原油泡沫的危害和消除方法

曲 正 新

原油泡沫的危害和消除方法

曲 正 新

（中國石油天然氣勘探開發(fā)公司， 北京 100034）

原油可能出現(xiàn)的發(fā)泡現(xiàn)象使得原油體積增大，嚴(yán)重影響三相分離器的分離效果，降低計(jì)量精度，堵塞過濾器，造成泵汽蝕等。為了減少危害，應(yīng)消除原油泡沫，即破壞原油泡沫穩(wěn)定存在的條件。包括機(jī)械消泡法、消泡劑法、加熱法和超聲波消泡法，分析論述了各自的原理、適用范圍及優(yōu)劣，為實(shí)踐提供參考。

原油；泡沫；衰變；危害；消除

廣義的泡沫是指氣體被致密相包圍所形成的多孔結(jié)構(gòu)，包括固體泡沫和液體泡沫[1]；而通常所說的泡沫多指液體泡沫。泡沫在石油工業(yè)中得到了較多的應(yīng)用[2,3]，如泡沫鉆井[4,5]、泡沫驅(qū)油[6]、泡沫壓裂[7,8]等，同時(shí)也給石油生產(chǎn)帶來了一定了的困難。

原油中富含泡沫會(huì)使計(jì)量精度降低[9,10]。泡沫具有很強(qiáng)的吸附能力，在集輸過程中會(huì)吸附微小固體雜質(zhì)，這將堵塞過濾器塞孔[11]。泡沫的大量存在，容易導(dǎo)致汽蝕。三相分離器中大量泡沫的存在，會(huì)擠占三相分離器的氣相空間，嚴(yán)重影響油、氣、水的分離效果，增加了分離時(shí)間；為了達(dá)到良好的分離效果，還不得不增加分離器的尺寸[12]。原油發(fā)泡還會(huì)導(dǎo)致原油冒罐[13-16]。因此，對原油消泡方法的研究十分必要。

1 原油泡沫的衰變機(jī)理

原油中含有羧酸、膠質(zhì)和瀝青質(zhì)等天然表面活性劑[17]，其使原油的表面張力降低，減少了泡沫系統(tǒng)的表面自由能[18]，有利于泡沫的穩(wěn)定。同時(shí) Gibbs-Marangoni效應(yīng)[19-21]還使泡沫具有自我修復(fù)功能。

消除泡沫就是破壞泡沫穩(wěn)定存在的條件[22]，唐金庫[23]指出泡沫衰變的機(jī)理主要是液膜排液[24]和氣體通過液膜的擴(kuò)散[25]。唐金庫認(rèn)為，重力和氣泡的相互擠壓導(dǎo)致了泡沫液膜的排液。氣泡的擠壓主要源于氣泡液膜的曲面壓力。泡沫中氣泡大小不一，相間分布，氣泡直徑越小氣壓越高，小氣泡內(nèi)氣體在壓差作用下透過泡沫液膜擴(kuò)散到大氣泡，致使小氣泡越來越小直至消失，大氣泡長大直至破裂。至于氣液界面上的氣泡，氣體直接透過液膜擴(kuò)散到氣相中。重力作用則使泡沫液膜中的液相自然流失而變薄直至破裂。

唐金庫[23]還提出了溫度的影響，他認(rèn)為泡沫的穩(wěn)定性隨溫度升高而下降。

2 原油泡沫的消除方法

2.1 消泡劑消泡法

消泡包涵抑泡和消泡。抑泡是指向泡沫體系中添加抑泡劑[26]的方法。良好的抑泡劑要求不能在液膜上形成緊密的吸附膜，其彈性應(yīng)適中，而且抑泡劑分子間的相互作用力要小。目前沒有高效且普適的抑泡劑。而實(shí)際生產(chǎn)中運(yùn)用更多的則是消泡劑[22]。

消泡劑是能消滅泡沫的一類表面活性劑，好的消泡劑既能快速消泡，又能在較長的時(shí)間內(nèi)防止泡沫的再次生成[27]。陳洪[28]指出，消泡劑消泡機(jī)理為降低泡膜局部表面張力，破壞膜彈性，加速液膜排液。

2.2 機(jī)械消泡法

機(jī)械消泡法是指：采用諸如機(jī)械攪拌、改變流道或者改變泡沫所處的溫度、壓力從而破壞泡沫的方法。這些物理方法，使泡沫在力的作用下，被迫流經(jīng)某些特殊結(jié)構(gòu)，使泡沫液膜的局部受到擠壓或穿刺而破裂。

Mitohel Rooker[29]提出了增加液相停留時(shí)間和增大分離器尺寸的方法。Laurence L.[30]提出了防泡折流板（圖1）、網(wǎng)孔、離心分離器、平行板的機(jī)械消泡方法。

氣液分離器中常采用隔板降低擾動(dòng)并消除泡沫，同時(shí)隔板也起到使液滴聚集的作用[31]。當(dāng)油流在均勻管中流動(dòng)時(shí)，其產(chǎn)生的泡沫較少且分散，當(dāng)油流進(jìn)入開式容器時(shí)，氣體大量逸出，泡沫大量生成并聚集。泡沫在油流作用下向前流動(dòng)，當(dāng)開式容器中加入帶孔眼的防泡折流板后，泡沫被反復(fù)沖擊，使液膜疲勞；部分泡沫被擠入孔眼，局部受力不均導(dǎo)致破裂。

網(wǎng)孔破泡法就是使泡沫通過比其直徑小的孔眼或通過細(xì)編織金屬網(wǎng)墊，擠壓破泡。這種方法不適合含雜質(zhì)較多的原油。

離心法（圖 2）利用泡沫中的油和氣體之間的密度差消泡。如果通過分離器的壓力降適當(dāng)，那么該方法則將十分簡單和高效。

如圖3所示，通過在鉛垂方向上設(shè)置一系列垂直于紙面水平的從中間向兩邊傾斜的平行板，使油流從中間向左右兩邊流動(dòng)。由于平行板已被原油潤濕，當(dāng)泡沫流經(jīng)很大表面積的平行板時(shí)，其表面張力將降低而破裂。

2.3 加熱消泡法

加熱消泡法通過加快分子的無規(guī)則熱運(yùn)動(dòng)，加速排液和降低膜的表面張力，使膜較快破裂。加熱法適用于低溫的泡沫液體，但因其需要消耗燃料，經(jīng)濟(jì)性較差。

溫度影響原油的粘度、膜的表面粘度、表面活性劑的分布（表面張力的主要影響因素）、氣體擴(kuò)散、液體蒸發(fā)和排液作用：溫度升高，使粘度降低，表面活性劑在泡沫液膜上的分布減少，氣體擴(kuò)散加快，泡沫表面液膜蒸發(fā)加快，排液作用加強(qiáng)，所以高溫不利于泡沫穩(wěn)定。

2.4 超聲波消泡法

孫來久等[32]指出，超聲波有消除泡沫的功能，消泡機(jī)理之一是當(dāng)聲波到達(dá)某一程度時(shí)，使泡沫中的液體分子隨之振動(dòng)分子振動(dòng)的頻率越高，振動(dòng)速度越快。分子的振動(dòng)能量與其質(zhì)量和振動(dòng)速度的二次方有關(guān)，所以超聲波的頻率越高，分子的能量也越高。超聲波使振動(dòng)的液體分子產(chǎn)生很大的加速度，可能比重力加速度大幾十萬倍甚至更大，使液體質(zhì)點(diǎn)產(chǎn)生急劇的運(yùn)動(dòng)，從而加速泡沫的破裂。

消泡機(jī)理之二是聲壓作用。泡沫由于通入的聲波的振動(dòng)，使液體分子之間產(chǎn)生壓縮和稀疏作用而使泡沫破滅。當(dāng)泡沫中通入超聲波后，超聲波振動(dòng)使液體分子受到的壓力周期突變，促使泡沫破裂。聲壓的破裂作用更多地發(fā)生在體系中存在氣泡或雜質(zhì)的地方，因?yàn)檫@些地方的泡沫強(qiáng)度更低。

程文學(xué)[33]通過測試吉林油田某原油在150 W下25～80 kHz范圍內(nèi)的消泡時(shí)間隨頻率的變化。超聲波功率固定為150 W時(shí)，室溫下不開啟超聲波時(shí)，自然消泡時(shí)間需要約2 619 s，而41 kHz時(shí)消泡時(shí)間僅為69 s[33]。相比于自然消泡時(shí)間，該頻率下的消泡效果十分有限。

3 結(jié)束語

機(jī)械消泡方法較其他方法成本低，但機(jī)械消泡的機(jī)械裝置的設(shè)計(jì)卻很考驗(yàn)設(shè)計(jì)人員的創(chuàng)造力[30]，具有一定難度，實(shí)際消泡效果也會(huì)因油品而異。消泡劑消泡法不需在分離器內(nèi)增設(shè)構(gòu)件，但沒有一種普適的適合不同開采期的原油消泡劑。加熱法消泡效果明顯，但會(huì)增加能耗，不經(jīng)濟(jì)。超聲波消泡法可能會(huì)在石油消泡中有更多的應(yīng)用。若將上述幾種方法綜合使用可能會(huì)有利于生產(chǎn)實(shí)踐。

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Harm and Elimination Methods of Crude Oil Foam

QU Zheng-xin
（Cnpc International (Chad) Co., Ltd., Beijing 100034, China）

Crude oil foam makes the crude’s volume larger, which can affect the three-phase separator work effect, decrease the measuring accuracy, block filter, and make pump cavitate. So it’s necessary to eliminate the crude oil foam. To eliminate crude oil foam is to destroy the existence condition of the stability of the foam, including mechanical defoaming methods, defoaming agents, heating method and ultrasonic defoaming. In this paper, their respective principles, application range, advantages and disadvantages were discussed and analyzed, which could provide reference for practice.

Crude; Foam; Decay; Harm; Elimination

TE 868

： A

： 1671-0460（2015）05-1132-03

2014-12-02

曲正新（1970-），男，吉林松原人，中級職稱，1994年畢業(yè)于大慶石油學(xué)院機(jī)械制造與工藝專業(yè)，研究方向：油田工藝、開發(fā)方案、項(xiàng)目管理。E-mail：frankqu218@163.com，quzhengxin@cnpcic.com。