含聚原油脫水室內試驗研究

劉艷 吳建華 趙新建 薛釗 耿榮燕 鞏峰

（1.中國石油華北油田公司第一采油廠；2.中國石油華北油田公司第二采油廠；3.中國石油華北油田公司第三采油廠；4.中國石油華北油田公司友信勘探開發(fā)服務有限公司；5.中國石油華北油田公司工程技術研究院）

0 引言

目前，我國大部分陸上油田的綜合含水率已達到90%以上，油井產油量不斷降低。為了調整注水剖面、提高驅油效率，近年來，很多油田采取了一定規(guī)模的化學驅油手段來增產增效，其中聚合物驅油（簡稱聚驅）取得了一定效果。但是，隨著聚驅原油從地層中開采出來，采出液性質發(fā)生了復雜變化，造成了外輸原油含水率及回注采出水中的油含量均達不到要求，給地面集輸處理增加了難度。

目前，提高含聚合物原油（簡稱含聚原油）脫水效果最有效的方法，一是采用化學藥劑改變采出液的基本性質，降低油水分離難度；二是選用高效分離設備，優(yōu)化設備內部結構，改進工藝流程，提高脫水處理能力［1］。根據某油田聚驅的實際情況，在不改變脫水站原有工藝流程的前提下，試驗研究適合聚驅采出液的高效破乳劑體系，以保障原油脫水效果。

1 極限含聚濃度確定

1.1 含聚原油乳狀液電導率測定

對該油田脫水站的原油物性參數進行測定，結果如下：50 ℃時密度為0.802 4 g/cm3，50 ℃時黏度為123.7 mPa·s，凝固點32 ℃，硫含量0.23%，蠟含量15.15%，膠質及瀝青質含量13.5%，乳化水含量39.2%，屬于高凝固點石蠟基原油。

采用烏式黏度計測定調驅返排液中聚合物濃度為56～350 mg/L。該脫水站采用兩段熱化學沉降脫水工藝，其中二段電脫水器工作溫度60 ℃，進液含水率17%～25%。

在實驗室配制一系列不同聚合物濃度的原油乳狀液（含水率20%），采用梅特勒-托利多電導率儀在室溫20 ℃下測定乳狀液電導率，然后根據電脫水器工作溫度（60 ℃）進行溫度補償，補償后的電導率數據見圖1。

圖1 原油乳狀液電導率隨聚合物濃度變化曲線

由圖1可以看出，隨著聚合物濃度增大，原油乳狀液電導率也隨之增加。這是由于與水驅原油相比，含聚原油中存在帶正電荷的水解陽離子，同時還裹挾大量黏土等其他帶電荷離子，導電性增強，導致電導率大大增加。當電脫水器實際電流超過設計的安全工作電流強度時，電脫水器會發(fā)生跳閘。電脫水器的安全工作電導率計算公式如下：

式（1）中：kw——安全工作電導率，S/m；I——安全工作電流強度，A；U——外加電壓強度，V；L——極板間距，m；A——極板面積，m2。

該脫水站電脫水器設計參數為：I=200 A，U=30 kV，L=0.6 m，A=20 m2。經計算，安全電導率為20×10-5S/m。因此，只要含聚原油電導率不大于20×10-5S/m，電脫水器可以正常工作。由圖1可知，該脫水站電脫水器極限含聚濃度為300 mg/L。

1.2 含聚原油乳狀液油水界面張力測定

乳化劑與油水分子進行作用，可降低油水界面張力。利用界面張力測試儀測定含聚原油的油水界面張力，從而確定含聚原油進電脫水器的極限含聚濃度。

試驗裝置：界面張力儀、折光儀、微量注射器；試驗溫度60 ℃。測試結果見圖2所示。

由圖2測定結果可以看出，隨著聚合物濃度增大，油水界面張力隨之減小，原油乳狀液穩(wěn)定性不斷增加，當聚合物濃度超過300 mg/L以后，界面張力變化不大，原油乳狀液趨于穩(wěn)定，不利于脫水的進行。因此，確定電脫水器的進液含聚濃度極限值為300 mg/L。當進液含聚濃度超過300 mg/L時，需要在前端游離水脫除器進行預處理，以保證電脫水器的正常工作。

圖2 原油乳狀液油水界面張力隨聚合物濃度變化曲線

1.3 脫水效果試驗

配制不同聚合物濃度的原油乳狀液（含水率為20%），在60 ℃條件下進行脫水試驗，以確定不同聚合物濃度下的脫水效果。

脫水時間分別為15 min、30 min、60 min、90 min；破乳劑為XP-1421，加藥量100 mg/L。原油乳狀液脫水率隨聚合物濃度變化曲線見圖3。

圖3 原油乳狀液脫水率隨聚合物濃度變化曲線

由圖3可以看出，該脫水站原油乳狀液在相同聚合物濃度下，隨著脫水時間的延長，脫水率逐漸增加；當脫水時間一定時，隨著聚合物濃度的增加，脫水率逐漸下降；當聚合物濃度大于300 mg/L時，脫水效果急劇變差，90 min的脫水率小于20%。

2 藥劑篩選試驗

通過對含聚原油電導率、油水界面張力及脫水率等的試驗可知，隨著聚合物濃度增加，乳狀液脫水效果變差。因此，為了保證電脫水器的正常工作，電脫水器的進液含聚濃度極限值確定為300 mg/L。下面針對這一濃度進行破乳劑和絮凝劑的篩選。

2.1 破乳劑初步篩選試驗

破乳劑主要是借助潤濕、滲透、乳化、分散、增溶等性質達到對原油乳狀液破乳脫水的目的，破乳劑在短時間內將乳狀液中的油污洗凈，將含聚原油從“油濕”變成“水濕”的狀態(tài)［2］。

配制聚合物濃度為300 mg/L的原油乳狀液（含水率20%），在60 ℃條件下對17種破乳劑進行初步篩選，篩選出脫水效果較好的破乳劑。脫水時間分別為15 min、30 min、60 min、90 min；破乳劑加藥量為100 mg/L。試驗結果見表1。

表1 不同破乳劑對聚合物濃度300 mg/L的原油乳狀液脫水效果

由表1可知，在相同的試驗條件和加藥量的前提下，不同類型破乳劑對聚合物濃度300 mg/L的含聚原油的脫水效果有所不同，其中起始劑為多胺聚醚交聯型破乳劑XP-1421相對較好，但是水質較混，界面不齊，脫水率在90 min時也僅為20%。

2.2 破乳劑加藥量試驗

配制聚合物濃度為300 mg/L的原油乳狀液（含水率為20%），在60 ℃條件下對破乳效果最好的破乳劑XP-1421進行不同加藥量試驗。脫水時間分別為15 min、30 min、60 min、90 min；加藥量分別為50 mg/L、80 mg/L、100 mg/L、120 mg/L、150 mg/L、200 mg/L、250 mg/L、300 mg/L；破乳劑采用多胺聚醚交聯型破乳劑XP-1421。試驗結果見圖4。

由圖4可以看出，當脫水時間一定時，隨著加藥量的增加，原油乳狀液脫水率逐步提高，但藥劑濃度增加到一定程度后脫水效果并不明顯，主要是由于超過最佳投加濃度后，破乳劑的小分子吸附在油水界面之間形成新的界面膜，繼續(xù)包裹游離水使其難以脫出。同時，加大破乳劑的藥量會成倍增加藥劑成本，即使在300 mg/L加藥量、脫水時間90 min條件下，脫水率仍然在70%以下，因此不優(yōu)先選用加大破乳劑濃度的方式來提高原油脫水率。

圖4 不同加藥量下原油乳狀液脫水率試驗結果

2.3 破乳劑復配試驗

不同破乳劑之間存在一定的配伍性和協同性。復配的原則通常是選用破乳效果較好或上清液較清亮的藥劑進行復配，這樣不同分子量的破乳劑可以與乳狀液中的蠟、膠質、瀝青質進行結合，破壞油水之間的界面張力。通過表1篩選出室內脫水效果較好的TA1030、D2031、RUN-221、DP9201與XP-1421進行復配脫水試驗。

破乳劑復配方案：TA1030與XP-1421復配，D2031與XP-1421復配，RUN-221與XP-1421復配，DP9201與XP-1421復配；

破乳劑總加藥量：100 mg/L；

破乳劑復配比例：1：1，1：2，1：3；

試驗溫度：60 ℃。

不同比例復配破乳劑脫水試驗結果分別見圖5～圖7。

圖5 復配破乳劑（1：1）脫水試驗結果

圖6 復配破乳劑（1：2）脫水試驗結果

圖7 復配破乳劑（1：3）脫水試驗結果

由圖5～圖7可以看出，復配比例1：1的破乳劑復配效果最好，其中，破乳劑DP9201與XP-1421按1：1復配后，其脫水率較單藥破乳劑分別提高了約20%和30%，說明多元醇類的破乳劑可以改善破乳效果。但是，在脫水時間90 min的條件下，破乳劑DP9201與XP-1421（復配比例1：1）脫水率仍然只有42.7%，脫水率提高的空間不大，沒有達到80%以上，油水界面性質差。

2.4 破乳劑和絮凝劑復配篩選試驗

由于破乳劑之間的復配協同效果存在一定局限性，有時并不能有效改善含聚原油油水界面張力，破壞乳狀液的雙電層。試驗中也發(fā)現試樣溶液產生沉淀或絮狀懸浮，分析其原因主要是由于與地層水之間的某些物質存在不配伍的現象。

為了進一步提高破乳脫水效果，通過添加絮凝劑作為凈水劑，在一定溫度條件下使絮凝劑與復配的破乳劑配方發(fā)生絡合反應，達到改善破乳體系的目的。

部分絮凝劑具有投量小、絮體大、分離速度快等優(yōu)點，一方面在原油乳狀液中不受強電解質和無機鹽類的影響，絮凝相容性好，當發(fā)生凝結作用時，可破壞界面膜的結構和雙電層，使粒子失去穩(wěn)定作用或發(fā)生電性中和，從而達到破壞乳狀液穩(wěn)定性的效果［3-4］；另一方面可促進連續(xù)相黏度降低，使C-C鏈發(fā)生斷鏈降解反應，聚合物的增黏作用消失，分散相逐漸聚結，達到脫水的目的。選取高分子絮凝劑聚合氯化鋁、聚合氯化鐵、聚合硅酸鋁、聚丙烯酰胺等4種絮凝劑作為乳狀液的凈水劑，用以改善油水界面狀況，提高脫水效率。

原油乳狀液：聚合物濃度300 mg/L，含水率20%；

破乳劑：復配破乳劑DP9201與XP-1421；

破乳劑復配比例：1：1；

破乳劑加藥量：100 mg/L；

絮凝劑加藥量：10 mg/L；

試驗溫度：60 ℃。

破乳劑與絮凝劑復配脫水效果篩選的試驗結果詳見表2。

表2 破乳劑與絮凝劑復配脫水效果篩選試驗結果

由表2可以看出，復配破乳劑配方DP9201與XP-1421分別和絮凝劑聚合氯化鋁、聚合氯化鐵、聚合硅酸鋁、聚丙烯酰胺進行復配后，與單獨使用破乳劑相比，脫水率明顯提高，油水界面狀況明顯改善，其中聚合氯化鋁的復配效果最好，90 min條件下脫水率為77%。

2.5 絮凝劑加藥量試驗

選取絮凝劑聚合氯化鋁作為乳狀液的水質處理劑，進行不同加藥量試驗，選擇脫出水水質界面狀況和脫水率均較好的加藥量。

原油乳狀液：聚合物濃度為300 mg/L，含水率為20%；

破乳劑：復配破乳劑DP9201與XP-1421；

破乳劑復配比例：1：1；

破乳劑加藥量：100 mg/L；

絮凝劑加藥量：5 mg/L、10 mg/L、20 mg/L、50 mg/L、80 mg/L；

試驗溫度：60 ℃。

絮凝劑加藥量試驗結果見表3所示。

表3 絮凝劑加藥量試驗結果

由表3可以看出，破乳劑DP9201與XP-1421和絮凝劑聚合氯化鋁進行不同加藥量復配后，與單獨使用破乳劑相比，脫水率顯著提高，界面狀況大大改善，絮凝劑加藥量為20 mg/L和50 mg/L時脫水效果相當，均可達到80%以上?？紤]性價比，聚合氯化鋁濃度確定為20 mg/L。

因此，含聚原油乳狀液脫水效果和水質較好的破乳體系最佳配方為破乳劑DP9201與XP-1421（復配比例1：1，加藥量100 mg/L）及絮凝劑聚合氯化鋁（加藥量20 mg/L）。

3 配方適應性

采用上述配方體系對該區(qū)塊其他2座脫水站的含聚原油乳狀液進行了處理，用來考察配方的適用性，處理效果詳見表4。由表4可知，2座脫水站90 min后的脫水率均達到了85%以上，表明此配方適用于該區(qū)塊的不同含聚原油乳狀液的脫水處理。

表4 破乳劑配方對其他脫水站的處理結果

4 結論

通過室內脫水試驗研究，確定了針對含聚原油乳狀液脫水率較高、油水界面效果較好的破乳劑復配比例、絮凝劑配方及最佳加藥量。

目前只針對聚合物濃度300 mg/L以下的含聚原油進行了試驗。由于不同區(qū)塊的原油物性有所不同，破乳劑體系的推廣具有一定局限性。但試驗方法具有一定的普遍適用性，對于其他油氣站場的含聚原油脫水可以起到借鑒作用。