苏丹Neem油田原油降凝剂的研制及应用
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摘 要：苏丹Neem油田原油属于高含蜡高凝原油，无法实现常温输送。为降低管线外输成本，科新公司以乙烯-醋酸乙烯酯（EVA）为主料，丙烯酸高碳醇酯聚合物为辅料合成一系列降凝剂产品。通过在Neem油田实验室开展瓶试实验，最终确定降凝剂KS-10-21对苏丹Neem油田高含蜡原油的降凝效果显著，并成功应用于油田现场。
关 键 词：含蜡原油;降凝剂;乙烯-醋酸乙烯酯;苏丹
中图分类号：TE39; TE869 文献标识码： A 文章编号： 1671-0460（2020）02-0462-05
Abstract： The oil from Neem oilfield of Sudan is high pour point waxy crude oil， which cannot be transported by pipeline under normal atmospheric temperature. In order to reduce the cost of pipeline transportation， a series of pour point depressant products with ethylene-vinyl acetate as the main material and acrylic high carbon alcohol ester polymer as the auxiliary material were developed by KSCC. Through the laboratory bottle test screening， it was finally determined that the pour point depressant KS-10-21 had significant depressing effect on the high waxy crude oil， and it was successfully applied in the Neem oil field of Sudan.
Key words： waxy crude oil; pour point depressant; ethylene-vinylacetate; Sudan
全球廣泛应用的原油降凝剂（PPD）是由油溶性聚合物或缩合物与合适的溶剂配制而成，一般包括极性基团和非极性基团。降凝剂的极性基团大多数与原油中的蜡结构相似，常见的极性基团有醋酸乙烯酯、长链酯类、马来酸酐等。这些极性基团和非极性基团通过共晶、吸附等方式改变蜡晶的结构，降低原油的黏度和凝点，从而改变原油的低温流动性。
苏丹Neem油田原油为高含蜡高凝原油，难以在常温下进行输送。为确保Neem原油正常外输，苏丹124区业主GNPOC公司采用加热输送的方式，将Neem原油外输至苏丹港口，但是采用加热输送的方式成本太高，GNPOC公司借鉴美国、英国等其他国家原油外输管道的成功经验，在管道线路中加入降凝剂，大幅度降低了管线的运行费用，同时改善了管线的安全性。近几年随着Neem油田开采程度的加深，原油中的蜡含量和胶质沥青质含量明显升高，现场使用的降凝剂产品已不能满足需求，针对Neem油田研制一种质量稳定、降凝降黏效果良好的降凝剂产品迫在眉睫。
1 降凝剂的作用机理
研究表明，当原油温度低至一定程度时，原本溶解在原油中的碳数小于十六的烷烃将会析出并结晶[1]，渐渐地形成三维网状结构，析出的同时会将低凝点的原油包含在里面，导致原油逐步失去流动性。原油降凝剂就是作用于蜡晶，通过阻碍或抑制原油蜡晶形成三维空间网状结构以达到降低原油凝点、改善原油低温流动性的目的[2]。常见的原油降凝机理有晶核作用、吸附作用、共晶作用、共晶-吸附理论等[3，4]。实际上降凝剂发生作用是多种机理共同作用的结果，只是在蜡晶成长的不同阶段有一种起主导作用[5]。
目前全球应用最广泛的降凝剂是EVA类降凝剂及其改性物。VA含量和熔融指数是影响EVA类降凝剂及其改性物的两个重要因素。VA含量较低时，不能与原油中的蜡晶分子充分作用，结晶度不够;VA含量过高时，EVA对晶核的分散作用降低，降凝效果也变差。
研究表明，EVA性质随着 VA 含量、熔融指数（MI）的变化而变化，关系如表1-2[6-9]：
研究表明：当 VA 含量在28%～40%（wt）时，极性要适当，分子量分布在8 000～20 000 g/mol 之间。这主要表现在降凝剂的结晶性能上。EVA中VA链节（即极性基团）含量增加时，降凝剂的结晶度降低;相反，如果 EVA 中可结晶部分的含量增加、结晶度过大，那么 EVA 分子的极性必然降低，对晶核的分散作用下降，降凝效果也将变差。
研究表明：MI指数不宜大于100 g/10 min，即相对分子质量大小应适中，其熔点应与原油中蜡的凝点相近，以保证蜡析出时 EVA 也能同时析出而产生作用。
为进一步加强EVA类降凝剂的降凝效果，人们根据不同原油的性质，对EVA进行改性或者复配，使改性后的产品能更好地作用于蜡晶，以达到降凝降黏的效果。由于丙烯酸酯类聚合物具有优良的抗剪切性，已被广泛应用于降凝剂产品开发或者改性中。人们可以根据原油的碳数分布，合成对应的降凝剂产品。
本文结合Neem油田原油物性，有针对性地将不同种类的EVA和丙烯酸酯聚合物进行复配，探索合成出一系列降凝剂产品，通过瓶试试验筛选出降凝效果最好的降凝剂产品并确定最合适的加剂量，以保证将其顺利应用于油田现场。 2 Neem油田原油物性及析蜡特性
2.1 Neem原油物性参数
实验原油样品取自苏丹124区Neem油田外输管线，原油含水0.2%，20 ℃密度为862.5 kg/m3，API為32.42，凝点为32 ℃。
Neem油田的蜡含量高，胶质沥青质含量较低，这种含蜡原油容易形成致密的蜡晶结构。刘云峰[10]等人认为，这种含蜡原油会对热历史和剪切历史产生一定的记忆效应，为了避免热历史和剪切历史对Neem油田降凝剂瓶测实验结果产生影响，在加降凝剂前需要对Neem原油进行预处理。
2.2 Neem原油析蜡特性
2.2.1 析蜡特性曲线（图1）
2.2.2 累计析蜡量曲线（图2）
通过DSC解析出Neem油田原油的析蜡曲线和累计析蜡量曲线，从析蜡曲线得知Neem油田原油的析蜡点为58 ℃，从累计析蜡量曲线得知Neem油田原油的蜡含量为16.36%。
3 降凝剂研制与应用
3.1 降凝剂制备
3.1.1 实验药品
EVA-1、EVA-2、芳烃、甲苯、过氧化苯甲酰、丙烯酸十八醇酯。
3.1.2 实验步骤
将甲苯、过氧化苯甲酰、丙烯酸十八醇酯按照规定的比例和顺序，依次加入四口烧瓶中，通氮气后加入特定的引发剂开始反应，在80～120 ℃下反应5～8 h，即得丙烯酸十八醇酯聚合物（POA）。
将上述合成的聚酯和不同种类的EVA按照不同比例配制，即可以合成出一系列不同型号的降凝剂产品，如表3所示。
3.2 降凝剂室内评价实验
3.2.1 实验仪器
旋转黏度计（HAAKE VT550）、自动凝点倾点测试仪（SYD-510Z-2）、偏光显微镜、微量进样器、恒温水浴。
3.2.2 评价实验方法
（1） Neem原油预处理
将装满Neem原油的玻璃瓶放到80 ℃恒温水浴中恒温2 h，待油样受热均匀后将玻璃瓶取出，然后在室温下冷却48 h。
（2）瓶试实验
称取80 g Neem原油于100 mL的专用玻璃试管中，用微量进样器加入300ppm降凝剂。利用水浴加热将加剂原油加热到80 ℃（Neem油田加热炉温度分别为75、80、80 ℃），在水浴中恒温30 min，确保降凝剂和原油充分混合。然后使用SYD-510Z- 2型自动凝点倾点测试仪测定凝点，使用HAAKE VT550型旋转黏度计测定黏温曲线，测试条件为：温度（60～0）℃，降温速率0.5 ℃/min。
3.3 瓶试实验结果及分析
3.3.1 不同类型降凝剂降凝效果对比
在相同处理温度下，通过自动凝点倾点测试仪（SYD-510Z-2）测定不同种类降凝剂产品加剂前后Neem原油凝点变化，结果如表4所示。
由表4可以看出，在加剂量为300ppm，处理温度为80 ℃时，KS-10-21降凝效果较为显著，加入KS-10-21型降凝剂后原油凝点由32 ℃降至24 ℃，降凝幅度为8 ℃;
在EVA类降凝剂中引入丙烯酸十八醇酯聚合物后，降凝性能提高。KS-10-19、KS-10-20和KS- 10-21均取得较好的降凝效果，这可能是因为EVA中的极性基团与聚丙烯酸十八醇酯长侧链共同作用的结果。
3.3.2 不同类型降凝剂降黏效果对比
在相同处理温度下，通过旋转黏度计（HAAKE VT550）测定不同种类降凝剂产品加剂前后的黏度，如表5所示。
从表5可以看出，在多种降凝剂产品中，KS-10-21型降凝剂对Neem油田原油降黏效果最好。在300ppm 加剂量下，KS-10-21型降凝剂的降凝幅度为8 ℃，28 ℃时的降黏率为84.8%。
从图3不同种类降凝剂的黏温曲线可以看出， KS-10-21型降凝剂对Neem油田原油改性效果最显著，加入KS-10-21降凝剂后Neem原油凝点和黏度大幅度降低。
3.4 加剂前后Neem原油蜡晶变化
通过偏光显微镜对比相同处理温度下添加降凝剂KS-10-21前后Neem原油蜡晶变化情况，结果如图4所示。
从图4可以看出不加剂的Neem原油蜡晶数量多而小，加剂以后降凝剂KS-10-21与原油中的蜡晶共晶生长，形成尺寸稍大的蜡晶，阻碍蜡晶形成网状结构，同时降凝剂KS-10-21中的极性基团还会吸附在蜡晶表面，阻止非极性蜡晶的相互靠拢，优化了原油的低温流动性[11]。
3.5 最佳加剂浓度
对于不同的含蜡原油， 降凝剂产品的最佳加剂量不同。加剂量过低，无法达到良好的降凝、降黏效果， 加剂量过高，不仅无法提高降凝剂产品的降凝降黏效果，而且会造成浪费。科新公司选用降凝剂KS-10-21对Neem油田进行浓度梯度加剂实验，确定最佳加剂量，结果如图5所示。
从图5可以看出，原油加剂后凝点呈先上升再下降最后趋于平稳，加剂量为350ppm，降凝幅度为9 ℃;当加剂浓度在高于350ppm时，凝点在22.5～23.0 ℃之间变化，基本无变化，所以最佳加剂浓度为350ppm。
4 现场应用实例
根据苏丹124区GNPOC公司业主要求，科新公司在Neem油田FPF加入降凝剂KS-10-21，加剂量为350ppm。由于Neem油田每天外输量不固定，科新公司化学药剂工程师每天需要标定降凝剂注入撬两次，并根据输量变化，微调降凝剂注入量。自现场试验开始以来，每天早上8：00在规定位置取加剂前后的原油样品，并测量其凝点，结果如表6所示。 由现场测试结果表6所列数据可知，在加剂量为350ppm时，KS-10-21型降凝剂对苏丹 Neem 油田具有良好的降凝效果，原油凝固点由31～33 ℃降至23～24 ℃，降凝幅度8～9 ℃。降凝剂KS-10-21质量稳定、性能优异、降凝效果良好，有助于苏丹124区管线的安全平稳运行。
5 结论
（1）针对Neem原油，在EVA类降凝剂中引入适量的丙烯酸十八醇酯聚合物后，降凝剂产品性能提高，降凝剂KS-10-21降凝效果最佳。
（2）随着降凝剂KS-10-21加剂量的增大，Neem油田原油凝点呈先上升再下降最后趋于平稳，加剂量为350ppm，原油凝点由32 ℃降至23 ℃，降凝幅度最大，可以达到9 ℃。
（3）现场试验结果表明，降凝剂KS-10-21质量稳定、性能优异，对苏丹Neem 油田具有良好的降凝、降黏效果，原油凝点由31～33 ℃降至23～24 ℃，降凝幅度8～9 ℃。
（4）降凝剂KS-10-21室内评价试验结果与Neem油田现场试验结果基本吻合，再次表明可以通过实验室瓶试实验来评价不同种类降凝剂的降凝效果，并预测原油加剂后的效果。
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