復配型石蠟基原油乳化降黏劑的研制和評價

謝蕊澤 楊榮安 劉建榮

1大慶油田有限責任公司第一采油廠

2滑鐵盧大學環境企業與發展學院

3新疆克拉瑪依市實驗檢測研究院

我國油田所產原油大多為含蠟原油，含蠟量高達15%～37%（質量分數），個別油田原油含蠟量高達40%以上[1]。凝點高、低溫流動性差的特點使含蠟原油在開采和集輸過程中普遍存在結蠟、凝管及堵塞的現象，嚴重影響了原油開采和集輸的安全運行。目前國內外油田采用的主要集輸方法是加熱（用熱水、熱油、電加熱等）和摻?。〒饺胍徊糠窒∮?，使原油變為低黏、低凝油）[2-5]，但這些方法均存在成本高的缺點；而化學方法成本低、簡單易行，引起了研究人員的極大興趣[6-11]。2008 年，王德民提出了利用“擬乳狀液”方式開采高黏、高凝油的方法[12]，提出向含水原油中加入原油流動性改進劑，使含水原油由油包水型（W/O）轉變為水包油型（O/W）乳狀液。該乳狀液具有適度穩定性，加入原油流動性改進劑不改變原油性質，并且當O/W型乳狀液靜止時油水自然破乳分層，利于在集中處理站進行油水分離。該方法在大慶油田及其他油田應用于1 000 多口井，取得了較好的降黏效果。張貴才等評價了不同表面活性劑的潤濕性、防蠟率，研究表明，表面活性劑防蠟率可達50%以上[13]。王文杰等探討了AE1910 非離子表面活性劑防蠟機理及適用范圍，指出把一定量的AE1910 加入含水油井后，在油管壁和蠟晶表面形成了一層極性水膜，從而既阻止了蠟在管壁上的沉積，又阻止了蠟晶粒子的聚集[14]。

大慶油田已開發油田中油水過渡帶存在嚴重的結蠟現象，主要采用傳統上的加熱方式進行開采和輸送，存在能耗大、成本高、占用設備及人力多、停輸有凝管堵塞危險等缺點。因此，利用FZ 區塊原油樣品，進行高含蠟原油采輸用乳化劑ZX-1 的制備及性能研究，在高含蠟原油安全開采、輸送及節能降耗方面具有重要的現實意義。

1 實驗

1.1 試劑及儀器

原油和水樣取自大慶油田東部過渡帶FZ 區塊。原油50 ℃時的黏度為121.50 mPa·s，凝固點為34 ℃，蠟含量為29.22%（質量分數），屬于高含蠟高凝原油。地層鹽水取自油井的采出水，礦化度為7 362 mg/L，其中Ca2+和Mg2+質量濃度為44.6 mg/L，在室內人工配制實驗用水。十二烷基苯磺酸鈉（SDBS）、非離子表面活性劑Span80、Tween80 以及破乳劑AE1910均為工業級；氯化鈉（NaCl）、氯化鎂（MgCl2）和氯化鈣（CaCl2）均為分析純試劑。

制備原油乳狀液及進行相關實驗時所用儀器包括Haake RS6000 型流變儀、Nikon 80i/90i 型正置顯微鏡（日本尼康株式會社）、OCA20型視頻光學接觸角測量儀、SilversonL5M高剪切乳化攪拌機。

1.2 實驗方法

1.2.1 制備原油乳狀液及降黏率測定

將原油置于測試溫度下的恒溫水浴中1 h，攪拌去除其中的游離水和氣泡，迅速用Haake RS6000流變儀在剪切速率7.34 s-1下測其黏度μ0。分別稱取一定質量的原油和乳化劑溶液于燒杯中，放在50±1 ℃的恒溫水浴中1 h，將乳化頭置于燒杯中心距底部2～3 mm處，調節攪拌機轉速為5 000 r/min，充分攪拌5 min 使其乳化，迅速用旋轉流變儀測定原油乳狀液黏度μ。原油乳狀液的降黏率為加入乳化劑后原油的黏度降低值與原油油樣的黏度的比值。

1.2.2 原油乳狀液轉相點的測定

配制一系列不同含水率的原油乳狀液，利用Haake RS6000 流變儀測試乳狀液黏度，剪切速率7.34 s-1，以含水率為橫坐標，黏度為縱坐標，繪制黏度與含水率曲線呈拋物線狀，其拐點即為轉相點。

1.2.3 防蠟率調試及接觸角測試

按照石油天然氣行業標準SY/T 6300—2009《采油用清、防蠟劑技術條件》進行防蠟率的測試，采用接觸角法考察新型乳化劑是否能在管壁上形成親水膜。利用N80 鋼片模擬原油集輸管線內壁，用不同濃度乳化劑溶液對80 鋼片進行處理后，平放在OCA20 型視頻光學接觸角測量儀的樣品臺上，用微量注射器吸取原油，涂在N80 鋼片上，利用視頻功能記錄60 s時接觸角的形狀并進行拍照，在照片上測出接觸角。

2 結果與討論

2.1 乳化劑配方

文獻研究表明[4]，用于含水原油采輸的乳化劑既有形成適度穩定性的O/W 型乳狀液的性能，又易于破乳，因此，選用了常用的乳化劑十二烷基苯磺酸鈉（SDBS）以及破乳劑AE1910，將這兩種化學劑按一定比例復配，AE1910∶SDBS的配比分別為2∶1、1∶1、1∶2 和1∶3（以下均為質量比），復配體系濃度為1 000 mg/L，與FZ 原油混合配制含水率60%的原油乳狀液，考察體系配比對原油乳狀液黏度的影響（表1，圖1）。

圖1 乳化降黏劑配比對原油乳狀液黏度的影響Fig.1 Effect of emulsifying viscosity reducer ratio on viscosity of crude oil emulsion

表1 復配體系配比對原油乳狀液黏度的影響（40 ℃）Tab.1 Effect of compound system ratio on viscosity of crude oil emulsion（40 ℃）

當AE1910∶SDBS 的配比為1∶2 時，在溫度32 ℃～47 ℃范圍內，復配體系具有最好的降黏效果。在溫度40 ℃下，配比為1∶2的復配體系降黏率為78.2%，優于其他體系。因此，確定乳化劑配方為AE1910∶SDBS=1∶2。

2.2 性能評價

將研制的乳化劑體系簡稱為ZX-1。由于油水乳狀液熱動力學不穩定，實驗所用的油水乳狀液均是新配制的，需在沒有發生相態變化和明顯的凝結前使用。

2.2.1 降黏性能

在溫度40 ℃條件下，配制不同含水率的原油乳狀液，考察了不同濃度（0、300 mg/L、500 mg/L、1 000 mg/L、2 000 mg/L）乳化劑ZX-1 對轉相點的影響，利用Haake RS6000 型流變儀測定了原油乳狀液黏度（圖2）。在相同含水率下，加入ZX-1后，含水原油的黏度明顯降低。隨著含水率的增加，原油乳狀液黏度增加，達到一峰值（轉相點）后，原油乳狀液黏度降低。在ZX-1濃度為500 mg/L時，與未加劑原油乳狀液相比，轉相點由55%降為50%。隨著乳化劑ZX-1 的濃度增加，轉相點對應的原油含水率降低；當濃度從1 000 mg/L 增加到2 000 mg/L，加劑原油黏度降低的效果明顯減弱。因此，乳化劑ZX-1最佳濃度為1 000 mg/L。

圖2 ZX-1濃度對原油乳狀液轉相點的影響Fig.2 Influence of ZX-1 concentration on phase inversion point of crude oil emulsion

為了進一步揭示乳化劑ZX-1 降低原油乳狀液黏度的機理，利用顯微鏡測定了轉相前后乳狀液微觀形態（圖3）。轉相前原油乳狀液是由連續的油相（圖3a 棕色部分）包圍不同大小的水滴（圖3a白色部分），呈W/O 型，乳狀液的黏度較高；轉相后，原油乳狀液是由連續的水相（圖3b 白色部分）包圍不同大小的油滴（圖3b黑色部分），呈O/W型，乳狀液的黏度較低。

圖3 轉相點前后原油乳狀液微觀形態Fig.3 Microscopic morphology of crude oil emulsion before and after phase inversion point

2.2.2 防蠟性能

（1）掛壁實驗。根據X5-7 井和X5-23 井實際情況，分別配制含水率70%和80%的原油乳狀液，乳化劑ZX-1 濃度為1 000 mg/L，在不同溫度下（40 ℃、35 ℃、30 ℃）輕微晃動瓶子，觀察掛壁情況（表2和圖4）。

圖4 X5-7井模擬原油乳狀液掛壁現象對比（溫度40 ℃和30 ℃下）Fig.4 Comparison of wall hanging phenomenon of simulated crude oil emulsion in Well X5-7(under 40 ℃and 30 ℃)

表2 X5-7和X5-23井模擬原油乳狀液掛壁現象Tab.2 Wall hanging phenomenon of simulated crude oil emulsion in Well X5-7 and Well X5-23

對比空白實驗，加入乳化劑ZX-1 后，原油乳狀液分散性好，無玻璃瓶壁面粘壁現象，主要原因是乳化劑ZX-1 在玻璃瓶壁面吸附形成親水膜，阻止了油滴在壁面的沉積。在溫度從40 ℃下降到30 ℃過程中，原油由小顆粒逐漸變為小油塊，這主要是因為隨著溫度的降低，油黏度升高，油滴相互碰撞聚結形成油塊。但是由于乳化劑ZX-1 使含水原油形成O/W 型的乳狀液，ZX-1 在乳狀液滴周圍吸附形成極性水膜[6]，阻止了油滴的聚并。

3 防蠟率

根據X5-7 井和X5-23 井實際情況，分別配制含水率70%和80%的原油乳狀液，乳化劑ZX-1 濃度為1 000 mg/L，在溫度30 ℃和50 ℃下，測量含水原油的防蠟率（圖5）。

圖5 在不同溫度下X5-7和X5-23井模擬樣防蠟率Fig.5 Paraffin prevention rate of simulated samples in Well X5-7 and Well X5-23 at different temperatures

在30 ℃下，向X5-1井和X5-14井模擬樣加入乳化劑后，防蠟率分別為74.3%和63.4%。隨著溫度升高，防蠟效果變差。

為了進一步揭示乳化劑ZX-1 防蠟的機理，在溫度50 ℃下，測量加入不同濃度（500 mg/L、800 mg/L、1 000 mg/L）ZX-1 的原油在N80 鋼片上潤濕性（圖6）。

圖6 加劑前后含水原油潤濕角變化Fig.6 Changes in wetting angle of water-containing crude oil before and after adding additives

實驗結果表明：在地層水中，原油的接觸角為82.58°，隨著ZX-1 濃度增加，原油的接觸角減小，潤濕性由中間潤濕向親水性轉變。加入乳化劑ZX-1之后，乳化劑ZX-1分子首先在N80鋼片表面做定向排列，這時，水分子緊挨著活性劑的單分子層，形成極性水膜[6]，從而防止了蠟在管壁表面的直接結晶和蠟質點的黏附，即防止或減輕了結蠟現象。

4 結論

乳化劑ZX-1 最佳配方是AE1910∶SDBS 配比為1∶2，在溫度40 ℃條件下，其降黏率可達78%。性能評價實驗表明，乳化劑ZX-1 具有優良的降黏、防蠟、破乳能力，ZX-1 的加入不但不會對原油脫水造成影響，還有助于原油脫水。乳化劑ZX-1 降黏和防蠟的主要機理為：加入乳化劑后，乳化劑分子在油滴和油管壁面做定向排列，水分子緊挨著活性劑的單分子層，從而形成極性水膜，從而既防止了蠟在管壁表面的直接結晶和蠟質點的黏附，又防止了油滴的聚集。該乳化劑可以應用于高含蠟原油的開采和集輸，實現含水原油的常溫輸送。