基于原油物性定量分析的原油乳狀液轉(zhuǎn)相點(diǎn)預(yù)測(cè)模型

文江波， 羅海軍

(廣東石油化工學(xué)院 石油工程學(xué)院，廣東 茂名 525000)

在世界范圍的陸上及海上油田開(kāi)發(fā)中，油-水混輸工藝應(yīng)用普遍，是油田進(jìn)行原油集輸?shù)闹匾绞健Ｔ诨燧敼艿乐校?水兩相體系很容易形成乳狀液，乳狀液的形成會(huì)對(duì)油-水兩相的流動(dòng)特性產(chǎn)生顯著影響[1-3]。體系含水率(體積分?jǐn)?shù)，下同)較低時(shí)，原油、水摻混一般形成的是W/O乳狀液，當(dāng)體系含水率超過(guò)一定的臨界值(即轉(zhuǎn)相點(diǎn))時(shí)，W/O乳狀液會(huì)轉(zhuǎn)相形成O/W或W/O/W乳狀液。原油乳狀液轉(zhuǎn)相之后，體系的黏度會(huì)大幅降低，混輸管道的壓降梯度也會(huì)大幅減小，從而使管輸規(guī)律發(fā)生改變[4-5]。

原油乳狀液轉(zhuǎn)相點(diǎn)是一個(gè)重要的參數(shù)，對(duì)于油田生產(chǎn)及原油-水體系管道混輸均具有重要指導(dǎo)作用。在稠油摻水輸送方面，必須準(zhǔn)確掌握稠油乳狀液的轉(zhuǎn)相點(diǎn)，摻水工藝設(shè)計(jì)的關(guān)鍵在于使稠油-水體系形成O/W乳狀液，這樣才能起到降黏、減阻的作用[6-8]。在油田集輸工藝中，加入流動(dòng)改進(jìn)劑，可以降低原油乳狀液轉(zhuǎn)相點(diǎn)，使得在含水率較低的條件下，也能形成O/W乳狀液，從而降低油-水體系黏度，提高集輸效率[9-10]。在海上油田生產(chǎn)中，“乳化傷害”普遍存在，即在轉(zhuǎn)相點(diǎn)之前，原油、水形成的W/O乳狀液黏度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于原油黏度，會(huì)導(dǎo)致油管舉升及海底管道輸送阻力增大，進(jìn)而影響油田產(chǎn)能。掌握被開(kāi)采原油-水體系的轉(zhuǎn)相特性，可有效減少因乳化問(wèn)題帶來(lái)的產(chǎn)能損失[11-12]。聚驅(qū)稠油采出液的停輸再啟動(dòng)特性與原油乳狀液的轉(zhuǎn)相點(diǎn)緊密相關(guān)，研究[13]顯示，在轉(zhuǎn)相點(diǎn)之前，隨著體系含水率增加，管道再啟動(dòng)難度逐漸增大；而當(dāng)體系含水率超過(guò)轉(zhuǎn)相點(diǎn)之后，管道再啟動(dòng)難度顯著下降。在原油脫水處理方面，當(dāng)原油含水率小于轉(zhuǎn)相點(diǎn)時(shí)，水相以微小液滴的形式被原油包裹，體系結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，不利于電脫水，脫水率也較低；而當(dāng)原油含水率大于轉(zhuǎn)相點(diǎn)時(shí)，體系結(jié)構(gòu)松散，電脫水的脫水率顯著上升[14]。

原油乳狀液的轉(zhuǎn)相點(diǎn)大小與原油物性密切相關(guān)，一般而言，原油中的天然界面活性物質(zhì)(如瀝青質(zhì)、膠質(zhì)、蠟晶、機(jī)械雜質(zhì)等)含量越高，乳化能力越強(qiáng)，原油乳狀液的轉(zhuǎn)相點(diǎn)越大[15-16]。目前，在實(shí)際生產(chǎn)中，一般根據(jù)需要通過(guò)實(shí)驗(yàn)來(lái)確定原油-水體系的轉(zhuǎn)相點(diǎn)，還未見(jiàn)具有普適性、能應(yīng)用于不同油-水體系的轉(zhuǎn)相點(diǎn)預(yù)測(cè)模型的相關(guān)文獻(xiàn)發(fā)表。筆者采用8種不同物性的原油開(kāi)展乳化實(shí)驗(yàn)，以流動(dòng)狀態(tài)下的原油乳化含水率來(lái)表征原油-水體系的乳化特性，通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究了體系含水率對(duì)原油乳化含水率的影響，確定了原油乳狀液的轉(zhuǎn)相點(diǎn)。進(jìn)一步地，確定了表征原油物性的代表性參數(shù)，建立了基于原油物性定量分析的原油乳狀液轉(zhuǎn)相點(diǎn)預(yù)測(cè)模型。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)原料

乳化實(shí)驗(yàn)采用了8種原油(編號(hào)分別為A、B、C、D、E、F、G、H)，原油A來(lái)自克拉瑪依油田，原油B來(lái)自大慶油田，原油C來(lái)自哈薩克斯坦進(jìn)口原油，原油D來(lái)自塔里木油田，原油E、F來(lái)自吐哈油田，原油G、H來(lái)自玉門(mén)油田。8種原油的物性參數(shù)如表1所示。水，實(shí)驗(yàn)室自制超純水。

表1 8種原油的物性參數(shù)Table 1 Physical properties of 8 crude oils

1.2 實(shí)驗(yàn)裝置及方法

在筆者之前的研究[17]中，對(duì)實(shí)驗(yàn)裝置、流動(dòng)狀態(tài)下原油乳化含水率的實(shí)驗(yàn)確定方法進(jìn)行了詳細(xì)描述，這里只進(jìn)行簡(jiǎn)要說(shuō)明。實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示，主要由以下4部分組成：①通過(guò)水套控溫的攪拌槽；②循環(huán)水浴；③攪拌動(dòng)力系統(tǒng)；④分水計(jì)量裝置。

圖1 原油乳化含水率測(cè)定實(shí)驗(yàn)裝置Fig.1 Experimental device for determining the emulsified water fraction

通過(guò)取樣測(cè)量得到停止攪拌后不同時(shí)間游離水的析出量，采用外延法確定流動(dòng)狀態(tài)下的原油乳化含水率。將原油、水按一定質(zhì)量比加入到攪拌槽中，在實(shí)驗(yàn)溫度下恒溫10 min，溫度恒定后開(kāi)始攪拌。達(dá)到預(yù)定時(shí)間后，停止攪拌，將油-水混合液通過(guò)攪拌槽底部的閥門(mén)轉(zhuǎn)移到分水計(jì)量裝置，測(cè)量累計(jì)析水量隨時(shí)間的變化，然后通過(guò)擬合，得到累計(jì)析水量(Vf)與時(shí)間(t)的定量關(guān)系式Vf=f(t)。通過(guò)時(shí)間外延計(jì)算得到攪拌剛停止(t=0 min)時(shí)游離水的含量，將該時(shí)刻的游離水含量作為油-水混合液在流動(dòng)狀態(tài)下的游離水含量，結(jié)合油-水混合液的總含水量，就可以計(jì)算得到該流動(dòng)狀態(tài)下的原油乳化含水率。

流動(dòng)狀態(tài)下的原油乳化含水率按式(1)進(jìn)行計(jì)算：

(1)

式中：φE為流動(dòng)狀態(tài)下的原油乳化含水率；Vm為油-水混合液的總體積，mL；Vw為油-水混合液中水相體積，mL；Vf0為t=0 min時(shí)的游離水體積，mL，Vf0按式(2)進(jìn)行計(jì)算：

Vf=aln(t+b)+c

(2)

式中：Vf為累計(jì)析水量，mL；t為時(shí)間，min；a、b、c為擬合參數(shù)。

2 結(jié)果與討論

2.1 原油乳化含水率與體系含水率的關(guān)系

黃啟玉等[18]的研究指出，在溫度為40～50 ℃、攪拌時(shí)間為10 min的情況下，以轉(zhuǎn)速500 r/min攪拌原油-水混合液制備得到的乳狀液，其黏度與現(xiàn)場(chǎng)取樣的原油乳狀液黏度非常接近，可以將該攪拌條件作為實(shí)驗(yàn)室制備乳狀液的依據(jù)。筆者以500 r/min為剪切強(qiáng)度條件，在不同的體系含水率、溫度條件下開(kāi)展乳化實(shí)驗(yàn)。根據(jù)乳化實(shí)驗(yàn)結(jié)果，各原油流動(dòng)狀態(tài)下的乳化含水率隨體系含水率的變化如圖2所示。

由圖2可知，當(dāng)體系含水率較小時(shí)，8種原油均能將水相全部乳化，形成穩(wěn)定的W/O乳狀液，此時(shí)原油乳化含水率等于體系含水率；而當(dāng)體系含水率超過(guò)一定的臨界值時(shí)，原油乳化含水率急劇減少。這是因?yàn)椋?dāng)體系含水率較高時(shí)，原油只能將其中一部分水乳化，形成的是W/O乳狀液液滴和游離水混合的非穩(wěn)定乳化體系，在這種體系中既含有乳化水又含有游離水。此時(shí)，W/O乳狀液液滴是分散相，游離水則是連續(xù)相，即可視為形成了W/O/W 多重乳狀液。很顯然，圖2中8種原油的乳化含水率發(fā)生突變所對(duì)應(yīng)的體系含水率，即為各原油乳狀液從W/O型向W/O/W型轉(zhuǎn)變的轉(zhuǎn)相點(diǎn)。

圖2 原油乳化含水率(φE)隨體系含水率(φ)的變化Fig.2 Emulsified water volume fraction (φE) vs. water volume fraction (φ)(a) Oil A; (b) Oil B; (c) Oil C; (d) Oil D; (e) Oil E; (f) Oil F; (g) Oil G; (h) Oil HCondition: Shear strength 500 r/min

2.2 不同原油乳狀液的轉(zhuǎn)相點(diǎn)

根據(jù)乳化實(shí)驗(yàn)結(jié)果，8種原油乳狀液的轉(zhuǎn)相點(diǎn)如表2所示。由表2可知，各原油乳狀液的轉(zhuǎn)相點(diǎn)存在差異，這表明原油乳狀液的轉(zhuǎn)相點(diǎn)與原油物性密切相關(guān)。對(duì)于不同原油，其烴類組成有差異，其中所含的界面活性物質(zhì)含量也不同，因而乳化特性各不相同，這使得不同原油乳狀液的轉(zhuǎn)相點(diǎn)各不相同。

表2 8種原油乳狀液轉(zhuǎn)相點(diǎn)Table 2 Phase inversion points of 8 crude oil emulsions

3 原油乳狀液轉(zhuǎn)相點(diǎn)預(yù)測(cè)模型

3.1 影響乳化特性的原油物性參數(shù)

原油-水兩相體系的乳化特性、轉(zhuǎn)相點(diǎn)與原油物性密切相關(guān)，選擇了5個(gè)影響乳化特性的參數(shù)作為表征原油物性的代表性參數(shù)：瀝青質(zhì)膠質(zhì)含量(wa+r)、蠟含量(ww)、機(jī)械雜質(zhì)(wm)、原油酸值(AN)、原油全烴平均碳數(shù)(CNoil)。

選擇上述5個(gè)參數(shù)的原因如下：瀝青質(zhì)與膠質(zhì)是原油乳狀液穩(wěn)定的最主要因素，它們的組成和性質(zhì)相似，二者之間沒(méi)有明顯的界限，作用效果也類似[19]，所以將瀝青質(zhì)含量(wa)與膠質(zhì)含量(wr)合并在一起作為第一個(gè)參數(shù)，即wa+r。原油中的蠟也是一種重要的界面活性物質(zhì)，其吸附在油水界面，可以改變界面膜的流變性，增強(qiáng)界面膜的強(qiáng)度，從而使原油乳狀液更加穩(wěn)定[20]，因而將蠟含量作為第2個(gè)參數(shù)，即ww。原油中的微小機(jī)械雜質(zhì)，也可以吸附在油水界面上，增強(qiáng)界面膜的強(qiáng)度，從而增加原油乳狀液穩(wěn)定性[21]，因而將機(jī)械雜質(zhì)含量作為第3個(gè)參數(shù)，即wm。原油中的酸性化合物種類很多，包括羧基酸、脂肪酸、環(huán)烷酸等[22]，而且它們的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)各異，不可能將這些酸性化合物都一一進(jìn)行量化，所以選擇原油的酸值即AN，作為第4個(gè)參數(shù)來(lái)量化這些酸性化合物對(duì)乳化特性的影響。原油的烴類組成會(huì)影響瀝青質(zhì)在原油中的溶解度和聚集形態(tài)，從而影響原油乳狀液的穩(wěn)定性[23]，所以選擇原油的全烴平均碳數(shù)即CNoil，作為第5個(gè)影響參數(shù)。

3.2 轉(zhuǎn)相點(diǎn)預(yù)測(cè)模型的建立

表征原油物性的代表性參數(shù)確定之后，利用數(shù)理統(tǒng)計(jì)方法建立原油乳狀液轉(zhuǎn)相點(diǎn)(φp)與原油物性之間的定量關(guān)系模型。φp與原油物性的定量關(guān)系模型如式(3)所示：

(3)

式中：a0～a5為擬合參數(shù)；wa+r、ww、wm分別為瀝青質(zhì)和膠質(zhì)、蠟、機(jī)械雜質(zhì)的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%；AN為原油的酸值，mg KOH/g；CNoil為原油的全烴平均碳數(shù)，無(wú)量綱。

對(duì)式(3)取對(duì)數(shù)得到式(4)：

lnφp=lna0+a1lnwa+r+a2lnww+a3lnwm+a4lnAN+a5lnCNoil

(4)

令X1=lnwa+r、X2=lnww、X3=lnwm、X4=lnAN、X5=lnCNoil、Y=lnφp，則式(4)可轉(zhuǎn)化為式(5)：

Y=lna0+a1X1+a2X2+a3X3+a4X4+a5X5

(5)

以8種原油的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，對(duì)式(5)進(jìn)行多元線性回歸得到式(6)：

Y=-1.586+0.083X1-0.111X2+0.002X3- 0.046X4+1.098X5

(6)

對(duì)式(6)進(jìn)行數(shù)學(xué)轉(zhuǎn)換，得到原油乳狀液轉(zhuǎn)相點(diǎn)預(yù)測(cè)模型：

(7)

采用式(7)計(jì)算8種原油乳狀液的轉(zhuǎn)相點(diǎn)，并與各原油乳狀液的實(shí)測(cè)轉(zhuǎn)相點(diǎn)進(jìn)行對(duì)比，對(duì)比結(jié)果如表3所示。誤差分析結(jié)果顯示，模型計(jì)算轉(zhuǎn)相點(diǎn)與實(shí)測(cè)轉(zhuǎn)相點(diǎn)之間的平均相對(duì)偏差為3.2%。

表3 模型計(jì)算轉(zhuǎn)相點(diǎn)與實(shí)測(cè)轉(zhuǎn)相點(diǎn)的對(duì)比Table 3 Comparison between the calculated phase inversion point and the measured phase inversion point

由表3可知，該轉(zhuǎn)相點(diǎn)預(yù)測(cè)模型的計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果的吻合度較好，相對(duì)偏差較低，具有較好的預(yù)測(cè)效果。該模型可用于預(yù)測(cè)不同原油-水混合體系的轉(zhuǎn)相點(diǎn)，為原油-水兩相乳化的相關(guān)工程問(wèn)題提供理論指導(dǎo)。該轉(zhuǎn)相點(diǎn)預(yù)測(cè)模型(式(7))及表3的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，均是在40～60 ℃的溫度條件下獲得，因此，模型的最佳溫度適用范圍為40～60 ℃。

4 結(jié) 論

(1)當(dāng)體系含水率較小時(shí)，原油能將水相全部乳化，形成穩(wěn)定的W/O乳狀液，此時(shí)原油乳化含水率等于體系含水率；而當(dāng)體系含水率超過(guò)一定的臨界值后，原油乳化含水率急劇減少，形成的是W/O/W多重乳狀液。原油乳化含水率發(fā)生突變所對(duì)應(yīng)的體系含水率，即為原油乳狀液從W/O型向W/O/W型轉(zhuǎn)變的轉(zhuǎn)相點(diǎn)。

(2)原油乳狀液的轉(zhuǎn)相點(diǎn)與原油物性密切相關(guān)，確定了5個(gè)影響乳化特性的參數(shù)作為表征原油物性的代表性參數(shù)，分別是：瀝青質(zhì)膠質(zhì)含量wa+r、蠟含量ww、機(jī)械雜質(zhì)含量wm、原油酸值A(chǔ)N、原油全烴平均碳數(shù)CNoil。

(3)在原油物性定量分析的基礎(chǔ)上，建立了原油乳狀液轉(zhuǎn)相點(diǎn)預(yù)測(cè)模型。模型可用于預(yù)測(cè)不同原油-水混合體系的轉(zhuǎn)相點(diǎn)。誤差分析結(jié)果顯示，模型計(jì)算轉(zhuǎn)相點(diǎn)與實(shí)測(cè)轉(zhuǎn)相點(diǎn)之間的平均相對(duì)偏差為3.2%，具有較好的預(yù)測(cè)效果。該轉(zhuǎn)相點(diǎn)預(yù)測(cè)模型是在攪拌轉(zhuǎn)速500 r/min及40～60 ℃的溫度條件下獲得，該實(shí)驗(yàn)條件即為模型的最佳適用條件，模型對(duì)于其他條件下原油乳狀液轉(zhuǎn)相點(diǎn)的預(yù)測(cè)，可作為有力參考。