基于原油物性定量分析的原油乳状液转相点预测模型

文江波， 罗海军

(广东石油化工学院 石油工程学院，广东 茂名 525000)

在世界范围的陆上及海上油田开发中，油-水混输工艺应用普遍，是油田进行原油集输的重要方式。在混输管道中，原油-水两相体系很容易形成乳状液，乳状液的形成会对油-水两相的流动特性产生显著影响[1-3]。体系含水率(体积分数，下同)较低时，原油、水掺混一般形成的是W/O乳状液，当体系含水率超过一定的临界值(即转相点)时，W/O乳状液会转相形成O/W或W/O/W乳状液。原油乳状液转相之后，体系的黏度会大幅降低，混输管道的压降梯度也会大幅减小，从而使管输规律发生改变[4-5]。

原油乳状液转相点是一个重要的参数，对于油田生产及原油-水体系管道混输均具有重要指导作用。在稠油掺水输送方面，必须准确掌握稠油乳状液的转相点，掺水工艺设计的关键在于使稠油-水体系形成O/W乳状液，这样才能起到降黏、减阻的作用[6-8]。在油田集输工艺中，加入流动改进剂，可以降低原油乳状液转相点，使得在含水率较低的条件下，也能形成O/W乳状液，从而降低油-水体系黏度，提高集输效率[9-10]。在海上油田生产中，“乳化伤害”普遍存在，即在转相点之前，原油、水形成的W/O乳状液黏度远远大于原油黏度，会导致油管举升及海底管道输送阻力增大，进而影响油田产能。掌握被开采原油-水体系的转相特性，可有效减少因乳化问题带来的产能损失[11-12]。聚驱稠油采出液的停输再启动特性与原油乳状液的转相点紧密相关，研究[13]显示，在转相点之前，随着体系含水率增加，管道再启动难度逐渐增大；而当体系含水率超过转相点之后，管道再启动难度显著下降。在原油脱水处理方面，当原油含水率小于转相点时，水相以微小液滴的形式被原油包裹，体系结构稳定，不利于电脱水，脱水率也较低；而当原油含水率大于转相点时，体系结构松散，电脱水的脱水率显著上升[14]。

原油乳状液的转相点大小与原油物性密切相关，一般而言，原油中的天然界面活性物质(如沥青质、胶质、蜡晶、机械杂质等)含量越高，乳化能力越强，原油乳状液的转相点越大[15-16]。目前，在实际生产中，一般根据需要通过实验来确定原油-水体系的转相点，还未见具有普适性、能应用于不同油-水体系的转相点预测模型的相关文献发表。笔者采用8种不同物性的原油开展乳化实验，以流动状态下的原油乳化含水率来表征原油-水体系的乳化特性，通过实验研究了体系含水率对原油乳化含水率的影响，确定了原油乳状液的转相点。进一步地，确定了表征原油物性的代表性参数，建立了基于原油物性定量分析的原油乳状液转相点预测模型。

1 实验部分

1.1 实验原料

乳化实验采用了8种原油(编号分别为A、B、C、D、E、F、G、H)，原油A来自克拉玛依油田，原油B来自大庆油田，原油C来自哈萨克斯坦进口原油，原油D来自塔里木油田，原油E、F来自吐哈油田，原油G、H来自玉门油田。8种原油的物性参数如表1所示。水，实验室自制超纯水。

表1 8种原油的物性参数Table 1 Physical properties of 8 crude oils

1.2 实验装置及方法

在笔者之前的研究[17]中，对实验装置、流动状态下原油乳化含水率的实验确定方法进行了详细描述，这里只进行简要说明。实验装置如图1所示，主要由以下4部分组成：①通过水套控温的搅拌槽；②循环水浴；③搅拌动力系统；④分水计量装置。

图1 原油乳化含水率测定实验装置Fig.1 Experimental device for determining the emulsified water fraction

通过取样测量得到停止搅拌后不同时间游离水的析出量，采用外延法确定流动状态下的原油乳化含水率。将原油、水按一定质量比加入到搅拌槽中，在实验温度下恒温10 min，温度恒定后开始搅拌。达到预定时间后，停止搅拌，将油-水混合液通过搅拌槽底部的阀门转移到分水计量装置，测量累计析水量随时间的变化，然后通过拟合，得到累计析水量(Vf)与时间(t)的定量关系式Vf=f(t)。通过时间外延计算得到搅拌刚停止(t=0 min)时游离水的含量，将该时刻的游离水含量作为油-水混合液在流动状态下的游离水含量，结合油-水混合液的总含水量，就可以计算得到该流动状态下的原油乳化含水率。

流动状态下的原油乳化含水率按式(1)进行计算：

(1)

式中：φE为流动状态下的原油乳化含水率；Vm为油-水混合液的总体积，mL；Vw为油-水混合液中水相体积，mL；Vf0为t=0 min时的游离水体积，mL，Vf0按式(2)进行计算：

Vf=aln(t+b)+c

(2)

式中：Vf为累计析水量，mL；t为时间，min；a、b、c为拟合参数。

2 结果与讨论

2.1 原油乳化含水率与体系含水率的关系

黄启玉等[18]的研究指出，在温度为40～50 ℃、搅拌时间为10 min的情况下，以转速500 r/min搅拌原油-水混合液制备得到的乳状液，其黏度与现场取样的原油乳状液黏度非常接近，可以将该搅拌条件作为实验室制备乳状液的依据。笔者以500 r/min为剪切强度条件，在不同的体系含水率、温度条件下开展乳化实验。根据乳化实验结果，各原油流动状态下的乳化含水率随体系含水率的变化如图2所示。

由图2可知，当体系含水率较小时，8种原油均能将水相全部乳化，形成稳定的W/O乳状液，此时原油乳化含水率等于体系含水率；而当体系含水率超过一定的临界值时，原油乳化含水率急剧减少。这是因为，当体系含水率较高时，原油只能将其中一部分水乳化，形成的是W/O乳状液液滴和游离水混合的非稳定乳化体系，在这种体系中既含有乳化水又含有游离水。此时，W/O乳状液液滴是分散相，游离水则是连续相，即可视为形成了W/O/W 多重乳状液。很显然，图2中8种原油的乳化含水率发生突变所对应的体系含水率，即为各原油乳状液从W/O型向W/O/W型转变的转相点。

图2 原油乳化含水率(φE)随体系含水率(φ)的变化Fig.2 Emulsified water volume fraction (φE) vs. water volume fraction (φ)(a) Oil A; (b) Oil B; (c) Oil C; (d) Oil D; (e) Oil E; (f) Oil F; (g) Oil G; (h) Oil HCondition: Shear strength 500 r/min

2.2 不同原油乳状液的转相点

根据乳化实验结果，8种原油乳状液的转相点如表2所示。由表2可知，各原油乳状液的转相点存在差异，这表明原油乳状液的转相点与原油物性密切相关。对于不同原油，其烃类组成有差异，其中所含的界面活性物质含量也不同，因而乳化特性各不相同，这使得不同原油乳状液的转相点各不相同。

表2 8种原油乳状液转相点Table 2 Phase inversion points of 8 crude oil emulsions

3 原油乳状液转相点预测模型

3.1 影响乳化特性的原油物性参数

原油-水两相体系的乳化特性、转相点与原油物性密切相关，选择了5个影响乳化特性的参数作为表征原油物性的代表性参数：沥青质胶质含量(wa+r)、蜡含量(ww)、机械杂质(wm)、原油酸值(AN)、原油全烃平均碳数(CNoil)。

选择上述5个参数的原因如下：沥青质与胶质是原油乳状液稳定的最主要因素，它们的组成和性质相似，二者之间没有明显的界限，作用效果也类似[19]，所以将沥青质含量(wa)与胶质含量(wr)合并在一起作为第一个参数，即wa+r。原油中的蜡也是一种重要的界面活性物质，其吸附在油水界面，可以改变界面膜的流变性，增强界面膜的强度，从而使原油乳状液更加稳定[20]，因而将蜡含量作为第2个参数，即ww。原油中的微小机械杂质，也可以吸附在油水界面上，增强界面膜的强度，从而增加原油乳状液稳定性[21]，因而将机械杂质含量作为第3个参数，即wm。原油中的酸性化合物种类很多，包括羧基酸、脂肪酸、环烷酸等[22]，而且它们的结构和性质各异，不可能将这些酸性化合物都一一进行量化，所以选择原油的酸值即AN，作为第4个参数来量化这些酸性化合物对乳化特性的影响。原油的烃类组成会影响沥青质在原油中的溶解度和聚集形态，从而影响原油乳状液的稳定性[23]，所以选择原油的全烃平均碳数即CNoil，作为第5个影响参数。

3.2 转相点预测模型的建立

表征原油物性的代表性参数确定之后，利用数理统计方法建立原油乳状液转相点(φp)与原油物性之间的定量关系模型。φp与原油物性的定量关系模型如式(3)所示：

(3)

式中：a0～a5为拟合参数；wa+r、ww、wm分别为沥青质和胶质、蜡、机械杂质的质量分数，%；AN为原油的酸值，mg KOH/g；CNoil为原油的全烃平均碳数，无量纲。

对式(3)取对数得到式(4)：

lnφp=lna0+a1lnwa+r+a2lnww+a3lnwm+a4lnAN+a5lnCNoil

(4)

令X1=lnwa+r、X2=lnww、X3=lnwm、X4=lnAN、X5=lnCNoil、Y=lnφp，则式(4)可转化为式(5)：

Y=lna0+a1X1+a2X2+a3X3+a4X4+a5X5

(5)

以8种原油的实验数据，对式(5)进行多元线性回归得到式(6)：

Y=-1.586+0.083X1-0.111X2+0.002X3- 0.046X4+1.098X5

(6)

对式(6)进行数学转换，得到原油乳状液转相点预测模型：

(7)

采用式(7)计算8种原油乳状液的转相点，并与各原油乳状液的实测转相点进行对比，对比结果如表3所示。误差分析结果显示，模型计算转相点与实测转相点之间的平均相对偏差为3.2%。

表3 模型计算转相点与实测转相点的对比Table 3 Comparison between the calculated phase inversion point and the measured phase inversion point

由表3可知，该转相点预测模型的计算结果与实测结果的吻合度较好，相对偏差较低，具有较好的预测效果。该模型可用于预测不同原油-水混合体系的转相点，为原油-水两相乳化的相关工程问题提供理论指导。该转相点预测模型(式(7))及表3的实验结果，均是在40～60 ℃的温度条件下获得，因此，模型的最佳温度适用范围为40～60 ℃。

4 结 论

(1)当体系含水率较小时，原油能将水相全部乳化，形成稳定的W/O乳状液，此时原油乳化含水率等于体系含水率；而当体系含水率超过一定的临界值后，原油乳化含水率急剧减少，形成的是W/O/W多重乳状液。原油乳化含水率发生突变所对应的体系含水率，即为原油乳状液从W/O型向W/O/W型转变的转相点。

(2)原油乳状液的转相点与原油物性密切相关，确定了5个影响乳化特性的参数作为表征原油物性的代表性参数，分别是：沥青质胶质含量wa+r、蜡含量ww、机械杂质含量wm、原油酸值AN、原油全烃平均碳数CNoil。

(3)在原油物性定量分析的基础上，建立了原油乳状液转相点预测模型。模型可用于预测不同原油-水混合体系的转相点。误差分析结果显示，模型计算转相点与实测转相点之间的平均相对偏差为3.2%，具有较好的预测效果。该转相点预测模型是在搅拌转速500 r/min及40～60 ℃的温度条件下获得，该实验条件即为模型的最佳适用条件，模型对于其他条件下原油乳状液转相点的预测，可作为有力参考。