原油起泡影響因素

趙瑞玉 馮文金 韓梅 李亞茹 張倩 郭愛軍 劉晨光

摘要：采用降壓法研究原油的性質(zhì)、溫度、原油含水量、溶解氣體的類型對(duì)原油起泡性及其穩(wěn)定性的影響。結(jié)果表明：原油中的膠質(zhì)瀝青質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)越高、黏度越大，其泡沫的穩(wěn)定性越大，消泡速率越??；原油的泡沫體積隨溫度升高呈先升后降趨勢(shì)，消泡速率隨溫度提高而增大；模擬氣、CO₂和N₂具有不同趨勢(shì)的泡沫衰減曲線；氣體在原油中的溶解度越小，泡沫的穩(wěn)定時(shí)間越長(zhǎng)，且原油的黏度越高泡沫出現(xiàn)峰值的時(shí)間越晚，峰值維持時(shí)間越長(zhǎng)。

關(guān)鍵詞：原油泡沫； 原油組成； 泡沫穩(wěn)定性

中圖分類號(hào)：TE 868 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

引用格式：趙瑞玉，馮文金，韓梅，等.原油起泡影響因素［J］.中國石油大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2023，47（1）：164-170.

ZHAO Ruiyu， FENG Wenjin， HAN Mei， et al. Factors affecting foaming of crude oil［J］.Journal of China University of Petroleum（Edition of Natural Science），2023，47（1）：164-170.

Factors affecting foaming of crude oil

ZHAO Ruiyu¹， FENG Wenjin¹， HAN Mei²， LI Yaru³， ZHANG Qian¹， GUO Aijun¹， LIU Chenguang¹

（1.State Key Laboratory of Heavy Oil Processing（School of Chemistry and Chemical Engineering in China University

of Petroleum（East China））， Qingdao 266580，China；

2.SINOPEC Shengli Oilfield Linpan Oil Production Plant Technology Institute， Dongying 251507， China;

3.Lanzhou Lubricating Oil Research and Development Center CNPC， Lanzhou 730060， China）

Abstract：The effects of the properties of crude oil， temperature， water content， and type of dissolved gas on the foaming properties and stability of crude oil were studied. The results show that the higher the resins and asphaltenes content and viscosity of the crude oil， the greater the stability of the foam and the smaller the defoaming rate. The volume of crude oil foam rises first and then decreases with the rise of temperature， while the defoaming rate increases with the increase of temperature. The foam decay curves of simulated gas， CO₂and N₂present different trends. The smaller the solubility of the gas in crude oil， the longer the foam stability time. And the higher the viscosity of crude oil， the later the foam peak time and the longer the peak time.

Keywords： crude oil foam; crude oil composition; foam stability

油井采出的原油中溶解有伴生氣或氣驅(qū)用氣， 在三相分離器中由于溫度、壓力變化與擾動(dòng)等影響， 氣體會(huì)從采出液中逸出，對(duì)于發(fā)泡性強(qiáng)的原油，會(huì)在三相分離器內(nèi)形成穩(wěn)定的泡沫層，并占據(jù)分離器內(nèi)大量空間，影響液位控制，造成相分離不徹底，如氣中帶油、水中含油增加的現(xiàn)象， 危害下游壓縮機(jī)與氣體處理設(shè)施，嚴(yán)重時(shí)還會(huì)發(fā)生冒罐事故^［1］。在煉廠的延遲焦化工藝中泡沫層現(xiàn)象也會(huì)帶來不利的影響^［2］。在原油起泡性的影響因素中，原油黏度是一個(gè)重要因素，因?yàn)樗c氣泡液膜強(qiáng)度、液膜排液速率、氣體擴(kuò)散直接相關(guān)^［3-8］。原油泡沫是一種典型的非水相泡沫， 屬于熱力學(xué)不穩(wěn)定體系。原油的組成極其復(fù)雜，不同油田或區(qū)塊原油的組成性質(zhì)不同，原油中存在的天然表面活性物質(zhì)如膠質(zhì)、瀝青質(zhì)、環(huán)烷酸等影響泡沫的生成和穩(wěn)定。Claridge等^［9］研究表明瀝青質(zhì)通過在油氣界面的吸附作用保護(hù)氣泡阻止其聚結(jié)。Bauget等^［10］提出單膜試驗(yàn)方法研究瀝青質(zhì)對(duì)油氣界面穩(wěn)定性的影響， 結(jié)果表明瀝青質(zhì)的存在提高了油膜的壽命。膠質(zhì)具有增加瀝青質(zhì)在原油中溶解度的作用^［11］。Peng等^［12］基于單膜試驗(yàn)研究酸性和堿性官能團(tuán)對(duì)油泡沫穩(wěn)定性的影響，發(fā)現(xiàn)具有酸性和堿性官能團(tuán)的瀝青質(zhì)高濃度時(shí)往往會(huì)增加油膜的壽命。原油中溶解氣體的類型、溫度和原油含水量對(duì)原油起泡性的影響尚不完全清楚。筆者采用降壓法研究原油的組成性質(zhì)、溫度、含水、氣體類型對(duì)原油起泡性的影響。

1 試 驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)試劑與儀器

試劑：原油及采出水均取自于勝利油田，原油的組成性質(zhì)見表1；模擬氣（體積分?jǐn)?shù)為甲烷83.16%、乙烷6.28%、丙烷9.56%、正丁烷1.00%）、二氧化碳、氮?dú)猓ㄇ鄭u宇燕特種氣有限公司）。

儀器：超級(jí)恒溫循環(huán)水?。販鼐葹椤?.1 ℃，HH-501，金塔區(qū)白塔新寶儀器廠）；數(shù)顯恒溫水浴鍋（控溫精度±0.1 ℃，HH-S，金壇市醫(yī)療器械）；萬分之一精度天平（BS-210S；北京賽多利斯天平公司）； HT-Ⅱ型自動(dòng)混調(diào)器（無錫市石油儀器設(shè)備廠）。

1.2 試驗(yàn)方法與裝置

（1）含水原油的制備。按照Q/SH0236-2008原油破乳劑技術(shù)要求，將油樣與水樣放入烘箱中40 ℃恒溫1 h后，量取一定比例的油樣與水倒入自動(dòng)混調(diào)器中，調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速自動(dòng)混調(diào)3 min，制得含水乳化原油。

（2）試驗(yàn)采用自制降壓法原油泡沫評(píng)價(jià)裝置，在一定壓力下，充入適量氣體，利用釡體搖擺使油氣充分混合溶解一定時(shí)間后，打開加壓容器單元的開關(guān)，使油氣注入可視恒溫泡沫評(píng)價(jià)單元，并記錄原油泡沫體積隨時(shí)間的變化。

原油泡沫評(píng)價(jià)裝置主要包含供氣、加壓溶氣與泡沫評(píng)價(jià)單元，如圖1所示。

2 結(jié)果分析

2.1 原油組成對(duì)起泡性的影響

原油組成是影響原油起泡性的主要因素?？疾?種組成性質(zhì)不同的原油在40 ℃時(shí)的起消泡情況（發(fā)泡氣體為模擬氣），結(jié)果見圖2（其中消泡速率為泡沫體積與消泡時(shí)間之比）。

圖2表明，原油泡沫體積順序?yàn)?^#>1^#>5^#，這與3種原油的酸值、重組分（膠質(zhì)+瀝青質(zhì)）質(zhì)量分?jǐn)?shù)順序一致，即原油泡沫體積與其酸值、重組分質(zhì)量分?jǐn)?shù)正相關(guān)。泡沫的消泡速率順序?yàn)?^#>5^#>3^#，與原油的黏度及瀝青質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)負(fù)相關(guān)，表明該研究條件下原油黏度越低、瀝青質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)越少，消泡速率越大。原油的酸性組分與瀝青質(zhì)為天然的表活劑，會(huì)吸附于氣泡的氣液界面加強(qiáng)泡沫的穩(wěn)定性^［13］。原油的黏度則與泡沫液膜的排液相關(guān)，黏度越大越不利于排液，泡沫的穩(wěn)定性越高^［14］。3^#原油的泡沫衰減曲線出現(xiàn)峰值，是由于其瀝青質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)較多、黏度較大，溶氣原油降壓后在氣體析出過程中，瀝青質(zhì)起到穩(wěn)泡作用，析氣初期使得原油起泡速率大于消泡速率，氣泡體積呈現(xiàn)隨時(shí)間不斷增大至泡沫最高點(diǎn)，而后開始破裂，在峰值處起泡速率等于消泡速率。

2.2 溫度對(duì)原油起泡的影響

選擇起泡性強(qiáng)的3^#原油作為研究對(duì)象，以甲烷模擬氣為溶解氣進(jìn)行35、40、45和50 ℃的起泡性試驗(yàn)，結(jié)果見圖3。

由圖3看出，溫度升高原油的泡沫體積呈先升高后降低的趨勢(shì)。消泡速率隨溫度升高而提高。泡沫體積35 ℃時(shí)在析氣最初的3 min內(nèi)有一平臺(tái)期，40 ℃時(shí)出現(xiàn)峰值，這是由于35 ℃下原油的黏度較大，泡沫液膜排液較慢，泡沫穩(wěn)定性高，泡沫可維持較長(zhǎng)時(shí)間不破裂，40 ℃時(shí)原油的黏度較35 ℃下降，析氣初期泡沫體積增大直到最高值后開始破裂，45 ℃與50 ℃時(shí)原油的黏度進(jìn)一步降低，液膜的排液速率進(jìn)一步提高，泡沫的穩(wěn)定性降低，故泡沫不斷破裂，泡沫體積不斷降低。張琦等^［15］認(rèn)為瀝青質(zhì)在臨界溫度或有一定聚集度時(shí)表面活性才最大。溫度較低時(shí)瀝青質(zhì)溶解度較小其聚集度較大，溫度較高時(shí)則瀝青質(zhì)溶解度較高聚集度又較小，只有在一定溫度或臨界溫度下瀝青質(zhì)才有合適的聚集度，此時(shí)瀝青質(zhì)的界面活性最高，在氣液界面的吸附量最大，對(duì)泡沫的穩(wěn)定作用最強(qiáng)，泡沫最不易破裂，所以40 ℃時(shí)泡沫曲線出現(xiàn)峰值。溫度升高一方面分子布朗運(yùn)動(dòng)加快，不僅瀝青質(zhì)溶解度提高、原油黏度降低、泡沫排液的速度提高，而且氣體擴(kuò)散與逸出速率也加快，溫度升高提供的熱能使原油的黏度降低致使氣泡液膜強(qiáng)度降低，從而使得原油泡沫較低溫時(shí)穩(wěn)定性降低，表現(xiàn)為消泡速率隨溫度升高而提高。

2.3 含水率對(duì)原油起泡的影響

選擇3^#原油分別制備含水率為0%、5%、10%、15%、20%和25%的乳化原油，在40 ℃下進(jìn)行降壓起泡性試驗(yàn)，結(jié)果見圖4。

由圖4看出，隨含水率增加，泡沫體積、消泡速率均先增后降，含水率為5%時(shí)的乳化原油起泡性最強(qiáng)，泡沫膨脹倍數(shù)最高。由泡沫的衰減曲線可以看出，隨著含水率由5%增加到25%，泡沫曲線峰值出現(xiàn)時(shí)間逐漸變大，峰值高度逐漸降低。這說明泡沫間的氣體在不斷擴(kuò)散過程中，泡沫也在不斷的變大，且泡沫的穩(wěn)定性逐漸增加。變大的泡沫并沒快速破裂坍塌，是由于乳化水量的增加使泡沫穩(wěn)定性得到提高，致使消泡時(shí)間增加、消泡速率降低。

圖5為含水原油的泡沫照片?？梢钥闯?，隨含水增大泡沫直徑減小。觀察試驗(yàn)現(xiàn)象發(fā)現(xiàn)上層泡沫要比下層泡沫大，上層泡沫破裂后，新呈現(xiàn)在表面的氣泡也會(huì)緩慢變大。含水增加原油黏度提高，排液速度變緩，泡沫穩(wěn)定性增強(qiáng)，破裂時(shí)間變長(zhǎng)，消泡速率降低。

2.4 溶解氣對(duì)原油起泡的影響

泡沫的形成及其穩(wěn)定性與溶解氣和原油分子間的作用力緊密相關(guān)。原油中瀝青質(zhì)等重組分質(zhì)量分?jǐn)?shù)越多CO₂溶解能力越差^［16］。CO₂在原油中溶解會(huì)影響原油的黏度^［17］。圖6為溶解氣分別為模擬氣、CO₂和N₂時(shí)對(duì)原油起泡性的影響?？梢钥闯?，不同的溶解氣具有不同的氣泡體積與消泡速率， 泡沫體積與消泡速率順序均為模擬氣>CO₂>N₂，而且泡沫衰減曲線趨勢(shì)不同。這應(yīng)該與氣體的性質(zhì)及其在原油中的溶解度有關(guān)。研究^［18］表明，CH₄、N₂、CO₂在原油中的溶解度順序是CO₂>CH₄>N₂。

使用N₂和模擬氣的泡沫衰減曲線出現(xiàn)峰值，且使用N₂產(chǎn)生的泡沫更穩(wěn)定，泡沫衰減曲線可以看出其泡沫體積到達(dá)最大值后并沒有馬上破裂消泡，而是穩(wěn)定了較長(zhǎng)時(shí)間，在此期間泡沫慢慢長(zhǎng)大至逐漸破裂消泡。相比于N₂，模擬氣的泡沫也有峰值但穩(wěn)定時(shí)間很短，溶解度較大的CO₂則無穩(wěn)定期，因此可以認(rèn)為溶解度越大的氣體越容易通過原油液膜擴(kuò)散致氣泡破裂。

圖7～9為氣體對(duì)不同原油起泡性的影響。當(dāng)使用CO₂作為氣源時(shí)（圖7），原油產(chǎn)生的泡沫體積為5^#>1^#>3^#，消泡速率為1^#>5^#>3^#，而且3種原油的泡沫衰減曲線趨勢(shì)相同。

當(dāng)使用N₂作為氣源時(shí)（圖8），原油產(chǎn)生的泡沫體積為5^#≈1^#>3^#，消泡速率為1^#>5^#>3^#，并且3種原油的泡沫衰減曲線均具有峰值，泡沫峰值時(shí)間為1^#<5^#3^#，該次序與3種原油的黏度、瀝青質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)次序一致，也就是與泡沫的穩(wěn)定性次序一致。

當(dāng)使用甲烷模擬氣作為氣源時(shí)（圖9），原油產(chǎn)生的泡沫體積為1^#>3^#>5^#，消泡速率為1^#>5^#>3^#，3^#原油的泡沫衰減曲線與其他2種原油不同，有峰值，這與3^#原油的黏度較高泡沫穩(wěn)定性較大有關(guān)。

采用不同的起泡氣體，產(chǎn)生的泡沫體積呈現(xiàn)無序性，但是其消泡速率具有一致性，均為1^#>5^#>3^#。不管是哪一種氣體作為氣源，都是原油黏度越大產(chǎn)生的泡沫越穩(wěn)定，對(duì)應(yīng)的消泡速率越小。

3 結(jié) 論

（1）原油的發(fā)泡性和泡沫穩(wěn)定性不僅與原油的性質(zhì)有關(guān)，還與發(fā)泡氣體的性質(zhì)有關(guān)。泡沫的穩(wěn)定性與膠質(zhì)瀝青質(zhì)的質(zhì)量分?jǐn)?shù)、黏度正相關(guān)。隨乳化水量增加，泡沫體積、消泡速率先增后降，本研究試驗(yàn)條件下含水率為5%時(shí)乳化原油起泡性最強(qiáng)。

（2）溫度提高，泡沫穩(wěn)定性降低、消泡速率變大。

（3）氣體的類型及其在原油中的溶解度影響原油的起泡性。氮?dú)馊芙舛茸钚?，產(chǎn)生的泡沫最少，起泡性最差，但其泡沫穩(wěn)定性最好。

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（編輯 劉為清）