勝利原油乳狀液中固體顆粒特性及其脫除技術(shù)*

張 敏，耿孝恒，樊劉通，王 睿，張 臨，謝 輝

(濱州學(xué)院化工與安全學(xué)院，山東 濱州 256600)

由于油田原油儲(chǔ)量減少，采出液中的固體顆粒隨之增加，又加上水驅(qū)、聚合物驅(qū)及復(fù)合驅(qū)等采油技術(shù)得到廣泛地應(yīng)用，為后續(xù)原油凈化提純和管輸系統(tǒng)的穩(wěn)定帶來(lái)了一些問(wèn)題。特別是破乳劑的采用量也隨之日益擴(kuò)大，破乳要求的溫度不斷增加，加大了脫水的難度。其中原油中固體顆粒作為天然乳化劑，是造成原油加工復(fù)雜的直接因素[1-3]。因此，分析原油乳狀液中固體顆粒的成分和粒徑，表征其特性，探究其存在機(jī)理，找到便捷有效的方法處理原油乳狀液，達(dá)到有效脫除微小固體顆粒的目的具有極其重要的意義。目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)原油乳狀液的研究多集中在對(duì)含水原油的脫水問(wèn)題，以及固體顆粒對(duì)原油乳狀液的穩(wěn)定性的影響上，而對(duì)于原油中的固體顆粒的特性和脫除技術(shù)研究較少[4-7]。

本文以勝利油田濱南采油區(qū)塊的682原油乳狀液為研究對(duì)象，應(yīng)用顯微鏡、納米粒度儀和光譜成分分析儀，表征乳狀液中固體顆粒的特性，揭示原油乳狀液中固體顆粒形成機(jī)制和物理特性。根據(jù)分析結(jié)果，研究了高效穩(wěn)定的固體顆粒脫除技術(shù)。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 材料和儀器

勝利油田濱南682原油乳狀液；BH123破乳劑，廊坊匯濤化工有限公司；石油醚，分析純，萊陽(yáng)經(jīng)濟(jì)技術(shù)開(kāi)發(fā)區(qū)精細(xì)化工廠。

XSA-CTV電視顯微鏡，北京泰克儀器有限公司；TDL-5高速離心機(jī)，金壇市良友儀器有限公司；Zetasizer Nano S90激光粒度分析儀，英國(guó)馬爾文儀器有限公司；M4000光譜分析儀，濟(jì)南聚光盈安儀器有限公司；FRQ-1002T超聲波清洗機(jī)，杭州法蘭特超聲波科技有限公司；T18 DS25 恒溫高速乳化機(jī)，德國(guó)IKA公司；HH-6數(shù)顯恒溫水浴鍋，龍口市先科儀器公司；10 mL注射器，康泰醫(yī)療器具有限公司；50 mL離心管，海門市江海儀器配件廠。

1.2 原油乳狀液電視顯微分析

(1)恒溫水浴加熱。用藥匙取適量濱南682原油乳狀液于燒杯中，其次將燒杯放入加熱到60 ℃的水浴鍋中，恒溫加熱15 min。

(2)制作乳狀液標(biāo)本。將載玻片和蓋玻片用擦鏡紙擦拭干凈，其次用玻璃棒攪拌加熱后的乳狀液，攪拌均勻后，用膠頭滴管吸取一滴乳狀液放到載玻片的中央，蓋上蓋玻片并用吸液紙吸取多余的乳狀液。

(3)觀察乳狀液。將制好的標(biāo)本置于放大倍數(shù)設(shè)置成300倍顯微鏡下觀察，在顯微鏡下找到清晰的畫面并拍攝照片。

對(duì)圖片進(jìn)行Matlab圖像處理得到后得到了乳狀液圖像中每個(gè)液滴所含像素的數(shù)目，依據(jù)公式(1)和(2)，結(jié)合顯微鏡的放大倍數(shù)即可還原出真實(shí)的液滴粒徑分布。

(1)

(2)

1.3 固體顆粒脫除實(shí)驗(yàn)

本文將實(shí)驗(yàn)室常用的乳狀液脫除固體微粒的離心法，與復(fù)配脫固乳狀液相結(jié)合進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。具體實(shí)驗(yàn)步驟：

(1)恒溫水浴加熱。用藥匙分別取適量濱南682原油乳狀液于四個(gè)相同型號(hào)(50 mL)的離心管中，用電子天秤測(cè)其每個(gè)重量不能相差2 g(質(zhì)量如表1所示)其次將離心管放入加熱到60 ℃的水浴鍋中，恒溫加熱15 min。

表1 原油乳狀液的質(zhì)量

(2)乳狀液離心。將加熱后的離心管放入轉(zhuǎn)速調(diào)至3000 r/min不恒溫的離心機(jī)中，離心15 min后觀察并記錄，油水分離的情況。再重復(fù)加熱，將加熱后的離心管放入轉(zhuǎn)速調(diào)至6000 r/min，溫度調(diào)至40 ℃的恒溫離心機(jī)中，離心15 min后，觀察離心情況并與前一次情況作比較。

(3)分離固體顆粒。待離心管中的油相凝固后，用藥匙輕輕取出離心管中部分油相(大約油相的2/3)，再向離心管中加入15 mL的石油醚，搖晃均勻，靜置1 h后，再用注射器抽出離心管中上層萃取物，將含固水相倒入小燒杯中。

(4)計(jì)算原油的含水率和固體含量，根據(jù)公式(3)和(4)計(jì)算含水率。

V0=M/ρ

(3)

式中：V0為原油乳狀液的體積；M為原油乳狀液的質(zhì)量；ρ為原油乳狀液的密度(ρ=0.92)。

(4)

式中：V0原油乳狀液的體積；V實(shí)驗(yàn)瓶下部沉降出水的體積；X原油乳狀液的脫水率。

1.4 固體顆粒粒徑表征及成分分析

本文采用激光粒度儀，結(jié)合精密的光譜分析儀分析濱南682乳狀液中固體顆粒的主要成分和粒徑分布。

(1)由于固體顆粒會(huì)聚結(jié)在一起，所以要通過(guò)超聲波將其均勻分散在液體中，以便準(zhǔn)確地測(cè)量固體顆粒原本的粒徑。將洗油后的固體顆粒液，放入超聲波清洗機(jī)的清洗池中，將聲波頻率調(diào)成8 kHz，溫度設(shè)為30 ℃，清洗時(shí)間為20 min。

(2)用膠頭滴管輕輕吸取大約1 mL超聲處理后的固體顆粒液置入樣品管內(nèi)，再用玻璃清潔紙將樣品管輕輕擦拭干凈，送入樣品槽內(nèi)，蓋上封蓋開(kāi)始測(cè)試。

(3)將固體顆粒液放在恒溫干燥箱內(nèi)進(jìn)行低溫烘干，溫度調(diào)至10 ℃，時(shí)間設(shè)置為24 h，待固體顆粒干燥后，采用X射線能譜儀分析固體顆粒的成分。

1.5 固體顆粒離心脫除效果評(píng)價(jià)

依據(jù)濱南682乳狀液離心試驗(yàn)后所分離出的具有一定比例的油、水、固三項(xiàng)。按照未分離前的油水比例，將已脫固脫水的原油和乳狀液離心脫水(不含固體顆粒)重新配比，本實(shí)驗(yàn)不添加任何乳化劑，僅使用高速乳化機(jī)進(jìn)行乳化。因?yàn)闉I南682乳狀液的含水率為20.7%，所以取200 mL脫固脫水原油與41.4 mL脫出水于大燒杯中，室溫下用恒溫高速乳化機(jī)進(jìn)行攪拌，轉(zhuǎn)速5000 r/min，乳化20 min。然后再進(jìn)行原油脫水對(duì)比。

(1)45 ℃時(shí)，濱南682含固原油乳狀液和脫固原油乳狀液脫水效率和程度對(duì)比(不添加破乳劑)；

(2)室溫條件下，濱南682含固原油乳狀液和脫固原油乳狀液在同一種破乳劑的影響下的破乳速度和效果對(duì)比。

2 結(jié)果與討論

2.1 顯微分析

將制好的標(biāo)本置于放大倍數(shù)設(shè)置成300倍顯微鏡下觀察，在顯微鏡下找到清晰的畫面并拍攝照片，其圖像如圖1所示。

圖1通過(guò)Matlab圖像處理后，得到了乳狀液圖像中每個(gè)液滴所含像素的數(shù)目，結(jié)合公式與顯微鏡的放大倍數(shù)即可還原出真實(shí)的液滴粒徑分布[8]。

圖1 顯微鏡下的乳狀液

(1)通過(guò)顯微觀察濱南682原油乳狀液，可清楚觀察到清晰的油水界面，并且液滴表面周圍顏色較深，有固體顆粒聚集，阻礙液滴的連續(xù)分布，據(jù)此可推斷此原油乳狀液為O/W型。

(2)根據(jù)圖像處理測(cè)算液滴的粒徑大約在5～500 μm之間，如圖2所示。

圖2 液滴粒徑百分比

2.2 固體顆粒脫除實(shí)驗(yàn)分析

乳狀液離心。圖3為兩組比較，選出離心效果較好的一組，觀察可知第二組離心比較好，選取第二組再進(jìn)一步分離固體顆粒。

圖3 第一組(右)與第二組(左)的比較

圖4 脫除固體顆粒液

圖5 脫固原油乳狀液

分離固體顆粒。圖4和圖5分別為分離出固體顆粒液和脫固原油乳狀液。從中可以觀察出相應(yīng)數(shù)據(jù)，代入公式可計(jì)算出含水率。乳狀液離心時(shí)，選擇轉(zhuǎn)速在6000 r/min，溫度40 ℃的條件，離心效果比較好，油水相分離更加徹底，固體顆粒脫除率就更高。根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)計(jì)算出濱南682原油乳狀液的含水率在20.7%左右，固體含量在5.4%左右。

2.3 粒徑表征及成分分析

根據(jù)激光粒度分析儀分析的結(jié)果(圖6)，可知乳狀液中固體顆粒的平均粒徑為40.28 μm。 將乳化液分離出來(lái)的固體物質(zhì)干燥后做能譜分析，結(jié)果如表2所示，這些固體顆粒物質(zhì)成分主要是石英砂、斜長(zhǎng)石、方解石、粘土、黃鐵礦等。其中方解石的固體微粒最多，其含量為25.6%，方解石的主要成分是碳酸鈣。其次是粘土和石英砂，它們的主要成分都是二氧化硅；粘土中的硅藻土的平均粒徑最大，其粒徑為44.73 μm，其次是方解石其粒徑為40.23 μm。通過(guò)分析可知，碳酸鈣和二氧化硅對(duì)乳狀液的影響最大。乳狀液中的碳酸鈣固體來(lái)源主要有方面：在采油時(shí)，由于對(duì)碳酸鹽巖層沖刷力度較大，會(huì)有部分碳酸鈣顆粒被沖進(jìn)乳狀液；另一部分主要來(lái)源于地層結(jié)垢的產(chǎn)物。

圖6 光的強(qiáng)度分布

>表2 固體顆粒粒徑分析

2.4 脫除效果評(píng)價(jià)

圖7 加熱對(duì)乳狀液的影響圖

圖8 破乳劑對(duì)乳狀液的影響

如圖7所示，在45 ℃的水浴鍋中，復(fù)配脫固原油乳狀液在17 min后油水完全分層，而含固乳狀液并未出現(xiàn)油水分層的現(xiàn)象；如圖8所示，含固乳狀液和復(fù)配脫固乳狀液在同種破乳劑同種劑量下，脫固乳狀液油水分層更快，分出的水相更多。由于固體顆粒對(duì)原油乳狀液的穩(wěn)定有很大的影響，固體顆粒的存在能增強(qiáng)乳狀液的穩(wěn)定性，所以，加熱離心法可以有效地脫除原油中的固體顆粒，減少固體顆粒對(duì)乳狀液的影響。

3 結(jié) 論

(1)原油乳狀液在采用離心法脫除固體顆粒時(shí)，恒溫高速離心相比較室溫低速離心油水分離更加徹底，脫除的固體物質(zhì)更多，由此，在原油乳狀液離心脫固實(shí)驗(yàn)中，溫度和離心力對(duì)于固體物質(zhì)的脫除結(jié)果影響很大。

(2)濱南682原油乳狀液的含水率在20.7%左右，固體含量在5.4%左右。固體顆粒物質(zhì)成分主要是石英砂、斜長(zhǎng)石、方解石、粘土、黃鐵礦等。其中方解石的固體微粒最多，其含量為25.6%，方解石的主要成分是碳酸鈣。其次是粘土和石英砂，它們的主要成分都是二氧化硅；粘土中的硅藻土的平均粒徑最大。因此，乳狀液中固體物質(zhì)的主要成分是碳酸鈣和二氧化硅。

(3)通過(guò)比較含固原油乳狀液和脫固原油乳狀液的加熱沉降效率和破乳劑的影響，可得固體微?？梢约訌?qiáng)濱南682乳狀液的穩(wěn)定性。

(4)將實(shí)驗(yàn)室常用的乳狀液脫除固體微粒的離心法，與復(fù)配脫固乳狀液相結(jié)合進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。其結(jié)果表明，離心法可以有效地脫除原油中的固體顆粒，減少固體顆粒對(duì)乳狀液的影響。