海洋平台原油处理设备中超声降黏效果研究.pdf

能源化工Energy Chemical Industry第 44 卷第 4 期2023 年 8 月Vol.44 No.4Aug.,2023海洋平台原油处理设备中超声降黏效果研究鞠朋朋1，刘博1*，杨施颖21.海洋石油工程股份有限公司设计院，天津 300461；2.中海石油(中国)有限公司天津分公司渤海石油研究院，天津 300461摘要：采用原油超声处理试验装置，分析了超声作用时间、作用温度、超声频率、超声功率、原油黏度变化对降黏效果的影响。结果表明，当温度低于 70 时，超声处理促使原油黏度显著降低，温度高于 70 时，原油经过超声处理后黏度反而增加，主要是空化阈值的影响结果。随着超声作用时间的变大，原油超声处理后降黏率先升高后降低，主要与超声热作用相关。超声功率变大后，达到相同的超声空化效果所需要的时间变短，最优超声作用时间变短。随着超声功率的增大，超声降黏率先升高后降低，存在临界最优超声功率。超声处理降黏对于 50、黏度为 5001 081 mPa s 的原油降黏效果较好。关键词：海洋平台；原油处理；超声波；降黏效果中图分类号：TE86 文献标志码：A 文章编号：2095-9834(2023)04-0043-04引文格式：鞠朋朋,刘博,杨施颖.海洋平台原油处理设备中超声降黏效果研究 J.能源化工,2023,44(4):43-46.Research on ultrasonic viscosity reduction characteristics of crude oil processing equipment on offshore platformsJU Pengpeng1,LIU Bo1,YANG Shiying2(1.Design Institute of Offshore Oil Engineering Co.,Ltd.,Tianjin 300461,China;2.Bohai Petroleum Research Institute,Tianjin Branch,CNOOC China Limited.,Tianjin 300461,China)Abstract:Using the crude oil ultrasonic treatment experimental device,the effects of ultrasonic action time,action temperature,ultrasonic frequency,ultrasonic power,and crude oil viscosity changes on the viscosity reduction characteristics are analyzed.The results show that when the temperature is lower than 70 ,the viscosity of crude oil is significantly reduced by ultrasonic treatment.When the temperature is higher than 70 ,the viscosity of crude oil after ultrasonic treatment increases,mainly due to the effect of the cavitation threshold.With the increase of ultrasonic action time,the viscosity reduction of crude oil after ultrasonic treatment increases first and then decreases,which is mainly related to the thermal effect of ultrasound.When the ultrasonic power increases,the time required to achieve the same ultrasonic cavitation effect becomes shorter,and the optimal ultrasonic action time becomes shorter.With the increase of ultrasonic power,ultrasonic viscosity reduction first increases and then decreases,and there is a critical optimal ultrasonic power.The viscosity reduction effect of ultrasonic treatment is better for crude oil with viscosity ranging from 500 mPa s to 1 081 mPa s at 50 .Key words:offshore platform;crude oil treatment;ultrasonic;viscosity reduction effect收稿日期：2022-12-02。作者简介：鞠朋朋(1981)，男，山东东营人，本科，高级工程师，现主要从事平台工艺设计、水下工艺设计、深水流动保障设计等方面技术和管理工作。E-mail：。*通信作者：刘博(1990)，男，天津人，硕士，工程师，现主要从事油气储运工艺流程设计方面的工作。E-mail：。海洋平台空间有限，原油处理设备体积的增加与质量的提升会大大提高海洋平台的建造成本。采研究与开发44能源化工2023 年 8 月用超声处理原油，可有效降低原油黏度，提高处理效率，降低处理设备体积1-3。徐德龙等4对委内瑞拉和风城的超重原油进行超声处理，发现超重油掺入柴油后经超声处理反而会促使其黏度升高，而对水包油体系进行超声处理可有效降低体系黏度。乔健鑫等5研究了超声对老化油的处理效果，发现超声作用时间随着超声功率的增加而缩短，同时，当超声功率一定时，径向振动也会提高降黏效果。笔者主要研究了海洋平台原油处理设备中的超声模块，考察了超声作用时间、作用温度、超声频率、超声功率、原油黏度变化对降黏效果的影响，以提高设备的原油处理效率6-7，对原油处理设备模块设计及运行参数优化具有重要意义。1试验部分1.1试验装置采用超声波发生器产生超声波，超声波发生器可控制超声频率和超声功率，将 100 mL 的原油装入烧杯内，对烧杯进行加热并控制试验温度。待原油温度上升至试验温度后，超声波换能器向原油内发射超声波并开始计时。将旋转流变仪测量筒加温至试验温度，当超声处理达到规定时间后，取出原油置于旋转流变仪内，剪切速率设置为 100 s-1，测量原油黏度数据。同时，采用旋转流变仪测量不同温度下未经超声处理原油的黏度。1.2基础参数考察作用温度、作用时间、超声频率、超声功率、原油黏度等因素对原油超声降黏效果的影响。作用温度控制变化范围为 3090，梯度为 10；作用时间控制变化范围为 15 min，梯度为 1 min；超声频率控制变化为 20，25，33，40 kHz；超声功率控制变化范围为 100500 W，梯度为 50 W；采用 6 种不同黏度的某油田原油进行试验，50 下油品、油品、油品、油品、油品、油品的黏度分别为 171，507，862，1 081，3 217，5 667 mPa s。2结果与讨论2.1作用温度对超声降黏的影响采用油品，超声作用时间设置为 3 min，超声频率设置为 25 kHz，超声功率设置为 200 W，控制试验温度由 30 升高至 90，考察不同作用温度下的超声降黏效果，结果见图 1。图1不同作用温度下的超声降黏效果由图 1 可见：当温度低于 70 时，超声处理促使原油黏度显著降低，温度高于 70 时，原油经过超声处理后黏度反而增加。其主要原因是，温度过高时，超声热作用导致原油温度升高幅度较大，原油内的轻质组分快速挥发，原油内的重组分焦炭化，黏度反而升高。通过降黏率曲线可知，当温度为 30 时，降黏率可达 70.2%；当温度升高至 70 时，降黏率降低至 5.7%；当温度进一步升高至90 时，黏度反而升高了 13.5%。随着温度的升高，超声降黏效果逐渐降低。其主要原因是，空化阈值主要受液体黏度的影响，液体黏度越高，空化阈值越低，空化作用最容易发生。在高温下，原油黏度降低，空化阈值降低导致超声作用减弱，超声的降黏效果随之降低。2.2作用时间对超声降黏的影响采用油品，超声作用温度设置为 40，超声频率设置为 25 kHz，超声功率分别设置为 200，300 W，控制作用时间由 1 min 升至 5 min，考察不同作用时间下的超声降黏效果，结果分别见图 2 和图 3。图2不同作用时间下的超声降黏效果(200 W)由图 2 可见：超声功率为 200 W 时，随着超声作用时间的延长，超声处理的原油黏度先降低后升高，降黏率先升高后降低，临界作用时间为 3 45第 44 卷第 4 期min。超声作用时间为 1 min 时，原油黏度降至 918 mPa s，降黏率为 32.1%；超声作用时间延长至 3 min 时，原油黏度降至 501.6 mPa s，降黏率升高至 62.9%；超声作用时间继续延长至 5 min 时，原油黏度反而升高至 1 072.1 mPa s，降黏率降低至20.7%。因此，在超声功率为 200 W 时，超声作用时间优选 3 min。其主要原因是，超声作用时间直接影响了超声热作用，随着超声作用时间的变大，超声对原油的作用增强，原油的黏度下降，降黏率升高。当超声作用时间继续延长时，在超声热作用的影响下，原油的温度急剧升高，轻质组分开始挥发，原油的黏度反而升高，降黏率下降。图3不同作用时间下的超声降黏效果(300 W）由图 3 可见：当超声功率为 300 W，超声作用时间为 1 min 时，原油黏度降低至 632.7 mPa s，降黏率为 53.2%；超声作用时间延长至 2 min 时，原油黏度降低至 320.4 mPa s，降黏率升高至76.3%；超声作用时间继续延长至 5 min 时，原油黏度反而升高至 957.2 mPa s，降黏率降低至29.2%，最优超声作用时间为 2 min。综合分析，超声功率由 200 W 升高至 300 W 时，最优超声作用时间由 3 min 缩短至 2 min。其主要原因是，超声功率变大后，达到相同的超声空化效果所需要的时间变短，因此最优超声作用时间也相应变短。2.3超声频率对超声降黏的影响采用油品，超声作用时间设置为 3 min，作用温度设置为 40，超声功率设置为 200 W，控制超声频率由 20 kHz 升高至 40 kHz，得到不同超声频率下的超声降黏效果，结果分别见图 4 和图 5。由图 45 可见：随着超声频率的升高，原油黏度整体略有升高，降黏率整体略有降低，但变化幅度并不明显。在 30 时，超声频率由 20 kHz 升高至 40 kHz 时，降黏率由 73.3%降低至 64.4%；在70 时，超声频率由 20 kHz 升高至 40 kHz 时，降图4不同超声频率下原油黏度的变化图5不同超声频率下降黏率的变化黏率由9.5%降低至3.4%。在不同温度下，超声频率变化对降黏率变化幅度的影响基本一致，幅度变化均在10%之内。因此，超声频率对其降黏效果的影响并不显著。2.4超声功率对超声降黏的影响采用油品，超声作用时间设置为 3 min，作用温度设置为 40，超声频率设置为 25 kHz，控制超声功率由 100 W 升高至 500 W，得到不同超声功率下的超声降黏效果，结果见图 6。图6不同超声功率下的超声降黏效果由图 6 可见：随着超声功率的增大，原油黏度先降低后升高，降黏率先升高后降低，存在临界的最优超声功率。当超声功率为 100 W 时，原油黏度为 653.0 mPa s，降黏率为 51.7%；当超声功率升高至 400 W 时，原油黏度降低至最低值 285.3 mPa s，降黏率升高至最高值 78.9%；当超声功率鞠朋朋,等.海洋平台原油处理设备中超声降黏效果研究46能源化工2023 年 8 月继续升高至 500 W 时，原油黏度不再降低，反而升高至 428.6 mPa s，降黏率不再升高，反而降低至 68.3%。因此，对于试验油品，最优超声功率为400 W。超声功率与空化阈值、空化强度有直接关系，在超声功率较低时，随着超声功率的增加，空化阈值降低，空化强度变大，空化作用增强，气泡破灭向外发射的能量增大，降黏效果变大。在超声功率较高时，超声空化作用不再是主导因素，强烈的热作用促使轻质组分挥发，重质组分焦炭化，在超声机械作用的影响下，焦炭化重组分颗粒向原油内部各个区域扩散，使原油黏度变大，降黏率升高。2.5原油黏度对超声降黏的影响超声作用时间设置为 3 min，作用温度设置为50，超声频率设置为 25 kHz，超声功率设置为200 W，采用油品 作为试验介质，得到在不同原油黏度下的超声降黏效果，结果见图 7。图7不同原油黏度下的超声降黏效果由图 7 可见：油品至油品的黏度依次上升，50 下黏度分别为 171，507，862，1 081，3 217，5 667 mPa s。油品超声处理的降黏率为17.8%；油品、油品、油品超声处理的降黏率分别为 32.4%，62.9%，46.3%；油品、油品经过超声处理后，黏度反而升高，降黏率为-7.6%和-13.6%。由此可见，对于黏度较低的原油，超声处理后黏度虽然降低，但是降黏率并不高。对于 50 下黏度为 5001 081 mPa s 的原油，超声的降黏效果较为显著，降黏率普遍高于 30%，最高可达 60%以上。而对于 50 下黏度超过 3 000 mPa s 的稠油，超声处理不仅无法降黏，反而会使原油黏度升高。因此，超声处理降黏具有一定的适用范围，对于 50 下黏度为 5001 081 mPa s的原油降黏效果较好。其主要原因是，黏度较大的原油重组分含量较高，超声处理促使胶质沥青质等大分子物质溶解，胶质沥青质导致原油的屈服压力变大，黏度随之变大。3结论针对海洋平台原油处理设备中的超声模块，分析超声作用时间、作用温度、超声频率、超声功率、原油黏度变化对降黏效果的影响，得到如下结论。1)当温度低于 70 时，超声处理促使原油黏度显著降低，温度高于 70 时，原油经过超声处理后黏度反而增加，主要是空化阈值的影响结果。2)随着超声作用时间的变大，超声处理的原油黏度先降低后增加，降黏率先升高后降低，这主要与超声热作用有关。3)超声功率由 200 W 升高至 300 W 时，最优超声作用时间由3 min缩短至2 min。其主要原因是，超声功率变大后，达到相同的超声空化效果所需要的时间变短，最优超声作用时间变短。4)随着超声功率的增大，原油黏度先降低后升高，降黏率先升高后降低，存在临界最优超声功率，这是空化阈值、空化强度、超声热作用共同影响的结果。5)对于 50 下黏度超过 3 000 mPa s 的稠油，超声处理不仅无法降黏，反而会使原油黏度升高。超声处理降黏具有一定的适用范围，对于 50 下黏度为 5001 081 mPa s 的原油降黏效果较好。参考文献：1 张帮亮,肖振禹,蔡泽康,等.120 kHz超声波对原油降粘影响的实验研究J.广东石油化工学院学报,2015,25(4):39-41,46.2 岳宝林,刘斌,石鸿福,等.渤海不同黏度油藏水驱开发特征研究J.非常规油气,2021,8(4):62-67.3 华强,谭冬寒,田世澄,等.稠油采出液超声波降粘实验研究J.科技通报,2018,34(2):28-31.4 徐德龙,邓京军,李超,等.超重油降粘中超声波作用的研究J.声学技术,2014,33(6):517-521.5 乔健鑫,宋文平,于熙洋,等.油田老化油超声波降粘实验研究J.哈尔滨理工大学学报,2019,24(4):42-46.6 王永超.超声波电磁双效应稠油降粘的关键技术研究D.西安:西安石油大学,2019.7 牟海维,袁蕊.超声波降粘、防蜡的机理分析J.电子测试,2013(10):127-128.