No4高含蜡原油、稠油的乳化输送技术精要

第四章高含蜡原油、稠油的乳化输送技术第一节高含蜡原油与稠油1、高含蜡原油

对于含蜡量很高、凝点很高的高含蜡原油，其含蜡量往往大于30％，凝点在40℃以上。如我国中原油田生产的某种原油，蜡含蜡大于30％，凝点43℃。2、稠油（1）我国对稠油的定义世界各国根据各自的具体情况，对稠油（重油）有不同的定义。我国在国标GB50350-2005中，将稠油定义为：温度在500C时，动力粘度大于400mPa·s，且温度为200C时，密度大于0.9161g／cm3的原油。稠油又可按粘度大小分为普通稠油（400mPa·s＜粘度＜10000mPa·s）。特稠油（10000mPa·s＜粘度＜50000mPa·s）、超稠油（粘度大于50000mPa·s）。（2）我国稠油的主要特性

我国稠油油藏分布广泛，类型很多，埋藏深度变化很大，在10～3500m之间，主要是砂岩储集层。由于我国稠油比国外稠油胶质含量高而沥青质和金属含量低，故形成了我国稠油粘度大，密度小的特点。主要特性有：a.轻组分含量低，胶质含量很高。一般来说，随胶质沥青质含量增加，稠油的相对密度及同温度下粘度随之增高；

b.随着密度增加粘度增高；

c.烃类组分低。陆相稀油，烃的组成一般大于60％，最高达95％，而稠油一般小于60％，最低者在20％以下。稠油中随着烃类和沥青质含量的增加，其密度增大；

d.含蜡量低。我国大多数稠油油藏原油含蜡量在5％左右；

e.凝固点低。稠油油藏原油凝固点一般低于100C，有的可达-70C；

f.金属含量低。

（3）稠油粘度的影响因素分析

a.稠油粘温关系：稠油粘度对温度很敏感。根据油田生产经验，在较高温度下呈牛顿流体特性，一般温度每下降100C，稠油粘度大约增加一倍；在温度较低时，其粘度随温度下降而急剧上升。油愈稠反映愈明显。这个温度值通常称作稠油的拐点温度。以辽河特油公司所属杜84块馆陶油层为例，地面脱气原油粘度（500C）为22×104mPa·s，在油层温度（360C）下原油粘度约120×104mPa·s，900C时粘度2666mPa·s，1000C时粘度为1257mPa·s。

b.含水率的影响：试验证明，稠油在含水低于30％时，含水稠油为稳定的油包水乳状液，粘度随含水率提高而增加；含水在30％～60％时，油水乳状液不稳定，粘度处于波动状态；含水高于60％时，含水稠油为稳定的水包油乳状液，粘度随含水率提高而显著降低。目前国内稠油油田综合含水在60％～90％之间。

c.稠油粘度与气油比的关系：在油层条件下稠油中溶解时，含气原油粘度降低，溶解气油比越高，粘度降低越多。因此产出混合物气油比不同，将影响注汽参数和能源消耗。

d.开采时间的影响：一般来讲，随着轻组分逐渐被采出，重质成分比例不断增大，油品性质迅速变差。例如辽河高升油田1982年开始蒸汽吞吐试验，目前已进入吞吐中后期，气油比由1989年的548m3/t降到目前的117m3/t。而50℃脱气原油粘度从2693mPa·s上升到4990mPa·s。e.压力对稠油粘度的影响：压力对同样温度下的稠油（基本不含气）粘度影响极小。（4）稠油的主要开采方式稠油生产过程中，能源消耗最大的环节在注蒸汽热采系统，这是与稀油生产的最大区别。目前中国石油稠油油田主要采用注蒸汽吞吐方式进行开采。新疆一部分油田采用了蒸汽驱工艺；辽河少量区块正在进行转蒸汽驱工作。此外，现在辽河油田有九个井组（2005年为2个井组）在进行SAGD技术先导性试验。a.蒸汽吞吐蒸汽吞吐由于依靠地层的弹性能量开采稠油，属于一次降压生产，原油采收率不会太高。但它是热力采油基本必行的第一阶段。

b.蒸汽驱蒸汽驱是采用面积井网形式，注入井连续注入高干度蒸汽，生产井连续采出原油。注入的蒸汽一方面加热油层，降低原油粘度；另一方面提供地层能量，升高压力，将原油驱向生产井。蒸汽驱技术目前已成为开采稠油的主要技术之一。

c.蒸汽辅助重力泄油（SAGD）技术（StemAssistedGravityDraina-

ge）主要针对粘度大于50000mPa·s的超稠油油藏或天然沥青。基本机理是流体对流与热传导相结合，它是以蒸汽作为加热介质，依靠油层的重力作用开采稠油。

3、存在问题1、定义高含蜡原油、稠油管道输送能耗高、输送经济性差，甚至不能输送。解决方法：可以乳化成O/W乳液再输送。第二节原油乳状液的性质2、分类由两种互不相溶的液相组成，其中一相以液滴的形式分散于另一相中。由于存在较大的液/液界面积，需要加入第三类物质，即乳化剂来稳定乳液。（1）按乳化剂类型分类

a.离子型表面活性剂稳定的乳液；

b.非离子型表面活性剂稳定的乳液；

c.聚合物稳定的乳液；

d.聚电解质稳定的乳液；

e.固体颗粒稳定的乳液。（2）按体系结构分类

a.微乳液（Microemulsion），乳滴直径<100nm，热力学稳定体系；

b.纳米乳液（Nanoemulsion）,乳滴直径100～500nm,热力学不稳定；

c.宏观乳液（Macroemulsion），乳滴直径>500nm,热力学不稳定；

（3）按内外相性质分类

O/W型、W/O型和多重乳状液（又分为o/W/O和w/O/W型）。3、乳状液的稳定性（1）分层（Creaming）与沉降（Sediment）

在外力（重力或离心力）下产生，当外力作用强于布朗运动时，乳液体系中出现乳状液滴的浓度梯度，较大液滴分层或沉降。此时乳滴未被破坏，一般用瓶试法测量。

（2）絮凝（Flocculation）

O/W型在不改变乳液体系原液滴大小的情况下，液滴相互聚集并形成更大的聚集体单元的现象。此时乳滴也未被破坏。（3）奥氏熟化（Ostwaldripenning）

由于大小液滴溶度积不同所引起，小液滴逐渐消失并沉积在大液滴上而形成更大的液滴。

（4）乳液的转相（Emulsionphaseinversion）

在一定的条件下，乳液内相转变为外相，外相转变为内相的现象。

O/W→W/OW/O→O/Wa.一般转相（Nornalemulsionphaseinversion）

i)过渡转相（Transitionalphaseinversion）：改变乳化剂在油水界面的亲和性（HLB值改变）引起的转相。

ii)突变转相（Catastrophicphaseinversion）：改变油水体积比，在临界密堆积体系分数（0.74）附近发生转相。

b.动态转相（Dynamicphaseinversion）

在连续的动剪切条件下，乳液发生的转相现象，如乳液在管道内动态输送时发生的转相。包括动态过渡转相（如相转变温度法）、动态突变转相。影响动态转相的因素有剪切强度、剪切时间、乳化剂浓度、种类和油水体积比等。

（5）聚结（Coalescence）

乳滴碰撞过程中，两个或多个乳滴合并在一起形成一个更大的乳滴的过程。聚结最终导致油水两相分离。几种乳状液的形态不同油水体积比条件下乳液的稳定性不同乳化剂浓度下乳液的稳定性乳化剂是一种表面活性剂。表面活性剂是一种能大大降低溶剂（一般为水）表面张力（或液—液界面张力）、改变体系的表面状态，从而产生润湿和反润湿、乳化和破乳、分散和絮凝、起泡和消泡以及增溶等一系列作用的化学药品。表面活性剂所起的这种特殊作用，称为表面活性。表面活性剂功能多、应用范围广，其种类也非常多。其中，起油水乳化作用的表面活性剂称为乳化剂，并且使所形成的乳状液为O/W型的乳化剂称为O/W型乳化剂，使所形成的乳状液为W/O型的乳化剂称为W/O型乳化剂；能使乳状液破乳的表面活性剂称为破乳剂。乳化剂是乳状液赖以稳定的关键。乳化剂的种类繁多，为讨论的方便，可将其分成四大类：第三节乳化剂的种类1、合成表面活性剂合成表面活性剂是现时用得最多最重要得一类乳化剂，因为它能按乳状液的性质需要对乳化剂分子的结构进行设计和合成。其数量及品种之多，以及发展的前景，其它类型的乳化剂都无法与之比拟。按照表面活性剂的电学性质，即其在水中解离后起活性作用部分的电负性，可分为阴离子型、阳离子型和非离子型三大类。其中阴离子型应用最普遍。非离子型因其具有不怕硬水、也不受介质pH值的限制等优点近年发展很快，阳离子型表面活性剂作为乳化剂用得不多。（1）阴离子表面活性剂一般作为O/W型的阴离子型乳化剂，其亲水亲油平衡值，即HLB（Hydrophile-LyophileBalance）在8～18范围，其亲水性较强；作为W/O型乳状液的乳化剂的HLB值常在3～6之间。羧酸盐：R-COONa硫酸酯盐：R-OSO3Na磺酸盐：R-SO3Na磷酸酯盐：R-OPO3Na2（2）非离子表面活性剂非离子表面活性剂的特点是其在水中不解离，其亲水基主要是由具有一定数量的含氧基团（一般为醚基和羟基）构成，因而具有对抗硬水，对pH值不敏感，与其它类型表面活性剂相容性好等特性。根据其亲水亲油性的差别，可作O/W和W/O型的乳化剂。主要类型如下。

a.醚类聚氧乙烯脂肪醇醚通式：CnH2n+1O(EO)mH，式中的EO为氧乙烯基或称乙二醇基，即－CH2CH2O－，聚氧乙烯基具有亲水性，随聚氧乙烯基单元的增加，则水溶性增加。n＝12～16，m从几到几十，随m增加，脂肪醇聚氧乙烯醚由亲油性变为亲水性，因此根据m的从小到大，可作为W/O和O/W型乳化剂。聚氧乙烯烷基酚醚通式：式中，R为C8H17，C9H19，n可从3到几十，随n由小变大，乳化剂由亲油性变为亲水性。

b.斯盘（Span）和吐温（Tween）类Span60结构式Tween60结构式为使产生的乳状液具有较好的稳定性，应要求乳化剂的吸附层有足够的厚度，因此乳化剂的分子结构应满足以下要求：一是非极性的烃链最好没有分支，因为没有分支的结构更有利于乳状液中活性剂吸附层的非极性部分的横向排列结合；二是非极性部分若有苯基，则苯基最好在烃基的一端，若苯基上有烃基和亲水基，则当它们处在对位时，有较好的稳定乳状液的能力；三是有两个或两个以上亲水基的活性剂不宜作乳化剂。2、高分子乳化剂高分子乳化剂是分子量很高的表面活性剂，因为其分子量较高，在界面上不能整齐排列，所以无法显著降低界面张力，但是在液珠的界面上可以形成机械强度较高的界面膜。而且还能提高液相粘度，因而是性能优良的乳化剂。高分子乳化剂又可分为天然高分子和合成高分子。天然高分子乳化剂主要是各种动物胶和植物胶。如瓜尔胶是由种子瓜儿素中提取的，是一种非离子型，分子量为二十万。合成高分子，如聚氧丙烯－聚氧乙烯嵌段共聚物属于非离子表面活性剂，其中聚氧丙烯基是亲油性的，可以根据二者的比例来调节乳化剂的HLB值，以获得适合实际需要的乳化剂。此外，合成水溶性蛋白质也能够稳定乳液体系。CH3HO(CH2CH2O)n(CH2-C-O)m(CH2CH2O)kH3、天然产物乳化剂植物胶（如阿拉伯胶）、动物胶（如明胶）、纤维素、木质素、海藻胶类（如藻元酸纳）等可作O/W型乳化剂。羊毛酯和固醇类（如胆固醇）等可作W/O型乳化剂。天然乳化剂的乳化性能较差，使用时需与其它乳化剂配合。4、固体粉末乳化剂一般情况下，用固体粉末稳定的乳状液液滴较粗，但可以相当稳定，因为固体粉末吸附在油水界面上可以增加界面膜的强度。常用的有粘土（主要是蒙脱土）、二氧化硅、金属氢氧化物等粉末是O/W型乳化剂；炭黑、石墨等是W/O型乳化剂。通常根据颗粒在油水界面的三相接触角来确定乳液类型：当θ远小于90度时，得到O/W乳液；θ大于90度时，得到W/O乳液。这类乳液也被称为Pickering乳液（1907年发现）。Pickering乳状液稳定机理示意图固体颗粒在油/水界面的三相接触角乳常规石油资源逐渐减少，而稠油资源储量丰富，并且日益受到关注。但是，由于稠油粘度很高、密度大，不利于开采和管道输送，而乳化降粘是一种行之有效的稠油降粘方法。第四节稠油乳化输送技术1、技术背景2、稠油乳化剂种类（1）离子型表面活性剂：价格便宜，但耐盐性差；（2）非离子型表面活性剂：价格较贵，耐盐性好，使用受温度限制；（3）碱液：主要针对酸性稠油，生成石油磺酸盐类活性剂，成本低廉。3、稠油乳化输送的前提条件（1）筛选出一种针对特定稠油和采出水的O/W型乳化剂；（2）具备充分的油、水搅拌剪切混合条件；（3）具备合适的乳化温度条件；（4）乳化剂浓度优选，具有经济的运行成本。4、稠油乳化降粘效果的影响因