渤中稠油乳状液稳定性及脱水试验研究

刘增哲 王立献 陶志刚 王英国 李心凯 熊 骁

1. 中国石油北京油气调控中心，北京 100007；

2.中国石油西气东输管道公司，上海 200122；

3.北京天然气管道公司，北京 100000

0 前言

在油田开发中，水几乎成为原油“永远的伴生者”。近年来，大部分油田开发已进入高含水期，各种开采技术的应用，使原油多以乳状液的形式被采出。由于原油中存在沥青质和胶质等极性物质，作为天然乳化剂，在油水界面形成牢固的界面膜使乳状液非常稳定。乳状液多为油包水型乳状液，给原油的开采、集输和加工带来诸多问题[1]。不论从经济角度的便于石油输送、销售和加工，还是从环境保护角度的排放污水不影响工业生产的回收再利用，均需对原油进行破乳脱水和污水除油[2-4]。本文针对中海油渤中26-3-3油田的稠油样本，进行了稠油水乳状液稳定性评价方法及脱水机理方面的深入研究。

1 乳状液制作及稳定性测量方法

实验所用乳状液均采用机械乳化法制作。油样：渤中 26-3-3稠油（20℃时密度0.932 7 g/cm3，凝点-15℃，胶质沥青质含量15.52 %）。制作的主要仪器：DTS-IV型石油密闭脱水仪，用于原始油样油水分离，残余含水率小于0.5%，为实验提供基础油；IKA数显可控转速搅拌器；HAAKE VT550型黏度计；SMART-220智能超声探伤仪；控温水浴。

实验利用图1所示SMART-220智能超声探伤仪来测量乳状液各种参数。测量原理：超声波探头在脉冲源的激励下发出间断的超声脉冲进入介质，在介质中遇到不连续处，由于介质的连续处和不连续处的声阻抗不同，声能在阻抗不连续处发生发射，其中一部分声能被反射回来，同一个超声探头(或另一个探头)接收回波，再把它变成电信号显示出来，利用超声的衰减谱可解析介质均一性和稳定性状况。

图1 SMART-220 智能超声探伤仪

2 渤中稠油乳状液稳定性研究

2.1 乳状液静态稳定性评价

将制备好的乳状液倒入100 mL的比色管中，盖上比色管塞防止水分挥发，把试管垂直放在温度分别为40～90℃水浴中，记录渤中26-3-3稠油W/O型乳壮液（简称渤中稠油乳状液）脱水率随时间的变化规律，并对乳状液稳定性的影响因素进行分析研究。

2.1.1 内相浓度

研究表明，对于渤中稠油乳状液（300 r/min搅拌5 min，再以500 r/min搅拌5 min），当含水率低于30%时，形成的乳状液非常稳定，在80℃的高温下静置60 min无水脱出；当含水率达到40%时不能形成稳定的乳状液。相应曲线见图2。

图2 内相浓度与脱水率的关系（脱水温度80℃）

2.1.2 沉降温度

对于渤中稠油乳状液，搅拌转速为300 r/min，含水率为10%时，50℃静置60 min其脱水率为5%；80℃静置60 min其脱水率为65%，远远高于50℃时的脱水率。说明温度对乳状液稳定性的影响较大。

2.1.3 混合转速

对于渤中稠油乳状液，转速为500 r/min时形成的乳状液最稳定，静置60 min无水脱出；低于500 r/min时，转速越低形成的乳状液越不稳定，当转速高于500 r/min时，乳状液稳定性下降。

这是由于混合强度过小，水滴不易分散，无法形成稳定的乳状液。但当混合强度大于某一值时，形成的乳状液稳定性又有所下降，可能是因过多能量的加入，使界面膜强度变弱，加速了液滴的聚结。

2.1.4 混合时间

研究结果表明，随着混合时间的增加，乳状液稳定性有所增加，这与混合强度对乳状液稳定性的影响一致。混合时间大于7.5 min形成的乳状液都比较稳定。

2.2 乳状液动态稳定性评价

动态稳定性是指乳状液运动过程中的稳定性。如果乳状液的动态稳定性较好，宏观表现为在相同的内相浓度下，乳状液黏度较大。事实上，动态稳定性更能真实地反映乳状液在管输过程中的实际情况。实验采用HAAKE VT550型黏度计在恒温下长时间测量所配乳状液的表观黏度，根据乳状液表观黏度随时间的变化情况来分析其动态稳定性的好坏[5-7]。

2.2.1 混合转速对乳状液稳定性的影响

对于渤中稠油型乳状液，搅拌转速为300 r/min时，形成的乳状液黏度较小，乳状液稳定性差；搅拌转速为500 r/min时，形成的乳状液黏度最大，乳状液最稳定；当转速进一步升高时，乳状液黏度变小，稳定性下降，这是由于转速较低时，水滴不能充分分散到稠油中，导致乳状液黏度较低；而转速过高时，过多的机械能的加入使得界面膜变薄，界面膜强度减弱，加剧了液滴的聚结，而且由于离心作用，使水滴分散不均匀，形成不稳定的乳状液。

2.2.2 衰减系数与转速的关系

含水率30%的渤中稠油乳状液在搅拌转速为300 、500、600 和800 r/min下衰减系数不同，由此可间接测量转速对液滴粒径的影响。

温度升高衰减系数随之增大；对于同样含水率的乳状液，500 r/min时衰减幅度最大。原因是超声波在不同界面传播时会发生散射现象使能量散失。为使测得的衰减幅度达到可比值，第二衰减要小，测得总衰减要大，说明500 r/min时散射几率大，油水界面多，粒径较小，液滴排列紧密；而800 r/min时的衰减系数最小，说明散射几率小，粒径大，分散度低。

2.2.3 衰减系数与含水率的关系

选用含水率分别为10%、20%和30%的渤中稠油乳状液在不同温度下，测量衰减幅度、衰减系数与含水率的关系。

图3表明，含水30%比10%的液滴明显增多且排列紧密，在衰减检测上表现出含水率30%要比10%、20%的衰减系数要大，因为液滴变密、变多使得发生散射的机率增大，为使测得波峰达到可比值（荧光屏刻度的50%），第二衰减要小，但总衰减幅度大，间接说明含水率30%的乳状液液滴要比含水率20%、10%多。

图3 不同温度下衰减系数与含水率的关系

2.2.4 超声波波速与含水率的关系

随着含水率的增加，超声波在乳状液中传播速度也增大，这是由于乳状液中的水量增加，同种条件下声速在水中的数值增大而引起的。

2.3 乳状液微观结构与稳定性关系

2.3.1 不同搅拌强度下的乳状液微观形态

选含水率30%的渤中稠油乳状液在300 、500 、600 和800 r/min转速下，30℃时的显微镜照片进行对比。从图4可以看出，随着转速的增加液滴变小而且紧密，当转速继续增加至600 r/min和800 r/min时，液滴没有接着变细变小，反而形成较大的液珠。

图4 不同转速下稠油乳状液微观形态

2.3.2 不同沉降温度下乳状液的微观形态

选转速300 r/min含水率10%的乳状液在30、50和70℃的状态进行研究，发现随着沉降温度的升高，细小的液滴发生了聚并并且随着温度的继续上升逐渐聚并成较大的液珠。

3 破乳剂脱水效果研究

乳状液油水界面性质和界面膜强度决定了乳状液的稳定性，界面膜的破坏是破乳的关键，加入破乳剂是改变界面性质和破坏膜的一种有效方法[8-9]。破乳剂评价的常用方法是瓶试法。选择的几种破乳剂包括：SXF 36（AR系列）、SXP 201（AP系列）、SXP 103（TA系列）、SXB 064（AE系列），通过实验得出针对渤中稠油乳状液的这几种破乳剂效果，并分析乳状液脱水率的影响因素。

3.1 破乳剂结构

图5为4种破乳剂在不同加剂量下的脱水率。

图5 不同类型破乳剂脱水效果对比

破乳剂中EO基团和PO基团在分子链上的位置不同，导致破乳剂的HLB值不同，脱水效果也不同；破乳剂分子之间往往会存在空隙，表面活性物质进入孔隙形成混合吸附膜，降低了破乳剂分子的破坏作用；对于支链型破乳剂，由于支链的存在，分子之间的空隙比直链型破乳剂小，原油中表面活性物质进入空隙形成混合吸附膜的机会小，能更大程度降低油水界面膜的强度，乳状液更易破乳脱水。所以SXF36（AR系列）破乳剂脱水性能好。

3.2 矿化度

不同结构的破乳剂对含水率相同的乳状液均有影响，矿化度对SXF 36 (AR系列)破乳剂影响较小，此破乳剂适用不同矿化度的乳状液。

3.3 破乳剂浓度

对于SXF 36（AR系列），随着破乳剂浓度的增加，脱水率先逐渐增加，而后减小，这说明SXF 36（AR系列）破乳剂浓度存在最佳值，为200×10-6。

3.4 破乳剂复配

采用破乳剂复配的方法，即两种或两种以上的破乳剂复配使用，其破乳效果往往比单独使用其中任何一种好，即协同作用。图6为SXF 36（AR系列）不同浓度下单剂与复配破乳剂的脱水情况。

图6不同浓度下单剂与复配破乳剂的脱水情况

4 电场脱水研究

随着油田开采的持续进行, 原油质量不断下降,但原油所形成的乳化液越来越稳定,破乳脱水工作更加困难,迫切需要高效的脱水方法。本节通过试验数据着重分析电场破乳脱水的影响因素及破乳剂电场联合作用机理[10]。

4.1 含水率

不同初始电压条件下，随着含水率的降低，乳化液的最终脱水率也减小，这是因为含水率相对较高时，水滴之间的距离相对较小，在电场力的作用下，更易聚并，聚并时间更短，脱水更彻底，脱水率更大。

4.2 温度

用含水率20%的渤中稠油乳状液在交流电场初始电压为1kV，50、70和90℃条件下测量乳状液的脱水率。90℃、20 min时脱水率92.5%，相同时间下50℃脱水率为55%。

4.3 电场一定时破乳剂加剂量比较

用含水率20%的渤中稠油乳状液在交流电场初始电压为1kV，加破乳剂量分别为20×10-6、40×10-6、60×10-6、80×10-6和100×10-6条件下测量乳状液的脱水率。最佳破乳剂浓度（80×10-6）时，脱水速度最快，脱水率也最大，30 min时，脱水率达到97.5%。

4.4 电场与破乳剂联合使用

在电场作用下，界面膜上出现小孔破乳剂分子界面活性要高于天然乳化剂分子优先吸附到孔壁上阻止膜孔收缩，使水滴通过渗透作用穿过膜孔，发生聚并，导致破乳脱水。从图7的实验数据对比得出脱水效果顺序为：电场/破乳剂联合作用方法＞直接加交流电场＞只加破乳剂＞静脱方法。

图7 几种不同脱水方法脱水率比较

5 结论

a）乳状液的内相浓度（含水率）对其稳定性的影响较大，存在一个最佳内相浓度，内相浓度超过某一值时不能形成稠油乳状液。对于渤中稠油乳状液，内相浓度为30%时，其稳定性最好，当内相浓度达到40%时，不能形成稳定的乳状液。

b）对于渤中稠油乳状液，转速在500 r/min时形成的乳状液最稳定。超过或低于这一转速，稳定性都会下降。

c）不同结构破乳剂脱水效果不同，破乳剂浓度对乳状液脱水有影响并存在最佳的脱水浓度值。对于渤中稠油乳状液，SXF 36 (AR系列)的破乳脱水效果最好。SXF 36（AR系列）破乳剂浓度的最佳值为200×10-6，此时脱水率为66.7 %。

d）在相同电场作用下，随着含水率的降低，乳状液的最终脱水率也减小。电场一定时，渤中稠油乳状液存在最佳破乳剂浓度，为80×10-6。

e）脱水效果顺序为：电场/破乳剂联合作用方法＞直接加交流电场＞只加破乳剂＞静脱方法。

f）通过测量超声波在溶液中的波速、声衰减系数等溶液特性可间接获取液体中颗粒物质的粒度、浓度及稳定性信息，但声散射程度和粒径关系还需进一步探索。

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