塔河油田重質(zhì)原油乳狀液特性研究

唐海飛，韓秀芹，宋 佳

（中石化西北油田分公司采油二廠，新疆庫爾勒 841604）

塔河油田為碳酸鹽巖縫洞型油藏，孔洞是最主要的儲(chǔ)集體，裂縫既是地層連通通道，也是儲(chǔ)集體，底水具有不同的壓力系統(tǒng)，沒有統(tǒng)一的油水界面，具備正常的地層壓力系統(tǒng)和溫度梯度，是一個(gè)從輕質(zhì)油～中質(zhì)油～超稠油的多期成藏、埋藏深的低飽和親水油氣藏[1-3]。

目前，開發(fā)的稠油油藏主要分布在四區(qū)、六區(qū)、七區(qū)、八區(qū)、十區(qū)和十二區(qū)，完鉆井深在5 400 m～6 900 m，油層中部溫度在120 ℃～140 ℃，地層壓力約為62 MPa～69MPa，地面原油密度一般在0.960 0 g/cm3～1.090 5 g/cm3，原始稠油地面黏度4×104mPa·s～180×104mPa·s（50 ℃），根據(jù)原油黏度與密度分類方法，塔河原油屬于稠油和特稠油。地層水總礦化度約為2.1×105mg/L，Cl-含量約為1.2×105mg/L，Ca2+、Mg2+含量約為1.2×104mg/L，為CaCl2型，密度約為1.141 g/cm3，pH 值在5～7，呈弱酸性。

1 原油乳狀液的形成

1.1 乳狀液形成的條件

形成乳狀液必須具備以下三個(gè)要素：（1）原油和水同時(shí)存在。（2）存在至少一種乳化劑，以形成乳狀液，同時(shí)起到穩(wěn)定的作用。乳狀液的類型由乳化劑性質(zhì)所決定。根據(jù)乳化劑在油水兩相中的溶解性、潤濕性、分散性的不同，可以生成W/O 型或O/W 型乳狀液。（3）具有能夠使油水兩相充分混合的能量，足以使液相體系中的一相分散到另一相中去。初始狀態(tài)下，地層中油水是分離的，只有在開采、集輸過程中原油和水受到充分混合才能形成各種不同類型的乳狀液。

常見的乳狀液有兩類：W/O 型和O/W 型乳狀液。根據(jù)乳狀液“相體積”理論，如果油相或水相的分體積占體系總體積的26.0 %～74.0 %時(shí)，就滿足了形成多重乳狀液的條件（見圖1，圖2）。

圖1 油包水乳狀液顯微鏡圖

圖2 水包油乳狀液顯微鏡圖

1.2 乳狀液形成的途徑

塔河原油乳狀液形成主要有以下8 個(gè)方面的原因：（1）由于油井的持續(xù)開采，底水上升，油井逐漸含水生產(chǎn)，為乳狀液的形成提供了首要條件；（2）塔河原油屬于高含膠質(zhì)、瀝青質(zhì)重質(zhì)原油，含有蠟、非烴組分以及金屬元素等，這些都是天然的乳化劑；（3）在含水原油流動(dòng)過程中，經(jīng)過地層縫隙、孔道、油嘴、閥門、彎道、變徑處、增壓泵以及管壁，經(jīng)受強(qiáng)烈的機(jī)械剪切后而形成乳狀液；（4）含水原油在井筒流動(dòng)時(shí)，由于抽稠泵活塞以及電潛泵的強(qiáng)烈剪切，更容易形成乳狀液；（5）由于塔河油田特殊的地質(zhì)特征，70 %左右的油井需要酸壓才能建產(chǎn)，形成油井開采初期含大量酸液及泥漿的乳狀液；（6）大量老井采取酸壓、酸化改造，形成的大量酸化油乳狀液；（7）注水驅(qū)替油井注入油田水后采出液形成的乳狀液；（8）大量油田助劑（緩蝕劑）的影響。

2 乳狀液特性

我國以塔河油田、勝利油田、遼河油田采出的稠油最具代表性。雖然以上三個(gè)油田的原油按密度、黏度分類都屬于稠油，但是在原油組分上存在很大的差異。由于原油組分上的差別，油井含水后形成的乳狀液也存在很大的不同。另外，原油中含有的不同種類、數(shù)量的非烴化合物及金屬離子也是導(dǎo)致乳狀液差別的主要因素，與此同時(shí)，不同類型的地層水在乳狀液的形成上起著一定的作用。

2.1 原油組分對(duì)乳狀液的影響

原油主要由碳、氫元素組成，其主要族組成為：飽和烷烴、芳香烴、膠質(zhì)及瀝青質(zhì)。以上三個(gè)油田稠油族組成（見表1）。

表1 塔河稠油組分與其他稠油組分對(duì)比[4]

由表1 可以看出，塔河油田稠油的瀝青質(zhì)含量分別為遼河的6.34 倍、孤島的3.22 倍，遼河、孤島稠油的膠質(zhì)含量明顯高于塔河稠油，膠質(zhì)與瀝青質(zhì)的質(zhì)量比依次為：遼河＞孤島＞塔河二聯(lián)＞塔河四聯(lián)。

膠質(zhì)、瀝青質(zhì)是大分子有機(jī)化合物，且含有各種極性基團(tuán)，在油-水界面上具有較強(qiáng)的活性，是原油中天然的油包水型乳化劑。膠質(zhì)、瀝青質(zhì)在油-水界面上可以形成機(jī)械強(qiáng)度較高的界面膜，是原油乳狀液穩(wěn)定的主要因素[5]。目前使用最多的結(jié)構(gòu)是由晏德福提出的。

膠質(zhì)的可能結(jié)構(gòu)式（見圖3）。瀝青質(zhì)的可能結(jié)構(gòu)式（見圖4）。實(shí)驗(yàn)研究表明，膠質(zhì)是原油中的大分子非烴化合物，極性及相對(duì)分子質(zhì)量都比瀝青質(zhì)小，所以膠質(zhì)的乳化性能比瀝青質(zhì)要弱，結(jié)合膠質(zhì)與瀝青質(zhì)的質(zhì)量比可以得出，塔河原油乳狀液較遼河、孤島原油乳狀液更加穩(wěn)定。另外，膠質(zhì)、瀝青質(zhì)可以降低油-水界面間的界面張力，能夠降低乳狀液界面的自由能，從而降低乳狀液的熱力學(xué)不穩(wěn)定趨勢(shì)，使乳狀液的穩(wěn)定性增強(qiáng)。由表1 能夠得出，塔河原油中膠質(zhì)、瀝青質(zhì)總含量較遼河、孤島的低，瀝青質(zhì)含量明顯高于二者，由于瀝青質(zhì)的相對(duì)分子質(zhì)量和極性都大于膠質(zhì)，所以瀝青質(zhì)降低油水界面張力的程度較膠質(zhì)更大，導(dǎo)致塔河原油乳狀液更加穩(wěn)定。

2.2 非金屬元素及金屬元素對(duì)乳狀液的影響

原油中的非烴組分主要包括氧化物、硫化物、氮化物和一些含微量元素的化合物，也包括含這些非碳、氫元素的膠狀、瀝青狀物質(zhì)。

圖3 膠質(zhì)的可能結(jié)構(gòu)式

圖4 瀝青質(zhì)的可能結(jié)構(gòu)式

硫是石油的常規(guī)組成元素之一，硫在原油中主要以元素硫、硫化氫、硫醇、硫醚、二硫化物、噻吩及其同系物的形式存在。

氧原子是石油中含量最大的雜原子，-OH、-COOH、-COOR＇等含氧基團(tuán)是石油組分分子中最重要的極性基團(tuán)。含氧化合物在原油的油水界面活性組分中占重要地位，其中的酸、酚、酯均能與堿作用生成各類具有高界面活性的皂類，對(duì)O/W 型或W/O 型原油乳狀液的研究均具有重要意義。

石油中含有的氮元素通常在千分之幾至萬分之幾，含氮量隨著沸點(diǎn)升高而增加，大約90 %的氮集中在減壓油渣中。氮在各餾程組分中呈不均勻分布，膠質(zhì)、瀝青質(zhì)中含有一半以上的氮。含氮化合物主要以喹啉類、吡啶類、咔唑類、吡咯類以及酰胺的形式存在。

目前，石油中已檢測(cè)出來的微量元素多達(dá)59 種，其中金屬元素為45 種，大體可分為三類，變價(jià)金屬包括：釩、鎳、鐵、鉬、鈷、鎢、鉻、銅、錳、鉛等，堿金屬和堿土金屬包括：鉀、鈉、鎂、鈣、鋇、鍶等，鹵素和其他元素包括：氯、溴、碘、硅、鋁、砷等（見表2）。

塔河原油中高含的硫、氧、氮非金屬元素主要富集在瀝青質(zhì)中，這些元素主要以大量的極性非烴物質(zhì)存在，在配位鍵、分子間作用力的作用下極性非烴物質(zhì)間產(chǎn)生締合，最終形成簇狀物以及絮凝體增加原油黏度。研究表明，氧元素能夠形成含有酚基、羰基等基團(tuán)的雜環(huán)極性高分子化合物。酚基、羰基等親水基面朝水相排列，而親油基向油相伸展，在油-水界面上形成一層非常穩(wěn)定的界面膜。由于瀝青質(zhì)分子的稠合芳香環(huán)網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，大量瀝青質(zhì)聚集會(huì)增加原油的黏度，阻止液珠聚集，增加乳狀液的穩(wěn)定性。另外，膠質(zhì)對(duì)熱不穩(wěn)定，在注水替油引入大量溶解氧且受熱的條件下，容易縮合轉(zhuǎn)化為瀝青質(zhì)，進(jìn)一步增加原油乳狀液的穩(wěn)定性。

原油中的金屬元素可能與碳原子形成化學(xué)鍵，或金屬原子置換有機(jī)酸官能團(tuán)中的氫生成鹽類，或形成金屬分子內(nèi)配合物，或與單一的、混雜的配位體形成配合物，或與瀝青質(zhì)中的雜原子、稠合芳香環(huán)系形成的配合物，使各種不同的大分子鏈化合物聚集在一起。

表2 塔河原油中非金屬元素的含量

通過以上兩種方式形成的大分子雜原子化合物，除了使原油乳狀液界面膜穩(wěn)定、降低界面張力以外，還可以形成較厚的界面層，產(chǎn)生空間阻隔效應(yīng)，阻止液珠聚集，增加乳狀液穩(wěn)定性[6]。

2.3 陰陽離子組成對(duì)乳狀液的影響

大量實(shí)驗(yàn)研究表明[7]，水的礦化度對(duì)乳狀液穩(wěn)定性的影響分為兩個(gè)方面。其一，水溶液中的離子（尤其是高價(jià)離子），可削弱擴(kuò)散雙電層的影響，降低O/W 型乳狀液的穩(wěn)定性；其二，某些離子可改變?nèi)榛瘎┰谟?、水兩相中及界面層的分配狀況，使原油乳狀液更加穩(wěn)定（見表3）。

研究表明：相同種類的鹽，濃度越高，降低乳狀液穩(wěn)定性的能力越大。同一價(jià)位的金屬離子，半徑越大，影響乳狀液穩(wěn)定性的能力越小，例如在45 ℃和Cl-濃度相同的條件下，陽離子降低原油乳狀液穩(wěn)定性能力大小的順序?yàn)椋篈13+＜Ca2+＜Mg2+＜K+＜Na+；在45 ℃和Na+濃度相同的條件下，陰離子降低乳狀液穩(wěn)定性能力強(qiáng)弱的順序?yàn)椋篠O42-＜CNS-＜Br-＜C1-；但當(dāng)體系溫度變?yōu)?5 ℃時(shí)，該次序變?yōu)椋篊NS-＜SO42-＜C1-＜Br-[8]。由塔河地層水金屬離子組成可以看出，水中的K+、Na+濃度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于Mg2+、Ca2+的濃度，水中的C1-濃度遠(yuǎn)高于SO42-。結(jié)合前面的研究和地層水的組成分析，油田水中的各種金屬離子在一定程度上降低了原油乳狀液的穩(wěn)定性，主要減弱水包油型乳狀液的擴(kuò)散雙電層。相反，金屬離子與原油的表面活性劑結(jié)合可以生成皂類化合物，起到穩(wěn)定乳狀液的作用。

由表3 能夠看出，塔河油田地層水中金屬離子及氯離子含量明顯高于前二者，所以以上兩種離子對(duì)乳狀液的影響因素更加明顯。

2.4 高分子聚合物對(duì)乳狀液的影響

油田日常使用的酸化、酸壓溶液體系及化學(xué)助劑主要成分為高分子聚合物、水溶性物質(zhì)。原油乳狀液中聚合物含量越高，脫出水中含油量越大，脫出水愈渾濁。因?yàn)榫酆衔锸撬苄缘?，能與乳狀液界面膜上的乳化劑分子親水基團(tuán)發(fā)生作用，增加了界面膜的空間阻隔及排斥能力，影響界面膜強(qiáng)度。另外，聚合物可以增加界面膜黏度，減緩水滴聚集速度，降低脫水效率[9，10]。

3 結(jié)論及認(rèn)識(shí)

（1）塔河原油中高含膠質(zhì)、瀝青質(zhì)，高含N、O、S 非烴組分以及金屬元素是導(dǎo)致原油黏度大，乳狀液穩(wěn)定的主要因素。

（2）地層水中的陰陽離子以不同的方式影響了乳狀液的穩(wěn)定性，陰陽離子都在一定程度上能夠降低乳狀液的穩(wěn)定性，然而，陽離子與表面活性劑結(jié)合后增強(qiáng)了乳狀液的穩(wěn)定性。

（3）日常采油使用的聚合物類化學(xué)助劑提高了乳狀液的穩(wěn)定性，降低了脫水速率。

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表3 塔河地層水與其他油田地層水構(gòu)成對(duì)比

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