HG油田化学驱互溶表活剂的合成与性能分析

2017-04-05王继波

石油知识 2017年5期

关键词：膜式磺酸盐磺化

王继波

（吉林油田公司乾安采油厂吉林松原 131400）

HG油田化学驱互溶表活剂的合成与性能分析

王继波

（吉林油田公司乾安采油厂吉林松原 131400）

为解决HG油田化学驱表活剂用量及成本过高、降水增油能力远远小于预期的实际问题，以试验区产出原油为原料，采用刮膜式磺化工艺，合成成本低、与原油互溶性强、驱油效率高的石油磺酸盐表活剂。通过强化高粘原料油磺化的湍流作用和反应效率，克服磺化不均匀、过磺化、易焦化、易结瘤、难输送、难中和等弊端，为提高合成石油磺酸盐质量与产量、减少损耗与副产物，提供了新的技术与工艺。

石油磺酸盐;表面活性剂；刮膜式磺化反应；超低界面张力；提高采收率

HG油田化学驱实施时间长、应用范围大、旷场试验较为系统与规范，存在的突出问题是复合体系稳定性差、损害多、驱油效能低。为解决复合超低界面活性难以维系，矿场实施表活剂用量及成本过高、控水稳油能力远远小于预期的现实问题，探讨自主生产与原油互溶表活剂——石油磺酸盐合成的新工艺，减少化学驱矿场实施中表活剂的制约、有效降低成本，提高复合体系的洗油效率，提升矿场实施的增产效果和总体经济效益。

1 化学驱中表活剂的作用与性能要求

1.1 化学驱中表活剂的主要作用

（1）减小储层孔隙毛管阻力和油滴对矿物颗粒的粘附力，降低油水界面张力，增加原油在水中的分散作用，提高驱替液的洗油能力。

（2）使原油发生乳化，抑制后驱液沿原水流通道突进。

（3）改变油层孔隙的润湿性，改善原油的流变性，提高微观驱油效率。

1.2 化学驱对复配表活剂的基本要求

（1）表活剂能与聚合物拥有良好的配伍性。在保证聚合物高粘弹驱的基础上，充分发挥表活剂的洗驱油作用和复合体系各组分的协同驱油作用；复配体系色谱分离现象小，保证体系在地下运移过程中稳定的驱油性能。

（2）表活剂复合驱油体系能使油水界面张力降到10-3mN/m超低以下。HG油田水驱毛管数在10-6数量级，油水界面张力约30mN/m，只有使复合驱油体系毛管数达到10-3，才能大幅度提高驱油效率、有效降低剩余油饱和度。

（3）表活剂在较宽的浓度范围内保持超低界面活性。以克服岩砂与原油对表活剂的吸附、地层水的稀释下浓度逐渐衰减，而导致驱油性能的快速下降或过度损害。

（4）表活剂价格尽可能地低廉、货源充足、安全无毒、低粘度易混配、环保易降解。要想表活剂的各项技术指标都能符合HG油藏地下流体的特殊条件较为苛刻，也不易寻觅，但以HG产出原油为原料直接合成高效表活剂，则具有得天独厚的优越性。

2 合成反应器的改进与工艺的完善

为提高磺化反应效率，现多采用降膜式磺化反应器对石油馏份油进行磺化，随着气液反应的持续进行，反应器内物料的粘度急剧上升，原料与产物结焦粘附在反应管内壁，造成液膜凹凸不平并且不断粘附变厚，液膜表面也不断收紧，SO3向液料中的扩散也变得越来越困难，液膜表面原料油与SO3接触时间过长，而内层原料油又无法接触到SO3，而造成表面过磺化、内部未磺化的问题；同时高粘物料的焦结也导致降膜式磺化反应器局部过热，无法长时间连续运行，需要及时稀释降粘、提前出料倒料等增加繁缛的流程与操作。

刮膜式磺化器是秉承降膜式磺化器优点的基础上，消减其弱点，采用主动刮板技术来强化SO3和高粘原料油的接触几率与反应效率，克服磺化不均匀、过磺化重、副反应多等弊端，解决易焦化、易结瘤、难输送、难中和等问题，是目前探索研究关注度高、较为先进和热门的磺化新工艺。

以扩大生产规模、优化工艺流程、提高石油磺酸盐收率及质量为出发点和落脚点，在小试合成经验与教训的基础上，改进和完善刮膜式合成反应器。①增加磺化器内气液磺化反应的有效管程、提高反应效率与磺化率；②在磺化器顶部引入保护氮气来降低设备腐蚀、减少结焦和过磺化反应的发生；③为提高传质效率加装智能变频调节器，依据物料粘度与传质阻力大小自动调节刮板转速、增加转轴扭矩与磺化效率；④在磺酸产料中喷入雾化热水，改善其流动性、减弱管线粘堵与腐蚀，抑制不稳定磺酸基的脱落、增加磺酸产量；⑤合理调控回流比、采用转子泵和旋转射流混合器串联的两级中和方式，消除连续中和皂化反应易结块堆积的问题。

3 合成反应条件实验分析

HG原油地面粘度43～49 mPa.s、密度为0.883～0.887 g/cm3，烷烃60.5%～63.1%、芳烃24.1%～26.5%、非烃4.2%～4.8%、胶质沥青质7.2%～9.6%，芳烃含量相对较高，这对自主生产合成石油磺酸盐表活剂极为有利。以HG油田产出原油所炼制的馏份油为主料、添加重烷基苯和烷基苯辅料，通过稀释降粘、提高传质效率、减少焦化副反应等技术与工艺，来高效合成石油磺酸盐表活剂，不管最终产物多么复杂都将成为与HG原油互溶性好、超低界面活性强的化学驱最为适宜的、物美价廉的高效表活剂。

3.1 磺化反应温度与时间

磺化反应是不可逆瞬时反应，若低温磺化，物料粘度高、反应速度慢，但副反应及副产物少；若高温磺化，可降低反应物料粘度、加速传质，加快反应速度，但反应温度过高会使副反应和副产物增多、产物粘度增大。反应时间过短，磺化不完全，产品收率低；反应时间过长，多磺化与焦化等副反应增多，同时也降低总产能。最佳磺化反应时间因原料组成与磺化工艺的不同而差别很大，应根据产物性能加以调整，HG原油合成石油磺酸盐膜式工艺磺化反应温度为47～53℃、磺化反应时间50～60s。

3.2 SO3气体浓度

SO3气体浓度使用过低、与原料油接触机率急剧变小，造成反应时间延迟，相同工况下磺化反应要延长通气时间，尾气中夹带的原料油增多、稀释空气用量增大、原料损失量增大；SO3气体浓度使用过高，单位时间内反应速率大，SO3气体与原料油液膜接触面磺化反应瞬间大量放热，造成局部温度过高、产物焦化、过磺化，副产物增多，同时过量的SO3气体来不及参加反应就将成为尾气的一部分，过多地浪费了SO3气体、也增大了尾气处理的负荷[3]。HG原油合成石油磺酸盐最佳磺化反应SO3气体浓度为3～6%。

3.3 刮板转速(传质效率)

以旋转刮板形成湍流搅拌作用来提高传质效率，使原料油液膜内外层不断翻滚、急剧增大与SO3气体接触磺化的机会与效率；并通过刮板加快推动高粘原油物料向前流动，促进散热、减少焦结与过磺化作用，避免管阀堵塞。HG原油合成石油磺酸盐最佳刮板转速因配比物料粘度的不同而不同、随着配比物料粘度的增大而增大，可采用智能变频器，依据传质阻力大小以及液膜更新频率而自动调节刮板转速60～120r/m英寸。

3.4 磺化后的老化与合成

从磺化器输送出来的磺酸，还包裹着少量的SO3气体，经过进一步老化与磺化能增加磺酸产量。输出的磺酸立即用温水喷淋处理，以稀释和恒温磺化产物，在保温状态下均匀搅拌老化5～20m英寸，以增加单双磺酸产量，提高最终产物的超低界面活性。老化后加碱皂化合成：RArSO3H+NaOH→ RArSO3Na+H2O。

4 中试模拟磺化合成实验

减压蒸馏后的HG原油与重烷基苯混料在刮膜式磺化器反应筒体内壁向下流动过程中，经刮板快速刮甩涂抹，液膜不断转换更替翻新，与干燥空气携带定浓度SO3气体接触、混合、均匀而充分地发生磺化反应；磺化反应骤然放出的热量通过夹套循环水快速冷却移除，保证整个磺化反应过程柔和、温度变化小，避免结瘤、焦化和过磺化现象的发生。气液分离器内匀速均衡进出料，磺化后酸料经气液分离、保温水处理、老化后加入NaOH进行中和皂化反应，最终生成石油磺酸盐表活剂。

以石油磺酸盐驱油性能大小为指标，四因素三水平正交试验结果：①影响芳烃转化率与产品收率的因素，SO3与原料总芳烃摩尔比＞反应温度＞SO3浓度＞刮板转速。②影响产品活性物含量与界面张力的因素，反应温度＞原料总芳烃摩尔比＞SO3浓度＞刮板转速。③影响尾气SO2和SO3残余浓度的因素，SO3与原料总芳烃摩尔比＞反应温度＞刮板转速＞SO3浓度。综合中试合成的工艺条件及产品的性能指标，HG原油磺化合成石油磺酸盐的最佳工艺条件：反应温度 47～53℃、SO3与原料总芳烃摩尔比 1.4～1.7∶1、SO3浓度3.7～4.7%、刮板转速80～95r/m英寸、反应有效管程3.5～4.5m、老化温度45～55℃、老化时间 8～15m英寸等。

自主生产合成的石油磺酸盐不用提纯和精制，储运和混配更为简便，成本仅是外购表活剂价格的一半，经济与性能上的优势显而易见。

5 合成石油磺酸盐的主要性能指标

以HG减压蒸馏脱蜡原油为原料合成的石油磺酸盐，降低HG原油/水之间界面张力的能力可达10-3mN/m以下，添加10～20%的重烷基苯或烷基苯，原料油粘度越大，添加量越大，界面张力可达10-4mN/m以下，添加重烷基苯不仅起稀释降粘作用，更能增加有效活性物的产量，磺化反应效率、原料转化率及产品收率都得到较大提高。合成产物的主要成份是由C23H38SO3H～C31H48SO3H构成芳烃化磺酸盐，原料油中胶质沥青质等杂环化合物越多、芳环上取代基数量与枝杈链越多，磺化后得到的石油磺酸盐超低界面活性越好。

中试合成得到的石油磺酸盐质量性能稳定，超低界面张力浓度展布范围宽、浓度0.05%～0.6%的稀释液都能与HG原油达成10-3mN/m的超低界面张力，乳化和洗油能力强；储层砂体对其吸附量为0.13～0.45mg/g、仅是其它表活剂（＞0.75mg/g）的一半；复配性能稳定、色谱分离现象弱，与产出聚合物间隔＜0.3PV（岩心孔隙体积）。HG油藏环境条件下，以其与0.8%～1.2%的碱复配极易形成油水界面张力＜10-4mN/m的微乳液，物模驱油效率4.2%～8.9%；以其复配的聚/表二元复合体系油水界面张力＜10-2mN/m，物模驱油效率14.8%～18.4%；以其复配的聚/表/碱三元复合体系油水界面张力＜10-3mN/m，物模驱油效率17.6%～22.3%，比使用其它表活剂复配高出2.3%～5.8%。