本文通过室内实验对高酸重质原油进行超声波处理，使用流变仪测出原油表观粘度的变化。研究超声波的作用功率0～80 %、作用时间0～40 min、作用温度30～70 ℃的条件下超声波对原油的降粘效果的影响。结果显示：最优实验条件为作用时间作用功率80 %、30 min、作用温度50 ℃，此条件下原油表观粘度由61.79 mPa·s降低至4.19 mPa·s，共降低了34 %；在此条件下超声波对原油的降粘作用是可恢复的，超声波处理完恒温24小时后可恢复到最初的粘度。
关键词：高酸重质原油；超声波；流变仪；粘度
目录
第一章 绪论 1
1.1课题背景 1
1.2超声波技术研究现状 2
1.2.1 国外研究现状 2
1.2.2 国内研究现状 3
1.3主要研究内容 4
第二章 原油超声波降粘机理分析 5
2.1流体粘度与组分性质的关系 5
2.2原油的成分及特点 5
2.3影响原油粘度的因素 6
2.3.1 原油的化学组成 6
2.3.2 温度 6
2.3.3 压力 7
2.4原油的降粘方式 7
2.4.1 物理降粘 7
2.4.2 化学降粘 7
2.5超声波降粘作用机理 8
2.5.1 空化作用 8
2.5.2 机械作用 8
2.5.3 乳化作用 8
2.5.4 热效应 8
2.6本章小结 9
第三章 实验研究 10
3.1实验仪器及设备 10
3.2实验试剂 10
3.3实验方法 10
3.2.1 超声波处理方法 11
3.2.2 表观粘度测试方法 12
第四章 实验结果与分析 13
4.1超声波作用对高酸重质原油粘度的影响 13
4.1.1 超声波作用功率 13
4.1.2 超声波作用时间 15
4.1.3 超声波作用温度 16
4.2超声波处理粘度恢复 21
第五章 结论 25
参考文献 26
致谢 28
第一章 绪论
1.1课题背景
近年来，随着常规原油资源日益减少和原油开采技术的提高，非常规原油的产量逐年增加。重质原油就是其中占比例比较高的一种，该类原油的主要特点是密度大、酸值高、粘度大、胶质及沥青质含量高、重金属含量高。目前，世界上高酸原油主要分为高酸低硫重质原油和高酸高硫重质原油两大类，世界上的重质原油储量丰富，大约是轻质原油的1.3倍，重质原油的产量逐年递增，重质原油在原料供应的比重不断上升，原油的重质化对开采、集输和加工有着重要影响，而其流变性直接影响着输油管道的建设、生产效益和安全。因此，研究并改善高酸重质原油流变性对石油工业发展有着重要的意义[1-4]。
21世纪石油资源现状是原油质量继续变差、变坏。具体表现为原油密度越来越大，残炭和硫含量越来越高，有些原油含有大量有机酸，还有的含有大量重金属。例如主要产油国如沙特、科威特等可增加供应的原油大部分属于中、重质含硫原油。美国炼厂加工的原油质量明显变差、变重。委内瑞拉的重质原油也有大约500×108 t的可开采储量。今后重质原油在世界原油总产量中的比例将会达到一个很高的水平，重质原油的加工利用已经成为世界石油工业的一个重要方向[1]。
国内的国产原油一般偏重，产量最高的大庆原油中350 ℃以下的馏分仅有26 %，500 ℃以上的减压渣油几乎占50 %，产量居第二位的胜利原油则比大庆原油更重些。近年来，各油区新发现油田中有不少是属于重质甚至是超重质的原油，例如新疆的九区原油、塔河原油，辽河的欢喜岭原油、曙光原油，胜利的孤东原油、单家寺原油等。这些重质原油中，有的已很少含有轻质馏分，减压渣油的含量有的竟然高达三分之二。总体上说，国产原油中的减压渣油比例约占二分之一，进口原油中的减压渣油约占30 %两者合计目前每年得到的减压渣油有近亿吨之多[2]。
我国沿海地区的炼油厂大多都加工进口原油，且加工的品种不断的增多。为了适应原油的品种、数量、性质，以及产品市场的变化，炼厂对原油掺炼的情况普遍存在。随着国内重质原油产量增加以及进口原油的不断重质化，预计我国重质原油加工量将与日俱增，这也是促进我国重油加工技术进步的巨大动力。加大重质原油的利用可以为中国不断增长的能源需求找到新的空间。
本文通过室内实验研究超声波处理对高酸重质原油流变性的影响，以声波原理为理论指导，探讨声波原油降粘的作用机理，寻求有效的降低粘度、改善原油流变性的措施，降低重质原油在开采、储存和运输的经济成本，提高经济效益。
1.2超声波技术研究现状
1.2.1 国外研究现状
从20世纪60年代开始，前苏联及美国等西方石油大国就开始进行超声波在石油工业中的应用研究。试图通过超声波的物理作用来减少原来在开采和集输过程中额外的能量消耗，以达到环保经济的效益。
1965年，室内实验方面，Duhon和Campbell设计了超声波能量水涌实验，并发现超声波能提高石油的采收率。
同年，Nosov也发现了在声波作用下聚苯乙烯树脂的粘度有所降低。
1967年，前苏联在老格罗兹内依油田进行了超声波防止原油结蜡的实验：实验研究发现：原油在声强为8～100 kW/m2，频率为20 kHz～4.5 MHz的声场中，原油粘度下降20 %～30 %。
70年代，前苏联在特沃尔油田应用电激励式声波发生器进行了现场试验并取得成功。试验中，将声波发生器放置在油层井段，其工作频率设计为3 kHz至10 kHz，强度为1 kW/m²。实验表明，如果声场强度足够大（超过0.1 kW/m²），将产生大量的热，油层粘度会有大幅度的降低。
Johnston(1971)研究了超声波对于聚合物粘度下降的影响，结果显示超声波作用能够降低聚合物粘度。
Morris(1974)在德克萨斯州的一块油气田中使用一种高频率的声波装置，研究发现声波作用对油井产量有所增加，Kuznetsov、Efimova(1983)和Simkin(1990)在西伯利亚的油气田中进行超声波激励试验，结果也显示超声波对油井有增产作用。
Cherskiy(1977)通过实验指出，在声场存在时，饱和水的岩样中渗透率急剧增长。
Neretin和Yudin(1981)指出，在超声波的作用下，水驱开采疏松砂岩油藏的驱油效率提高。
1981年，前苏联Sokolov等人测量了在声波场作用下的石油动态粘度，实验结果表明原油在声波作用下处理30～60 min后，粘度下降了20 %～25 %。
除了室内实验外，Beresnev和Johnson(1994)还研究了超声波增产的四个实际案例。Shaw资源服务公司(1992)发现在加利福尼亚的两次现场试验中，超声波辐射能够显著地提高了油井的产量。
1999年，美国学者Aarts发现超声波能加强液体通过多孔介质时的流动性。
2004年，加拿大人N.Bjorndalen和M.R.Islam用超声波对液体石蜡进行了时间分别为 30 s、60 s和120 s的辐射处理，处理完毕后立即与未经超声处理的对照样品进行流速比较，从而得到相对的粘度比值，结果显示液体石蜡经120 s超声辐射后，相对粘度下降了30 %左右。
1.2.2 国内研究现状
我国对于超声波技术在石油工业的应用也曾高度重视，但因为技术、材料和经济等客观因素的制约而停滞。但近几年来，随着科学技术的发展、石油工业的生产需要，我国对超声波技术在石油工业的应用越来越重视。
1981年，华北油田在南马庄油田率先进行了超声波破乳、降阻的冷输抽油试验，随后又做了超声波增产试验，均取得了良好的效果。
1989年12月，我国首次使用自主研制的大功率超声波油井处理装置在玉门油田投入现场试验，成功率83 %，总产油量提高了77.3 %～129.79 %，同时还改善了近井带油层物性。
1993年，黄序韬等人做了超声防蜡降粘的室内试验。首先在超声场下测得任邱油田原油在40 ℃～80 ℃区间的粘温曲线，然后又在热力场下重新测量该油样的粘温曲线。通过对比各相同温度测点下的粘度，结果发现，在超声场作用后的原油在各温度点下的粘度分别下降了25 %～30 %[18]。
1999年洪建荣等人通过实验研究发现：原油的分子结构在声场的剧烈振荡作用下，会产生周期性的排列组合，尤其是空化作用的影响可使原油的分子键断裂，导致分子量减小，从而降低了原油的粘度，有利于油气开采。实验表明：在10～100 kW/m2，的强声场作用下，频率为20 kHz时，粘度可下降30 %左右。
玉门油田进行了23口井的降粘试验，已初见成效。且粘度愈高、胶质沥青质含量愈多，经超声波处理后原油粘度下架愈明显。
1996年，石油大学闫向宏和张亚萍以孤岛稠油掺活性水为样品，测定其在超声处理前后的粘温曲线，实验结果表明超声作用包含热效应、气体机械效应等[21]。
1999年王阳恩、程衍富、凌向虎通过试验研究发现：当高强度超声波作用于重油时，超声波的空化作用和乳化作用，可使重油的粘度降低，实现较低温度下对重油的输送。王阳恩、杨长铭等通过实验对超声波降粘进行了更进一步的研究，发现超声波降粘的机理比较复杂，其中超声乳化和超声降解起了相对较大的作用。超声波降解主要是超声波对原油中大分子的裂解，它降低原油粘度的效果并不是很明显。超声乳化作用则是将原油乳化成水包油型乳状液，使原油粘度大大降低。其中，超声乳化与超声波的强度和原油的含水率等有关。特别是掺入一定量“活性水”的重油，经超声波处理后，重油的粘度出现了大幅度的降低，实验表明在超声波的作用下减少了活性剂的用量[7]。
2002年，路斌等人研究了帕尔曼超声发生器在原油防蜡降粘中的作用：以胜利油田的史8-24井油样进行室内实验，该油样含蜡量20.44 %经超声处理后，粘度降低了78.8 %。通过对模拟油的显微观察发现，超声波能够破坏蜡晶结构，使其晶粒变小且均匀分散，不可逆转效应明显。其在胜利油田试采二厂的现场试验报告显示：在三口粘度较高（含蜡量≥25 %）、结蜡严重的油井试验后，电机负荷下降，结蜡周期延长3倍以上，结果说明该技术防蜡效果明显[6]。
2003年，顾春元等人进行了超声波采油技术的实验研究，经超声处理4 min后，结果发现原油粘度显著降低，尤其是凝固点降低，而且这种粘度的降低是不可逆转的。
2004年，李兆敏等人对胜利油田浅海原油进行了超声波降粘处理正交实验，结果表明：在40 ℃时，用声强为52 W/cm2，频率为18.5 kHz的超声波对原油处理5 min，可获得最佳的降粘效果[11]。
2006年，武继辉等人用超声波对胜利油田滨南采油井出产的原油样品进行处理，研究发现超声波能使原油降粘幅度可达50 %以上，处理完毕后观察其粘度恢复情况，结果显示超声处理后30 h内原油粘度无明显变化，具有明显的不可逆转性[8]。
同年，路斌、张建国研制成功了超声旋笛发生器，原油经超声旋笛处理后粘度明显下降，在温度为24 ℃下，初期由开泵前的1000 mPa.s降低到开泵后的550 mPa.s，降粘率为45 %；到开泵23 min时，粘度下降至239 mPa.s，降粘率为77 %，且处理后粘度的不可逆转时间为5 h[5]。
2004年，中国黄石市汉威石油机械研究所研制出ZYQI 型超强防蜡防垢降粘装置。已在中原、胜利、华北等油田试用推广。2007年，山东省东营市河口区河口采油厂孙卫、杨东等人研制出一种稠油降粘的超声波降粘器。
1.3主要研究内容
（1）分析流体粘度与组分性质和结构之间的关系，探讨影响原油粘度变化因素。
（2）理论分析原油粘度—温度曲线的特性及变化规律，探讨超声波作用对原油降粘的作用机理。
（3）根据实验室环境条件、流变仪、超声波清洗机设置超声波处理高酸重质原油降粘实验方案。
（4）通过室内实验，对高酸重质原油进行超声波处理研究，分别探讨超声波处理时间、超声波功率、实验温度对超声波降粘效果的影响，考察各变量因素对原油降粘效果的作用机理，探寻最佳降粘效果的实验参数。
