和化學方法對原油進行改性，建立和發(fā)展先進的輸送工藝技術(shù)體系，成為石油儲運工作者的首要任務(wù)。通過對高粘高凝原油的物理和化學作用，實現(xiàn)高

22、粘高凝原油的快速降粘、降凝及脫水，以此建立高粘高凝原油的高效、低成本的凈化與輸送技術(shù)，將具有廣闊的應用前景。1.1.2微波處理技術(shù)微波是頻率大約在300MHz -300GHz，即波長在1 OOcm范圍內(nèi)的電磁波。當微波作用于介電材料時，可能產(chǎn)生電子極化、原子極化、界面極化及偶極轉(zhuǎn)向極化，內(nèi)部介質(zhì)的極化產(chǎn)生的極化強度矢量落后于電場一個角度，從而導致與電場同相的電流產(chǎn)生，構(gòu)成了材料內(nèi)部的功率耗散，這種功率耗散以熱的形式表現(xiàn)出來，也就是說，微波加熱是因介質(zhì)損耗變成熱能的。 傳統(tǒng)加熱過程一般是從表面開始，依賴于傳導、對流與輻射方式，把熱從外部逐漸傳至內(nèi)部，這是一個相對漫長的過程。而微波加熱時，伴隨電磁

23、波向材料內(nèi)部的穿透，有一個電磁能自動向內(nèi)部傳遞的過程，材料吸收微波能量是內(nèi)部與表面同時進行的，可以稱微波加熱是一種體加熱。 微波加熱與傳統(tǒng)加熱相比，具有以下特點: 微波加熱能量利用效率很高，物質(zhì)升溫非常迅速; 由于物質(zhì)吸收微波能的能力取決于介電特性，因此可對混合物料中的各個組份進行選擇性加熱; 可以適應各種物料的加熱，因此具有較大的靈活性; 微波加熱無滯后效應，當關(guān)閉微波源后，再無微波能量傳向物質(zhì); 微波加熱清潔衛(wèi)生，無污染; 微波能可以精確地控制和使用，可以實現(xiàn)自動化控制和微機操作。 微波對物料除了上述的加熱作用外，還存在所謂的“非熱效應”。即在微波作用下，反應體系溫度在遠低于常規(guī)加熱溫度時

24、，與常規(guī)加熱具有相同的產(chǎn)率或更快的化學反應速度;或是在別的條件(如溫度條件)相同的情況下，微波化學反應相對于常規(guī)加熱反應的速度快，而且有時還伴有新物質(zhì)生成;抑或是在常規(guī)加熱條件下不能進行或很難進行的化學反應，在微波作用下變得能夠進行了。 由于微波加熱較之傳統(tǒng)加熱方法的獨特優(yōu)勢，越來越受到世界范圍內(nèi)科技工作者的重視。隨著微波設(shè)備的性能和可靠性的提高，特別是磁控管的可靠性的提高，微波作為一種新的能源方式被廣泛應用到工業(yè)、農(nóng)業(yè)、醫(yī)療等領(lǐng)域。微波加熱具有的獨特優(yōu)勢也逐漸引起廣大石油科技工作者的濃厚興趣，各國石油科技工作者開始探索微波能在石油工業(yè)中的應用。 將微波應用于高粘高凝原油的改性輸送，充分發(fā)揮微

25、波加熱效率高、速度快、清潔無污染，以及具有非熱效應的獨特優(yōu)勢，利用微波對高粘高凝原油進行作用，有望一舉多得，達到高粘高凝原油的降粘、降凝及脫水目的，從而實現(xiàn)高粘高凝原油經(jīng)濟、高效、清潔、快速地凈化與輸送，這將帶來高粘高凝原油的地面處理技術(shù)新的革命，并將產(chǎn)生很好的經(jīng)濟效益和社會效益。1.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀微波的發(fā)展與應用，是從產(chǎn)生微波振蕩與放大的器件出現(xiàn)開始的。1921年與1939年分別制出了磁控管與速調(diào)管，他們不但能產(chǎn)生或放大微波信號，而且它們是兩種微波功率源，它們的出現(xiàn)為微波加熱應用打下了基礎(chǔ)v1。微波技術(shù)自問世以來，由于其具有的獨特優(yōu)勢，迅速得到了廣泛的應用。在60年代最早用于軍事及木材干燥

26、等方面，70年代在醫(yī)學、生物領(lǐng)域的滅菌、診斷、組織固定、免疫化學等方面得到應用。自1970年Harwll實驗室用微波爐成功處理了核廢料以來，微波輻射技術(shù)擴展到化學領(lǐng)域的?，F(xiàn)在微波已應用于化學的各個分支及一些化學工業(yè)中。微波技術(shù)在石油工業(yè)中的應用性研究也己引起人們的廣泛重視，但到目前為止，微波能在石油工業(yè)中的應用還處于初步實驗階段。1.2.1微波采油技術(shù)在二十世紀五十年代，人們開始將微波能應用于原油的開采領(lǐng)域。1956年，Bitchey申請了微波采油技術(shù)的第一個專利0 1969年，有人提出用電磁能增加稠油的產(chǎn)量，并在德克薩斯的小通油田(Little Tom, Texas)進行了現(xiàn)場實驗，使產(chǎn)量由

27、最初的1桶/天提高到20桶/天。.70年代，在美國能源部的資助下，伊利諾斯研究所(iit)開始了電磁加熱法開采稠油的研究，他們研究的電磁波頻率從lOHz一直到微波頻段(300M-300GHz)，、”、”，。1978年Milan在實驗室巢用頻率為2450MHz的微波加熱巖心(油頁巖或砂巖)，10-15min后溫度可達到500-600 C，采收率為8696,凈能量比高達6 o Mcver對加拿大Athabasca油田的油砂在微波頻率下的相對介電常數(shù)(，)作了測試，發(fā)現(xiàn)，隨油砂的組成而變化，在微波頻率作用下，瀝青、砂粒和水靠所加電場中束縛電荷振動產(chǎn)生的能量傳遞而被加熱 o Mcpherson等人19

28、86年認為:將單級或偶級天線置于井底，在地層發(fā)射微波能量，由于穿透地層深度有限，只能加熱油井周圍地區(qū)。但因地層中的水閃蒸為蒸汽，地層仍可繼續(xù)加熱，并使加熱區(qū)得到一定延伸.6。近年來，微波采油技術(shù)有了進一步發(fā)展，1992年Kiomanesh在專利中介紹將微波管放置在地面，用傳輸方法將微波傳到井下加熱，也可將多個小功率微波管放入井下直接加熱”。盡管如此，在世界上目前微波采油技術(shù)還沒有完全成熟，仍在發(fā)展之中，因此也沒有在油田生產(chǎn)中真正推廣和應用。 西安石油學院于1994年率先在我國開展了微波采油技術(shù)研究，并承擔了國家863課題“軍民兩用技術(shù)一大功率微波管在石油工業(yè)中的應用”，開展了微波采油室內(nèi)物理模

29、型、微波低損耗特種傳輸模式轉(zhuǎn)換器、偶極子天線輻射器、微波采油數(shù)學模型等方面的研究。1.2.2微波對稠油、廢油和渣油的作用 1977年，R.G.Bosisi等人首先做了室內(nèi)微波抽提砂巖樣品中瀝青質(zhì)的實驗s。實驗中，所用微波頻率為2454MHz，功率為100W，利用微波能量由砂巖樣品中采出瀝青質(zhì)后，對采出的瀝青質(zhì)和氣體分別進行質(zhì)譜和色譜分析后發(fā)現(xiàn)，瀝青質(zhì)中各成分分子量的平均值比常規(guī)加熱采出的瀝青質(zhì)低，并產(chǎn)出了少量C02, CO, H2, CH4, C2H6等氣體。R.G.Bosisi認為，由于砂巖樣品中的瀝青質(zhì)在微波作用下，砂巖樣品的溫度高達300-5000C，使瀝青質(zhì)發(fā)生了高溫熱裂解(pyrol

30、ysis)的化學反應，因此從砂巖樣品中產(chǎn)生出了輕質(zhì)油和氣體。大多數(shù)國外專家與R.G.Bosisi一樣，也將輕質(zhì)成分的形成歸結(jié)為微波與稠油作用發(fā)生了熱裂解的結(jié)果，也就是說將其歸結(jié)為微波的熱效應。在非熱效應方面，專利U.S.P 4,376,034中，Edward.T. Wall做了一次利用微波從油頁巖中提取粘質(zhì)原油的實驗197。實驗中，微波頻率為2450MHz，功率為300W，低溫(發(fā)生熱裂解的溫度為t3000C，該實驗的溫度為t0. 92的原油。高粘油輕餾分(尤其是直鏈含蠟烴)含量少，而膠質(zhì)、瀝青質(zhì)含量高，且硫、氧、氮等元素化合物和鎳、釩等金屬含量也較高，因而高粘油比重大、粘度高、凝點較低，一般

31、在較寬的溫度范圍內(nèi)呈牛頓流體特性。它不僅在常溫下粘度高，既使在較高的溫度下，仍具有較高的粘度。 高粘原油是由多種物理、化學性質(zhì)不同的化合物組成的復雜混合物，組成原油的有機化合物可劃分為由碳、氫構(gòu)成的烴類化合物和含有硫、氮、氧等元素的非烴類化合物兩大類。目前最廣泛采用的四組份分離法，也稱SARA法96，將高粘原油分為:飽和烴、芳香烴、膠質(zhì)和瀝青質(zhì)。其中，飽和烴和芳香烴是烴類化合物，膠質(zhì)和瀝青質(zhì)則主要由非烴類化合物組成。了解各組份的基本物理化學性質(zhì)對于研究微波對高粘原油的作用機理有很重要的作用，因此下面簡要介紹一下各組份的物理化學性質(zhì)。 飽和烴是原油的主要成分，包括烷烴和環(huán)烷烴，主要構(gòu)成石油中液態(tài)

32、成分。飽和烴是非極性化合物，隨著飽和烴分子中碳原子數(shù)的增加，飽和烴的密度、熔點、沸點也升高。飽和烴的化學性質(zhì)不活潑，穩(wěn)定性好。 芳香烴是苯環(huán)結(jié)構(gòu)帶有不同烷基側(cè)鏈的烴類化合物，極性較飽和烴大。 膠質(zhì)是紅褐色、暗褐色的液體或凝膠狀物質(zhì)，主要由非烴類化合物組成。膠質(zhì)的化學組成和性質(zhì)介于瀝青質(zhì)和芳香烴之間，但更接近瀝青質(zhì)。膠質(zhì)的組成和結(jié)構(gòu)十分復雜，分子結(jié)構(gòu)中含有相當多的稠環(huán)芳香族和雜原子的化合物，屬于稠油中的強極性組份。膠質(zhì)最大特點之一是化學穩(wěn)定性很差，在吸附劑的影響下，稍稍加熱，很容易氧化縮合，部分地變?yōu)闉r青質(zhì)。 瀝青質(zhì)是暗褐色或深黑色的脆性非晶形固體粉末。主要由非烴類化合物組成。瀝青質(zhì)是四組份中最

33、重的組份，也是分子量最大、組成及結(jié)構(gòu)最為復雜的組份。和膠質(zhì)相比，瀝青質(zhì)中的雜原子含量更高，因而極性更強。瀝青質(zhì)加熱不會熔化，加熱時，首先膨脹，然后到達300以上時分解。瀝青質(zhì)在烴中的溶解性比膠質(zhì)差，它溶于芳香烴，不溶于飽和烴。瀝青質(zhì)在稠油的液態(tài)組份中溶解時，首先吸收溶劑而膨脹，然后分散成膠體溶液，瀝青質(zhì)構(gòu)成膠體溶液的固態(tài)分散相。瀝青質(zhì)的溶解是由于在溶液中瀝青質(zhì)顆粒與溶劑分子相互作用的結(jié)果，瀝青質(zhì)在一定條件下分子之間發(fā)生締合和解締，當高粘原油中的瀝青質(zhì)的含量較高而膠質(zhì)含量較少時，瀝青質(zhì)締合為較大的顆粒，使高粘原油具有明顯的非牛頓流體的特征，很大程度上增加了高粘原油的表觀粘度。 高粘原油的組份決定

34、它的性質(zhì)，高粘原油的液相成分一飽和烴、芳香烴、膠質(zhì)分子和固相成分一瀝青質(zhì)分子相互作用，固相成分分散在液相成分中形成膠體體系。晏德福等人用核磁共振、紅外光譜、X射線衍射譜、電子顯微鏡等各種現(xiàn)代物理方法對瀝青質(zhì)的結(jié)構(gòu)進行了系統(tǒng)地研究，提出了一個能全面反映瀝青質(zhì)膠束結(jié)構(gòu)的模型，這個模型被許多研究證明足正確的。按照這個模型，瀝青質(zhì)是形成膠束的基本單元，它具有強烈的自締合趨勢.其分子中的多環(huán)芳香結(jié)構(gòu)部分易于堆集為).舀部有序的結(jié)構(gòu)一似晶締合體，似晶締合體與膠質(zhì)之間相互締合形成膠束，膠束和膠束還會聚集為超膠束，膠束和超膠束構(gòu)成稠油膠體體系的分散相，膠束的表面和內(nèi)部吸附有可溶質(zhì)，可溶質(zhì)中相對分子質(zhì)量最大、芳

35、香性最強的分子質(zhì)點最靠近膠束中心，其周圍又吸附一些芳香性較低的組份，依次類推，逐漸幾乎連續(xù)地過渡到膠束間相，瀝青質(zhì)膠體模型如圖2. 1所示，。 當瀝青質(zhì)含量不高(例如10%以下)時，這時高粘原油可以視為真溶液或分散度非常高的近似真溶液，這種溶液具有牛頓液體的性質(zhì)，粘度與應力成正比，這種膠體體系為溶膠型體系。當瀝青質(zhì)的濃度增大，若可溶質(zhì)沒有足夠的芳香組份，分散介質(zhì)的溶解力不夠，生成的膠團較大，或由于分子聚集體的形成而生成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，這時高粘原油具有結(jié)構(gòu)粘度，表現(xiàn)出非牛頓流體的性質(zhì)，這類膠體體系為凝膠體系。膠團的大小在lnm-1 u m之間。微波處理的高粘原油樣品就屬于這種類型。當溫度升高時，膠團漸

36、漸解締或膠質(zhì)從瀝青質(zhì)吸附中心脫附下來，脫附的原因主要是由于在高溫下，外相的溶解能力增加，膠團遭到破壞，粘度降低。2.2實驗條件1,高粘原油油樣 為充分揭示高粘原油微波降粘機理，增強機理研究的可靠性，分別收集了遼河、大港、勝利、吐哈等四種不同類屬的稠油油樣(均未脫水)進行微波處理實驗。 實驗儀器 915MHz, 2450MHz微波發(fā)射源，微波諧振腔，HAAKE-RV20旋轉(zhuǎn)粘度計，凝點測定儀，傅立葉變換紅外光譜儀(FIS)，hp5880A氣相色譜儀(GC)，hp色質(zhì)聯(lián)用儀(GC/MS)，IATROSCNMK一5棒色譜分析儀(TLC-FID)。 油樣在微波長時間作用下，會有大量氣體溢出，為了收集溢

37、出來的氣體組份，裝有油樣的容器需密閉，同時又要防止容器在高溫高壓下發(fā)生爆炸危險，用聚四氟乙烯材料設(shè)計加工了微波加熱容器。實驗裝置如圖2. 2所示: 3、微波頻率、功率的選擇 微波對物質(zhì)的作用是通過離子遷移和極性分子的轉(zhuǎn)移，使分子運動而實現(xiàn)的。不同的物質(zhì)其化學鍵不同，從而具備不同的固有頻率，也就是說只有當微波作用的頻率與高分子烴類的共振頻率相近時，高分子烴類才可能發(fā)生共振，斷裂為小分子，從而改變膠體分散體系的性質(zhì)，因此微波發(fā)射源頻率的選擇較為重要。本實驗采用的頻率為915MHz. 2450MHz，輻射功率暫定為3KW，分別進行連續(xù)和間斷輻射。 4、輻射方式的確定 通過初步實驗，研究了連續(xù)輻射和間

38、斷輻射方式對作用效果的影響情況，實驗結(jié)果如表2. 1所示。由實驗結(jié)果可知，連續(xù)輻射和間斷輻射對微波降粘效果影響不顯著，故以下均采用連續(xù)輻射。2.3實驗內(nèi)容1、以兩種頻率，即915MHz, 2450MHz的微波在不同的輻射時間和不同的微波功率下以連續(xù)的輻射方式對高粘原油進行了照射處理實驗。 對高粘原油的流變參數(shù)(如粘度、凝固點等)在微波作用前后進行測定，觀察微波對高粘原油作用時，是否引發(fā)了高粘原油流變性的改變。 3、如果微波作用引發(fā)了高粘原油粘度、凝固點等流變性的變化，對微波作用前后的高粘原油做進一步的紅外光譜、棒色譜和色譜/質(zhì)譜分析，研究微波對高粘原油作用引發(fā)高粘原油流變性的改變，是否是由于微

39、波的作用使高粘原油的化學組成發(fā)生了變化。 4、采用SARA四組份分離法，將高粘油進行四組份分離，對分離出來的高粘油組份分別進行微波作用，并通過對微波作用前后各組份的色譜分析和紅外光譜分析，以及流變性測試，研究作用前后組成的變化情況，進而分析微波作用的直接原因。 5、對高粘油采用微波分別進行不同作用時間的處理，分別測量不同作用時間后的流變參數(shù)及組份變化情況，分析微波對高粘油的最大作用效果。2.4實驗結(jié)果及分析2.4.1高粘油流變性的變化2.4.1.1粘度的變化 粘度是描述流體流變性的重要流變參數(shù)，它直接關(guān)系著流體的流動狀態(tài)。HAAKE-RV30旋轉(zhuǎn)粘度計具有精度高，靈敏性好，使用范圍廣的特點，它

40、除可以準確測量流體的粘度外，還可測定流體的流變性、屈服點、觸變性及其恢復、彈性等。在測量粘度時，首先根據(jù)粘度的大致范圍選擇測試探頭和剪切速率，然后再進行測量，改變溫度，即可得到粘度溫度曲線。 為研究微波降粘的效果，采用HAAKE-RV30旋轉(zhuǎn)粘度計，根據(jù)稠油粘度范圍選擇NV測量系統(tǒng)，50s-的剪切速率(此測試條件下儀器測量數(shù)據(jù)重復性為0. 7，可比性為2%)，對不同稠油微波作用前后的粘度進行測量，并做出了粘度一溫度曲線，實驗結(jié)果如表2. 2-2. 6及圖2. 3-2. 7所示。 不同原油的化學組成不同(詳見表2. 8)，其高分子稠環(huán)芳烴一一膠質(zhì)、瀝青質(zhì)含量相差較大，從而宏觀表現(xiàn)為不同稠油的粘度

41、相差較大。勝利、吐哈、大港、遼河稠油(均含地層水)經(jīng)微波作用后粘度均有不同程度的降低。其中勝利稠油的粘度降低了2196 (40 0C )，大港稠油粘度降低了3096 (25 0C )，遼河稠油粘度降低了15% (350C)，吐哈稠油粘度降低 43%(500C)。 微波降粘效果在不同的溫度下表現(xiàn)程度不同。溫度較低時原油的微波降粘效果顯著，但隨著體系溫度的升高，原油的微波降粘效果不明顯。因此，微波作用能夠改善高粘油的低溫流動性。 不同的稠油，其化學組成也不同，特別是非烴化合物(膠質(zhì)、瀝青質(zhì))的組成、含量不同。不同物質(zhì)和不同類型化學鍵對溫度、微波的降粘作用感受性不同，從而導致微波降粘的溫度范圍不同，

42、勝利原油在90以下，吐哈稠油在80以下，大港稠油在60以下，遼河稠油在80以下均存在明顯的微波降粘作用。 稠油是否脫水經(jīng)微波處理后其降粘效果相差較大。由表2. 5, 2. 6知，未脫地層水的遼河稠油微波作用后其降粘效果明顯，而脫過地層水的遼河稠油微波作用后粘度無明顯變化。這可能是由于地層水中無機離子間的協(xié)同作用促進了微波降粘效果，而脫水稠油喪失了這種協(xié)同作用，這點還有待于進一步考證。 粘度是流體內(nèi)部分子間摩擦力的宏觀反映，與流體的化學組成及分子的大小、結(jié)構(gòu)、分散性等性質(zhì)有關(guān)。根據(jù)高粘原油的結(jié)構(gòu)性質(zhì)特征，高粘原油的高粘實質(zhì)是膠質(zhì)瀝青質(zhì)分散形成具有一定結(jié)構(gòu)強度的凝膠體系。高粘油的粘度大小，與分散相

43、膠質(zhì)瀝青質(zhì)分子大小，飽和烴、芳香烴等分散介質(zhì)的含量，以及膠質(zhì)瀝青質(zhì)的分散程度有關(guān)。稠油在微波作用后，降低后的粘度經(jīng)過較長時間(約2個月)仍然保持不變，即存在稠油粘度降低的不可逆性，說明微波對稠油作用與常規(guī)的加熱作用效果是不同的。高粘油中膠質(zhì)瀝青質(zhì)分子大小，飽和烴、芳香烴等分散介質(zhì)的含量，以及膠質(zhì)瀝青質(zhì)的分散程度理應全部或部分發(fā)生了變化，究竟哪些因素發(fā)生了變化，哪個因素起主要作用，有待于進一步的深入分析。2.4.1.2原油凝固點的變化 依GB51083鋇組定了微波作用前后各油樣的凝固點，實驗結(jié)果如表2. 7所示。 憲2_7微油作用前后稠油舒占奪讓倍淘. 從表2. 7可知，微波作用后各稠油樣品的凝

44、固點均有較大的變化。 原油的凝固點受構(gòu)造凝固和粘溫凝固兩方面的影響。構(gòu)造凝固是由于原油中含蠟(正構(gòu)烷烴)量偏大而導致的，烷烴鏈越長，凝點越高;粘溫凝固則是由于原油含較多的膠質(zhì)瀝青質(zhì)等高粘度物質(zhì)所導致。不同產(chǎn)地的原油其組成不同，凝固點也不同。由于在微波的作用下，體系溫度雖然不高，但有可能由于非熱效應的存在，使高凝點的正構(gòu)烷烴、高粘度的膠質(zhì)瀝青質(zhì)發(fā)生共振，正構(gòu)烷烴長鏈斷裂，瀝青質(zhì)縮聚度降低，因而不但降低了發(fā)生構(gòu)造凝固的可能性，而且也降低了發(fā)生粘溫凝固的可能性，從而導致稠油凝固點降低。因此通過微波的非熱效應，一方面降低了稠油的粘度，另一方面也降低了稠油的凝固點，對稠油的開采、集輸具有重要現(xiàn)實意義。

45、微波對高粘原油作用可以降低高粘原油的粘度、凝固點，改善高粘原油的流變性，這種降低和改善經(jīng)過較長時間(約2個月)仍能保持不變，這是原油中的組份發(fā)生裂解，產(chǎn)生不可逆變化所致，它與高粘原油的常規(guī)加熱降粘機理顯然是不同的。2.4.2高粘油組份的變化2.4.2.1族組成分析 稠油中的非烴化合物、稠環(huán)芳烴等高分子物質(zhì)主要富集在膠質(zhì)、瀝青質(zhì)中，膠質(zhì)、瀝青質(zhì)間并無明顯的界限，只不過兩者在低分子正構(gòu)烷烴中的溶解度不同，膠質(zhì)和瀝青質(zhì)在組成結(jié)構(gòu)上是相似的。瀝青質(zhì)較膠質(zhì)而言，分子量、極性更大，分子縮聚度更大，粘度更大，膠質(zhì)和瀝青質(zhì)的存在會使稠油的粘度大大增加。但兩者在一定條件下可以相互轉(zhuǎn)化，從而影響石油膠體分散體系的

46、族組成和分散狀態(tài)，進一步改變分散體系的性質(zhì)。 為了分析微波作用后稠油粘度降低的內(nèi)在原因，有必要對稠油進行微波作用前后的組份分析。經(jīng)典的氧化鋁吸附法費時，而薄層色譜(TLC)與氫火焰離子化檢測器(FID)相結(jié)合，以氧化鋁涂制在TLC燒結(jié)棒上，進行點樣和色譜展開，以恒速通過檢測器火焰，各組份被自動掃描，從而得出原油中各組份的含量。該方法定量線性關(guān)系良好，準確度在色譜分析允許范圍內(nèi)，是一種簡捷的測定稠油組成的快速方法49J0 為此依照RIPP 10-90試驗方法，采用TCI. FID法對微波作用前后的稠油油樣進行了族組成分析，分析結(jié)果如表2. 8所示。 表2. 8微波作用前后稠油族如成奪化在，增加了

47、分散體系的極性，使稠油在微波作用下吸收微波能量提高分子運動速度的能力增強，同時增加了分子間的碰撞頻率，促進了微波輻射時瀝青質(zhì)的轉(zhuǎn)化，提高了瀝青質(zhì)和長鏈正構(gòu)烷烴的降解程度，從而改變了稠油四組份組合比例，使體系中膠束的數(shù)量、尺寸減少，對微波降粘具有積極的貢獻。2.4.2.2特定官能團分析 一個化合物的紅外吸收光譜(IR)，基本上就是特定官能團吸收帶的重疊。由于不同分子內(nèi)原子間的微細作用，每一個化合物的光譜具有它本身的特征。對于定性分析，紅外吸收光譜可以借助于特定頻率區(qū)吸收峰的強弱來說明含特定官能團分子在混合物中含量的多少，、凡。:0 利用傅立葉變換紅外光譜儀(FIS)，采用涂片法對微波作用前后的稠

48、油進行了光譜分析(涂前稠油中水分用濾紙充分吸干，涂片厚度以透光率X90%為準，所有樣品均采用此條件)，紅外吸收光譜圖見圖2. 8-2. 190圖2.18遼河稠油4kW, lmin作用后紅外光譜圖圖2.19遼河稠油SkW,lmin作用后紅外光譜圖 對1680- 1536cm及1401一1320cm吸收峰進行積分，峰面積積分結(jié)果如表2. 9所示。表2.9 2450MHz微波作用前后稠油紅外吸收光譜積分面積變化*表中a代表1680-1536cm-，吸收峰和1401-1320cm，吸收峰峰面積的比值;a, , a2分別為作用前后的比值 從表2. 9微波作用前后IR譜圖積分面積變化知1680-1536c

49、m，范圍內(nèi)C=C吸收峰的積分面積與1401-1320cm范圍內(nèi)-H。吸收峰的積分面積之比增大，充分說明微觀作用后原油中稠環(huán)芳烴減少，小分子芳烴增加，芳烴/飽和烴增大，分散體系的分散性變好，粘度下降。 (a2 a,) / a、值隨原油中瀝青質(zhì)的增加而提高，脫過水的遼河稠油(a2 a,) / a:值較未脫水的遼河原油(a2 a,) / a，值低，這些都充分說明了非烴極性物質(zhì)對微波的吸收能力強，有助于提高微波降粘效果。除了勝利原油(az a,) / a:值高達10. 0以外，其余原油的(a2 a,) / a:值在5. 0-5. 5之間，這可能與勝利原油含有大量有機金屬化合物有關(guān)。2.4.2.3生物標

50、記物分析 菇類化合物(Terpenoids),鑿族化合物(steroids)都是石油中的重要生物標記物，通過對它們的分析可以進一步探討石油在微波作用下發(fā)生的變化49. 52.5，。對微波作用前后遼河原油進行色質(zhì)(GC / MS)聯(lián)機分析，實驗結(jié)果如圖2. 20-r2. 23所示。 上述分子參數(shù)存在顯著變化的有3/4, 5/12, 9/10，可以肯定稠油在微波作用前后其幽類化合物分子組成發(fā)生了變化，圖中化合物定性見表2. l00 表2. 10 M/Z217質(zhì)量色譜圖的寧性 微波作用后幽類，五環(huán)三菇類化合物分子組成發(fā)生的變化同微波降粘之間的關(guān)系有待進一步研究。 總之，通過對微波作用前后的高粘原油紅

51、外光譜、棒色譜和色譜/質(zhì)譜分析等化學分析表明，由于微波作用使高粘原油中膠質(zhì)瀝青質(zhì)分子鏈斷裂，產(chǎn)生低分子化合物烴類，使高粘原油化學組成發(fā)生了變化，隨著分散體系中瀝青質(zhì)等高粘度組份的減少，分散介質(zhì)中低分子飽和烴的增加，宏觀表現(xiàn)為微波作用后原油粘度下降和流變性的改蓋 由于實驗中油樣被微波加熱的溫度遠遠低于油樣發(fā)生熱裂解的溫度，因此該種組份改變不是常規(guī)熱效應意義上的變化。分析認為可能有兩種原因，第一:有可能由于微波的作用降低了膠質(zhì)瀝青質(zhì)分子鏈斷裂的活化能而產(chǎn)生非熱效應意義上的改變，也即說明微波對原油作用有可能存在“非熱效應”:第二:可能由于微波加熱具有選擇性，原油不同組份的介電損耗不同，膠質(zhì)瀝青質(zhì)的介

52、電損耗要高于飽和烴、芳香烴，使得膠質(zhì)瀝青質(zhì)的局部溫度達到了其熱裂解溫度，即由于局部過熱產(chǎn)生熱裂解造成。究竟是哪一種或二者皆有有待于進一步分析。2.4.3微波對高粘油組份單獨作用后變化情況 微波對高粘原油作用前后的T1C-FID, FIS, GC / MS分析，分別從族組成、特定官能團、重要生物標記物變化方面分析了微波作用前后稠油的族組成、分散相組成及形式等方面的變化，說明了微波降粘及改善流變性的原因，即高粘原油化學組成發(fā)生了變化。但這種變化又是由何種原因引起，即微波降粘及改善流變性的直接原因，需從微波對高粘油組份單獨作用后的變化情況作進一步的分析。 為此，依圖2. 24的方法將微波作用前后稠油

53、分離為飽和分、芳香分、膠質(zhì)、瀝青質(zhì)四組份。 將分離出來的組份飽和烴、芳香烴及膠質(zhì)瀝青質(zhì)分別進行微波處理，并進行微波作用前后的色譜分析和紅外光譜分析，分析作用前后組成的變化情況。.習刁.獷.翎.口J悶.戶.口，J二悶滬仁皿幾幾聲J產(chǎn)，二r v七，.J二2.4.3.1飽和烴組成分析 實際上稠油的粘度不僅與流體的溫度有關(guān)，而且還與稠油中正構(gòu)烷烴數(shù)量的多少和分子鏈的長短有直接的關(guān)系。為此，有必要研究微波作用前后正構(gòu)烷烴單體烴的變化規(guī)律。對飽和烴柴油單獨進行微波作用，并依R I PP 79-80試驗方法，利用hp5880A氣相色譜測定微波作用前后柴油中的正構(gòu)烷烴含量，色譜測試條件如表2. 12所示。 表

54、2.12 hp5880A分析測試條件2.4.3.1飽和烴組成分析 實際上稠油的粘度不僅與流體的溫度有關(guān)，而且還與稠油中正構(gòu)烷烴數(shù)量的多少和分子鏈的長短有直接的關(guān)系。為此，有必要研究微波作用前后正構(gòu)烷烴單體烴的變化規(guī)律。對飽和烴柴油單獨進行微波作用，并依R I PP 79-80試驗方法，利用hp5880A氣相色譜測定微波作用前后柴油中的正構(gòu)烷烴含量，色譜測試條件如表2. 12所示。 表2.12 hp5880A分析測試條件 從表2.13可知，微波作用后柴油中長鏈正構(gòu)烷烴含量減少，短鏈正構(gòu)烷烴數(shù)量增加，充分說明了分子中的正構(gòu)烷烴在微波的作用下發(fā)生了分子的斷裂反應，使大分子烴類減少，對降低石油分散體系

55、粘度具有積極作用。正構(gòu)烷烴隨碳鏈的增長，分子發(fā)生斷裂的可能性增加。而所含烷烴的鏈越長，原油粘度越高，因此，對于粘度較大的稠油來說微波作用后斷鏈降粘的效果應更顯著。 同時，微波加熱過程中，柴油溫度遠遠低于柴油的熱裂解溫度(2000C )，因此可以認為微波作用存在“非熱效應”，即由于微波的作用降低了柴油分子鏈斷裂的活化能，使柴油在低于其熱裂解溫度條件下發(fā)生了熱裂解。2.4.3.2芳烴組成分析 對分離獲得的芳烴單獨進行微波作用，并測定微波作用前后芳烴的紅外吸收光譜，如圖2. 27-2. 28所示。 從圖2. 27-2. 28中可知，芳烴在微波作用前后組份基本無變化，說明微波對芳烴不存在“非熱效應”和

56、熱裂解作用，進一步說明微波作用對原油組份具有選擇性。 微波對物質(zhì)的作用是通過離子遷移和極性分子的轉(zhuǎn)移，使分子運動而實現(xiàn)的。不同的物質(zhì)其化學鍵不同，從而具備不同的固有頻率，只有當微波作用的頻率與高分子烴類的共振頻率相近時，高分子烴類刁可能發(fā)生共振，斷裂為小分子，也即說明不同結(jié)構(gòu)的分子對微波的感受程度不一樣，被加熱物質(zhì)對微波也具有選擇性。2.4.3.3非烴(膠質(zhì)+瀝青質(zhì))組成分析 對分離獲得的非烴(膠質(zhì)+瀝青質(zhì))單獨進行微波處理，測定微波處理前后的紅外吸收光譜如圖2. 29-2. 30所示。 從圖2. 292. 30知，微波作用后非烴(膠質(zhì)十瀝青質(zhì))組份撥基吸收峰(3450cm )有所降低。 并對

57、非烴(膠質(zhì)+瀝青質(zhì))在微波作用后產(chǎn)生的輕質(zhì)組份氣體用煤油回收，進行氣相色譜分析，如圖2. 31 -2. 32所示。 從圖2. 31 -2. 32知，吸收微波作用非烴(膠質(zhì)+瀝青質(zhì))組份析出的氣體后，煤油中小于C。的輕質(zhì)組份含量增加，而大于C、的組份含量未見明顯的變化。 這充分說明了在微波的作用下，非烴(膠質(zhì)+瀝青質(zhì))長鏈大分子發(fā)生斷鏈，析出大量的輕質(zhì)組份和氣體。 在實驗過程中發(fā)現(xiàn)，當一定功率的微波作用于膠質(zhì)瀝青質(zhì)樣品時，在極短的時間內(nèi)(Tz+(10-150C) (T油溫，Tz原油的疑點)，原油中的蠟晶顆?；旧先咳芙?，成為假均勻溶液，或者說，雖有蠟晶顆粒、瀝青質(zhì)等分散相存在，但濃度低，且處在

58、高度分散狀態(tài)，即可視為稀的細分散體系。含蠟原油的動力粘度p是溫度的單值函數(shù)，即粘度與溫度一一對應，可用方程1 g a =A-BT來描述屬于牛頓流體溫度范圍內(nèi)的粘溫關(guān)系。當含蠟原油的溫度在某一范圍內(nèi)，如Tz+(2-v40C) TTz+(10150C) ,隨著油溫的下降，蠟晶析出量增多，即體系的分散顆粒濃度增加，成為細分散懸浮體系，外力作用已對顆粒間的相互作用產(chǎn)生影響，體系內(nèi)部物理構(gòu)成在變化，如顆粒的取向、形狀和排列等起變化。在該溫度范圍內(nèi)，含蠟原油表現(xiàn)出假塑性流體特性，而且常常伴隨有觸變性。當含蠟原油的溫度繼續(xù)下降，即油溫在凝點附近或更低，如TTz，原油中蠟晶析出量增多，體系中分散顆粒的濃度大大

59、增加，顆粒之間開始連成網(wǎng)絡(luò)，體系內(nèi)部物理結(jié)構(gòu)發(fā)生了質(zhì)的變化。原來為連續(xù)相的液態(tài)烴逐漸成為分散相，原來為分散相的蠟品顆粒卻逐漸連成網(wǎng)絡(luò)而成為連續(xù)相。此時的含蠟原油具有觸變、屈服一假塑性體特性。 從粘溫曲線的變化趨勢，結(jié)合實驗數(shù)據(jù)可以確定表征粘度、表觀粘度隨溫度變化規(guī)律的三個特征溫度:T*、T反、T失。它們雖然不是一個精確的數(shù)值，確定方法也較粗糙，但對于管道工程的工藝設(shè)計和生產(chǎn)管理是有參考價值的。 利用HAAKE-RV30旋轉(zhuǎn)粘度計，分別測量了模擬油及高凝油油樣微波作用前后在不同溫度下的粘度值，并根據(jù)實驗結(jié)果繪出了相應的粘溫曲線(如圖3. 10-3. 16所示)。 從實驗結(jié)果可以看出，微波作用后，

60、在較低的溫度下(非牛頓區(qū))，含蠟原油的粘度均有一定程度地降低，但在較高的溫度下，含蠟原油的粘度基本不變甚至有所上升，說明微波處理具有非常明顯的改善原油低溫流動性的效果。 分析其原因，在于微波對原油處理后，可能改變了蠟晶形態(tài)，降低了含蠟原油的三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)強度，改善了含蠟原油的流動性。在較高溫度下(牛頓區(qū))，蠟晶顆粒基本上全部溶解，沒有形成網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，為假均勻溶液，影響含蠟原油的粘度的因素主要是連續(xù)相的粘度，由于含蠟原油在微波處理實驗中，沒有做到密閉，致使部份輕質(zhì)烴揮發(fā)，使得連續(xù)相的粘度有所上升，導致在較高的溫度下，含蠟原油的粘度卻有所上升。如果微波處理是密閉流程，則在整個溫度段，都可降低含蠟原油的