油包水乳狀液物性影響因素實驗研究

李照成 李洪松 陳魯 贠智強 遲紅利 王強 郭強

（1.中國石化勝利油田河口采油廠；2.青島科技大學機電工程學院；3.勝利油田勝利化工有限公司山東東營）

在現(xiàn)代油田的開采過程中，油水混輸技術的應用越發(fā)廣泛[1]。在輸送過程中，油水混合液在經(jīng)過管道結合處，閥門，壓縮泵等處的高速剪切作用后非常容易形成油水乳狀液[2]。原油乳狀液的凝點與黏度會隨著含水率的變化而受到影響，由于分散相水滴的存在，乳狀液體系中存在著內(nèi)相與外相，其流變與析蠟特性會因為液滴與液滴之間的作用而變得復雜[3]。此外原油是一種復雜的烴類混合物，含有飽和烴、芳烴、石蠟、樹脂等多種物質(zhì)[4]。樹脂和瀝青質(zhì)是極性化合物，當原油乳狀液在被高速剪切時，其可視為表面活性劑，從而促進乳狀液的形成并且會影響乳狀液的物性[5]，因此不同種類的原油因為其成分比例不同，所表現(xiàn)出的析蠟特性及流變性也是有差異的。在管輸過程中，油包水乳狀液的析蠟與流變特性對管道運行的影響十分重要，它關系到在現(xiàn)場操作中應該采取什么樣的摻水溫度、摻水比以及輸送壓力，并且還決定了管道停輸再啟動的難易程度[6]。這些參數(shù)對管輸過程中的能源消耗具有十分重要的影響。因此基于勝利油田兩種不同種類的原油，并配置成不同含水率的原油乳狀液，通過實驗測得其凝點及黏度的變化并分析其變化的原因，對管道的安全經(jīng)濟輸送有十分重要的意義。

1 實驗部分

1.1 實驗材料

試驗所用脫水原油取自勝利油田河口采油廠丁王聯(lián)合站與渤三聯(lián)合站，將其分別命名為Oil1與Oil2。實驗原油組分含量及基礎物性見表1，并且為保證試驗結果的準確性，摻水水樣也從現(xiàn)場獲取。利用XR-B500S高剪切乳化機將兩種原油分別配制含水率為10%、20%、30%、40%、50%、60%。實驗設備采用：NDJ-5S布氏黏度計、恒溫磁力攪拌器、SYD-510型石油凝點試驗器、XR-B500S高剪切乳化機。

表1 實驗原油組分含量及基礎物性

1.2 實驗方法

為了確保試驗油樣具有代表性，分別在勝利油田河口采油廠渤三聯(lián)合站和丁王聯(lián)合站進行現(xiàn)場取樣，并分裝到磨口瓶中密封保存使用。在實驗過程中，為保證相關數(shù)據(jù)的重現(xiàn)性，應對試驗油樣進行預處理以減小實驗誤差。將一定量的原油裝入磨口試瓶中，將燒瓶固定于水浴加熱器中加熱至80℃后恒溫保持2 h，使油樣達到一個均勻的狀態(tài)，隨后在室溫條件下冷卻48 h，作為實驗的基礎油樣[7]。

參照原油降凝降黏劑效果的評定方法SY/T 0541—2009《原油凝點測定法》、SY/T5767—2016《原油管道添加降凝劑輸送技術規(guī)范》，測定Oil1與Oil2在含水10%、20%、30%、40%、50%、60%下的凝點、黏度、黏溫曲線。

2 實驗結果與分析

2.1 含水率對原油乳狀液凝點的影響

由圖1可以看出，Oil1凝點遠高于Oil2。Oil1乳狀液凝點受含水的影響并不大，在含水率為0～30%時，原油乳狀液凝點幾乎沒有變化，當含水率超過30%后，凝點開始迅速上升。當達到最大含水率60%，凝點值為38.5℃，高出脫水原油凝點7.5℃。而Oil2原油乳狀液凝點在剛開始受含水率的影響較大，但隨著含水率的升高，凝點值的增長趨勢變緩，當含水率到達50%時，凝點開始下降。此時凝點值為23.5℃，高出脫水原油凝點6.5℃。

圖1 不同原油乳狀液凝點與含水率的變化曲線

從整體上來說，由于摻水后乳狀液的動力層厚度增加，兩種原油在摻水后凝點均有所上升，但是隨著含水率的增加，分散相液滴之間的距離變大，導致液滴間距之間的距離足以容納下別的分子，使分子之間的作用力變小，這又使得動力層厚度減小，在兩種作用趨勢下，使得摻水后乳狀液的動力層厚度基本保持不變。從表1可以看出，Oil1含蠟量較高，因此它的凝點遠高于Oil2原油，但是其瀝青質(zhì)含量與膠質(zhì)含量低于Oil2原油。膠質(zhì)與瀝青質(zhì)屬于表面活性物質(zhì)，對原油乳狀液的形成具有促進作用，水相與油相的結合比較緊密，因此在低含水的狀態(tài)下Oil2乳狀液凝點隨含水率的升高增長較快。當含水率為50%的時候，Oil2乳狀液的凝點有所下降，此時Oil2乳狀液可能發(fā)生了轉(zhuǎn)相。而當含水率大于40%后，Oil1乳狀液凝點迅速上升。這是由于隨著含水率的繼續(xù)升高，分散相液滴數(shù)量增加，液滴之間的距離減小但分子作用力增大，導致包裹水滴的蠟晶網(wǎng)格的結構強度增加[8]。所以，Oil1乳狀液凝點升高。

2.2 含水率對原油乳狀液黏度的影響

在管輸工藝的計算過程中，原油乳狀液的黏度是一個十分重要的參數(shù)。所以在評價原油乳狀液的流變性時，通常把黏度作為重要的評價指標。通過實驗測試在不同含水率，不同溫度條件下兩種原油乳狀液的黏溫曲線，來得出不同溫度，不同原油組分對原油乳狀液黏度的影響。

2.2.1 原油組分對原油乳狀液黏度的影響

在不同含水率條件下，對Oil1與Oil2乳狀液進行測量，不同原油乳狀液黏度與含水率間的關系如圖2所示。由圖2可以看出，在不摻水的條件下，Oil2的黏度高于Oil1，這是因為在50℃的條件下，原油中的蠟晶基本還未析出，影響原油流動性的主要因素為瀝青質(zhì)與膠質(zhì)的含量。由表1可知Oil2重組分的含量較大于Oil1。但隨著含水率的逐漸升高，尤其是當含水率超高10%后，兩種原油乳狀液的黏度都迅速升高。當含水率大于40%后，Oil2乳狀液黏度的增長速度放緩，并且當含水率大于50%后，其黏度開始降低，這也說明Oil2乳狀液的轉(zhuǎn)相點為含水50%。而Oil1乳狀液的黏度還在隨著含水率的升高在繼續(xù)上升。這說明其反相點要遠高于Oil1乳狀液。這種現(xiàn)象原因是因為當含水率較小時，水在乳狀液中是以分散相的狀態(tài)存在的，水液滴之間的間隔比較大，此時乳狀液的黏度主要是通過連續(xù)相（油）來體現(xiàn)的，此時乳狀液黏度的增長趨勢較緩[9]。

圖2 不同原油乳狀液黏度與含水率間的關系

當含水率繼續(xù)增大，油相中分散的水液滴逐漸增加，兩相之間的接觸面增大，液滴之間的相互作用增強加之相間表面能的作用，導致表觀黏度增大[10]。當含水率接近反相點后，乳狀液轉(zhuǎn)相，液滴出現(xiàn)形變，此時黏度急劇下降。Oil2由于含有較高的膠質(zhì)及瀝青質(zhì)，其可被視為表面活性劑從而使油水之間的界面張力降低，并且能夠促進油包水型乳狀液轉(zhuǎn)變?yōu)樗托腿闋钜?。而Oil1膠質(zhì)及瀝青質(zhì)含量比較低，因此其反相點要大于當前的最大摻水量（50%），這也說明不同組分的原油乳狀液物性差別較大，在現(xiàn)場摻水輸送的過程中應注意根據(jù)原油的組分差異選擇合適的運行參數(shù)。

2.2.2 溫度對原油乳狀液黏度的影響

圖3 不同含水率的Oil 1原油乳狀液的黏溫曲線

圖4 不同含水率的Oi l 2乳狀液的黏溫曲線

溫度對原油流變性的影響非常大，最直觀的表現(xiàn)是原油的表觀黏度對溫度的變化十分敏感。本實驗通過繪制含水率分別為10%、20%、30%、40%、50%、60%條件下黏溫曲線，來探究原油乳狀液的黏溫特性。由圖3和圖4可以看出，兩種原油乳狀液黏度都隨著溫度的逐漸升高，黏度逐漸減小，其中，Oil1乳狀液的黏度受溫度的影響比較大。通過觀察兩圖中的曲線可知，在溫度降低到40℃以下后，不同含水率條件Oil1乳狀液黏度隨著溫度的降低急劇上升。Oil2乳狀液的黏度隨溫度的升高緩慢降低，變化趨勢基本保持不變，其中當含水率為50%時，其黏度有所下降并且黏溫曲線斜率減小。這說明原油乳狀液在反相點之前時，其黏溫曲線的變化趨勢類似，當含水率越過反相點后，乳狀液的黏溫曲線開始出現(xiàn)變化。因此可知，在原油乳狀液的輸送過程中，想要有效降低油包水乳狀液的黏度，不只需要盲目的進行加熱，還需要根據(jù)原油乳狀液的特性及現(xiàn)場要求選擇合適的含水率，以滿足節(jié)能降耗的需要。

3 摻水系統(tǒng)能耗費用計算

根據(jù)兩種原油乳狀液凝點與黏度隨含水率變化的曲線可以得知，含水率在30%之前時其增長趨勢都較為緩慢，當越過30%后，凝點與黏度都迅速增長。此外根據(jù)兩種原油乳狀液的黏溫曲線也發(fā)現(xiàn)，在高溫狀態(tài)下溫度對原油乳狀液黏度的影響并不大。綜合上述結論并結合現(xiàn)場開采及輸送的要求，計算得出在丁王原油乳狀液的輸送過程中，摻水比率可選擇30%，摻水后原油乳狀液的溫度可為60℃。通過對不同摻水比例系統(tǒng)的燃氣及電力費用的分析計算并與現(xiàn)場所采集到脫水后進行輸送的歷史數(shù)據(jù)進行對比發(fā)現(xiàn)，由表2可以看出，當原油乳狀液在含水30%的條件下進行輸送時，綜合能耗費用大幅降低，與輸送脫水原油相比，綜合能耗費用可降低約17%。

表2 輸送不同摻水比率原油乳狀液的費用

4 結論

1）通過對不同含水率條件下兩種原油乳狀液的凝點，黏度進行實驗測量，得出乳狀液在油包水的狀態(tài)下，凝點溫度與黏度是隨著含水率的增加不斷升高，但不同組分的原油乳狀液，凝點與黏度的變化趨勢不同，原油中的膠質(zhì)及瀝青質(zhì)會促進乳狀液的形成，從而在低含水的狀態(tài)下渤三原油凝點上升較快。在黏度方面，當含水率為0～50%時，兩種原油的黏度都隨著含水率的升高逐漸升高，但丁王原油乳狀液黏度的增長速度要大于渤三原油，當含水率超過50%后，渤三原油乳狀液黏度開始下降，這說明渤三原油的反相點為含水率50%。因此在原油乳狀液的輸送過程中，要注意其凝點與黏度隨含水率的變化來及時調(diào)整運行參數(shù)。

2）通過實驗測量并繪出兩種原油的黏溫曲線，發(fā)現(xiàn)在兩種原油乳狀液反相點之前，其黏度隨溫度的變化規(guī)律與脫水原油類似，乳狀液黏度都隨著溫度的上升迅速下降。但不同含水乳狀液的黏度區(qū)別較大，因根據(jù)現(xiàn)場實際需要選擇合適的含水率及輸送溫度。

3）結合現(xiàn)場的實際情況，原油乳狀液在含水率為30%條件下進行輸送，與輸送脫水原油相比，綜合能耗費用可降低約17%。