新型乳化劑ZX-1 對含水原油流動阻力及轉相點的影響

湯元春，楊付林，呂紅梅

（1.江蘇油田石油工程技術研究院，江蘇揚州 225009；2.北部灣大學，廣西欽州 535011）

我國所產原油80 %以上為高凝點、高含蠟、高黏度的“ 三高”原油[1]。國內大多數油田進入中高含水期，傳統(tǒng)上的加熱集輸的方式能耗大、成本高。為此，國內外在含水原油常溫輸送方面開展了大量的研究工作[2，3]，但至今為止，關于加入流動改進劑的含水原油流動阻力及轉相點的影響因素系統(tǒng)研究較少[1，4-6]。

本文自主設計了一套簡單、實用的盤管式原油流動模擬裝置，利用江蘇油田FZ 區(qū)塊原油和研制的乳化劑ZX-1，模擬現(xiàn)場生產參數，開展了多因素對含水原油流動阻力和轉相點的研究。

1 實驗材料及儀器

1.1 材料

原油和水樣取自江蘇油田FZ 區(qū)塊。原油黏度136.7 mPa·s（50 ℃），凝固點33 ℃，含蠟量29.2 %。水樣為油井采出污水，礦化度8 962 mg/L。乳化劑ZX-1，自制，有效成分含量≥40 %，1 %水溶液pH 值7～8，無分層，有機氯含量為0，使用溫度≤150 ℃，其主劑為非離子表面活性劑，其他均為化學純試劑。

1.2 儀器

根據現(xiàn)場實際情況，自行設計加工了一套盤管式原油流動阻力測定裝置。該裝置包括溫度、壓力、流量三項控制（見圖1）。測量溫度范圍25 ℃～90 ℃，盤管長度10 m，泵的最大流量4 L/min，其轉速表滿刻度為50，轉速與流速的關系（見表1）。

改變實驗條件（溫度、流速、加劑量、含水率等），測定壓力穩(wěn)定時管路兩段的壓差，即含水原油流動阻力。

2 結果與討論

2.1 各因素對流動阻力的影響

含水原油在輸油管線內流動時，流動阻力對應相應的流態(tài)，也反映管中原油狀態(tài)，降低流動阻力是常溫輸送的重要指標之一。因此，開展了乳化劑加量、溫度、流速、含水率等對流動阻力的影響研究。

2.1.1 溫度 實驗條件：含水率為60 %的FZ 原油，乳化劑ZX-1 濃度為1 000 mg/L，考察不同溫度（35 ℃、40 ℃、45 ℃、50 ℃）下，ZX-1 乳化劑用量對含水原油流動性影響（見圖2）。

圖1 盤管式原油流動阻力測定裝置

表1 泵轉速與流速的對應關系

圖2 不同劑量、不同溫度含水原油流動阻力

在相同轉速、35 ℃～50 ℃，加與不加劑含水原油流動壓降差值分別為2.4 kPa 和26 kPa，降低90.8 %，加劑明顯利于低溫輸送。

2.1.2 加劑量 實驗條件：含水率為60 %的FZ 原油，轉速30，考察ZX-1 不同濃度下（1 000 mg/L、2 000 mg/L和3 000 mg/L），乳化原油在流動模擬裝置中壓降的變化情況（見圖3）。

圖3 加劑量對含水原油流動性的影響

相同溫度下，隨著乳化劑ZX-1 濃度的增加，含水原油的流動阻力降低。與圖2 未加劑的含水原油的流動阻力相比，加劑量從1 000 mg/L 增加到3 000 mg/L時，流動阻力降低幅度較小。主要原因是在1 000 mg/L條件下，含水原油乳狀液已由W/O 型轉化為O/W 型。

2.1.3 流速 實驗條件：含水率為60 %的FZ 原油，乳化劑ZX-1 濃度為1 000 mg/L，考察不同流速（轉速分別為：15、30、45），乳化原油在流動模擬裝置中壓降的變化情況（見圖4）。

圖4 流速對乳化原油流動性的影響

相同溫度下，隨流速增大，含水原油的流動阻力升高。當流速從0.708 m/s 增大到1.062 m/s 時，流動阻力升高幅度明顯。流速增加到一定數值，乳珠之間碰撞效應加劇。

圖5 不同含水原油加劑前后降阻率

2.1.4 含水率 實驗條件：溫度40 ℃，乳化劑ZX-1濃度500 mg/L，考察不同含水率（40%、50%、60%、68%）下，乳化原油在流動模擬裝置中壓降的變化情況（見圖5）。

圖6 轉相點前后原油乳狀液微觀形態(tài)

在相同轉速下，加劑含水原油的降阻率隨含水率增加而增大。含水率由50 %增加到60 %時，加劑含水原油的降阻率有明顯的升高，即FZ 含水原油的轉相點位于含水率50 %～60 %。

為了進一步揭示其機理，利用顯微鏡測定了轉相前后其微觀形態(tài)（見圖6）。可以看出，在轉相前，原油乳狀液是由連續(xù)的油相（圖中深色部分）包圍不同大小的水滴（圖中淺色部分），呈W/O 型，使乳狀液的黏度較高；在轉相后，原油乳狀液是由連續(xù)的水相（圖6 中淺色部分） 包圍不同大小的油滴（圖中深色部分），呈O/W 型，使乳狀液的黏度降低。

2.2 各因素對含水原油轉相點的影響

含水原油在輸油管線內流動時，是否轉相對其流動阻力具有重要的影響。為此，研究了乳化劑的加量、溫度、流量等對轉相點的影響。

2.2.1 加劑量 實驗條件：溫度40 ℃，泵轉速為30，考察ZX-1 乳化劑在不同濃度（300 mg/L、500 mg/L、1 000 mg/L、2 000 mg/L）對原油轉相點的影響（見圖7）。

圖7 加劑量與轉相點的關系

劑量低，轉相點與含水密切相關；在轉相劑量附近，轉相明顯；劑量大于轉相劑量以后，無明顯轉相點（實驗含水參數范圍內）。但劑量過高或過低對轉相及其前后流動性影響較小，存在最佳使用濃度。FZ 油田乳化劑現(xiàn)場使用濃度應在500 mg/L～1 000 mg/L。

2.2.2 流速 實驗條件： 40 ℃，ZX-1 濃度500 mg/L，考察不同流速（轉速分別為10、20、30、40、50）對原油轉相點的影響（見圖8）。

圖8 加劑量為500 mg/L 下流速對轉相點的影響

在實驗參數范圍內，流速對轉相點具有一定影響，但轉相及其前后壓降變化不明顯。加劑降溫輸送可降低對流速的要求。

2.2.3 溫度 實驗條件：乳化劑ZX-1 濃度500 mg/L，考察不同溫度（40 ℃和50 ℃） 對原油轉相點的影響（見圖9）。

對比圖8 與圖9，50 ℃比40 ℃時，含水原油的轉相點更不明顯。說明加劑后均已轉相，ZX-1 加劑轉相點含水應低于40 %。

3 應用

截止2019 年底，ZX-1 用于井筒降黏和常溫輸送共實施27 井次，實現(xiàn)全年電加熱桿停用，地面集輸管線中頻設備停用率達80 %，效果顯著。

圖9 加劑量為500 mg/L 下溫度50 ℃對轉相點的影響

圖10 F19 井加劑前后泵效、上下行電流變化情況

圖11 F19 井加劑前后回壓與掃線頻率變化情況

X5、CHB、ANF 區(qū)塊的15 口稠油井，降黏率＞90 %，光桿功率平均下降10 %以上（見圖10）。

GJ、FZ 等油田管線回壓高、掃線頻繁，F(xiàn)19 等加劑后，井口回壓從1.6 MPa 降到0.7 MPa，由平均每月掃線一次，延長到16 個月，已減少現(xiàn)場掃線28 次（見圖11）。

4 結論

為了開展常溫輸送工作，研制出新型乳化劑ZX-1和盤管式原油流動模擬裝置，開展了不同因素對含水原油流動阻力和轉相點的影響研究，結論如下：

（1）新型乳化劑ZX-1 對低溫含水原油轉相和降黏減阻效果明顯；使用濃度過高或過低均不利于乳化減阻和轉相；現(xiàn)場流速（一般＜0.708 m/s）對含水原油轉相和降黏減阻影響較小。

（2）盤管式流動阻力測試裝置，仿真現(xiàn)場、管程長、溫度與排量可控、數據指導性強、實驗周期短、占用空間小、運行成本低、操作簡便。

（3）ZX-1 乳化劑已應用于多個區(qū)塊、不同含水和性質的原油，在井筒降黏、管線減阻方面都取得明顯效果，具有較強的適應性。