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、提高经济效益和社会效益起到重要的作

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, B1A1T oms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G uar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C DR。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,C DR取得了专利,这是减阻剂进入管道的先声。1979年,美国C onoco生产C DR,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(OG SE)　第19卷第6期(2000.11)　

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Z iegler2Natta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B1A1T oms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M C(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-M C)

式中K为常数,M C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。

G ramain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(OG SE)　第19卷第6期(2000.11)