唐世春

（中國石化西北油田分公司）

酸化壓裂液對原油破乳脫水影響研究

唐世春

（中國石化西北油田分公司）

研究討論了含酸原油性質(zhì)，并考察了變黏酸、膠凝酸以及殘酸返排速度對原油破乳脫水的影響。結(jié)果表明，含酸原油膠質(zhì)、瀝青質(zhì)、機(jī)械雜質(zhì)含量越高，油水界面膜越穩(wěn)定；酸化壓裂液和鹽酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別達(dá)到7.5%和1.5%時(shí)，含酸原油在實(shí)驗(yàn)條件下基本不能脫水；殘酸返排速度越大，乳化越嚴(yán)重，含酸原油破乳脫水越難。圖8表3參7

破乳脫水含酸原油

0 引言

油田酸化作業(yè)是油氣井增產(chǎn)、修復(fù)枯竭井的重要措施之一[1]，酸化作業(yè)就是將酸化液由井口壓入儲(chǔ)油層，令其與儲(chǔ)層的巖石發(fā)生反應(yīng)，形成孔隙，以此改善儲(chǔ)層的滲透性，達(dá)到修復(fù)死井，提高產(chǎn)量的目的。酸化作業(yè)排出的殘余酸化液中除含有大量殘余酸外，還含有多種化學(xué)添加劑，如緩蝕劑、緩速劑、穩(wěn)定劑、減磨劑、滲透劑，以及石油類等。酸化壓裂液的殘液與地層原油混合，進(jìn)入原油處理系統(tǒng)后，容易導(dǎo)致系統(tǒng)脫水困難[2]，使沉降罐沉降時(shí)間增加，影響原油處理系統(tǒng)正常運(yùn)行，給生產(chǎn)系統(tǒng)帶來極大的不便。前期國內(nèi)外學(xué)者對原油乳狀液穩(wěn)定機(jī)理，破乳機(jī)理等開展了大量研究，但對含有壓裂殘酸的原油乳狀液的破乳研究較少，浙江大學(xué)范振中研究了殘酸對原油脫水的影響及處理，但針對殘酸對原油脫水影響方面僅僅概述性的介紹殘留酸中的H+對破乳脫水的影響[3]。為了更全面地分析含酸原油破乳脫水的影響因素，為制定其脫水工藝提供理論依據(jù)，從含酸原油性質(zhì)、酸化壓裂液濃度、壓裂液殘液返排速度幾個(gè)方面對含酸原油破乳脫水影響因素進(jìn)行了分析研究。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 試劑與儀器

甲苯、正庚烷、乙醇、鹽酸（分析純，成都市科龍化工廠）；變黏酸（巴州中盈石油工程技術(shù)有限公司）：鹽酸、ZX-H1緩蝕劑、ZX-P1破乳劑、ZX-Z1助排劑、ZX-T1鐵離子穩(wěn)定劑、ZX-T120V變黏酸膠凝劑；膠凝酸（北京凱姆泰克石油工程技術(shù)發(fā)展有限公司）：鹽酸、緩蝕劑CT-H、助排劑CT-Z、高溫膠凝劑CT-S、破乳劑CT-P、鐵離子穩(wěn)定劑CT-T。

原油中蠟、膠質(zhì)、瀝青質(zhì)含量測定儀(大連港石油儀器有限公司)，waring高速攪拌器（連富機(jī)械有限公司），分光光度計(jì)（上海元析儀器有限公司）。

1.2 原油組分分析

稠油中膠質(zhì)、瀝青質(zhì)的含量測定參照《SY/T7550-2004原油中蠟、膠質(zhì)、瀝青質(zhì)含量測定法》。

1.3 酸化壓裂液對破乳影響

實(shí)驗(yàn)酸化壓裂液為變黏酸和膠凝酸，主要組成分別如表1所示。實(shí)驗(yàn)用兩種酸化壓裂液在1200 r/s條件下與塔河油田普通稠油（不含殘酸原油，含水率為32.5%）乳化混合，分別考察酸化壓裂液占稠油質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0%、2.5%、5.0%、7.5%、10%下對破乳脫水的影響。實(shí)驗(yàn)溫度為75℃，破乳劑加量為300 mg/L。

表1 模擬攪拌速度計(jì)算表

變黏酸（巴州中盈石油工程技術(shù)有限公司提供）組成質(zhì)量分?jǐn)?shù)（下同）：HCl（20%）+ZX-H1緩蝕劑（2%）+ZX-P1破乳劑（1%）+ZX-Z1助排劑（1%）+ ZX-T1鐵離子穩(wěn)定劑（1%）+ZX-T120V變黏酸膠凝劑（0.8%）。

膠凝酸（北京凱姆泰克石油工程技術(shù)發(fā)展有限公司提供）組成：HCl（20%）+緩蝕劑CT-H（2%）+助排劑CT-Z（1%）+高溫膠凝劑CT-S（0.8%）+破乳劑CT-P（1%）+鐵離子穩(wěn)定劑CT-T（0.8%）。

1.4 剪切速率對破乳影響

實(shí)驗(yàn)利用waring高速攪拌器調(diào)節(jié)至相應(yīng)轉(zhuǎn)速，計(jì)算在排液速度為5 m3/h、10 m3/h、15 m3/h時(shí)原油通過油嘴的流速和雷諾數(shù)，以模擬原油通過在油嘴的流動(dòng)狀況。雷諾數(shù)計(jì)算公式如下：

式中

d—油嘴內(nèi)徑，m；

u—流速，m/s；

ρ—流體密度，kg/m3；

μ—流體黏度，Pa·s。

實(shí)驗(yàn)室混合器為waring高速攪拌器，其內(nèi)徑為7.5 cm，攪拌葉直徑5.0 cm，最大轉(zhuǎn)速為20000 rpm，雷諾數(shù)計(jì)算公式如下：

式中：

d—攪拌器直徑，m；

N—攪拌器轉(zhuǎn)動(dòng)速度，m/s；

ρ—流體密度，kg/m3；

μ—流體黏度，Pa·s；

ω—轉(zhuǎn)速，r/s;

d’—攪拌葉直徑，m。

經(jīng)計(jì)算Re’=0.00563 Nρ/μ，設(shè)Re=Re’，現(xiàn)場常用的油嘴規(guī)格為5 mm，在5 m3/h、10 m3/h、15 m3/h三種排液速度下對應(yīng)的油嘴流速、雷諾數(shù)、攪拌器轉(zhuǎn)動(dòng)速度、轉(zhuǎn)速計(jì)算結(jié)果如表1所示。

根據(jù)計(jì)算結(jié)果，攪拌器轉(zhuǎn)速分別為40.04 r/s、80.08 r/s、120.11 r/s可模擬對應(yīng)排液速度下原油經(jīng)過油嘴的流動(dòng)狀態(tài)。

實(shí)驗(yàn)油樣為2.1中3#油樣，破乳劑加量為300 mg/ L，溫度為75℃。

2 結(jié)果與討論

2.1 原油性質(zhì)對破乳的影響

實(shí)驗(yàn)選取了4口不同單井含有殘酸的油樣進(jìn)行分析，并考察了破乳脫水情況（破乳劑加量300 mg/L，溫度75℃，沉降8 h），結(jié)果如表2所示。

表2 含酸原油成分分析表

由表2可知，原油中膠質(zhì)、瀝青質(zhì)含量越高，原油破乳困難，這是因?yàn)樵谒嵝原h(huán)境下膠質(zhì)、瀝青質(zhì)中的極性物質(zhì)容易與鐵離子反應(yīng)生成酸化淤渣，酸化淤渣是一種很好的乳化劑，造成原油脫水困難。含酸油中的機(jī)械雜質(zhì)粒徑很小，分散在油水界面上能夠增強(qiáng)界面膜強(qiáng)度，對油水乳狀液有很好的穩(wěn)定作用[4-5]。據(jù)分析，酸化壓裂中殘留的表面活性劑可以和這些微粒結(jié)合，形成穩(wěn)定界面膜的天然乳化劑，從而使乳狀液更為穩(wěn)定[6]。此外，也有研究表明，瀝青質(zhì)與固體顆粒共同作用形成的乳狀液比瀝青質(zhì)單獨(dú)形成的乳狀液要牢固的多[7]。因此，從含酸原油組成成分來看，含酸原油破乳脫水難度較大。

2.2 酸化壓裂液對破乳影響

實(shí)驗(yàn)以常用的變黏酸和膠凝酸為例，研究了不同酸化壓裂濃度對原油破乳脫水的影響，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如下：

圖1 變黏酸對原油破乳的影響

圖2 膠凝酸對原油破乳的影響

圖3 酸化壓裂液濃度對破乳脫水的影響

由圖1、圖2以及圖3可知，兩種酸化壓裂液對原油破乳具有顯著影響，當(dāng)酸化壓裂液質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到7.5%時(shí)原油基本不能脫水。殘液返排進(jìn)入系統(tǒng)后，影響分離脫水效果，因?yàn)闅埩羲嶂械腍+將激活稠油中環(huán)烷酸，增加乳化劑數(shù)量，使乳化膜強(qiáng)度加大，從而使破乳劑替換油水界面的難度加大，影響了化學(xué)脫水的進(jìn)行，造成原油破乳的困難，脫水系統(tǒng)紊亂。另一方面殘酸會(huì)與原油中的堿性氮化物反應(yīng)生成具有一定界面活性的物質(zhì)，此外還會(huì)導(dǎo)致原油乳狀液pH值的降低，油水界面張力變小，乳狀液穩(wěn)定性增強(qiáng)。

由于鹽酸為酸化液中最常用的酸，為了確定鹽酸是否是影響酸化液破乳效果的主要因素，單獨(dú)考察了鹽酸對破乳效果的影響，鹽酸的加量是按照酸化液中鹽酸的質(zhì)量百分含量計(jì)算的，如膠凝酸加入量為2.5%，因其中鹽酸量為20%（鹽酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)37%）則鹽酸加入量為0.5%，實(shí)驗(yàn)考察了鹽酸加入量為0.5%~2.0%時(shí)對破乳的影響，結(jié)果見圖4。從結(jié)果可以看出，鹽酸對原油破乳脫水具有顯著影響，鹽酸加入量超過1.5%時(shí)基本不能脫水。

圖4 不同濃度鹽酸對破乳效果的影響

為了進(jìn)一步分析酸對原油破乳的影響，實(shí)驗(yàn)選取了90 g稠油原油油樣，加入10 mL不同pH值的酸（堿）溶液，通過乳化機(jī)乳化后加入300 mg/L破乳劑，在75℃下脫水8 h觀察原油脫水情況。

由圖5、圖6實(shí)驗(yàn)可知，在原油中加入pH為6~8的溶液時(shí)對原油破乳脫水影響較小，加入pH越小或越大的溶液對原油破乳脫水影響越大。

圖5 pH值對原油脫水的影響

圖6 不同pH介質(zhì)對油水分離情況

2.3 殘液返排速度對破乳影響

原油在采出過程中受到了不同程度的剪切、湍動(dòng)從而形成乳狀液，尤其再經(jīng)過油嘴或泵時(shí)原油極易乳化，當(dāng)原油中含有酸、固體顆粒等會(huì)使原油乳狀液穩(wěn)定性增強(qiáng)。因此根據(jù)現(xiàn)場工況數(shù)據(jù)，在實(shí)驗(yàn)室模擬不同排液速度采出液經(jīng)過油嘴的剪切狀況對原油乳化的影響。室內(nèi)以剪切速率模擬了不同殘液返排速度對含酸原油破乳影響，不同剪切速率對的破乳情況及乳液微觀狀態(tài)如圖7及圖8所示。

圖7 剪切強(qiáng)度對含酸原油破乳的影響

圖8 不同剪切速率原油乳狀液微觀狀況

由圖7和圖8可見，殘液排液速度對于采出液穩(wěn)定性影響明顯，排液速度越大，含酸原油脫水速度越慢，脫水效果越差。排液速度越大所形成的乳狀液粒徑越小，乳液分散越好，破乳脫水越困難。其原因?yàn)椋乓核俣仍酱髿埶崤c原油混合越均勻，增強(qiáng)了原油乳化作用。

3 結(jié)語

（1）實(shí)驗(yàn)含酸原油中膠質(zhì)、瀝青質(zhì)含量較高，并且含有一定量微小的機(jī)械雜質(zhì)，分別平均為6.23%、 40.96%、0.31%，膠質(zhì)、瀝青質(zhì)在酸性環(huán)境下易與鐵離子反應(yīng)生成酸化淤渣，使原油乳化，同時(shí)機(jī)械雜質(zhì)增強(qiáng)了油水界面膜強(qiáng)度，造成原油脫水困難。

（2）酸化壓裂液對原油破乳脫水有顯著影響，當(dāng)酸化壓裂液質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到7.5%時(shí)原油基本不能脫水；酸對原油破乳脫水影響明顯，鹽酸加入量超過1.5%時(shí)原油完全不能分水。

（3）酸化壓裂殘液排液速度對于采出液穩(wěn)定性影響明顯，排液速度越大，含酸原油乳化越嚴(yán)重，脫水速度越慢，脫水效果越差。

1江懷友，李治平，盧穎，等.世界海洋油氣酸化壓裂技術(shù)現(xiàn)狀與展望[J].中外能源，2009，14（11）：45-49.

2李可向.保護(hù)油氣層鉆井完井技術(shù)[M].北京:石油工業(yè)出版社，1993.737-772.

3范振中，俞慶森.殘酸對原油脫水的影響及處理[J].浙江大學(xué)學(xué)報(bào)，2005,32（5）:546-549.

4肖中華.原油乳狀液破乳機(jī)理及影響因素研究[J].石油天然氣學(xué)報(bào)，2008，30（4）:165-167.

5Tabme D E，Sharma M M．Factors controlling the stability of colloid stabilized emulsion.Ⅰ．a(chǎn)n experimental investigation［J］．J Colloid Interface Sci，1993，157:244-253．

6張賢明，潘詩浪，陳彬，等．油水乳化液破乳動(dòng)力學(xué)研究進(jìn)展［J］．流體機(jī)械，2010，38（6）:33-40．

7王宜陽，張路，孫濤壘，等.不同結(jié)構(gòu)破乳劑油水界面擴(kuò)張黏彈性研究[J].物理化學(xué)學(xué)報(bào).2003，297-301.

2015-02-12編輯景岷雪）

唐世春，男，1968年出生，高級(jí)工程師；1992年畢業(yè)于南京大學(xué)石油鉆采工程專業(yè)，現(xiàn)從事于工程技術(shù)相關(guān)科研及管理工作。地址：(830011)新疆烏魯木齊長春南路466號(hào)中石化西北石油科研生產(chǎn)園區(qū)。電話：（0991）3166635。E-mail:tangsc.xbsj@sinopec.com