（石油与天然气工程专业论文）江桥地区江37区块稠油脱水试验研究.pdf

大淡石油学院王震骥士专业学位论文 江桥她区江3 7 嚣块稠油脱水试验研究 摘要 对江3 7 醒块稠油及稠濑乳状液豹黏澄荧系进行了拟台，稠油的拼蜡煮为5 0 ，折蜡 点前磊，在半聪数坐栎系中，黏溢曲线分臻为赢线，鼷l 翘系数较商。在半对数坐标系中， 稠酒乳状液瓣黏潞曲线摹本成盛线关系，表嘲稠池乳状波的黏度与溢度里瓣数关系。 瓣江3 7 稠漉避褥热他学脱水蜜验，得出结论：汪3 7 稠濑可以袋愆疆段热纯学脱水工 慧进行脱永。一段热亿学沉降脱水工艺参数：脱水温度为7 0 ；破乳裁型号为h 0 1 2 ；加 蕊蠡为1 5 0 r a g l ：沉降辩间为2 4 h ；脱后油中含水率为2 0 ；脱质水中含油为1 0 0 0 m g l 。 鉴于沉酶对翔较长，稠油油气眈缀低，建议一毅热化学沉降脱承采用常援立式沉降罐。二二 驳热化学沉簿越求工艺参数：脱水瀑度为8 5 ；破乳裁型学为h 0 1 2 ；加药璧为1 5 0 m g l ： 沉酶孵阈为4 8 h ；脱霹油中含水率为1 ：脱露水巾含油为l 0 峨疆。鉴于沉降时间较长， 稠溺油气逝撅低，建议二段热化举沉降脱水采蹋常难立式抗降罐。 对江3 7 稠油进符了电化学脱承实验，建议开鼹= 段电化学脱水溉场试验j 力争在下 强条终下实穗电位喾萎莞承：摺竖接电掇结构：脱水温度力粥；破巍翔型蟹为h 0 t 2 ： 船药量_ 为5 0 m g l i 电场脱衣辩闼为3 0 m i a ：交流电场按2 0 0 v l e m 、意流电场强度按 1 5 0 0 2 0 0 0 v e m ”黼后演中含承率为1 ；脱厝水中含油必1 0 0 0 m g l ；电脱水器建议采用 卧式筮力容器；奄脱水变压鼗和掇联设各除傈窝原有功能外，建议增加自动调攘瓤载电退 勃麓。鉴于翻涟中胶痰含量较离，导电缒力鞍礴，加载困滩，建议开震豫冲电场耪承试验。 装键诩：稠油巍敬液；流变後；热化学躐水 电化学脱水：脱水工艺 a b s t r a c t e x p e r i m e n t a ls t u d i e so nh e a v y o i ld e h y d r a t i o no f j i a n 9 3 7b l o c ki nj i a n g q i a oz o n e a b s t r a c t r e l a t i o n s h i pb e t w e e nv i s c o s i t ya n dt e m p e r a t u r eo fh e a v yo i la n dh e a v yo i le m u l s i o ni s m a t c h e d w a xp r e c i p i t a t i o np o i n to fh e a v yo i li s5 0 c u pa n dd o w nw a xp r e c i p i t a t i o np o i n t , c u r v e so fv i s c o s i t y t e m p e r a t u r ea r es t r a i g h tl i n e sr e s p e c t i v e l yu n d e rs e m i l o gc o o r d i n a t i o n ，a n d r e g r e s s i o nc o e f f i c i e n ti sh i 曲u n d e rs e m i l o gc o o r d i n a t i o n ，c u i - v eo fv i s c o s i t y t e m p e r a t u r eo f h e a v yo i le m u l s i o ng e n e r a l l yh a sal i n e a rr e l a t i o n s h i p ，s h o w i n gt h a tr e l a t i o n s h i pb e t w e e n v i s c o s i t ya n dt e m p e r a t u r eo f h e a v yo i le m u l s i o ni sl o g a r i t h m i c h e a t i n g - d e m u l s i f i e rd e h y d r a t i o ne x p e r i m e n ti sc a r r i e do u tu s i n gh e a v yo i le m u l s i o no f j i a n 9 3 7b l o c k i ts h o w st h a tt w os t a g eh e a t i n g d e m u t s i f i e rd e h y d r a t i o nt e c h n o l o g yc a nb eu s e d t o d i s p o s e j i a n 9 3 7h e a v y o i l e m u l s i o n t e c h n o l o g i c a lp a r a m e t e r s o ff i r s t s t a g e h e a t i n g - d e m u l s i f i e rs e t t l i n gd e h y d r a t i o na r et h a td e h y d r a t i n gt e m p e r a t u r ei s7 0 ( 3 ，t y p eo f d e m u i s i f i e ri sh o l 2 ，d o s a g eo fd e m u l s i f i e ri s 1 5 0 m g l ，s e t t l i n gt i m ei s2 4 h ，w a t e rc u to f d e h y d r a t e do i li s2 0 a n dc o n c e n t r a t i o no f o i li nd e h y d r a t e dw a t e ri s1 0 0 0 m g l t e c h n o l o g i c a l p a r a m e t e r so f s e c o n ds t a g eh e a t i n g - d e m u l s i f i e rs e t t l i n g 。d e h y d r a t i o na l et h a td e h y d r a t i n g t e m p e r a t u r ei s9 5 。c ，t y p eo fd e m u l s i f i e ri sh o l 2 ，d o s a g eo fd e m u l s i f i e ri s1 5 0 m g l ，s e t t l i n g t i m ei s4 8 h ，w a t e rc u to fd e h y d r a t e do i li sl ，a n dc o n c e n t r a t i o no fo i li nd e h y d r a t e dw a t e ri s 1 0 0 0 m g l w h e r e a ss e t t l i n gt i m ei sl o n g ，a n dg a s - o i lr a t i oi sv e r yl o w , i ti ss u g g e s t e dt h a t h e a t i n g - d e m u l s i f i e rs e t t l i n gd e h y d r a t i o ni st ou s ea t m o s p h e r i cv e r t i c a ls e t t l i n gt a n k e l e c t r i c d e m u l s i f i e rd e h y d r a t i o ne x p e r i m e n ti sc a r r i e do u tu s i n gh e a v yo i le m u l s i o no f j i a n 9 3 7b l o c k i ti ss u g g e s t e dc a r r y i n go u tt w o s t a g ee l e c t r i c d e m u l s i f i e rd e h y d r a t i o ni n s i t ut e s t ， p a r a m e t e r so fe l e c t r i c d e m u l s i f i e rd e h y d r a t i o na r e t h a te l e c t r o d ei s v e r t i c a l ，d e h y d r a t i n g t e m 面 r a t u r ei s7 0 ( 2 ，t y p eo f d e m u l s i f i e ri sh 0 1 2 ，d o s a g eo f d e m u l s i f i e ri s5 0 m g l ，d e h y d r a t i n g t i m eo fe l e c t r i cf i e l di s 3 0 r a i n ，a l t e r n a t i n gc u r r e n te l e c t r i c f i e l ds t t e n g t hi s2 0 0 v c m ，d i r e c t c u r r e n te l e c t r i cf i e l ds t r e n g t hi sl5 0 0 2 0 0 0 v c m ，w a t e rc u to fd e h y d r a t e do i li s 1 ，a n d c o n c e n t r a t i o no fo i li nd e h y d r a t e dw a t e ri s1 0 0 0 m g l ，a n di ti sb e t t e rt ou s ev e r t i c a lp r e s s u r e v e s s e l i ti sb e t t e rt om a k ee l e c t r i cd e h y d r a t i o nt r a n s f o r m e rr e g u l a t el o a dv o l t a g ea u t o m a t i c a l l y m 3 e r e a sr e s i nc o n t e n ti sh i g hi nh e a v yo i l ，a n dl o a d i n gi sd i f f i c u l td u et os t r o n gc o n d u c t i v e a b i l i t yo f r e s i n , i ti ss u g g e s t e dt oe a r l yo np u l s ee l e c t r i cf i e l dd e h y d r a t i n gt e s t k e y w o r d s ：h e a v y o i l e m u l s i o n ；r h e o l o g y ；h e a t i n g 。d e m u l s i f i e rd e h y d r a t i o n ；e l e c t r i c f i e l d - d e m u l s i f i e rd e h y d r a t i o n ；d e h y d r a t i o nt e c h n o l o g y 大庆石油学院工程硕士专业学位论文 第一章文献综述 i j 原油的采出伴随着水的采出。在开采过程中水与原油混合引发大量问题。采出水以两 种形式存在，一种是游离水，能够快速沉降：一种是以乳状液形式存在。乳状液处理非常 困难，导致一系列问题。如损坏油气分离设备，原油质标不合格，管线内压降损失。因此， 应除去乳状液中的水和伴生的无机盐达到原油运输、储存和出口的标准，减小加工设备的 腐蚀和催化剂重毒。 乳状液存在于原油开采和处理中的各个过程中：油藏内部，井筒内，井口，原油处理 设旋，运输管线中，储存及加工过程中。乳状液可分为三类：油包水型( w o ) ，水包油型 f o w ) ，多重乳状液。在石油工业中油包水型乳状液最常见。乳状液的主要性质包括外观， 底部沉积物和水，粒径与粒径分布，体积和界面黏度，电导率等【1 2 】。 目前对原油乳状液的研究多数为室内理论研究，都是以有机物( 如煤油) 为介质，加 入乳化剂，制成模拟乳状液，分析研究其各项性质，但直接对油田上的实际乳状液的研究 还很少，因而加大对实际原油孚d 状液的研究力度；对处理乳状液具有深刻的意义。原油乳 状液的处理直是油气集输卫艺中的难题，t 乳状液的处理方法有化学破乳法、重力分离法、 离心法、电学破乳法、膜润湿聚结法和研磨破乳法等。化学破乳法应用的最为广泛。近年 来随着乳状液处理难度的增加，采取将两种或两种以生破乳法联合起来的方法，取得较好 效果，主要有热化学破乳法，电化学破乳法等。：，：j + 1 1 乳状液的稳定性5 从热动力学角度看，乳状液是热力学不稳定体系，这是因为液一液体系有自然分离的 倾向，减小了界面面积，因而界面能减小。但是，多数乳状液在一定时间内是稳定的，具 有动力学稳定性【射。根据动力学稳定性程度采出的乳状液可分为以下几类瞄j ： ( 1 ) 游离型乳状液。油水在几分钟内分离，这种水称为游离水。 ( 2 ) 中度稳定型乳状液。油水在数十分钟内分离。 ( 3 ) 稳定乳状液。油水( 完全或部分) 在几个小时或在几天内分离。 乳状液属于特殊的液一液胶体分散体系。它具有动力学稳定性，是由于小的液滴粒径 和存在于液滴周围的界面膜。乳状液的动力学稳定性由存在于原油中的天然稳定剂乳化 剂( 如沥青质) 或在开采过程中加入的增产化学剂的作用产生的。这些稳定剂抑制乳状液破 乳的过程( 沉降、聚集和絮凝、聚并、相反转等) 。 1 1 1 界面膜 水滴问存在油水界面，形成界面膜，使乳状液稳定。这是由于高分子量的具有极性的 界面活性分子吸附在油水界面上造成的。这个界面膜减小了界面张力和增加了界面黏度， 使乳状液稳定。高黏度的界面膜阻碍了膜排液速率，在水滴的凝结过程中，对聚并形成机 械障碍。这降低了乳状液的破乳速度。 界面膜的性质是原油类型( 沥青质基、石蜡基) 、组成、水的p h 、温度、吸附膜的压缩 第一章文献综述 程度，接触或老化时间和原油中极性分子浓度的函数口“。乳状液的稳定性与不可压缩膜 的存在具有对应关系。这种膜根据流动性分为两类 4 , 5 1 ： ( 1 ) 牢固膜或固体膜。它不溶于水，具有非常高的界面黏度，是由原油中的极性组分和 其它乳化剂形成的。还可能是由细微颗粒稳定形成的。这种膜对阻止液滴聚并起了非常重 要的作用，它们对液滴聚并形成了结构障碍，增加了乳状液的稳定性，这种膜具有黏弹性 质。 ( 2 ) 流动膜或液态膜。这类界面膜具有流动性和较低的界面黏度。加入破乳剂时，形成 这类界面膜。这类膜本质上较不稳定，水滴的聚并程度加强。乳状液的稳定性与界面膜的 流动性有关i ”。表面活性剂改变了界面膜的强度，加速了破乳进程。 1 1 2 影响乳状液稳定性的因素 ( 1 ) 原油中分子量大的极性组分。原油中的天然稳定剂乳化剂为沸点高的极性组分 【”j 。包括沥青质、胶质和油溶性的有机酸( 如萘氧酸和羧酸) 和碱。这些化合物是构成界面 膜的主要组分，使乳状液稳定。 ， 沥青质因为具有表面活性成为优良的乳化剂 9 1 。沥青质分子悬挂在油水界面上。沥青 质在界面上的聚集形成了牢固膜。如图1 1 所示。它的空间排列抑制膜排液和液滴聚并。 图l 一2 为沥青质允子空间排列与表面活性剂的非极性或憎水基团的相互作用示意图。沥青 质分子的侧链延伸到油相中，仍能够在界面上形成空间排列阻止聚并。吸附分子与憎水基 团的侧向相互作用导致界面黏度增加，界面膜的表观黏度增加。这些效应阻止膜排液和液 滴聚并l l o j 。沥青质在原油申的形态影响乳状液稳定性1 2 j ，沥青质呈胶体状态( 而不是絮凝状 态) 时对乳状液起稳定作用。当沥青质从原油中沉淀出来以固态形式存在时，对乳状液稳 定作用加强。 图l 一1 沥青质稳定乳状溶的机理 f i g l 一1m e c h a n i s mo f e m u l s i o ns t a b i l i z e db ya s p h a l t e n e s 图1 2 两个水滴的空间相互排斥阻止膜排液和水滴聚并 f i g l 一2s t e r i cr e p u l s i o nb e t w e e nt w ow a t e rd r o p l e t st h mr e t a r d sf i l md r a i n a g ea n dc o a l e s c e n c e 大庆石油学院工程硕士专业学位论文 胶质是复杂的高分子量化合物，不溶于乙酸乙酯但溶于庚烷。胶质倾向于与沥青质共 同作用形成胶束。沥青质一胶质胶束对稳定乳状液起关键作用。这是因为原油中沥青质与 胶质的比例决定了形成的界面膜的类型( 固体膜或流动膜) ，因此它与乳状液的稳定性有直 接关系【5 r l 。 原油中的蜡是高分子量物质，是石蜡的一种，当原油冷却到浊点以下时从原油中结晶 析出。在3 0 时，这种蜡不溶于丙酮和二氯甲烷。到目前为止蜡对乳状液稳定性作用尚不 明确。在不存在沥青质条件下，蜡能够溶于油中，但不能形成稳定的模拟油乳状液1 7 j 。但 加入一定量的沥青质( 小于沥青质单独形成稳定乳状液所要求的量) 后，能够形成稳定的乳 状液。因此j 蜡与沥青质能够通过协同作用使乳状液稳定。蜡在原油中的物理形态对乳状 液的稳定也起到重要作用。当蜡在乳状液中以细小颗粒存在时，蜡更易于形成稳定的乳状 液。浊点较低的原油比浊点高的原油更易于形成稳定的乳状液。与其相似，温度较低更易 于形成稳定的乳状液。 ( 2 ) 固体颗粒。原油中微小固体颗粒能够有效的稳定乳状液。固体颗粒稳定乳状液的效 果取决于粒径的大小、颗粒问的相互作用和颗粒的润湿性【t t ；t 2 。固体颗粒扩散到油水界面 上形成牢固的界面膜，能够阻止液滴聚并，使乳状液稳定。而且，界面上的固体颗粒带有 电荷也能够增加乳状液的稳定性。固体颗粒做为稳定剂，粒径要比乳状液液滴粒径更小。 这些固体颗粒的粒径一般为亚微米级二几个微米；并以胶粒形式悬浮于液体中例。 固体颗粒的润湿性对乳状液的稳定起重要作用【2 】。如果固体颗粒完全在油相或水相 、 中，不能成为稳定剂，必须在界面上并被油和水润湿才能做为稳定剂。如果颗粒是亲油性4 的，形成油包水型乳状液。亲油性的颗粒优先分布于油相中，形成空间排列阻止水滴的聚。 并。与其相似，亲水性颗粒形成水包油乳状液。例如亲油性颗粒有沥青质和蜡，亲水性颗。 粒有无机盐垢( c a c 0 3 、c a s 0 4 等) 、黏土、砂粒等。用重质有机极性化合物能够把亲水性颗 粒变为亲油性颗粒。当颗粒被油和水润湿时，这些颗粒聚集在界面上阻止液滴聚并。最 终这些颗粒返回到油相或水相中发生聚并。这个过程需要外界能量，形成障碍阻止液滴聚 并。乳状液的形成和稳定与沥青质含量和水相的p h 值有关【7 川。胶体颗粒的效果取决于油 水界面上固体颗粒构成的“密集”层。界面膜对水滴聚并造成空间障碍。界面上的固体颗 粒改变了界面膜的流变性，影响了液滴间的膜排液。 ( 3 ) 温度。温度对乳状液稳定性有重要影响。温度影响油、水、界面膜的物理性质和表 面活性剂在油相和水相中的溶解度。进而影响乳状液的稳定性。乳状液的黏度随温度增加 而减小，这是由于温度增加油相黏度减小。温度低于原油浊点时，加热使蜡再次溶于油中， 从而减少了乳状液所引发的问题。加热增加了液滴的热能，因此液滴碰撞的频率增大，还 降低了界面黏度，进而加快了膜排液速度和液滴的聚并。温度升高，使得油水界面膜强度 逐渐减弱。但是，即使温度较高，液滴聚并仍存在动力学障碍。温度变化改变了吸附速率 和界面性质从而影响界面膜形成速率，温度变化还改变了表面活性剂在原油中的溶解度从 而影响界面膜的压缩性。高温条件下，缓慢脱气和老化导致界面膜性质发生巨大变化，界 面膜仍然不可压缩，乳状液的破乳不受温度影响。 ( 4 ) 粒径。乳状液液粒径在1 5 0 um 之间。油包水型乳状液典型的粒径分布如图1 3 所 示。粒径分布为种类的函数。乳状液粒径越小，乳状液越稳定、粒径越小，分离时间越长。 粒径分布影响乳状液的黏度，粒径越小，黏度越大。粒径分布越均匀，乳状液黏度越大。 第一章文献综述 d f 喇啦啊l m b 帅b ) 图1 3 w 0 型原油乳状液的粒径分布 f i g l - 3d r o p l e t - s i z ed i s t r i b u t i o no f w a t e r - i n o i le m u l s i o n s ( 5 ) p h 值。水的p h 值对乳状液稳定性有重要影响。乳状液的牢固膜中包含有机酸和碱、 带有可电离基团的沥青质和固体颗粒。加入无机酸和碱影响这些物质在界面膜上的电离， 从而改变了界面膜的物理性质。水的p h l 直影响界面膜的牢固度。 。 影响乳状液的类型。酸存在下或p h 值较低时形成油包水乳状液，碱存在卞或p h 值较 高时形成水包油乳状液。图1 - 4 为p h 值对乳状液稳定性的影响。 一 o h 图1 4 p h 值对乳状液稳定性的影响 f i g l - 4e f f e c t o f p h 。o ne m u l s i o ns t a b i l i t y 矿物组成对乳状液稳定性也具有一定影响。图1 - 5 为重碳酸盐和蒸馏水对乳状液稳定 性的影响。研究发现对于多数原油一盐水体系，p h 值存在最佳范围，在这个范围内乳状液 最稳定性最差，乳状液稳定性最好时的p n 值的最佳值与原油和矿物组成有关。矿物组成起 主要作用。 。 c主荨_三一-豆孟竹薹凸 co罩巴臣9s-霉掌 大庆石油学院工程硕士专业学位论文 048 p h 图l 一5 重碳酸盐和蒸馏水对乳状液稳定性的影响 f i g l 一5e f f e c to f b r i n ea n dp ho i le m u l s i o ns t a b i l i t y 进行酸化增产后，场面处理设备内乳状液的问题非常严重4 6 1 。进行酸化处理后，不 能及时洗井，固体颗粒沉淀物、淤泥与原油中的酸接触，导致油井的部分或完全堵塞。沉 淀物主要是沥青质、胶质和其它高分子量碳氢化合物。酸化处理后形成的淤泥处理困难。 形成的乳状液最稳定。 1 2 乳状液的流变性， 乳状液流变性非常复杂，它是温度、剪切速率、含水率等变量的函数。上世纪7 0 年代 s h e r m a n 提出流变性影响因素之间存在复杂的内在联系，以至于一种研究获得的数据与另 一种研究所获得的数据很难作比较。因此，许多公可的研究机构只对实际工作中原油乳状 液进行研究。m a n 和m a r s d e n 研究了加里福尼亚w a ) ( y 原油、地表水和乳化荆t r i t o n x - 1 1 4 配 成的乳状液。得出结论：o w 型和w o 型两种乳状液在2 3 9 * 0 8 2 2 * 0 范围内的流变性在层 流带可以用鲍威尔关系式表示。f l o c ks t e i n b o r n 毛e 1 9 8 3 年研究了两种重油及其所配乳状液 的流变性。他们采用转筒式、圆锥式和转盘式三种流量计，并采用涡轮旋转搅拌器和乳化 剂t r i t o nx - 1 1 4 配成乳状液。结果表明，乳状液流变性随原油和乳化剂的不同而不同；对于 o w 型乳状液，当油浓度低于1 5 、剪切速率在3 0 1 0 0 0 s 。1 时室温下表现为牛顿流体；原 油浓度大于等于1 5 、剪切速率不在5 0 1 0 0 0 s 4 时，表现为非牛顿流体；对于w o 型乳状 液，当水的浓度小于2 0 ，剪切速率在5 0 - - 1 0 0 0 f 1 范围内均表现为非牛顿流体。、 z a k i n 等人研究了o w 乳状液在湍流状态时的流变性，原油黏度范围为1 8 2 1 2 2 m p a s ， 密度为o 7 9 0 9 2 ( 2 5 ) ，自来水为外相，乳化剂为t r i t o nx - 1 1 4 ，乳状液中原油浓度为5 0 和7 5 ( 重量百分比) ，乳化剂浓度为5 0 0 0 m g l 。在2 5 4 c m 管子中研究了温度、黏度和原油 浓度对o w 型乳状液流变性的影响。结果表明，原油黏度、温度和浓度对压降的影响不明 显。o m a r 等人使用b r o o k f i e l d 黏度计，研究了四种原油的乳状液在不同温度下的流变特征， 并发现它们具有牛顿流体和鲍威尔流体的性质。 许多学者提出了乳状液黏度模型。这些模型中相对黏度a ，定义为乳状液的黏度与 连续相黏度c 之比： ，：旦( 1 - 1 ) c 第一章文献综述 ( 1 ) 恒温条件下的乳状液模型。 e i n s t e i n 1 7 , 1 8 1 发展了胶体的热动力学模型，并提出相对黏度与分散相体积分数矿成线性 关系： 一 j ，= 1 - i - 2 5 v( 1 2 ) t a y l o r 1 明考虑了分散相与连续相的共同影响，提出了适用于分散相为圆球型且浓度较 小的模型： 纠f 卜( 错) 卜 m ， k 为分散相黏度。与连续相黏度，之比： k ：丝 ( 1 j ) 、,uc 对于分散相为球型固体颗粒，| 值趋于无穷大。这种情况下，方程( 1 3 ) 变：为e i n s t e i n 模型方程( 1 2 ) 。 在分散相浓度高的情况下，液滴间相互作用发生变形。c h o i 、s c h o w a t e 产们、y j r o n 和 d a l o r 2 1 l 等人考虑了液滴的形变，提出校正因子是分散相体积分数的函数： 、 以= 导= 1 + f ( v “3 少 04) “矿“3j 由文献中两个方程计算得到。 p h 錾- 1 1 l i e n 和p h a m 2 2 1 针黜浓乳状液，利用有效介质平均法，提出了一个新的模型，适 用于毛管数低的情况。 、 一 卢p ( 等) 3 ，5 = ( 击) m s ， 这个模型中，在浓度低时相对黏度以随矿增加而呈线性增加，当v 趋于一致时呈渐近关 系。 k r i e g e r 幂l j d o u g h e r t y 2 3 1 提出了经验模型，适用于球型分散相浓度高的情况，考虑分散 相的最栖填浓度圪，当分散相黏度为无穷大时。最大充填浓度取决于粒径大小： f 胪h 甜 m ， 吃为分散相最大浓度，k 】。为特性黏度。 山】= 丝一l( 1 8 ) 没有简便方法测量。在浓度较低情况下，方程( 1 7 ) 简化为 ，舻l i m 。 卜鲫比= 雌) ( _ 缸k ) = l + 如矿 m ， 根据实验研究和量纲分析，p a l 2 4 魄出了单分散乳状液的经验黏度模型，认为是稳定 流动，忽略布朗运动： 碟“( 1 一j “_ ) = c 。+ c ll o g ( n ) + c ：l o g ( n 咖) 2( o ) c o ，c i ，c 2 是常数，n 也，是颗粒的雷诺数 大庆石油学院工程硕士专业学位论文 ；= l 旦芷i ( 1 - 1 1 ) l 以j 成和以为连续相的密度和黏度，r 为颗粒半径，y 为剪切速率。p a l 2 5 l 针对稀乳状液和含 水率高的乳状液验证和评价了几种理论性黏度模型。 以上的模型仅是黏度是分散相体积分数或分散相与连续相黏度的比值的函数。没有考 虑温度的影响。 ( 2 ) 温度变化乳状液黏度模型。 r o t i n i n g s e n l 2 6 1 提出了w o 型乳状液黏度是分散相体积分数和温度的函数： i n 扯，) = a l + 口2 t + 口3 v + a 4 t v( 1 1 2 ) a l ，a 2 ，a 3 和口4 是关系系数。r i c h a r d s o n 2 7 】认为这种关系是建立在黏度与分散相体积分数 的指数关系基础上的，指数关系是由分析不同温度、不同剪切速率下黏度关系得到的。 对w a l t l l e r 模型【2 8 】进行修正，得到： i n ( i n ( z ) ) = a b i n 仃)( 1 - 1 3 ) z = v + o 7 + 厂( v ) ，厂( v ) 二已卜1 。4 7 _ 1 8 4 v - 仉虬， ( 1 - 1 4 ) ( v ) 为动力学黏度，如果o ) 大于2 1 0 缶m 2 s ，厂( v ) 等于零，0 ) 和( 口) 为油口的特性参数，仃) 为绝对温度( k ) 。 。1，：- 方程( 1 一1 3 ) 和( 1 一1 4 ) 是a s t m 方程，描述了动力学黏度与温度变化关系，在石油工业得? 到广泛应用。 i 。 0 在国内，研究人员对乳状液流变性也进行了大量研究，并取得了一些成果。卢东风【2 9 】 研究湎井采出液( w 0 型) 表明，具有明显的非牛顿特性，在中等剪切速率范围内可用幂律 模式来描述。黄建春 3 0 】对油水乳状液的研究表明，影响管内乳状液流动阻力主要因素是乳 状液的流态，它与油水的体积分数及内相液珠的大小分布有着直接关系j 当乳状液内相体嚣 积分数大于0 5 时，乳状液的性质可以近似看作非牛顿流体中的剪切稀化流体。弯管内乳 状液的局部阻力特性与巾0 ( 相体积比) 有关，当巾o = o 2 o 3 时，乳状液在其实验参数范围内 呈现出较为明显的非牛顿流体性质。马文辉等人【3 1 i 研究了大庆黑帝庙稠油o ，w 型乳状液流 变性时发现，在1 5 与1 0 1 0 0 0 s 。的剪切速率范围内，大庆黑帝庙稠油及不同油水比的乳 状液均显示剪切稀化假塑性流体特征。 t 1 3 热化学脱水的研究进展 1 3 1 加热破乳法 加热乳状液加速乳状液的破坏和油水分离。对于原油乳状液，提高温度，一方面增加 了油相中天然乳化剂的溶解度，从而降低它在界面上的吸附量，界面膜强度降低，液滴聚 并阻力减小：另一方面，温度升高，分子间的内聚力减小，分散液滴的热运动加强，降低 了油相的黏度，增加了水相的沉降速度。温度的增加，减小了界面黏度，温度升高，使油 水界面张力降低，水滴受热膨胀，导致了牢固界面膜失去了稳定性，有利于液滴聚并。此 外，由于水滴的热能增加，水滴间的聚并频率增加。另一方面，热量加速了乳状液的破乳 进程。但是，加热很少能够单独对乳状液破乳。提高温度也带来一些负面效应。首先，增 第一章文献综述 加了处理成本，其次，加热导致轻质烃挥发，降低了原油的a p i 。和体积。提高温度增加 了水垢沉积的倾向和处理装置腐蚀的趋势。 乳状液破乳应用加热法应建立在对处理设施的总的经济分析的基础上。加热成本消耗 应与处理时间( 较大的分离器) 、轻烃挥发、合理的油价、化学试剂成本装置改造成本相平 衡。 1 3 2 化学破乳法 ， 化学破乳法是近年来应用较广的一种破乳方法，主要利用化学剂改变油水界面性质或 膜强度。普遍认为由于化学剂与油水界面上存在的天然乳化剂作用，发生物理或化学反应， 吸附在油水界面上，改变了界面性质，降低界面膜强度，使乳状液液滴絮凝聚并，最终破 乳。 破乳剂的研究经历了三个阶段。2 0 世纪2 0 年代出现了以阴离子表面活性剂为主的第一 代w o 原油破乳剂，主要有羧酸盐型表面活性剂、磺酸盐( 包括石油磺酸盐) 及硫酸酯盐 型表面活性剂：4 0 年代以后，出现了以低分子非离子表面活性剂为主的第二代w o 原油破 乳剂，如o p 系列，平平加型及t w e e n 系列等。6 0 年代至今，又发展了以高分子非离子表面 活性剂为主的第三代w o 原油破乳剂，同时发展了兼具缓蚀效果的两性离子破乳剂。目前， 主要是以非离子的聚氧乙烯聚氧丙烯嵌段聚合物为主，在传统破乳剂的基础上加以改性， 方法有：改头、换尾、加骨、扩链、接枝、交联、复配1 3 2 州1 等。从环保角度考虑；还出现 了硅氧烷系列“绿色”破乳剂1 3 5 1 。 许多研究结果表明：乳状液油水界面性质和界面膜强度决定了乳状液的稳定性。w o 型原油乳状液的膜强度较大，这使原油中的水珠在碰撞时不易絮凝聚结，乳状液的稳定性 较好；因而界面膜的破坏是破乳的关键所在。加入破乳剂是改变界面性质和破坏界面膜的 与种有效方法。破乳剂性能评价的常用方法是瓶试法口6 】。 ， 破乳剂作用机理研究取得很大进展。j a r i a l ( a b 等1 3 7 j 提出界面特征松驰时间可表征破 乳剂的性能，界面特征松驰时间越短，破乳剂性能越好。康万利等口8 j 向三元复合驱体系中 加入破乳剂s p l 6 9 ；+ a e l 9 1 0 或j s 一8 ，研究膜强度发现，膜强度急剧减小，因而推断破乳机理 为破乳剂分子部分顶替乳化剂分子，降低了界面膜强度：夏立新等田】认为界面活性比界面 张力更能反映破乳剂的破乳效果。界面活性越高，破乳效果越好。朱红等1 4 。0 1 利用基于 l a n g r n u i r 膜天平原理的液，液界面膜压力测定装置探讨了油，水界面层的膨胀流变特性，用 界面膨胀黏度表征界面膨胀流变特性。王宜阳等【4 l j 经试验得出，支链破乳荆a e l 2 1 和直链 破乳剂s p l 6 9 f 1 够大幅度地降低原油活性组分界面膜的扩张模量；破乳剂本身具有一定的 扩张模量，并非破乳剂用量越大越好。c h n o i k 等 4 2 1 汞j m l a n g m u i r 槽法，在硅氧烷型破乳 剂存在的条件下，研究了界面膜等温压缩性质( 见图l 一6 ) ，表明：最大压缩度与界面面积 的减小有关，乳状液液滴聚并使界面面积减小：油水界面张力降低，使界面压增大，等温 压缩曲线不同区块的斜率不同，这些变化与界面弹性模量的改变有关。很大程度上，破乳 剂改变了界面弹性。 大庆石油学院工程硕士专业学位论文 图卜6 不同浓度破乳剂对某原油水界面的等温压缩性质影响曲线 f i g 1 - 6c o m p r e s s i o ni s o t h e r m s o f c e r t a i nc r u d eo i l + d e m u l s i f i e r w a t e ri n t e r f a c e ，2 0 c ( l a n g m u i rb a l a n c e ) ， f o r0 ，5 ，l o m g 丑, o f d e m u l s i f i e r a b d u l l a h 等1 4 叫通过现场实验发现，乳状液的温度越低，含水率越高，所需破乳剂浓度 越大。康万利等畔】研究了破乳剂存在下油膜寿命、油膜薄化速率以及油水界面性质与破乳 效果的关系。随着破乳剂浓度的增大，油膜寿命变得越短，油膜薄化速率加快，界面黏弹 性降低，膜强度逐渐变弱。破乳剂浓度存在最佳值。石英等【4 5 】认为，在多种因素中j 液体譬 排出的速率取决于界面剪切黏度和动态界面张力梯度，破乳时要有较低的界面剪切黏度和4 动态界面张力梯度，但界面剪切黏度不能作为判断破乳效果的标准。 强 ， 1 4 电化学脱水的研究现状、 带 o 1 4 1 电学破乳法 电学破乳法是九十年代发展起来的破乳方法。当时得到广泛的应用。它是利用由电流 产生高频振荡的电磁场具有位移效应、热效应和电中和作用，改变乳状液的性质，使液滴 不断发生碰撞，聚结成团，最终在重力的作用下达到油水分离。具体方法有超声波破乳、 涡旋电场破乳和微波破乳等。 孙保江等州研究了超声波破乳的作用机理。油中的水滴粒子在超声波辐射下具有位移 效应，水粒子将不断向波腹或波节运动、聚结并发生碰撞，生成直径较大的水滴，并在重 力作用下与油分离。李可彬【4 7 】研究发现，在涡旋电场作用下，w o 乳状液液滴内的电解 质缔合体发生极化，界面双电层被破坏，电偶极矩增大，离子电泳速度加快，液滴相互碰 撞的几率增加，从而加速了分散相的聚结，导致破乳。k a t h r y n 等【4 8 l 认为微波破乳时，形 成高频变化的电磁场，使极性分子高速旋转，破坏油水界面膜的z e t a 电位，使水( 油) 分子自由上下运动，碰撞聚结，达到油水分离。此外，电磁场还使非极性油分子磁化，形 成与油分子轴线成一定角度的涡旋电场，该电场减弱分子间的引力，降低油的黏度，增大 油水密度差。使油水分子能有效地碰撞聚结，实现油水分离。 1 4 2 电化学脱水法 电化学脱水技术针对乳状液处理脱水主要采用的热化学沉降脱水或掺稀释剂脱水工 9 一mngjoi口自2a 第一章文献综述 艺的不足和局限，而发展起来的。在进行电脱水的同时，加入破乳剂，二者具有协同效应， 加速油水分离，提高了净化油和脱出水的质标。 李淑贞【4 9 】认为电化学脱水中以使用水溶性破乳剂为佳，推荐采用电化学脱水工艺，电 化学脱水法不仅脱水率高，而且耗电量不高，总运行成本较低。刘寺意等垆o j 用试验的方法 探讨含水率、破乳剂浓度、脱水温度、矿化度、黏度对原油电化学脱水电场稳定性的影响， 结果表明：击穿电压受原油含水率的影响大，破乳剂浓度对击穿电压影响较大，其它因素 影响不明显。武本成掣5 1 】考察了温度、破乳剂、强弱电场等操作条件对辽河超稠油脱水效 果的影响，当破乳剂用量为1 4 01 t 幢，脱水剂用量为8 0ug g 时即可使脱水后原油的含水 率达到1 8 ，而且经脱水处理后油品的密度有所降低，在5 0 时粘度降低幅度达到6 0 ， 显著改善了油品的储运性能。 大庆石油学院工程硕士专业学位论文 第二章稠油及稠油乳状液流变特性 稠油是一种富含胶质和沥青质的多烃类复杂混合物，特点是密度高、黏度大、流动性 差。脱气脱水后，流动特征偏离牛顿黏性定律，渗流特征也不符合达西定律，容易造成单 井产量低，累积油汽比低，从而无法正常生产。正确认识稠油的流变特征对稠油开发方案 的编制与实施、采油工艺和集输工艺的筛选、深入了解稠油在地下的渗流机理、地面采出 液的处理均是非常重要的。 2 1 实验部分 2 1 1 实验材料 江3 7 区块原油：物理化学性质见表2 一l 。水：江3 7 区块污水。 表2 - 1 江3 7 区块原油一般物理化学性质 t a b l e 2 1g e n e r a lp h y s i c a la n dc h e m i c a lp r o p e r t i e so f c r u d eo i li nj i a n 9 3 7b l o c k 2 1 2 实验器材 f m 2 0 0 型实验室分散乳化机，上海弗鲁克流体机械制造有限公司。 黏度计，美国布氏d v i i 黏度计，b r o o k f i e l de n g i n e e r i n gl a b s i n c o m i d d l e b o r o ，m a 0 2 3 4 6u s a 。 h s 1 型恒温水槽，辽阳市恒温仪器厂。 2 1 _ 3 实验方法 乳状液的制备：将原油和污水按不同比例混合，用乳化机搅拌，制成不同含水率乳状 液。 黏度的测量：用d v i i 型黏度计分别测量不同温度下原油和含水原油的黏度，绘制黏 温曲线，测试温度范围为2 0 - 9 5 c 。 2 2 结果与讨论 2 2 1 净化原油的流变性 江3 7 净化原油黏温关系曲线见图2 一l 。从图2 1 可以看出；在半对数坐标系中，江3 7 净化原油黏温关系不是一条直线，而是一条折线。如果按一条直线回归，r 2 为o 9 6 2 1 ，回 l l 第二章稠油及稠油乳状液流变特性 归系数较低。如果以5 0 为分割点，将江3 7 净化原油黏温关系分成两段，则可以表示在 图2 - 2 和图2 3 中。从图2 2 可以看出，在2 0 5 0 c 范围内，江3 7 净化原油黏温关系曲 线，在半对数坐标系中是一条直线。r 2 为0 9 9 5 7 ，回归系数较高。从图2 3 可以看出，在 5 0 9 5 范围内，江3 7 净化原油黏温关系曲线，在半对数坐标系中是一条直线。r 2 为0 9 9 3 8 回归系数较高。这也说明江3 7 净化原油的析蜡点为5 0 。在析蜡点前后，净化原油的黏 度随温度的增加，呈指数趋势减小。在测试温度范围内没有测试到反常点。 1 0 2 03 0 4 0 ，5 06 07 08 0 9 01 0 0 t 图2 - - 1 江3 7 净化原油全黏温曲线 f i 9 2 ic u r v eo f t o t a lv i s c o s i t y - t e m p e r a t u r eo f d d e dc r u d eo i li nj i a n 9 3 7b l o c k 1 0 0 0 1 0 0 1 52 02 53 03 54 04 55 05 5 t 图2 - 2 江3 7 净化原油黏温关系曲线( 2 0 c 5 0 c ) f i 9 2 - 2c u r v eo f v i s e o s i t y - t e m p e r a t u r eo f d r i e dc r u d eo i l i nj i a n 9 3 7b l o c k ( 2 0 c - 5 0 c