稠油輸送抗乳化減阻劑的優(yōu)化

丁保東，曹 暢，楊 帆，劉 磊，薛志浩，孫 杰

(1.中國石化西北油田分公司，新疆 烏魯木齊 830011；2. 中國石油化工集團(tuán)有限公司碳酸鹽巖縫洞型油藏提高采收率重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 新疆 烏魯木齊 830011;3.西南油氣田公司致密油氣勘探開發(fā)項(xiàng)目部，四川 成都610056；4.海洋石油工程(青島)有限公司，山東 青島 266400；5.西南石油大學(xué)油氣消防四川省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 成都 611731)

隨著常規(guī)石油資源日益枯竭，稠油資源將是我國油氣開發(fā)的重要戰(zhàn)略接替[1-3]。稠油的高黏度與低流動(dòng)性給其開采和儲運(yùn)帶來極大困難。油水混輸是目前油田現(xiàn)場的有效集輸方法之一[4]。但稠油中所含的瀝青質(zhì)與膠質(zhì)等非烴類化合物通常具有較強(qiáng)的雙親及表面活性，在油水混輸過程中其極易與水相發(fā)生乳化，形成油包水(W/O)型甚至油包水包油(O/W/O)型復(fù)雜乳狀液體系[5-6]，致使管輸流動(dòng)摩阻與能耗顯著增加。

實(shí)現(xiàn)油水混輸減阻降耗的關(guān)鍵是探明原油乳狀液的穩(wěn)定機(jī)理[7]及破乳的主要途徑。影響破乳的主要因素包括原油及采出水性質(zhì)、溫度、乳化劑類型及濃度等[8-10]。常用破乳劑有含硅破乳劑[11]、以多乙烯多胺為起始劑的嵌段聚醚(AE、AP系列)[12]、AR型破乳劑[12]及酚胺醛樹脂聚醚(ST、TA系列)[13]。劉佐才等[14]發(fā)現(xiàn)酚胺類聚環(huán)氧乙烷環(huán)氧丙烷醚破乳劑與多烯多胺環(huán)氧乙烷環(huán)氧丙烷醚類復(fù)配可顯著提高破乳能力。張健等[15]研究發(fā)現(xiàn)，隨破乳劑濃度增加、溫度升高，原油乳狀液脫水率不斷增大。Biniaz等[16]進(jìn)一步構(gòu)建了基于破乳劑濃度、溫度及含水率的輕質(zhì)原油乳狀液脫水效率預(yù)測模型，預(yù)測效果良好。總體而言，國內(nèi)外學(xué)者對常規(guī)原油乳化及破乳機(jī)理開展了廣泛研究，但集輸系統(tǒng)內(nèi)稠油乳狀液破乳脫水相關(guān)研究仍有待完善和發(fā)展。

目前，旅大油田采用摻水集輸工藝，混輸溫度為60 ℃。為降低管道入口壓力，油水混合液的含水率通常需維持在45%以上，摻水量高且輸油終端脫水負(fù)荷大。為此，筆者擬在油水混合液中加入適量抗乳化劑，有效抑制油水乳化程度，降低摻水量及管輸摩阻。本工作通過確定稠油乳化致稠的主要影響因素，比選評價(jià)出有效的抗乳化復(fù)配體系，然后采用流變儀動(dòng)態(tài)剪切及OLGA軟件模擬研究稠油采出液加抗乳化劑管流阻力特性，驗(yàn)證復(fù)配抗乳化體系對稠油管輸?shù)牧鲃?dòng)減阻效率。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 原料與儀器

脫水稠油(20 ℃密度為967.1 kg/m3，50 ℃黏度為1 350 mPa·s)與采出水，旅大油田；十八醇聚氧乙烯聚氧丙烯醚(SP169)、酚醛多乙烯多胺聚氧乙烯聚氧丙烯醚(TA1031和CH-70)、酚醛樹脂聚氧乙烯聚氧丙烯醚(JL-16)、丙二醇聚氧乙烯聚氧丙烯醚(BH-132)，成都科龍化工試劑廠；二甘醇聚氧乙烯聚氧丙烯醚(LS-PR-9)，廣東藍(lán)勝環(huán)?？萍加邢薰?；多乙烯多胺聚氧乙烯聚氧丙烯醚(AP9901)，青島優(yōu)索化工有限公司。

Viscotester iQ-HAAKE智能流變儀，奧地利安東帕公司；TX-500C界面張力儀，上海中晨數(shù)字技術(shù)設(shè)備有限公司；XPF-550C偏光顯微鏡，上海蔡康光學(xué)儀器有限公司。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 乳狀液制備

預(yù)熱純油油樣至60 ℃，將體積分?jǐn)?shù)10%～50%的油水液置于60 ℃恒溫水浴中，以500 r/min轉(zhuǎn)速持續(xù)攪拌10 min，得到不同含水率的W/O乳狀液。

1.2.2 靜置分水測定

將抗乳化劑與稠油乳狀液充分混合，取50 mL乳狀液倒入比色管，并靜置于60 ℃水浴鍋中，每隔1 h觀測一次分水高度，按式(1)計(jì)算分水率，記錄分水率隨時(shí)間的變化規(guī)律。

(1)

式中：ωt為t時(shí)刻乳狀液的分水率，%；ω為含水率，%；Ht為t時(shí)刻分水高度，mm；H為乳狀液總高度，mm。

1.2.3 油-水界面張力測定

采用TX-500C界面張力測試儀，在60 ℃測定加抗乳化劑前后的油水界面張力。

1.2.4 加抗乳化劑管輸降黏減阻模擬

稠油摻水混輸?shù)木C合含水率通常需高于油水反相點(diǎn)約10%～20%。根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，稠油加抗乳化劑管輸模擬的含水率初步確定為40%。為使油水不相容體系在測黏過程與管道混輸過程中的運(yùn)移狀態(tài)及相互作用更接近，實(shí)驗(yàn)采用槳式轉(zhuǎn)子系統(tǒng)進(jìn)行。

稠油集輸管道的管長L=15.9 km，管道內(nèi)徑D=0.254 m，輸油量Qo=1 840.4 m3/d，管道入口溫度60.9 ℃，由式(2)和(3)可分別計(jì)算油水混輸時(shí)間(t)及當(dāng)量剪切速率(r)。設(shè)定相關(guān)參數(shù)后，每隔30 s采集一次數(shù)據(jù)，測定油水混合液表觀黏度隨時(shí)間的變化規(guī)律。采用OLGA軟件模擬計(jì)算油水混輸壓降，以評價(jià)集輸管內(nèi)抗乳化劑的減阻效果。

(2)

(3)

式中：Qo為輸油量，m3/d(油水混合液總流量Q=Qo/(1-40%))；D為管道內(nèi)徑，m；L為管道長度，m。v為油水混合液在管道中的流速，m/s。

2 結(jié)果與討論

2.1 稠油采出液乳化致稠影響因素

2.1.1 溫 度

將含水率為30%的均勻乳狀液倒入比色管中，在不同溫度下靜置1 h并觀察分水情況。當(dāng)制備溫度由20 ℃上升至40 ℃時(shí)，乳狀液分水率由93.8%下降至45.7%，當(dāng)制備溫度上升至50 ℃以上時(shí)，摻入的水基本穩(wěn)定分散于油相中。這是由于低溫下稠油黏度較高，攪拌過程中水相難以被充分切割為小液滴且均勻分散于油相中。

不同溫度下含水量30%乳狀液的黏溫變化關(guān)系見圖1。由圖1可以看出，隨制備溫度升高，相同剪切速率下乳狀液的表觀黏度降低。一方面是由于溫度升高，原油中構(gòu)成油水界面膜的膠質(zhì)、瀝青質(zhì)等非烴化合物在原油中的溶解度增大，使得界面膜變薄，其機(jī)械強(qiáng)度降低；另一方面，內(nèi)相水滴受熱體積膨脹，同樣使得油水界面膜機(jī)械強(qiáng)度降低。基于上述兩因素協(xié)同作用，內(nèi)相水滴更易發(fā)生碰撞和聚并，形成大粒徑液滴，從而使分散相液滴平均粒徑與液滴間距增大，液滴間相互作用及乳狀液表觀黏度降低。因此，有必要篩選評價(jià)合適的抗乳化劑，抑制集輸管道內(nèi)W/O型乳狀液的形成。

圖1 不同溫度下含水率30%乳狀液的黏溫曲線

2.1.2 含水率影響

圖2為偏光顯微鏡下觀測到的不同含水量的乳狀液結(jié)構(gòu)。由圖2可以看出，含水率為10%～50%時(shí)，分散相水滴基本呈球形或橢球形分散在油相中，隨含水率上升，水滴數(shù)量及其粒徑均增加，分布逐漸均勻。當(dāng)含水率增大至50%，油水液則難以形成穩(wěn)定的乳狀液，開始出現(xiàn)游離水，油水分布極不均勻，分散相液滴粒徑相差懸殊。含水率60%的油水液，在未持續(xù)攪拌作用下，分散相水滴會(huì)逐漸聚結(jié)和沉降，直至恢復(fù)為游離態(tài)。

圖2 不同含水率時(shí)稠油乳狀液的微觀分布

圖3為油水乳狀液在剪切速率為20 s-1時(shí)的表觀黏度與含水率關(guān)系。由圖3可見，當(dāng)含水率不高于40%時(shí)，隨含水率升高，連續(xù)油相中的分散水滴數(shù)量增加，油水相界面作用增強(qiáng)，乳狀液表觀黏度逐漸增大。但當(dāng)含水率高于40%時(shí)，連續(xù)相逐漸由油相轉(zhuǎn)變?yōu)樗?，乳狀液表觀黏度明顯降低。結(jié)合微觀結(jié)構(gòu)及流變測試結(jié)果，可大致確定油水乳狀液的反相點(diǎn)約為40%。

圖3 油水乳狀液表觀黏度與含水率的關(guān)系

2.2 單劑抗乳化影響因素

2.2.1 單劑種類

在含水率30%的稠油乳狀液中分別加入7種抗乳化劑各200 mg/L，并置于60 ℃水浴鍋中恒溫8 h，不同抗乳化劑作用下的分水率變化規(guī)律見圖4。由圖4可以發(fā)現(xiàn)，加入AP9901、TA1031、CH-70抗乳化劑后的分水率顯著高于加入其他4種試劑的分水率(均低于35%)，7種試劑的抗乳化性能依次為AP9901>TA1031>CH-70>LS-PR-9>JL-16>BH-132>SP-169。這可能是由于AP9901、TA-1031和CH-70均為五鏈試劑，其中TA-1031含有芳香環(huán)結(jié)構(gòu)，該劑支鏈多、分子結(jié)構(gòu)復(fù)雜、相對分子質(zhì)量大、潤濕性能強(qiáng)，易于在油水界面膜上鋪展，從而更迅速頂替原界面膜成膜物質(zhì)，有效降低界面膜強(qiáng)度。JL-16僅含一個(gè)支鏈，其作用于油-水界面膜時(shí)吸附面積小，降低界面膜強(qiáng)度的能力有限，而SP-169甚至不含任何支鏈，分子量小且分子結(jié)構(gòu)單一，對膠質(zhì)、瀝青質(zhì)含量較高的稠油乳狀液分水效果較差[17]。

圖4 不同抗乳化劑作用下乳狀液的分水率

2.2.2 界面張力

加入不同抗乳化劑后稠油與水的界面張力關(guān)系見圖5。

圖5 加入不同抗乳化劑后稠油與水的界面張力

由圖5可以發(fā)現(xiàn)，與空白組相比，加入抗乳化劑后稠油-水界面張力均有不同程度的降低，尤其加入AP9901和CH-70的稠油-水體系界面張力下降最為顯著。表明7種抗乳化劑的表面活性均比原油中膠質(zhì)、瀝青質(zhì)等物質(zhì)的表面活性高，更易吸附于油水界面膜，從而降低界面膜強(qiáng)度。從微觀結(jié)構(gòu)分析，界面膜強(qiáng)度是由界面層表面活性劑分子的吸附排列狀態(tài)和側(cè)向分子間的相互作用決定，所加入的抗乳化劑均為嵌段聚醚物，分子量大、支鏈多，可形成多點(diǎn)吸附，側(cè)向分子作用力較弱，可使界面膜強(qiáng)度降低，因此，水滴更易聚結(jié)沉降，油水混合液難以形成高穩(wěn)定性的W/O乳狀液[18]。

2.3 復(fù)配劑抗乳化影響因素

2.3.1 復(fù)配體系

AP9901、TA1031、CH-70三種藥劑與稠油乳狀液的配伍性較好，但仍存在作用時(shí)間長、分出水含油量大的問題。實(shí)驗(yàn)將AP9901、TA-1031和CH-70三種試劑兩兩等質(zhì)量配制成200 mg/L的復(fù)配體系，分析評價(jià)各復(fù)配體系的協(xié)同效應(yīng)及抗乳化效果，結(jié)果見圖6。由圖6可以看出，各復(fù)配體系下6 h后乳狀液的分水率均超過70%，相比單劑顯示出更優(yōu)的抗乳化效果，其中AP9901/TA1031復(fù)配體系的分水效果略高于TA1031/CH-70與AP9901/CH-70兩種復(fù)配體系。

圖6 不同抗乳化劑復(fù)配體系作用下乳狀液的分水率

2.3.2 復(fù)配比濃度

選定3種抗乳化劑按不同質(zhì)量比兩兩相配，加劑量為200 mg/L，相應(yīng)的破乳分水效果見圖7。由圖7可見，m(AP9901)∶m(TA1031)=2∶1、m(AP9901)∶m(CH-70)=1∶2及m(TA1031)∶m(CH-70)=3∶1三種復(fù)配濃度下乳狀液的分水率最高，分水速度最快，尤其是m(AP9901)∶m(TA1031)=2∶1復(fù)配體系，破乳4 h后的分水率可達(dá)81.9%，且水中含油量極少，顯示出良好的復(fù)配協(xié)同效應(yīng)及破乳分水效率。

首先，要將政治上可靠的人選用在中層管理崗位上。我們的大學(xué)是黨領(lǐng)導(dǎo)下的社會(huì)主義大學(xué)，所以在選用干部時(shí)一定要看他們政治上是否可靠，具體而言即是否具有政治意識、大局意識和責(zé)任意識。

圖7 不同抗乳化劑復(fù)配體系作用下乳狀液的分水率

2.3.3 界面張力

在稠油中加入200 mg/L不同復(fù)配比例的抗乳化劑體系，測試相應(yīng)的油-水界面張力，結(jié)果見圖8。

圖8 不同復(fù)配比抗乳化劑作用下的油-水界面張力

由圖8可以發(fā)現(xiàn)，加入復(fù)配劑后，油-水界面張力均降至35.0 mN/m以下，其中m(TA1031)∶m(CH-70)=1∶2復(fù)配體系的作用效果最佳，油-水界面張力降至15.3 mN/m，其分水效果不佳(圖8)?？傮w而言，聚醚型復(fù)配抗乳化劑具有較好的表面活性，在油-水界面上的吸附效率高，可頂替瀝青質(zhì)等天然乳化劑的吸附，使水滴難以被油相穩(wěn)定包裹，從而抑制W/O乳狀液的形成。綜合考慮分水效果與油-水界面張力，在加劑量為200 mg/L時(shí)，復(fù)配體系m(AP9901)∶m(TA1031)=2∶1的作用效果最佳。

2.4 抗乳化劑對油水管輸阻力特性影響

2.4.1 低速剪切

制備不加劑空白樣和含水率為40%的m(AP9901)∶m(TA1031)=2∶1復(fù)配抗乳化劑試樣的稠油乳狀液，加劑量為200 mg/L。設(shè)定流變儀剪切速率為22.05 s-1，測試時(shí)間為6.3 h，溫度從60 ℃降至45 ℃，油水乳狀液表觀黏度隨剪切時(shí)間的變化規(guī)律見圖9。

圖9 加劑前后的油水混合液表觀黏度與時(shí)間的關(guān)系

由圖9可以看出，不加劑乳狀液表觀黏度隨剪切時(shí)間增加與溫度降低而不斷增大。加劑后的油水混合液表觀黏度隨剪切時(shí)間在管內(nèi)的變化可大致分為3個(gè)階段： 0～11 000 s(對應(yīng)管輸長度0～7.7 km)時(shí)間段的黏度上升區(qū)，在該段時(shí)間內(nèi)，由于管道沿線溫度下降，混合液表觀黏度逐漸增大；11 000～12 500 s(對應(yīng)管輸長度7.7～8.75 km)時(shí)間段的黏度下降區(qū)，此時(shí)油水界面膜破裂，小水滴迅速聚并，油水混合液由穩(wěn)定乳狀液向乳狀液+游離水形態(tài)過渡，其表觀黏度急劇降低；12 500～22 714 s(對應(yīng)管輸長度8.75～15.9 km)時(shí)間段的低黏流動(dòng)區(qū)，此階段內(nèi)管道已出現(xiàn)大量游離水，混合液表觀黏度大幅降低，在抗乳化劑作用下游離水不再與油相發(fā)生乳化。測試結(jié)束后將流變儀測量筒內(nèi)的油水混合液倒入比色管中發(fā)現(xiàn)，不加抗乳化劑時(shí)游離水僅占混合液體積8.3%，而加劑體系中游離水含量占混合液體積達(dá)29.4%，說明抗乳化劑抑制油水乳化效果明顯。

2.4.2 高速剪切

為考察m(AP9901)∶m(TA1031)=2∶1復(fù)配抗乳化劑體系在強(qiáng)剪切作用下的降黏減阻效果，分別測試加入200 mg/L復(fù)配劑后含水率為30%～60%的油水混合液在高速剪切作用下的表觀黏度。測試溫度60 ℃，剪切速率為100 s-1，測試時(shí)間為3 600 s，每隔30 s采集一次混合液的表觀黏度值，結(jié)果見圖10。

圖10 剪切速率100 s-1下不同含水率油水混合液表觀黏度與剪切時(shí)間的關(guān)系

由圖10可以看出，含水率越高的體系油水乳狀液形成所需時(shí)間越久，且加入AP9901/TA1031復(fù)配抗乳化劑體系的乳化時(shí)間遠(yuǎn)大于不加劑體系。

2.4.3 混輸壓降計(jì)算

根據(jù)管輸模擬實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，實(shí)際管道中稠油-水乳狀液流速和剪切速率均較低。加入抗乳化劑后，在管道前半段(0～7.7 km)水相逐漸析出；在后半段(7.7～15.9 km)，當(dāng)析出水量達(dá)到一定值(29.4%)后不再增加，且始終保持游離水狀態(tài)。因此，可將稠油-水采出液加抗乳化劑集輸過程大致簡化為兩段輸送，即前半段為含水率40%的乳狀液輸送，后半段為含水率10.6%乳狀液與29.4%游離水混輸。管道入口溫度為60.9 ℃，油水混合液總輸量3 067.3 m3/d，管道內(nèi)徑為0.254 m，出口壓力設(shè)定為1 MPa，采用OLGA軟件模擬。結(jié)果顯示，不加抗乳化劑輸送乳狀液的壓降為12.92 MPa，混合液在前半段(0～7.7 km)管道中的壓降為3.17 MPa，后半段(7.7～15.9 km)管道中壓降為1.11 MPa，共計(jì)4.28 MPa。相比不加劑輸送，抗乳化劑油水混輸工藝的減阻率達(dá)66.87%，這表明加入適量的抗乳化劑不僅可有效降低稠油采出液集輸流動(dòng)摩阻，還可顯著降低混合液乳化水含量。

3 結(jié) 論

a.旅大稠油乳狀液制備溫度越高，靜置分水率越低，制備溫度由20 ℃升至40 ℃時(shí)，分水率由93.8%降至45.7%，當(dāng)制備溫度在50 ℃以上時(shí)，乳狀液可保持較好的穩(wěn)定性，其表觀黏度明顯高于純油黏度。當(dāng)含水率低于40%時(shí)，隨含水率升高，乳狀液水滴數(shù)量及粒徑增加，分布較均勻；但當(dāng)含水率超過40%時(shí)，水滴逐漸聚結(jié)沉降，結(jié)合顯微觀察和流變測試大致確定旅大稠油反相點(diǎn)為40%。

b.抗乳化劑AP9901、TA1031和CH-70與旅大稠油乳狀液的配伍性較好，單劑8 h分水率可分別達(dá)71.6%、65.1%和53.3%；AP9901和CH-70對稠油-水體系界面張力的作用效果最顯著，其作用機(jī)理為迅速吸附于油水界面，頂替膠質(zhì)、瀝青質(zhì)等天然乳化劑，有效降低油水界面張力和油水界面膜強(qiáng)度，從而抑制油水乳化。

c.篩選評價(jià)出性能良好的二元復(fù)配抗乳化劑體系，m(AP9901)∶m(TA1031)=2∶1，含水率30%的旅大稠油乳狀液4 h分水率超過80%，油水界面張力可由不加劑時(shí)的53.8 mN/m降至17.5 mN/m。

d.加入復(fù)配抗乳化劑體系后，油水混合液的表觀黏度在管道內(nèi)經(jīng)歷上升、急速下降、低黏波動(dòng)3個(gè)階段，抗乳化劑體系可促使稠油采出液中乳化水聚結(jié)沉降，并抑制游離水再次乳化，同時(shí)顯著降低油水混合液表觀黏度及流動(dòng)摩阻。相比稠油不加劑輸送，加入抗乳化劑體系后的減阻率可達(dá)66.87%。