氮氣泡沫驅對原油破乳脫水的影響及對策

李暉

中國石油吐哈油田公司工程技術研究院

隨著采油技術的發展，氮氣泡沫驅已成為油田提高采收率的有效開發技術[1]。目前，氮氣泡沫驅技術在吐哈油田魯克沁深層稠油油藏改善水驅開發效果中取得了良好的增油降水效果，有效地降低了原油自然遞減率和油井含水上升率。2014 年進行氮氣泡沫驅先導試驗，2016年4月擴大試驗區，已累計增油數十萬噸。加入的起泡劑經過地面到地下、再到地面這個過程，與原油混合在一起，使得采出的原油乳狀液穩定性更高[2]。隨著氮氣泡沫驅技術在油田大面積推廣應用，綜合采出液中氮氣泡沫驅采出液的比例逐年增加，經聯合站脫水器后原油含水率上升問題隨之凸顯，氮氣泡沫驅采出液的破乳問題日益突出[3]。本文以魯克沁氮氣泡沫驅采出液為研究對象，探究氮氣泡沫驅采出液和起泡劑對聯合站來液破乳脫水的影響，并優化破乳劑和現場工藝，為現場運行提供技術支持。

1 實驗

1.1 儀器與藥品

儀器：OWC-4060型恒速攪拌器（沈陽市固測井石油儀器研究所）；AE240型電子天平（梅特勒-托力多上海儀器有限公司）；HH600 型恒溫水浴鍋（金壇市杰瑞爾電器有限公司）；ZETASIZER-NANO-ZS-90 型激光粒度及Zeta 電位分析儀（英國馬爾文公司）。

藥品：氮氣泡沫驅用起泡劑（工業級）；破乳劑2#（工業級）；待評價破乳劑3#、4#、5#、6#、7#、8#、9#、10#、11#、12#、13#、14#、15#、16#、17#、18#；200#溶劑油（工業級）。

油樣取自吐哈油田魯中聯合站和204-31 氮氣泡沫驅單井，原油的物性參數見表1。

表1 原油性質分析Tab.1 Crude oil property analysis

1.2 實驗方法

1.2.1 原油含水率測定

參照國家標準GB/T 8929—2006《原油水含量的測定（蒸餾法）》測定原油含水量，以樣品所含水的總質量（包括游離水和投加藥劑帶入的水）為基準計算破乳劑的脫水率。

1.2.2 破乳劑評價

參照石油天然氣行業標準SY/T 5281—2000《原油破乳劑使用性能檢測方法（瓶試法）》，量取100 mL 原油乳狀液于具塞量筒中，放入50 ℃恒溫水浴恒溫5 min 后取出，加入破乳劑，人工振蕩200次，排氣，再置于55 ℃（現場溫度）恒溫水浴中，分別記錄靜置不同時間的脫水量，并觀察油水界面、脫出水顏色及掛壁情況[4]。

2 結果與討論

2.1 氮氣泡沫驅單井采出液對聯合站原油破乳脫水的影響

氮氣泡沫驅單井204-31 采出液和聯合站來液均屬于油包水型乳狀液，含水率分別為43.2%、31.5%。取氮氣泡沫驅單井204-31采出液與聯合站來液按1∶9、2∶8、3∶7 的比例進行破乳實驗，實驗條件55℃，使用現場用破乳劑，質量濃度分別為120、150、180 mg/L，分別讀取10、20、30、60、120 min的脫水數據，計算脫水率。

由圖1～圖3 中的實驗結果可以看出，隨著混合油樣中204-31 單井采出液比例的提高，脫水率會逐漸下降。其中純204-31 單井采出液的脫水率最低，其2 h脫水率僅為46.16%，說明氮氣泡沫采出液脫水困難。氮氣泡沫驅采出液與聯合站來液混合，會影響聯合站的正常脫水，實驗結果與現場情況吻合。通過圖1、圖2 和圖3 的對比可以看出，隨著破乳劑加藥量的增加，脫水率會逐漸增加，說明現場破乳劑對氮氣泡沫驅采出液部分有效，但破乳劑加藥量增大，脫水時間延長，凈化油含水率上升。主要原因是氮氣泡沫驅采出液中的起泡劑屬于表面活性劑，起到乳化作用，經過注入—驅油—采出的過程[5]，起泡劑的作用導致采出液乳化嚴重，原油乳狀液的穩定性增強，脫水率減小[6]。且油樣中膠質和瀝青質含量較高，具有較強的極性和表面活性，吸附在油-水界面上形成具有一定強度的黏彈性膜，給液滴聚集和聚并造成了動力學障礙[7]。

圖1 不同配比在120 mg/L破乳劑濃度下脫水實驗結果Fig.1 Dehydration experiment results at different ratios under 120 mg/L demulsifier concentration

圖2 不同配比在150 mg/L破乳劑濃度下脫水實驗結果Fig.2 Dehydration experiment results at different ratios under 150 mg/L demulsifier concentration

圖3 不同配比在180 mg/L破乳劑濃度下脫水實驗結果Fig.3 Dehydration experiment results at different ratios under 180 mg/L demulsifier concentration

2.2 氮氣泡沫驅起泡劑對聯合站原油破乳脫水的影響

取聯合站混合來液，分別加入質量濃度為0、100、150、200 mg/L的起泡劑，在破乳劑質量濃度為120、150、180 mg/L條件下進行破乳實驗，分別讀取10、20、30、60 min 的脫水數據，計算脫水率。

由圖4～圖6 中的實驗結果可以看出，起泡劑加藥量越大，原油脫水率越小。在不同破乳劑加藥濃度條件下，聯合站混合來液中加入質量濃度為100 mg/L起泡劑時原油的脫水率和未加起泡劑時的脫水率相差較小，說明起泡劑質量濃度低于100 mg/L時，對原油的破乳脫水影響較??；當起泡劑質量濃度增加至150 mg/L以上時，脫水率急劇下降，破乳劑質量濃度為120 mg/L，起泡劑質量濃度為200 mg/L 時，60 min 脫水率僅為15.22%。與破乳劑質量濃度為120 mg/L 未加起泡劑的對照組相比，脫水率下降了64.30%。主要由于起泡劑的主要成分是甜菜堿類表面活性劑，吸附在油水界面上，形成界面膜[8]，當起泡劑濃度較低時，界面吸附的起泡劑分子較少，界面膜強度較差，所形成的乳狀液穩定性也差[9]。繼續增加起泡劑的濃度，起泡劑分子在界面上形成一個緊密的界面膜，其強度相應增大，乳狀液珠之間的聚結所受到的阻力增大，形成的乳狀液的穩定性增強，導致乳狀液破乳脫水困難，相同條件下，脫水率低[10]。

圖4 破乳劑120 mg/L條件下起泡劑對原油破乳的影響Fig.4 Effect of foaming agent on crude oil demulsification at 120 mg/L demulsifier

圖5 破乳劑150 mg/L條件下起泡劑對原油破乳的影響Fig.5 Effect of foaming agent on crude oil demulsification at 150 mg/L demulsifier

圖6 破乳劑180 mg/L條件下起泡劑對原油破乳的影響Fig.6 Effect of foaming agent on crude oil demulsification at 180 mg/L demulsifier

2.3 破乳劑優選

在氮氣泡沫驅采出液中加入不同破乳劑進行破乳脫水實驗。以破乳劑種類為X軸，脫水率和脫出水的含油量為Y軸，作柱狀圖，并對篩選出的破乳劑與現場用破乳劑進行16 h（現場脫水時間）的破乳脫水對比實驗，考察破乳劑在不同階段的脫水能力。

由圖7可以看出，11#空白樣脫水率很低，相同條件下采出液脫水率越高，且脫出水中的含油量越少，則破乳效果越好[11]。8#AR型油溶性破乳劑脫水效果最好，2 h 脫水率為91%，脫出水中含油質量濃度為398 mg/L，脫水率較現場樣提高12%。如圖8所示，8#破乳劑前期脫水速度與水溶性AE型現場樣相當，但后期脫水速度明顯優于現場樣，16 h凈化油含水率能降至0.42%。主要由于水溶性破乳劑大部分會隨著脫出的水進入水相，后期破乳沉降的效率較低。改用油溶性破乳劑后，大部分破乳劑會存在油相中，提高了后期破乳脫水效率[12]。實驗優選出8#AR 型油溶性破乳劑，針對氮氣泡沫驅采出液，破乳效果優于現場樣。

圖7 100 mg/L質量濃度下破乳劑篩選實驗結果Fig.7 Screening experiment results of demulsifier at 100 mg/L mass concentration

圖8 兩種破乳劑靜置沉降破乳效果對比Fig.8 Comparison of demulsification effect of two demulsifiers by static sedimentation

2.4 工藝改進

魯中聯合站的原油處理工藝中，一級三相分離器的停留時間約為1 h，二級脫水器停留時間約1 h，三級沉降罐停留時間約14 h，整個流程的處理時間16 h。現場對工藝進行優化（圖9），通過將加藥點從脫水器入口調整至三相分離器入口，增加了1 h的破乳劑脫水時間。充分發揮三相分離器的破乳脫水作用，在三相分離器處切出大部分水，增加破乳劑與原油乳狀液的混合處理時間，減小后續工藝的脫水壓力。破乳劑優化和工藝改進后，能夠降低破乳劑使用量，并使現場處理后原油達到含水率小于0.5%的外輸標準[13]。

圖9 聯合站工藝流程改進Fig.9 Process flow improvement of multi-purpose station

3 結論

（1）隨著混合油樣中氮氣泡沫驅單井204-31采出液比例的提高，其脫水率逐漸下降。氮氣泡沫驅204-31單井采出液的脫水率最低，其2 h脫水率最低僅為46.16%。氮氣泡沫驅采出液與普通采出液相比更難脫水。氮氣泡沫驅采出液與普通采出液混合會影響普通采出液的破乳脫水。

（2）當氮氣泡沫驅起泡劑質量濃度低于100 mg/L時，起泡劑對原油破乳的影響不大；當起泡劑質量濃度高于100 mg/L，聯合站原油脫水率急劇下降。破乳劑質量濃度為120 mg/L條件下，起泡劑質量濃度為200 mg/L時，較空白樣脫水率下降了64.30%。

（3）實驗篩選出的AR 型油溶性破乳劑對氮氣泡沫驅采出液的破乳效果優于現場樣，2 h 脫水率為91%，脫出水中含油質量濃度為398 mg/L，脫水率較現場樣提高12%。油溶性破乳劑針對氮氣泡沫驅采出液后期脫水能力更強。

（4）AR 型油溶性破乳劑與改進后的前端加藥工藝相結合，增加藥劑接觸時間，有利于后續破乳脫水，可以使原油含水率降至0.5%以下，實現原油達標外輸。