稠油摻稀熱化學(xué)脫水工藝參數(shù)優(yōu)化

寇 杰,鐘齊斌,曹亞魯

(1.中國石油大學(xué)(華東)儲運與建筑工程學(xué)院,山東青島 266580;2.中國石化勝利油田分公司海洋采油廠,山東東營 257237)

中國稠油資源非常豐富,合理利用稠油資源對于國家能源戰(zhàn)略意義重大[1-4]。稠油是一種復(fù)雜多烴混合物,含有大量的膠質(zhì)和瀝青質(zhì),具有密度高、黏度大和流動性較差等特點[5-6]。在稠油開發(fā)過程中,稠油會和地層水生成油水乳狀液而乳化水會腐蝕管道和設(shè)備,也會影響稠油后續(xù)處理,在油田生產(chǎn)過程中須對稠油進(jìn)行破乳脫水[7-9]。稠油中的膠質(zhì)和瀝青質(zhì)等屬于天然表面活性物質(zhì),容易在油水界面處形成一層能夠阻礙乳狀液中水滴聚并的膜,同時不斷發(fā)展的采油技術(shù)導(dǎo)致大量表面活性物質(zhì)用來驅(qū)油,從而形成組成復(fù)雜、體系穩(wěn)定的稠油乳狀液,使得稠油脫水工作能耗較大[10]。常用的稠油脫水方法包括熱沉降脫水、摻稀油脫水、化學(xué)破乳劑脫水和電脫水等方法[11-12]。筆者以勝利油田某聯(lián)合站稠油作為對象,研究稠油摻稀熱化學(xué)脫水的工藝參數(shù)。

1 現(xiàn)場工藝參數(shù)

勝利油田某聯(lián)合站每年處理原油55×104t,其中稠油22×104t,稀油有33×104t,聯(lián)合站工藝流程見圖1。聯(lián)合站脫水工藝參數(shù)為摻稀比1.5、脫水溫度90 ℃、破乳劑質(zhì)量濃度120 mg/L,沉降時間25～30 h。雖然經(jīng)分離器處理后含水率為25.4%的原油能夠通過熱化學(xué)沉降達(dá)到原油外輸質(zhì)量含水率低于2%的要求,但是從節(jié)能降耗的角度來看,其脫水工藝參數(shù)存在優(yōu)化空間。本次試驗在優(yōu)選出合適的破乳劑基礎(chǔ)上,進(jìn)一步考察摻稀比、脫水溫度和破乳劑濃度等因素對稠油脫水效果的影響,最后優(yōu)化得出了稠油摻稀熱化學(xué)脫水的最佳工藝參數(shù)。

圖1 聯(lián)合站工藝流程Fig.1 Process flow of central processing station

2 試 驗

2.1 油樣與水樣

從聯(lián)合站現(xiàn)場接取試驗所需的未經(jīng)加藥的稀油和稠油。由于現(xiàn)場稠油含水率較高,因此試驗所用水樣為所取稠油靜態(tài)沉降脫水后得到的污水。為防止油樣和水樣的變質(zhì)對脫水試驗的影響,油樣和水樣在運輸過程中均由密閉塑料容器存放,并且隨取隨用。

2.2 稀油和稠油的基本物性

依據(jù)GB/T1884-2000[13],采用密度計法(SY-05型密度計,天津市新華熱工儀表有限公司)測定稀油和稠油的密度隨溫度的變化關(guān)系,結(jié)果如圖2(a)所示。依據(jù)SY/T0520-2008[14],采用旋轉(zhuǎn)黏度計法(VT550黏度計,德國哈克公司)測定稀油和稠油的黏度-溫度曲線,結(jié)果見圖2(b)。

圖2 稀油和稠油的密度隨溫度的變化及其黏度-溫度曲線Fig.2 Density-temperature,viscosity-temperature curves of thin oil and heavy oil

從圖2看出,稠油具有密度高(55 ℃時密度大于1 g·cm-3)、黏度大的特點,并且溫度對稠油黏度的影響較大,前期隨著溫度的升高,稠油黏度出現(xiàn)迅速下降的現(xiàn)象。

2.3 油水乳狀液的制備

根據(jù)SY/T5280-2018[15]對原油的分類,試驗所用稠油屬于特重原油,因此采用電動攪拌機(jī)(型號JJ-1A,金壇區(qū)西城新瑞儀器廠)在90 ℃水浴下制備不同種類的油水乳狀液,標(biāo)記為A、B、C、D、E,攪拌轉(zhuǎn)速與攪拌時間分別為600 r/min、15 min;600 r/min、25 min;1 000 r/min、15 min;1 000 r/min、25 min;3 000 r/min、20 min。為了驗證油水乳狀液的穩(wěn)定性,將制備好的乳狀液與現(xiàn)場乳狀液F一并放入90 ℃的恒溫水浴(型號Precision CIR35,賽默飛世爾科技有限公司)中靜置,沉降脫水。記錄下各個時間點的乳狀液脫出水量,計算出脫水率(脫出水體積/脫水前乳狀液含水量),結(jié)果見圖3。從圖3看出,乳狀液C和D靜置沉降脫水2 h后脫水率較低且與現(xiàn)場乳狀液脫水率較為接近。由于脫水2 h后乳狀液C的脫水率低于乳狀液D的脫水率,所以可認(rèn)為在乳狀液C的乳化條件下(攪拌轉(zhuǎn)速1 000 r/min、攪拌時間15 min)制備的乳狀液是穩(wěn)定的,后續(xù)試驗所需的稠油乳狀液即采用此乳化條件制備。

圖3 乳狀液沉降脫水結(jié)果Fig.3 Result of emulsion setting dehydration

2.4 破乳劑溶液的配制

試驗中選用的10種原油破乳劑來自勝利油田勝利化工有限責(zé)任公司,對于每一種破乳劑依據(jù)SY/T 5280-2018,將1 g破乳劑試樣轉(zhuǎn)移到100 mL容量瓶中,用相應(yīng)溶劑定容至100 mL并搖勻,用水作為水溶性破乳劑的溶劑,用二甲苯作為油溶性破乳劑的溶劑[15]。根據(jù)試驗所需破乳劑質(zhì)量濃度來確定向乳狀液中添加破乳劑溶液的體積。

2.5 破乳劑的優(yōu)選

原油破乳劑優(yōu)選的方法包括瓶試法、測定界面張力法、介電常數(shù)法和表征破乳劑方法等[16]。由于瓶試法具有簡單易用、試驗結(jié)果直觀且數(shù)據(jù)可靠等優(yōu)點,所以本文中依據(jù)SY/T 5820-2018,采用瓶試法對多種原油破乳劑進(jìn)行性能優(yōu)選試驗,重點考察脫水率、油水界面狀況、脫出污水水色等破乳劑性能指標(biāo)。

2.6 脫水參數(shù)

首先配制不同摻稀比(r,指稀油質(zhì)量與稠油質(zhì)量之比)的混合油樣,根據(jù)不同摻稀比下降黏率(指純稠油與混合油黏度差/純稠油黏度)的情況來選擇合適的摻稀比。在確定破乳劑種類和摻稀比的基礎(chǔ)上,研究脫水溫度和破乳劑濃度對乳狀液脫水效果的影響,進(jìn)行不同脫水參數(shù)的試驗對比,得到最佳脫水參數(shù)。

3 結(jié)果分析

3.1 破乳劑優(yōu)選結(jié)果

破乳劑優(yōu)選試驗參數(shù)為乳狀液含水率25.4%、摻稀比1.5、脫水溫度90 ℃、破乳劑質(zhì)量濃度120 mg/L。對10種原油破乳劑進(jìn)行比選,包括7種水溶性破乳和3種油溶性破乳劑(SL-H3、SL-B32、SL-D5),試驗結(jié)果見圖4?？梢缘贸?多種水溶性破乳劑脫水速度較快、油水界面齊且脫出的污水顏色清澈。和水溶性破乳劑相比,3種油溶性破乳劑脫水性能較差,脫水4 h后脫水率也未達(dá)到50%,油水界面模糊且脫出的污水較為渾濁。破乳劑PR-929在破乳劑優(yōu)選試驗中表現(xiàn)出良好的脫水性能,4 h后最終脫水率達(dá)到了86.8%,超過現(xiàn)場破乳劑的最終脫水率。因此破乳劑優(yōu)選試驗最終選出的破乳劑是PR-929。

圖4 破乳劑的優(yōu)選Fig.4 Optimization of demulsifiers

3.2 摻稀比的優(yōu)化

稠油中分別摻入不同量的稀油,得到了摻稀比分別為0.6、0.8、1.0、1.2、1.5、1.7的混合油。通過旋轉(zhuǎn)黏度計法可測定混合油在不同溫度下的黏度,再經(jīng)計算可得混合油在不同溫度下的降黏率?；旌嫌徒叼ぢ孰S溫度的變化見圖5。

圖5 不同摻稀比下降黏率隨溫度的變化Fig.5 Variation of viscosity reduction rate with temperature at different dilution ratios

從圖5看出:稀油的摻入使混合油的黏度明顯降低,而且隨著摻入稀油的增多,混合油的降黏率增大;隨著溫度的升高,同一摻稀比下的混合油降黏率不斷下降,原因是溫度升高使混合油與稠油的黏度同時下降,但稠油黏度的下降幅度比混合油的下降幅度更大,所以導(dǎo)致了混合油降黏率的減小;在同一溫度下,降黏率的增幅隨著摻稀比的逐漸增大而減小,摻稀比從0.5增加至1.0時,降黏率增幅明顯,但從1.0增加至1.7時,降黏率增幅明顯減小,尤其從1.5增加至1.7時,降黏率變化不大,說明摻稀比1.0即為此次試驗中摻稀降黏效果的分水嶺。

圖6 不同摻稀比脫水結(jié)果Fig.6 Dehydration result of different dilution ratio

為進(jìn)一步確定合適的摻稀比,選取具有代表性的3個摻稀比(r=0.8、r=1.0、r=1.2)進(jìn)行試驗比較脫水效果。乳狀液含水率為25.4%、脫水溫度為75 ℃、破乳劑質(zhì)量濃度為120 mg/L。試驗結(jié)果見圖6?？梢钥闯?摻稀比的增加能夠使乳狀液脫水效果得到提升,原因在于稀油的增加使乳狀液黏度下降,膠質(zhì)瀝青質(zhì)相對含量降低,有利于破乳劑的擴(kuò)散以及水滴的聚并,加快了乳狀液的破乳脫水;摻稀比從0.8增加到1.2,乳狀液脫水率逐漸增加,但摻稀比增加至1.0之后,繼續(xù)摻入稀油對乳狀液脫水效果影響較小,摻稀比1.0和1.2對于乳狀液脫水效果的提升相差不多?？紤]到經(jīng)濟(jì)性因素,可降低稀油的使用量,即采用r=1.0作為稠油熱化學(xué)脫水最佳摻稀比。

3.3 破乳溫度的優(yōu)化

確定摻稀比為1.0后對破乳脫水溫度進(jìn)行優(yōu)化。脫水試驗參數(shù)為摻稀比1.0、乳狀液含水率25.4%、破乳劑質(zhì)量濃度120 mg/L,研究4個不同破乳溫度下乳狀液沉降24 h的脫水狀況。試驗結(jié)果見圖7。

圖7 不同破乳溫度脫水結(jié)果Fig.7 Dehydration result at different demulsification temperature

從圖7看出,隨著溫度的不斷升高,脫水后原油含水率逐漸降低,說明提高溫度改善了乳狀液的脫水效果,原因在于升溫降低了原油的黏度,加速了分子熱運動,降低了油水界面膜的張力,有利于水滴的碰撞和聚結(jié),并且升溫使油水密度差增大,有利于水滴的沉降[15]。圖7中有一條代表原油含水率為2%的虛線,原油外輸含水率要求不高于2%,脫水溫度為85 ℃時脫水15 h后滿足外輸含水率要求,原油含水率為1.3%,脫水溫度為80 ℃時脫水24 h后滿足外輸含水率要求,原油含水率為1.6%。由于原油加熱會消耗一定的燃料費用,所以在滿足原油含水率的前提下建議采用較低的破乳溫度以降低能耗,即選用80 ℃為最佳破乳溫度。

3.4 破乳劑質(zhì)量濃度的優(yōu)化

確定摻稀比和破乳溫度后,對破乳劑質(zhì)量濃度進(jìn)行優(yōu)化。脫水試驗參數(shù)為摻稀比1.0、乳狀液含水率25.4%、破乳溫度80 ℃,研究5個不同破乳劑質(zhì)量濃度下乳狀液沉降24 h的脫水狀況。試驗結(jié)果見圖8。

從圖8看出,添加破乳劑明顯改善了乳狀液的脫水效果,同時隨著破乳劑質(zhì)量濃度的提升,脫水后原油的含水率呈現(xiàn)先降低后增加的趨勢。原因在于破乳劑可以吸附在油水界面膜上或?qū)⒂退缑婺ど系奶烊蝗榛瘎┲脫Q出來,從而降低油水界面膜的強度,有利于界面膜的破裂,加速水滴的聚結(jié)[18]。當(dāng)破乳劑質(zhì)量濃度達(dá)到某個值時,界面膜吸附的破乳劑分子趨于飽和,若繼續(xù)增加破乳劑質(zhì)量濃度,破乳劑分子爭相吸附在界面膜上,抑制了水滴聚結(jié),便出現(xiàn)含水率不降反升的現(xiàn)象。從試驗結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)破乳劑質(zhì)量濃度為120和150 mg/L的條件下脫水24 h后原油含水率分別為1.6%和1.89%,都滿足外輸含水率的要求,而且最終原油含水率相差無幾。從破乳劑的費用方面來考慮,使用較低質(zhì)量濃度的破乳劑經(jīng)濟(jì)效益更好,因此推薦破乳劑質(zhì)量濃度為120 mg/L。

圖8 破乳劑質(zhì)量濃度對含水率的影響Fig.8 Effect of demulsifier mass fraction on rate of water content

3.5 優(yōu)化后的費用分析

脫水溫度從90 ℃降到80 ℃,可降低加熱爐需要消耗的能量。經(jīng)計算,優(yōu)化后每年可減少燃料油的質(zhì)量約為796.4 t,燃料油價格按每噸4 500元計算,每年可節(jié)省的燃料油費用約為358.4×104元。摻稀比從1.5降到1.0,稀油處理量變?yōu)?2×104t/a,原油處理量變?yōu)?4×104t/a,使稀油泵和外輸泵的功率分別減小4和4.3 kW,每度電按0.6元計算,則每年可節(jié)約電費4.4×104元。破乳劑質(zhì)量濃度雖然沒有發(fā)生改變,但摻稀比從1.5降到1.0,總原油處理量變?yōu)樵瓉淼?/5,即破乳劑用量也變成了原來的4/5。目前每天消耗破乳劑約210 kg,破乳劑價格按1.3×104元/t計算,每年可節(jié)省破乳劑費用約為19.4×104元。綜合節(jié)省的燃料費用、電費和破乳劑費用,優(yōu)化后聯(lián)合站每年大約能節(jié)省382.2×104元。

4 結(jié) 論

(1)提高摻稀比和脫水溫度均能改善乳狀液脫水效果,隨著破乳劑濃度的增加,乳狀液脫水效果先增后減。

(2)在試驗范圍內(nèi),優(yōu)選出最適合勝利油田某聯(lián)合站稠油摻稀熱化學(xué)沉降脫水的破乳劑為PR-929,在優(yōu)化參數(shù)(摻稀比為1.0、脫水溫度為80 ℃、破乳劑質(zhì)量濃度為120 mg/L、沉降時間為24 h)條件下,每年能節(jié)省費用約382.2×104元。