酸化压裂液对原油破乳脱水影响研究

唐世春

（中国石化西北油田分公司）

酸化压裂液对原油破乳脱水影响研究

唐世春

（中国石化西北油田分公司）

研究讨论了含酸原油性质，并考察了变黏酸、胶凝酸以及残酸返排速度对原油破乳脱水的影响。结果表明，含酸原油胶质、沥青质、机械杂质含量越高，油水界面膜越稳定；酸化压裂液和盐酸质量分数分别达到7.5%和1.5%时，含酸原油在实验条件下基本不能脱水；残酸返排速度越大，乳化越严重，含酸原油破乳脱水越难。图8表3参7

破乳脱水含酸原油

0 引言

油田酸化作业是油气井增产、修复枯竭井的重要措施之一[1]，酸化作业就是将酸化液由井口压入储油层，令其与储层的岩石发生反应，形成孔隙，以此改善储层的渗透性，达到修复死井，提高产量的目的。酸化作业排出的残余酸化液中除含有大量残余酸外，还含有多种化学添加剂，如缓蚀剂、缓速剂、稳定剂、减磨剂、渗透剂，以及石油类等。酸化压裂液的残液与地层原油混合，进入原油处理系统后，容易导致系统脱水困难[2]，使沉降罐沉降时间增加，影响原油处理系统正常运行，给生产系统带来极大的不便。前期国内外学者对原油乳状液稳定机理，破乳机理等开展了大量研究，但对含有压裂残酸的原油乳状液的破乳研究较少，浙江大学范振中研究了残酸对原油脱水的影响及处理，但针对残酸对原油脱水影响方面仅仅概述性的介绍残留酸中的H+对破乳脱水的影响[3]。为了更全面地分析含酸原油破乳脱水的影响因素，为制定其脱水工艺提供理论依据，从含酸原油性质、酸化压裂液浓度、压裂液残液返排速度几个方面对含酸原油破乳脱水影响因素进行了分析研究。

1 实验部分

1.1 试剂与仪器

甲苯、正庚烷、乙醇、盐酸（分析纯，成都市科龙化工厂）；变黏酸（巴州中盈石油工程技术有限公司）：盐酸、ZX-H1缓蚀剂、ZX-P1破乳剂、ZX-Z1助排剂、ZX-T1铁离子稳定剂、ZX-T120V变黏酸胶凝剂；胶凝酸（北京凯姆泰克石油工程技术发展有限公司）：盐酸、缓蚀剂CT-H、助排剂CT-Z、高温胶凝剂CT-S、破乳剂CT-P、铁离子稳定剂CT-T。

原油中蜡、胶质、沥青质含量测定仪(大连港石油仪器有限公司)，waring高速搅拌器（连富机械有限公司），分光光度计（上海元析仪器有限公司）。

1.2 原油组分分析

稠油中胶质、沥青质的含量测定参照《SY/T7550-2004原油中蜡、胶质、沥青质含量测定法》。

1.3 酸化压裂液对破乳影响

实验酸化压裂液为变黏酸和胶凝酸，主要组成分别如表1所示。实验用两种酸化压裂液在1200 r/s条件下与塔河油田普通稠油（不含残酸原油，含水率为32.5%）乳化混合，分别考察酸化压裂液占稠油质量分数为0%、2.5%、5.0%、7.5%、10%下对破乳脱水的影响。实验温度为75℃，破乳剂加量为300 mg/L。

表1 模拟搅拌速度计算表

变黏酸（巴州中盈石油工程技术有限公司提供）组成质量分数（下同）：HCl（20%）+ZX-H1缓蚀剂（2%）+ZX-P1破乳剂（1%）+ZX-Z1助排剂（1%）+ ZX-T1铁离子稳定剂（1%）+ZX-T120V变黏酸胶凝剂（0.8%）。

胶凝酸（北京凯姆泰克石油工程技术发展有限公司提供）组成：HCl（20%）+缓蚀剂CT-H（2%）+助排剂CT-Z（1%）+高温胶凝剂CT-S（0.8%）+破乳剂CT-P（1%）+铁离子稳定剂CT-T（0.8%）。

1.4 剪切速率对破乳影响

实验利用waring高速搅拌器调节至相应转速，计算在排液速度为5 m3/h、10 m3/h、15 m3/h时原油通过油嘴的流速和雷诺数，以模拟原油通过在油嘴的流动状况。雷诺数计算公式如下：

式中

d—油嘴内径，m；

u—流速，m/s；

ρ—流体密度，kg/m3；

μ—流体黏度，Pa·s。

实验室混合器为waring高速搅拌器，其内径为7.5 cm，搅拌叶直径5.0 cm，最大转速为20000 rpm，雷诺数计算公式如下：

式中：

d—搅拌器直径，m；

N—搅拌器转动速度，m/s；

ρ—流体密度，kg/m3；

μ—流体黏度，Pa·s；

ω—转速，r/s;

d’—搅拌叶直径，m。

经计算Re’=0.00563 Nρ/μ，设Re=Re’，现场常用的油嘴规格为5 mm，在5 m3/h、10 m3/h、15 m3/h三种排液速度下对应的油嘴流速、雷诺数、搅拌器转动速度、转速计算结果如表1所示。

根据计算结果，搅拌器转速分别为40.04 r/s、80.08 r/s、120.11 r/s可模拟对应排液速度下原油经过油嘴的流动状态。

实验油样为2.1中3#油样，破乳剂加量为300 mg/ L，温度为75℃。

2 结果与讨论

2.1 原油性质对破乳的影响

实验选取了4口不同单井含有残酸的油样进行分析，并考察了破乳脱水情况（破乳剂加量300 mg/L，温度75℃，沉降8 h），结果如表2所示。

表2 含酸原油成分分析表

由表2可知，原油中胶质、沥青质含量越高，原油破乳困难，这是因为在酸性环境下胶质、沥青质中的极性物质容易与铁离子反应生成酸化淤渣，酸化淤渣是一种很好的乳化剂，造成原油脱水困难。含酸油中的机械杂质粒径很小，分散在油水界面上能够增强界面膜强度，对油水乳状液有很好的稳定作用[4-5]。据分析，酸化压裂中残留的表面活性剂可以和这些微粒结合，形成稳定界面膜的天然乳化剂，从而使乳状液更为稳定[6]。此外，也有研究表明，沥青质与固体颗粒共同作用形成的乳状液比沥青质单独形成的乳状液要牢固的多[7]。因此，从含酸原油组成成分来看，含酸原油破乳脱水难度较大。

2.2 酸化压裂液对破乳影响

实验以常用的变黏酸和胶凝酸为例，研究了不同酸化压裂浓度对原油破乳脱水的影响，实验结果如下：

图1 变黏酸对原油破乳的影响

图2 胶凝酸对原油破乳的影响

图3 酸化压裂液浓度对破乳脱水的影响

由图1、图2以及图3可知，两种酸化压裂液对原油破乳具有显著影响，当酸化压裂液质量分数达到7.5%时原油基本不能脱水。残液返排进入系统后，影响分离脱水效果，因为残留酸中的H+将激活稠油中环烷酸，增加乳化剂数量，使乳化膜强度加大，从而使破乳剂替换油水界面的难度加大，影响了化学脱水的进行，造成原油破乳的困难，脱水系统紊乱。另一方面残酸会与原油中的碱性氮化物反应生成具有一定界面活性的物质，此外还会导致原油乳状液pH值的降低，油水界面张力变小，乳状液稳定性增强。

由于盐酸为酸化液中最常用的酸，为了确定盐酸是否是影响酸化液破乳效果的主要因素，单独考察了盐酸对破乳效果的影响，盐酸的加量是按照酸化液中盐酸的质量百分含量计算的，如胶凝酸加入量为2.5%，因其中盐酸量为20%（盐酸质量分数37%）则盐酸加入量为0.5%，实验考察了盐酸加入量为0.5%~2.0%时对破乳的影响，结果见图4。从结果可以看出，盐酸对原油破乳脱水具有显著影响，盐酸加入量超过1.5%时基本不能脱水。

图4 不同浓度盐酸对破乳效果的影响

为了进一步分析酸对原油破乳的影响，实验选取了90 g稠油原油油样，加入10 mL不同pH值的酸（碱）溶液，通过乳化机乳化后加入300 mg/L破乳剂，在75℃下脱水8 h观察原油脱水情况。

由图5、图6实验可知，在原油中加入pH为6~8的溶液时对原油破乳脱水影响较小，加入pH越小或越大的溶液对原油破乳脱水影响越大。

图5 pH值对原油脱水的影响

图6 不同pH介质对油水分离情况

2.3 残液返排速度对破乳影响

原油在采出过程中受到了不同程度的剪切、湍动从而形成乳状液，尤其再经过油嘴或泵时原油极易乳化，当原油中含有酸、固体颗粒等会使原油乳状液稳定性增强。因此根据现场工况数据，在实验室模拟不同排液速度采出液经过油嘴的剪切状况对原油乳化的影响。室内以剪切速率模拟了不同残液返排速度对含酸原油破乳影响，不同剪切速率对的破乳情况及乳液微观状态如图7及图8所示。

图7 剪切强度对含酸原油破乳的影响

图8 不同剪切速率原油乳状液微观状况

由图7和图8可见，残液排液速度对于采出液稳定性影响明显，排液速度越大，含酸原油脱水速度越慢，脱水效果越差。排液速度越大所形成的乳状液粒径越小，乳液分散越好，破乳脱水越困难。其原因为，排液速度越大残酸与原油混合越均匀，增强了原油乳化作用。

3 结语

（1）实验含酸原油中胶质、沥青质含量较高，并且含有一定量微小的机械杂质，分别平均为6.23%、 40.96%、0.31%，胶质、沥青质在酸性环境下易与铁离子反应生成酸化淤渣，使原油乳化，同时机械杂质增强了油水界面膜强度，造成原油脱水困难。

（2）酸化压裂液对原油破乳脱水有显著影响，当酸化压裂液质量分数达到7.5%时原油基本不能脱水；酸对原油破乳脱水影响明显，盐酸加入量超过1.5%时原油完全不能分水。

（3）酸化压裂残液排液速度对于采出液稳定性影响明显，排液速度越大，含酸原油乳化越严重，脱水速度越慢，脱水效果越差。

1江怀友，李治平，卢颖，等.世界海洋油气酸化压裂技术现状与展望[J].中外能源，2009，14（11）：45-49.

2李可向.保护油气层钻井完井技术[M].北京:石油工业出版社，1993.737-772.

3范振中，俞庆森.残酸对原油脱水的影响及处理[J].浙江大学学报，2005,32（5）:546-549.

4肖中华.原油乳状液破乳机理及影响因素研究[J].石油天然气学报，2008，30（4）:165-167.

5Tabme D E，Sharma M M．Factors controlling the stability of colloid stabilized emulsion.Ⅰ．an experimental investigation［J］．J Colloid Interface Sci，1993，157:244-253．

6张贤明，潘诗浪，陈彬，等．油水乳化液破乳动力学研究进展［J］．流体机械，2010，38（6）:33-40．

7王宜阳，张路，孙涛垒，等.不同结构破乳剂油水界面扩张黏弹性研究[J].物理化学学报.2003，297-301.

2015-02-12编辑景岷雪）

唐世春，男，1968年出生，高级工程师；1992年毕业于南京大学石油钻采工程专业，现从事于工程技术相关科研及管理工作。地址：(830011)新疆乌鲁木齐长春南路466号中石化西北石油科研生产园区。电话：（0991）3166635。E-mail:tangsc.xbsj@sinopec.com