特超稠油SAGD采出液反相分離工藝參數(shù)研究*

戚亞明

中國石油（新疆）石油工程設計有限公司

稠油資源潛力巨大，約占全球剩余石油資源的2/3以上[1]，地質儲量約為8 150×108t，其中特超稠油占比約36%。蒸汽輔助重力泄油（SAGD）是開發(fā)特超稠油的有效手段之一[2-5]。傳統(tǒng)的SAGD 采出液摻稀處理工藝不僅對稀釋劑的依賴性強，而且工程建設難度大。SAGD采出液反相分離技術利用原油和采出水隨著溫度的變化而密度變化速率不同的特點，將采出液加熱到一定溫度時可以獲得油水分離需要的密度差，從而實現(xiàn)油水分離。該工藝為SAGD采出液處理提供了新的思路[6-7]。

針對國外某特超稠油油田SAGD采出液，利用研發(fā)的高溫高壓稠油密度實驗測定平臺測定不同溫度下的油水密度，根據(jù)采出液的特性篩選出預處理劑并研制了耐高溫破乳劑，開展反相分離脫水實驗，通過實驗確定了反相分離技術的主要參數(shù)，為相關工程的建設提供保障。

1 基礎參數(shù)

1.1 SAGD開發(fā)主要參數(shù)

國外某特超稠油油田SAGD開發(fā)主要生產(chǎn)參數(shù)見表1。

表1 國外某特超稠油油田SAGD開發(fā)主要生產(chǎn)參數(shù)Tab.1 Main production parameters of SAGD development in an abroad extra-heavy oilfield

1.2 采出液物性

對國外某特超稠油油田SAGD采出液物性進行檢測，其采出液物性結果見表2和表3。

表2 國外某特超稠油油田原油物性Tab.2 Crude oil physical properties of an abroad extra-heavy oilfield

表3 國外某油田特超稠油采出水物性Tab.3 Produced water physical properties of an abroad extra-heavy oilfield mg/L

從表2 可以看出，該原油具有高凝、低含硫、高含膠質及瀝青質、黏度高等特點。

從表3可以看出，該采出水Ca2+、Mg2+、SiO2的含量較低，礦化度較低，屬于重碳酸鈉水型。

2 SAGD采出液反相分離溫度

2.1 建立實驗測定平臺

實驗測定平臺主要由密度測量系統(tǒng)、升壓系統(tǒng)、油砂預熱系統(tǒng)、測量主體升溫系統(tǒng)、傳感器系統(tǒng)、儀表數(shù)據(jù)顯示及輸出系統(tǒng)構成（圖1）。

圖1 高溫高壓稠油密度實驗測定平臺示意圖Fig.1 Schematic diagram of high temperature and high pressure heavy oil density test platform

密度測量系統(tǒng)通過振動原理測量流體密度。由于本項目中測量樣品為黏度較大的超稠流體，所以系統(tǒng)主體采用旗式安裝方式，流體方向自下而上。由于密度測量系統(tǒng)精度要求高，所以需固定并安裝支架作穩(wěn)固支撐。為避免高溫操作條件下測量過程中的熱損失，整個系統(tǒng)外加保溫夾套以保證最小程度的熱損失及保持溫度穩(wěn)定。

由于要保證油品在高溫條件下不發(fā)生相變，測量系統(tǒng)需在高壓條件下運行。升壓系統(tǒng)由增壓泵與高壓活塞容器組成，該系統(tǒng)可按實驗需求提升測量系統(tǒng)的壓力。

由于此密度測量系統(tǒng)對應測量體系為超稠油，油品黏度較大，進樣有一定難度，因此需設預熱系統(tǒng)對進樣進行預熱，加強稠油的流動性，以保證進樣順利。升溫系統(tǒng)內置于測量主體內部，可控溫度范圍為室溫～220 ℃。傳感器系統(tǒng)包括溫度傳感器和壓力傳感器，在線監(jiān)控測量系統(tǒng)及各子系統(tǒng)中溫度和壓力數(shù)據(jù)。儀表數(shù)據(jù)顯示及輸出系統(tǒng)實時在線輸出溫度及密度數(shù)據(jù)。

裝置的主要參數(shù)為：密度測量范圍:0～2 g/cm3；密度測量準確度：1×10-3g/cm3；控溫范圍：常溫～220 ℃；壓力范圍：0～10 MPa。

該平臺操作時，先將稠油原樣引進高壓活塞容器中，啟動預熱系統(tǒng)，將油樣預熱至50 ℃～60 ℃以保證油的流動性。然后將稠油引進密度測量系統(tǒng)當中，用升壓系統(tǒng)將測量壓力升至4 MPa，保證油樣在高溫下不發(fā)生相變。最后，通過測量主體的升溫系統(tǒng)，根據(jù)確定的溫度去測量在不同溫度下稠油樣品的密度值。

2.2 測定油水密度

對SAGD采出液在不同溫度下的密度進行實驗測量，測量溫度范圍為60 ℃～220 ℃，間隔10 ℃為一個測量點。為保證油品在高溫條件下不揮發(fā)，測量壓力保持在4 MPa。檢測結果見表4。

表4 不同溫度下SAGD采出液油水密度Tab.4 Oil/water density of SAGD produced fluid at different temperatures

不同溫度下SAGD采出液油水密度如圖2所示。

從圖2 可以看出，該采出液在80 ℃左右即出現(xiàn)油水密度反相現(xiàn)象。隨著溫度的升高，油水密度差變大，當溫度達到190 ℃時，油水密度差達到最大0.074 2 g/cm3；隨后隨著溫度的升高，油水密度差逐漸減小，當溫度達到220 ℃時，油水密度再次出現(xiàn)反相。根據(jù)密溫檢測結果，反相分離溫度推薦在150 ℃～190 ℃。

圖2 不同溫度下SAGD采出液油水密度Fig.2 Oil/water density of SAGD produced fluid at different temperatures

3 反相分離主要參數(shù)

根據(jù)前期的實驗，特超稠油SAGD采出液處理需加入預處理劑。預處理劑可迅速分散到乳液顆粒油水界面上，降低油水界面的活性，使乳狀液外相的水脫離乳液顆粒，同時部分泥沙、黏土也被脫離的水帶走，使SAGD采出液由水外相的復雜多重乳狀轉為W/O 和O/W 的單一乳狀液。在W/O 乳狀液中加入耐高溫破乳劑進行破乳劑脫水，脫出W/O乳狀液中的乳化水，使油相達到含水指標要求。SAGD采出液的顯微圖像見圖3。

圖3 SAGD采出液顯微圖像Fig.3 Microscopic image of SAGD produced fluid

設計脫水試驗的操作步驟如下：

（1）取預熱后的SAGD采出液，倒入高溫密閉可視試驗容器中，依次加入定量試驗藥劑，保持所有閥門關閉。

（2）打開高溫密閉可視容器頂部閥門，充入約2.5 MPa 氮氣，充氣后關閉頂部閥門確保容器氣密性良好。

（3）將高溫密閉可視容器放置在烘箱中恒溫至試驗溫度后取出，快速水平搖晃容器，使藥劑充分與采出液混合，放回恒溫烘箱至達到沉降要求的時間。

（4）將容器上、下閥門與高溫密閉取樣器進口連接，依次打開高溫密閉可視容器上部閥門、密閉取樣器進液閥門，操作密閉取樣器搖柄，使用高溫密閉取樣器取高溫密閉可視容器上部水樣，取樣后關閉相應閥門。對取出樣品進行降溫后，測定水樣中的含油量。

（5）依次打開高溫密閉可視容器下部閥門、密閉取樣器進液閥門，操作密閉取樣器搖柄，使用高溫密閉取樣器取高溫密閉可視容器下部油樣，取樣后關閉相應閥門。對取出樣品進行降溫后，測定水樣中的含油。

3.1 反相分離預處理劑研究

3.1.1 預處理劑篩選試驗

預處理劑主要為胺類、醇類嵌段聚醚及其改性嵌段聚醚，同一類型預處理劑包含不同分子量的樣品[8-9]，通過預處理劑篩選評價試驗來選擇適合的預處理劑類型，試驗結果見表5。

從表5可以看出，預處理劑SX-2、SX-4、SX-5、SX-6、SX-9、SX-11 對SAGD 采出液油水分離效果好，分離后水色清，界面齊。

表5 預處理劑篩選評價試驗結果Tab.5 Screening and evaluation test results of pretreatment agent

3.1.2 預處理劑復篩試驗

用上一步試驗中篩選出的效果較好的預處理劑，降低加藥濃度，即以更嚴苛的試驗條件進行進一步篩選，結果見表6。

表6 預處理劑復篩評價試驗結果Tab.6 Secondary screening and evaluation test results of pretreatment agent

由表6 可以看出，預處理劑SX-11 對油砂SAGD采出液油水分離速度快，分離后水色清，油水界面齊整，故選用SX-11為該SAGD采出液的預處理劑，進行下一步耐溫破乳劑研究試驗。

3.2 耐高溫破乳劑研究

3.2.1 破乳劑合成思路

（1）設計多元稠環(huán)酚胺樹脂作為破乳劑親油頭，這種結構與膠質、瀝青質的結構非常相似，使破乳劑在原油乳液中具有良好的潤濕和滲透能力，可極大地提高破乳劑分子在原油乳液中向界面的擴散速度和擴散程度，從而在性能上表現(xiàn)出快速破乳的特點。

（2）引入耐溫基團或合成非聚醚型破乳劑。SAGD 采出液的破乳溫度高達180 ℃，一般聚醚型破乳劑在這樣高的溫度下已失去活性，很難滿足高溫破乳的要求。在破乳劑分子結構中，引入耐溫基團以提高破乳劑的耐溫性能。

（3）針對SAGD采出液的復雜多樣性，選擇油包水型乳液破乳劑和水包油型乳液破乳劑進行復配，研究復配時不同類型破乳劑之間的協(xié)同和制約作用，篩選出最佳破乳劑。

（4）復配瀝青質分散劑。瀝青分散劑對膠質和瀝青質具有分散作用，因此對原油乳狀液的破乳起到積極作用。

（5）考慮到泥沙對采出液的穩(wěn)定作用，合成一種具有洗泥沙作用的表面活性劑，使泥沙脫離油水界面，提高油水分離效果。

根據(jù)起始劑與環(huán)氧乙烷比例不同以及引入的耐溫基團、瀝青分散劑和功能性破乳劑的不同合成NW-1～NW-10共10種破乳劑。

3.2.2 耐溫破乳劑配方確定及效果評價試驗

在SAGD采出液中加入相同加藥量的預處理劑SX-11，再分別加入研發(fā)的耐溫破乳劑樣品，記錄不同時間的脫水率。試驗結果見表7。

表7 耐溫破乳劑篩選評價試驗結果Tab.7 Screening and evaluation test results of temperature resistant demulsifier

由表7 可知，耐溫破乳劑NW-5、NW-6、NW-8、NW-10在脫水速度或脫水深度方面表現(xiàn)出較好的性能，故對這4 種破乳劑配方進行優(yōu)化完善，進一步提高破乳劑的脫水效果。

3.2.3 耐溫破乳劑復配優(yōu)化試驗

實踐表明，多個組分破乳劑復配之后會產(chǎn)生協(xié)同效應[10]。對選出的破乳劑進行復配優(yōu)化，復配合成5 種復合型破乳劑，對合成的5 種新破乳劑再一次進行脫水評價試驗，試驗結果見表8。

表8 復配耐溫破乳劑評價試驗結果Tab.8 Evaluation test results of compound temperature resistant demulsifier

由表8 中的試驗結果可以看出，耐溫破乳劑NWF-2脫水效果最佳，故選用NWF-2的配方為最終的破乳劑配方。

3.3 油水分離試驗

為了找出耐溫破乳劑的最佳溫度、加藥濃度、脫水時間等條件，對SAGD 采出液進行不同加藥量、不同脫水時間試驗，結果見表9。

由表9的結果可以看出，隨著溫度升高、加藥量的增加及脫水時間的增加，脫水率、污水含油率均呈下降趨勢，結合后端處理參數(shù)要求、投資及運行成本，推薦采用處理溫度180 ℃、預處理劑加藥量60 mg/L、破乳劑加藥量200 mg/L、處理時間1 h。

表9 不同條件下SAGD采出液油水分離試驗Tab.9 Oil-water separation test of SAGD production fluid under different conditions

3.4 確定油水分離參數(shù)

根據(jù)流程設置，反相分離段分出的低含水采出液進入閃蒸分離段進行進一步脫水。根據(jù)油水分離實驗推薦的結果，反相分離溫度180 ℃對應飽和蒸汽壓力約為1.03 MPa，為防止處理過程中閃蒸汽的影響，將該段壓力設置在1.5 MPa，利用Hysys軟件對減壓閃蒸進行模擬，模擬的結果見表10。

根據(jù)表10 的模擬結果，結合油水分離試驗推薦結果，在滿足凈化油交油指標含水率達到0.5%的條件下，反相分離的主要設計參數(shù)確定為：反相分離操作溫度：180 ℃；反相分離操作壓力：1.5 MPa；反相分離段設計時間：1 h；預處理劑加藥量：60 mg/L；破乳劑加藥量：200 mg/L。

表10 減壓閃蒸模擬結果Tab.10 Vacuum flash simulation result

4 結論

（1）通過研發(fā)的高溫高壓特超稠油采出液密度實驗測定平臺，測得了特超稠油SAGD采出液油水在高溫條件下的實際密度，驗證了油水反相現(xiàn)象，初步確定反相分離溫度應在150～190 ℃。

（2）通過實驗篩選出SX-11 為SAGD 采出液的預處理劑，結合實驗原油的物性研制了10 種耐高溫破乳劑。通過實驗優(yōu)選并復配出5種復合型破乳劑，經(jīng)進一步實驗確定效果最好的NWF-2 為最優(yōu)破乳劑。

（3）結合采出液密溫測驗及預處理劑、破乳劑實驗結果，利用軟件對閃蒸脫水進行模擬，結果表明能夠滿足交油指標的要求，確定了反相分離的主要參數(shù)。