含芳香侧基梳型共聚物抑制沥青质聚集行为研究及对稠油流变性能影响

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随着全球对能源的需求不断扩大,能源消耗量也逐年增加。虽然新能源发展迅速,但在众多能源形式中石油仍然是需求量最大的一种能源。在过去几十年中,大量轻质的常规原油被开采,储量占比不断减小,而储量丰富的重质原油在未来有着巨大的开采价值。稠油是一种重要的重质原油,我国稠油资源占比为总资源量的20%,全球非常规原油储量占世界石油总储量的70%。稠油虽然开采潜力巨大,但开采难度也较高,由于稠油中含有大量的沥青质,这使得稠油有着远超于常规原油的粘度。沥青质是稠油中分子量和极性最大的一类组分,在稠油中处于不稳定的平衡状态,当外界因素(温度和压力)和稠油组成发生变化时,沥青质会大量聚集形成析出,粘度迅速增大,在原油的开采运输过程中的设备中造成沉积堵塞,给石油行业带来巨大的困扰。使用析出抑制剂是一种理想的减少沥青质沉积的方法,其中聚合物型抑制剂因其用量小、效率高、易修饰等优点被广泛使用。当聚合物中同时存在极性(芳香)基团和非极性(长链烷基)基团时可以取得高效的抑制效果,芳香基团与沥青质的吸附结合能力对抑制剂的整体效果有着巨大的影响,因此研究不同芳香基团与沥青质的作用机理和方式对设计高效的抑制剂有着重要的指导意义。本文对来自新疆油田的两种沥青质进行了深入的分析并推导出了其平均结构式;合成了一系列含不同芳香侧基的马来酸酐-十八烯聚合物,研究了芳香基团的种类和接枝率以及聚合物浓度对沥青质聚集行为的影响;研究了在不同压力和温度下聚合物对稠油的流动性能影响。具体研究内容如下:1、沥青质的结构和组成对沥青质的聚集行为有着重要的影响,因此在研究抑制剂对沥青质析出的抑制作用之前,有必要对所用的沥青质性质进行深入地了解和分析。从新疆油田不同区块的沥青质沉积物和特稠油中提取出了两种不同的沥青质,并命名为顺北沥青和塔河沥青,两种沥青质具有一定的相似性,但又有所不同。使用元素分析、傅里叶变换红外光谱仪(FT-IR)、飞行时间质谱(TOFMS)和核磁共振波谱仪对沥青质结构和组成进行了详细的表征,使用改进的B-L法和核磁碳谱计算出了沥青质的平均结构参数,并推导出了两种沥青质可能的平均分子结构。研究表明,两种沥青都有着较强的聚集趋势,易析出形成沉积。顺北沥青和塔河沥青分子量和分子量分布相近,塔河沥青质的芳香性强于顺北沥青。两种沥青中都含有大量的氮、氧、硫等杂原子,其中塔河沥青中氧元素含量远大于顺北沥青和其他常见沥青,这使得塔河沥青的极性更大。2、通过自由基聚合制备了马来酸酐-十八烯(PMO)中间体,通过酰胺化反应通接枝了不同的芳香基团(1-(3-氨基丙基)咪唑、2-氨基吡啶、4-氨基吡啶和苯胺),改变芳香基团和中间体的投料比来得到不同接枝率的聚集物。使用凝胶渗透色谱(GPC)和核磁共振氢谱来表征聚合物的分子量和芳香基团的接枝率f2。通过紫外光谱、浊度仪、动态光散射(DLS)、接触角测量仪和场发射扫描电镜研究了聚合物在模型油中对沥青质的析出抑制和分散作用。结果表明,接枝2-氨基吡啶的聚合物(PMO-2-P)在模型油中有着最好的抑制和分散效果,可最大程度的抑制沥青质的析出,减小沥青质的析出量和聚集体的尺寸。所有芳香基团的抑制和分散能力遵循以下顺序:2-氨基吡啶>苯胺>4-氨基吡啶>咪唑,聚合物的抑制能力会随着的接枝率和浓度增大而增大。接枝2-氨基吡啶的聚合物与沥青质的界面接触角最小,表明PMO-2-P对沥青质有着较好的分散性,通过场发射扫描电镜发现PMO-2-P不仅可以将大尺寸的沥青质聚集体分散成数个较小的聚集体,还能使形貌变得更规则。3、为了验证所制备的聚合物在稠油中也具有良好的沥青质分散性能,使用旋转流变仪研究了不同压力下在稠油中聚合物对稠油的流动性影响,聚合物的浓度分别为0.1 wt%、0.3 wt%、0.5 wt%和1 wt%。在70-50℃范围内测量了稠油的粘温曲线,发现当聚合物浓度为0.1%、0.3%和0.5%时可有效降低稠油的粘度,浓度为0.5 wt%时降粘效果最明显,其中PMO-2-P对稠油的降粘效果最好。在70℃下对稠油的粘弹性进行了分析,同样在PMO-2-P浓度为0.5 wt%时获得了最佳效果。当聚合物浓度升至1 wt%时,稠油的流动性反而变差,这可能是因为聚合物与稠油中的其他组分发生相互作用。在压力为2MPa和4MPa时研究了聚合物对稠油流变性能的影响,研究表明随着压力的上升,稠油的粘度增加,流动性变差,此时聚合物依然可以降低稠油的粘度,但不同聚合物之间降粘能力随压力的上升而趋近一致。
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