寇 杰,肖榮鴿

(1.中國石油大學儲運與建筑工程學院,山東青島 266555;2.西安石油大學石油工程學院,陜西西安 710065)

東辛稠油反相乳化降黏集輸試驗

寇 杰1,肖榮鴿2

(1.中國石油大學儲運與建筑工程學院,山東青島 266555;2.西安石油大學石油工程學院,陜西西安 710065)

針對勝利油田東辛稠油摻水集輸成本高、后續(xù)污水處理量大等問題,提出采用乳化降黏集輸?shù)姆椒?并篩選出一種適合東辛稠油的反相乳化劑。結(jié)果表明:溫度 50℃、乳化劑質(zhì)量分數(shù) 0.85%、有效體積含油率 65%～70%、攪拌強度 120 r/min、攪拌時間 10 min為反相乳化集輸乳狀液的最佳制備條件;乳化集輸?shù)默F(xiàn)場試驗效果明顯好于原摻水方法;乳化降黏集輸具有良好的經(jīng)濟效益,每年可節(jié)約成本 200萬元。

水處理;稠油;降黏;乳化;試驗

勝利油田東辛稠油密度大(20℃時為 0.924 g/ cm3)、黏度高 (50℃時為 1.597 Pa·s),目前采用摻水集輸方法,摻水比例高達 70%～80%,不僅增加了集輸成本,在冬季往往達不到工藝要求[1]。反相乳化降黏集輸是目前最經(jīng)濟、最有潛力的集輸方法[2],筆者對東辛稠油進行乳化降黏集輸試驗。

1 反相乳化降黏機制

反相乳化降黏是使稠油均勻分散在水中,形成較穩(wěn)定的水包油型乳狀液,從而降低稠油黏度和管輸能耗,其關(guān)鍵在于乳化劑的篩選評價。乳化降黏的機制主要表現(xiàn)在以下幾個方面:(1)在油品周圍形成堅固的保護膜,阻止油滴聚并;(2)降低界面張力,易于油水乳化;(3)產(chǎn)生界面電荷,增加油滴間斥力,為稠油水包油(O/W)乳化液生成創(chuàng)造了先決條件。水為外相,黏度很低,在流動過程中,稠油間的相互內(nèi)摩擦變?yōu)樗c水之間的內(nèi)摩擦,降低了流體間的內(nèi)摩擦力。乳化劑在固液界面吸附時,其親油基朝向固體表面,水基朝向水溶液,使固體表面由親油轉(zhuǎn)化為親水,從而降低了固液之間的接觸角,貼近管壁的稠油油層被水膜層取代,油與管壁的摩擦變?yōu)樗c管壁的摩擦,降低了摩擦阻力[3-4]。

2 試 驗

2.1 東辛稠油的基本物理性質(zhì)

依據(jù)相關(guān)標準[5-8]進行試驗,得到東辛稠油中蠟、膠質(zhì)、瀝青質(zhì)的質(zhì)量分數(shù)分別為 12.13%, 33.64%,0.63%;初餾點、凝點分別為 146,22℃;密度 (20℃)、黏度 (50℃)分別為 924 kg/m3,1.597 Pa·s?？梢钥闯?東辛稠油膠質(zhì)和蠟含量高、初餾點高、黏度大,屬于典型稠油。

2.2 乳化劑的篩選

決定乳狀液穩(wěn)定性的最重要因素是乳狀液在油水界面上所形成的界面膜強度和緊密程度,而乳化劑在界面上的吸附能夠使界面膜中的吸附分子排列緊密,不易脫附,使界面膜具有一定的強度和黏彈性,進而形成穩(wěn)定的乳狀液。

乳化劑是由親水性極性基團和親油性非極性基團組成的表面活性劑,目前常用的類型有陽離子型、陰離子型、兩性型和非離子型。

乳化劑的篩選應(yīng)滿足以下標準[9-12]:(1)易于形成O/W型乳狀液;(2)乳狀液的穩(wěn)定性好;(3)乳化劑用量低,效果好;(4)乳狀液的流動性能好;(5)乳狀液易于破乳,不會給油水分離造成困難。為了盡可能與油田生產(chǎn)實際相吻合,試驗中使用東辛稠油脫出的礦場水配置 O/W型乳狀液。由于離子型乳化劑容易和水中離子反應(yīng)而生成沉淀會削弱乳化劑的乳化作用,而非離子型乳化劑有不怕硬水、不受pH值影響等優(yōu)點,因此試驗采用非離子型乳化劑。

非離子型乳化劑的親水基中含有羥基或聚氧乙烯醚鍵,容易與水形成氫鍵,具有較強的水溶性,且其水溶性隨親水性的羥基數(shù)目和聚氧乙烯醚鏈長而不同。親油基主要是一些非極性基,最常見的是碳氫鏈。親油基主體為烴類,可分為脂肪族烴基、芳香族烴基、脂肪族等支鏈下有芳烴、親油基中含有親水基等4種。同種類的親油基其親油性不同,一般是隨著碳氫鏈長的增大,其親油性也增大。當不同種類親油基的碳數(shù)相同時,其親油性的強弱順序一般是:脂肪族 >帶脂肪族鏈的芳香族 >芳香族 >帶弱親水基的[13]。Griffin首先提出了 HLB值,以衡量表面活性劑分子內(nèi)部平衡后整個分子的親水親油綜合傾向及其親和程度?，F(xiàn)用的 HLB值以石蠟的 HLB值為 0,油酸的 HLB值為 1。選擇乳化劑時,首先應(yīng)考慮其HLB值。非離子性表面活性劑的HLB值在1～20,一般選擇 HLB值為 8～18的作為O/W型乳化劑[14]。

對 20種非離子型乳化劑進行了篩選。乳化劑篩選試驗方案如下:

(1)乳化劑篩選的試驗條件。制備溫度 50℃,質(zhì)量分數(shù) 1%;體積含油率 70%;攪拌強度 120 r/ min;攪拌時間 10 min。

(2)穩(wěn)定性試驗。靜態(tài)穩(wěn)定時間 12 h。

試驗結(jié)果見表1。

表 1 乳化劑篩選試驗結(jié)果Table 1 Results of emulsifier selecting experi ments

由表 1可知,試驗條件下,乳化劑 1#,3#,14#, 16#能夠形成O/W型乳狀液,但乳化劑 1#,3#所形成的乳狀液顆粒較大,靜置一段時間即有水析出,而乳化劑 14#,16#形成的乳狀液顆粒較小,相對穩(wěn)定。對乳化劑 14#和 16#做進一步篩選,降低乳化劑質(zhì)量分數(shù)為 0.9%,乳化劑 16#形成的O/W乳狀液不穩(wěn)定,靜置 1 h即有水析出,乳化劑 14#形成的O/W乳狀液靜置 12 h未見有水析出。因此,選用乳化劑 14#。

2.3 乳狀液最佳制備條件

(1)溫度。在較低的乳化溫度下,乳化劑活性不夠,而且油的黏度大,攪拌混合困難,乳化效果不好,甚至無法形成 O/W型乳狀液;溫度過高,乳化劑活性又太大,不易形成穩(wěn)定的界面膜,并且有的非離子型乳化劑在高于某溫度時,溶解性不好。因此,乳狀液制備溫度要適宜。試驗結(jié)果見表 2。

表 2 乳狀液最佳制備溫度的確定Table 2 Determ i nation experi ment of opti mum temperature for emulsion preparation

根據(jù)試驗結(jié)果和現(xiàn)場情況以及低熱耗的要求,乳狀液的最佳制備溫度為 50℃。

(2)乳化劑質(zhì)量分數(shù)。油水混合物中乳化劑質(zhì)量分數(shù)過小,形成不了足夠細的油滴,油滴尺寸分布寬,容易聚結(jié),表觀黏度較大;增大乳化劑的質(zhì)量分數(shù)使其充分地分散于油水界面上,可使油水混合物形成顆粒均勻細膩的乳狀液。然而乳化劑過量時,一方面乳狀液液滴尺寸過小,分散度過大,導致乳化嚴重,增大乳狀液的黏度;另一方面油滴表面形成致密的單分子層后,剩余的乳化劑分子在水相中形成膠團,把部分水包在內(nèi),增加了油的有效體積分數(shù),亦造成乳狀液黏度的上升。乳化劑嚴重過量時,甚至會導致乳狀液的絮凝,液滴進一步聚集形成網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),使其流變性發(fā)生惡化,表觀黏度顯著上升。最佳乳化劑濃度的試驗結(jié)果見表 3。

表 3 最佳乳化劑濃度的確定Table 3 Determ ination experi ment of opti mum emulsifier concentration

由表 3可知,在 60%～70%的體積含油率范圍內(nèi),最佳乳化劑質(zhì)量分數(shù)為 0.85%。

(3)體積含油率。體積含油率即穩(wěn)定乳狀液中油所占的體積分數(shù),在一定乳化劑量和溫度等條件下,乳狀液中含有越多的油,即體積含油率越大,則在經(jīng)濟上越可行。

有效體積含油率的試驗中乳化劑含量取最佳質(zhì)量分數(shù)0.85%,試驗結(jié)果見表4。很明顯,在0.85%的加劑濃度下,體積含油率應(yīng)在65%～70%。

(4)攪拌強度和攪拌時間。攪拌強度越大,則輸入能量越大,乳狀液體系可以形成較大的油水界面,油滴更細,乳狀液更穩(wěn)定。但是,如果攪拌強度過大,輸入能量過多,能耗大、不經(jīng)濟,另外乳狀液過于穩(wěn)定,也會給下游的脫水作業(yè)帶來困難。在一定的攪拌強度下,攪拌時間越長,乳狀液越穩(wěn)定。確定攪拌強度和攪拌時間的試驗結(jié)果見表 5和表 6。

表 4 有效體積含油率的確定試驗Table 4 Determ ination experi ment of effective range of volume oil rate

表 5 攪拌強度的確定試驗Table 5 Determ ination experi ment of stirring intensity

表 6 攪拌時間的確定試驗Table 6 Determ ination experi ment of stirri ng ti me

由表 5,6可知,東辛稠油在攪拌強度 120 r/ min、攪拌時間 10 min的條件下能形成具有一定穩(wěn)定性的O/W型乳狀液,而又不會造成乳化嚴重。

2.4 乳狀液的穩(wěn)定性及降黏率

把乳狀液裝入帶有刻度的玻璃試管內(nèi),室溫靜置 12 h,觀察不同時間的析水情況,以此來研究乳狀液的靜態(tài)穩(wěn)定性。試驗發(fā)現(xiàn),體積含油率為 65%和70%時沒有水析出,而體積含油率為 60%時靜置 30 min有水析出。

由東辛稠油加乳化劑與不加乳化劑的黏度試驗結(jié)果可知,乳化后黏度為純稠油黏度的 2.89%～8.81%,降黏率均在 90%以上。

3 現(xiàn)場試驗

根據(jù)油田區(qū)塊井流和計量站混合液的含水率、溫度等參數(shù)、設(shè)施的配置情況以及試驗結(jié)果,選擇有代表性的 1#井、2#井和 3#井作為試驗井,利用計量站中現(xiàn)有的加藥裝置,在井口出油管線中加藥。

3.1 參數(shù)的確定

各井基礎(chǔ)數(shù)據(jù)以及各井需要的總水量、藥劑量(按含油率 65%計算)見表 7。

表 7 各井基礎(chǔ)數(shù)據(jù)以及需要的總水量、藥劑量Table 7 W ells basic data as well as dose needed,total amount of water and dosing

3.2 結(jié)果分析

根據(jù)確定的體積含油率、制備溫度、乳化劑質(zhì)量分數(shù)以及各井加藥量,進行現(xiàn)場試驗。

(1)壓力變化。3口井加藥后的井口壓力和計量站匯管壓力隨時間的變化如圖 1所示。從圖 1中可以看出:隨著加藥時間的增加,井口回壓和計量站出口匯管壓力緩慢降低,說明加入藥劑后,出油管線中油水乳狀液轉(zhuǎn)變?yōu)樗托?降低了摩擦系數(shù);每條曲線都存在一個最低點(停止加藥時間),這是因為停止加藥后,隨著生產(chǎn)的進行,集輸系統(tǒng)內(nèi)的流體被更新,緩慢恢復到加藥前的狀態(tài)。

(2)加藥前、后流體的混合黏度。根據(jù)多相流的基礎(chǔ)知識,利用自編的程序,反算油井出油管線在加藥前、后流體的黏度。計算結(jié)果表明,出油管線中流體加藥后的黏度不到加藥前黏度的 50%,但比室內(nèi)試驗效果差,分析其原因主要有:①油井產(chǎn)量隨時變化,但根據(jù)現(xiàn)場提供的油井產(chǎn)量計算出的加藥量并沒有變化;②井流產(chǎn)物中的蠟、膠質(zhì)和瀝青質(zhì)在管線內(nèi)壁沉積,短時間內(nèi)不可能沖刷干凈,影響了計算精度;③現(xiàn)場試驗與室內(nèi)試驗的溫度不同,并且現(xiàn)場藥劑與井流是自然摻混的,與室內(nèi)攪拌器的剪切速率不同,藥劑不能完全發(fā)揮出效能。

圖 1 1#～3#井加藥前、后壓力隨時間的變化Fig.1 Pressure changes of well 1#,2#and 3#with ti me before and after dosi ng

(3)經(jīng)濟效益?，F(xiàn)場試驗結(jié)果表明,添加反相乳化劑可以使油井不摻水或少摻水,減少后續(xù)原油脫水和污水處理的費用,降低摻水系統(tǒng)和污水處理系統(tǒng)的投資和運行費用,另外還可以減少管線因腐蝕穿孔而影響的油井產(chǎn)量。據(jù)測算,東辛稠油區(qū)塊若采用反相乳化降黏集輸每年可產(chǎn)生近 200萬元的經(jīng)濟效益。

4 結(jié) 論

(1)通過室內(nèi)試驗篩選出一種適合東辛稠油的反相乳化劑,制備溫度 50℃、乳化劑質(zhì)量分數(shù)0.85%、有效體積含油率范圍 65%～70%、攪拌強度 120 r/min、攪拌時間 10 min為反相乳化集輸乳狀液的最佳制備條件。

(2)在最佳制備條件下,配制的乳狀液完全滿足降黏集輸?shù)囊?現(xiàn)場試驗證明反相乳化降黏集輸?shù)男Ч黠@好于原摻水集輸方法,完全適用于東辛稠油的集輸。

(3)反相乳化降黏集輸每年可產(chǎn)生近 200萬元的經(jīng)濟效益。

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(編輯 劉為清)

Experi ment on invert emulsion viscosity reducing transportation for Dongxin heavy oil

KOU Jie1,X IAO Rong-ge2
(1.College of Storage&Transportation and A rchitectural Engineering in China University of Petroleum,Q ingdao266555,China; 2.College of Petroleum Engineering in Xi′an Shiyou University,Xi′an710065,China)

Aimed at the problems of high cost of water blended crude transportation and large succeeding wastewater treatment forDongxin heavy oil in ShengliOilfield,a invert emulsion viscosity reducing transportationmethodwas proposed.And a kind of invert emulsifierwas selected forDongxin heavy oil.The results show that the optimalprepared conditions of emulsion for invert emulsion transportation are temperature of 50℃,emulsifier mass fraction of 0.85%,the range of effective volume oil cutof 65%-70%,stirring intensity of 120 r/min and stirring time of 10 min.The experimental effectof invert emulsion transportation is better than that ofwater blended crude transportation.Invert emulsion viscosity reducing transportation has good economic benefits,and 2 million yuan can be reduced each year.

water treat ment;heavy oil;viscosity reduction;emulsify;experiment

TE 832.333

A

10.3969/j.issn.1673-5005.2010.04.032

1673-5005(2010)04-0162-05

2010-04-10

國家“863“計劃項目(2007AA09Z301)

寇杰(1969-),男(漢族),江蘇贛榆人,副教授,博士,研究方向為多相管流與油氣田集輸技術(shù)。