缓蚀剂在海上某油田含蜡原油脱水的应用

李林虎,林川,杨生铭,田东东

(中海石油(中国)有限公司深圳分公司,广东 深圳 518000)

1 研究背景

1.1 南海东部某深水油田群介绍

南海东部某深水油田群采用全水下开发模式,分别由A油田、B油田、C油田与一艘FPSO组成,水下生产井原油通过海底管道输送至FPSO(Floating Production Storage and Offloading,浮式生产储油轮)进行处理。原油经FPSO工艺系统处理合格(含水率低于0.5%)后进行货油舱储存、外输,脱出的生产水进入污水处理系统,伴生气进入燃料气系统,多余的伴生气经过火炬分液罐至火炬进行处理。

1.2 原油物性与海管介绍

A油田原油析蜡起始点为25.2 ℃,高峰析蜡点17.5 ℃,含蜡量7.98%,凝点4 ℃,A油田水深404 m,海管为单层不保温管,距离FPSO 23.1 km,海管入口温度85～92 ℃,海管出口温度14～17 ℃。

1.3 工艺系统介绍

FPSO工艺系统包括原油处理系统、中/低压燃料气处理系统、污水处理系统、LPG回收系统。原油处理系统由两台段塞流捕集器、合格原油换热器A/B、一级加热器、一级分离器A/B/C、二级加热器A/B/C、二级分离器、三级分离器、原油海水冷却器、原油增压泵A/B/C与生产水增压泵A/B/C组成,原油处理系统将水下生产井采出的原油进行油、气、水三相分离,使原油含水低于0.5%,并使原油充分稳定。原油系统工艺流程如图1所示,原油系统设备工艺参数如表1所示。

表1 原油处理系统设备操作参数

图1 FPSO 原油处理系统工艺流程

该油田群化学药剂主要分为水下化学药剂与上部模块工艺流程化学药剂,其中影响原油处理的主要为缓蚀剂与破乳剂,注入点如表2所示。

表2 化学药剂注入点

1.4 主要研究内容

在深水油田群中,A油田因海管析蜡形成乳化液,造成原油在工艺系统中无法脱水,引起工艺系统波动,而B与C油田井液易处理,在不加入药剂的情况下能够完全脱水。针对A油田含蜡原油乳化液处理难问题,在面对破乳剂不具备远距离水下注入与防蜡剂试验效果不佳的情况下,首先确认乳化液组成,其次针对不同缓蚀剂、不同温度、不同注入浓度进行评价,确定破乳效果,最后研究缓蚀剂破乳的可行性,使用破乳剂工艺系统不同注入点进行试验,确定缓蚀剂破乳现场应用效果。

2 缓蚀剂破乳的作用机制

通过化验数据了解到A油田上岸原油乳化液主要由蜡、原油与生产水组成。A油田原油属于含蜡原油,在海管输送过程中,原油不断降温造成蜡质析出形成蜡晶微纳米颗粒,吸附于油水界面上,该固体颗粒更容易被油相所润湿,因此形成稳定的W/O(油包水)型Pickering乳化液[1],造成原油破乳困难。

一般而言,添加表面活性剂使Pickering乳状液更加稳定,但并不是所有的表面活性剂都会产生相同的效果,表面活性剂的种类、用量等均会造成影响。一般观点认为,加入表面活性剂将会降低表面张力降低,使乳状液稳定。但是,表面活性剂也可能会改变固体颗粒的润湿性,从而使Pickering 乳状液破乳[2]。

国外使用表面活性剂作原油破乳剂是20世纪20年代开始发展的,FPSO 43#缓蚀剂主要由85%咪唑啉与15%甲醇组成。如图2咪唑啉是一种两性离子表面活性剂,它与常规破乳剂同属表面活性剂,从破乳原理来讲具有破乳功能,咪唑啉的分子中带有2个亲水基团,一个带有正电,另一个带有负电[3]。它的破乳原理主要由于咪唑啉的界面活性高于油水膜的界面活性,它能在油水界面上吸附或部分置换界面上吸附的天然乳化剂,它在加入后向油水界面扩散,通过增加油与水的界面张力,提升油相固体颗粒的润湿性,使油中的成膜物质形成具有比原来界面膜强度更低的混合膜,从而破坏界面膜,使乳化液从油包水(W/O)型转变成水包油(O/W)型,并将膜内的水分离出来,水滴互相聚集形成大水滴,以达到破乳的目的[4]。

图2 咪唑啉母体结构

图3 43#缓蚀剂和破乳剂红外光谱图

由图3红外光谱图可以看出缓蚀剂与破乳剂在波数相同的情况下,透光率变化基本一致,而缓蚀剂和破乳剂只是按作用类型进行区分,两者在分子结构上并没有绝对的界限,也再次确认缓蚀剂具有破乳功能[5]。

3 药剂实验

3.1 A油田上岸原油脱水实验

针对3个不同批次A原油开展缓蚀剂破乳效果评价,实验温度为60～90 ℃,药剂注入浓度以A油田产液量计算,分别验证43#缓蚀剂在300,250,200,150,100和80 mg/L 6种质量浓度的破乳效果。其中在300 mg/L质量浓度下30 min脱水率为93.8%,250 mg/L质量浓度下120 min脱水率为92.9%,200 mg/L质量浓度下120 min脱水率为53.6%,150 mg/L质量浓度下120 min脱水率为8.6%,100与80 mg/L质量浓度下30 min脱水率分别为12.5%与9.4%。

实验数据如表3～5(图4～6)所示,由实验数据可以看出:

表3 缓蚀剂破乳效果评价数据1

表4 缓蚀剂破乳效果评价数据2

表5 缓蚀剂破乳效果评价数据3

图4 表3中各样脱水完成后照片(从左到右:1～6号)。

图5 表4中各样脱水完成后照片(从左到右:1～6号)

图6 表5中各样脱水完成后照片(从左到右:1～6号)

(1)在60～90 ℃下,部分破乳剂在更低注入浓度下破乳效果明显优于43#缓蚀剂。

(2)针对A油田含蜡原油乳化液,在温度为60～90 ℃时,缓蚀剂有效破乳质量浓度250 mg/L以上。

3.2 深水油田群混合原油脱水实验

由于B/C油田不存在析蜡现象,相较于与A油田上岸原油缓蚀剂破乳效果评价相比,油田群混合原油评价难度降低。在此项实验中,实验温度分别为35与60 ℃,用于验证低温状态下缓蚀剂破乳效果,药剂注入浓度以A油田产液量计算。实验过程如表6～7(图7～8)所示,由实验数据可以看出:

表6 缓蚀剂破乳效果评价数据4

表7 缓蚀剂破乳效果评价数据5

图7 表6中各样脱水完成后照片(从左到右:1～6号)

图8 表7中各样脱水完成后照片(从左到右:1～6号)

(1)缓蚀剂在35 ℃低温段基本没有破乳效果;

(2)缓蚀剂在60 ℃具有较好的抗乳化效果。

3.3 实验结论

由于常规破乳剂的分子量较大,不适于长距离注入(低温、易堵),43#缓蚀剂能弥补常规破乳剂的短板,实现稳定水下远程注入。43#缓蚀剂在60～90 ℃的高温段具有较好的破乳效果,在低温段主要起抑制乳化的作用。

4 现场应用

2021在FPSO开展43#缓蚀剂流程试验,油田群井液含水率6%～9%,其中A油田井液含水率13%～17%(部分工况A油田井液生产水完全溶于乳化液之中,无法直接离心得到),缓蚀剂分别在上模工艺流程与水下生产系统注入,试验在不同注入浓度下油水处理效果。

4.1 上模工艺流程试验

43#缓蚀剂注入点位于A油田井液上岸处,井液上岸温度14～16 ℃,一级分离器操作温度30～40 ℃,二级、三级分离器操作温度60～70 ℃,注入浓度以A油田产液量计算,试验情况如表8所示。

表8 43#缓蚀剂上模工艺流程注入试验数据

如图9～10所示,43#缓蚀剂在上模工艺流程注入试验表现效果差,在低浓度下没有破乳效果,在300 mg/L下存在一定的破乳效果,但无法满足原油处理要求,下舱原油含水率仅由16.2%下降至13.2%,并存在大量乳化液。

图9 43#缓蚀剂上模工艺试验BS&W

图10 43#缓蚀剂上模工艺试验含水率

4.2 水下海管入口试验

43#缓蚀剂注入点位于A油田水下海管入口处,主要通过脐带缆内部化学药剂管线将缓蚀剂由FPSO输送至水下,井液在海管入口温度为85～92 ℃,井液上岸(海管出口)温度14～16 ℃,一级分离器操作温度30～40 ℃,二级、三级分离器操作温度60～70 ℃,注入浓度以A油田产液量计算,试验情况如表9所示。

表9 43#缓蚀剂水下流程注入试验数据

如图11～12所示,43#缓蚀剂在水下海管入口处试验效果表现差异较大,在低浓度下破乳效果差,当注入质量浓度高于250 mg/L时,缓蚀剂展现出良好的破乳效果,A油田上岸井液BS&W与乳化液明显减少,一级分离器油相出口含水率稳定在0.5%以内,满足下舱原油要求,而二级分离器与三级分离器进一步脱水,使下舱原油含水率下降至0.1%～0.2%。

图11 43#缓蚀剂水下注入试验BS&W

图12 43#缓蚀剂水下注入试验含水率

5 结论与展望

(1)总结了A油田海管中形成Pickering乳化液的原因,分析了缓蚀剂破乳的作用机制,以缓蚀剂中的表面活性剂咪唑啉组成、结构及性质特征为研究方向出发,归纳了缓蚀剂在不同注入浓度与温度下的脱水效果,为海上油田含蜡原油Pickering乳化液脱水提供了全新思路。

(2)现有结论为:注入质量浓度高于250 mg/L的缓蚀剂对于含蜡原油Pickering乳化液在60～90 ℃的高温段显示了良好的破乳效果;再次确认表面活性剂咪唑啉可以实现Pickering乳化液破乳功能。

(3)工艺流程试验表明:当缓蚀剂注入质量浓度高于250 mg/L,药剂反应温度在60～90 ℃区间时,43#缓蚀剂可以将Pickering乳化液破乳,并且A油田上岸原油无乳化液,保证下舱原油含水低于0.5%及油田群外输原油品质;在药剂反应温度为30～70℃区间,缓蚀剂在此温度区间内效果差,不具备破乳效果。

(4)结合文献以及现场应用,对缓蚀剂破乳研究作出以下展望:①尝试在60～90 ℃下使用其他类型的表面活性剂对Pickering乳化液进行破乳试验,探究表面活性剂对Pickering乳化液界面膜的影响;②搭建更多的微观平台深入探究表面活性剂与Pickering乳化液的界面膜的反应机理,对表面活性剂破乳原理进行深入分析、论证;④探究不同表面活性剂、Pickering乳状液稳定性与固体颗粒的浓度、颗粒大小、润湿性的关系,并基于该特性分析进行其他油田设计与油田后期应用也是一个重要的研究方向[6]。