油砂采出液瀝青油密度對化學藥劑效果的影響

曾璐明，李支文，程 艷

（中海油（天津）油田化工有限公司，天津 300451）

油砂是瀝青、水、砂及黏土的混合物，作為一種重要的非常規石油資源，日益得到各國政府的重視。世界上油砂資源豐富的國家有：加拿大、委內瑞拉、美國、俄羅斯和中國?！禕P 世界能源統計年鑒2018》數據顯示，截至2017 年年底，加拿大油砂剩余可采儲量1 634 億桶，占加拿大全國石油剩余可采儲量的96.7 %，占全球石油剩余可采儲量的9.6 %[1]。加拿大境內豐富的油砂資源主要分布在西加盆地阿薩巴斯卡（Athabasca）、冷湖（Cold Lake）和皮斯河（Peace River）3 大油砂礦區[2]。其最廣泛的開采方式為蒸汽輔助重力泄油技術（SAGD），是采用上下平行排列的2 口水平井作為井組，由上面的水平井注入蒸汽加熱重油和瀝青，這些加熱的重油和瀝青在重力的作用下流入下部的水平井并被采出[3]。

油砂采出液處理工藝中通常需要加注破乳劑、反相破乳劑和清水劑等化學藥劑促進油水分離。此外由于油砂采出液密度通常大于1 g/cm3，工藝中通常需要加注一定量的稀釋劑調節處理流程中瀝青油密度，增強油砂流動性，擴大油水密度差[4]，甚至可以破壞瀝青質及砂的吸附，將水及砂一起絮凝沉降[5]。加拿大阿爾伯塔省某油砂采出液密度1.02 g/cm3，處理工藝中需加注稀釋劑將瀝青油密度降低至0.94 g/cm3。而適當地降低稀釋劑加注量，相應增加處理流程中瀝青油密度，可以達到降低成本、增加產能的目的。

瀝青油密度增加將會影響油水分離效果[6]，本文通過室內瓶試研究加拿大阿爾伯塔省某油砂采出液瀝青油密度從0.94 g/cm3增加到0.98 g/cm3，研究化學藥劑的適應性，通過調整化學藥劑濃度改善油水分離效果，并確定不同瀝青油密度下，達到相當的油水分離效果時化學藥劑濃度變化。

加拿大阿爾伯塔省某油砂采出液處理工藝流程圖（見圖1）。

1 實驗部分

1.1 實驗儀器和試劑

實驗儀器：InfraCal HATR T-2 含油分析儀，美國Wilks 公司；離心機，美國Robinson 公司；TW20 型水浴鍋，德國Julabo 公司；DA-130N 型密度測定儀，日本京都電子公司。

實驗試劑：乙醇、丙酮、甲苯，分析純，天津市北方天醫化學試劑廠；稀釋劑（密度0.695 g/cm3，芳烴5.6 %、C4～C663.3 %、C7～C918.6 %、C10～C4112.0 %）；油砂采出液（含20 %油，80 %水），加拿大阿爾伯塔省某油田；破乳劑（多胺聚醚類）、清水劑（聚丙烯酰胺類），中海油（天津）油田化工有限公司；反相破乳劑（聚胺鹽類），中海油化工研究設計院有限公司。

1.2 實驗方法

向150 mL 脫水瓶中準確加入100 mL 油砂采出液，并置于90 ℃水浴中加熱10 min，加入相應體積的稀釋劑和化學藥劑，均勻振蕩100 次，再置于90 ℃水浴中靜置30 min。測定上層原油含水、中間層含量以及下層污水含油。

化學藥劑加注方法為，參考現場實際加注濃度，先固定反相破乳劑濃度為100 mg/L，清水劑濃度100 mg/L，設定破乳劑加注濃度范圍為100 mg/L～500 mg/L。每100 mg/L 為一個梯度，根據油水分離效果選擇最佳破乳劑加注濃度，再固定清水劑濃度為100 mg/L，設定反相破乳劑濃度范圍為100 mg/L～300 mg/L，每50 mg/L為一個梯度，根據油水分離效果選擇最佳反相破乳劑濃度，設定清水劑濃度范圍為100 mg/L～300 mg/L，每50 mg/L 為一個梯度，根據油水分離效果選擇最佳清水劑濃度。最終得出對應瀝青油下破乳劑、反相破乳劑和清水劑最佳加注濃度，以及此濃度下油水分離效果。

2 結果與討論

2.1 瀝青油0.94 g/cm3 時化學藥劑加注量對分離效果的影響

各脫水瓶中稀釋劑加注量為6.5 mL，此時瀝青油從1.02 g/cm3降低至0.94 g/cm3。先固定反相破乳劑和清水劑濃度，考察破乳劑最佳濃度，結果（見圖2）。

圖1 加拿大阿爾伯塔省某油砂采出液處理工藝流程示意圖

圖2 瀝青油0.94 g/cm3 時破乳劑濃度對油水分離效果的影響

由圖2 可知，瀝青油為0.94 g/cm3時，隨著破乳劑濃度的提高，上層原油含水有降低趨勢，特別是濃度從100 mg/L 提升至200 mg/L 時，上層原油含水降低了27.6 %，繼續提高破乳劑濃度，上層原油含水變化不大。破乳劑濃度在100 mg/L～400 mg/L 濃度范圍內，對中間層含量影響不大，但濃度繼續提升至500 mg/L后，中間層含量有明顯的上漲趨勢。破乳劑濃度變化對下層污水含油影響不大。綜合上述數據，破乳劑最佳濃度為200 mg/L。

設定破乳劑為200 mg/L，再固定清水劑濃度，考察反相破乳劑最佳濃度，結果（見圖3）。

由圖3 可知，反相破乳劑濃度提高，上層原油含水先緩慢降低，當濃度達到250 mg/L 以上后有明顯的上漲，這說明此時反相破乳劑過量，導致反相乳化。中間層含量在反相破乳劑濃度從100 mg/L 提高到150 mg/L時有較為明顯的降低，此后繼續提高反相破乳劑濃度，變化不大，濃度達到250 mg/L 以后，中間層含量略有上漲趨勢。下層污水含油隨反相破乳劑濃度提高總體上呈降低趨勢，但幅度不大。綜合上述數據，反相破乳劑最佳濃度為150 mg/L。

設定破乳劑濃度200 mg/L，反相破乳劑150 mg/L，考察清水劑最佳濃度，結果（見圖4）。

由圖4 可知，清水劑濃度變化對上層原油含水影響不大，中間層含量隨清水劑濃度上升有一定上漲趨勢，清水劑濃度從150 mg/L 提升到200 mg/L 后下層污水含油有顯著的降低。綜合上述數據，清水劑最佳濃度為200 mg/L。

以上結果表明：油砂采出液處理工藝中，瀝青油0.94 g/cm3時，破乳劑、反相破乳劑和清水劑濃度分別為200 mg/L、150 mg/L、200 mg/L 時油水分離效果最佳，此時上層原油含水為11.9 %，中間層含量為7.9 %，下層污水含油為280 mg/L。

2.2 瀝青油0.98 g/cm3 時化學藥劑加注量對分離效果的影響

各脫水瓶中稀釋劑加注量為2.8 mL，此時瀝青油從1.02 g/cm3降低至0.98 g/cm3。先固定反相破乳劑和清水劑濃度，考察破乳劑最佳濃度，結果（見圖5）。

由圖5 可知，瀝青油0.98 g/cm3時，破乳劑濃度變化對上層原油含水影響較大，300 mg/L 時較200 mg/L有明顯的降幅。隨破乳劑濃度增長，中間層含量也略有降低趨勢，下層污水含油變化不大。綜合上述數據，破乳劑最佳濃度為300 mg/L。

圖3 瀝青油0.94 g/cm3 時反相破乳劑濃度對油水分離效果的影響

圖4 瀝青油0.94 g/cm3 時清水劑濃度對油水分離效果的影響

圖5 瀝青油0.98 g/cm3 時破乳劑濃度對油水分離效果的影響

圖6 瀝青油0.98 g/cm3 時反相破乳劑濃度對油水分離效果的影響

設定破乳劑為300 mg/L，再固定清水劑濃度，考察反相破乳劑最佳濃度，結果（見圖6）。

由圖6 可知，在此條件下，反相破乳劑濃度變化對上層原油含水和中間層含量影響都較大，反相破乳劑濃度在100 mg/L～250 mg/L 范圍內，隨著反相破乳劑濃度升高，上層原油含水和中間層含量持續降低，反相破乳劑濃度繼續上漲，上層原油含水和中間層含量持平或略有上漲。下層污水含油隨反相破乳劑濃度增長總體呈降低趨勢。綜合上述數據，反相破乳劑最佳濃度為250 mg/L。

設定破乳劑濃度300 mg/L，反相破乳劑250 mg/L，考察清水劑最佳濃度，結果（見圖7）。

圖7 瀝青油0.98 g/cm3 時清水劑濃度對油水分離效果的影響

由圖7 可知，清水劑濃度增加，上層原油含水變化不大，250 mg/L 以下對中間層含量影響較小，但濃度增加到300 mg/L 后中間層含量上漲43 %。隨著清水劑濃度升高，下層污水含油顯著降低。綜合上述數據，清水劑最佳濃度為250 mg/L。

以上結果表明：油砂采出液處理工藝中，瀝青油0.98 g/cm3時，破乳劑、反相破乳劑和清水劑濃度分別為300 mg/L、250 mg/L、250 mg/L 時油水分離效果最佳，此時上層原油含水為11.8 %，中間層含量為8.6 %，下層污水含油為330 mg/L。

2.3 結果分析

要達到相當的油水分離效果，加拿大某油砂采出液處理工藝中瀝青油由0.94 g/cm3提高到0.98 g/cm3后，所需破乳劑、反相破乳劑和清水劑的濃度分別從200 mg/L、150 mg/L、200 mg/L 上漲到300 mg/L、250 mg/L、250 mg/L。

結合稀釋劑在油砂采出液處理工藝中的作用，認為本研究中瀝青油由0.94 g/cm3提高至0.98 g/cm3，溶劑瀝青比（S/B，稀釋劑與油砂中原油體積比）從0.33 降低至0.14，一方面瀝青油密度增大，油水密度差減小，油水分離難度加大，另一方面，瀝青油黏度和油水界面張力增大，乳化膜增厚，降低了化學藥劑的擴散速度，還有一方面，溶劑瀝青比的降低導致瀝青油中膠質和瀝青質含量相對升高，加大了對活性劑的運動阻力及其吸附，不利于沉降脫水[7]。化學藥劑注入濃度提升在一定程度能夠解決溶劑瀝青比降低導致的油水分離難度增大問題。

3 結論

加拿大某油砂采出液瀝青油由0.94 g/cm3提高到0.98 g/cm3，為維持相當的油水分離效果，破乳劑、反相破乳劑和清水劑濃度需分別上漲50 %、50 %和25 %。溶劑瀝青比降低導致油水密度差減小，界面乳化膜增厚降低化學藥劑擴散速度以及膠質和瀝青質含量升高加大了對活性劑的運動阻力及吸附，是化學藥劑濃度增大的主要原因。