稠油乳化降粘技术刘国然　编译(辽河石油勘探局钻采工艺研究院　辽宁　盘锦　124010)

前 言世界上的稠油资源非常丰富,储量和产量都占很大比例。为了开发稠油资源,世界各产油国和地区都在致力于研究稠油的开采和集输问题。为了降低稠油的粘度,增加流动性,提高产量,一般采用热采法、稀释法、乳化降粘法等。其中乳化降粘技术具有方法简单、经济、所需能量少等优点。

化学降粘法及机理

1.　化学剂的分类化学降粘剂分为降凝剂(或叫流动改进剂)和乳化剂(表面活性剂)。前者能大大降低含蜡原油的粘度、胶凝强度和凝点,而使原油流动性得到改善,后者使高粘原油形成低粘度的水包油(O/W)型乳化液,而使稠油粘度大大降低。表面活性剂是一种化合物,其分子中有亲水原子团和疏水原子团,由于其少量的存在可使表面性质有显著变化。根据实用性质,表面活性剂又可分为洗净剂、乳化剂和湿润剂等。表面活性剂通常分为阴离子系、阳离子系、两性离子系及非离子系四大类。

2.　乳化降粘机理稠油乳化降粘就是使一定浓度的表面活性剂水溶液,在一定温度下与井下稠油充分混合,使高粘原油以粗油滴系分散于活性水中,形成低粘度的水包油(O/W)型乳状液。这种乳状液降低了原油在井筒和管线中的运动阻力。原油中加入亲水表面活性剂后,因亲水基表面活性很强,而替代油水界面上的疏水自然乳化剂而形成定向的吸附层,吸附层将强烈地改变着分子间相互作用和表面传递过程,致使原油粘度显著下降。实践证明,原油粘度越高使用表面活性剂降粘效果越好。稠油乳化降粘开采和集输机理也可从两方面来理解:一是表面活性剂溶液与稠油接触能使油水界面张力下降,所以在一定温度下经过搅拌,油便呈颗粒状分散在表面活性剂水溶液中,形成极粗的水包油型乳状液。活性剂分子吸附于油珠周围,形成定向的单分子保护膜,防止了油珠重新聚合,可见乳状液流动能使液流对管壁的摩擦压力减弱(图1)。二是由于表面活性剂水溶液的湿润作用,使液流流动阻力显著减少,即在管壁上吸附了一层表面活性剂水溶液的

第2卷第1期特　种　油　气　藏1995年水膜,从而使原油和管壁之间的摩擦变成表面活性剂水溶液与管壁的摩擦,达到流动阻力显著下降的目的(图2)。

图1　水包油型(O/W)乳状液 图2　水包油型(O/W)乳状液管道流动示意图乳状液的性质

1.　乳状液所谓乳状液是指两种互不相溶(或不完全相溶)的液体,其中一种液体以不同大小液滴形式分散在另一相中,形成具有一定稳定性的非均匀体系。它的形成必须具备下列三个条件:a.　两种液体互不相溶;b.　存在着乳化剂;c.　在一定温度下充分搅拌(即在高剪切速度下使一种液体以小液珠状态分散在另一液体中)。

2.　乳状液的性质及其影响因素研究乳状液的性质以及各种参数对流变性的影响,为稠油的开采和集输提供了必要依据。有关水包油(O/W)型乳状液的理论和应用的研究很多,其性质很复杂。Shermon曾举过6个可以影响乳状液性质的因素。Richardson最先提出乳状液粘度和内相浓度的关系式如下:_=_wexpKH

式中:_——乳状液粘度,mPa·s;_w——乳状液外相浓度,%;K——常数;H——乳状液内相浓度(体积百分数),%。Rose和Marsden研究普鲁德霍湾原油在20%NaCl水中的水包油(O/W)型乳状液的流变性时指出,乳状液粘度和内相浓度的关系与上述公式一致,而有的研究者认为上述公式不适用于水包油(O/W)型乳状液。Camy等人研究了水包油(O/W)型乳状液流变性能与各种参数之间的相互关系。结果表明:大多数原油的水包油(O/W)型乳状液属于牛顿流体,少数属非牛顿流体,而且主要是假塑性流体,也有膨胀性流体、触变型和震凝型流体。总之,乳状液的性质不仅受内相浓度(油水比)、乳化剂种类、浓度等物理组成的影响,而且

58特　种　油　气　藏1995年与热力条件、剪切条件及时间、无机盐等因素和物质有关。更复杂的是其组成状态不同,如内相颗粒大小及其分布不同也会使乳状液宏观性质发生变化。另外,各组分的化学组成及物理化学性质的影响也很大。

表面活性剂的选择及乳状液的形成

1.　表面活性剂的选择选择表面活性剂的原则是:必须保证乳状液在不同条件下的稳定性,在地面原油脱水处理时易分离[1]。在井下条件下,离子和非离子型表面活性剂都可以形成低粘度的水包油(O/W)

型乳状液。通常都选用非离子型表面活性剂,因为非离子型表面活性剂比较便宜,并且不受产生水的影响。另外,非离子表面活性剂形成的乳状液粘度低,而且在油水分离器中很容易分离。如具有多个环氧乙烷基的表面活性剂是可溶水的,并且有助于乳状液的形成。这种表面活性剂在井温下化学性质稳定、无腐蚀、无毒。又如聚氧丙烯烷苯酚醚、聚氧乙烯聚氧丙烯烷基醚、聚氧丙烯聚氧乙烯嵌段共聚物等都是产生乳状液的良好表面活性剂。特别是聚氧乙烯烷基苯基醚具有乳化效率高、降粘幅度大、不受介质pH值及硬离子浓度影响,加热时油水易分离,分离后的水溶液还可再使用,成本低等优点[2]。

委内瑞拉INIEVEP研究院在奥里诺科稠油区试验研究中,为找到适合于形成稳定的水包油(O/W)型乳状液的化学剂,使用了500多种,其中包括离子型和非离子型及阳离子表面活性剂。其结果得出非离子型表面活性剂[HLB(亲水亲油平衡值)>14]产生的乳状液效果最佳,它可以形成均匀的油滴,具有较大稳定性[3]。

2.　乳状液的配制与形成选择适合的表面活性剂后,按一定重量加到水里,一般加入量约0.002%～1.00%(重量%),对特稠油加入量要高些。选用非离子型表面活性剂最好使用矿化水,这有利于乳状液的形成。表面活性剂与水混合后形成表面活性剂水溶液。在一定温度下,通过充分搅拌可以与原油混合成低粘度的水包油(O/W)型乳状液。乳状液粘度与其外相(水)粘度及内相(油)浓度有关,但主要取决于外相浓度。一般油浓度(体积含量)多在75%～60%范围内,或含水量为25%～40%。当表面活性剂水溶液含量低于25%时,将不能形成连续相,进而不能形成水包油(O/W)型乳状液。实践证明稠油含水量越高,乳化效果越好。一般要求井网含水至少达10%以上。

表面活性剂的注入使用机械方式可以注入表面活性剂水溶液,完成井下乳化技术。图3是普通的井下乳化工艺流程图。它是把储罐中混合好的表面活性剂水溶液经计量泵泵入套管和油管环形空间,经过泵的机械搅拌,与井筒原油形成低粘度的水包油型乳状液,再经油管抽到地面,经分离器进行分离,再把分离出的乳状液加热脱水,使油水分离,分离出的水还可再用。

59第2卷第1期刘国然:稠油乳化降粘技术图3　井下乳化工艺流程图4　表面活性剂注入系统地面设备 图4、图5是Bodo油田使用的注表面活性剂地面和地下设备。图4是地面上把采出的水和表面活性剂SRCK-1经注入泵、化学泵泵入固定搅拌器搅拌,后经软管注入空心抽油杆中[3]。

图5　井下系统图5是根据美国USS油井稀释剂管式泵改进的井下设备。它主要完成注入流体与固定凡尔下面地层流体混合,流体经过25mm的整体接头管进入井下泵[4、5]。泵由双柱塞系统组成,流体连续注入空心抽

油杆,然后通过上柱塞上的一根管子把表面活性剂水溶液送到泵的底部。这样在生产液(地层液)进入固定凡尔之前,经机械搅拌可使它们充分混合,形成低粘度的水包油(O/W)型乳状液,以达到降粘的目的。还有一种方法是在油管外侧固定一根小直径管线,表面活性剂水溶液可直接通过管子引入井下。这种方法简便适用,安装和起下作业时间短。胜利油田从70年代就着手这项工作,目前已形成了一套较为成熟的乳化降粘开采和集输工艺流程:一种是计量站为单元的稠油降粘工艺流程。对小断块油田,各断块及各油井原油性质差异较大的油井,宜采用小面积多井降粘;另一种是以接转站或转油站为单元的稠油降粘工艺流程。它适用于原油性质差异不大的大面积稠油区。表面活性剂水溶液可根据油井实际情况分别采用井下(泵下或泵上)或地面(井口)掺水方式(见表1)。总之,注表面活性剂水溶液的方式可根据各油田、油井、稠油的性质、抽油设备等具体情况来定。

稠油乳化降粘的效果

根据国内外一些稠油油田采用乳化降粘技术来看,效果是明显的。如国外Lindbergh油田、享廷顿滩油田、克恩河油田,我国的胜利、辽河油田等,它们的原油粘度都很高,有的在20000mPa·s以上,甚至更高些。这些稠油很难开采,但是经过乳化降粘后,原油粘度明显下

60特　种　油　气　藏1995年表1　稠油井掺水方式

降,有的达几mPa·s。这样就解决了抽油杆下降难问题,同时也提高了泵的冲次、泵速和泵效,减少了动力消耗、降低了系统压力;乳化后一般的产油量可增5%～10%。从经济上看,乳化降粘技术使用的表面活性剂费用低,这样就减少采油成本。另外,乳状液的外相水水源充足(主要为采出的地层水)。乳化降粘技术可使用原有井的掺稀设备,而费用都低于掺稀费用,产油量又高于掺稀的产油量。

结 论稠油乳化降粘工艺在技术上是可行的,经济上是合理的,稠油降粘加药费用大约和节省的电力费用相等。同时,可实现一次加药解决稠油开采、集输、脱水等三大环节问题。参　考　文　献1　宋迎来,刘显英.井下乳化技术在稠油开采中的应用.国外石油工程.19882　王素英,岳福山,等.专利CN88105018A

3　MouritsFM,KuruczL,ScouiarRJ.HeavyoilemulsionresearchatSaskatchewanresearchcouncil.PetroleumsocietyofCLM.19874　SlmonR,PoynterWG.Down-holeemulsificationforimprovingviscouscrudeproduction.JPT.1968,(12):1349—13535　DESBriisayCM,MudieDW.Pumpingheavyoilwiththeaidofdown-holeoil-in-wateremulsification.JCPT.1989,28(4):81—84

收稿日期:1994-04-26

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