乳化水含量快速观察法及原理分析

2024-04-25程云龙裴宸育薛红伟霍嘉华

科技和产业 2024年7期

程云龙,裴宸育,薛红伟,霍嘉华

(中石化华东油气分公司泰州采油厂,江苏泰州 225300)

目前国内油田大部分都采用注水开发[1],现场采出后经输油管线到达站区,利用破乳剂和三相分离器进行油、气和水的三相分离并将初步分离后的原油输入储罐中沉淀[2-5],原油销售前须测定大罐原油的乳化水含量,每次化验需耗费30 min,若乳化水含量达标可立即销售,若乳化水含量不达标,则继续沉淀将原油中的乳化水排出。当油田产液量升高且现场采出原油含水过高时,三相分离器的处理效果会变差,则会增加沉淀时间和乳化水化验频率,影响销售效率和工作效率[6]。为此,提供一种乳化水的快速观察法,通过快速观察法初步判断储罐原油的含水情况,再确定是否进一步化验乳化水。为验证此方法的可行性,对快速观察法的结果和化验后的结果进行比较,最后对快速观察法的原理进行分析[7-12]。此方法可减少化验频率,提高工作效率。

1 油水分离常见方法

1.1 重力分离法

重力分离法是较为传统的油水分离方法,首先向储罐中加入适量的破乳剂,主要原理是根据重力作用,水的密度比油大,使水珠从油中脱离出来,从而实现油水分离。在重力作用下,水从油中脱出向下沉降,油的密度小,向上浮,此时会出现明显的油水交界。大罐底部有排水口,离罐底70 cm有放油口,打开底部排水口排出沉淀下来的水,使油水界面低于放油口,即可保证放出的原油含水较小。此方法分离效率较低。

1.2 平行板聚结法

在储罐内部增加几层上下平行的平板,平板对乳状液具有一定的吸附功能,经过的乳状液液滴可较大程度地在平板表面铺开,控制好板间距离可以增大乳状液液滴的碰撞频率,乳状液的油水界面膜在受到压力冲击后更易破裂,从而达到油水分离的效果。此方法在一定程度上提高了分离速度,但存在分离后的液滴发生返混和再分散的情况。

1.3 浮选法

浮选法通过在连续相中产生大量分散的小气泡,使得乳化态液液滴的上浮速度大大提高,从而实现高效分离。浮选法的油水分离效率较高,可除去粒径小的分散相(>10 μm),但是受到浮选设自身原理的限制。该方法大多用于连续相的密度大于分散相的乳液体系。

1.4 离心法

利用水力旋流器对油水进行分离,水力旋流器开始旋转后,通过离心力和油水密度差对油水进行分离。离心法的效率较高,但是其处理的乳状液液滴粒径大于30 μm,无法处理更小的乳状液,且由于离心设备较复杂,运行时产生的能耗和噪声很大,由于成本高水力旋流器的规模不够,无法有效处理极大液量的油水分离。

2 快速观察法的提出与验证

2.1 快速观察法的提出

由于油田现场的液量较大,各个生产井的含水情况大不相同,所以输送至站区后经三相分离器初步处理,采用成本更低的重力沉降法脱除乳化水。重力沉降法处理乳化水的效率较低,无法准确判断乳化水彻底脱除的时间,而乳化水化验需消耗30 min以上的时间,若化验得到的乳化水含量未达到标准,则需继续沉降后再化验,大大浪费了时间和人力。因此需要一种可以初步、快速判断储罐油样是否达标的方法。

取样时,从大罐顶部放下取样缸至储罐放油口的水平位置,为防止取样缸内原油固结难以清理,取出后将油样倒入搪瓷缸中,通过大量的乳化水化验,发现并总结化验时的规律。当储罐原油乳化水含量极低时,搪瓷缸倾倒时底部原油呈均匀状态滑下;当储罐原油乳化水含量较高时,搪瓷缸倾倒时底部原油呈不均匀带小水珠斑点状滑下。通过实验进一步确定水珠现象与化验结果的对应关系。

2.2 快速观察法与化验结果对比验证

2.2.1 实验器材

实验器材包括铜质取样缸、搪瓷缸、烘干箱、蒸发冷凝装置。原油油样密度为0.864 g/cm3,黏度为30～40 mPa·s,储罐内温度为53～58 ℃,常压,室温为0～40 ℃。

2.2.2 操作步骤

(1)实验选择刚放满原油待沉淀的储罐,从大罐放油口附近开始,自下而上依次取6个油样,每个油样150 mL,用取样缸从大罐取出后倒入搪瓷缸,编号为1～6。

(2)通过快速观察法给出6个油样的乳化水含量范围,然后进行乳化水化验,对比两者差距。

(3)将标号的油样向圆底烧瓶中倒入100 mL,再倒入100 mL的溶剂油。

(4)将圆底烧瓶放上加热底座,接上水分接收器和冷凝管,打开循环冷凝水流。

(5)加热时间大于30 min,观察水分接受器,若刻度管中无小水珠沉降则实验结束。

3 结果与讨论

通过快速观察法给出6个油样的乳化水含量范围,与乳化水化验结果进行对比,结果见表1。

表1 观察法与化验结果对比

由表1可以看出,放油口附近的油样乳化水含量较高,随液面升高油样的乳化水含量逐渐降低,这是由于储罐进液的过程中乳状液体系不断在脱水液面逐渐升高,脱出的水珠聚集沉淀至储罐底部。从结果可看出观察法给出的结果范围可以一定程度反映出化验结果,规定乳化水含量小于2.0%为合格,因此快速观察法可应用于对乳化水含量的初步判断。根据此前所做的大量乳化水化验数据,得到快速观察法的结果范围及对应特征,见表2。

表2 快速观察法结果及对应特征

根据快速观察法结果范围及对应图例可以看出,乳化水含量小于0.2%时,倾斜缸体,缸底无小水珠,原油呈均匀绵密状滑落,速度缓慢;当乳化水含量升高,缸底开始出现细微的小水珠,乳化水含量继续增大,不断增加的小水珠开始聚集形成较大的水珠,缸底油层明显变得不均匀,滑落速度较快。

当乳化水含量很小,小于0.2%时,细微的小水珠对连续相不造成影响,可以将整个油包水乳状液体系看成是均匀单一的油相,因此倒入缸中后在底部形成一层油膜,乳状液体系可均匀地滑落;当乳化水含量增大,在0.2%～0.6%时,由于布朗运动的影响,油中的微型水珠会表现出无规则的运动,分散在油中的微型水珠有一定机会聚集,开始形成肉眼可见的小水珠,因此,原油呈均匀绵密状滑落,滑落时有一定机会看到极少的细微水珠;当乳化水含量在0.6%～1.0%时,油中的微型水珠聚集增多,形成肉眼可见的小水珠,因此,原油滑落可看到有极少的细微水珠;当乳化水含量在1.0%～1.5%时,油中的水珠开始对连续相造成影响,缸底的乳状液体系滑落时,开始有较多的小水珠滑落且有相互聚集的趋势,此时乳状液的均匀体系被打破;当乳化水含量继续增大在1.5%～2.0%时,缸底的乳状液体系滑落时,已有较为密集的细小水珠,呈繁星状分布;当乳化水含量大于2.0%时,缸底的乳状液体系滑落时由密集的细小水珠聚集形成稍大的水珠。

4 快速观察法的原理分析

为了进一步了解和改进快速观察法,对快速观察法的原理进行分析[13-18]。储罐中的原油大部分以油包水的乳状液形式存在,水作为分散相,油作为连续相。

4.1 破乳剂的作用

油井现场输油进入站区后,由管路支线定时定量加入破乳剂,在破乳剂和三相分离器的双重作用下脱除大部分游离水和乳化水,剩余极少部分乳化水进入储罐,在储罐中继续脱除剩余的乳化水。当破乳剂加入原油体系中,开始向油水界面进行扩散,原油体系中由于胶质和沥青质等成膜物质的作用有一层天然的乳化膜,由于破乳剂具有更高的界面活性,可以吸附并进入原生膜与成膜物质生成新的强度更低的混合膜,且热力学不稳定,易破裂将膜内包复的水珠释放出来,小水珠聚集形成大水珠,分散的油滴也因破乳剂的加入形成不规则的油絮体,实现油水分离。由于温度、压力和破乳剂的协同作用,原油体系发生絮凝聚结现象,温度和压力的变化,体系中的界面膜减薄到小于某一临界厚度发生破裂,压力差促使小液滴迅速合并成一个大液滴。