東辛稠油反相乳化降黏集輸試驗(yàn)

寇 杰,肖榮鴿

(1.中國(guó)石油大學(xué)儲(chǔ)運(yùn)與建筑工程學(xué)院,山東青島 266555;2.西安石油大學(xué)石油工程學(xué)院,陜西西安 710065)

東辛稠油反相乳化降黏集輸試驗(yàn)

寇 杰1,肖榮鴿2

(1.中國(guó)石油大學(xué)儲(chǔ)運(yùn)與建筑工程學(xué)院,山東青島 266555;2.西安石油大學(xué)石油工程學(xué)院,陜西西安 710065)

針對(duì)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(wèn)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?jǐn)?shù) 0.85%、有效體積含油率 65%～70%、攪拌強(qiáng)度 120 r/min、攪拌時(shí)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(chǎng)試驗(yàn)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(jì)效益,每年可節(jié)約成本 200萬(wàn)元。

水處理;稠油;降黏;乳化;試驗(yàn)

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

1 反相乳化降黏機(jī)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(píng)價(jià)。乳化降黏的機(jī)制主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面:(1)在油品周?chē)纬蓤?jiān)固的保護(hù)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(dòng)過(guò)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(shí),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(yàn)

2.1 東辛稠油的基本物理性質(zhì)

依據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)[5-8]進(jìn)行試驗(yàn),得到東辛稠油中蠟、膠質(zhì)、瀝青質(zhì)的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為 12.13%, 33.64%,0.63%;初餾點(diǎn)、凝點(diǎn)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(diǎn)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(qiáng)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(qiáng)度和黏彈性,進(jìn)而形成穩(wěn)定的乳狀液。

乳化劑是由親水性極性基團(tuán)和親油性非極性基團(tuán)組成的表面活性劑,目前常用的類(lèi)型有陽(yáng)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(biāo)準(zhǔn)[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(dòng)性能好;(5)乳狀液易于破乳,不會(huì)給油水分離造成困難。為了盡可能與油田生產(chǎn)實(shí)際相吻合,試驗(yàn)中使用東辛稠油脫出的礦場(chǎng)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(huì)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(diǎn),因此試驗(yàn)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(qiáng)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(zhǎng)而不同。親油基主要是一些非極性基,最常見(jiàn)的是碳?xì)滏?。親油基主體為烴類(lèi),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(lèi)的親油基其親油性不同,一般是隨著碳?xì)滏滈L(zhǎng)的增大,其親油性也增大。當(dāng)不同種類(lèi)親油基的碳數(shù)相同時(shí),其親油性的強(qiáng)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(gè)分子的親水親油綜合傾向及其親和程度。現(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(shí),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(duì) 20種非離子型乳化劑進(jìn)行了篩選。乳化劑篩選試驗(yàn)方案如下:

(1)乳化劑篩選的試驗(yàn)條件。制備溫度 50℃,質(zhì)量分?jǐn)?shù) 1%;體積含油率 70%;攪拌強(qiáng)度 120 r/ min;攪拌時(shí)間 10 min。

(2)穩(wěn)定性試驗(yàn)。靜態(tài)穩(wěn)定時(shí)間 12 h。

試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表1。

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

由表 1可知,試驗(yàn)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(shí)間即有水析出,而乳化劑 14#,16#形成的乳狀液顆粒較小,相對(duì)穩(wěn)定。對(duì)乳化劑 14#和 16#做進(jìn)一步篩選,降低乳化劑質(zhì)量分?jǐn)?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(jiàn)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(wú)法形成 O/W型乳狀液;溫度過(guò)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(shí),溶解性不好。因此,乳狀液制備溫度要適宜。試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)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(yàn)結(jié)果和現(xiàn)場(chǎng)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?jǐn)?shù)。油水混合物中乳化劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)過(guò)小,形成不了足夠細(xì)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?jǐn)?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(xì)膩的乳狀液。然而乳化劑過(guò)量時(shí),一方面乳狀液液滴尺寸過(guò)小,分散度過(guò)大,導(dǎo)致乳化嚴(yán)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(tuán),把部分水包在內(nèi),增加了油的有效體積分?jǐn)?shù),亦造成乳狀液黏度的上升。乳化劑嚴(yán)重過(guò)量時(shí),甚至?xí)?dǎo)致乳狀液的絮凝,液滴進(jìn)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(yàn)結(jié)果見(jiàn)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?jǐn)?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?jǐn)?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(jì)上越可行。

有效體積含油率的試驗(yàn)中乳化劑含量取最佳質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.85%,試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)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(qiáng)度和攪拌時(shí)間。攪拌強(qiáng)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(xì),乳狀液更穩(wěn)定。但是,如果攪拌強(qiáng)度過(guò)大,輸入能量過(guò)多,能耗大、不經(jīng)濟(jì),另外乳狀液過(guò)于穩(wěn)定,也會(huì)給下游的脫水作業(yè)帶來(lái)困難。在一定的攪拌強(qiáng)度下,攪拌時(shí)間越長(zhǎng),乳狀液越穩(wěn)定。確定攪拌強(qiáng)度和攪拌時(shí)間的試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表 5和表 6。

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

表 5 攪拌強(qiáng)度的確定試驗(yàn)Table 5 Determ ination experi ment of stirring intensity

表 6 攪拌時(shí)間的確定試驗(yàn)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(qiáng)度 120 r/ min、攪拌時(shí)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(huì)造成乳化嚴(yán)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(shí)間的析水情況,以此來(lái)研究乳狀液的靜態(tài)穩(wěn)定性。試驗(yàn)發(fā)現(xiàn),體積含油率為 65%和70%時(shí)沒(méi)有水析出,而體積含油率為 60%時(shí)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(yàn)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(chǎng)試驗(yàn)

根據(jù)油田區(qū)塊井流和計(jì)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(yàn)結(jié)果,選擇有代表性的 1#井、2#井和 3#井作為試驗(yàn)井,利用計(jì)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(jì)算)見(jiàn)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?jǐn)?shù)以及各井加藥量,進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)。

(1)壓力變化。3口井加藥后的井口壓力和計(jì)量站匯管壓力隨時(shí)間的變化如圖 1所示。從圖 1中可以看出:隨著加藥時(shí)間的增加,井口回壓和計(jì)量站出口匯管壓力緩慢降低,說(shuō)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(gè)最低點(diǎn)(停止加藥時(shí)間),這是因?yàn)橥Ｖ辜铀幒?隨著生產(chǎn)的進(jìn)行,集輸系統(tǒng)內(nèi)的流體被更新,緩慢恢復(fù)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(shí),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(jì)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(yàn)效果差,分析其原因主要有:①油井產(chǎn)量隨時(shí)變化,但根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)提供的油井產(chǎn)量計(jì)算出的加藥量并沒(méi)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(shí)間內(nèi)不可能沖刷干凈,影響了計(jì)算精度;③現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)與室內(nèi)試驗(yàn)的溫度不同,并且現(xiàn)場(chǎng)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(shí)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(jì)效益?，F(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)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(fèi)用,降低摻水系統(tǒng)和污水處理系統(tǒng)的投資和運(yùn)行費(fèi)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(cè)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(wàn)元的經(jīng)濟(jì)效益。

4 結(jié) 論

(1)通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)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?jǐn)?shù)0.85%、有效體積含油率范圍 65%～70%、攪拌強(qiáng)度 120 r/min、攪拌時(shí)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(chǎng)試驗(yàn)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(wàn)元的經(jīng)濟(jì)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(guó)家“863“計(jì)劃項(xiàng)目(2007AA09Z301)

寇杰(1969-),男(漢族),江蘇贛榆人,副教授,博士,研究方向?yàn)槎嘞喙芰髋c油氣田集輸技術(shù)。