稠油乳化降粘減阻輸送技術(shù)進展

任玉潔，谷 俐, 吳玉國, 齊 超, 于 歡,

（1. 遼寧石油化工大學 石油天然氣工程學院，遼寧 撫順 113001； 2. 中國石油天然氣管道工程有限公司，河北 廊坊 065000）

稠油乳化降粘減阻輸送技術(shù)進展

任玉潔1，谷 俐2, 吳玉國1, 齊 超1, 于 歡1,

（1. 遼寧石油化工大學 石油天然氣工程學院，遼寧 撫順 113001； 2. 中國石油天然氣管道工程有限公司，河北 廊坊 065000）

稠油具有密度大、粘度高的特點，采用傳統(tǒng)的加熱輸送工藝存在能耗高等弊端，研究加熱輸送以外的稠油降粘減阻輸送技術(shù)具有重要意義。重點介紹了稠油乳化降粘減阻輸送技術(shù)的原理與技術(shù)經(jīng)濟特性、乳化降粘劑的類型與篩選方法、乳狀液穩(wěn)定性的評價方法及其影響因素、破乳的機理與改善破乳效果的措施，并介紹了典型的稠油乳化降粘減阻輸送技術(shù)應(yīng)用的工程實例，最后總結(jié)分析了該技術(shù)現(xiàn)存的問題、發(fā)展方向，指出了進一步研究的重點。

稠油；乳化降粘；減阻；破乳 ; 技術(shù)經(jīng)濟特性

稠油，亦稱重油，因為膠質(zhì)、瀝青質(zhì)等重組分含量高，導致其具有密度大、粘度高的突出特點。我國遼河油田、勝利油田、新疆風城油田等所產(chǎn)原油大部分均是稠油，甚至是特稠油（API密度小于10）。加之這些油田開始陸續(xù)進入開發(fā)周期的末段，稠油的比例呈現(xiàn)出不斷增大的趨勢。雖然，稠油可以采用傳統(tǒng)的加熱輸送工藝，但是加熱輸送工藝存在許多弊端，如輸送能耗高、需要設(shè)置加熱站、停輸時間較長時易發(fā)生凝管事故、存在允許最低輸量等。因此，國內(nèi)外近些年來一直在嘗試和研究加熱輸送以外的稠油降粘減阻輸送技術(shù)，其中之一就是水包油乳化降粘減阻技術(shù)。

1 技術(shù)原理與技術(shù)經(jīng)濟特性

水包油乳化降粘輸送是將稠油以很小的液滴（幾微米至幾十微米）分散于水中，形成油為分散相、水為連續(xù)相的水包油乳狀液，使高粘稠油與管壁之間的摩擦和高粘稠油的內(nèi)摩擦轉(zhuǎn)變成了低粘的水與管壁之間的摩擦和低粘的水與高粘稠油液滴之間的摩擦，摩擦系數(shù)顯著降低，從而使管道輸送的摩阻大大降低[1]。

制備出穩(wěn)定性好的水包油乳狀液是該技術(shù)的關(guān)鍵，只有這樣才能經(jīng)受管輸過程中各種剪切和熱力作用，而不至于被破壞。若乳狀液在管道內(nèi)反相為油包水乳狀液（其粘度比相同溫度下純原油的粘度還高），其后果將是災(zāi)難性的。

實施稠油乳化降粘的第一步是使用一定量的乳化降粘劑和礦化水配制成活性水（加水量的多少取決于原油的含水量，但含水量一般應(yīng)大于 20%，否則容易形成W/O型的乳狀液），第二步是將配制好的活性水按一定比例注入稠油中，通過攪拌等方法使之混合充分，形成粘度明顯降低的O/W型乳狀液[2]。

1.1 稠油降粘劑的降粘作用機理

稠油中加入降粘劑發(fā)揮降粘作用主要體現(xiàn)在以下幾個方面：

乳化轉(zhuǎn)向作用。由于活性劑分子的乳化轉(zhuǎn)向作用，降粘劑在其作用下，更有利于形成O/W型的乳狀液，從而降低分子間的摩擦力、增強稠油的流動性。

降低油水界面張力。在表面活性劑的作用之下，原油中的油相與水相的界面張力大大降低，能夠形成粘度很低的水包油型（O/W）乳液，從而加強原油的流動性能。

潤濕降阻作用。在表面活性劑的作用之下，原油分散形成O/W型乳狀液，輸油管道表面的稠油膜受到破壞，其表面潤濕性轉(zhuǎn)變?yōu)橛H水性，進而形成連續(xù)的水膜、降低摩阻。

1.2 技術(shù)經(jīng)濟特性

將稠油進行乳化形成水包油乳狀液狀態(tài)后，粘度大幅降低，且水包油乳狀液的粘溫曲線比較平緩，使得稠油乳化降粘輸送技術(shù)比常規(guī)的加熱輸送方法在熱力及動力消耗方面具有很強的競爭力，即顯著節(jié)省燃料費用及動力費用。但是該技術(shù)也增加了其它方面的成本，乳化劑費用、乳狀液制備的費用，制作乳狀液需要大量水，取水、水處理需要一定的費用，真正需要輸送的是稠油，采用乳化降粘輸送技術(shù)相當于額外增加了一定量的輸水任務(wù)，一定程度增加了輸送費用，這與原油輸量及摻水比例有關(guān)。稠油乳化后所得的乳化油如果不用作燃料油而是運往煉廠進行加工，還需要進行破乳工作，也增加了費用。只不過所增加費用中的主要部分與輸送距離的關(guān)系不大，如乳化劑成本，乳狀液制備、取水、水處理和破乳所產(chǎn)生的費用等。因而，水包油乳化輸送技術(shù)在輸送距離較長的情況下，其經(jīng)濟性優(yōu)勢明顯。加拿大學者所進行的核算表明，當輸送距離為 322～644 km時，乳化稠油所需的乳化劑費用為0.5～1.0加元/桶油；而當輸送距離增加至2 400～3 220 km時，因?qū)θ闋钜悍€(wěn)定性要求提高，乳化劑費用大約要增加 50%～100%[1][3]。以 24 in（609.6 mm）的200 mile（321.9 km）管道為例，對稠油日輸量20萬桶條件下，乳化輸送和摻輕油輸送（稀釋輸送時稠油與稀油混合油日輸量30萬桶）的經(jīng)濟性進行了對比，結(jié)論是乳化輸送比輕質(zhì)油循環(huán)的摻輕質(zhì)油稀釋輸送方式更經(jīng)濟[1,4]。

對于具體的稠油及其管道，乳化降粘輸送的技術(shù)經(jīng)濟特性需要進行詳細分析，以確定其技術(shù)的可行性以及在經(jīng)濟性上與傳統(tǒng)的加熱輸送是否具有優(yōu)越性。

2 乳狀液的穩(wěn)定性

2.1 O/W型乳狀液穩(wěn)定性的評價

乳狀液的穩(wěn)定性可以采用穩(wěn)定性評分（SV）來進行表征：

式中：

Ki為加權(quán)系數(shù)，對應(yīng)靜置時間10，20，30，40，50，60 min， Ki分別取1、2、3、4、5、6。

fv為分水率，按下式計算：

其中，1V為盛裝新制稠油乳狀液量筒在超級恒溫水浴中靜置一定時間后析出水的體積, mL；2V為制備乳狀液時所用活性水體系, mL。

0 ＜ SV＜ 21， SV值越大，代表乳狀液所具有的穩(wěn)定性越強[5]。

2.2 影響O/W型乳狀液穩(wěn)定性的因素

影響稠油O/W型乳狀液穩(wěn)定性的因素較多。馬文輝[5]等人開展了這方面的研究，認為影響因素包括表面活性劑的類型及其添加量、油水比、堿添加量、溫度變化、振蕩方式等。于曉聰?shù)热薣6]考察了O/W型乳化原油轉(zhuǎn)型的影響因素，包括膠質(zhì)、瀝青質(zhì)、芳香分等，得出了原油的組份和性質(zhì)是內(nèi)在因素的結(jié)論，其中瀝青質(zhì)的影響相對比較大。也探討了水質(zhì)條件（一價、二價金屬離子和pH值等）對O/W型乳化原油轉(zhuǎn)型的影響，結(jié)論是二價金屬離子和高礦化度是造成O/W乳化原油轉(zhuǎn)型的主要原因。除此此外，對油水比、剪切速率等因素的影響也進行了研究：含水量低于20%時能夠促使O/W型乳化原油的轉(zhuǎn)型，含水高于50%時則不易形成穩(wěn)定的O/W型的乳化原油；轉(zhuǎn)型時間隨著剪切速率的加快、溫度的升高而變短；不同類型的表面活性劑引起 O/W型的乳化原油轉(zhuǎn)型程度不同，離子型表面活性劑的存在對轉(zhuǎn)型起抑制作用，而且即便轉(zhuǎn)型完全時，其轉(zhuǎn)型后的粘度也比原油粘度要低。增強O/W型乳化原油的穩(wěn)定性、預(yù)防其轉(zhuǎn)型的措施一般包括：降低原油粘度、優(yōu)選合適的降粘劑及原油乳化降粘劑體系、優(yōu)化并控制合理的乳化條件。

3 破 乳

采用乳化降粘輸送技術(shù)將稠油處理成水包油乳狀液進行輸送，如果水包油乳狀液或乳化油不用作燃料，管道輸送終點處還需要進行破乳脫水工作。

3.1 破乳機理

對于原油O/W型乳狀液破乳的機理，相關(guān)研究人員和學者做了大量的研究，概括起來有以下幾種[4,7-13]：

（1）置換機理；

（2）膜排液機理；

（3）碰撞膜擊破機理；

（4）潤濕增溶機理；

（5）反離子作用機理；

（6）褶皺變形機理。

此外，劉夢緋等人[14]還進行了油水乳狀液微波破乳研究，研究結(jié)果表明微波處理后的乳狀液油水分離速度明顯加快，研究確定了最佳破乳溫度，分析了pH值、含鹽量、微波輻射時間、含水率等因素對微波破乳效果的影響。

3.2 改善破乳效果的措施

依據(jù)破乳機理的分析，良好的破乳劑應(yīng)具備的條件有：界面活性強，能置換液滴表面上的成膜物質(zhì)；應(yīng)具有中等油水溶解度，HLB值應(yīng)在8～11范圍內(nèi)，既不完全水溶也不完全油溶；與原油中各組分無強烈的締結(jié)作用，能夠形成穩(wěn)定性較差的新膜。

因稠油中膠質(zhì)及瀝青質(zhì)等重組分含量高，導致其密度大、粘度高，這使得破乳脫水比較困難，對破乳劑提出了更高的要求。另一方面，稠油乳狀液中所含有的瀝青質(zhì)、膠質(zhì)、蠟晶等成分是天然的乳化劑，因而，它們的含量越高，導致原油乳狀液更穩(wěn)定，破乳難度越大。

為了增強破乳效果，可以在以下兩個方面加強[15]：

（1）提高破乳劑的芳香度。

（2）提高破乳劑的潤濕性能。

3.2 破乳的發(fā)展方向[16]

為實現(xiàn)充分利用資源、減少環(huán)境污染的目標，亟待開發(fā)出能耗低、無污染或污染較小的破乳脫水方法。

（1）綠色環(huán)保。在開展破乳方法優(yōu)化及研發(fā)工作中，須對破乳的技術(shù)可行性、經(jīng)濟合理性和環(huán)境友好性予以充分考慮，向綠色環(huán)保的方向發(fā)展。

（2）多樣性與多功能性。提倡通過改性或復配的方法使用破乳劑，以提高破乳劑的破乳性能，取得更佳的破乳效果。

（3）破乳方法的聯(lián)合與改進。結(jié)合破乳機理，在相關(guān)理論研究的基礎(chǔ)上，努力實現(xiàn)破乳方法的聯(lián)合與改進。

4 工程實例

勝利孤東新灘墾東 18塊的采出液綜合含水率高于70%，其中約50%～62%為乳化水，很容易形成W/O型的乳狀液，而一旦形成W/O型的乳狀液，表觀粘度大幅升高，數(shù)倍于脫水油的粘度，為實現(xiàn)有效、經(jīng)濟地外輸，必須進行降粘處理。相關(guān)研究人員，針對新灘W/O型稠油乳狀液，在大量的室內(nèi)試驗的基礎(chǔ)上，開發(fā)出了VRKD18型反相乳化降粘劑。于2002年11月，在新灘墾東451站-東四聯(lián)管道上（管長24 km，管徑273 mm×7 mm）進行了乳化輸送現(xiàn)場試驗。結(jié)果表明，方案可行，效果較好：墾東18稠油實施乳化降粘輸送后，管道運行平穩(wěn)，減阻率達到59.7%；相比于傳統(tǒng)的加熱、增壓輸送工藝，降低了燃料的消耗量，每年可節(jié)省運行費用約104×104元[17]。

5 乳化降粘存在的問題及發(fā)展方向

研究人員對不同乳化降粘劑性質(zhì)研究已經(jīng)比較廣泛，但是依然有較多的不足。目前，一些破乳脫水的方法在一定程度上還存在缺陷。雖然乳化降粘劑的種類非常多，但由于稠油組分的不同，對降粘劑的要求也不相同，導致乳化降粘劑對稠油的選擇性都很強。對于不同種類的稠油選用何種降粘劑最適合以及降粘劑的結(jié)構(gòu)與其性能的關(guān)系，尚無統(tǒng)一、確定的結(jié)果[17]。

相比于長距離稠油輸送管道，水包油乳化降粘技術(shù)更多地應(yīng)用于采油生產(chǎn)中的井筒流動減阻[1]。今后需進一步開展相關(guān)研究，使其能夠更多地應(yīng)用于長距離稠油輸送管道。如，深入研究稠油的組成對乳化降粘效果的影響規(guī)律、乳化降粘劑的結(jié)構(gòu)與其性能的關(guān)系，使降粘劑具有更強的適用性；結(jié)合表面活性劑和某些基團的特點，研究合成具有某些特定功能的新型的乳化降粘劑的新方法；研發(fā)易破乳脫水、價格低廉的乳化降粘劑[17]；改進和優(yōu)化稠油管道乳化降粘減阻整個工藝過程，使之同傳統(tǒng)加熱輸送相比更具經(jīng)濟性優(yōu)勢。

6 結(jié)束語

稠油乳化降粘技術(shù)原理已經(jīng)比較清楚，且該技術(shù)一旦有效實施，減阻效果十分明顯。但是，稠油乳化降粘管輸技術(shù)的具體實施過程也是比較復雜的，也應(yīng)采取比較審慎的態(tài)度。需要針對具體的稠油進行乳化劑的選定或開發(fā)、確定乳化工藝條件、水包油乳狀液的流變性及其在管輸條件下的穩(wěn)定性等研究，如乳化油不作為燃料油使用還需要進行相關(guān)的破乳脫水研究，經(jīng)過詳細、全面的技術(shù)可行性和經(jīng)濟性分析得出該技術(shù)的可行性和經(jīng)濟性。這些是阻礙該技術(shù)推廣應(yīng)用的障礙所在，稠油乳化降粘減阻技術(shù)廣泛應(yīng)用于稠油管道輸送之前還需要進行大量的相關(guān)實驗研究和現(xiàn)場試驗。

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表2 產(chǎn)品質(zhì)量控制情況Table 2 Product quality control

5 結(jié) 論

紅磷分公司磷酸一銨工程設(shè)計年生產(chǎn)能力為20萬t，項目在研究比較磷酸一銨行業(yè)生產(chǎn)技術(shù)的基礎(chǔ)上，工程設(shè)計中結(jié)合本企業(yè)的實際情況，充分利用優(yōu)勢資源，通過技術(shù)集成，形成了磷酸一銨優(yōu)化改進技術(shù)，各項技術(shù)經(jīng)濟指標達到行業(yè)先進水平，在原料保證的情況下產(chǎn)能還有進一步提高的空間，產(chǎn)品質(zhì)量達到GB 10205—2009《磷酸一銨、磷酸二銨》國家標準要求，且產(chǎn)品中水有比和含濕（水分）占有同類產(chǎn)品較好的優(yōu)勢，產(chǎn)品深受客戶喜愛；單位產(chǎn)品磷酸、液氨的消耗低于行業(yè)農(nóng)用磷酸一銨生產(chǎn)的限額要求，單位產(chǎn)品綜合能耗實現(xiàn)了在同行業(yè)中產(chǎn)品綜合能耗較低的水平，廢水排放量為零，廢氣排放及噪聲均達到國家相關(guān)標準，符合企業(yè)可持續(xù)發(fā)展的要求。

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Friction Reduction Transportation Technology by Emulsification and Viscosity Reduction for Heavy Oil

REN Yu-jie1，GU Li2，WU Yu-guo1，QI Chao1, YU Huan1
（1. Liaoning Shihua University, Liaoning Fushun 113001，China；2. China Petroleum Pipeline Engineering Corporation, Hebei Langfang 065000，China）

Due to its outstanding features of lager density and high viscosity, the heavy oil is generally transported by heating oil pipelining. But the conventional process has several disadvantages, such as high energy consumption and so on. So it is important to study the other friction reduction transportation technologies. In this paper, the principle and technical-economic characteristics of friction reduction transportation technology by emulsification and viscosity reduction for heavy oil were discussed as well as types of emulsifying viscosity reducer and the screening method, the evaluation method and influence factors of emulsion stability and the principle of demulsification and measures to improve demulsification effect. And the typical engineering examples of friction reduction transportation technology by emulsification and viscosity reduction for heavy oil were also introduced. Finally, the existing problems and development direction of this technology were summarized and analyzed. In addition, the focal point of the further study was pointed out.

Heavy oil; Emulsion viscosity; Friction reduction; Demulsification; Technical and economic characteristics

TE 832

A

1671-0460（2015）09-2215-04

2015-08-18

任玉潔（1994-），女，遼寧盤錦人。

吳玉國（1977-），男，副教授，博士，研究方向：油氣儲存與運輸。E-mail：wyg0413@126.com。