纳米复合材料稠油降粘剂的研制与性能评价

摘要

稠油是世界油气资源的重要组成部分，现代社会对能源的需求和消耗越来越大，石油储量特别是轻质原油储量正迅速减少，而稠油资源相对丰富，未来社会对石油的需求将由稠油来满足。稠油的组成比较复杂，含有大量的蜡质、胶质和沥青质，导致其具有凝点高、粘度大、流动性差的特点，开采和运输困难大、成本高。因此降低稠油粘度，增强稠油流动性成为近年来油田化学研究的热点和难点问题。
　　化学降粘剂降粘法以其加量少、耗能低、操作简单、无后处理程序等优点被认为是解决稠油开采和输送问题最有前途的方法。纳米材料降粘剂是一种新型化学降粘剂，它能依靠其自身特殊的纳米效应，改变稠油中蜡质的结晶行为和胶质、沥青质的聚集方式，从而提高稠油的低温流动性，对于高蜡稠油效果更为突出。
　　采用硅烷偶联剂KH550和十八酸在溶剂乙醇中对纳米SiO2进行两步表面改性，制备了纳米KH550-C18/SiO2复合材料降粘剂。以接枝率为评价指标，通过实验确定最佳改性剂用量为:KH550和十八酸用量分别为SiO2质量的16％和20％。为进一步提高纳米复合材料中有机成分的含量，并且引入强极性基团，以硅烷偶联剂KH570、甲基丙烯酸十八酯和丙烯酰胺为接枝单体在纳米SiO2表面引发接枝共聚反应，制备了纳米PSMA-AM/SiO2复合材料降粘剂。通过红外光谱(FT-IR)、热重分析(TG)、透射电镜(TEM)、扫描电镜(SEM)以及接触角测试等手段对两种复合材料的结构和性质进行分析表征。结果表明，经两种方法改性后，纳米SiO2表面都由亲水性变为疏水性，聚集程度降低，在有机溶剂中表现出良好的分散稳定性，其中，纳米PSMA-AM/SiO2复合材料的接枝率更高，与水的接触角更大。
　　以大庆高蜡稠油为研究对象，测试了油溶性降粘剂EVA及本研究合成的两种纳米复合材料降粘剂的降粘效果，改变温度和加入量，探究其对降粘率的影响。随加入量增大，降粘率先升高后基本保持不变，略有下降趋势。纳米KH550-C18/SiO2在最佳加量600ppm时，能使稠油的析蜡点降低3.6℃，40℃的表观降粘率为66.91％，净降粘率为40.32％，纳米PSMA-AM/SiO2在最佳加量400ppm时能使析蜡点降低5.5℃，在40℃表观降粘率为72.1％，净降粘率为48.86％。两种纳米复合材料的降粘效果都优于EVA，纳米PSMA-AM/SiO2由于有机成分的含量更高，极性更强，所以性能更为优异。
　　三种降粘剂的降粘率都随温度升高而下降，EVA下降速度最快，在60℃时仅为19％，而纳米复合材料降粘剂在稍高温区50℃-60℃时，仍能保持净降粘率在30％以上。
　　对纳米复合材料降粘剂的降粘机理进行了探究和分析:纳米颗粒利用特殊的表面效应能够作为成核点吸附蜡质在表面结晶、析出，改变蜡质的结晶行为，破坏蜡晶原有的三维网状结构;同时纳米颗粒表面所引入的强极性基团通过氢键作用吸附胶质、沥青质在其表面形成溶剂化层，溶剂化层的存在既能阻止蜡晶之间连接形成网状结构，又能拆散原稠油体系中胶质和沥青质的平面重叠堆砌结构，从而使稠油粘度大幅降低。

目录

声明

摘要

第一章 文献综述

1．1 研究背景与意义

1．2 稠油的定义、分类及特点

1．3 稠油高粘度形成的原因

1．4 稠油降粘技术

1．4．1 加热降粘

1．4．2 掺稀油降粘

1．4．3 乳化降粘法

1．4．4 化学降粘剂降粘法

1．4．5 水热催化裂解降粘

1．4．6 微生物降粘

1．5 稠油化学降粘剂

1．5．1 稠油化学降粘剂概况

1．5．2 稠油化学降粘剂研究进展

1．5．3 油溶性降粘剂作用机理

1．5．4 化学降粘剂存在的问题

1．6 本论文的研究内容及方法

第二章 纳米KH550-C18／SiO2复合材料降粘剂的制备与性能评价

2．1 降粘剂分子结构设计思路

2．2 实验部分

2．2．1 实验药品及仪器

2．2．2 合成步骤

2．3 纳米KH550-C18／SiO2复合材料的结构与性能表征

2．3．1 FT-IR红外光谱分析

2．3．2 透射电子显微镜(TEM)分析

2．3．3 接触角测试分析

2．3．4 分散稳定性测定

2．3．5 热失重分析(TG)

2．4 纳米KH550-C18／SiO2复合材料降粘剂的降粘效果评价

2．4．1 最优改性剂用量配比的确定

2．4．2 加剂前后稠油析蜡点变化

2．4．3 加剂前后稠油粘温曲线对比

2．4．4 降粘剂加入量对降粘效果的影响

2．5 纳米KH550-C18／SiO2复合材料降粘剂的降粘机理

2．6 本章小结

第三章 纳米PSMA-AM／SiO2复合材料降粘剂的制备与性能评价

3．1 分子结构设计思路

3．2 实验部分

3．2．1 实验药品及仪器

3．2．2 合成步骤

3．3 纳米PSMA-AM／SiO2复合材料的结构与性能表征

3．3．1 傅里叶变换红外光谱分析(FT-IR)

3．3．2 扫描电子显微镜分析(SEM)

3．3．3 接触角测试分析

3．3．2 热重分析(TG)

3．4 纳米PSMA-AM／SiO2复合材料降粘剂的降粘效果评价

3．4．1 加剂前后稠油的析蜡点变化

3．4．2 加剂前后稠油粘温曲线对比

3．4．3 降粘剂加入量对降粘效果的影响

3．5 本章小结

第四章 结论与展望

4．1 结论

4．2 展望

参考文献

附录：攻读硕士期间完成的论文和专利

致谢