油气集输-原油净化第2节

1、1第二节第二节 原油乳状液原油乳状液原油乳状液的类型；原油乳状液的类型；原油乳状液的生成机理；原油乳状液的生成机理；原油乳状液的性质；原油乳状液的性质；2一、原油乳状液的类型一、原油乳状液的类型两种（或两种以上）不互溶（或微量互两种（或两种以上）不互溶（或微量互溶）的液体，其中一种以极小的液滴分散于溶）的液体，其中一种以极小的液滴分散于另一种液体中，这种分散物系称为乳状液。另一种液体中，这种分散物系称为乳状液。 3原油乳状液的两种类型原油乳状液的两种类型 一种是水以极微小的颗粒分散于原油中，一种是水以极微小的颗粒分散于原油中，称为：称为：“油包水油包水”型乳状液，用符号型乳状液，用符号w/ o

2、表表示示，水是内相或称分散相，油是外相或称分，水是内相或称分散相，油是外相或称分散介质，因外相液体是相互连接的，故又称散介质，因外相液体是相互连接的，故又称连续相；连续相； 另一种是油以极微小颗粒分散于水中，称另一种是油以极微小颗粒分散于水中，称为；为；“水包油水包油”型乳状液，用符号型乳状液，用符号o/w表示，表示，此时油是内相，水是外相。此时油是内相，水是外相。 4二、原油乳状液的生成机理二、原油乳状液的生成机理界面能和界面张力；界面能和界面张力；乳化剂；乳化剂；形成稳定乳状液的必要条件；形成稳定乳状液的必要条件；原油乳状液的形成；原油乳状液的形成；预防措施。预防措施。51. 界面能和界面

3、张力界面能和界面张力 欲使液体内层分子移到表面上来，扩大欲使液体内层分子移到表面上来，扩大液体的表面，就必须对系统作功以克服分子液体的表面，就必须对系统作功以克服分子所受的指向液体内部的拉力。所作的功储存所受的指向液体内部的拉力。所作的功储存于表层，成为表层分子的位能，故于表层，成为表层分子的位能，故液体表层液体表层分子比内部分子多储存一部分能量，这种能分子比内部分子多储存一部分能量，这种能量称表面自由能，或表面能。量称表面自由能，或表面能。61. 界面能和界面张力界面能和界面张力表面能产生的示意图表面能产生的示意图7表面张力表面张力在恒温、恒压条件下，液体表面积每增在恒温、恒压条件下，液体表

4、面积每增大一个单位所增加的表面能称为比表面能，大一个单位所增加的表面能称为比表面能，以以j/m单位。单位。在数值上，比表面能等于在液在数值上，比表面能等于在液体表面上垂直作用于单位长度上的表面紧缩体表面上垂直作用于单位长度上的表面紧缩力，即表面张力。力，即表面张力。 表面张力可解释为抑制使表面张力可解释为抑制使表面积增加而来自液体的阻力表面积增加而来自液体的阻力。8两种液体相接触时，表面能与表面张两种液体相接触时，表面能与表面张力称为界面能和界面张力。力称为界面能和界面张力。92. 乳化剂乳化剂 将煤油和水激烈搅拌，虽能使一种液体搅将煤油和水激烈搅拌，虽能使一种液体搅拌成极微小的颗粒分散于另一

5、种液体中形成拌成极微小的颗粒分散于另一种液体中形成乳状液，但搅拌停止后，内相颗粒在周围液乳状液，但搅拌停止后，内相颗粒在周围液体分子热运动的撞击下发生不断改变方向的体分子热运动的撞击下发生不断改变方向的无秩序运动，即布朗运动，使内相颗粒相互无秩序运动，即布朗运动，使内相颗粒相互碰撞、合并，很快油水就分层了，即所得乳碰撞、合并，很快油水就分层了，即所得乳状液的稳定性（寿命）很差。状液的稳定性（寿命）很差。 10若向油一水系统中加入第三种物质后，若向油一水系统中加入第三种物质后，经搅拌能得到稳定的乳状液，则把这种使经搅拌能得到稳定的乳状液，则把这种使乳状液稳定的物质称为乳化剂。乳状液稳定的物质称为

6、乳化剂。2. 乳化剂乳化剂11根据热力学第二定律，在恒温、恒压下，物系根据热力学第二定律，在恒温、恒压下，物系都有自动向自由能减小方向进行的趋势。当煤油都有自动向自由能减小方向进行的趋势。当煤油-水形成乳状液时，其接触界面和界面能都很大，水形成乳状液时，其接触界面和界面能都很大，从热力学观点看，乳状液是一种不稳定体系，分从热力学观点看，乳状液是一种不稳定体系，分散相液滴必然会自发地合并，缩小界面面积使界散相液滴必然会自发地合并，缩小界面面积使界面能趋向最低面能趋向最低，这就是没有乳化剂时煤油和水不，这就是没有乳化剂时煤油和水不能生成稳定乳状液的原因。能生成稳定乳状液的原因。2. 乳化剂乳化剂1

7、2 把把那些溶入少量就那些溶入少量就能显著降低溶液表面能显著降低溶液表面张力的物质称为表面张力的物质称为表面活性物质活性物质，或，或表面活表面活性剂性剂。表面活性剂降。表面活性剂降低表面张力的能力称低表面张力的能力称表面活性，或表面活表面活性，或表面活度。度。凡是能使溶液表面凡是能使溶液表面张力升高的物质，称张力升高的物质，称为表面惰性物质为表面惰性物质 。2. 乳化剂乳化剂13（1） 乳化剂的类型乳化剂的类型乳化剂的类型很能多，大部分乳化剂都乳化剂的类型很能多，大部分乳化剂都有表面活性剂。按生成乳状液类型可以分有表面活性剂。按生成乳状液类型可以分为两大类：为两大类：形成形成o/w型乳状液的乳

8、化剂，它们都是型乳状液的乳化剂，它们都是亲水性，在水中的溶解度大于油中，如水亲水性，在水中的溶解度大于油中，如水溶性的皂类、蛋白质、植物胶、淀粉等；溶性的皂类、蛋白质、植物胶、淀粉等；形成形成w/o型乳状液的乳化剂，它们都是型乳状液的乳化剂，它们都是亲油性，易溶于油，如高级醇类、胶质、亲油性，易溶于油，如高级醇类、胶质、高级脂类等。高级脂类等。14 乳化剂可通过多种途径使分散体转变为乳状液。乳化剂可通过多种途径使分散体转变为乳状液。乳化剂的作用表现在以下几方面：乳化剂的作用表现在以下几方面：乳化剂吸附在油水界面，乳化剂吸附在油水界面，降低降低油水油水界面张力；界面张力；乳化剂乳化剂在分散相周围

9、在分散相周围形成一层粘性形成一层粘性薄薄膜，膜，阻阻止止内相内相液滴液滴在碰撞时在碰撞时聚结成较大液滴。聚结成较大液滴。乳化剂可能是以某种方式排列的极性分子，使乳化剂可能是以某种方式排列的极性分子，使液滴表面带电，同性相斥，液滴聚结液滴表面带电，同性相斥，液滴聚结难度增大难度增大。（2） 乳化剂的作用乳化剂的作用15 乳化剂使乳状液稳定的原因，是由于它乳化剂使乳状液稳定的原因，是由于它在界面上形成一层薄膜，保护分散相，使在界面上形成一层薄膜，保护分散相，使其界面被掩蔽，液滴碰撞时，膜在外边保其界面被掩蔽，液滴碰撞时，膜在外边保护着，液滴不会因界面接触而合并，其情护着，液滴不会因界面接触而合并，

10、其情形如下两图所示。形如下两图所示。（3） 乳状液的保护膜乳状液的保护膜16o/w型乳状液的保护膜型乳状液的保护膜17 w/o型乳状液的保护膜型乳状液的保护膜183. 形成稳定乳状液的必要条件形成稳定乳状液的必要条件系统中必须存在两种以上互不相溶（或微系统中必须存在两种以上互不相溶（或微量相溶）的液体；量相溶）的液体；要有强烈的搅动，使一种液体破碎成微小要有强烈的搅动，使一种液体破碎成微小的液滴分散于另一种液体中；的液滴分散于另一种液体中；要有乳化剂存在，使微小液滴能稳定地存要有乳化剂存在，使微小液滴能稳定地存在在于于另一种液体中。另一种液体中。194. 原油乳状液的形成原油乳状液的形成当油、

11、气、水混合物由井底沿井筒油管举当油、气、水混合物由井底沿井筒油管举升到井口，经过油嘴的节流，以及集油管线、升到井口，经过油嘴的节流，以及集油管线、阀件、离心式油泵等的强烈搅拌，使水滴充阀件、离心式油泵等的强烈搅拌，使水滴充分破碎成极小的颗粒，并为分破碎成极小的颗粒，并为原油存在的环烷原油存在的环烷酸、胶质、沥青质、石蜡、粘土和砂粒等酸、胶质、沥青质、石蜡、粘土和砂粒等“油包水油包水”型乳化剂型乳化剂所稳定、均匀地分散在所稳定、均匀地分散在原油中，从而形成稳定原油中，从而形成稳定w/o型乳状液。型乳状液。 205. 预防措施预防措施提高油田地面集输系统和油气分离器的压提高油田地面集输系统和油气分

12、离器的压力，减小油嘴前后压差，有助于减少乳状力，减小油嘴前后压差，有助于减少乳状液的生成；液的生成；尽量减少弯头、三通、阀件等局部阻力尽量减少弯头、三通、阀件等局部阻力 ；往油井环形空间内注入破乳剂往油井环形空间内注入破乳剂 。21三、原油乳状液的性质三、原油乳状液的性质原油乳状液的主要物理一化学性质有分原油乳状液的主要物理一化学性质有分散度、粘度、密度、电学性质散度、粘度、密度、电学性质和和稳定性等。稳定性等。221. 分散度分散度分散相在连续相中的分散程度称为分散分散相在连续相中的分散程度称为分散度。分散度用内相颗粒平均直径的倒数表示。度。分散度用内相颗粒平均直径的倒数表示。此外，也常用内

13、相颗粒平均直径或内相颗粒此外，也常用内相颗粒平均直径或内相颗粒总表面积与总体积的比值，即比表面积表示。总表面积与总体积的比值，即比表面积表示。232. 粘度粘度 影响乳状液粘度的因素很多，主要有：影响乳状液粘度的因素很多，主要有：外相粘度；外相粘度；内相的体积浓度；内相的体积浓度；温度；温度；乳状液的分散度；乳状液的分散度；乳化剂及界面膜的性质；乳化剂及界面膜的性质；内相颗粒表面带电强弱等。内相颗粒表面带电强弱等。24 原油粘度愈大，生成原油粘度愈大，生成w/o型乳状液后型乳状液后其粘度也愈大。例如：其粘度也愈大。例如：50时，大庆某油时，大庆某油区所产原油粘度为区所产原油粘度为3.09mpa

14、s，当含水，当含水23.7时实测粘度为时实测粘度为11.43mpas，而，而50粘度粘度为为9.49 mpas的原油，含水的原油，含水24.7时实测粘时实测粘度为度为30 mpas。乳状液粘度与温度的关系。乳状液粘度与温度的关系同原油类似，随温度的升高而降低。同原油类似，随温度的升高而降低。2. 粘度粘度25原油乳状液粘度随含水率的变化却呈现较为原油乳状液粘度随含水率的变化却呈现较为复杂的关系。如复杂的关系。如下下图所示，含水率较低时，乳状图所示，含水率较低时，乳状液的粘度随含水率的增加而缓慢上升；含水率较液的粘度随含水率的增加而缓慢上升；含水率较高时，粘度迅速上升；当含水率超过某一数值高时，

15、粘度迅速上升；当含水率超过某一数值（图中约为（图中约为6575）时，粘度又迅速下降，此）时，粘度又迅速下降，此时时 w/o型乳状液转相为型乳状液转相为o/w型或型或w/o/w型乳状型乳状液。此后，随含水率的进一步增加，油水混合物液。此后，随含水率的进一步增加，油水混合物的粘度变化不大。的粘度变化不大。2. 粘度粘度26原油乳状液粘度与含水率的关系原油乳状液粘度与含水率的关系273. 密密 度度 原油含水、含盐后，其密度显著增大。原油含水、含盐后，其密度显著增大。若已知乳状液体积含水率若已知乳状液体积含水率、原油和含盐、原油和含盐水的密度分别为水的密度分别为o和和w，则原油乳状液的，则原油乳状液

16、的密度可按下式确定。密度可按下式确定。wowowwoo)1 (vvvv vo、vw分别为油和水的体积，分别为油和水的体积，m3。284. 电学性质电学性质当水中溶有少量酸、碱、盐类时，其电当水中溶有少量酸、碱、盐类时，其电导率成数十倍地增加。因此，原油乳状液导率成数十倍地增加。因此，原油乳状液的电导率除取决于其含水率和水颗粒的分的电导率除取决于其含水率和水颗粒的分散度外，在很大程度上决定于水中的含盐、散度外，在很大程度上决定于水中的含盐、含酸、含碱量。乳状液的电导率还随温度含酸、含碱量。乳状液的电导率还随温度的增高而增大。的增高而增大。 29介电系数是乳状液另一项重要的电性质。原介电系数是乳状

17、液另一项重要的电性质。原油的介电系数油的介电系数为为2，水的介电系数约为油的，水的介电系数约为油的40倍，倍，即即为为80。由于原油和水介电系数的悬殊差别，当。由于原油和水介电系数的悬殊差别，当把乳状液置于电场内时，乳状液的内相水滴将沿把乳状液置于电场内时，乳状液的内相水滴将沿电力线排列，并使乳状液的电导率激烈增加。这电力线排列，并使乳状液的电导率激烈增加。这种性质常被用来破坏原油乳状液，脱除原油中所种性质常被用来破坏原油乳状液，脱除原油中所含的水。含的水。4. 电学性质电学性质305. 稳定性和老化稳定性和老化原油乳状液的稳定性是指：乳状液不被原油乳状液的稳定性是指：乳状液不被破坏，抗油水分

18、层的能力。它是原油乳状液破坏，抗油水分层的能力。它是原油乳状液最重要的性质之一。最重要的性质之一。影响乳状液稳定性的主要因素有：乳状影响乳状液稳定性的主要因素有：乳状液的分散度和原油粘度、乳化剂的类型和保液的分散度和原油粘度、乳化剂的类型和保护膜的性质、内相颗粒表面带电、乳状液温护膜的性质、内相颗粒表面带电、乳状液温度和水的度和水的ph值等。值等。31(1) 分散度和原油粘度分散度和原油粘度 若油水混合物内有足够的乳化剂，并受若油水混合物内有足够的乳化剂，并受到充分搅拌，则形成内相颗粒小、分散度高到充分搅拌，则形成内相颗粒小、分散度高的原油乳状液。水滴愈小，的原油乳状液。水滴愈小，分散度愈大，

19、分散度愈大，布布朗运动愈强烈，就能克服重力影响不下沉，朗运动愈强烈，就能克服重力影响不下沉，而保持稳定。此外，原油粘度愈大，水滴愈而保持稳定。此外，原油粘度愈大，水滴愈不易下沉，原油乳状不易下沉，原油乳状液液也就愈稳定。也就愈稳定。32（2）乳化剂的类型和保护膜的性质）乳化剂的类型和保护膜的性质 原油中存在的天然乳化剂大体上可分为三原油中存在的天然乳化剂大体上可分为三类：类： 第一类乳化剂是低分子有机物，如脂肪酸、第一类乳化剂是低分子有机物，如脂肪酸、环烷酸和某些低分子胶质。这类物质有较强环烷酸和某些低分子胶质。这类物质有较强的表面活性，易在内相颗粒界面形成界面膜。的表面活性，易在内相颗粒界面

20、形成界面膜。但由于分子量低，界面保护膜强度不高，故但由于分子量低，界面保护膜强度不高，故乳状液的稳定性较低。乳状液的稳定性较低。 33 第二类是高分子有机物，如沥青、沥青质等。第二类是高分子有机物，如沥青、沥青质等。它们在内相颗粒界面形成较厚的、粘性和弹性较它们在内相颗粒界面形成较厚的、粘性和弹性较高的凝胶状界面膜，机械强度很高，使乳状液有高的凝胶状界面膜，机械强度很高，使乳状液有较高的稳定性。较高的稳定性。 第三类是粘土、砂粒和高熔点石蜡等固体乳第三类是粘土、砂粒和高熔点石蜡等固体乳化剂。由这类乳化剂构成的界面膜的机械强度很化剂。由这类乳化剂构成的界面膜的机械强度很高，因而乳状液的稳定性也很

21、高。由蜡晶粒作为高，因而乳状液的稳定性也很高。由蜡晶粒作为固体乳化剂，固体乳化剂，因因温度增高时蜡晶粒的溶解而使乳温度增高时蜡晶粒的溶解而使乳状液稳定性下降。状液稳定性下降。（2）乳化剂的类型和保护膜的性质）乳化剂的类型和保护膜的性质34（3）内相颗粒表面带电）内相颗粒表面带电内相颗粒界面上带有极性相同的电荷是乳内相颗粒界面上带有极性相同的电荷是乳状液稳定的重要原因。状液稳定的重要原因。乳状液内相颗粒界面上力场的不平衡，会乳状液内相颗粒界面上力场的不平衡，会选择性地从外相介质中吸附阳离子或阴离子选择性地从外相介质中吸附阳离子或阴离子以降低界面张力。这样，内相颗粒界面上稍以降低界面张力。这样，内

22、相颗粒界面上稍有同种电荷，而贴近颗粒的外相介质内则带有同种电荷，而贴近颗粒的外相介质内则带有极性相反的电荷。有极性相反的电荷。35处于内相颗粒界面上的分子电离，电离处于内相颗粒界面上的分子电离，电离后的阳离子或阴离子分布到邻近颗粒的后的阳离子或阴离子分布到邻近颗粒的外相介质中去。外相介质中去。由于内相颗粒在外相介质中的布朗运动；由于内相颗粒在外相介质中的布朗运动；因摩擦而带电。因摩擦而带电。 （3）内相颗粒表面带电）内相颗粒表面带电36 乳状液内相颗粒界面上和其邻近的介质中带乳状液内相颗粒界面上和其邻近的介质中带有数量相等而符号相反的电荷，构成双电有数量相等而符号相反的电荷，构成双电层层，如，

23、如下下图所示。显然，全部内相颗粒界面上均带有同图所示。显然，全部内相颗粒界面上均带有同种电荷。由于静电斥力，内相颗粒难于碰撞，或种电荷。由于静电斥力，内相颗粒难于碰撞，或碰撞后又迅即分开，因而小颗粒难于合并成大颗碰撞后又迅即分开，因而小颗粒难于合并成大颗粒下沉，乳状液变得稳定。粒下沉，乳状液变得稳定。 相比之下，内相颗粒界面带电对含水率低的相比之下，内相颗粒界面带电对含水率低的原油乳状液稳定性的影响更为明显。原油乳状液稳定性的影响更为明显。（3）内相颗粒表面带电）内相颗粒表面带电37水滴相互作用示意图水滴相互作用示意图 （a）水滴的双电层；）水滴的双电层；（b）两水滴的静电排斥）两水滴的静电排斥38（4）温度）温度 乳状液温度对其稳定性有很大影响，随温乳状液温度对其稳定性有很大影响，随温度的增高，乳状液稳定性下降。度的增高，乳状液稳定性下降。乳状液的主要乳化剂一沥青质、胶质、乳状液的主要乳化剂一沥青质、胶质、石蜡等在原油中的溶解度增加；石蜡等在原油中的溶解度增加；内相颗粒体积膨胀，使界面膜变薄，内相颗粒体积膨胀，使界面膜变薄，机械强度减弱；机械强度减弱；39加剧了内相颗粒的布朗运动，增加了互加剧了内相颗粒的布朗运动，增加了互相碰撞，合并成大颗粒的机率；相碰撞，合并成大颗粒的机率；油水体积