稠油油溶性降粘聚合物的合成及其降粘剂降粘性能研究

摘要

稠油的化学降粘剂可以用于降低特定温度及状态下稠油的黏度，提高输送量和输送速度，从而降低管道输送的能耗。目前国内外主要应用的化学降粘方法主要有井下水热催化裂化降粘、表面活性剂降粘、油溶性降粘剂降粘和降凝剂降粘。国外最多报道的基本都是降凝剂降粘，而国内钻井采油主要采用井下水热催化裂化降粘。管道输送使用的有表面活性剂降粘和油溶性降粘剂降粘。
　　 目前，油溶性降粘剂的研制主要集中于以不饱和酯类为基体的二元和三元共聚物的开发方面。合成这类油溶性降粘共聚物的出发点是考虑到稠油中胶质和沥青质的化学结构。胶质和沥青质集中了稠油中绝大多数的杂原子O、N、S和金属原子等，这些杂原子的存在直接造成了稠油的高黏性特点。O、N、S在胶质和沥青质分子中的官能团有羟基、羰基、氨基、巯基和杂原子环，这些特定的官能团可以形成氢键，使得胶质和沥青质分子间相互交错连接，从而形成复杂的网状堆积结构，并相互聚集将部分烃类组分包裹在堆积结构中造成原油的高黏度。同时，稠油中的石蜡分子在低温时开始形成结晶，使得稠油凝结，并将稠油中的烃类组分包裹在蜡晶的结构内形成了稠油的高凝点。降粘聚合物分子的特点是能够与胶质和沥青质分子的杂原子及特定的氢原子形成新的氢键，破坏胶质、沥青质的原有结构，同时降粘剂聚合物分子的长链烷基结构可以与石蜡分子共溶来降低稠油的凝点，从而降低稠油的黏度。
　　 本文针对稠油中胶质和沥青质的化学分子结构特点与石蜡分子低温凝结的特性，从形成氢键的动力学和热力学特征以及降粘剂分子在稠油中的溶解性出发来设计降粘聚合物分子。采用烷基不饱和酯类作为聚合第一单体，带有O、N、S杂原子极性基团的单体作为第二、第三聚合单体，以溶液聚合和乳液聚合方法合成了八种二元或三元降黏共聚物，并对所合成的八种降粘聚合物进行了红外、分子量、粒径和热分析表征。
　　 以大庆林源站出站稠油为研究对象，将合成的八种降粘聚合物溶于稀释剂制备成降粘剂，并以市场上现有商品EVA-1作为对照，进行稠油加剂后运动粘度的测试。结果表明，合成的八种降黏剂对大庆稠油都有较好的降粘效果，普遍好于商品EVA-1。如丙烯酸丁酯-苯乙烯-对苯乙烯磺酸钠共聚物对大庆稠油1的最高降粘率达到83.2％，比EVA-1提高了8个百分点;甲基丙烯酸十二酯-乙烯共聚物的最高降粘率达85.2％，比EVA-1提高了10个百分点。
　　 随着稠油温度的升高，各种降黏剂的降粘率逐渐降低。如商品EVA-1，在加量为500ppm条件下，40℃、50℃、60℃、70℃、80℃的降粘率分别为77％、68.8％、64.6％、60.3％、55.7％。
　　 降黏剂加入量对降粘效果有较大影响。如商品EVA-1以及自主合成的EVA在加量为500ppm时降黏效果最好，1000ppm及以上时降粘率反而下降。
　　 相同种类的降黏聚合物，分子量不同降黏效果也不相同。如相同降黏条件下，商品EVA-1的最大降粘率为77％，而自主合成的EVA最大降粘率为97.6％。
　　 同种降黏剂对不同种类的稠油降粘效果不同。如对于大庆原油，混合酯-4-乙烯基吡啶-苯乙烯共聚物的最大降粘率为70.3％，而对于胜利油田孤岛稠油，当加量为463ppm时，降粘率达到79.1％。降黏效果则更加明显。
　　 对加入降黏剂前后的大庆稠油进行了扫描电子显微镜观察，结果表明，加入降粘聚合物之前，稠油中胶粒的数量多、尺寸小，加入降粘聚合物之后，稠油中胶粒的尺寸明显变大，数量明显减少，证明了降黏聚合物确实能够和稠油中的胶质、沥青质以及石蜡质相互作用，降低稠油的黏度。
　　 采用分子动力学模拟方法对稠油模拟体系以及加入降黏剂的稠油模拟体系进行了计算，发现加入降黏剂的稠油模拟体系的势能明显降低，而体系的非键能则负向升高。表明稠油中胶质、沥青质分子的聚集状态发生了改变，原先聚集在一起的胶质、沥青质分子被吸附在降粘聚合物分子上，同时，较长的烷基侧链也能够很好地吸附石蜡分子或网状蜡晶，有助于降低稠油的黏度。模拟计算结果较好地解释了降粘实验事实。