蘇里格氣田典型區(qū)塊采出水乳化特征及乳化影響因素分析*

李明星，李紅英，劉 鵬，白志濤，劉 偉，張躍宏

（1.低滲透油氣田勘探開發(fā)國家工程實(shí)驗(yàn)室，陜西西安 710018；2.中國石油長慶油田分公司油氣工藝研究院，陜西西安 710018；3.中國石油長慶油田分公司第二采氣廠，陜西榆林 719000；4.中國石油長慶油田分公司第一采氣廠，陜西靖邊 718500；5.陜西科技大學(xué)輕工科學(xué)與工程學(xué)院，陜西西安 710021）

0 前言

蘇里格氣田是典型的“三低”（低壓、低產(chǎn)、低豐度）氣藏，大部分氣井在生產(chǎn)3～5年后，面臨著地層能量降低、單井產(chǎn)量低的問題，需采取排水采氣輔助氣井生產(chǎn)。排水采氣的主要措施有：泡沫排水、速度管柱、柱塞氣舉等，其中泡沫排水是最主要的措施之一，年應(yīng)用井次達(dá)10萬次以上［1］。蘇里格上古氣藏普遍含有凝析油，部分集氣站的凝析油采出液乳化嚴(yán)重［2］，年產(chǎn)生乳化液3000～5000 m3，影響集氣站正常生產(chǎn)、輕烴交接計(jì)量和下游采出水處理系統(tǒng)正常運(yùn)行。

與普通乳狀液相比，凝析油乳狀液具有乳化穩(wěn)定性高、乳化程度嚴(yán)重的特點(diǎn)［3-4］，難以通過常規(guī)的物理沉淀法實(shí)現(xiàn)油水快速分離。通常來說，影響乳液形成的外界因素包括攪拌速率、攪拌時(shí)間、乳化溫度、油水比例及加水方式等，對(duì)于不同的乳液體系，其穩(wěn)定性影響規(guī)律不同［5-7］。凝析油的組成和性質(zhì)會(huì)直接影響氣田采出水凝析油乳狀液的穩(wěn)定性。Liu 等［8］認(rèn)為，凝析油的液滴粒徑越小、分散越均勻，乳液越穩(wěn)定。Daaou等［9］認(rèn)為，凝析油的黏度越大，摩擦阻力越大，使得分散相液珠的運(yùn)動(dòng)越慢，液珠間的碰撞聚結(jié)越難，乳液越穩(wěn)定。張維等［10］認(rèn)為，凝析油乳狀液中含有較多的懸浮固體顆粒物，懸浮固體顆粒物存在于油-水界面上時(shí)可起到乳化作用，提高凝析油乳狀液的穩(wěn)定性。范愛芳等［11］總結(jié)了采出液常見懸浮固體顆粒物及其對(duì)采出液穩(wěn)定性影響情況。本文以蘇里格氣田凝析油采出液為研究對(duì)象，開展典型區(qū)塊采出液乳化特征分析及影響因素研究，對(duì)后期破乳措施的制定和優(yōu)化提供理論支持。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 材料與儀器

鹽酸、二甲苯、石油醚，分析純，天津市天力化學(xué)試劑有限公司；無水硫酸鎂，分析純，天津市河?xùn)|紅巖試劑廠；二氯甲烷、無水乙醇、溴化鉀，分析純，天津市科密歐化學(xué)試劑有限公司；亞甲基藍(lán)（≥98%）和蘇丹III，分析純，上海麥克林生化科技有限公司。泡排劑UT-11C，工業(yè)級(jí)，成都孚吉科技有限責(zé)任公司；緩蝕劑RX-204A，工業(yè)級(jí)，陜西日新石油化工有限公司；乳狀液取自蘇里格氣田5 個(gè)典型集氣站。

M60型高倍顯微鏡，德國徠卡公司；Nano-ZS90型納米粒度電位儀，英國Malvern 公司；iCAP 6000 SERIES型電感耦合等離子發(fā)射光譜儀，美國Thermo公司；GC-MS 6890-5973A型氣相色譜質(zhì)譜聯(lián)用儀，美國安捷倫公司；881 Compact IC pro 型離子色譜儀，瑞士萬通公司。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

（1）凝析油中含水量和含油量的測定

在具塞刻度試管中加入凝析油乳狀液，以8000 r/min的速度離心5 min，靜置10 min后，凝析油乳狀液形成凝析油層、中間乳化層和水相層，分別讀取凝析油層、中間層和水相層的體積，計(jì)算含水量、中間層含量和含油量，每個(gè)樣品平行測定5 次取平均值。

（2）GC-MS測試

參照文獻(xiàn)［12］，取5 mL 的凝析油于燒杯中，添加無水硫酸鎂（至白色塊狀固體出現(xiàn)）對(duì)其進(jìn)行干燥處理，對(duì)處理后的凝析油進(jìn)行減壓抽濾，將濾液用孔徑為0.22 μm 的有機(jī)濾膜進(jìn)行快速過濾，用得到濾液進(jìn)行GC-MS分析。

（3）水樣礦化度的測定

根據(jù)中華人民共和國行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)SL 97—1994《礦化度的測定（重量法）》測定水樣的礦化度。

（4）乳狀液顯微特征分析

采用稀釋法、濾紙潤濕法、染色顯微觀察法（分別用亞甲基藍(lán)和蘇丹III進(jìn)行染色）分析凝析油乳狀液的乳化類型。

（5）Zeta電位的測定

將氣田采出液中的懸浮固體顆粒物過濾后，稀釋為合適的濃度，采用Nano-ZS90 納米粒度電位儀在室溫下測定其Zeta 電位，每個(gè)樣品平行測定3 次并取平均值作為最終結(jié)果。

（6）采出水離子濃度測定

將水樣過濾、稀釋后，按照中華人民共和國石油天然氣行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)SY/T 5523—2016《油田水分析方法》，采用電感耦合等離子體原子發(fā)射光譜（ICP）測定水樣中Ca2+、Mg2+、Ba2+、Sr2+、K+、Na+等陽離子的含量；采用鹽酸滴定法測定HCO3-的含量；采用離子色譜法測定Cl-的含量。

（7）乳化實(shí)驗(yàn)

將凝析油與水溶液按體積比為3∶7 混合（總體積為20 mL）；在攪拌速率為6000 r/min、乳化時(shí)間為60 min、乳化溫度為40 ℃下，采用高速剪切乳化機(jī)進(jìn)行乳化；將乳化后的溶液置于25 mL 的具塞刻度量筒中，在室溫下靜置15 min，觀察是否自動(dòng)脫水，在穩(wěn)定后記錄乳狀液的體積，并換算為乳狀液體積分?jǐn)?shù)。

2 結(jié)果與討論

2.1 氣田采出液的特征

選取蘇里格氣田5個(gè)集氣站點(diǎn)采出水凝析油乳狀液，開展基本性質(zhì)、乳化類型及乳化組分分析。將凝析油乳狀液高速離心后，可明顯觀察到凝析油層、中間乳化層和水相層3 層，其中中間層含有固體顆粒物（呈現(xiàn)灰黑色）。按照體積計(jì)算，集氣站五個(gè)站點(diǎn)乳狀液的組成如表1 所示。由表1 可知，5個(gè)站點(diǎn)的凝析油乳狀液的含水量、含油量差別較大。其中，烏×站、北1×站和蘇東4×站的凝析油乳狀液含水率較高，在58.5%～75%之間，宏觀上表現(xiàn)為流動(dòng)性較強(qiáng)，體系中微粒的布朗運(yùn)動(dòng)較劇烈，靜置一定時(shí)間（1～72 h）后出現(xiàn)分層現(xiàn)象，而蘇48-×站和蘇48-3×站的凝析油乳狀液的含水量相對(duì)較低（40%～50%），流動(dòng)性差，在自然靜置7 d 內(nèi)不分層。

表1 蘇里格氣田5個(gè)集氣站點(diǎn)采出水凝析油乳狀液的特征

乳狀液的Zeta 電位是表征膠體分散體系穩(wěn)定性的重要指標(biāo)，Zeta電位絕對(duì)值越大，帶電液珠之間互相排斥的能力越大，防止聚并沉降能力越強(qiáng)，乳狀液的穩(wěn)定性越好［13］。5個(gè)站點(diǎn)乳狀液的Zeta電位（表1）相差較大，蘇48-3×站和蘇48-×站的Zeta電位較高，乳狀液穩(wěn)定，靜置7 d 未分層；蘇東4×站和北1×站的Zeta 電位絕對(duì)值較低，乳狀液不穩(wěn)定，靜置1、4 h即分層。

5 個(gè)站點(diǎn)凝析油的成分分析結(jié)果見表2。凝析油中烷烴類的質(zhì)量分?jǐn)?shù)在80.96%～88.70%之間，此外，凝析油中均含有不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的醇類和酯類物質(zhì)，其中醇類的質(zhì)量分?jǐn)?shù)在1.48%～4.80%之間，酯類的質(zhì)量分?jǐn)?shù)在2.08%～6.34%之間。醇類可作為烷烴類物質(zhì)的助溶劑，酯類可作為表面活性劑促進(jìn)烷烴類物質(zhì)在水中形成乳液，這些極性有機(jī)物在油-水界面上會(huì)與親水性的表面活性劑形成復(fù)合界面膜，促進(jìn)凝析油乳狀液的形成［14］。

表2 5個(gè)集氣站凝析油成分

5 個(gè)站點(diǎn)水相水質(zhì)全分析結(jié)果見表3。蘇東4×站和北1×站水相的礦化度較高，分別為96.83、172.24 g/L，蘇48-3×站水相的礦化度最低，為14.04 g/L。金屬離子通過壓縮雙電層效應(yīng)，影響具有表面活性的物質(zhì)在油水界面的吸附，減弱油水界面膜的強(qiáng)度，從而導(dǎo)致乳狀液穩(wěn)定性降低［15-17］。5個(gè)站點(diǎn)的水相礦化度越高，凝析油乳狀液的穩(wěn)定性越差。這與乳狀液靜置分層結(jié)果一致。

表3 集氣站水相水質(zhì)全分析結(jié)果表

2.2 氣田采出水凝析油乳狀液顯微特征

圖1—圖5分別為烏×站、北1×站、蘇東4×站、蘇西48-×站、蘇48-3×站凝析油乳狀液液滴的微觀形貌圖。可以發(fā)現(xiàn)，各乳狀液液滴大小不一，分散不均勻，不同親疏水性的懸浮固體顆粒物可以分散在油滴內(nèi)及水相中，油水界面處吸附的小粒徑懸浮固體顆粒物，促進(jìn)了乳狀液的穩(wěn)定。整體來說，乳狀液以水相為連續(xù)相、油為分散相（O/W），而對(duì)于部分油滴，油為連續(xù)相、水為分散相（W/O），最終形成復(fù)雜的水包油包水（W/O/W）型。

圖1 烏×站凝析油乳狀液液滴微觀形貌

圖3 蘇東4×站凝析油乳狀液液滴微觀形貌

圖4 蘇西48-×站凝析油乳狀液液滴微觀形貌

2.3 氣田采出水凝析油乳化影響因素分析

2.3.1 泡排劑對(duì)凝析油乳化的影響

以蘇東4×站和蘇48-×站凝析油乳狀液為模擬對(duì)象，在凝析油與水的體積比為3∶7、攪拌速率為6000 r/min、乳化時(shí)間為60 min、乳化溫度為40 ℃下制備20 mL的模擬乳狀液，考察泡排劑（現(xiàn)場在用的UT-11C）用量（0.3%～0.7%）對(duì)凝析油乳化的影響，結(jié)果見圖6。由圖6可以看出，隨著泡排劑用量從0增至0.7%，凝析油乳狀液體積分?jǐn)?shù)均呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢，當(dāng)泡排劑用量為0.6%時(shí)，凝析油模擬乳狀液的形成體積最大，達(dá)5.1 mL，體積分?jǐn)?shù)為25.5%。

圖6 泡排劑用量對(duì)凝析油乳化液體積分?jǐn)?shù)影響

當(dāng)泡排劑濃度小于臨界膠束濃度（ccmc）時(shí)，泡排劑分子以單分子形式快速吸附在油水界面上，界面吸附量與濃度成正比，濃度越大，模擬乳狀液形成體積越大；當(dāng)泡排劑用量大于ccmc時(shí)，泡排劑分子聚集成團(tuán)形膠束，油水界面吸附量達(dá)到飽和，吸附緩慢甚至出現(xiàn)解吸附現(xiàn)象，使得模擬乳狀液形成體積減小。

泡排劑作為一種表面活性劑，可吸附在油水界面上，直接降低水樣的表面張力，增強(qiáng)油水之間的親和性，部分親水基團(tuán)帶有一定電荷，增強(qiáng)了油珠的負(fù)電性和油珠間的靜電排斥力，不利于油珠的集結(jié)聚并，從而形成較穩(wěn)定的凝析油乳狀液。同時(shí)，泡排劑可以增強(qiáng)對(duì)一些難溶于水的懸浮固體顆粒物質(zhì)的潤濕性能，增強(qiáng)界面膜強(qiáng)度，從而使得凝析油乳狀液更加穩(wěn)定。

2.3.2 懸浮固體顆粒對(duì)凝析油乳化的影響

以蘇東4×站和和蘇48-×站凝析油乳狀液為模擬對(duì)象，在凝析油與水的體積比為3∶7、攪拌速率為6000 r/min、乳化時(shí)間為60 min、乳化溫度為40 ℃下制備20 mL 的模擬乳狀液，懸浮固體顆粒用量（0.3%、0.4%、0.5%、0.6%、0.7%）對(duì)凝析油乳化液體積分?jǐn)?shù)的影響如圖7所示。

圖7 懸浮固體顆粒含量對(duì)凝析油乳化液體積分?jǐn)?shù)的影響

由圖7可以看出，在模擬乳狀液中，隨著懸浮固體顆粒含量的增多，凝析油模擬乳狀液體積分?jǐn)?shù)均呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢。當(dāng)懸浮固體顆粒物質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.4%時(shí)，凝析油乳狀液體積分?jǐn)?shù)最大。這是因?yàn)楫?dāng)懸浮固體顆粒含量較低時(shí)，懸浮固體顆粒主要起到乳化作用［18-19］，吸附在油水界面上，提高了油水界面膜的機(jī)械強(qiáng)度，降低了界面能。界面吸附量與其濃度成正比，濃度越大，乳狀液形成體積越大；當(dāng)懸浮固體顆粒較高時(shí)，受界面電荷影響，相互排斥，壓縮擴(kuò)散雙電層體積，使得模擬乳狀液體積減小。

2.3.3 緩蝕劑對(duì)凝析油乳化影響

以蘇東4×站和蘇48-×站凝析油乳狀液為模擬對(duì)象，在凝析油與水的體積比為3∶7、攪拌速率為6000 r/min、乳化時(shí)間為60 min、乳化溫度為40 ℃下制備20 mL 的模擬乳狀液，泡排劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.6%，懸浮固體顆粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.4%時(shí)，緩蝕劑RX-204A 用量（0.3%、0.4%、0.5%、0.6%、0.7%）對(duì)凝析油乳化體積分?jǐn)?shù)的影響如圖8 所示。由圖8 可知，在模擬乳狀液中，緩蝕劑濃度對(duì)于凝析油模擬乳狀液體積分?jǐn)?shù)沒有明顯的影響，這是因?yàn)榫徫g劑RX-204A 不具有表面活性作用，無法與泡排劑和懸浮固體顆粒物質(zhì)共同發(fā)揮協(xié)同乳化的作用，因而緩蝕劑濃度對(duì)凝析油模擬乳狀液體積分?jǐn)?shù)無顯著影響。

圖8 緩蝕劑用量對(duì)凝析油乳化液體積分?jǐn)?shù)的影響

3 結(jié)論

蘇里格氣田采出液特征分析表明，5 個(gè)站點(diǎn)采出水凝析油乳狀液的組成差異較大，乳狀液的穩(wěn)定與Zeta 電位呈現(xiàn)良好的對(duì)應(yīng)關(guān)系，Zeta 電位的絕對(duì)值越大，乳狀液越穩(wěn)定。蘇里格氣田乳狀液以水相為連續(xù)相、油為分散相（O/W）；對(duì)于單個(gè)部分油滴，油為連續(xù)相，水為分散相（W/O），最終形成復(fù)雜的水包油包水（W/O/W）型。

5 個(gè)采出水凝析油中醇類質(zhì)量分?jǐn)?shù)在1.48%～4.8%，酯類質(zhì)量分?jǐn)?shù)在2.08%～6.34%，這些極性有機(jī)物具有助乳化作用，在界面上會(huì)與親水性的表面活性劑形成復(fù)合界面膜，有利于凝析油乳狀液的形成。

隨著泡排劑、懸浮固體顆粒用量的增大，凝析油模擬乳狀液體積分?jǐn)?shù)均先增大后減小。當(dāng)泡排劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.6%、懸浮固體顆粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.4%時(shí)，凝析油模擬乳狀液形成體積分?jǐn)?shù)最大，而緩蝕劑濃度對(duì)凝析油模擬乳狀液體積分?jǐn)?shù)無明顯影響，泡排劑和懸浮固體顆粒共同作用使得凝析油發(fā)生嚴(yán)重的乳化。