基于原油物性定量分析的原油乳狀液轉(zhuǎn)相點預測模型

文江波， 羅海軍

(廣東石油化工學院 石油工程學院，廣東 茂名 525000)

在世界范圍的陸上及海上油田開發(fā)中，油-水混輸工藝應用普遍，是油田進行原油集輸?shù)闹匾绞?。在混輸管道中，原?水兩相體系很容易形成乳狀液，乳狀液的形成會對油-水兩相的流動特性產(chǎn)生顯著影響[1-3]。體系含水率(體積分數(shù)，下同)較低時，原油、水摻混一般形成的是W/O乳狀液，當體系含水率超過一定的臨界值(即轉(zhuǎn)相點)時，W/O乳狀液會轉(zhuǎn)相形成O/W或W/O/W乳狀液。原油乳狀液轉(zhuǎn)相之后，體系的黏度會大幅降低，混輸管道的壓降梯度也會大幅減小，從而使管輸規(guī)律發(fā)生改變[4-5]。

原油乳狀液轉(zhuǎn)相點是一個重要的參數(shù)，對于油田生產(chǎn)及原油-水體系管道混輸均具有重要指導作用。在稠油摻水輸送方面，必須準確掌握稠油乳狀液的轉(zhuǎn)相點，摻水工藝設(shè)計的關(guān)鍵在于使稠油-水體系形成O/W乳狀液，這樣才能起到降黏、減阻的作用[6-8]。在油田集輸工藝中，加入流動改進劑，可以降低原油乳狀液轉(zhuǎn)相點，使得在含水率較低的條件下，也能形成O/W乳狀液，從而降低油-水體系黏度，提高集輸效率[9-10]。在海上油田生產(chǎn)中，“乳化傷害”普遍存在，即在轉(zhuǎn)相點之前，原油、水形成的W/O乳狀液黏度遠遠大于原油黏度，會導致油管舉升及海底管道輸送阻力增大，進而影響油田產(chǎn)能。掌握被開采原油-水體系的轉(zhuǎn)相特性，可有效減少因乳化問題帶來的產(chǎn)能損失[11-12]。聚驅(qū)稠油采出液的停輸再啟動特性與原油乳狀液的轉(zhuǎn)相點緊密相關(guān)，研究[13]顯示，在轉(zhuǎn)相點之前，隨著體系含水率增加，管道再啟動難度逐漸增大；而當體系含水率超過轉(zhuǎn)相點之后，管道再啟動難度顯著下降。在原油脫水處理方面，當原油含水率小于轉(zhuǎn)相點時，水相以微小液滴的形式被原油包裹，體系結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，不利于電脫水，脫水率也較低；而當原油含水率大于轉(zhuǎn)相點時，體系結(jié)構(gòu)松散，電脫水的脫水率顯著上升[14]。

原油乳狀液的轉(zhuǎn)相點大小與原油物性密切相關(guān)，一般而言，原油中的天然界面活性物質(zhì)(如瀝青質(zhì)、膠質(zhì)、蠟晶、機械雜質(zhì)等)含量越高，乳化能力越強，原油乳狀液的轉(zhuǎn)相點越大[15-16]。目前，在實際生產(chǎn)中，一般根據(jù)需要通過實驗來確定原油-水體系的轉(zhuǎn)相點，還未見具有普適性、能應用于不同油-水體系的轉(zhuǎn)相點預測模型的相關(guān)文獻發(fā)表。筆者采用8種不同物性的原油開展乳化實驗，以流動狀態(tài)下的原油乳化含水率來表征原油-水體系的乳化特性，通過實驗研究了體系含水率對原油乳化含水率的影響，確定了原油乳狀液的轉(zhuǎn)相點。進一步地，確定了表征原油物性的代表性參數(shù)，建立了基于原油物性定量分析的原油乳狀液轉(zhuǎn)相點預測模型。

1 實驗部分

1.1 實驗原料

乳化實驗采用了8種原油(編號分別為A、B、C、D、E、F、G、H)，原油A來自克拉瑪依油田，原油B來自大慶油田，原油C來自哈薩克斯坦進口原油，原油D來自塔里木油田，原油E、F來自吐哈油田，原油G、H來自玉門油田。8種原油的物性參數(shù)如表1所示。水，實驗室自制超純水。

表1 8種原油的物性參數(shù)Table 1 Physical properties of 8 crude oils

1.2 實驗裝置及方法

在筆者之前的研究[17]中，對實驗裝置、流動狀態(tài)下原油乳化含水率的實驗確定方法進行了詳細描述，這里只進行簡要說明。實驗裝置如圖1所示，主要由以下4部分組成：①通過水套控溫的攪拌槽；②循環(huán)水浴；③攪拌動力系統(tǒng)；④分水計量裝置。

圖1 原油乳化含水率測定實驗裝置Fig.1 Experimental device for determining the emulsified water fraction

通過取樣測量得到停止攪拌后不同時間游離水的析出量，采用外延法確定流動狀態(tài)下的原油乳化含水率。將原油、水按一定質(zhì)量比加入到攪拌槽中，在實驗溫度下恒溫10 min，溫度恒定后開始攪拌。達到預定時間后，停止攪拌，將油-水混合液通過攪拌槽底部的閥門轉(zhuǎn)移到分水計量裝置，測量累計析水量隨時間的變化，然后通過擬合，得到累計析水量(Vf)與時間(t)的定量關(guān)系式Vf=f(t)。通過時間外延計算得到攪拌剛停止(t=0 min)時游離水的含量，將該時刻的游離水含量作為油-水混合液在流動狀態(tài)下的游離水含量，結(jié)合油-水混合液的總含水量，就可以計算得到該流動狀態(tài)下的原油乳化含水率。

流動狀態(tài)下的原油乳化含水率按式(1)進行計算：

(1)

式中：φE為流動狀態(tài)下的原油乳化含水率；Vm為油-水混合液的總體積，mL；Vw為油-水混合液中水相體積，mL；Vf0為t=0 min時的游離水體積，mL，Vf0按式(2)進行計算：

Vf=aln(t+b)+c

(2)

式中：Vf為累計析水量，mL；t為時間，min；a、b、c為擬合參數(shù)。

2 結(jié)果與討論

2.1 原油乳化含水率與體系含水率的關(guān)系

黃啟玉等[18]的研究指出，在溫度為40～50 ℃、攪拌時間為10 min的情況下，以轉(zhuǎn)速500 r/min攪拌原油-水混合液制備得到的乳狀液，其黏度與現(xiàn)場取樣的原油乳狀液黏度非常接近，可以將該攪拌條件作為實驗室制備乳狀液的依據(jù)。筆者以500 r/min為剪切強度條件，在不同的體系含水率、溫度條件下開展乳化實驗。根據(jù)乳化實驗結(jié)果，各原油流動狀態(tài)下的乳化含水率隨體系含水率的變化如圖2所示。

由圖2可知，當體系含水率較小時，8種原油均能將水相全部乳化，形成穩(wěn)定的W/O乳狀液，此時原油乳化含水率等于體系含水率；而當體系含水率超過一定的臨界值時，原油乳化含水率急劇減少。這是因為，當體系含水率較高時，原油只能將其中一部分水乳化，形成的是W/O乳狀液液滴和游離水混合的非穩(wěn)定乳化體系，在這種體系中既含有乳化水又含有游離水。此時，W/O乳狀液液滴是分散相，游離水則是連續(xù)相，即可視為形成了W/O/W 多重乳狀液。很顯然，圖2中8種原油的乳化含水率發(fā)生突變所對應的體系含水率，即為各原油乳狀液從W/O型向W/O/W型轉(zhuǎn)變的轉(zhuǎn)相點。

圖2 原油乳化含水率(φE)隨體系含水率(φ)的變化Fig.2 Emulsified water volume fraction (φE) vs. water volume fraction (φ)(a) Oil A; (b) Oil B; (c) Oil C; (d) Oil D; (e) Oil E; (f) Oil F; (g) Oil G; (h) Oil HCondition: Shear strength 500 r/min

2.2 不同原油乳狀液的轉(zhuǎn)相點

根據(jù)乳化實驗結(jié)果，8種原油乳狀液的轉(zhuǎn)相點如表2所示。由表2可知，各原油乳狀液的轉(zhuǎn)相點存在差異，這表明原油乳狀液的轉(zhuǎn)相點與原油物性密切相關(guān)。對于不同原油，其烴類組成有差異，其中所含的界面活性物質(zhì)含量也不同，因而乳化特性各不相同，這使得不同原油乳狀液的轉(zhuǎn)相點各不相同。

表2 8種原油乳狀液轉(zhuǎn)相點Table 2 Phase inversion points of 8 crude oil emulsions

3 原油乳狀液轉(zhuǎn)相點預測模型

3.1 影響乳化特性的原油物性參數(shù)

原油-水兩相體系的乳化特性、轉(zhuǎn)相點與原油物性密切相關(guān)，選擇了5個影響乳化特性的參數(shù)作為表征原油物性的代表性參數(shù)：瀝青質(zhì)膠質(zhì)含量(wa+r)、蠟含量(ww)、機械雜質(zhì)(wm)、原油酸值(AN)、原油全烴平均碳數(shù)(CNoil)。

選擇上述5個參數(shù)的原因如下：瀝青質(zhì)與膠質(zhì)是原油乳狀液穩(wěn)定的最主要因素，它們的組成和性質(zhì)相似，二者之間沒有明顯的界限，作用效果也類似[19]，所以將瀝青質(zhì)含量(wa)與膠質(zhì)含量(wr)合并在一起作為第一個參數(shù)，即wa+r。原油中的蠟也是一種重要的界面活性物質(zhì)，其吸附在油水界面，可以改變界面膜的流變性，增強界面膜的強度，從而使原油乳狀液更加穩(wěn)定[20]，因而將蠟含量作為第2個參數(shù)，即ww。原油中的微小機械雜質(zhì)，也可以吸附在油水界面上，增強界面膜的強度，從而增加原油乳狀液穩(wěn)定性[21]，因而將機械雜質(zhì)含量作為第3個參數(shù)，即wm。原油中的酸性化合物種類很多，包括羧基酸、脂肪酸、環(huán)烷酸等[22]，而且它們的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)各異，不可能將這些酸性化合物都一一進行量化，所以選擇原油的酸值即AN，作為第4個參數(shù)來量化這些酸性化合物對乳化特性的影響。原油的烴類組成會影響瀝青質(zhì)在原油中的溶解度和聚集形態(tài)，從而影響原油乳狀液的穩(wěn)定性[23]，所以選擇原油的全烴平均碳數(shù)即CNoil，作為第5個影響參數(shù)。

3.2 轉(zhuǎn)相點預測模型的建立

表征原油物性的代表性參數(shù)確定之后，利用數(shù)理統(tǒng)計方法建立原油乳狀液轉(zhuǎn)相點(φp)與原油物性之間的定量關(guān)系模型。φp與原油物性的定量關(guān)系模型如式(3)所示：

(3)

式中：a0～a5為擬合參數(shù)；wa+r、ww、wm分別為瀝青質(zhì)和膠質(zhì)、蠟、機械雜質(zhì)的質(zhì)量分數(shù)，%；AN為原油的酸值，mg KOH/g；CNoil為原油的全烴平均碳數(shù)，無量綱。

對式(3)取對數(shù)得到式(4)：

lnφp=lna0+a1lnwa+r+a2lnww+a3lnwm+a4lnAN+a5lnCNoil

(4)

令X1=lnwa+r、X2=lnww、X3=lnwm、X4=lnAN、X5=lnCNoil、Y=lnφp，則式(4)可轉(zhuǎn)化為式(5)：

Y=lna0+a1X1+a2X2+a3X3+a4X4+a5X5

(5)

以8種原油的實驗數(shù)據(jù)，對式(5)進行多元線性回歸得到式(6)：

Y=-1.586+0.083X1-0.111X2+0.002X3- 0.046X4+1.098X5

(6)

對式(6)進行數(shù)學轉(zhuǎn)換，得到原油乳狀液轉(zhuǎn)相點預測模型：

(7)

采用式(7)計算8種原油乳狀液的轉(zhuǎn)相點，并與各原油乳狀液的實測轉(zhuǎn)相點進行對比，對比結(jié)果如表3所示。誤差分析結(jié)果顯示，模型計算轉(zhuǎn)相點與實測轉(zhuǎn)相點之間的平均相對偏差為3.2%。

表3 模型計算轉(zhuǎn)相點與實測轉(zhuǎn)相點的對比Table 3 Comparison between the calculated phase inversion point and the measured phase inversion point

由表3可知，該轉(zhuǎn)相點預測模型的計算結(jié)果與實測結(jié)果的吻合度較好，相對偏差較低，具有較好的預測效果。該模型可用于預測不同原油-水混合體系的轉(zhuǎn)相點，為原油-水兩相乳化的相關(guān)工程問題提供理論指導。該轉(zhuǎn)相點預測模型(式(7))及表3的實驗結(jié)果，均是在40～60 ℃的溫度條件下獲得，因此，模型的最佳溫度適用范圍為40～60 ℃。

4 結(jié) 論

(1)當體系含水率較小時，原油能將水相全部乳化，形成穩(wěn)定的W/O乳狀液，此時原油乳化含水率等于體系含水率；而當體系含水率超過一定的臨界值后，原油乳化含水率急劇減少，形成的是W/O/W多重乳狀液。原油乳化含水率發(fā)生突變所對應的體系含水率，即為原油乳狀液從W/O型向W/O/W型轉(zhuǎn)變的轉(zhuǎn)相點。

(2)原油乳狀液的轉(zhuǎn)相點與原油物性密切相關(guān)，確定了5個影響乳化特性的參數(shù)作為表征原油物性的代表性參數(shù)，分別是：瀝青質(zhì)膠質(zhì)含量wa+r、蠟含量ww、機械雜質(zhì)含量wm、原油酸值A(chǔ)N、原油全烴平均碳數(shù)CNoil。

(3)在原油物性定量分析的基礎(chǔ)上，建立了原油乳狀液轉(zhuǎn)相點預測模型。模型可用于預測不同原油-水混合體系的轉(zhuǎn)相點。誤差分析結(jié)果顯示，模型計算轉(zhuǎn)相點與實測轉(zhuǎn)相點之間的平均相對偏差為3.2%，具有較好的預測效果。該轉(zhuǎn)相點預測模型是在攪拌轉(zhuǎn)速500 r/min及40～60 ℃的溫度條件下獲得，該實驗條件即為模型的最佳適用條件，模型對于其他條件下原油乳狀液轉(zhuǎn)相點的預測，可作為有力參考。