原油起泡影响因素
2023-09-05赵瑞玉冯文金韩梅李亚茹张倩郭爱军刘晨光
赵瑞玉 冯文金 韩梅 李亚茹 张倩 郭爱军 刘晨光
摘要：采用降压法研究原油的性质、温度、原油含水量、溶解气体的类型对原油起泡性及其稳定性的影响。结果表明：原油中的胶质沥青质质量分数越高、黏度越大，其泡沫的稳定性越大，消泡速率越小；原油的泡沫体积随温度升高呈先升后降趋势，消泡速率随温度提高而增大；模拟气、CO2和N2具有不同趋势的泡沫衰减曲线；气体在原油中的溶解度越小，泡沫的稳定时间越长，且原油的黏度越高泡沫出现峰值的时间越晚，峰值维持时间越长。
关键词：原油泡沫； 原油组成； 泡沫稳定性
中图分类号：TE 868 文献标志码：A
引用格式：赵瑞玉，冯文金，韩梅，等.原油起泡影响因素［J］.中国石油大学学报（自然科学版），2023，47（1）：164-170.
ZHAO Ruiyu， FENG Wenjin， HAN Mei， et al. Factors affecting foaming of crude oil［J］.Journal of China University of Petroleum（Edition of Natural Science），2023，47（1）：164-170.
Factors affecting foaming of crude oil
ZHAO Ruiyu1， FENG Wenjin1， HAN Mei2， LI Yaru3， ZHANG Qian1， GUO Aijun1， LIU Chenguang1
（1.State Key Laboratory of Heavy Oil Processing（School of Chemistry and Chemical Engineering in China University
of Petroleum（East China））， Qingdao 266580，China；
2.SINOPEC Shengli Oilfield Linpan Oil Production Plant Technology Institute， Dongying 251507， China;
3.Lanzhou Lubricating Oil Research and Development Center CNPC， Lanzhou 730060， China）
Abstract：The effects of the properties of crude oil， temperature， water content， and type of dissolved gas on the foaming properties and stability of crude oil were studied. The results show that the higher the resins and asphaltenes content and viscosity of the crude oil， the greater the stability of the foam and the smaller the defoaming rate. The volume of crude oil foam rises first and then decreases with the rise of temperature， while the defoaming rate increases with the increase of temperature. The foam decay curves of simulated gas， CO2and N2present different trends. The smaller the solubility of the gas in crude oil， the longer the foam stability time. And the higher the viscosity of crude oil， the later the foam peak time and the longer the peak time.
Keywords： crude oil foam; crude oil composition; foam stability
油井采出的原油中溶解有伴生氣或气驱用气， 在三相分离器中由于温度、压力变化与扰动等影响， 气体会从采出液中逸出，对于发泡性强的原油，会在三相分离器内形成稳定的泡沫层，并占据分离器内大量空间，影响液位控制，造成相分离不彻底，如气中带油、水中含油增加的现象， 危害下游压缩机与气体处理设施，严重时还会发生冒罐事故［1］。在炼厂的延迟焦化工艺中泡沫层现象也会带来不利的影响［2］。在原油起泡性的影响因素中，原油黏度是一个重要因素，因为它与气泡液膜强度、液膜排液速率、气体扩散直接相关［3-8］。原油泡沫是一种典型的非水相泡沫， 属于热力学不稳定体系。原油的组成极其复杂，不同油田或区块原油的组成性质不同，原油中存在的天然表面活性物质如胶质、沥青质、环烷酸等影响泡沫的生成和稳定。Claridge等［9］研究表明沥青质通过在油气界面的吸附作用保护气泡阻止其聚结。Bauget等［10］提出单膜试验方法研究沥青质对油气界面稳定性的影响， 结果表明沥青质的存在提高了油膜的寿命。胶质具有增加沥青质在原油中溶解度的作用［11］。Peng等［12］基于单膜试验研究酸性和碱性官能团对油泡沫稳定性的影响，发现具有酸性和碱性官能团的沥青质高浓度时往往会增加油膜的寿命。原油中溶解气体的类型、温度和原油含水量对原油起泡性的影响尚不完全清楚。笔者采用降压法研究原油的组成性质、温度、含水、气体类型对原油起泡性的影响。
1 试 验
1.1 试验试剂与仪器
试剂：原油及采出水均取自于胜利油田，原油的组成性质见表1；模拟气（体积分数为甲烷83.16%、乙烷6.28%、丙烷9.56%、正丁烷1.00%）、二氧化碳、氮气（青岛宇燕特种气有限公司）。
仪器：超级恒温循环水浴（控温精度为±0.1 ℃，HH-501，金塔区白塔新宝仪器厂）；数显恒温水浴锅（控温精度±0.1 ℃，HH-S，金坛市医疗器械）；万分之一精度天平（BS-210S；北京赛多利斯天平公司）； HT-Ⅱ型自动混调器（无锡市石油仪器设备厂）。
1.2 试验方法与装置
（1）含水原油的制备。按照Q/SH0236-2008原油破乳剂技术要求，将油样与水样放入烘箱中40 ℃恒温1 h后，量取一定比例的油样与水倒入自动混调器中，调节转速自动混调3 min，制得含水乳化原油。
（2）试验采用自制降压法原油泡沫评价装置，在一定压力下，充入适量气体，利用釡体摇摆使油气充分混合溶解一定时间后，打开加压容器单元的开关，使油气注入可视恒温泡沫评价单元，并记录原油泡沫体积随时间的变化。
原油泡沫评价装置主要包含供气、加压溶气与泡沫评价单元，如图1所示。
2 结果分析
2.1 原油组成对起泡性的影响
原油组成是影响原油起泡性的主要因素。考察3种组成性质不同的原油在40 ℃时的起消泡情况（发泡气体为模拟气），结果见图2（其中消泡速率为泡沫体积与消泡时间之比）。
图2表明，原油泡沫体积顺序为3#>1#>5#，这与3种原油的酸值、重组分（胶质+沥青质）质量分数顺序一致，即原油泡沫体积与其酸值、重组分质量分数正相关。泡沫的消泡速率顺序为1#>5#>3#，与原油的黏度及沥青质质量分数负相关，表明该研究条件下原油黏度越低、沥青质质量分数越少，消泡速率越大。原油的酸性组分与沥青质为天然的表活剂，会吸附于气泡的气液界面加强泡沫的稳定性［13］。原油的黏度则与泡沫液膜的排液相关，黏度越大越不利于排液，泡沫的稳定性越高［14］。3#原油的泡沫衰减曲线出现峰值，是由于其沥青质质量分数较多、黏度较大，溶气原油降压后在气体析出过程中，沥青质起到稳泡作用，析气初期使得原油起泡速率大于消泡速率，气泡体积呈现随时间不断增大至泡沫最高点，而后开始破裂，在峰值处起泡速率等于消泡速率。
2.2 温度对原油起泡的影响
选择起泡性强的3#原油作為研究对象，以甲烷模拟气为溶解气进行35、40、45和50 ℃的起泡性试验，结果见图3。
由图3看出，温度升高原油的泡沫体积呈先升高后降低的趋势。消泡速率随温度升高而提高。泡沫体积35 ℃时在析气最初的3 min内有一平台期，40 ℃时出现峰值，这是由于35 ℃下原油的黏度较大，泡沫液膜排液较慢，泡沫稳定性高，泡沫可维持较长时间不破裂，40 ℃时原油的黏度较35 ℃下降，析气初期泡沫体积增大直到最高值后开始破裂，45 ℃与50 ℃时原油的黏度进一步降低，液膜的排液速率进一步提高，泡沫的稳定性降低，故泡沫不断破裂，泡沫体积不断降低。张琦等［15］认为沥青质在临界温度或有一定聚集度时表面活性才最大。温度较低时沥青质溶解度较小其聚集度较大，温度较高时则沥青质溶解度较高聚集度又较小，只有在一定温度或临界温度下沥青质才有合适的聚集度，此时沥青质的界面活性最高，在气液界面的吸附量最大，对泡沫的稳定作用最强，泡沫最不易破裂，所以40 ℃时泡沫曲线出现峰值。温度升高一方面分子布朗运动加快，不仅沥青质溶解度提高、原油黏度降低、泡沫排液的速度提高，而且气体扩散与逸出速率也加快，温度升高提供的热能使原油的黏度降低致使气泡液膜强度降低，从而使得原油泡沫较低温时稳定性降低，表现为消泡速率随温度升高而提高。
2.3 含水率对原油起泡的影响
选择3#原油分别制备含水率为0%、5%、10%、15%、20%和25%的乳化原油，在40 ℃下进行降压起泡性试验，结果见图4。
由图4看出，随含水率增加，泡沫体积、消泡速率均先增后降，含水率为5%时的乳化原油起泡性最强，泡沫膨胀倍数最高。由泡沫的衰减曲线可以看出，随着含水率由5%增加到25%，泡沫曲线峰值出现时间逐渐变大，峰值高度逐渐降低。这说明泡沫间的气体在不断扩散过程中，泡沫也在不断的变大，且泡沫的稳定性逐渐增加。变大的泡沫并没快速破裂坍塌，是由于乳化水量的增加使泡沫稳定性得到提高，致使消泡时间增加、消泡速率降低。
图5为含水原油的泡沫照片。可以看出，随含水增大泡沫直径减小。观察试验现象发现上层泡沫要比下层泡沫大，上层泡沫破裂后，新呈现在表面的气泡也会缓慢变大。含水增加原油黏度提高，排液速度变缓，泡沫稳定性增强，破裂时间变长，消泡速率降低。
2.4 溶解气对原油起泡的影响
泡沫的形成及其稳定性与溶解气和原油分子间的作用力紧密相关。原油中沥青质等重组分质量分数越多CO2溶解能力越差［16］。CO2在原油中溶解会影响原油的黏度［17］。图6为溶解气分别为模拟气、CO2和N2时对原油起泡性的影响。可以看出，不同的溶解气具有不同的气泡体积与消泡速率， 泡沫体积与消泡速率顺序均为模拟气>CO2>N2，而且泡沫衰减曲线趋势不同。这应该与气体的性质及其在原油中的溶解度有关。研究［18］表明，CH4、N2、CO2在原油中的溶解度顺序是CO2>CH4>N2。
使用N2和模拟气的泡沫衰减曲线出现峰值，且使用N2产生的泡沫更稳定，泡沫衰减曲线可以看出其泡沫体积到达最大值后并没有马上破裂消泡，而是稳定了较长时间，在此期间泡沫慢慢长大至逐渐破裂消泡。相比于N2，模拟气的泡沫也有峰值但稳定时间很短，溶解度较大的CO2则无稳定期，因此可以认为溶解度越大的气体越容易通过原油液膜扩散致气泡破裂。
图7～9为气体对不同原油起泡性的影响。当使用CO2作為气源时（图7），原油产生的泡沫体积为5#>1#>3#，消泡速率为1#>5#>3#，而且3种原油的泡沫衰减曲线趋势相同。
当使用N2作为气源时（图8），原油产生的泡沫体积为5#≈1#>3#，消泡速率为1#>5#>3#，并且3种原油的泡沫衰减曲线均具有峰值，泡沫峰值时间为1#<5#3#，该次序与3种原油的黏度、沥青质质量分数次序一致，也就是与泡沫的稳定性次序一致。
当使用甲烷模拟气作为气源时（图9），原油产生的泡沫体积为1#>3#>5#，消泡速率为1#>5#>3#，3#原油的泡沫衰减曲线与其他2种原油不同，有峰值，这与3#原油的黏度较高泡沫稳定性较大有关。
采用不同的起泡气体，产生的泡沫体积呈现无序性，但是其消泡速率具有一致性，均为1#>5#>3#。不管是哪一种气体作为气源，都是原油黏度越大产生的泡沫越稳定，对应的消泡速率越小。
3 结 论
（1）原油的发泡性和泡沫稳定性不仅与原油的性质有关，还与发泡气体的性质有关。泡沫的稳定性与胶质沥青质的质量分数、黏度正相关。随乳化水量增加，泡沫体积、消泡速率先增后降，本研究试验条件下含水率为5%时乳化原油起泡性最强。
（2）温度提高，泡沫稳定性降低、消泡速率变大。
（3）气体的类型及其在原油中的溶解度影响原油的起泡性。氮气溶解度最小，产生的泡沫最少，起泡性最差，但其泡沫稳定性最好。
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（编辑 刘为清）
