乍得某新建油氣處理廠破乳劑的篩選評價與應用

苑塔亮

(中國石油集團長城鉆探工程有限公司鉆井液公司，北京 100101）

在原油開采過程中，油、氣、水三相混合物在從井底沿井筒油管舉升到井口的過程中，經過油嘴的節(jié)流以及集油管線、閥件、離心式油泵等的強烈攪拌，水滴會充分破碎成極小的顆粒，并被原油中存在的環(huán)烷酸、膠質、瀝青質、石蠟、黏土和砂粒等天然乳化劑所穩(wěn)定，均勻分散在原油中，形成穩(wěn)定的油包水型或水包油型乳化液。乳化劑聚結在內相顆粒界面，形成了比較牢固的界面保護膜[1]。在原油中加入適量的原油破乳劑，能夠頂替原油中的天然乳化劑并吸附在油水界面膜上，從而降低油水界面膜的機械強度、張力、界面膜的彈性與厚度，破壞原油乳狀液的穩(wěn)定性，使油水分開，達到油水分離的目的[2]。

目前常用的原油脫水方法有重力沉降分離法、超聲波法、電脈沖脫水法、微波輻射法、微生物法和熱化學脫水、電化學脫水等，此外還有磁處理、離心力法、過濾法等工藝[3-4]。油田的原油脫水工藝往往是幾種脫水方法聯合使用。為提高原油脫水效率，一般需要加入原油破乳劑。不同油田的原油性質不同，原油的乳化程度也不同，因此要通過實驗室和現場工業(yè)化實驗，篩選出使用性能最好、經濟性能最佳的破乳劑[5-8]。

1 乍得某油田概況

乍得某新建采油廠商品原油產能達到300萬t·a-1，其D-CPF處理站的原油來自3個區(qū)塊油田。進站原油依次進入二相分離器、三相分離器、加熱爐、電脫水器和儲罐，從三相分離器、電脫水器分離出的含油污水匯合后進入撇油罐、氣浮器進行處理，合格污水進入回注水罐。D-CPF站的破乳劑設計用量為30～50mg·L-1。電脫水器出口原油的含水率原則上要求小于0.5% (v/v)，原油大罐的含水率必須低于0.5%[9]。

2019年，D-CPF處理站正式投產后，電脫水器出口原油的含水率時常大于0.5%，即使經原油儲罐再次沉降脫水，仍會出現出廠原油含水率大于0.5%的情況。為確保原油脫水裝置的生產穩(wěn)定，提高出廠原油的合格率，該油田開展了破乳劑的篩選評價和中試實驗。

2 破乳劑的實驗室篩選及評價

2.1 實驗儀器

HHW-600型三用恒溫水浴槽（控溫精度±1℃），電子天平（分度值0.01g），刻度錐底比色管（100mL，分度1mL），SYD-260型石油產品水分測定儀（雙聯），JJ-1型低速攪拌器（100W）等。

2.2 原油的性質分析與破乳劑選型

乍得某新建采油廠混合原油的含水率為8%左右。用潤濕法測得原油乳狀液為油包水型（W/O)，據此選用了油溶性破乳劑，因為油溶性破乳劑在油中易均勻溶解，迅速擴散，能較快地接觸到油水界面，較好地發(fā)揮破乳作用。

混合原油的相對密度為0.845g·cm-3，蠟、瀝青質和膠質含量分別為18.7%、5.88%和9.82%，原油凝點32℃，屬于高含蠟原油。石蠟基原油乳狀液的穩(wěn)定劑主要是微晶石蠟，其界面膜強度差，易于破乳，一般會選用SP型或AP型多嵌段結構的破乳劑[10]，因為此類破乳劑的相對分子質量大，在破乳的同時還可以發(fā)揮絮凝、聚結作用，減少污水帶油。因此用于篩選實驗的破乳劑，選用以環(huán)氧乙烷環(huán)氧丙烷嵌段共聚物為主體的聚醚型非離子表面活性劑。

2.3 實驗標準和方法

采用SY/T 5280-2018《原油破乳劑通用技術條件》中規(guī)定的瓶試法進行實驗[11]。根據三相分離器和電脫水器的工作溫度，選擇實驗溫度分別為56℃和65℃，脫水時間為120min。

實驗步驟：1）將D、L、R油田的原油按日產量比例（1.0∶1.17∶1.28）混合、攪拌均勻后，使用恒溫水浴加熱到實驗溫度；2）將原油乳狀液倒入100mL錐底刻度比色管中；3）往比色管中加入一定量用二甲苯稀釋到1%濃度的破乳劑樣品，蓋緊塞子，手動軸向震蕩200次；4）將比色管放入水浴中靜置沉降，開始計時，記錄不同時間的脫水量、油水界面和水質情況。

破乳劑篩選實驗中的加劑量均以油量計算。如加劑量為100mg·L-1，即 1L純原油中加100mg破乳劑。通常認為，脫水率越高、脫水速度越快、油水界面越齊、脫出水的含油量越低的破乳劑，其性能更好[12-13]。

2.4 實驗室的篩選數據及分析

在實驗溫度56℃、破乳劑添加量100mg·L-1的條件下，對50余種破乳劑樣品進行了初步篩選（數據表略），選出了破乳劑GPF-1001、GPF1002、GPF-1003、GPF-1006和GPF-1007，它們均對D-CPF站的原油具有一定的脫水效果。考察了溫度分別為56℃、65℃，加劑量分別為60mg·L-1、100mg·L-1的條件下，5個破乳劑的脫水效果，實驗結果見表1、表2。

表1 56℃下不同添加濃度的破乳劑的效果評價Table 1 Effect evaluation of demulsifier with different concentration at 56℃

表2 65℃下不同添加濃度的破乳劑效果評價Table 2 Effect evaluation of demulsifier with different concentration at 65℃

上述5個破乳劑樣品對D-CPF處理站的混合原油均具有明顯的脫水效果，其中GPF-1006的脫水速度、脫水率等指標優(yōu)于其它樣品，GPF-1007和GPF-1003在相同實驗條件下的脫水速度和脫水率，優(yōu)于現場使用的破乳劑樣品。在實驗溫度56℃、添加量100mg·L-1的條件下，破乳劑GPF-1006在120min時的脫水率達到91%，遠高于現場樣品20%的脫水率。

2.5 實驗室的篩選結果

從破乳劑的實驗室篩選數據可知，破乳劑GPF-1006的脫水效果最好，GPF-1007和GPF-1003對D-CPF站的原油也具有較好的破乳脫水能力。

本次篩選實驗使用的破乳劑樣品，均是高濃度的干劑樣品，油田現場使用的工業(yè)品，還需要添加溶劑、助溶劑等進行復配。因此，實驗室選出的破乳劑能否滿足生產工藝要求，工業(yè)化產品與樣品是否具有一致性[14-16]，工業(yè)化產品是否具備破乳脫水的穩(wěn)定性等，還需要通過破乳劑的工業(yè)化實驗來驗證。經綜合評價后，選擇破乳劑GPF-1006和GPF-1007進行現場中試實驗。

3 破乳劑的現場中試實驗

3.1 中試實驗流程和評定方法

在D-CPF站的三相分離器（工作溫度56℃）入口管線的加藥點加入破乳劑，經靜態(tài)混合器混合后，破乳劑與原油進行了激烈的攪拌混合。破乳劑向油水界面擴散，吸附在油水界面上或部分置換界面中的天然乳化劑，與原油中的成膜物質形成了比原界面膜強度更低的混合膜，原界面膜被破壞，膜內包覆的水被釋放出來，水滴互相聚結后形成了大水滴[17]。已經部分破乳的原油進入三相分離器后，在重力和離心力的作用下，原油中的大部分氣體在氣液分離系統(tǒng)被分離。接著，油水混合液經過配流管，被有序轉移至油水分離區(qū)，通過油水分離內件和重力作用實現聚結和分離，脫除原油中剩余的水和污水中的浮油后，實現油水的清晰分層[18]。

由于沉降分離時間短，從三相分離器油出口出來的原油中還含有部分來不及沉降分離的水分。為加速乳狀液的破乳和油水分離，用加熱爐將原油加熱到65℃再送入電脫水器。將原油乳狀液置于高壓直流或交流電場中，電場對水滴的作用削弱了水滴界面膜的強度，促使水滴發(fā)生碰撞，合并成了粒徑較大的水滴，在原油中沉降分離出來。水滴在電場中有3種聚結方式：電泳聚結、偶極聚結和振蕩聚結[19]。經電脫水器處理后的原油被泵入儲罐，等待外輸。

根據D-CPF站的運行現狀，并參考破乳劑篩選實驗時的添加量，中試實驗中，破乳劑的初始添加量為50mg·L-1，若電脫水器和大罐外輸原油的含水率均低于0.5%，運行24～48h后，下調破乳劑的添加量，每次下調10mg·L-1，最低添加量為20mg·L-1。

實驗期間，每日上、下午，在電脫水器A、B、C的原油出口管線上抽取原油樣品，大罐外輸原油管線出口每日取樣1次，采用蒸餾法[20]測量電脫水器和大罐外輸原油的含水率。

3.2 中試實驗數據及分析

如表3所示，實驗期內，破乳劑GPF-1006的添加量分別為50、40、30、20mg·L-1時，電脫水器A、B、C出口的原油以及大罐外輸原油，其含水率均低于0.5%，外輸原油的含水率甚至低至0。

表3 破乳劑GPF-1006的中試實驗數據Table 3 Results of field trail of demulsifier GPF-1006

如表4所示，實驗期內，破乳劑GPF-1007的添加量分別為50、40、20mg·L-1時，電脫水器A、B、C出口的個別原油樣品（3次）的含水率大于0.5%，其余樣品的原油含水率均小于0.5%，大罐外輸原油的含水率均低于0.5%。

表4 破乳劑GPF-1007的中試實驗數據表Table 4 Results of field trail of demulsifier GPF-1007

第一次出現電脫水器出口原油的含水率大于0.5%的情況，是在更換破乳劑GPF-1007初期；第二次是當天有外圍油田的原油進入生產系統(tǒng)，導致原油性質發(fā)生了變化，經過短時波動后，電脫水器出口原油的含水率迅速降低到0.5%以下，說明破乳劑GPF-1007的適應能力很強。

3.3 中試實驗結論

中試實驗數據說明，添加量在20～50mg·L-1范圍內，使用破乳劑GPF-1006和GPF-1007，D-CPF站生產裝置的操作平穩(wěn)，外輸原油的含水率低于0.5%，合格率為 100%。2種破乳劑均能滿足D-CPF站原油破乳脫水的生產要求。中試實驗期間，2種破乳劑的最低添加量為20mg·L-1，低于D-CPF站破乳劑的設計用量（30～50mg·L-1），均能滿足D-CPF站的生產要求。

4 現場原有破乳劑效果不佳的原因分析

經現場調研，新建采油廠在設計、施工時因時間較緊，沒有進行破乳劑的選型實驗，而是直接選用了老采油廠的原油物性參數和破乳劑作為設計基礎。老采油廠的R-CPF站的混合原油含水率大于30%，相對密度為0.864g·cm-3，蠟、瀝青質和膠質含量分別為19.5%、6.91%和3.26%，原油凝點為33℃，雖然主要組分的含量相似，但原油物性仍有一定的差距，導致破乳劑與原油不匹配。此外，現場在用的破乳劑為水溶性破乳劑，與油包水型原油乳狀液也存在不匹配的問題，破乳劑在原油中不易溶解和擴散，無法快速地接觸到油水界面，因而不能有效發(fā)揮破乳脫水作用。

中試實驗使用的破乳劑GPF-1006和GPF-1007，均為以環(huán)氧乙烷環(huán)氧丙烷嵌段共聚物為主體的聚醚型非離子表面活性劑。這類聚醚具有較高的界面活性，吸附到油水界面上，可取代原油中的乳化劑，所形成的界面膜的穩(wěn)定性較小，可降低界面膜的強度，加速分散相中液滴的聚結[21]。

5 結論

1）采用瓶試法，通過實驗室篩選出的破乳劑GPF-1006、 GPF-1007和GPF-1003，對D-CPF站的原油具有一定的破乳脫水能力，效果優(yōu)于現場在用破乳劑。

2）中試實驗期間，在添加量20～50mg·L-1范圍內，使用破乳劑GPF-1006和GPF-1007，D-CPF站生產裝置的操作平穩(wěn)，外輸原油的含水率低于0.5%，合格率達100%。中試實驗中，破乳劑的最低添加量為20mg·L-1，低于D-CPF站破乳劑的設計用量（30～50mg·L-1），滿足D-CPF站的生產要求。

3）破乳劑GPF-1006和GPF-1007的中試實驗效果與實驗室的篩選結果相符，規(guī)?；a的工業(yè)品與樣品的破乳脫水性能相符。破乳劑GPF-1006的破乳脫水能力更強一些，性能也更穩(wěn)定，說明實驗室的篩選方法合理，實驗數據準確。

4）在油氣田的生產過程中，從油田開發(fā)初期、中期到末期，原油含水率逐漸上升，加之各種提高采收率措施的應用，使得原油性質發(fā)生了變化，對破乳劑的性能也提出了更高的要求，因此要根據油田生產工藝的變化，及時進行破乳劑的性能評價，從而提高油田的生產效率。