原油流变学-第4章 原油流变性 §4.1 原油的基本组成

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➢ 在石油化学中，正构烷烃总含量及其单体分布被看做是识 别原油的指纹，其对原油的流变性以及降凝剂的作用效果 等有重要影响。
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含量(wt%) 含量(wt%)
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#1
#2
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4
4 2
2
0 C8 C12 C16 C20 C24 C28 C32 C36 C40
碳数
北疆油碳数分布
0 C8 C12 C16 C20 C24 C28 C32 C36 C40
➢ 原油中非碳氢元素的含量虽然较低，但以非烃类化合物形 式存在的含量却相当高，因为非烃类化合物包括了含氮、 氧、硫等元素的化合物及胶状、沥青状化合物，它们大部 分集中在重组分中
➢ 原油中溶解的天然气主要由甲烷和乙烷组成，有时含有一 定量的氮气和少量的二氧化碳气。原油中溶解的天然气可 降低石油的粘度和密度，并使原油的压缩系数增大。
➢ 温度越低，其结构变得越加稳定。当原油中溶解有天然气 时，原油中的网络结构变得松散。
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➢ 形成蜡晶时，原来在液体中相互平衡的分子，其位置要
发生某种变动。分子的排列，即它们在晶体中的空间位
置要遵循如下原则：当一个分子的凸部填入另一个分子
的凹部时，整个分子的势能应具有最小值。
➢ 从热力学的观点看，由于温度降低，蜡分子在固体蜡晶
➢ 蜡在苯、氯仿和二硫化碳中有较好的溶解性。蜡属于非极 性或弱极性的物质，其化学性质很不活泼。
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蜡在石油中的状态与温度、石油的成分、溶解气的含量、 压力等条件有关。
当原油温度低于饱和温度，即过冷度超过蜡结晶析出所要 求的临界过冷度时，原油中液态蜡分子的聚结稳定性就开始下 降，从而导致从溶液中析出固态烃，并形成蜡晶。这种结晶能 力在很大程度上取决于蜡分子的结构、大小、形状和迁移率。
➢ 高温条件下，主要形成复杂的转动异构体。随着温度的 降低，蜡分子具有与最小势能相对应的拉长形式，这种 状态的蜡分子才能形成蜡晶。
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➢ 分子的热运动促成空间同分异构物的生成，而分子的相互 制约作用又妨碍它的形成。
➢ 在高温条件下，主要形成较复杂的同分异构物。随着温度 的降低，蜡结晶的出现要先于它的分子伸长，蜡分子具有 与最小势能相对应的拉长形式，分子的排列变得整齐。在 这种情况下，就造成了分子之间相互制约的加强，其体系 的能量相对地减小。分子之间依靠范德华力相互联系组成 大分子并会逐渐形成空间网络结构，同时，因分子的布朗 运动又会拆散结构，最终形成相对稳定的结构。
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➢ 原油的流变性取决于原油的组成，即取决于原油中溶解 气、液体和固体物质的含量，以及固体物质的分散程度。
➢ 根据其分散程度，原油属于胶体体系，固体物质（蜡晶、
沥青质为核心的胶团）构成这个体系的分散相，而连续 相则是液态烃和溶解于其中的天然气。 ➢ 当原油中固体分散相的浓度很大时，原油具有明显的胶 体溶液性质，并表现出复杂的非牛顿流体流变性质。
不溶于水，但易溶于有机溶剂。
➢ 环烷烃是饱和的环状化合物，即碳原子以单键相互连成环 状，其他价键为氢原子所饱和的化合物，分子通式为
CnH2n。环烷烃的碳原子数越少越不稳定。环戊烷等在常 温、常压下呈液态，相对分子质量大的环烷烃为固态。
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➢ 芳香烃也称芳香族碳氢化合物，是苯环结构上带有不同烷 基侧链的烃类化合物。芳香烃在其结构基体中含有扁平的 苯核心，这一类烃在常温、常压下呈液态或固态，其密度 较大、沸点较高。
碳数
大庆油碳数分布
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地蜡：高沸点结晶蜡(其中包括环烷烃、芳香烃和异构 烷烃)占多数的固态烃类混合物，称为地蜡。
地蜡分子中碳原子数约为36～55，相对分子质量约为 500～730，熔点约为60～90 ℃，其结晶体一般为细小的针 状结晶。
➢ 蜡能溶解在液态碳氢化合物中，其溶解度与温度有较大关 系，随温度下降，蜡在轻质烷烃液体中的溶解度急剧下降。
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➢ 烷烃是原油的主要成分，其分子通式为CnH2n+2。碳链属直 链结构的烷烃称正构烷烃，带侧链或支链结构的称异构烷
烃。
➢ 在常温、常压下，C1～C4的烷烃为气态，C5～C16的烷烃为 液态，C17以上的烷烃为固态。碳原子数增加，其熔点、沸 点等物性也随之升高。
➢ 在常温、常压下，烷烃的化学性质不活泼，因而稳定性好， 在储存过程中不易氧化变质。烷烃是非极性化合物，几乎
第四章 原油流变性
§4.1 原油的基本组成
一、概述 ➢ 组成原油的主要元素有碳、氢、氮、氧、硫5种，而且
主要是碳和氢。另外，原油中还含有微量的金属和非金 属元素，如镍、钒、铁、铜、砷、氯、磷、硅等 ➢ 上述元素都以有机化合物的形式存在于原油中。这些有 机化合物又分为由碳、氢元素构成的烃类化合物和含有 氮、氧、硫等元素的非烃类化合物。
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二、蜡晶 蜡晶：常温、常压下，分子中碳原子数在16个以上的烷
烃成品以结晶状态存在，称之为蜡晶。 石蜡：C17～C35的蜡分子以正构烷烃居多，另含有少量的
异构烷烃和环烷烃，称之为石蜡。 ➢ 石蜡结晶体一般为白色片状或带状结构，其相对分子质量
约为300～450，单纯固态石蜡的熔点约为30～70 ℃，密度 约为0.865～0.948 g/cm3。 ➢ 不同原油中不仅正构烷烃的含量不同，而且其正构烷烃的 碳原子数分布也有差异。
状态下的能量小于液态下的能量。因此，蜡分子要结晶
析出。
➢ 影响蜡晶尺寸的因素除蜡本身的性质外，还有结晶的条
Hale Waihona Puke 件，其中包括分散介质的粘度、冷却速率等。
➢ 随着蜡分子量的增加，晶体的尺寸随之减小，这是因为
分子的迁移率减少的缘故。分散介质的粘度越大，分散
介质的迁移率也减小，晶体的尺寸越小。
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➢ 晶体数目与尺寸有如下关系：在给定条件下形成结晶中心 越多，形成的晶体也越多，但晶体的尺寸越小。在结晶过 程中，溶解的石蜡浓度下降，既可以是由于形成了新的晶 核，也可以是既有晶体的长大。
石蜡烃聚结的不稳定性可以用其分子的特殊结构来解释：
碳原子呈“之”字形排列
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➢ 若碳氢化合物分子中相邻碳原子间的距离和键角保持不 变，这种状态下分子的势能最小。
➢ 分子链节的热运动形成了所谓 转动的同分异构体，它可能是 平面的，也可能是空间的。
➢ 在链节转动时，氢原子间的距离也要发生某些变化，这 是由于发生了新的斥力和能量消耗的结果，其能量的消 耗等于转动的分子所感受到的制动能量。