無機雜質顆粒對三元復合驅原油介電性能的影響*

大慶油田設計院有限公司

隨著油田開采進入高含水階段，為了保證原油產量，三元復合驅等強化采油技術廣泛應用于油田生產中。三元復合驅產出原油中含有來自于地層或驅油過程中引入的無機和有機雜質顆粒[1]，將直接影響采出液處理工藝[2-3]，尤其是油水乳化的電脫水處理工藝[4-5]。為適應原油破乳脫水技術的發展，不僅要開發新型電脫水設備和技術[6]，還應研究原油介電性能的影響因素，盡管有關原油介電性能的研究未見報道，但是可以借鑒關于液體和絕緣油等方面的研究開展相關工作[7-9]。

從微觀角度看，含雜質顆粒的原油應該存在3種影響介電性能的因素：①烷烴、環烷烴等非極性分子的電子位移極化；②偶極性電介質脂肪酸、膠質、瀝青質的電子位移極化和偶極式取向極化；③原油中雜質顆粒的電子位移極化和取向極化。因此，對于含有雜質顆粒的原油，影響其介電性能的主要因素包括偶極性烴類分子的極化和雜質顆粒的極化。本文研究了原油中雜質對原油介電性能的影響，可為原油乳狀液電脫水工藝改進提供理論依據。

1 無機離子的存在狀態

大慶油田三元復合驅采出液脫水工藝總體上采用兩段脫水工藝：一段游離水脫除器，用于脫除采出液中的大部分游離水；二段電脫水器，實現原油的凈化脫水。由于污水沉降罐回收油嚴重影響電脫水器的平穩運行，對污水沉降罐回收油采取單獨回收、加熱沉降脫水。在脫水站工藝流程的不同環節取樣，沉降分層后，分別取上層油樣和下層水樣進行測試。表1為不同原油樣品和水樣品經ICP分析檢測得到的元素離子含量。其中電脫水器水出口的樣品是降低電脫水器油水界面后的取樣，樣品中含有大量的油水過渡層。

表1 脫水站不同工藝環節的油樣和水樣中元素含量Tab.1 Element contents in oil and water samples of different process links in dehydration stationsμg/g

從表1可以看出，油層中含有很高濃度的Fe3+和Al3+，而水中則含有相對高濃度的Na+。說明三元復合驅脫水站油性樣品中含有大量油溶性的Fe元素和Al元素，而且其中Fe和Al元素離子含量要遠遠高于油水共存樣品中的含量。特別指出的是，處理系統回收油中Fe和Al元素離子含量最高，可以推測，這種狀態的Fe離子會持續在油中生成和富集。另外，脫水站油中含有Ca2+，說明這些離子能夠以非水溶性的狀態存在于油中。

2 無機雜質顆粒的存在狀態

從原油中分離出來的無機雜質顆粒，通過電鏡掃描和能譜分析確定形貌特征和晶體存在形式。由無機雜質顆粒的SEM照片（圖1）和EDS能譜（圖2）可知，無機雜質顆粒主要呈現出塊狀、顆粒狀和蜂窩狀薄片等形貌特征。EDS能譜的面掃結果表明，無機雜質顆粒主要含有O、Si、Ca、Al、Fe、Mg和Na等元素。

圖1 無機雜質的SEM照片Fig.1 SEM photographs of inorganic impurities

圖2 無機雜質的EDS能譜Fig.2 EDS spectra of inorganic impurities

圖3 無機雜質的XRD譜圖Fig.3 XRD patterns of inorganic impurities

圖3為無機雜質顆粒的XRD譜圖，表明上述元素主要以硅鋁酸鹽形式存在。

3 不同物質對原油介電性能的影響

以環己烷代替原油為研究對象，將來自于原油中的雜質和油溶性表面活性劑烷基苯磺酸鈉18-2 ABS摻雜到環己烷中，以考察其對環己烷介電性能的影響。表2是選取的4種雜質（12號雜質為電脫水器絕緣吊掛淤積物，21號雜質為電脫水器底部淤積物，22號雜質為電脫水器極板淤積物，31號雜質為三元復合驅污水處理站過粗濾器篩管淤積物）中各成分的組成情況，雜質在各無機物的組成上均具有代表性，其中一種油溶性較好的表面活性劑18-2 ABS結構如圖4所示。

表2 各樣品中雜質組成成分Tab.2 Impurity composition in each sample質量分數/%

圖4 對二甲基烷基苯磺酸鈉18-2 ABS結構Fig.4 Molecular structure of sodium para-dimethyl alkylbenzene sulfonate 18-2 ABS

圖5 不同雜質及18-2 ABS摻雜對環己烷溶液電容的影響Fig.5 Effect of mingling different impurities and 18-2 ABS on capacitance of cyclohexane

圖5是雜質和18-2 ABS摻雜量不同對環己烷溶液電容的影響。由圖5可知，雜質和18-2 ABS的摻雜在實驗范圍內均使環己烷的電容減小，也就是介電常數減小，純凈環己烷的電容為5.24 pF，摻雜后均小于此值。這說明雜質和18-2 ABS的摻雜導致環己烷的介電性能降低，在電場存在下，相較于環己烷，摻雜溶液的電導率會更大或者更容易在強電場下被擊穿。

除了含22號雜質的樣品（電脫水器極板淤積物）外，其他雜質摻雜的環己烷的電容值均隨著雜質含量的增加呈現出先降低后升高的趨勢。這說明，在合適的雜質含量時，環己烷溶液會表現出最小的電容值，此時，環己烷溶液介電性能最差，最容易導電和被電場擊穿。其中含12號雜質的樣品（電脫水器絕緣吊掛淤積物）具有最低電容值，此雜質中含有較高含量的K2O、Na2O和BaCO3，說明這些物質能更多地降低環己烷的介電性能。含21號雜質的樣品（電脫水器底部淤積物）同樣含有較多的碳酸鹽，如CaCO3、MgCO3和BaCO3，這些物質也具有相對高的降低環己烷介電性能的能力。含22號雜質的樣品（電脫水器極板淤積物）中含有較多的Fe2O3，隨著含量的增加，環己烷的電容值逐漸升高，這可能來自于Fe2O3的聚集長大，不利于其在電場中的移動，從而增加了電容。那么隨著其他樣品雜質含量的增加，同樣是由于顆粒的聚集導致電容增加。

對于18-2 ABS，只測試了一個0.1%（質量分數）的濃度，表明環己烷溶液的電容值同樣由于18-2 ABS存在而下降。

以上結果表明，無論是極性的烷基苯磺酸鈉18-2 ABS，還是具有在電場下發生極化而產生極性的無機雜質顆粒，在實驗所考察的摻雜濃度范圍內，均造成環己烷溶液介電性能的降低，導致溶液導電率的增加和耐擊穿性能的降低。

4 結論

（1）Fe化合物的生成和在原油樣品中的富集，從而造成原油樣品中油溶性Fe化合物含量增加，Ca元素也會以油溶化合物形式存在于原油樣品中。集輸處理系統回收油不能有效處理，在脫水設備中循環，是造成某些站場油水乳狀液中Fe元素含量高的一個重要原因。

（2）無機雜質顆粒會造成環己烷介電性能的降低，增加環己烷的導電性能。在環己烷中，無機雜質顆粒含量達到合適水平，環己烷表現出最低介電常數。三元復合驅采出液高含量的雜質顆粒造成原油介電常數降低，是電脫水設備脫水電流大的一個主要原因。