利用声化方法对复杂乳化原油的破乳脱水研究

1、2003年第27卷第5期vol. 27 no. 5oct. 2003石油大学学报(自然科学版)journal of the university of petroleum> china文章编号:1000-5870(2003)05-0060-03利用声化方法对复杂乳化原油的破乳脱水研究陈永红1,卢明昌i,孙宝江2（1.胜利油田有限公司临盘釆油厂，山东临色251507； 2.石油大学石油工程学院，山东东营257061）播要：从理论上分析了超声波和化学方法联合破乳的可行性，并用实验方法验证了联合破乳脱水的效果。实验 结果显示,化学破乳剂和超声波联合作用可以进一步提高原油的破乳脱水效率。在破乳剂

2、最优用量的实验条件下. 对乳化原油进行超声处理30 min,沉降3 h,脱水率可以达到90%以上。模拟现场脱水流程条件，利用该方法对常规 方法不能有效破乳的聚合物驱及化学驱出液掺混稠油形成的复杂乳状液进行了破乳脱水试验。结果表明，声化联 合破乳具有较高的脱水效率。关键词：乳化原油；破乳;脱水;化学破乳剂；超声波；试验研究中图分类号:te 624.1文献标识码：a收稿日期：2003-01-10基金项目：中国石油夭然气集团公司中青年创新基金项目作者简介：陈永红（1965男（汉族），山东商河人，高级工程师，胜利油田有限公司临盘采油厂厂长，主要从邹油气田开发匸作a引言在油气田开发过程中，一次采油和二次

3、采油采 岀的乳化原油多是油包水型，采用常规电化学联合 破乳的方法就可以实现油水分离。目前，我国东部 各油田相继进入高含水开发期，三次采油技术逐渐 被应用，采出液多为水包油乳状液或水包油与油包 水交替出现的复杂乳状液，其界面膜强度高，乳状液 非常稳定，采用常规和各种新的合成破乳剂均难以 达到满意的破乳效果讥加大了采出液处理的难 度，困扰着油田生产。超声波可在一定程度上解决 各种乳化原油的破乳问题。超声波作用于油水乳状 液后，由于油、水的物性不同，对超声波的响应不同， 岀现油、水粒子各自集聚的现象，称之为位移效 应，j'3,o此效应能促使乳状结构破坏，从而促进同 种物质微粒凝聚，使得油、水

4、分离加快。实验证明， 虽然用超声波对三次采油的乳化原油破乳可以脱掉 绝大部分水，但脱水效率并不高这是因为原油采岀 液具有较高的矿化度和较多的表面活性物质，这使 得乳化液的结构难以破坏，因此，超声波配合相应的 破乳剂才有可能取得较好的破乳脱水效果。笔者将 超声波与化学方法相结合，探讨其联合作用的脱水 效率。1声化破乳理论分析超声波对水包油和油包水型乳状液均可以起到 破乳的作用，并能除去大部分水。其破乳脱水机理 是超声波作用于物理性质不同的介质后产生的响应 不同此现象称之为位移效应。文献12给出了油包水乳状液中“粒子”在声 场作用下的位移效应。声学上所谓的“粒子"可以是 微小油滴，也可以

5、是微小水滴，其区别是粒子的性质 不同。在超声波的作用下，性质相同的粒子总是在 其平衡点相聚集，发生碰撞，合并成大的粒子，并在 重力作用下分离c但是，碰撞在有些条件下并不一定导致合并，粒 子合并与粒子直径、运动速度、液体的密度、粘度以 及粒子界面间的胶体力有关。在&1和小weber 数的条件下，tsao和koch运用流体运动的n-s 方程分析认为，粒子碰撞的过程中，产生反弹所需的 最小排斥压力为2/a.其中/是表面张力"是粒 子直径。一般来说，象水化层这样引起的短程斥力 可以表达为aexp（ 一 h、其中x是两粒子界面 间的距离，k是开始产生短程斥力的特征长度，a 是溶质表面浓

6、度的函数，它又依次依赖于粒子表面 溶质的扩散、对流和吸附作用，即产生碰并的a必 须小于2y/ao 一般情况下对于某一种油水乳状 液，油滴或水滴的直径是固定的，若使水粒子碰并， 只有通过改变表面张力来实现超声波为粒子碰并 提供了积聚的条件，化学添加剂用来改变表面张 力。二者的结合才能达到更高的破乳效率。因此.声化破乳是为了使油水乳状液在超声波和化学破乳 剂的联合作用下更有效地进行油、水分离。2室内实验及实验结果讨论2.1室内实验设备及实验方法本次实验所用的超声波发生器系统可以产生 2050 khz的超声波信号，所用的换能器为夹心水 冷式压电陶瓷换能器，它可以克服由于温度变化带 来的声强不稳定性，

7、提高破乳效率。声强检测采用 水听器和hp54601数字示波器，具体参数流程参见 文献3。采用蒸馆法进行处理后油样的含水分析。实验油样物性参数见表lo实验方法如下：将原油乳化液加入设计数量 的破乳剂后进行均匀、充分地搅拌;将搅拌后的原 油乳化液均分在盛油容器中，每次处理原油乳化液 体积约为250 nil；将分盛好的样品依次进行超声 处理后放人已备好的恒温水浴中沉降5 h,并分析含 水率与沉降时间的关系。破乳剂为现场推荐经过优 化的专用破乳剂。表1油样物性参数油样相对密度粘度“aovampa-s）初始含水率/%乳状液类型备注东辛落地油0.886874.5w/odf-a、dfb破乳剂污水回收油0.8

8、86782& 8w/odf4050破乳剂盐16块原油0.92510521.0w/odfa破乳剂孤岛17-215井原油0.959215278.9w/o和o/w混合型聚合物驱油样，wel1破乳剂2.2实验结果讨论实验已证实频率对超声波破乳的效果影响不 大心】，根据理论分析和实验结果认为，选用21 khz 较低频率的超声波效果更好。因此，本文中的实验 都是在频率为21 khz的条件下进行的。声强是超声波破乳中一个重要的可控制参数， 不同的乳状液最优破乳声强不同。温度和沉降时间 也是影响破乳效果的参数，根据实验结果，温度 越高,沉降时间越长，破乳效果越好,但考虑到油田 应用的实际情况，实验中采

9、用的温度为60匸，沉降 分离时间为3 ho图1是东辛落地老化油利用声化方法的破乳结 果，其中df系列破乳剂的浓度是经过实验优选的 200 mg/l,超声处理时间为30 min,沉降3 h。图中 用到的两个无最纲参数定义如下：无fit纲声强/0为 辐射声强/与原油的空化阈4的比值;脱水率e = （先-刃/九，其中，5。是原油的初始含水率，s是 处理后原油中的含水率。由图1可以看出，利用超 声波和化学方法联合破乳比单纯利用超声波方法破 乳效果明显要好。在最优破乳声强处，利用破乳效 率比较髙的df-a破乳剂比单纯利用超声波方法破 乳效率高1倍以上。图2是胜利盐16块乳化原油超声波与声化破 乳实验结果

10、，可以看出，声化方法的最终脱水率比超 声破乳法高15%。图3为孤岛聚合物驱乳化原油 超声波与声化破乳实验结果，声化方法的最终脱水 率比超声破乳法高10%o图4是胜利污水回收乳 化原油超声波与声化破乳实验结果，声化方法的最 终脱水率比超声破乳法高14%。这些实验都是在 最优破乳剂用量条件下进行的，说明超声波和化学 破乳剂联合可以达到更好的破乳效果。图2盐16块原油声化破乳实验结果图14的实验结果显示，加入化学破乳剂后， 再利用超声波处理,乳化原油的含水率明显下降，并 且按一定规律变化。声化联合破乳的最优声强与单 纯利用超声波破乳的最优声强基本一致，说明破乳 剂的加入使得超声作用时粒子碰撞合并的概

11、率加 大，这与理论分析相吻合。不同的破乳剂与超声波 联合作用产生的破乳效果可能不一样，需要针对具 体情况做进一步的研究。图4污水回收原油声化破乳实验结果3模拟现场流程的声化油水分离试验由于在室内进行机理实验很难模拟现场的条 件，且现场油样运回实验室后已经好长时间，其实验 结果需要用符合现场条件的实验数据来验证。模拟 现场条件的破乳脱水试验主要针对两种生产原油， 第一种是孤岛聚合物驱三采原油，第二种是临盘盘 二联合站原油。盘二联合站的原油由于化学驱和稠 油的掺入导致乳状液复杂，难以用常规方法有效破 乳。模拟现场条件的试验是将试验设备放在采油厂 进行，以避免油样运送造成的路途颠簸对油水分离 的影响

12、，尽可能保证声化破乳试验数据的可靠性。 试验流程见图5。为了防止换能器因长时间工作造成的热不稳定 性对破乳产生不利影响,专门加工了水冷式换能器， 工作频率为（22±l）khz,它可以在模拟现场条件下 长时间稳定工作，保证试验按设计程序顺利进行。 模拟声化处理罐的体积为4. 5 l,沉降罐的体积为 50 u 试验所用的参数为实验室内优选的最佳破乳 参数,其超声频率为22 khz,无最刚声强d为/0 = 0.1。试验方法如下：井口原油取出后，放入一个 体积为100【一的罐内，加入现场优选的破乳剂；然后 通过阀门控制使乳化原油在处理罐内总的停留时间 为20 min;处理后的原油进入沉降罐沉

13、降脱水4 h, 然后用蒸谐法进行含水分析。图5模拟现场条件的声化破乳脱水流程示意图第一种模拟试验油样取自孤岛16-419井，综 合含水率为91%，聚合物含量为140 mg/l ,层位 是ng3-4o处理前乳化水含量为22.5%26.5%, 经超声波处理20 min,在60 v的条件下沉降3 h, 含水率可降至1.5%（脱水率为94%）以下，与自然 沉降的含水率约16%（脱水率为35%）相比,效果明 显。利用超声波和孤岛采油厂推荐的wd1破乳剂 （80100 mg/l）联合破乳，在最优工作方式下含水 率可降至0.9%（脱水率达到96%）,与仅用破乳剂 的含水率最小值5.9%相比，效果非常明显。第

14、二种模拟试验油样的相对密度为0.955,粘 度为650 mpas,进站采岀液综合含水率为87% , 处理前乳化水含最为12.5%。同样经超声波处理 20 mim在60 i：的条件下沉降3 h,含水率可降至 1.3%,与自然沉降的含水率约4%相比，效果明显。 利用超声波和临盘采油厂推荐的wy-1破乳剂（80 mg/l）联合破乳，在最优工作方式下含水率可降至 0.35%,与仅用破乳剂的含水率最小值1.89%相 比，效果亦非常明显。4结束语通过理论分析和室内实验证明了超声波和化学 方法联合破乳的可行性。实验结果显示，对于利用 化学破乳剂破乳效果不理想的乳化原油，利用超声 波方法可以实现破乳脱水，而化

15、学破乳剂和超声波 联合作用可以进一步提高破乳脱水的效率。对孤岛 和临盘采油厂用常规方法不能有效破乳的聚合物驱 及化学驱出液掺混稠油造成的复杂乳状液进行的破 乳脱水试验结果也表明,声化联合破乳具有较高的脱 水效率。对于其他方法不能有效破乳的原油，建议进 （下转第65页）(a)(b)图4冻胶对砂粒表面的润湿由表1可看出，冻胶的粘结力比pam高约4倍,说明冻胶膜对砂粒有很好的胶结作用o表面稠化酸的宏观防砂效果可通过冲砂模拟试验测定，其试验方法及结果详见文献6。3冻胶对砂粒粘结力的测定冻胶膜对砂粒的粘结力可用精密扭力天平测 定。将一粒直径约2 mm的砂粒粘在一个铜丝挂钩 上，另一粒体积大体相同的砂粒粘

16、在玻璃载片上。 测定时，先用扭力天平称量有挂钩砂粒的质量机】， 然后调节升降台高度，使玻璃载片的砂粒与挂钩上 的砂粒刚好接触，再用5 ml微量进样器注胶结剂2 (先用1微量进样器注0. 8 pl质量分数为0.01的gl»6,再用5 微量进样器注2 质量分 数为001的pam),静置15 min,旋转扭力天平旋 钮，直至两个砂粒被拉开为止，读出此时数值加2, 然后再称量有挂钩的砂粒质量机3,则砂粒间的粘 结力为祝2 -勿3。为了对比，分别测定了蒸憎水、 pam、冻胶对砂粒的粘结力，结果见表lo表1砂粒间不同物质对砂粒的粘结力砂粒间 物质拉开时砂较凤* m2/nn8拉后砂粒ml加3/吨粘

17、结力 /mg平均值 /mg54.274.854.320.5蒸悯水46.968.346.921.421.3049.071.249.122.150.580.050.629.447.776.947.829.1pam53.680. 154.026.126.6851.775.951.824.157.882.758.024.746.2178.146.3132.848.1150.34&2102.1冻胶46.3170.446.4124.0125.2046.2162.046.3115.751.2202.251.3149.94结论(1) 表面稠化酸经过酸化，在砂粒表面形成ph 场，保证冻胶膜能够形成。(2

18、) 冻胶膜最终能在砂粒接触处形成冻胶，因此表面稠化酸属于潜在胶结防砂剂。(3) 冻胶的弹性大于粘性，这使得冻胶有很大的 粘结力。(4) 冻胶可通过氢键及静电引力吸附在砂粒表 面上，这是冻胶与砂粒间具有较强粘结力的真正原 因。(5) 冻胶对砂粒表面的润湿性，提高了冻胶膜对砂粒的粘结作用。(6) 表面稠化酸的防砂作用通过冻胶对砂粒的 粘结力测定得到证实。参考文献:1 赵福麟采油化学m.东营：石油大学出版社,1989. 147-153.2 赵福麟缓速酸j.油田化学,1986,3(3):179- 190.3 戴彩丽，等错冻胶成胶影响因素研究j.油田化学， 2001,18(3):228-231.4 b.h.别列利曼著.简明化学手册m.顾振军