高含水低溫原油乳化含水率計算模型

張燕 黃啟玉 孔維敏 崔悅 程顯聞 李曉宇 呂楊 張汛 時浩 朱祥瑞 單錦旭

（1.國家知識產權局中國專利局專利審查協作北京中心；2.中國石油大學（北京）油氣管道輸送安全國家工程實驗室/城市油氣輸配技術北京市重點實驗室）

0 引言

目前，我國油田相繼進入高含水期，集輸管道內原油為油氣水三相分布，油品部分乳化，乳狀液液滴分布在游離水中，乳化程度對油品流變性具有較大影響，乳化含水率越高，黏度越大，油品越易黏附于管壁上，低溫集輸的危險性越高。

根據已有研究，即使油品溫度低于凝點，原油仍可輸送[1]，基于此，部分油田的集輸溫度已降至凝點甚至凝點以下[2]。集輸溫度低于凝點時，乳化含水率的提高仍會導致高含水原油油水體系黏度上升[3]，原油黏度受乳化含水率影響，而黏度為水力熱力計算不可缺少的參數，因此，高含水（70%～95%）、低溫（凝點以下10 ℃～凝點以上5 ℃）條件下乳化含水率是低溫集輸工藝計算的重要參數，而目前沒有適用于高含水原油低溫條件下的乳化含水率計算方法，因此，開展高含水原油低溫條件下的原油乳化含水率研究，探尋低溫條件下混合條件對乳化含水率的影響規律，提出用于低溫集輸過程的乳化含水率計算模型，對低溫集輸工藝具有重要的意義。

國內外學者針對混合條件對油水兩相體系乳化特性的影響進行了大量研究，其研究的影響因素主要為分散相比例、溫度、剪切強度。已有剪切強度對乳化特性的影響研究主要有兩種結論：大多數研究[4-8]發現，剪切強度越大，乳狀液粒徑越大，數量越多，更利于乳狀液的穩定；另一些研究[9-11]則發現，乳狀液的穩定性隨著剪切強度的增加呈現先增后減的趨勢，當剪切強度超過某一臨界值后，穩定性開始下降。已有油水體積比對乳化特性影響研究[4-7,12-13]結論較一致：隨著含水率的增加，乳狀液的分水率降低。不同條件下，原油溫度對其乳化特性的影響規律是不同的：大多數情況下，溫度越高，乳狀液穩定性越低，水越容易析出[13-19]；但某些情況下，溫度升高反而有可能導致原油乳狀液的穩定性增強[20-21]。

對已有研究結果進行綜合分析后發現，國內外對原油乳化特性的研究多為凝點以上 10～20 ℃條件下的研究，幾乎沒有凝點以下的乳化特性研究，且其綜合含水率多集中于70%以下。因此，本文針對凝點以下10 ℃至凝點以上5 ℃、70%～95%含水率條件下的原油乳化特性開展研究。

1 高含水原油乳化特性實驗設計

1.1 實驗材料

該實驗采用去離子水，以消除水中離子對乳化含水率的影響。實驗所用油品為含蠟原油，蠟含量為16.59%，實驗油樣物性見表1，油品黏溫曲線見圖 1。

表1 實驗油樣性質

圖1 油品黏溫曲線

1.2 實驗裝置[22]2

實驗裝置采用模擬罐，是根據傳統冷指實驗裝置進行的設計，可對原油和水進行攪拌，能夠較好地模擬管道內部的剪切現象，有效反映乳化情況。該裝置由以下三部分組成：（1）高度為110 mm、直徑為70 mm的圓柱形攪拌容器（外有水套）；（2）AC200型循環水浴槽；（3）由葉輪和轉速表組成的動力攪拌系統。該裝置的圓柱形攪拌容器與循環水浴槽連接，且容器底部設有閥門，可進行油水取樣，其結構示意圖詳見圖2。

圖2 實驗裝置示意圖

1.3 實驗條件確定

高含水期油田現場含水率一般高于70%，因此綜合含水率取 70%～95%。目前低溫集輸溫度可降至凝點甚至低于凝點，因此，實驗溫度取凝點以下10 ℃到凝點以上5 ℃。實驗轉速根據現場集輸剪切率確定，實驗裝置剪切率的計算采用張勁軍等[23]建立的攪拌槽內平均剪切率計算方法，計算公式詳見式（1）～式（2）。此計算方法根據能量耗散原理得到攪拌時流體的剪切率，計算所得剪切率與根據實測扭矩得到的剪切率非常接近，計算結果準確度高。現場管道直徑為50 mm、壁厚3.5 mm，流量為10～70 m3/d，以水為流體進行標定，模擬罐轉速與現場管道剪切率的對應關系詳見表2，選擇200～800 r/min范圍內轉速進行實驗。

式中：——管道剪切率，s-1；——模擬罐剪切率，s-1；Q——管道流量，m3/s；D——管道內徑，m；μ——黏度，m2/s；N——模擬罐轉速，r/min。

表2 模擬罐轉速與現場剪切率對應關系

1.4 實驗方法[22]2

該實驗包括單變量因素下乳狀液的制備和游離水析出量的統計。在攪拌條件下，將混合液溫度從凝點以上 5 ℃開始降溫，為較好地模擬現場降溫過程，該實驗以恒定速率降溫的方式進行。

具體操作步驟：

（1）將油品在80 ℃下加熱2 h后在常溫條件下靜置24 h；（2）將油品與水在凝點以上5 ℃的水浴中恒溫1 h，然后將油水按比例加入模擬罐中；（3）在實驗轉速下進行攪拌，從凝點以上5 ℃開始，以1 ℃/min的降溫速率逐步降溫，降至凝點以下10 ℃后，恒溫攪拌10 min；（4）打開模擬罐出水閥，將油水乳化液及游離水排放入蘿卜瓶中，立刻讀取析水量，計算此時的乳化含水率。

2 實驗結果

2.1 溫度對乳化含水率的影響

保持剪切率及綜合含水率不變，進行凝點以上5 ℃、2 ℃，凝點，凝點以下 3 ℃、5 ℃、8 ℃和 10 ℃下的乳化含水率實驗。對乳化含水率隨溫度的變化規律進行分析后發現，凝點前后溫度對乳化含水率的影響規律是不同的：當溫度高于凝點時，乳化含水率隨溫度降低而升高；當溫度低于凝點時，乳化含水率隨溫度降低而降低。乳化含水率隨溫度變化情況詳見圖3。

圖3 乳化含水率隨溫度變化曲線

分析原因：溫度高于凝點時，隨著溫度的降低，蠟、瀝青質等逐步在油水界面膜吸附，界面膜強度增大，在相同的剪切率下，破乳難度上升，乳化含水率升高，同時隨著溫度降低，黏度上升，發生絮凝所需時間增加，破乳難度增大，乳化含水率升高；凝點以下，隨著溫度進一步降低，黏度急劇增大，油品流動性惡化，流動性處于液體和固體之間，界面張力快速增大，乳狀液的形成速率急劇降低，導致乳化含水率降低，另外由于流動性差，在剪切條件下易于破乳，且乳狀液難以再次形成，導致乳化含水率降低。

2.2 剪切率對乳化含水率的影響

保持溫度和綜合含水率不變，進行 11.14 s-1、20.15 s-1、30.68 s-1、42.51 s-1、55.49 s-1、69.51 s-1和84.49 s-1剪切率下的乳化含水率實驗。對乳化含水率隨剪切率的變化規律進行分析后發現，隨剪切率升高，乳化含水率逐漸上升，且上升幅度由小變大再變小。乳化含水率隨剪切率變化情況見圖4。

圖4 乳化含水率隨剪切率變化曲線

分析原因：隨著剪切率的升高，單位時間內油和水被剪切為小液滴的個數增多，乳狀液形成速率增大，乳化含水率升高；隨著剪切率增大，液滴粒徑減小，粒徑分布趨于均勻，有利于乳狀液穩定，表現為乳化含水率升高。但當體系內乳化含水率達到一定程度時，體系乳化含水率已經接近飽和，由于幾何限制和油品本身性質的限制，乳化含水率很難繼續快速增大，因此變化趨勢變緩。所以隨著轉速增大，乳化含水率增大趨勢由小變大再變小。

2.3 綜合含水率對乳化含水率的影響

保持溫度和剪切率不變，進行70%、75%、80%、85%、90%、95%這6個綜合含水率下的乳化實驗，發現隨著綜合含水率的增高，乳化含水率逐漸下降。乳化含水率隨綜合含水率變化情況詳見圖5。

圖5 乳化含水率隨綜合含水率變化曲線

分析原因：隨著綜合含水率升高，液滴間距離上升，膠質、瀝青質等吸附成膜所需經過路徑增大，界面膜形成所需時間增長，乳狀液形成速率降低；混合液中綜合含水率增加時，水相體積分數增大，此時將水相破碎成微小水滴需要耗費的能量增加，需要輸入的攪拌功增多，因此相同攪拌強度下，水相破碎形成的小水滴數量減小，乳狀液生成速率減小；水相體積分數增大時，混合液中分散形成的相同直徑的水滴數量較多，水滴之間發生絮凝聚并的幾率隨之增加。

2.4 油品物性對乳化含水率的影響

本文實驗所用油品凝點及黏度較低，流動性較好，為探究物性對乳化含水率的影響，選取具有不同性質的油品A和B進行低溫乳化實驗。實驗條件為 80%綜合含水率，11.14 s-1剪切率，實驗結果如表3所示。

表3 不同油品物性下的乳化含水率

由表3可以看出，在相同的溫度、剪切率及綜合含水率條件下，蠟含量越高、黏度越高，則乳化含水率越高。分析原因為：蠟、膠質、瀝青質等活性物質的濃度升高，則形成乳狀液界面膜的速率升高，界面膜強度增大，不易破乳，導致乳化含水率升高，但乳化含水率數值仍較低。

3 乳化含水率計算模型及驗證

通過對實驗結果的分析發現，混合液剪切條件對高含水期原油乳化含水率的影響最大，其次為溫度，綜合含水率的影響最小。分析實驗數據，流動條件下原油乳化含水率與剪切作用呈對數關系；乳化含水率隨溫度升高先增大后減小，考慮用多項式表示其變化規律；乳化含水率與綜合含水率呈對數關系。

根據如上分析對實驗數據進行擬合，得到流動條件下原油乳化含水率與乳化過程中平均轉速、溫度以及混合液綜合含水率之間關系如式（3）所示。該公式適用條件為：油品溫度為凝點以上 5 ℃至凝點以下10 ℃，綜合含水率為70%～95%，剪切率為0～100 s-1。蠟含量、膠質、瀝青質等對乳化含水率有一定影響，為了方便現場測量應用，計算模型中通過油品黏度來表征油品綜合性質的影響。

式（3）中：Φ——流動條件下混合液乳化含水率，%；η——混合液綜合含水率，%，范圍為70%～95%；T——混合液溫度，℃；T0——油品凝點，℃；a～f——擬合參數。

對實驗油品所在區塊開展低溫集輸現場試驗時，現場回油溫度降至20 ℃（凝點以下8 ℃），此時取樣測得的油品乳化含水率為10%，計算所得乳化含水率為11.2%，相對誤差為12%。

此外，對油品B所在區塊也開展了低溫集輸現場試驗及室內乳化實驗，進一步對上述模型進行驗證，以確保模型的準確性。

油品 B密度為 835 kg/m3（50 ℃），析蠟點為67 ℃，其他物性參數詳見表3。油品B的擬合參數a～f分別為 0.015 81，316 654.8，0.892 2，1.727 5，33.827，-17 611.2，乳化含水率驗證數據如表4所示。根據式（3）計算得到的流動條件下原油混合液乳化含水率與實測乳化含水率之間的平均相對誤差為9.01%。

油品B所在油井為低溫集輸試驗油井，油品綜合含水率為80%，管道平均剪切率為11 s-1，到計量間溫度為43 ℃（在計算模型適用溫度范圍內）。油田現場測得的乳化含水率為23%，利用此計算模型計算所得乳化含水率為26%，相對誤差為13%，說明該計算模型計算結果可較好地反映低溫集輸管道內的實際乳化情況。

表4 乳化含水率計算模型驗證

4 結論

本文研究了低溫高含水原油懸浮液體系中，剪切率、溫度以及綜合含水率對乳化含水率的影響規律，得出以下結論：

（1）在凝點以上5 ℃至凝點以下10 ℃的溫度范圍內，當體系溫度高于凝點時，乳化含水率隨溫度降低逐漸升高，凝點以下，隨著溫度的降低乳化含水率逐漸降低；

（2）剪切率在100 s-1以內，隨著轉速的升高乳化含水率逐漸升高，50～80 s-1剪切率范圍為乳化含水率的快速增長期，50 s-1以下乳化含水率隨剪切增長趨勢較平穩，80 s-1以上剪切率下乳化接近飽和，增長趨勢也較緩慢；

（3）在高含水范圍內，乳化含水率隨綜合含水率的上升逐漸降低；

（4）當混合條件相同時，油品蠟含量越高、黏度越高，凝點以下乳化含水率越高；

（5）根據實驗結果，對三個因素綜合擬合，得到高含水、低溫條件下的原油乳化含水率計算模型，平均相對誤差為9.01%。

部分油田集輸溫度降到了凝點以下，而目前尚無計算模型可計算凝點以下流動油品的乳化含水率。本文提出了專門用于高含水原油低溫集輸的乳化含水率計算模型，可應用于現場實際計算，乳化含水率計算結果與現場實際的相對誤差為13%。