专利角度分析管道输送稠油技术.pdf

-33-CHINA SCIENCE AND TECHNOLOGY INFORMATION Apr.2024中国科技信息 2024 年第 7 期专利分析能加热等手段。化学加热方式指的是对稠油本身进行加热使其发生裂化、焦化，将稠油中的大分子结构分解为小分子结构，从而减弱分子间的作用力，实现降粘输送。混合其他液体的方式具体包括加减阻剂、掺水、掺稀、水环、加乳化剂。加减阻剂使其快速均匀地分散到油品中，于管道附近的层流边界层和管中心的絮流核心之间形成弹性的底层，减小絮流核心的区域，抑制弹性底层中漩涡的运动。掺水是指在稠油中掺入大量一定温度的水或活性水，使得稠油形成水包油悬浮液而不发生乳化，达到减少输送阻力的效果。掺稀是指在稠油中掺入稀油作为稀释剂，降低稠油的黏度进行管道输送。水环是指在稠油中掺入水等低粘不相容的液体，并且通过控制流速以在管壁形成稳定水环，包围稠油。加乳化剂是指向稠油中注入表面活性剂和水溶液，并通过混合，将 W/O 乳状液转变为 O/W 乳状液。至于其他方法，包括声波降粘、磁化降粘、微生物降粘、搅拌、振动等物理手段，还有超临界 CO2输送、水平段注气降粘等。全球专利技术分支分析图 2 示出了改善管道输送稠油黏度全球专利技术分支分析。在改善管道输送稠油黏度技术领域中，一级分支而行业曲线开放度创新度生态度检索量持续度可替代度影响力行业关联度专利角度分析管道输送稠油技术刘文丽 朱新新刘文丽 朱新新（等同第一作者）国家知识产权局专利局专利审查协作江苏中心刘文丽（1984），河北沧州，硕士，助理研究员，研究方向：机械领域专利审查和分析。朱新新（1987），河北沧州，硕士，助理研究员，研究方向：机械领域专利审查和分析。图 1 改善管道输送稠油黏度专利技术分支石油工业在整个国家经济体系中处于举足轻重的位置，管道输送是石油运输的重要方式。稠油在进行管道运输时经常因自身高黏度的性质导致管道压降明显，对泵送设备的要求高，并且能源消耗大、运输速度慢，因此对管道内稠油输送技术的研究具有重要意义。管道输送稠油技术分支对管道内输送稠油技术的全球专利进行研究，改善管道内稠油黏度的方式主要包括加热方式、混合其他液体的方式以及其他方式，参见图 1。加热方式包括物理加热方式、化学加热方式。物理加热方式指的是对稠油加热防止其凝固来达到改善黏度的目的，其进一步包括有电/电磁加热、蒸汽加热、剪切加热、太阳中国科技信息 2024 年第 7 期CHINA SCIENCE AND TECHNOLOGY INFORMATION Apr.2024-34-专利分析言，混合其他液体的方式改善管道内稠油黏度是申请量最高的手段，占比高达 52%；其次是加热方式，申请量占比为39%，其他方式的申请量占比为 9%。混合其他液体的方式的二级分支各类型的占比具体为：加减阻剂占比为 21.7%、加乳化剂占比为 15%、掺稀占比为 6%、水环占比为 5.7%、掺水占比为 3.6%。加热方式的二级分支各类型的占比具体为：物理加热降低稠油黏度占比为32%，以及改质，即通过加热使其发生化学反应产生裂化、焦化，占比为 7%。其他方式中包括通过搅拌、振动等物理手段的占比为 3.6%、声波降粘的占比为 2.1%、磁化降粘的占比为2%、微生物降粘的占比为1.3%。由上述分析可知，对于一级分支下的二级分支而言，物理加热降低稠油黏度的方式申请量占比最高，排第二的是加减阻剂降低稠油黏度的方式，加乳化剂的方式申请量占比排第三。物理加热降低稠油黏度物理加热降低稠油黏度按照输送阶段分为预加热和输送过程加热，其中输送过程加热主要包括电/电磁加热、蒸汽加热以及含有剪切加热、太阳能加热等的其它加热方式。以下将针对各种加热方式的技术发展进行详细阐述。预加热输送方式图3示出的是预加热输送方式的技术发展路线。1944年，FR921589A 中就有对稠油进行预加热输送的记载，采用的是加热器直接对油进行加热的方式，加热效率高，具体是通过管道在两个相距很远的地方之间运输石油时，将油加热到一定温度，然后进行处理后输送，加热使用的是加压锅炉，随后US2832363A 中提出了一整套设备在重油输送前进行加热。之后在 1957 年，DE1043218B 中提到采用蒸汽加热的盘管对油进行加热；SU586300A1 中也提到了采用盘管的方式进行热交换，盘管的方式进行热交换的方式至今仍较多应用。1980 年后，JPS56127899A 中提出了原油在电感应器下加热以获得优异的流动性，设置有微波振荡器、波导管，还包括布置用于管道温度测量的传感器，丰富了预加热的方式。2006 年，CA2548563A1 提出了一种设置在油井内的加热器，加热器包括纵向电加热器，容纳柔性主体的外部导热金属管道，对加热器结构和设置位置进行了改进；2008年，CN101372886A 记载了油田用环保、高效加热炉系统的改进，其通过设置 A 型系统和 B 型系统，增加了节能装置、除尘装置、净化装置，达到了节能减排的目的。2010 年，CN102147051A 中还提出了间隔加热的理念，降低油田建设的投资费用。近些年，预加热方式的研究更多元化，包括US2017311393A1 中记载了其它部分的过量热量的再利用，其使用磁感应作为加热的主要来源，考虑补充加热，预热器中的一些可以使用来自感应线圈的过量热量来在废油的流体进入感应加热部分之前预热该流体；同时，采用加热过的油进行循环也一直在使用，以节省热量，如 JP2018159311A，以及对井口电加热器的结构和功能的研究，如 CN104791607A。由分析可知，在预加热输送方式中，加热器地使用到现在依然在加热效率、加热结构上进行改进创新，并越来越注重节能环保；盘管换热器进行换热加热以保持加热温度的方式现今已较为成熟。输送过程加热方式图 4 示出了输送过程中加热方式的技术发展路线。稠油输送过程加热方式按照文献聚类可分为电/电磁加热、蒸汽加热以及含有剪切加热、太阳能加热等的其他加热方式，其中电/电磁加热占比最大，为 75%。1952 年，输送过程加热的方式在 GB729659A 中记载，其采用在管道一侧一体成型管道腔，通过通入热流体对管道进行加热的方式进行。之后又出现了电/电磁加热以及一些剪切加热、太阳能加热等新兴加热方式。输送过程中的电/电磁加热方式图 4 输送过程中加热方式的技术发展路线图图 3 预加热输送方式的技术发展路线图图 2 改善管道输送稠油黏度全球专利技术分支分析-35-CHINA SCIENCE AND TECHNOLOGY INFORMATION Apr.2024中国科技信息 2024 年第 7 期专利分析电/电磁加热应用到稠油输送过程中降粘在 1966 年就有记载，DE1525742A1 采用电加热丝作为加热装置围绕在管道上。1970 年后，US3617699A 中提出采用铁磁管外部包裹绝缘导体，绝缘导体一端连接交流电源，通过集肤效应集中电流加热。1980 年后对于电/电磁加热的研究转向设备费用的节约，如何在同样的加热情况下，通过结构改进节约费用，如 JPS5894690A，还有 JPS58113700A 中关于稳定电压进行管道内流体加热的研究，SU1496015A1 中引入了 U 型波导来确保高辐射材料的均匀加热，对均匀加热上进行细化研究。1990 年后，多个伴热工艺管道被设计成在工艺管道和伴热系统周围设置隔热，以获得比过去更高的能量利用率，US5086836A 提出电伴热时优化延迟传热系统到工艺管道的热输出，同时最小化延迟传热系统释放的废热。到 2000 年后，电/电磁加热的类型更多，2006 年的申请 CN101122366A 中提出了原油冷输送管道垂直地面穿越冻层部分加热保温装置，包括电加热层，保温层，所作的改进是加热层为塑料膜压封均匀分布的电发热条形成的电热片，电热片包围管道后相互对上的两边分布有穿绳环，穿绕在穿绳环上、将电热片收紧在管道上的绳索，通过设置电热片的方式对管道保温结构进行改进以对其进行加热，加热层采用导电炭黑、纳米石墨粉、橡胶乳、石蜡、液态古马隆混合后压制的电热材料；2010 年后，KR101059322B1、KR101068361B1 对多种碳粉发热片设置在输送管外部进行加热的结构进行了改进。US2009107558A1 记载了一种用于在升高的温度下输送流体的纤维增强可缠绕管，其包括内层、至少一个增强层、至少一个加热元件，至少一个加热元件在内层外部，以及至少一个绝缘层，其中进行了螺旋增强纤维层螺旋角度的研究，还限定了加热元件的类型包括感应加热元件、辐射加热元件、加热带、电线及其组合，以及还可以是可变加热元件；US2009166032A1 中提出了加热元件的改进结构。近几年的电/电磁加热研究重点在于加热部件的本身结构以及和管道结合上的创新，如US2019346078A1、US2017355530A1，还有对加热功率方面的控制，如 WO2019122717A1。输送过程中的蒸汽加热方式蒸汽加热的方式应用到稠油输送过程包括刚提到的GB729659A 中记载了通过稠油管道周围安装蒸汽输送通道对管道进行加热，GB1081889A 中记载了通过蒸汽或水对管道进行加热，并且管道上还包裹有隔热层。1980 年后，蒸汽加热的管道内外设置得以改进，其不只是设置在管道的外部，还可以设置在管道内部进行管道内辅助加热，如 DE3532979A1；SU1448165A1 也提到了蒸汽加热过程中利用废气进行加热的方式。1990 年后，供给蒸汽的方式 进 行 了 改 进，JPH09249289A 在 JPH04316799A 的技术基础上进行结构创新，通过冷凝压送机构成为真空状态，从而使管内部也成为真空状态，能够利用 100以下的低温蒸气对收纳管进行加热，该结构不使用真空泵，也不需要泵的运转成本，能够制成低成本的蒸汽管装置。2000年后，US2009250380A1 提出了加热管的结构改进，CN104019360A 提出了通过各种阀的控制进行蒸汽伴热的调节，通过控制单元在炼油化工装置或石油储运系统运行状态时控制并与蒸汽伴热系统之间形成联锁，将现有不间断通入式蒸汽伴热改进为自控间断供给式蒸汽伴热，系统运行良好，实现炼油化工装置或石油储运系统运行状态对蒸汽伴热系统的智能控制，合理间断地使用蒸汽。近几年，蒸汽加热的方式依然在应用，US2019154204A1 中记载了采用产生蒸汽进行蒸汽加热并且利用蒸汽泡的形式进行，将蒸汽以原油的蒸汽泡的形式注入管道中的原油中，使得当蒸汽从一个储罐行进到脱盐器系统时，蒸汽在进料泵的下游被注入，原油被蒸汽加热，降低了原油的黏度并降低流动阻力，从而降低将原油移动到脱盐器系统的电能需求，并且还将来自原油的盐捕获到蒸汽泡中；US2017130887A1 也是采用蒸汽加入流体中进行加热的方式。输送过程中的其他加热方式其 他 加 热 方 式 中，2007 年，US2007089785A1 提出了使用剪切加热提高或保持管道内重油的温度在地下的管道中输送重油的方法，剪切加热由泵内的外部摩擦提供，或由重油流内的内部剪切摩擦提供。1976 年，JPS52116924A 中提及了应用太阳能进行加热这一点，该方式属于节能的加热方式；南京理工大学于 2021 年提出申请 CN113090950A，其中记载了基于光热转化的集热储热式输油管道加热系统，相比需要消耗大量能源或者化学品的传统技术，该申请结合聚光太阳能和光热复合材料，通过高效光热转化将太阳能以热能的形式储存在换热工质中，并用于对原油输运管道进行加热，降低原油输油成本提高输运效率；基于光热转化的集热储热式输油管道加热系统可集中布置，也可采用分布式布置的方式对原油输运管道分段或定点加热，具有结构简单、系统能耗低、维护方便的优势，可应用于原油储运过程的各阶段。由分析可知，输送过程中的几种加热方式，电/电磁加热方式加热效率高，包括电热丝、电磁等多种形式，到近些年电/电磁加热的类型更多，其结合管道外部的结构进行结构和功能改进，并注重加热功率的控制，发展前景较好。输送过程中的蒸汽加热方式从管道外部到管道内部再到蒸汽直接进入管道的方式对稠油进行加热，发展较为成熟，尤其是蒸汽外管和内管的设置方面。其他加热方式中的剪切加热以及太阳能加热的应用均属于节能的加热方式，更符合环保要求。结语本文全面统计了改善管道稠油黏度以促进石油管道输送的技术专利申请，总结了改善管道稠油黏度技术的多级分支，并对各分支专利申请情况进行全球专利分析，得出一级和二级分支中各类型申请量占比，进而针对二级分支中申请量占比最高的物理加热输送方式进行详细梳理，得出重点分支的管道输送稠油技术的发展情况。关于物理加热降低稠油黏度方面，在预加热稠油输送方式中，加热器的使用到现在依然在加热效率、加热结构上进行改进创新，并越来越注重节能环保。输送过程中的电/电磁加热方式加热效率高，发展前景较好；输送过程中的蒸汽加热方式发展较为成熟，尤其是蒸汽外管和内管的设置方面。其他加热方式中的剪切加热以及太阳能加热的应用更节能环保。