乳液型清蜡剂的研究与应用

2021-07-19李泽锋刘文波

石油化工应用 2021年6期

李泽锋，张冕，2，刘文波

（1.川庆钻探工程有限公司长庆井下技术作业公司，陕西西安 710021；2.低渗透油气田勘探开发国家工程实验室，陕西西安 710021）

我国是一个原油含蜡量很高的国家，陇东油田相对于其他油田来说油藏较浅、温差大，地层温度在35～60 ℃。原油中气油比高，含蜡量平均在20%左右，部分区块含蜡量能够达到20%～40%。原油在上升过程中，温度、压力逐渐降低，流动性变差，原油中的轻组分会以气体的形式析出，而重组分如胶质、沥青质则以蜡晶体的形式凝结在原油开采的各个环节中，造成油井堵塞[1]。油井清蜡是每个油田都不得不面临的问题，在陇东油田每年使用的各种清蜡剂总和在1 000～1 200 t。清蜡剂的大量使用不仅提高了施工成本，而且增加了作业难度。因此研制出高效、操作便捷的清蜡剂成为了当务之急。乳液型清蜡剂作为化学清蜡剂中的代表得到了广泛的研究和应用，通常以有机溶剂为主剂，表面活性剂等为助剂组成[2]。本文通过多次实验对乳液型清蜡剂的组分进行了优选和复配，研制出一种适用于多数油田的乳液型清蜡剂（CLJ-1）。

1 实验部分

1.1 实验试剂及仪器

甲苯、二甲苯、石油醚（60-90）、环己烷、苯乙烯、EDTA、四氯化碳、咪唑啉型表面活性剂、异丙醇、石油磺酸钠，均为分析纯；煤油、0#柴油，为工业级。

恒温水浴锅、分析天平、金属模具、结蜡管、石油产品凝点测定仪、盐含量分析仪、秒表、烧杯等。

1.2 实验方法

清蜡剂的溶蜡速率按照《Q/SY DQ0829-2006 清蜡剂产品验收和使用效果检验指标及方法》进行测定，具体步骤如下：

（1）将准备好的蜡块进行加热融化，然后将液态的熔融态石蜡倒入金属模具中，待石蜡冷却凝结成型后从模具中取出蜡块，用分析天平准确称量其质量记为m1。

（2）将恒温水浴锅温度保持在40 ℃，在100 mL 试管中加入100 mL 提前准备好的清蜡剂，将试管放入水浴锅中加热。

（3）待试管中清蜡剂温度稳定之后，将蜡块放入试管中继续在40 ℃水浴中保持恒温6 h，取出剩余蜡块并用蒸馏水洗净晾干后用分析天平准确称量其质量记为m2。

（4）通过式（1）计算溶蜡速率。

式中：γ-溶蜡速率，g/min；m1-初始蜡块质量，g；m2-蜡块在溶剂中浸泡一段时间后剩余质量，g；t-蜡块浸泡时间，min。

2 乳液型清蜡剂的开发

2.1 溶剂的优选与复配

参照实验方法，对选用的9 种国内外普遍使用的溶剂进行溶蜡速率的测定，实验所用的蜡块为黑蜡，由陇东油田现场提供，实验结果（见表1）。

表1 单一溶剂溶蜡速率Tab.1 Rate of wax dissolution in single solvent

由表1 可知测试的9 种单一溶剂的溶蜡速率由大到小为：四氯化碳＞石油醚＞环己烷＞煤油＞二甲苯＞苯乙烯＞甲苯＞0#柴油＞EDTA。为了获得对石蜡有较大溶解速率的溶剂，考虑到四氯化碳的毒性，其已禁止在油田中使用，故实验选用溶蜡速率较大且不会对环境造成污染的石油醚、环己烷和煤油进行复配。采用正交设计表按体积比1:2:3 进行实验，测量溶液的溶蜡速率，结果（见表2）。

表2 乳液型清蜡剂溶剂复配实验结果Tab.2 Experimental results of emulsion wax remover

由表2 可知，各溶剂间均具有很好的促进作用，复配后体系的溶蜡速率较单一溶剂均有所提升，以实验3 效果最好，实验6 次之。环己烷和煤油在体系中发挥积极的作用，随着加剂量的增加，当石油醚在体系中占主导成分时溶蜡速率逐渐减小；环己烷具有很好的互溶作用，因其极性小于蜡的极性，对蜡的溶解起到了促进作用[3]。因此确定乳液型清蜡剂的主剂体系复配比例为石油醚：环己烷：煤油为1:3:2。

2.2 表面活性剂的优选及复配

表面活性剂具有亲水和亲油两个基团这一特殊性质使其既可以溶于水溶液又可以溶于有机溶液中。HLB 值用来表示两个基团对水或油的亲和能力，值越大则亲水性越强，反之则亲油性强。不同HLB 值的表面活性剂功能也不同，因此在选择助剂时以此作为参考条件之一[4]。现从具有一定分散、渗透功能的表面活性剂中优选出能够加快溶蜡速率的表面活性剂与上文复配主剂进行混合，在实验条件下测定清蜡速率（见表3）。

表3 表面活性剂单剂与复合溶剂的清蜡率Tab.3 Wax removal rate of single and compound solvents for surfactant

由表3 可知表面活性剂单剂表现最好的为咪唑啉型表面活性剂，然后是异丙醇，石油磺酸钠次之。进一步考察各种表面活性剂之间是否存在协同作用，将表现优异的三种表面活性剂继续复配，以求获得溶蜡速率更加出色的新型表面活性剂，实验结果（见表4）。

表4 表面活性剂复配的溶蜡速率Tab.4 Wax removal rate of surfactant

由表4 可知复配后的表面活性剂清蜡速率远大于0.016 g/min，完全符合SY/T 6300-2009《油田防蜡剂评价标准》的要求。且当咪唑啉、异丙醇、石油磺酸钠按体积比为2:1:1 复配后其清蜡速率明显提高，在不与溶剂复配的情况下达到0.074 2 g/min。其加量对乳液型清蜡剂体系的影响（见表5），以此确定复配表面活性剂在体系占的比例。

表5 表面活性剂加量对溶蜡速率的影响Tab.5 Effect of surfactant dosage on wax dissolving rate

2.3 乳液型清蜡剂配方的确定

根据上述实验优选出复配溶剂和表面活性剂，确定主剂溶剂石油醚：环己烷：煤油体积比为1:3:2；复配表面活性剂咪唑啉与异丙醇、石油磺酸钠按体积比2:1:1 组成，占体系的5%～8%时溶蜡速率最高，溶蜡速率接近0.19 g/min，将其命名为CLJ-1 乳液型清蜡剂。

3 乳液型清蜡剂的性能评价及影响因素研究

CLJ-1 型乳液型清蜡剂的溶蜡速率由静态溶蜡法测定，凝点和闪点也是考查乳液型清蜡剂性能是否稳定的重要因素，下面对CLJ-1 型乳液型清蜡剂进行综合性能评价，并对其潜在的影响因素进行分析。

3.1 CLJ-1 乳液型清蜡剂性能评价

3.1.1 稳定性 CLJ-1 型乳液型清蜡剂常温下为深棕色液体，pH 为7.4，在现场原油中加入10%的CLJ-1 型清蜡剂原油密度几乎不发生改变，对黏度的影响也很少，在原油中不发生沉淀，配伍性良好。

3.1.2 凝点 CLJ-1 型乳液型清蜡剂可以显著降低原油的凝点，与市售乳液型清蜡剂平均凝点-30 ℃相比，CLJ-1 型清蜡剂的凝点可以达到-41 ℃，有效抑制了原油中蜡的凝结。凝点的测试采用国家凝点分析标准GB510-83。

3.1.3 闪点乳液型清蜡剂的闪点普遍偏低，闪点越高代表清蜡剂越稳定，闪点越低则代表清蜡剂越易燃。市售乳液型清蜡剂的平均闪点为25 ℃，在使用中存在很大的安全隐患，CLJ-1 型清蜡剂中由于轻烃含量较小，闪点提高了10 ℃，适用范围更广[5]。闪点的测试使用的是GB261-2008 国家标准闪点分析方法即宾斯基-马丁闭口杯法，并用公式（2）对测试结果进行修正。

式中：Δt-修正数，℃；P-实际大气压，kPa。

3.1.4 清蜡剂性能评价结果用优化配方配制成的CLJ-1 型乳液型清蜡剂，按照各项行业标准对其进行评价，结果（见表6）。

表6 CLJ-1 型乳液型清蜡剂性能评价结果Tab.6 Results of CLJ-1 emulsion wax remover performance evaluation

3.2 CLJ-1 乳液型清蜡剂作用效果影响因素研究

3.2.1 温度对溶蜡速率的影响实验用CLJ-1 型乳液型清蜡剂在不同温度下对经脱水处理后的陇东含蜡原油进行清蜡速率实验，并在相同实验条件下与市售溶蜡剂进行对比，实验结果（见图1）。

图1 地层温度与溶蜡速率的关系Fig.1 Relationship between formation temperature and wax dissolving rate

实验结果表明，温度对清蜡剂的溶蜡效果总是起到积极的作用，这是由于随着温度的增高原油自身的结蜡量减小，同时原油及表面活性剂中的分子运动加快，清蜡剂的效果得以提升。研制的CLJ-1 在温度增加的情况下表现稳定，且溶蜡速率明显高于市售清蜡剂。

3.2.2 原油含水量对溶蜡速率的影响实验用CLJ-1乳液型清蜡剂对不同含水量的陇东含蜡原油进行清蜡速率测试，结果（见图2）。

由图2 可以看出，乳液型清蜡剂和水基清蜡剂在含水量发生变化时表现出的性能变化具有明显的不同，CLJ-1 型乳液型清蜡剂适用于低含水的油田，并在含水量低于30%时具有很好的清蜡效果，针对性强，随着含水量的增大清蜡速率逐渐降低。

图2 原油含水量与溶蜡速率的关系Fig.2 Relationship between water content of crude oil and wax dissolving rate

3.2.3 原油含盐量对溶蜡速率的影响盐含量是原油的一个重要指标，主要以溶解在原油所含水中的钠、钙、镁氯化物为主，其中氯化钠占75%左右。实验用CLJ-1 乳液型清蜡剂对不同氯化钠浓度的陇东含蜡原油进行溶蜡速率测试，结果（见图3）。

图3 原油含盐量与溶蜡速率的关系Fig.3 Relationship between salt content and wax dissolving rate of crude oil

由图3 可知，随着原油中含盐量的增加，清蜡剂的溶蜡速率都呈现出逐渐变大的趋势，这是由于表面活性剂中的油相与水的界面张力降低，增加了表面活性剂分子对蜡的吸附量[6]。CLJ-1 乳液型清蜡剂在不同含盐量原油中均能表现出优良的溶蜡效果，性质稳定可靠。

3.3 与常规清蜡剂性能对比

本次实验将研制的CLJ-1 型清蜡剂与常规清蜡剂进行溶蜡速率、安全性等多方面的比较，结果（见表7）。

表7 与常规清蜡剂的性能对比Tab.7 Comparison of properties with conventional wax remover

4 现场应用

CLJ-1 乳液型清蜡剂在现场的应用效果受原油含水程度、油井温度、加药方式等多种因素的影响。CLJ-1型清蜡剂属于乳液型清蜡剂，因此应用在含水低于30%的油井效果十分显著；陇东油田油藏深度在1 000～2 280 m，原油在上升到600 m 左右时即进入结蜡状态，此时使用点滴加药的工艺除蜡效果更好；在一些含蜡量低于20%的油井，周期加药可以明显改善油井结蜡状态。

2020 年，在陇东区域选取了十口生产正常但清蜡周期很短，蜡堵情况经常发生的低含水油井进行CLJ-1 清蜡剂的实验。结合现场的清蜡特性，确定助剂的加量为8%并采用均匀点滴加药的工艺进行清蜡作业。实验采用全自动三腔加药装置，它是由箱体、试剂搅拌系统、加药系统和控制系统四部分组成。在操作过程中，加药系统能够根据设定的投放比例而保持试剂的浓度不变。每日每口井加药量设定为油井日产量的0.5%，在为期一年的加药实验中，单井全年增油约260 t。综上所述，CLJ-1 型乳液型清蜡剂结合点滴加药工艺在陇东油田取得了良好的应用，在增加原油开采率的同时减少了工人的劳动强度，对提高油田的经济效益具有十分积极的作用。