表面活性劑體系改善高含蠟稠油破乳脫水效果

梁金祿，焦淑菲，方麗萍，尹艷鎮(zhèn)，鐘瑩瑩

（欽州學(xué)院，廣西 欽州 535000）

常規(guī)原油剩余儲量的減少，迫使各國加快開發(fā)稠油資源；但在稠油開采中遇到降凝、降粘、破乳脫水、外輸?shù)入y度加大的技術(shù)難題，尤其是各種工藝技術(shù)之間的相互作用和影響，解決好稠油破乳脫水難題是其中關(guān)鍵一環(huán)。研究和技術(shù)人員經(jīng)過大量努力，攻克了非洲某高含蠟稠油開采后經(jīng)過降凝、降粘處理后的破乳脫水難題，對中國石油公司今后在此地油田開發(fā)事業(yè)的二期、三期及長遠(yuǎn)發(fā)展壯大具有重要的戰(zhàn)略意義。

1 原油及采出液特征

非洲某油田現(xiàn)處于開發(fā)初期，采出液綜合含水率約為3.5%，該區(qū)塊稠油的突出特點(diǎn)是采出水礦化度高，原油含蠟量高，凝固點(diǎn)高，粘度高（表1、表2），某些單井的原油含蠟量高達(dá)62%，容易析蠟或因粘度過高造成井筒蠟堵，給油井管理帶來較大難題。即使在全年平均地表溫度29℃下，原油的粘度也高達(dá)1000mPa·s（圖1），甚至?xí)斐刹沙鲆杭數(shù)墓艿拦收稀，F(xiàn)場通過添加適當(dāng)降凝劑和降粘劑來減緩問題，但卻增加了后續(xù)對采出液破乳脫水的難度，使用國內(nèi)常見破乳劑無法達(dá)到原油合格外輸標(biāo)準(zhǔn)，且脫出污水的含油率也不達(dá)標(biāo)。此外，該區(qū)塊采出水礦化度較高，在一定程度上，對破乳劑作用的發(fā)揮也造成影響。

表1 該稠油區(qū)塊部分特征參數(shù)

表2 該區(qū)塊稠油部分物性特征（常溫25℃下）

圖1 該區(qū)塊稠油粘溫曲線（測試儀器Brookfield 流變儀）

2 表面活性劑體系的室內(nèi)研制

2.1 實(shí)驗(yàn)方法

2.1.1 降凝降粘稠油采出液體系配制

采出液直接取自進(jìn)聯(lián)合站后破乳劑加藥點(diǎn)之前，及時送達(dá)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行破乳脫水實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)用樣前搖勻，以便具有代表性，使得實(shí)驗(yàn)狀況盡量跟現(xiàn)場狀況一致，減少實(shí)際現(xiàn)場應(yīng)用中與實(shí)驗(yàn)結(jié)果的差異。

2.1.2 降凝降粘稠油采出液體系化學(xué)破乳實(shí)驗(yàn)

室內(nèi)篩選不同配方破乳劑對上述2.1.1 的體系進(jìn)行破乳脫水實(shí)驗(yàn)，并使用瓶試法和穩(wěn)定性分析法進(jìn)行效果分析評價。

（a）按照國標(biāo)SY/T 5281-2000《原油破乳劑使用性能檢測方法（瓶試法）》的方法和步驟，評價篩選出脫水速度和脫水率較好的配方。

（b）穩(wěn)定性分析法。使用法國Formulaction 公司的穩(wěn)定性分析儀Turbiscan?LAB Expert 對破乳劑的破乳效果進(jìn)行測試分析；其主要測試原理依據(jù)是米氏理論和多重光散射原理，通過對乳狀液體系進(jìn)行掃描分析（圖2），定量得出乳狀液體系脫水速度、脫水量及定性分析脫出水含油率[1-4]。

圖2 Turbiscan 測試原理示意圖

2.1.3 破乳效果的含水率和含油率評價

（a）使用瑞士梅特勒-托利多（METTLER TOLEDO）公司的卡爾費(fèi)休水分滴定儀，測定稠油乳狀液破乳后的凈化油含水率。（b）使用紫外分光光度計(jì)測定稠油乳狀液破乳后的脫出污水含油率。

2.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析與討論

2.2.1 瓶試法結(jié)果與討論

圖3 不同破乳劑的破乳脫水效果對比

（1）選出效果較優(yōu)的破乳劑。經(jīng)過對目前各油田現(xiàn)場常用的稠油破乳劑及其適用性進(jìn)行分析比較，選出效果較好的幾種（AP221、M-501、AE9901、TA1031、SP169、SAE、AR101 等），加上自制破乳劑產(chǎn)品DH，進(jìn)行室內(nèi)初選實(shí)驗(yàn)；結(jié)果發(fā)現(xiàn)只有DH 和AR101 破乳劑效果尤為突出顯著（圖3）；DH 脫水量雖然比AR101 少一些，但是其脫出水較清澈，雖然TA1031 脫出水也清澈，但是脫水率太小，不到80%。因此，經(jīng)過綜合考慮后，選取DH、AR101 和TA1031 進(jìn)行下一步的復(fù)配，以便得到優(yōu)異配方，提高整體破乳脫水效果。

發(fā)現(xiàn)，這2種破乳劑均具有相同的烷基酚聚醚部分，使得破乳劑的親水能力大為增強(qiáng)，溶解和擴(kuò)散加快，迅速達(dá)到油-水界面，通過吸附和電中和作用，親油基團(tuán)快速與稠油顆粒結(jié)合，取代油-水界面膜上的原油乳化劑成分，破壞原界面膜的結(jié)構(gòu)，并促使界面膜破裂，達(dá)到破乳脫水的良好效果。而DH破乳劑高分子具有高分支結(jié)構(gòu)，可形成微網(wǎng)絡(luò)，并容納脫出的石蠟微晶，阻止其相互聚集變大，從而阻止了油相的粘度和凝固點(diǎn)的升高，因此，破乳脫水過程較快[5-6]。

（2）選出合適的破乳劑用量。經(jīng)過大量實(shí)驗(yàn)，選用DH、AR101 和TA1031 進(jìn)行多次復(fù)配，得出效果優(yōu)異的破乳劑體系DH-fp，并對其進(jìn)行一系列濃度優(yōu)化實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)其用量達(dá)到50 mg·L-1后，在55℃下脫水3h 后，即可使原油采出液體系脫水率超過95%（圖4）；而當(dāng)該破乳劑用量低到40 mg·L-1時，濃度太低，沒有足量的破乳劑分子充分布滿油-水界面膜，就不能完全擠兌乳化劑以及刺穿油-水界面膜，脫水率太低；但是，當(dāng)用量高于60 mg·L-1后，由于邊際效應(yīng)，該濃度已經(jīng)接近臨界膠束濃度cmc，會使得多余密集的破乳劑相互之間聚集成膠束，無法更好地破壞油水界面膜，反而不利于進(jìn)一步提高脫水率；因此，合理的破乳劑用量為50mg·L-1。

圖4 DH-fp 在不同使用濃度和脫水溫度下的脫水率（脫水3h 后）

(3)選出合適的脫水溫度?？紤]到原油的析蠟點(diǎn)在43℃左右，初鎦點(diǎn)在68℃，因此破乳溫度較為合適的范圍為45～60℃。確定破乳劑的最佳用量后，再進(jìn)行大量實(shí)驗(yàn)確定合理的破乳溫度，既要滿足取得較高脫水效果，又要達(dá)到節(jié)能降耗效果。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)破乳溫度從55℃降低到50℃后，脫水率降低顯著，從96%降低77%（圖4）；雖然破乳溫度從55℃提高到60℃，但脫水率僅從96%提高到97%，顯然能耗增加很多，得不償失。分析認(rèn)為，過低的脫水溫度，破乳劑分子活動較慢，滲透和破壞油-水界面膜的作用較弱，脫水效果差；過高的脫水溫度，反而容易導(dǎo)致破乳劑分子遭到破壞，甚至反相，達(dá)不到脫水目的。因此，確定破乳脫水溫度控制在55℃較為合理。

2.2.2 穩(wěn)定性分析法結(jié)果與討論

使用儀器附帶軟件Turbisoft Lab EXPERT 1.23，對測試得到的透射光與背散射光隨時間及高度變化的曲線進(jìn)行軟件處理，可計(jì)算出粒子的移動速率，能快速分析乳狀液體系的破乳脫水、分相等現(xiàn)象，定量分析出脫水速率，并給出樣品的分散穩(wěn)定性參數(shù)，比較方便地連續(xù)監(jiān)測分散體系的穩(wěn)定性。

從圖5 可以看到，隨著脫水時間的延長，脫出水層的厚度在縱向上逐漸增加，在曲線上反映出來是曲線在向右側(cè)移動，表明脫出水與油層的分界面的高度在逐漸上升；從透射光強(qiáng)比的增加，判斷出水質(zhì)也在逐漸變清澈。而且，前期脫水較快，脫水率增加明顯，因?yàn)榇箢w粒較容易發(fā)生破乳脫水，脫水量較大；后期以水色變清澈為主，主要是小顆粒逐漸被絮凝、聚并，污水中的含油率越來越低。

對一系列不同破乳條件下的破乳體系進(jìn)行穩(wěn)定性測試和分析，結(jié)果見表3。當(dāng)脫水率較低時（小于80%），會有1%～2%的差異，而脫水率高于86%以后，穩(wěn)定性分析法得到的脫水率測試結(jié)果與瓶試法的基本一致。

圖5 原油乳狀液體系穩(wěn)定性分析測試曲線

表3 瓶試法與穩(wěn)定性分析法的脫水率結(jié)果對比

2.2.3 凈化油含水率分析

使用卡爾費(fèi)休水分滴定儀，對不同破乳條件下的凈化油的含水率進(jìn)行測試分析。從實(shí)驗(yàn)結(jié)果來看，在55℃下脫水3h 后，破乳劑DH-fp 的用量達(dá)到50 mg·L-1以上，凈化油中含水率即可小于0.5%（圖4），達(dá)到國家脫水后原油外輸標(biāo)準(zhǔn)。

圖4 不同DH-fp 用量條件下的凈化油中含水率（55℃下脫水3h）

2.2.4 脫出污水含油率分析

用紫外分光光度計(jì)對脫出污水的含油量進(jìn)行測試分析。實(shí)驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，低溫時（小于50℃下脫水）脫出污水的含油率較高（高于500mg·L-1）；而溫度升高到55℃下脫水，在破乳劑用量達(dá)到50mg·L-1時，脫出污水的含油率可以降低到200mg·L-1；后續(xù)只要加少量濃度（約20×10-6）的絮凝清水劑，就可以降低污水含油率，滿足低于50mg·L-1的外排要求。

3 現(xiàn)場應(yīng)用效果

該油田區(qū)塊原油采出液集輸?shù)铰?lián)合站采用密閉脫水工藝流程，經(jīng)過三合一臥式罐進(jìn)行一段熱-化學(xué)脫水后，進(jìn)入3萬m3的沉降罐進(jìn)行熱-化學(xué)-重力沉降，實(shí)現(xiàn)油水最終有效分離，合格原油外輸，脫出污水經(jīng)過處理后外排。

表5 不同加藥量下現(xiàn)場脫水效果

經(jīng)過投產(chǎn)后約7d 的現(xiàn)場加藥調(diào)試磨合，在采出液綜合含水率為5%范圍內(nèi)（投產(chǎn)初期），加熱爐脫水溫度控制在55℃之上，使用DH-fp 破乳劑，當(dāng)破乳劑用量較少（40mg·L-1）時，達(dá)不到破乳脫水合格標(biāo)準(zhǔn)（表5）；經(jīng)現(xiàn)場應(yīng)用證實(shí)，保持破乳劑添加量50mg·L-1，沉降罐出口原油均符合外輸標(biāo)準(zhǔn)，底端污水出口的污水含油量為420 mg·L-1，經(jīng)過后續(xù)添加少量絮凝清水劑（約30×10-6）處理后，即可以達(dá)到低于50mg·L-1的污水外排標(biāo)準(zhǔn)?？傮w上來看，現(xiàn)場應(yīng)用效果與實(shí)驗(yàn)室的效果差別極少，主要是實(shí)驗(yàn)樣品處理得當(dāng)，雖然現(xiàn)場脫出污水含油率比實(shí)驗(yàn)的高，這可能是采出液夾帶有其它微小懸浮顆粒和其它難溶成分導(dǎo)致的。

4 結(jié)語

針對含蠟量高達(dá)60%、析蠟點(diǎn)高達(dá)43℃的稠油開發(fā)，需要添加適當(dāng)降凝降粘劑以改善原油采出液流動性，但對其采用已有的常用化學(xué)破乳劑脫水效果欠佳，經(jīng)過我們大量的室內(nèi)實(shí)驗(yàn)和研究，用自制破乳劑DH，加上篩選和復(fù)配，得出適用于此類原油采出液的高效化學(xué)破乳劑DH-fp，并且在現(xiàn)場中應(yīng)用熱-化學(xué)脫水也取得優(yōu)異效果。添加較少用量的DH-fp（50mg·L-1），在55℃下脫水3h，達(dá)到97.5%的脫水率，且凈化油含水率達(dá)到低于0.5%的外輸標(biāo)準(zhǔn)，且脫出污水含油率較低（420 mg·L-1），再經(jīng)后續(xù)清水劑作用，污水達(dá)到外排標(biāo)準(zhǔn)，整體取得較優(yōu)的綜合效果。實(shí)驗(yàn)過程中除了使用常規(guī)的瓶試法進(jìn)行破乳脫水效果評價之外，還采用了先進(jìn)的自動化檢測方法——穩(wěn)定性分析法來進(jìn)行效果評價，結(jié)果發(fā)現(xiàn)其與瓶試法結(jié)果大體一致，卻大大節(jié)約了工作時間，提高評價效率，減少瓶試法評價的人為誤差，預(yù)計(jì)該法今后可能會取代繁瑣復(fù)雜、費(fèi)時費(fèi)力的瓶試法。

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