胜利原油乳状液中固体颗粒特性及其脱除技术*

张 敏，耿孝恒，樊刘通，王 睿，张 临，谢 辉

(滨州学院化工与安全学院，山东 滨州 256600)

由于油田原油储量减少，采出液中的固体颗粒随之增加，又加上水驱、聚合物驱及复合驱等采油技术得到广泛地应用，为后续原油净化提纯和管输系统的稳定带来了一些问题。特别是破乳剂的采用量也随之日益扩大，破乳要求的温度不断增加，加大了脱水的难度。其中原油中固体颗粒作为天然乳化剂，是造成原油加工复杂的直接因素[1-3]。因此，分析原油乳状液中固体颗粒的成分和粒径，表征其特性，探究其存在机理，找到便捷有效的方法处理原油乳状液，达到有效脱除微小固体颗粒的目的具有极其重要的意义。目前，国内外学者针对原油乳状液的研究多集中在对含水原油的脱水问题，以及固体颗粒对原油乳状液的稳定性的影响上，而对于原油中的固体颗粒的特性和脱除技术研究较少[4-7]。

本文以胜利油田滨南采油区块的682原油乳状液为研究对象，应用显微镜、纳米粒度仪和光谱成分分析仪，表征乳状液中固体颗粒的特性，揭示原油乳状液中固体颗粒形成机制和物理特性。根据分析结果，研究了高效稳定的固体颗粒脱除技术。

1 实 验

1.1 材料和仪器

胜利油田滨南682原油乳状液；BH123破乳剂，廊坊汇涛化工有限公司；石油醚，分析纯，莱阳经济技术开发区精细化工厂。

XSA-CTV电视显微镜，北京泰克仪器有限公司；TDL-5高速离心机，金坛市良友仪器有限公司；Zetasizer Nano S90激光粒度分析仪，英国马尔文仪器有限公司；M4000光谱分析仪，济南聚光盈安仪器有限公司；FRQ-1002T超声波清洗机，杭州法兰特超声波科技有限公司；T18 DS25 恒温高速乳化机，德国IKA公司；HH-6数显恒温水浴锅，龙口市先科仪器公司；10 mL注射器，康泰医疗器具有限公司；50 mL离心管，海门市江海仪器配件厂。

1.2 原油乳状液电视显微分析

(1)恒温水浴加热。用药匙取适量滨南682原油乳状液于烧杯中，其次将烧杯放入加热到60 ℃的水浴锅中，恒温加热15 min。

(2)制作乳状液标本。将载玻片和盖玻片用擦镜纸擦拭干净，其次用玻璃棒搅拌加热后的乳状液，搅拌均匀后，用胶头滴管吸取一滴乳状液放到载玻片的中央，盖上盖玻片并用吸液纸吸取多余的乳状液。

(3)观察乳状液。将制好的标本置于放大倍数设置成300倍显微镜下观察，在显微镜下找到清晰的画面并拍摄照片。

对图片进行Matlab图像处理得到后得到了乳状液图像中每个液滴所含像素的数目，依据公式(1)和(2)，结合显微镜的放大倍数即可还原出真实的液滴粒径分布。

(1)

(2)

1.3 固体颗粒脱除实验

本文将实验室常用的乳状液脱除固体微粒的离心法，与复配脱固乳状液相结合进行实验。具体实验步骤：

(1)恒温水浴加热。用药匙分别取适量滨南682原油乳状液于四个相同型号(50 mL)的离心管中，用电子天秤测其每个重量不能相差2 g(质量如表1所示)其次将离心管放入加热到60 ℃的水浴锅中，恒温加热15 min。

表1 原油乳状液的质量

(2)乳状液离心。将加热后的离心管放入转速调至3000 r/min不恒温的离心机中，离心15 min后观察并记录，油水分离的情况。再重复加热，将加热后的离心管放入转速调至6000 r/min，温度调至40 ℃的恒温离心机中，离心15 min后，观察离心情况并与前一次情况作比较。

(3)分离固体颗粒。待离心管中的油相凝固后，用药匙轻轻取出离心管中部分油相(大约油相的2/3)，再向离心管中加入15 mL的石油醚，摇晃均匀，静置1 h后，再用注射器抽出离心管中上层萃取物，将含固水相倒入小烧杯中。

(4)计算原油的含水率和固体含量，根据公式(3)和(4)计算含水率。

V0=M/ρ

(3)

式中：V0为原油乳状液的体积；M为原油乳状液的质量；ρ为原油乳状液的密度(ρ=0.92)。

(4)

式中：V0原油乳状液的体积；V实验瓶下部沉降出水的体积；X原油乳状液的脱水率。

1.4 固体颗粒粒径表征及成分分析

本文采用激光粒度仪，结合精密的光谱分析仪分析滨南682乳状液中固体颗粒的主要成分和粒径分布。

(1)由于固体颗粒会聚结在一起，所以要通过超声波将其均匀分散在液体中，以便准确地测量固体颗粒原本的粒径。将洗油后的固体颗粒液，放入超声波清洗机的清洗池中，将声波频率调成8 kHz，温度设为30 ℃，清洗时间为20 min。

(2)用胶头滴管轻轻吸取大约1 mL超声处理后的固体颗粒液置入样品管内，再用玻璃清洁纸将样品管轻轻擦拭干净，送入样品槽内，盖上封盖开始测试。

(3)将固体颗粒液放在恒温干燥箱内进行低温烘干，温度调至10 ℃，时间设置为24 h，待固体颗粒干燥后，采用X射线能谱仪分析固体颗粒的成分。

1.5 固体颗粒离心脱除效果评价

依据滨南682乳状液离心试验后所分离出的具有一定比例的油、水、固三项。按照未分离前的油水比例，将已脱固脱水的原油和乳状液离心脱水(不含固体颗粒)重新配比，本实验不添加任何乳化剂，仅使用高速乳化机进行乳化。因为滨南682乳状液的含水率为20.7%，所以取200 mL脱固脱水原油与41.4 mL脱出水于大烧杯中，室温下用恒温高速乳化机进行搅拌，转速5000 r/min，乳化20 min。然后再进行原油脱水对比。

(1)45 ℃时，滨南682含固原油乳状液和脱固原油乳状液脱水效率和程度对比(不添加破乳剂)；

(2)室温条件下，滨南682含固原油乳状液和脱固原油乳状液在同一种破乳剂的影响下的破乳速度和效果对比。

2 结果与讨论

2.1 显微分析

将制好的标本置于放大倍数设置成300倍显微镜下观察，在显微镜下找到清晰的画面并拍摄照片，其图像如图1所示。

图1通过Matlab图像处理后，得到了乳状液图像中每个液滴所含像素的数目，结合公式与显微镜的放大倍数即可还原出真实的液滴粒径分布[8]。

图1 显微镜下的乳状液

(1)通过显微观察滨南682原油乳状液，可清楚观察到清晰的油水界面，并且液滴表面周围颜色较深，有固体颗粒聚集，阻碍液滴的连续分布，据此可推断此原油乳状液为O/W型。

(2)根据图像处理测算液滴的粒径大约在5～500 μm之间，如图2所示。

图2 液滴粒径百分比

2.2 固体颗粒脱除实验分析

乳状液离心。图3为两组比较，选出离心效果较好的一组，观察可知第二组离心比较好，选取第二组再进一步分离固体颗粒。

图3 第一组(右)与第二组(左)的比较

图4 脱除固体颗粒液

图5 脱固原油乳状液

分离固体颗粒。图4和图5分别为分离出固体颗粒液和脱固原油乳状液。从中可以观察出相应数据，代入公式可计算出含水率。乳状液离心时，选择转速在6000 r/min，温度40 ℃的条件，离心效果比较好，油水相分离更加彻底，固体颗粒脱除率就更高。根据实验数据计算出滨南682原油乳状液的含水率在20.7%左右，固体含量在5.4%左右。

2.3 粒径表征及成分分析

根据激光粒度分析仪分析的结果(图6)，可知乳状液中固体颗粒的平均粒径为40.28 μm。 将乳化液分离出来的固体物质干燥后做能谱分析，结果如表2所示，这些固体颗粒物质成分主要是石英砂、斜长石、方解石、粘土、黄铁矿等。其中方解石的固体微粒最多，其含量为25.6%，方解石的主要成分是碳酸钙。其次是粘土和石英砂，它们的主要成分都是二氧化硅；粘土中的硅藻土的平均粒径最大，其粒径为44.73 μm，其次是方解石其粒径为40.23 μm。通过分析可知，碳酸钙和二氧化硅对乳状液的影响最大。乳状液中的碳酸钙固体来源主要有方面：在采油时，由于对碳酸盐岩层冲刷力度较大，会有部分碳酸钙颗粒被冲进乳状液；另一部分主要来源于地层结垢的产物。

图6 光的强度分布

>表2 固体颗粒粒径分析

2.4 脱除效果评价

图7 加热对乳状液的影响图

图8 破乳剂对乳状液的影响

如图7所示，在45 ℃的水浴锅中，复配脱固原油乳状液在17 min后油水完全分层，而含固乳状液并未出现油水分层的现象；如图8所示，含固乳状液和复配脱固乳状液在同种破乳剂同种剂量下，脱固乳状液油水分层更快，分出的水相更多。由于固体颗粒对原油乳状液的稳定有很大的影响，固体颗粒的存在能增强乳状液的稳定性，所以，加热离心法可以有效地脱除原油中的固体颗粒，减少固体颗粒对乳状液的影响。

3 结 论

(1)原油乳状液在采用离心法脱除固体颗粒时，恒温高速离心相比较室温低速离心油水分离更加彻底，脱除的固体物质更多，由此，在原油乳状液离心脱固实验中，温度和离心力对于固体物质的脱除结果影响很大。

(2)滨南682原油乳状液的含水率在20.7%左右，固体含量在5.4%左右。固体颗粒物质成分主要是石英砂、斜长石、方解石、粘土、黄铁矿等。其中方解石的固体微粒最多，其含量为25.6%，方解石的主要成分是碳酸钙。其次是粘土和石英砂，它们的主要成分都是二氧化硅；粘土中的硅藻土的平均粒径最大。因此，乳状液中固体物质的主要成分是碳酸钙和二氧化硅。

(3)通过比较含固原油乳状液和脱固原油乳状液的加热沉降效率和破乳剂的影响，可得固体微粒可以加强滨南682乳状液的稳定性。

(4)将实验室常用的乳状液脱除固体微粒的离心法，与复配脱固乳状液相结合进行实验。其结果表明，离心法可以有效地脱除原油中的固体颗粒，减少固体颗粒对乳状液的影响。