原油脫水破乳技術研究進展

陳鳳祥，白鳳有，王玉杰，赫英明，王劉華，曲紅艷，楊玉松

（大慶油田有限責任公司勘探開發研究院，黑龍江大慶163000）

當今社會經濟發展迅速，能源需求量日益增大，我國一些老油田為了提高原油產量，采用了蒸汽驅、火驅、水驅、化學驅等多種開發方式開采原油。其中注水和三次采油開采技術應用較多，而這兩種開采方式均會導致采出液的含水率大幅度升高（部分甚至高達90%以上）。采出液在金屬管道中運移時，這些未處理掉的水分必然會造成設備腐蝕、能源浪費等問題。為保證安全生產，降低開采成本，提高脫水效率，原油脫水破乳技術的研究意義重大。采出液中水主要以二種形態存在：游離水（水的相對密度比原油大，幾乎不溶于原油，所以采出液中的水大部分以游離態存在于油層下部）、乳化水（原油中膠質瀝青質等天然乳化劑使部分水以乳化態與原油并存，構成分散體系，形成乳化油[1]）。

目前原油脫水方法大致可分為物理法、化學法和微生物法等。物理法是利用油水密度差、介電常數不同等物理特性，采用相應的技術方法進行油水分離，主要有重力沉降、旋流分離、電脫水、超聲波法、微波輻射等方法。化學法一般是向原油乳化液中加入化學破乳劑[2]。化學破乳劑是一種表面活性劑，它能改變油水界面膜的性質或強度來實現破乳，達到各相分離的目的。生物法是利用微生物細胞碰撞、擊碎乳狀液界面膜和增溶乳化劑分子破乳，或者利用微生物代謝過程產生使乳化劑失去乳化特性的一種生物分子。

1 物理法

1.1 沉降分離法

沉降分離法是最為簡單的原油脫水方法，分離效果相對較差，只能分離出采出液中的游離水。采出液中原油與水的密度不同，在重力作用下原油與水可初步分離，形成上部油層和下部水層。在水層中油滴發生水洗作用、在油小水滴進行自然沉降。這種沉降分離方式一般多用于含水量較高的采出液的前期脫水處理。采用沉降分離法進行原油脫水，通常所使用的設備是沉降分離罐。這種設備的優點是一般無需加熱，節省燃料；沉降罐結構簡單，容易操作；罐體密封好，輕組分不易損失。但是這種脫水方法，存在脫水效率不高、耗時長的問題。為改善脫水效果，人們常采用加入輕質油、注入水溶性添加劑等物質，來增大油水密度差，也常采用加熱處理的方式，降低原油的粘度，提高油水分離的速度等方法。

1.2 高頻脈沖電脫水法

原油的電脫水破乳過程，通常是在靜電場力作用下實現的。采出液中的小水滴在高壓電場作用下不斷碰撞、聚結形成大水滴，在重力作用下大水滴向下運動，進行沉降分離過程，最終油水分層。交流高壓電場、直流高壓電場及交變電場在原油破乳研究和生產中都有應用。通過不斷對原油電脫水技術的研究、改進，高頻脈沖電脫水法[3]應運而生，其脫水的原理是：由于連續油相的電導率遠小于分散水相的電導率，在外電場的作用下，液滴被極化，在短時間內會發生聚結的過程[4]。高頻脈沖電場有誘導偶極子，也會使液滴間相互吸引、進而發生碰撞而聚結在一起。脈沖電場的振動作用使油水混合物中流體速率發生改變，導致界面流動，電荷堆積。這使水滴更容易相遇、聚結，使界面膜更容易破裂，進而發生沉降分離。

1.3 超聲波法

超聲波是一種可以在介質傳播的機械波，具有多種作用，在原油脫水中，破乳效果較好[5]。其中機械振動作用可促使小水滴向波腹或者波節方向不停運動，在運動過程中小水滴會發生碰撞、凝結、聚合在一起形成大水滴，在油水密度差及重力作用下，大水滴向下運動進而發生沉降分離。懸浮在原油介質中的水“粒子”，在超聲波的作用下會隨著原油介質一起振動。由于水“粒子”大小不同，其振動速度也不同。因而水“粒子”會發生碰撞、聚結，使體積增大，最終在重力作用下沉降分離。水粒子在原油介質中振蕩時，產生的熱作用可以降低原油粘度，有利于油—水界面膜的溶解，降低界面膜的強度，另外液滴相對運動時產生的摩擦也會降低油—水界面膜的強度，增加水滴相遇的機會，都有利于破乳。

2 化學破乳法

化學破乳法是目前國內油田普遍采用的一種破乳方法。通常是向油—水乳化狀液中添加表面活性劑或具有兩親結構的超分子表面活性劑，這種表面活性劑稱為破乳劑，其可以破壞雙電層的電解質，也可以降低界面膜強度。與油—水界面膜活性相比，化學破乳劑活性更高，會吸附在油—水界面膜上，形成低強度界面膜替換油—水界面膜，使其破裂。最終使乳化水脫離油—水界面膜的束縛，被釋放出來，聚結形成大液滴，在重力作用下油滴向上運動，水滴向下運動，發生沉降分層，達到油水分離的目的。破乳劑不斷被開發利用，目前已有近3000 種破乳劑（相對分子質量從幾百到幾萬）被應用到科研和生產中。破乳劑的種類有離子型破乳劑和非離子型破乳劑。目前常用的破乳劑主要是非離子型破乳劑，包括AR 系列破乳劑、AP 系列破乳劑、AE 系列破乳劑和SP 系列破乳劑。破乳劑在使用上不斷發展，經歷了1g/L 到10～30mg/L 的過程。吳迪等[6]針對大慶油田聚合物驅采出液研制了非離子型反相破乳劑,這種破乳劑可促使油珠聚合，脫水效果較好。雖然破乳劑具有良好的破乳效果，但在實際使用過程中仍存在一些問題，如使用量大、適應性差、成本高、有污染等問題，因此開發新型、脫水效率高、無毒、無腐蝕的破乳劑具有重要的意義。

3 微波輻射法

微波又叫超高頻無線電波，其頻率范圍在300～30000MHz（波長范圍是1～l000mm），在多個工業和科學研究領域得到廣泛應用。原油微波破乳脫水方法首先由美國學者Klaika等于20世紀80年代提出的，現場試驗表明，微波輻射脫水技術具有綠色、環保等優點[7]。微波具有反射和定向輻射的特點，微波破乳技術就是利用微波輻射特性而進行原油脫水的。原油與水的介電常數不同，物質的介電常數越大，對微波的吸收本領越強，水分子呈極性，介電常數大于采出液中的其他物質，對微波吸收量最大。在微波破乳過程中，快速變化的高頻電磁場使乳狀液中的水分子極性取向不斷隨之變化，在磁場中水分子快速旋轉，相互摩擦，不斷碰撞。這一過程會使油—水界面膜的Zeta 電位遭到嚴重的破壞，從而增加液滴相遇的機會，小水滴碰撞聚結逐漸形成大水滴，發生沉降促使油水快速分離。微波輻射作用液可以使水滴的能量增加而發生膨脹變大，這將會導致油—水界面膜的強度降低，進而破裂，有利于破乳。目前原油脫水微波輻射破乳技術的研究成果基本處于實驗室階段，無法對破乳過程的溫度、壓力和設備功率等參數進行精準控制，存在的這些問題難以解決，微波輻射的破乳機理和破乳模型的建立還存在一些技術問題需要突破[8]。

4 微生物法

化學破乳劑具有專一性，破乳時需要添加有機溶劑作助劑，而生物破乳劑是可再生的，具有無污染、可以自我繁殖、成本低、破乳效率高等優點，近年來研究較多。國外對生物破乳劑研究最早的報道始于20 世紀80 年代。生物法原油脫水的作用機理主要是具有某種特定性能的微生物在代謝過程中會產生特定的物質，而這種物質會消耗油水乳化液中界面膜的表面活性劑，或者是破壞油水乳化液的穩定性。破乳劑類型可大致分為以下三種。原油中加入生物破乳劑后，會促使其內部生成一種生物分子構成的活性劑，使乳化劑失去它乳化的特性而破乳，這種破乳的方式被稱為反向變型。利用生物破乳劑碰撞原油表面，并擊碎其表面的乳狀液界面膜，來完成原油破乳，這種破乳的方式被稱為撞擊型。生物破乳劑中含有的部分高活性生物分子，其在原油乳狀液體當中形成高分子的線團能增溶乳化劑的生物分子，破壞乳化劑的結構，使油—水界面膜破裂，我們把這種方式的破乳稱之為增溶型。據最近的研究報道：紅球菌、桿狀菌和球擬酵母等微生物可用于原油脫水，具有微生物破乳作用。楊志生等[9]通過大量實驗，對菌種進行篩選，優選出破乳效果較好的菌群，對水包油型乳化液效果明顯。

5 結論與建議

隨著原油開采難度的增大，在原油開采過程中不斷發展、強化采油技術，如熱力驅油、混相驅油、化學驅油等采油技術。這些新的技術方法在提高采出率的同時，也導致了油與水形成的乳狀液更加穩定，對采出液進行脫水處理的難度增大。總的來講，傳統破乳方法：如重力沉降分離法、化學脫水分離法和電脫水分離法研究較為深入，技術成熟。在目前各大油田中，傳統原油脫水破乳方法仍然占據著主導地位。在實際生產過程中，為提高脫水效率，通常會將以上原油脫水方法配合使用（如高溫化學破乳、破乳劑加電場等）。超聲波、微波輻射法和生物法目前處于工業應用的起步階段，在破乳效果和節能環保方面具有明顯優勢，但由于破乳機理尚不明確，在進行大規模工業化前，仍需進一步探索研究，但相信這些新型技術在不遠的將來定具有廣闊的前景。