無(wú)機(jī)雜質(zhì)顆粒對(duì)三元復(fù)合驅(qū)原油介電性能的影響*

大慶油田設(shè)計(jì)院有限公司

隨著油田開(kāi)采進(jìn)入高含水階段，為了保證原油產(chǎn)量，三元復(fù)合驅(qū)等強(qiáng)化采油技術(shù)廣泛應(yīng)用于油田生產(chǎn)中。三元復(fù)合驅(qū)產(chǎn)出原油中含有來(lái)自于地層或驅(qū)油過(guò)程中引入的無(wú)機(jī)和有機(jī)雜質(zhì)顆粒[1]，將直接影響采出液處理工藝[2-3]，尤其是油水乳化的電脫水處理工藝[4-5]。為適應(yīng)原油破乳脫水技術(shù)的發(fā)展，不僅要開(kāi)發(fā)新型電脫水設(shè)備和技術(shù)[6]，還應(yīng)研究原油介電性能的影響因素，盡管有關(guān)原油介電性能的研究未見(jiàn)報(bào)道，但是可以借鑒關(guān)于液體和絕緣油等方面的研究開(kāi)展相關(guān)工作[7-9]。

從微觀角度看，含雜質(zhì)顆粒的原油應(yīng)該存在3種影響介電性能的因素：①烷烴、環(huán)烷烴等非極性分子的電子位移極化；②偶極性電介質(zhì)脂肪酸、膠質(zhì)、瀝青質(zhì)的電子位移極化和偶極式取向極化；③原油中雜質(zhì)顆粒的電子位移極化和取向極化。因此，對(duì)于含有雜質(zhì)顆粒的原油，影響其介電性能的主要因素包括偶極性烴類分子的極化和雜質(zhì)顆粒的極化。本文研究了原油中雜質(zhì)對(duì)原油介電性能的影響，可為原油乳狀液電脫水工藝改進(jìn)提供理論依據(jù)。

1 無(wú)機(jī)離子的存在狀態(tài)

大慶油田三元復(fù)合驅(qū)采出液脫水工藝總體上采用兩段脫水工藝：一段游離水脫除器，用于脫除采出液中的大部分游離水；二段電脫水器，實(shí)現(xiàn)原油的凈化脫水。由于污水沉降罐回收油嚴(yán)重影響電脫水器的平穩(wěn)運(yùn)行，對(duì)污水沉降罐回收油采取單獨(dú)回收、加熱沉降脫水。在脫水站工藝流程的不同環(huán)節(jié)取樣，沉降分層后，分別取上層油樣和下層水樣進(jìn)行測(cè)試。表1為不同原油樣品和水樣品經(jīng)ICP分析檢測(cè)得到的元素離子含量。其中電脫水器水出口的樣品是降低電脫水器油水界面后的取樣，樣品中含有大量的油水過(guò)渡層。

表1 脫水站不同工藝環(huán)節(jié)的油樣和水樣中元素含量Tab.1 Element contents in oil and water samples of different process links in dehydration stationsμg/g

從表1可以看出，油層中含有很高濃度的Fe3+和Al3+，而水中則含有相對(duì)高濃度的Na+。說(shuō)明三元復(fù)合驅(qū)脫水站油性樣品中含有大量油溶性的Fe元素和Al元素，而且其中Fe和Al元素離子含量要遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于油水共存樣品中的含量。特別指出的是，處理系統(tǒng)回收油中Fe和Al元素離子含量最高，可以推測(cè)，這種狀態(tài)的Fe離子會(huì)持續(xù)在油中生成和富集。另外，脫水站油中含有Ca2+，說(shuō)明這些離子能夠以非水溶性的狀態(tài)存在于油中。

2 無(wú)機(jī)雜質(zhì)顆粒的存在狀態(tài)

從原油中分離出來(lái)的無(wú)機(jī)雜質(zhì)顆粒，通過(guò)電鏡掃描和能譜分析確定形貌特征和晶體存在形式。由無(wú)機(jī)雜質(zhì)顆粒的SEM照片（圖1）和EDS能譜（圖2）可知，無(wú)機(jī)雜質(zhì)顆粒主要呈現(xiàn)出塊狀、顆粒狀和蜂窩狀薄片等形貌特征。EDS能譜的面掃結(jié)果表明，無(wú)機(jī)雜質(zhì)顆粒主要含有O、Si、Ca、Al、Fe、Mg和Na等元素。

圖1 無(wú)機(jī)雜質(zhì)的SEM照片F(xiàn)ig.1 SEM photographs of inorganic impurities

圖2 無(wú)機(jī)雜質(zhì)的EDS能譜Fig.2 EDS spectra of inorganic impurities

圖3 無(wú)機(jī)雜質(zhì)的XRD譜圖Fig.3 XRD patterns of inorganic impurities

圖3為無(wú)機(jī)雜質(zhì)顆粒的XRD譜圖，表明上述元素主要以硅鋁酸鹽形式存在。

3 不同物質(zhì)對(duì)原油介電性能的影響

以環(huán)己烷代替原油為研究對(duì)象，將來(lái)自于原油中的雜質(zhì)和油溶性表面活性劑烷基苯磺酸鈉18-2 ABS摻雜到環(huán)己烷中，以考察其對(duì)環(huán)己烷介電性能的影響。表2是選取的4種雜質(zhì)（12號(hào)雜質(zhì)為電脫水器絕緣吊掛淤積物，21號(hào)雜質(zhì)為電脫水器底部淤積物，22號(hào)雜質(zhì)為電脫水器極板淤積物，31號(hào)雜質(zhì)為三元復(fù)合驅(qū)污水處理站過(guò)粗濾器篩管淤積物）中各成分的組成情況，雜質(zhì)在各無(wú)機(jī)物的組成上均具有代表性，其中一種油溶性較好的表面活性劑18-2 ABS結(jié)構(gòu)如圖4所示。

表2 各樣品中雜質(zhì)組成成分Tab.2 Impurity composition in each sample質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%

圖4 對(duì)二甲基烷基苯磺酸鈉18-2 ABS結(jié)構(gòu)Fig.4 Molecular structure of sodium para-dimethyl alkylbenzene sulfonate 18-2 ABS

圖5 不同雜質(zhì)及18-2 ABS摻雜對(duì)環(huán)己烷溶液電容的影響Fig.5 Effect of mingling different impurities and 18-2 ABS on capacitance of cyclohexane

圖5是雜質(zhì)和18-2 ABS摻雜量不同對(duì)環(huán)己烷溶液電容的影響。由圖5可知，雜質(zhì)和18-2 ABS的摻雜在實(shí)驗(yàn)范圍內(nèi)均使環(huán)己烷的電容減小，也就是介電常數(shù)減小，純凈環(huán)己烷的電容為5.24 pF，摻雜后均小于此值。這說(shuō)明雜質(zhì)和18-2 ABS的摻雜導(dǎo)致環(huán)己烷的介電性能降低，在電場(chǎng)存在下，相較于環(huán)己烷，摻雜溶液的電導(dǎo)率會(huì)更大或者更容易在強(qiáng)電場(chǎng)下被擊穿。

除了含22號(hào)雜質(zhì)的樣品（電脫水器極板淤積物）外，其他雜質(zhì)摻雜的環(huán)己烷的電容值均隨著雜質(zhì)含量的增加呈現(xiàn)出先降低后升高的趨勢(shì)。這說(shuō)明，在合適的雜質(zhì)含量時(shí)，環(huán)己烷溶液會(huì)表現(xiàn)出最小的電容值，此時(shí)，環(huán)己烷溶液介電性能最差，最容易導(dǎo)電和被電場(chǎng)擊穿。其中含12號(hào)雜質(zhì)的樣品（電脫水器絕緣吊掛淤積物）具有最低電容值，此雜質(zhì)中含有較高含量的K2O、Na2O和BaCO3，說(shuō)明這些物質(zhì)能更多地降低環(huán)己烷的介電性能。含21號(hào)雜質(zhì)的樣品（電脫水器底部淤積物）同樣含有較多的碳酸鹽，如CaCO3、MgCO3和BaCO3，這些物質(zhì)也具有相對(duì)高的降低環(huán)己烷介電性能的能力。含22號(hào)雜質(zhì)的樣品（電脫水器極板淤積物）中含有較多的Fe2O3，隨著含量的增加，環(huán)己烷的電容值逐漸升高，這可能來(lái)自于Fe2O3的聚集長(zhǎng)大，不利于其在電場(chǎng)中的移動(dòng)，從而增加了電容。那么隨著其他樣品雜質(zhì)含量的增加，同樣是由于顆粒的聚集導(dǎo)致電容增加。

對(duì)于18-2 ABS，只測(cè)試了一個(gè)0.1%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）的濃度，表明環(huán)己烷溶液的電容值同樣由于18-2 ABS存在而下降。

以上結(jié)果表明，無(wú)論是極性的烷基苯磺酸鈉18-2 ABS，還是具有在電場(chǎng)下發(fā)生極化而產(chǎn)生極性的無(wú)機(jī)雜質(zhì)顆粒，在實(shí)驗(yàn)所考察的摻雜濃度范圍內(nèi)，均造成環(huán)己烷溶液介電性能的降低，導(dǎo)致溶液導(dǎo)電率的增加和耐擊穿性能的降低。

4 結(jié)論

（1）Fe化合物的生成和在原油樣品中的富集，從而造成原油樣品中油溶性Fe化合物含量增加，Ca元素也會(huì)以油溶化合物形式存在于原油樣品中。集輸處理系統(tǒng)回收油不能有效處理，在脫水設(shè)備中循環(huán)，是造成某些站場(chǎng)油水乳狀液中Fe元素含量高的一個(gè)重要原因。

（2）無(wú)機(jī)雜質(zhì)顆粒會(huì)造成環(huán)己烷介電性能的降低，增加環(huán)己烷的導(dǎo)電性能。在環(huán)己烷中，無(wú)機(jī)雜質(zhì)顆粒含量達(dá)到合適水平，環(huán)己烷表現(xiàn)出最低介電常數(shù)。三元復(fù)合驅(qū)采出液高含量的雜質(zhì)顆粒造成原油介電常數(shù)降低，是電脫水設(shè)備脫水電流大的一個(gè)主要原因。