三元復合驅(qū)采出液新型破乳劑研究

陳平

（大慶油田有限責任公司第四采油廠）

自1993年進行現(xiàn)場試驗以來，三元復合驅(qū)油技術(shù)取得了重大進展。近年來，為保證原油穩(wěn)產(chǎn)，大慶油田大面積推廣應(yīng)用三元復合驅(qū)油技術(shù)，2008年開始，對杏六區(qū)東部Ⅰ、Ⅱ塊進行了工業(yè)化開發(fā)。但是，在增加原油產(chǎn)量和大幅度提高原油采收率的同時，采出液中殘留的聚合物、堿、表面活性劑含量逐漸增多，導致采出液乳化嚴重、破乳效果差、藥劑用量大、處理成本高等問題，給生產(chǎn)管理帶來了較大難度。因此，為了經(jīng)濟、有效地解決三元復合驅(qū)采出液油、水分離困難這一課題，開展了新型三元破乳劑研究。

1 三元破乳劑技術(shù)現(xiàn)狀

目前，大慶油田處理三元復合驅(qū)采出液的聯(lián)合站共有17座，分別為三元南6-2中轉(zhuǎn)站、三元南6-6中轉(zhuǎn)站、杏北三元-1轉(zhuǎn)油站、杏二中試驗站等，產(chǎn)液量為1 600～5 800m3/d，使用的破乳劑有Z048、富杰、SP系列等。這些產(chǎn)品主要采用復配手段，有針對性地合成三元破乳劑，以實現(xiàn)三元復合驅(qū)采出液的油、水分離，但是，存在處理成本高、分離效果不理想等問題。

杏十聯(lián)地區(qū)三元-1、三元-2轉(zhuǎn)油站，從前置水驅(qū)階段開始，一直使用Z048型破乳劑。隨著采出液中聚合物、表面活性劑等含量的增加，加藥濃度逐漸增大，但是，處理效果卻越來越差。當見聚合物濃度升高至720mg/L、表面活性劑濃度為47mg/L時，加藥濃度達到43mg/L（水驅(qū)加藥濃度一般為4mg/L、聚合物驅(qū)加藥濃度一般為10mg/L），處理成本為1.52元/t，并且，電脫水器頻繁跳閘，摻水水中含油25 000mg/L，為正常值的25～50倍，給生產(chǎn)管理帶來很大難度。

2 三元新型破乳劑破乳研究

2.1 三元復合驅(qū)采出液的主要特性

一是，油、水乳化程度高，油珠粒徑小，難以破乳。三元復合驅(qū)采出液靜置沉降過程中，水層中的懸浮顆粒物多數(shù)以粒徑為1～10μm的油珠形式存在，平均粒徑為3μm，其中，粒徑小于1μm的膠態(tài)顆粒物的體積約占顆粒物總體積的10%；而水驅(qū)中懸浮顆粒物多數(shù)以粒徑為4～10μm的油珠形式存在，平均粒徑為8μm，其中，粒徑小于4μm的膠態(tài)顆粒物的體積約占顆粒物總體積的10%。對三元復合驅(qū)采出液空白試樣和添加破乳劑的試樣在38℃時靜置30min后，采出液靜止沉降有一定效果，但是，將試樣倒置后，已分層的油相又分散到水相中，說明水中油珠雖然上浮聚集，但是，并沒有聚并，采出液沒有真正破乳。

二是，水相黏度大，達到聚合物驅(qū)黏度的5～8倍。在油、水沉降分離過程中，水為外相，油為內(nèi)相。根據(jù)Stokes（斯托克斯）沉降公式，隨著外相黏度的增大，油珠的浮升速度減慢，在設(shè)備沉降時間和溫度一定的情況下，采出液中油含量升高。要使油滴的上升速度加快，只有通過有效破乳，使油滴聚并、增大油滴的直徑，才能有效縮短沉降時間。

三是，部分油珠之間聚并困難。在顯微鏡下觀察，2個直徑基本相同的多重乳化液滴，10min內(nèi)保持相互接觸，外層油膜不破裂，沒有聚并在一起形成連續(xù)相，說明乳化液滴的穩(wěn)定性很強，油珠聚并困難。同時，大液滴對周圍小液滴的吸附作用不明顯，在觀察的2min內(nèi)，一粒大液滴與另一粒直徑與之相差約10倍的小液滴保持相對靜止狀態(tài)，沒有接觸，說明乳化液滴帶有電荷，液滴之間存在斥力。

四是，表面活性劑含量高的采出液，泡沫約占采出液的70%，且穩(wěn)定性高，氣液分離困難。

五是，采出液攜污量大，將脫水填料堵塞，填料基本上失去過濾功能，設(shè)備運行效率下降，處理效果變差。

2.2 三元破乳劑破乳原理

由于三元復合驅(qū)采出液中含有聚合物、表面活性劑、堿等成分，使油、水界面張力大幅度降低，從而油、水乳化程度增高，導致上層液體中水珠分散、顆粒細小，同時，聚合物的存在使下層液體的黏度增大。這些因素均阻礙了油、水分離的速度，乳化狀態(tài)發(fā)生了質(zhì)的變化。因此，新型破乳劑不但要能破除采出液中的油包水乳液，使水珠聚并分離、降低油相含水、達到電脫要求，還要能破除水包油乳液，使水中的油珠聚并分離，降低采出水中的油含量。

針對三元復合驅(qū)采出液見劑濃度變化特點，將三元復合驅(qū)采出液破乳分4個階段進行研究。根據(jù)三元復合驅(qū)采出液不同階段的特性選擇不同配方，在改善破乳劑水溶性的同時，使其可以更好地黏附在乳化液界面上，取代乳化劑并破壞表面膜，將膜內(nèi)包覆的水釋放出來，達到油、水高效分離的目的。

2.2.1 見劑初期

在此階段，采出液中聚合物濃度較低，表面活性劑雖然已經(jīng)出現(xiàn)，但是，含量較低，表面活性劑含量≤40mg/L。這一階段的破乳和油、水分離與聚合物驅(qū)油相似，破乳后水珠的粒徑和介質(zhì)黏度決定了油、水分離的速度。根據(jù)Stokes定律，油、水分離的速度取決于水珠下沉的速度，水珠下沉速度計算式為：

式（1）中：Vw——水珠的下沉速度，cm/s；r——水珠的粒徑，cm；η——介質(zhì)黏度，g/cm·s；dw——水的密度，g/mL；do——油的密度，g/mL；g——重力加速度，cm/s2。

因此，為實現(xiàn)此階段油、水的快速分離，必須在極短的時間內(nèi)，大幅度增加水珠顆粒的粒徑，這就要求在此階段使用的破乳劑必須具備很強的聚結(jié)作用和快速凝聚作用。

2.2.2 見劑中期

在此階段，采出液中聚合物濃度較高，表面活性劑已經(jīng)具有了一定的濃度，40mg/L＜表面活性劑含量≤70mg/L。

同見劑初期相比，情況發(fā)生了根本的變化，介質(zhì)黏度大、表面張力低、油珠細小、界面能大。因此，決定油、水分離速度的不是水珠的粒徑，而是油珠的粒徑。由于這些細微的油珠粒徑極小，具有很高的自由能，將他們聚合成大油珠并從水中分離出來難度較大。若仍然使用原破乳劑配方，油、水分離的效果就會變差，尤其是對水中含油的影響更大。

該階段的破乳劑配方必須具備更好的親油性，同時，擴散速度快，且能夠降低表面自由能，這樣才能夠在較短的時間內(nèi)把細微的油珠凝聚成大的油珠，快速地從水中分離出來。

2.2.3 見劑高峰期

在這一時期，采出液宏觀上也開始發(fā)生較大的變化，含水率逐漸上升，產(chǎn)油量逐漸下降，采出液中表面活性劑濃度較高，大于70mg/L。

該階段形成的乳化油粒徑極其細微，界面膜的強度變大。破乳開始后，小的油珠和水珠聚結(jié)變成較大的顆粒，原來處在油、水界面的表面活性劑進入介質(zhì)中，按照吸附平衡理論，余下的油、水界面上表面活性劑的量就要增加，從而加固界面膜的強度。因此，油、水微粒的集結(jié)速度成為這一階段油、水分離的控制因素。

在破乳過程中自由能變化計算式為：

式（2）中：ΔG——自由能變化；γ——界面張力；ΔA——表面積變化。

由式（2）可以看出，自由能的變化和表面積的變化成正比。因此，此階段使用的破乳劑配方必須具有較高的表面活性，吸附力強，能夠吸附到油、水界面，將原有的界面膜撕裂，將細小的顆粒變成大顆粒，減小表面積，從而降低自由能，實現(xiàn)油、水完全分離。

2.2.4 見劑中后期

三元復合驅(qū)采油開發(fā)方案為：空白水驅(qū)、前置聚合物、三元主段塞、三元副段塞、后續(xù)聚合物、后續(xù)水驅(qū)（三元驅(qū)油結(jié)束）。見劑高峰期結(jié)束后，三元復合驅(qū)采出液見劑濃度會逐漸降低，采出液特性會重現(xiàn)見劑中期、見劑初期的特性，可參照見劑初期和見劑中期進行藥劑優(yōu)選優(yōu)化工作，確保破乳效果。

3 三元新型破乳劑的研發(fā)

3.1 破乳劑的開發(fā)及優(yōu)選

針對杏十聯(lián)地區(qū)三元-1、三元-2轉(zhuǎn)油站見劑初期采出液特性，開發(fā)出具有不同特性和官能團復配體系的破乳劑配方，共7種：CP904、CP801、CP701、CP601、FT-8051、FT-8052、2#，其中，CP904、CP801、CP701、CP601和2#為油溶性破乳劑，F(xiàn)T-8051和FT-8052為凈水劑。

在沉降時間一定的條件下，每種破乳劑配方均存在一個最低有效破乳溫度，低于該溫度則破乳效果差、藥劑用量大，因此，液體溫度對破乳劑的破乳效果影響較大。

3.1.1 最佳破乳溫度的確定

由于杏十聯(lián)三元-1、三元-2轉(zhuǎn)油站來油匯管溫度均為38℃，首先選擇低于來液溫度2℃，即36℃，作為優(yōu)化破乳溫度的初始溫度，摸索新型破乳劑的最低破乳溫度。

對7種新型破乳劑開展室內(nèi)脫水率和脫水后油中含水率的對比試驗。在36℃恒溫水浴、沉降30min條件下，試驗介質(zhì)油、水分離均比較困難；沉降時間不變，將脫水溫度提高至38℃時，油、水開始出現(xiàn)較明顯的分層現(xiàn)象，破乳效果較好。因此，確定新型三元破乳劑的最低破乳溫度為38℃。

3.1.2 破乳劑初選

將開發(fā)的7種破乳劑與在用的Z048破乳劑進行對比試驗。試驗溫度38℃，加藥量為20mg/L，機械震動2min后，靜止20min。試驗效果對比見表1。通過對比，CP801、CP904和2#這3種破乳劑破乳效果最好。

表1 破乳劑室內(nèi)初選現(xiàn)場瓶試數(shù)據(jù)平均值

3.1.3 破乳劑優(yōu)選

對于初選出的3種破乳劑——CP801、CP904和2#油溶破乳劑，進行優(yōu)選、優(yōu)化試驗。試驗溫度38℃，加藥量為20mg/L，機械震動2min后，靜止20min。試驗效果對比見表2。通過對比，CP904破乳劑破乳效果較CP801、2#和Z048好，油、水界面清晰，殘留乳化低。因此，確定采用CP904破乳劑為杏十聯(lián)地區(qū)三元復合驅(qū)采出液破乳劑。

表2 破乳劑室內(nèi)優(yōu)選現(xiàn)場瓶試數(shù)據(jù)平均值

3.2 超前儲備不同見劑濃度破乳劑配方

由于三元復合驅(qū)采出液見劑濃度具有突變性，而一種破乳劑具有一個最佳濃度破乳范圍，超過這一范圍，破乳效果會明顯降低、加藥量顯著增大、原油中乳化油含量明顯增多，最終導致放水水質(zhì)嚴重超標，給生產(chǎn)管理帶來很大難度。

針對三元復合驅(qū)采出液性質(zhì)呈動態(tài)變化、三元破乳劑配方相對固定的特性，選擇不同見劑濃度的單井開展破乳劑優(yōu)選、優(yōu)化現(xiàn)場試驗，優(yōu)選出三元不同見劑濃度的破乳劑配方——CP903、CP904、CP906、CP907、CP908、CP909，并建立加藥模板，量化加藥濃度與時機，為三元復合驅(qū)不同見劑濃度采出液破乳做好儲備。三元復合驅(qū)采出液不同見劑濃度下破乳劑配方優(yōu)化見表3。由表3可知，優(yōu)選的不同見劑濃度破乳劑配方，能夠?qū)崿F(xiàn)不同見劑濃度下三元復合驅(qū)采出液的有效破乳，破乳效果較好。

表3 三元復合驅(qū)采出液不同見劑濃度下破乳劑配方優(yōu)化

3.3 新型三元CP系列破乳劑特點

該系列破乳劑為非離子型油溶破乳劑，與離子型油溶破乳劑相比，具有的優(yōu)點：一是，用量少；二是，不會產(chǎn)生沉淀；三是，由于新型CP系列破乳劑一般不生成“O/W”型乳狀液，因此，脫出水較清，水中含油少；四是，脫水成本低。

4 現(xiàn)場試驗

現(xiàn)場試驗期間，三元-1站聚合物濃度620mg/L，三元-2站聚合物濃度368mg/L，杏十聯(lián)合站游離水來液聚合物濃度220mg/L，表面活性劑濃度17mg/L。CP904破乳劑現(xiàn)場試驗效果數(shù)據(jù)平均值對比見表4，試驗期間藥劑和水中含油情況見表5。

投加CP904破乳劑后，三元復合驅(qū)采出液平均加藥濃度降低了37.1%，水中含油降低了34.7%，聯(lián)合站電脫水器運行平穩(wěn)，破乳效果較好。

為量化加藥濃度與時機，每周二對三元復合驅(qū)采出液各節(jié)點見劑濃度和破乳情況進行化驗和分析，以加藥模板為依據(jù)，及時更換破乳劑配方，調(diào)整加藥濃度。部分指標變化情況見圖1～圖4。

表4 CP904破乳劑現(xiàn)場試驗效果對比

表5 試驗期間藥劑和水中含油情況

圖1 三元-1轉(zhuǎn)油站含劑濃度跟蹤曲線

圖2 三元-1轉(zhuǎn)油站加藥量和水中含油跟蹤曲線

圖3 三元-2轉(zhuǎn)油站含劑濃度跟蹤曲線

圖4 三元-2轉(zhuǎn)油站加藥量和水中含油跟蹤曲線

5 結(jié)論及認識

一是，三元復合驅(qū)采出液見劑濃度具有突變性，需根據(jù)各節(jié)點見劑濃度變化情況，及時更換破乳劑配方、調(diào)整加藥濃度，才能在確保較好破乳效果的同時，控制生產(chǎn)運行成本。

二是，研發(fā)并篩選出的CP系列三元復合驅(qū)采出液破乳劑配方，依據(jù)加藥模板，量化加藥濃度與時機，能夠較好地實現(xiàn)杏十聯(lián)三元復合驅(qū)采出液各階段采出液破乳。

三是，優(yōu)化破乳劑配方后，在確保三元復合驅(qū)采出液有效破乳和各系統(tǒng)平穩(wěn)運行的前提下，加藥濃度控制在20mg/L以內(nèi)，處理成本由0.63元/t下降至0.40元/t，每年可節(jié)約藥劑成本1.46×106元，具有一定的經(jīng)濟效益和社會效益。

四是，通過對杏十聯(lián)地區(qū)三元-1、三元-2轉(zhuǎn)油站采出液進行破乳劑配方優(yōu)化和現(xiàn)場試驗，證明加藥模板對實際生產(chǎn)具有一定的指導意義。研發(fā)的破乳劑配方和加藥模板，對于油田其他區(qū)塊三元復合驅(qū)采出液破乳，具有一定的參考和借鑒意義。

[1] 劉佐才,崔秀山,高照連,等.復配原油破乳劑研究[J].油田化學,2001,18(2):141-143,169.

[2] 吳迪,孫福祥,孟祥春,等.大慶油田三元復合驅(qū)采出液的油水分離特性[J].精細化工,2001,18(3):159-161,169.