塔河油田重质原油乳状液特性研究

2015-08-10唐海飞韩秀芹

石油化工应用 2015年12期

唐海飞，韩秀芹，宋佳

（中石化西北油田分公司采油二厂，新疆库尔勒 841604）

塔河油田为碳酸盐岩缝洞型油藏，孔洞是最主要的储集体，裂缝既是地层连通通道，也是储集体，底水具有不同的压力系统，没有统一的油水界面，具备正常的地层压力系统和温度梯度，是一个从轻质油～中质油～超稠油的多期成藏、埋藏深的低饱和亲水油气藏[1-3]。

目前，开发的稠油油藏主要分布在四区、六区、七区、八区、十区和十二区，完钻井深在5 400 m～6 900 m，油层中部温度在120 ℃～140 ℃，地层压力约为62 MPa～69MPa，地面原油密度一般在0.960 0 g/cm3～1.090 5 g/cm3，原始稠油地面黏度4×104mPa·s～180×104mPa·s（50 ℃），根据原油黏度与密度分类方法，塔河原油属于稠油和特稠油。地层水总矿化度约为2.1×105mg/L，Cl-含量约为1.2×105mg/L，Ca2+、Mg2+含量约为1.2×104mg/L，为CaCl2型，密度约为1.141 g/cm3，pH 值在5～7，呈弱酸性。

1 原油乳状液的形成

1.1 乳状液形成的条件

形成乳状液必须具备以下三个要素：（1）原油和水同时存在。（2）存在至少一种乳化剂，以形成乳状液，同时起到稳定的作用。乳状液的类型由乳化剂性质所决定。根据乳化剂在油水两相中的溶解性、润湿性、分散性的不同，可以生成W/O 型或O/W 型乳状液。（3）具有能够使油水两相充分混合的能量，足以使液相体系中的一相分散到另一相中去。初始状态下，地层中油水是分离的，只有在开采、集输过程中原油和水受到充分混合才能形成各种不同类型的乳状液。

常见的乳状液有两类：W/O 型和O/W 型乳状液。根据乳状液“相体积”理论，如果油相或水相的分体积占体系总体积的26.0 %～74.0 %时，就满足了形成多重乳状液的条件（见图1，图2）。

图1 油包水乳状液显微镜图

图2 水包油乳状液显微镜图

1.2 乳状液形成的途径

塔河原油乳状液形成主要有以下8 个方面的原因：（1）由于油井的持续开采，底水上升，油井逐渐含水生产，为乳状液的形成提供了首要条件；（2）塔河原油属于高含胶质、沥青质重质原油，含有蜡、非烃组分以及金属元素等，这些都是天然的乳化剂；（3）在含水原油流动过程中，经过地层缝隙、孔道、油嘴、阀门、弯道、变径处、增压泵以及管壁，经受强烈的机械剪切后而形成乳状液；（4）含水原油在井筒流动时，由于抽稠泵活塞以及电潜泵的强烈剪切，更容易形成乳状液；（5）由于塔河油田特殊的地质特征，70 %左右的油井需要酸压才能建产，形成油井开采初期含大量酸液及泥浆的乳状液；（6）大量老井采取酸压、酸化改造，形成的大量酸化油乳状液；（7）注水驱替油井注入油田水后采出液形成的乳状液；（8）大量油田助剂（缓蚀剂）的影响。

2 乳状液特性

我国以塔河油田、胜利油田、辽河油田采出的稠油最具代表性。虽然以上三个油田的原油按密度、黏度分类都属于稠油，但是在原油组分上存在很大的差异。由于原油组分上的差别，油井含水后形成的乳状液也存在很大的不同。另外，原油中含有的不同种类、数量的非烃化合物及金属离子也是导致乳状液差别的主要因素，与此同时，不同类型的地层水在乳状液的形成上起着一定的作用。

2.1 原油组分对乳状液的影响

原油主要由碳、氢元素组成，其主要族组成为：饱和烷烃、芳香烃、胶质及沥青质。以上三个油田稠油族组成（见表1）。

表1 塔河稠油组分与其他稠油组分对比[4]

由表1 可以看出，塔河油田稠油的沥青质含量分别为辽河的6.34 倍、孤岛的3.22 倍，辽河、孤岛稠油的胶质含量明显高于塔河稠油，胶质与沥青质的质量比依次为：辽河＞孤岛＞塔河二联＞塔河四联。

胶质、沥青质是大分子有机化合物，且含有各种极性基团，在油-水界面上具有较强的活性，是原油中天然的油包水型乳化剂。胶质、沥青质在油-水界面上可以形成机械强度较高的界面膜，是原油乳状液稳定的主要因素[5]。目前使用最多的结构是由晏德福提出的。

胶质的可能结构式（见图3）。沥青质的可能结构式（见图4）。实验研究表明，胶质是原油中的大分子非烃化合物，极性及相对分子质量都比沥青质小，所以胶质的乳化性能比沥青质要弱，结合胶质与沥青质的质量比可以得出，塔河原油乳状液较辽河、孤岛原油乳状液更加稳定。另外，胶质、沥青质可以降低油-水界面间的界面张力，能够降低乳状液界面的自由能，从而降低乳状液的热力学不稳定趋势，使乳状液的稳定性增强。由表1 能够得出，塔河原油中胶质、沥青质总含量较辽河、孤岛的低，沥青质含量明显高于二者，由于沥青质的相对分子质量和极性都大于胶质，所以沥青质降低油水界面张力的程度较胶质更大，导致塔河原油乳状液更加稳定。

2.2 非金属元素及金属元素对乳状液的影响

原油中的非烃组分主要包括氧化物、硫化物、氮化物和一些含微量元素的化合物，也包括含这些非碳、氢元素的胶状、沥青状物质。

图3 胶质的可能结构式

图4 沥青质的可能结构式

硫是石油的常规组成元素之一，硫在原油中主要以元素硫、硫化氢、硫醇、硫醚、二硫化物、噻吩及其同系物的形式存在。

氧原子是石油中含量最大的杂原子，-OH、-COOH、-COOR＇等含氧基团是石油组分分子中最重要的极性基团。含氧化合物在原油的油水界面活性组分中占重要地位，其中的酸、酚、酯均能与碱作用生成各类具有高界面活性的皂类，对O/W 型或W/O 型原油乳状液的研究均具有重要意义。

石油中含有的氮元素通常在千分之几至万分之几，含氮量随着沸点升高而增加，大约90 %的氮集中在减压油渣中。氮在各馏程组分中呈不均匀分布，胶质、沥青质中含有一半以上的氮。含氮化合物主要以喹啉类、吡啶类、咔唑类、吡咯类以及酰胺的形式存在。

目前，石油中已检测出来的微量元素多达59 种，其中金属元素为45 种，大体可分为三类，变价金属包括：钒、镍、铁、钼、钴、钨、铬、铜、锰、铅等，碱金属和碱土金属包括：钾、钠、镁、钙、钡、锶等，卤素和其他元素包括：氯、溴、碘、硅、铝、砷等（见表2）。

塔河原油中高含的硫、氧、氮非金属元素主要富集在沥青质中，这些元素主要以大量的极性非烃物质存在，在配位键、分子间作用力的作用下极性非烃物质间产生缔合，最终形成簇状物以及絮凝体增加原油黏度。研究表明，氧元素能够形成含有酚基、羰基等基团的杂环极性高分子化合物。酚基、羰基等亲水基面朝水相排列，而亲油基向油相伸展，在油-水界面上形成一层非常稳定的界面膜。由于沥青质分子的稠合芳香环网状结构，大量沥青质聚集会增加原油的黏度，阻止液珠聚集，增加乳状液的稳定性。另外，胶质对热不稳定，在注水替油引入大量溶解氧且受热的条件下，容易缩合转化为沥青质，进一步增加原油乳状液的稳定性。

原油中的金属元素可能与碳原子形成化学键，或金属原子置换有机酸官能团中的氢生成盐类，或形成金属分子内配合物，或与单一的、混杂的配位体形成配合物，或与沥青质中的杂原子、稠合芳香环系形成的配合物，使各种不同的大分子链化合物聚集在一起。

表2 塔河原油中非金属元素的含量

通过以上两种方式形成的大分子杂原子化合物，除了使原油乳状液界面膜稳定、降低界面张力以外，还可以形成较厚的界面层，产生空间阻隔效应，阻止液珠聚集，增加乳状液稳定性[6]。

2.3 阴阳离子组成对乳状液的影响

大量实验研究表明[7]，水的矿化度对乳状液稳定性的影响分为两个方面。其一，水溶液中的离子（尤其是高价离子），可削弱扩散双电层的影响，降低O/W 型乳状液的稳定性；其二，某些离子可改变乳化剂在油、水两相中及界面层的分配状况，使原油乳状液更加稳定（见表3）。

研究表明：相同种类的盐，浓度越高，降低乳状液稳定性的能力越大。同一价位的金属离子，半径越大，影响乳状液稳定性的能力越小，例如在45 ℃和Cl-浓度相同的条件下，阳离子降低原油乳状液稳定性能力大小的顺序为：A13+＜Ca2+＜Mg2+＜K+＜Na+；在45 ℃和Na+浓度相同的条件下，阴离子降低乳状液稳定性能力强弱的顺序为：SO42-＜CNS-＜Br-＜C1-；但当体系温度变为65 ℃时，该次序变为：CNS-＜SO42-＜C1-＜Br-[8]。由塔河地层水金属离子组成可以看出，水中的K+、Na+浓度远远高于Mg2+、Ca2+的浓度，水中的C1-浓度远高于SO42-。结合前面的研究和地层水的组成分析，油田水中的各种金属离子在一定程度上降低了原油乳状液的稳定性，主要减弱水包油型乳状液的扩散双电层。相反，金属离子与原油的表面活性剂结合可以生成皂类化合物，起到稳定乳状液的作用。

由表3 能够看出，塔河油田地层水中金属离子及氯离子含量明显高于前二者，所以以上两种离子对乳状液的影响因素更加明显。

2.4 高分子聚合物对乳状液的影响

油田日常使用的酸化、酸压溶液体系及化学助剂主要成分为高分子聚合物、水溶性物质。原油乳状液中聚合物含量越高，脱出水中含油量越大，脱出水愈浑浊。因为聚合物是水溶性的，能与乳状液界面膜上的乳化剂分子亲水基团发生作用，增加了界面膜的空间阻隔及排斥能力，影响界面膜强度。另外，聚合物可以增加界面膜黏度，减缓水滴聚集速度，降低脱水效率[9，10]。