无机杂质颗粒对三元复合驱原油介电性能的影响*

2020-10-17

油气田地面工程 2020年10期

大庆油田设计院有限公司

随着油田开采进入高含水阶段，为了保证原油产量，三元复合驱等强化采油技术广泛应用于油田生产中。三元复合驱产出原油中含有来自于地层或驱油过程中引入的无机和有机杂质颗粒[1]，将直接影响采出液处理工艺[2-3]，尤其是油水乳化的电脱水处理工艺[4-5]。为适应原油破乳脱水技术的发展，不仅要开发新型电脱水设备和技术[6]，还应研究原油介电性能的影响因素，尽管有关原油介电性能的研究未见报道，但是可以借鉴关于液体和绝缘油等方面的研究开展相关工作[7-9]。

从微观角度看，含杂质颗粒的原油应该存在3种影响介电性能的因素：①烷烃、环烷烃等非极性分子的电子位移极化；②偶极性电介质脂肪酸、胶质、沥青质的电子位移极化和偶极式取向极化；③原油中杂质颗粒的电子位移极化和取向极化。因此，对于含有杂质颗粒的原油，影响其介电性能的主要因素包括偶极性烃类分子的极化和杂质颗粒的极化。本文研究了原油中杂质对原油介电性能的影响，可为原油乳状液电脱水工艺改进提供理论依据。

1 无机离子的存在状态

大庆油田三元复合驱采出液脱水工艺总体上采用两段脱水工艺：一段游离水脱除器，用于脱除采出液中的大部分游离水；二段电脱水器，实现原油的净化脱水。由于污水沉降罐回收油严重影响电脱水器的平稳运行，对污水沉降罐回收油采取单独回收、加热沉降脱水。在脱水站工艺流程的不同环节取样，沉降分层后，分别取上层油样和下层水样进行测试。表1为不同原油样品和水样品经ICP分析检测得到的元素离子含量。其中电脱水器水出口的样品是降低电脱水器油水界面后的取样，样品中含有大量的油水过渡层。

表1 脱水站不同工艺环节的油样和水样中元素含量Tab.1 Element contents in oil and water samples of different process links in dehydration stationsμg/g

从表1可以看出，油层中含有很高浓度的Fe3+和Al3+，而水中则含有相对高浓度的Na+。说明三元复合驱脱水站油性样品中含有大量油溶性的Fe元素和Al元素，而且其中Fe和Al元素离子含量要远远高于油水共存样品中的含量。特别指出的是，处理系统回收油中Fe和Al元素离子含量最高，可以推测，这种状态的Fe离子会持续在油中生成和富集。另外，脱水站油中含有Ca2+，说明这些离子能够以非水溶性的状态存在于油中。

2 无机杂质颗粒的存在状态

从原油中分离出来的无机杂质颗粒，通过电镜扫描和能谱分析确定形貌特征和晶体存在形式。由无机杂质颗粒的SEM照片（图1）和EDS能谱（图2）可知，无机杂质颗粒主要呈现出块状、颗粒状和蜂窝状薄片等形貌特征。EDS能谱的面扫结果表明，无机杂质颗粒主要含有O、Si、Ca、Al、Fe、Mg和Na等元素。

图1 无机杂质的SEM照片Fig.1 SEM photographs of inorganic impurities

图2 无机杂质的EDS能谱Fig.2 EDS spectra of inorganic impurities

图3 无机杂质的XRD谱图Fig.3 XRD patterns of inorganic impurities

图3为无机杂质颗粒的XRD谱图，表明上述元素主要以硅铝酸盐形式存在。

3 不同物质对原油介电性能的影响

以环己烷代替原油为研究对象，将来自于原油中的杂质和油溶性表面活性剂烷基苯磺酸钠18-2 ABS掺杂到环己烷中，以考察其对环己烷介电性能的影响。表2是选取的4种杂质（12号杂质为电脱水器绝缘吊挂淤积物，21号杂质为电脱水器底部淤积物，22号杂质为电脱水器极板淤积物，31号杂质为三元复合驱污水处理站过粗滤器筛管淤积物）中各成分的组成情况，杂质在各无机物的组成上均具有代表性，其中一种油溶性较好的表面活性剂18-2 ABS结构如图4所示。

表2 各样品中杂质组成成分Tab.2 Impurity composition in each sample质量分数/%

图4 对二甲基烷基苯磺酸钠18-2 ABS结构Fig.4 Molecular structure of sodium para-dimethyl alkylbenzene sulfonate 18-2 ABS

图5 不同杂质及18-2 ABS掺杂对环己烷溶液电容的影响Fig.5 Effect of mingling different impurities and 18-2 ABS on capacitance of cyclohexane

图5是杂质和18-2 ABS掺杂量不同对环己烷溶液电容的影响。由图5可知，杂质和18-2 ABS的掺杂在实验范围内均使环己烷的电容减小，也就是介电常数减小，纯净环己烷的电容为5.24 pF，掺杂后均小于此值。这说明杂质和18-2 ABS的掺杂导致环己烷的介电性能降低，在电场存在下，相较于环己烷，掺杂溶液的电导率会更大或者更容易在强电场下被击穿。

除了含22号杂质的样品（电脱水器极板淤积物）外，其他杂质掺杂的环己烷的电容值均随着杂质含量的增加呈现出先降低后升高的趋势。这说明，在合适的杂质含量时，环己烷溶液会表现出最小的电容值，此时，环己烷溶液介电性能最差，最容易导电和被电场击穿。其中含12号杂质的样品（电脱水器绝缘吊挂淤积物）具有最低电容值，此杂质中含有较高含量的K2O、Na2O和BaCO3，说明这些物质能更多地降低环己烷的介电性能。含21号杂质的样品（电脱水器底部淤积物）同样含有较多的碳酸盐，如CaCO3、MgCO3和BaCO3，这些物质也具有相对高的降低环己烷介电性能的能力。含22号杂质的样品（电脱水器极板淤积物）中含有较多的Fe2O3，随着含量的增加，环己烷的电容值逐渐升高，这可能来自于Fe2O3的聚集长大，不利于其在电场中的移动，从而增加了电容。那么随着其他样品杂质含量的增加，同样是由于颗粒的聚集导致电容增加。

对于18-2 ABS，只测试了一个0.1%（质量分数）的浓度，表明环己烷溶液的电容值同样由于18-2 ABS存在而下降。

以上结果表明，无论是极性的烷基苯磺酸钠18-2 ABS，还是具有在电场下发生极化而产生极性的无机杂质颗粒，在实验所考察的掺杂浓度范围内，均造成环己烷溶液介电性能的降低，导致溶液导电率的增加和耐击穿性能的降低。