油包水乳狀液物性影響因素實(shí)驗(yàn)研究

李照成 李洪松 陳魯 贠智強(qiáng) 遲紅利 王強(qiáng) 郭強(qiáng)

（1.中國(guó)石化勝利油田河口采油廠；2.青島科技大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院；3.勝利油田勝利化工有限公司山東東營(yíng)）

在現(xiàn)代油田的開(kāi)采過(guò)程中，油水混輸技術(shù)的應(yīng)用越發(fā)廣泛[1]。在輸送過(guò)程中，油水混合液在經(jīng)過(guò)管道結(jié)合處，閥門(mén)，壓縮泵等處的高速剪切作用后非常容易形成油水乳狀液[2]。原油乳狀液的凝點(diǎn)與黏度會(huì)隨著含水率的變化而受到影響，由于分散相水滴的存在，乳狀液體系中存在著內(nèi)相與外相，其流變與析蠟特性會(huì)因?yàn)橐旱闻c液滴之間的作用而變得復(fù)雜[3]。此外原油是一種復(fù)雜的烴類混合物，含有飽和烴、芳烴、石蠟、樹(shù)脂等多種物質(zhì)[4]。樹(shù)脂和瀝青質(zhì)是極性化合物，當(dāng)原油乳狀液在被高速剪切時(shí)，其可視為表面活性劑，從而促進(jìn)乳狀液的形成并且會(huì)影響乳狀液的物性[5]，因此不同種類的原油因?yàn)槠涑煞直壤煌憩F(xiàn)出的析蠟特性及流變性也是有差異的。在管輸過(guò)程中，油包水乳狀液的析蠟與流變特性對(duì)管道運(yùn)行的影響十分重要，它關(guān)系到在現(xiàn)場(chǎng)操作中應(yīng)該采取什么樣的摻水溫度、摻水比以及輸送壓力，并且還決定了管道停輸再啟動(dòng)的難易程度[6]。這些參數(shù)對(duì)管輸過(guò)程中的能源消耗具有十分重要的影響。因此基于勝利油田兩種不同種類的原油，并配置成不同含水率的原油乳狀液，通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)得其凝點(diǎn)及黏度的變化并分析其變化的原因，對(duì)管道的安全經(jīng)濟(jì)輸送有十分重要的意義。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

試驗(yàn)所用脫水原油取自勝利油田河口采油廠丁王聯(lián)合站與渤三聯(lián)合站，將其分別命名為Oil1與Oil2。實(shí)驗(yàn)原油組分含量及基礎(chǔ)物性見(jiàn)表1，并且為保證試驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性，摻水水樣也從現(xiàn)場(chǎng)獲取。利用XR-B500S高剪切乳化機(jī)將兩種原油分別配制含水率為10%、20%、30%、40%、50%、60%。實(shí)驗(yàn)設(shè)備采用：NDJ-5S布氏黏度計(jì)、恒溫磁力攪拌器、SYD-510型石油凝點(diǎn)試驗(yàn)器、XR-B500S高剪切乳化機(jī)。

表1 實(shí)驗(yàn)原油組分含量及基礎(chǔ)物性

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

為了確保試驗(yàn)油樣具有代表性，分別在勝利油田河口采油廠渤三聯(lián)合站和丁王聯(lián)合站進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)取樣，并分裝到磨口瓶中密封保存使用。在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，為保證相關(guān)數(shù)據(jù)的重現(xiàn)性，應(yīng)對(duì)試驗(yàn)油樣進(jìn)行預(yù)處理以減小實(shí)驗(yàn)誤差。將一定量的原油裝入磨口試瓶中，將燒瓶固定于水浴加熱器中加熱至80℃后恒溫保持2 h，使油樣達(dá)到一個(gè)均勻的狀態(tài)，隨后在室溫條件下冷卻48 h，作為實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)油樣[7]。

參照原油降凝降黏劑效果的評(píng)定方法SY/T 0541—2009《原油凝點(diǎn)測(cè)定法》、SY/T5767—2016《原油管道添加降凝劑輸送技術(shù)規(guī)范》，測(cè)定Oil1與Oil2在含水10%、20%、30%、40%、50%、60%下的凝點(diǎn)、黏度、黏溫曲線。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 含水率對(duì)原油乳狀液凝點(diǎn)的影響

由圖1可以看出，Oil1凝點(diǎn)遠(yuǎn)高于Oil2。Oil1乳狀液凝點(diǎn)受含水的影響并不大，在含水率為0～30%時(shí)，原油乳狀液凝點(diǎn)幾乎沒(méi)有變化，當(dāng)含水率超過(guò)30%后，凝點(diǎn)開(kāi)始迅速上升。當(dāng)達(dá)到最大含水率60%，凝點(diǎn)值為38.5℃，高出脫水原油凝點(diǎn)7.5℃。而Oil2原油乳狀液凝點(diǎn)在剛開(kāi)始受含水率的影響較大，但隨著含水率的升高，凝點(diǎn)值的增長(zhǎng)趨勢(shì)變緩，當(dāng)含水率到達(dá)50%時(shí)，凝點(diǎn)開(kāi)始下降。此時(shí)凝點(diǎn)值為23.5℃，高出脫水原油凝點(diǎn)6.5℃。

圖1 不同原油乳狀液凝點(diǎn)與含水率的變化曲線

從整體上來(lái)說(shuō)，由于摻水后乳狀液的動(dòng)力層厚度增加，兩種原油在摻水后凝點(diǎn)均有所上升，但是隨著含水率的增加，分散相液滴之間的距離變大，導(dǎo)致液滴間距之間的距離足以容納下別的分子，使分子之間的作用力變小，這又使得動(dòng)力層厚度減小，在兩種作用趨勢(shì)下，使得摻水后乳狀液的動(dòng)力層厚度基本保持不變。從表1可以看出，Oil1含蠟量較高，因此它的凝點(diǎn)遠(yuǎn)高于Oil2原油，但是其瀝青質(zhì)含量與膠質(zhì)含量低于Oil2原油。膠質(zhì)與瀝青質(zhì)屬于表面活性物質(zhì)，對(duì)原油乳狀液的形成具有促進(jìn)作用，水相與油相的結(jié)合比較緊密，因此在低含水的狀態(tài)下Oil2乳狀液凝點(diǎn)隨含水率的升高增長(zhǎng)較快。當(dāng)含水率為50%的時(shí)候，Oil2乳狀液的凝點(diǎn)有所下降，此時(shí)Oil2乳狀液可能發(fā)生了轉(zhuǎn)相。而當(dāng)含水率大于40%后，Oil1乳狀液凝點(diǎn)迅速上升。這是由于隨著含水率的繼續(xù)升高，分散相液滴數(shù)量增加，液滴之間的距離減小但分子作用力增大，導(dǎo)致包裹水滴的蠟晶網(wǎng)格的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度增加[8]。所以，Oil1乳狀液凝點(diǎn)升高。

2.2 含水率對(duì)原油乳狀液黏度的影響

在管輸工藝的計(jì)算過(guò)程中，原油乳狀液的黏度是一個(gè)十分重要的參數(shù)。所以在評(píng)價(jià)原油乳狀液的流變性時(shí)，通常把黏度作為重要的評(píng)價(jià)指標(biāo)。通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)試在不同含水率，不同溫度條件下兩種原油乳狀液的黏溫曲線，來(lái)得出不同溫度，不同原油組分對(duì)原油乳狀液黏度的影響。

2.2.1 原油組分對(duì)原油乳狀液黏度的影響

在不同含水率條件下，對(duì)Oil1與Oil2乳狀液進(jìn)行測(cè)量，不同原油乳狀液黏度與含水率間的關(guān)系如圖2所示。由圖2可以看出，在不摻水的條件下，Oil2的黏度高于Oil1，這是因?yàn)樵?0℃的條件下，原油中的蠟晶基本還未析出，影響原油流動(dòng)性的主要因素為瀝青質(zhì)與膠質(zhì)的含量。由表1可知Oil2重組分的含量較大于Oil1。但隨著含水率的逐漸升高，尤其是當(dāng)含水率超高10%后，兩種原油乳狀液的黏度都迅速升高。當(dāng)含水率大于40%后，Oil2乳狀液黏度的增長(zhǎng)速度放緩，并且當(dāng)含水率大于50%后，其黏度開(kāi)始降低，這也說(shuō)明Oil2乳狀液的轉(zhuǎn)相點(diǎn)為含水50%。而Oil1乳狀液的黏度還在隨著含水率的升高在繼續(xù)上升。這說(shuō)明其反相點(diǎn)要遠(yuǎn)高于Oil1乳狀液。這種現(xiàn)象原因是因?yàn)楫?dāng)含水率較小時(shí)，水在乳狀液中是以分散相的狀態(tài)存在的，水液滴之間的間隔比較大，此時(shí)乳狀液的黏度主要是通過(guò)連續(xù)相（油）來(lái)體現(xiàn)的，此時(shí)乳狀液黏度的增長(zhǎng)趨勢(shì)較緩[9]。

圖2 不同原油乳狀液黏度與含水率間的關(guān)系

當(dāng)含水率繼續(xù)增大，油相中分散的水液滴逐漸增加，兩相之間的接觸面增大，液滴之間的相互作用增強(qiáng)加之相間表面能的作用，導(dǎo)致表觀黏度增大[10]。當(dāng)含水率接近反相點(diǎn)后，乳狀液轉(zhuǎn)相，液滴出現(xiàn)形變，此時(shí)黏度急劇下降。Oil2由于含有較高的膠質(zhì)及瀝青質(zhì)，其可被視為表面活性劑從而使油水之間的界面張力降低，并且能夠促進(jìn)油包水型乳狀液轉(zhuǎn)變?yōu)樗托腿闋钜骸６鳲il1膠質(zhì)及瀝青質(zhì)含量比較低，因此其反相點(diǎn)要大于當(dāng)前的最大摻水量（50%），這也說(shuō)明不同組分的原油乳狀液物性差別較大，在現(xiàn)場(chǎng)摻水輸送的過(guò)程中應(yīng)注意根據(jù)原油的組分差異選擇合適的運(yùn)行參數(shù)。

2.2.2 溫度對(duì)原油乳狀液黏度的影響

圖3 不同含水率的Oil 1原油乳狀液的黏溫曲線

圖4 不同含水率的Oi l 2乳狀液的黏溫曲線

溫度對(duì)原油流變性的影響非常大，最直觀的表現(xiàn)是原油的表觀黏度對(duì)溫度的變化十分敏感。本實(shí)驗(yàn)通過(guò)繪制含水率分別為10%、20%、30%、40%、50%、60%條件下黏溫曲線，來(lái)探究原油乳狀液的黏溫特性。由圖3和圖4可以看出，兩種原油乳狀液黏度都隨著溫度的逐漸升高，黏度逐漸減小，其中，Oil1乳狀液的黏度受溫度的影響比較大。通過(guò)觀察兩圖中的曲線可知，在溫度降低到40℃以下后，不同含水率條件Oil1乳狀液黏度隨著溫度的降低急劇上升。Oil2乳狀液的黏度隨溫度的升高緩慢降低，變化趨勢(shì)基本保持不變，其中當(dāng)含水率為50%時(shí)，其黏度有所下降并且黏溫曲線斜率減小。這說(shuō)明原油乳狀液在反相點(diǎn)之前時(shí)，其黏溫曲線的變化趨勢(shì)類似，當(dāng)含水率越過(guò)反相點(diǎn)后，乳狀液的黏溫曲線開(kāi)始出現(xiàn)變化。因此可知，在原油乳狀液的輸送過(guò)程中，想要有效降低油包水乳狀液的黏度，不只需要盲目的進(jìn)行加熱，還需要根據(jù)原油乳狀液的特性及現(xiàn)場(chǎng)要求選擇合適的含水率，以滿足節(jié)能降耗的需要。

3 摻水系統(tǒng)能耗費(fèi)用計(jì)算

根據(jù)兩種原油乳狀液凝點(diǎn)與黏度隨含水率變化的曲線可以得知，含水率在30%之前時(shí)其增長(zhǎng)趨勢(shì)都較為緩慢，當(dāng)越過(guò)30%后，凝點(diǎn)與黏度都迅速增長(zhǎng)。此外根據(jù)兩種原油乳狀液的黏溫曲線也發(fā)現(xiàn)，在高溫狀態(tài)下溫度對(duì)原油乳狀液黏度的影響并不大。綜合上述結(jié)論并結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)開(kāi)采及輸送的要求，計(jì)算得出在丁王原油乳狀液的輸送過(guò)程中，摻水比率可選擇30%，摻水后原油乳狀液的溫度可為60℃。通過(guò)對(duì)不同摻水比例系統(tǒng)的燃?xì)饧半娏M(fèi)用的分析計(jì)算并與現(xiàn)場(chǎng)所采集到脫水后進(jìn)行輸送的歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比發(fā)現(xiàn)，由表2可以看出，當(dāng)原油乳狀液在含水30%的條件下進(jìn)行輸送時(shí)，綜合能耗費(fèi)用大幅降低，與輸送脫水原油相比，綜合能耗費(fèi)用可降低約17%。

表2 輸送不同摻水比率原油乳狀液的費(fèi)用

4 結(jié)論

1）通過(guò)對(duì)不同含水率條件下兩種原油乳狀液的凝點(diǎn)，黏度進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)量，得出乳狀液在油包水的狀態(tài)下，凝點(diǎn)溫度與黏度是隨著含水率的增加不斷升高，但不同組分的原油乳狀液，凝點(diǎn)與黏度的變化趨勢(shì)不同，原油中的膠質(zhì)及瀝青質(zhì)會(huì)促進(jìn)乳狀液的形成，從而在低含水的狀態(tài)下渤三原油凝點(diǎn)上升較快。在黏度方面，當(dāng)含水率為0～50%時(shí)，兩種原油的黏度都隨著含水率的升高逐漸升高，但丁王原油乳狀液黏度的增長(zhǎng)速度要大于渤三原油，當(dāng)含水率超過(guò)50%后，渤三原油乳狀液黏度開(kāi)始下降，這說(shuō)明渤三原油的反相點(diǎn)為含水率50%。因此在原油乳狀液的輸送過(guò)程中，要注意其凝點(diǎn)與黏度隨含水率的變化來(lái)及時(shí)調(diào)整運(yùn)行參數(shù)。

2）通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)量并繪出兩種原油的黏溫曲線，發(fā)現(xiàn)在兩種原油乳狀液反相點(diǎn)之前，其黏度隨溫度的變化規(guī)律與脫水原油類似，乳狀液黏度都隨著溫度的上升迅速下降。但不同含水乳狀液的黏度區(qū)別較大，因根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際需要選擇合適的含水率及輸送溫度。

3）結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際情況，原油乳狀液在含水率為30%條件下進(jìn)行輸送，與輸送脫水原油相比，綜合能耗費(fèi)用可降低約17%。