含聚原油脫水室內(nèi)試驗(yàn)研究

劉艷 吳建華 趙新建 薛釗 耿榮燕 鞏峰

（1.中國(guó)石油華北油田公司第一采油廠；2.中國(guó)石油華北油田公司第二采油廠；3.中國(guó)石油華北油田公司第三采油廠；4.中國(guó)石油華北油田公司友信勘探開發(fā)服務(wù)有限公司；5.中國(guó)石油華北油田公司工程技術(shù)研究院）

0 引言

目前，我國(guó)大部分陸上油田的綜合含水率已達(dá)到90%以上，油井產(chǎn)油量不斷降低。為了調(diào)整注水剖面、提高驅(qū)油效率，近年來，很多油田采取了一定規(guī)模的化學(xué)驅(qū)油手段來增產(chǎn)增效，其中聚合物驅(qū)油（簡(jiǎn)稱聚驅(qū)）取得了一定效果。但是，隨著聚驅(qū)原油從地層中開采出來，采出液性質(zhì)發(fā)生了復(fù)雜變化，造成了外輸原油含水率及回注采出水中的油含量均達(dá)不到要求，給地面集輸處理增加了難度。

目前，提高含聚合物原油（簡(jiǎn)稱含聚原油）脫水效果最有效的方法，一是采用化學(xué)藥劑改變采出液的基本性質(zhì)，降低油水分離難度；二是選用高效分離設(shè)備，優(yōu)化設(shè)備內(nèi)部結(jié)構(gòu)，改進(jìn)工藝流程，提高脫水處理能力［1］。根據(jù)某油田聚驅(qū)的實(shí)際情況，在不改變脫水站原有工藝流程的前提下，試驗(yàn)研究適合聚驅(qū)采出液的高效破乳劑體系，以保障原油脫水效果。

1 極限含聚濃度確定

1.1 含聚原油乳狀液電導(dǎo)率測(cè)定

對(duì)該油田脫水站的原油物性參數(shù)進(jìn)行測(cè)定，結(jié)果如下：50 ℃時(shí)密度為0.802 4 g/cm3，50 ℃時(shí)黏度為123.7 mPa·s，凝固點(diǎn)32 ℃，硫含量0.23%，蠟含量15.15%，膠質(zhì)及瀝青質(zhì)含量13.5%，乳化水含量39.2%，屬于高凝固點(diǎn)石蠟基原油。

采用烏式黏度計(jì)測(cè)定調(diào)驅(qū)返排液中聚合物濃度為56～350 mg/L。該脫水站采用兩段熱化學(xué)沉降脫水工藝，其中二段電脫水器工作溫度60 ℃，進(jìn)液含水率17%～25%。

在實(shí)驗(yàn)室配制一系列不同聚合物濃度的原油乳狀液（含水率20%），采用梅特勒-托利多電導(dǎo)率儀在室溫20 ℃下測(cè)定乳狀液電導(dǎo)率，然后根據(jù)電脫水器工作溫度（60 ℃）進(jìn)行溫度補(bǔ)償，補(bǔ)償后的電導(dǎo)率數(shù)據(jù)見圖1。

圖1 原油乳狀液電導(dǎo)率隨聚合物濃度變化曲線

由圖1可以看出，隨著聚合物濃度增大，原油乳狀液電導(dǎo)率也隨之增加。這是由于與水驅(qū)原油相比，含聚原油中存在帶正電荷的水解陽(yáng)離子，同時(shí)還裹挾大量黏土等其他帶電荷離子，導(dǎo)電性增強(qiáng)，導(dǎo)致電導(dǎo)率大大增加。當(dāng)電脫水器實(shí)際電流超過設(shè)計(jì)的安全工作電流強(qiáng)度時(shí)，電脫水器會(huì)發(fā)生跳閘。電脫水器的安全工作電導(dǎo)率計(jì)算公式如下：

式（1）中：kw——安全工作電導(dǎo)率，S/m；I——安全工作電流強(qiáng)度，A；U——外加電壓強(qiáng)度，V；L——極板間距，m；A——極板面積，m2。

該脫水站電脫水器設(shè)計(jì)參數(shù)為：I=200 A，U=30 kV，L=0.6 m，A=20 m2。經(jīng)計(jì)算，安全電導(dǎo)率為20×10-5S/m。因此，只要含聚原油電導(dǎo)率不大于20×10-5S/m，電脫水器可以正常工作。由圖1可知，該脫水站電脫水器極限含聚濃度為300 mg/L。

1.2 含聚原油乳狀液油水界面張力測(cè)定

乳化劑與油水分子進(jìn)行作用，可降低油水界面張力。利用界面張力測(cè)試儀測(cè)定含聚原油的油水界面張力，從而確定含聚原油進(jìn)電脫水器的極限含聚濃度。

試驗(yàn)裝置：界面張力儀、折光儀、微量注射器；試驗(yàn)溫度60 ℃。測(cè)試結(jié)果見圖2所示。

由圖2測(cè)定結(jié)果可以看出，隨著聚合物濃度增大，油水界面張力隨之減小，原油乳狀液穩(wěn)定性不斷增加，當(dāng)聚合物濃度超過300 mg/L以后，界面張力變化不大，原油乳狀液趨于穩(wěn)定，不利于脫水的進(jìn)行。因此，確定電脫水器的進(jìn)液含聚濃度極限值為300 mg/L。當(dāng)進(jìn)液含聚濃度超過300 mg/L時(shí)，需要在前端游離水脫除器進(jìn)行預(yù)處理，以保證電脫水器的正常工作。

圖2 原油乳狀液油水界面張力隨聚合物濃度變化曲線

1.3 脫水效果試驗(yàn)

配制不同聚合物濃度的原油乳狀液（含水率為20%），在60 ℃條件下進(jìn)行脫水試驗(yàn)，以確定不同聚合物濃度下的脫水效果。

脫水時(shí)間分別為15 min、30 min、60 min、90 min；破乳劑為XP-1421，加藥量100 mg/L。原油乳狀液脫水率隨聚合物濃度變化曲線見圖3。

圖3 原油乳狀液脫水率隨聚合物濃度變化曲線

由圖3可以看出，該脫水站原油乳狀液在相同聚合物濃度下，隨著脫水時(shí)間的延長(zhǎng)，脫水率逐漸增加；當(dāng)脫水時(shí)間一定時(shí)，隨著聚合物濃度的增加，脫水率逐漸下降；當(dāng)聚合物濃度大于300 mg/L時(shí)，脫水效果急劇變差，90 min的脫水率小于20%。

2 藥劑篩選試驗(yàn)

通過對(duì)含聚原油電導(dǎo)率、油水界面張力及脫水率等的試驗(yàn)可知，隨著聚合物濃度增加，乳狀液脫水效果變差。因此，為了保證電脫水器的正常工作，電脫水器的進(jìn)液含聚濃度極限值確定為300 mg/L。下面針對(duì)這一濃度進(jìn)行破乳劑和絮凝劑的篩選。

2.1 破乳劑初步篩選試驗(yàn)

破乳劑主要是借助潤(rùn)濕、滲透、乳化、分散、增溶等性質(zhì)達(dá)到對(duì)原油乳狀液破乳脫水的目的，破乳劑在短時(shí)間內(nèi)將乳狀液中的油污洗凈，將含聚原油從“油濕”變成“水濕”的狀態(tài)［2］。

配制聚合物濃度為300 mg/L的原油乳狀液（含水率20%），在60 ℃條件下對(duì)17種破乳劑進(jìn)行初步篩選，篩選出脫水效果較好的破乳劑。脫水時(shí)間分別為15 min、30 min、60 min、90 min；破乳劑加藥量為100 mg/L。試驗(yàn)結(jié)果見表1。

表1 不同破乳劑對(duì)聚合物濃度300 mg/L的原油乳狀液脫水效果

由表1可知，在相同的試驗(yàn)條件和加藥量的前提下，不同類型破乳劑對(duì)聚合物濃度300 mg/L的含聚原油的脫水效果有所不同，其中起始劑為多胺聚醚交聯(lián)型破乳劑XP-1421相對(duì)較好，但是水質(zhì)較混，界面不齊，脫水率在90 min時(shí)也僅為20%。

2.2 破乳劑加藥量試驗(yàn)

配制聚合物濃度為300 mg/L的原油乳狀液（含水率為20%），在60 ℃條件下對(duì)破乳效果最好的破乳劑XP-1421進(jìn)行不同加藥量試驗(yàn)。脫水時(shí)間分別為15 min、30 min、60 min、90 min；加藥量分別為50 mg/L、80 mg/L、100 mg/L、120 mg/L、150 mg/L、200 mg/L、250 mg/L、300 mg/L；破乳劑采用多胺聚醚交聯(lián)型破乳劑XP-1421。試驗(yàn)結(jié)果見圖4。

由圖4可以看出，當(dāng)脫水時(shí)間一定時(shí)，隨著加藥量的增加，原油乳狀液脫水率逐步提高，但藥劑濃度增加到一定程度后脫水效果并不明顯，主要是由于超過最佳投加濃度后，破乳劑的小分子吸附在油水界面之間形成新的界面膜，繼續(xù)包裹游離水使其難以脫出。同時(shí)，加大破乳劑的藥量會(huì)成倍增加藥劑成本，即使在300 mg/L加藥量、脫水時(shí)間90 min條件下，脫水率仍然在70%以下，因此不優(yōu)先選用加大破乳劑濃度的方式來提高原油脫水率。

圖4 不同加藥量下原油乳狀液脫水率試驗(yàn)結(jié)果

2.3 破乳劑復(fù)配試驗(yàn)

不同破乳劑之間存在一定的配伍性和協(xié)同性。復(fù)配的原則通常是選用破乳效果較好或上清液較清亮的藥劑進(jìn)行復(fù)配，這樣不同分子量的破乳劑可以與乳狀液中的蠟、膠質(zhì)、瀝青質(zhì)進(jìn)行結(jié)合，破壞油水之間的界面張力。通過表1篩選出室內(nèi)脫水效果較好的TA1030、D2031、RUN-221、DP9201與XP-1421進(jìn)行復(fù)配脫水試驗(yàn)。

破乳劑復(fù)配方案：TA1030與XP-1421復(fù)配，D2031與XP-1421復(fù)配，RUN-221與XP-1421復(fù)配，DP9201與XP-1421復(fù)配；

破乳劑總加藥量：100 mg/L；

破乳劑復(fù)配比例：1：1，1：2，1：3；

試驗(yàn)溫度：60 ℃。

不同比例復(fù)配破乳劑脫水試驗(yàn)結(jié)果分別見圖5～圖7。

圖5 復(fù)配破乳劑（1：1）脫水試驗(yàn)結(jié)果

圖6 復(fù)配破乳劑（1：2）脫水試驗(yàn)結(jié)果

圖7 復(fù)配破乳劑（1：3）脫水試驗(yàn)結(jié)果

由圖5～圖7可以看出，復(fù)配比例1：1的破乳劑復(fù)配效果最好，其中，破乳劑DP9201與XP-1421按1：1復(fù)配后，其脫水率較單藥破乳劑分別提高了約20%和30%，說明多元醇類的破乳劑可以改善破乳效果。但是，在脫水時(shí)間90 min的條件下，破乳劑DP9201與XP-1421（復(fù)配比例1：1）脫水率仍然只有42.7%，脫水率提高的空間不大，沒有達(dá)到80%以上，油水界面性質(zhì)差。

2.4 破乳劑和絮凝劑復(fù)配篩選試驗(yàn)

由于破乳劑之間的復(fù)配協(xié)同效果存在一定局限性，有時(shí)并不能有效改善含聚原油油水界面張力，破壞乳狀液的雙電層。試驗(yàn)中也發(fā)現(xiàn)試樣溶液產(chǎn)生沉淀或絮狀懸浮，分析其原因主要是由于與地層水之間的某些物質(zhì)存在不配伍的現(xiàn)象。

為了進(jìn)一步提高破乳脫水效果，通過添加絮凝劑作為凈水劑，在一定溫度條件下使絮凝劑與復(fù)配的破乳劑配方發(fā)生絡(luò)合反應(yīng)，達(dá)到改善破乳體系的目的。

部分絮凝劑具有投量小、絮體大、分離速度快等優(yōu)點(diǎn)，一方面在原油乳狀液中不受強(qiáng)電解質(zhì)和無機(jī)鹽類的影響，絮凝相容性好，當(dāng)發(fā)生凝結(jié)作用時(shí)，可破壞界面膜的結(jié)構(gòu)和雙電層，使粒子失去穩(wěn)定作用或發(fā)生電性中和，從而達(dá)到破壞乳狀液穩(wěn)定性的效果［3-4］；另一方面可促進(jìn)連續(xù)相黏度降低，使C-C鏈發(fā)生斷鏈降解反應(yīng)，聚合物的增黏作用消失，分散相逐漸聚結(jié)，達(dá)到脫水的目的。選取高分子絮凝劑聚合氯化鋁、聚合氯化鐵、聚合硅酸鋁、聚丙烯酰胺等4種絮凝劑作為乳狀液的凈水劑，用以改善油水界面狀況，提高脫水效率。

原油乳狀液：聚合物濃度300 mg/L，含水率20%；

破乳劑：復(fù)配破乳劑DP9201與XP-1421；

破乳劑復(fù)配比例：1：1；

破乳劑加藥量：100 mg/L；

絮凝劑加藥量：10 mg/L；

試驗(yàn)溫度：60 ℃。

破乳劑與絮凝劑復(fù)配脫水效果篩選的試驗(yàn)結(jié)果詳見表2。

表2 破乳劑與絮凝劑復(fù)配脫水效果篩選試驗(yàn)結(jié)果

由表2可以看出，復(fù)配破乳劑配方DP9201與XP-1421分別和絮凝劑聚合氯化鋁、聚合氯化鐵、聚合硅酸鋁、聚丙烯酰胺進(jìn)行復(fù)配后，與單獨(dú)使用破乳劑相比，脫水率明顯提高，油水界面狀況明顯改善，其中聚合氯化鋁的復(fù)配效果最好，90 min條件下脫水率為77%。

2.5 絮凝劑加藥量試驗(yàn)

選取絮凝劑聚合氯化鋁作為乳狀液的水質(zhì)處理劑，進(jìn)行不同加藥量試驗(yàn)，選擇脫出水水質(zhì)界面狀況和脫水率均較好的加藥量。

原油乳狀液：聚合物濃度為300 mg/L，含水率為20%；

破乳劑：復(fù)配破乳劑DP9201與XP-1421；

破乳劑復(fù)配比例：1：1；

破乳劑加藥量：100 mg/L；

絮凝劑加藥量：5 mg/L、10 mg/L、20 mg/L、50 mg/L、80 mg/L；

試驗(yàn)溫度：60 ℃。

絮凝劑加藥量試驗(yàn)結(jié)果見表3所示。

表3 絮凝劑加藥量試驗(yàn)結(jié)果

由表3可以看出，破乳劑DP9201與XP-1421和絮凝劑聚合氯化鋁進(jìn)行不同加藥量復(fù)配后，與單獨(dú)使用破乳劑相比，脫水率顯著提高，界面狀況大大改善，絮凝劑加藥量為20 mg/L和50 mg/L時(shí)脫水效果相當(dāng)，均可達(dá)到80%以上?？紤]性價(jià)比，聚合氯化鋁濃度確定為20 mg/L。

因此，含聚原油乳狀液脫水效果和水質(zhì)較好的破乳體系最佳配方為破乳劑DP9201與XP-1421（復(fù)配比例1：1，加藥量100 mg/L）及絮凝劑聚合氯化鋁（加藥量20 mg/L）。

3 配方適應(yīng)性

采用上述配方體系對(duì)該區(qū)塊其他2座脫水站的含聚原油乳狀液進(jìn)行了處理，用來考察配方的適用性，處理效果詳見表4。由表4可知，2座脫水站90 min后的脫水率均達(dá)到了85%以上，表明此配方適用于該區(qū)塊的不同含聚原油乳狀液的脫水處理。

表4 破乳劑配方對(duì)其他脫水站的處理結(jié)果

4 結(jié)論

通過室內(nèi)脫水試驗(yàn)研究，確定了針對(duì)含聚原油乳狀液脫水率較高、油水界面效果較好的破乳劑復(fù)配比例、絮凝劑配方及最佳加藥量。

目前只針對(duì)聚合物濃度300 mg/L以下的含聚原油進(jìn)行了試驗(yàn)。由于不同區(qū)塊的原油物性有所不同，破乳劑體系的推廣具有一定局限性。但試驗(yàn)方法具有一定的普遍適用性，對(duì)于其他油氣站場(chǎng)的含聚原油脫水可以起到借鑒作用。