緩蝕劑在海上某油田含蠟原油脫水的應用

李林虎,林川,楊生銘,田東東

(中海石油(中國)有限公司深圳分公司,廣東 深圳 518000)

1 研究背景

1.1 南海東部某深水油田群介紹

南海東部某深水油田群采用全水下開發模式,分別由A油田、B油田、C油田與一艘FPSO組成,水下生產井原油通過海底管道輸送至FPSO(Floating Production Storage and Offloading,浮式生產儲油輪)進行處理。原油經FPSO工藝系統處理合格(含水率低于0.5%)后進行貨油艙儲存、外輸,脫出的生產水進入污水處理系統,伴生氣進入燃料氣系統,多余的伴生氣經過火炬分液罐至火炬進行處理。

1.2 原油物性與海管介紹

A油田原油析蠟起始點為25.2 ℃,高峰析蠟點17.5 ℃,含蠟量7.98%,凝點4 ℃,A油田水深404 m,海管為單層不保溫管,距離FPSO 23.1 km,海管入口溫度85～92 ℃,海管出口溫度14～17 ℃。

1.3 工藝系統介紹

FPSO工藝系統包括原油處理系統、中/低壓燃料氣處理系統、污水處理系統、LPG回收系統。原油處理系統由兩臺段塞流捕集器、合格原油換熱器A/B、一級加熱器、一級分離器A/B/C、二級加熱器A/B/C、二級分離器、三級分離器、原油海水冷卻器、原油增壓泵A/B/C與生產水增壓泵A/B/C組成,原油處理系統將水下生產井采出的原油進行油、氣、水三相分離,使原油含水低于0.5%,并使原油充分穩定。原油系統工藝流程如圖1所示,原油系統設備工藝參數如表1所示。

表1 原油處理系統設備操作參數

圖1 FPSO 原油處理系統工藝流程

該油田群化學藥劑主要分為水下化學藥劑與上部模塊工藝流程化學藥劑,其中影響原油處理的主要為緩蝕劑與破乳劑,注入點如表2所示。

表2 化學藥劑注入點

1.4 主要研究內容

在深水油田群中,A油田因海管析蠟形成乳化液,造成原油在工藝系統中無法脫水,引起工藝系統波動,而B與C油田井液易處理,在不加入藥劑的情況下能夠完全脫水。針對A油田含蠟原油乳化液處理難問題,在面對破乳劑不具備遠距離水下注入與防蠟劑試驗效果不佳的情況下,首先確認乳化液組成,其次針對不同緩蝕劑、不同溫度、不同注入濃度進行評價,確定破乳效果,最后研究緩蝕劑破乳的可行性,使用破乳劑工藝系統不同注入點進行試驗,確定緩蝕劑破乳現場應用效果。

2 緩蝕劑破乳的作用機制

通過化驗數據了解到A油田上岸原油乳化液主要由蠟、原油與生產水組成。A油田原油屬于含蠟原油,在海管輸送過程中,原油不斷降溫造成蠟質析出形成蠟晶微納米顆粒,吸附于油水界面上,該固體顆粒更容易被油相所潤濕,因此形成穩定的W/O(油包水)型Pickering乳化液[1],造成原油破乳困難。

一般而言,添加表面活性劑使Pickering乳狀液更加穩定,但并不是所有的表面活性劑都會產生相同的效果,表面活性劑的種類、用量等均會造成影響。一般觀點認為,加入表面活性劑將會降低表面張力降低,使乳狀液穩定。但是,表面活性劑也可能會改變固體顆粒的潤濕性,從而使Pickering 乳狀液破乳[2]。

國外使用表面活性劑作原油破乳劑是20世紀20年代開始發展的,FPSO 43#緩蝕劑主要由85%咪唑啉與15%甲醇組成。如圖2咪唑啉是一種兩性離子表面活性劑,它與常規破乳劑同屬表面活性劑,從破乳原理來講具有破乳功能,咪唑啉的分子中帶有2個親水基團,一個帶有正電,另一個帶有負電[3]。它的破乳原理主要由于咪唑啉的界面活性高于油水膜的界面活性,它能在油水界面上吸附或部分置換界面上吸附的天然乳化劑,它在加入后向油水界面擴散,通過增加油與水的界面張力,提升油相固體顆粒的潤濕性,使油中的成膜物質形成具有比原來界面膜強度更低的混合膜,從而破壞界面膜,使乳化液從油包水(W/O)型轉變成水包油(O/W)型,并將膜內的水分離出來,水滴互相聚集形成大水滴,以達到破乳的目的[4]。

圖2 咪唑啉母體結構

圖3 43#緩蝕劑和破乳劑紅外光譜圖

由圖3紅外光譜圖可以看出緩蝕劑與破乳劑在波數相同的情況下,透光率變化基本一致,而緩蝕劑和破乳劑只是按作用類型進行區分,兩者在分子結構上并沒有絕對的界限,也再次確認緩蝕劑具有破乳功能[5]。

3 藥劑實驗

3.1 A油田上岸原油脫水實驗

針對3個不同批次A原油開展緩蝕劑破乳效果評價,實驗溫度為60～90 ℃,藥劑注入濃度以A油田產液量計算,分別驗證43#緩蝕劑在300,250,200,150,100和80 mg/L 6種質量濃度的破乳效果。其中在300 mg/L質量濃度下30 min脫水率為93.8%,250 mg/L質量濃度下120 min脫水率為92.9%,200 mg/L質量濃度下120 min脫水率為53.6%,150 mg/L質量濃度下120 min脫水率為8.6%,100與80 mg/L質量濃度下30 min脫水率分別為12.5%與9.4%。

實驗數據如表3～5(圖4～6)所示,由實驗數據可以看出:

表3 緩蝕劑破乳效果評價數據1

表4 緩蝕劑破乳效果評價數據2

表5 緩蝕劑破乳效果評價數據3

圖4 表3中各樣脫水完成后照片(從左到右:1～6號)。

圖5 表4中各樣脫水完成后照片(從左到右:1～6號)

圖6 表5中各樣脫水完成后照片(從左到右:1～6號)

(1)在60～90 ℃下,部分破乳劑在更低注入濃度下破乳效果明顯優于43#緩蝕劑。

(2)針對A油田含蠟原油乳化液,在溫度為60～90 ℃時,緩蝕劑有效破乳質量濃度250 mg/L以上。

3.2 深水油田群混合原油脫水實驗

由于B/C油田不存在析蠟現象,相較于與A油田上岸原油緩蝕劑破乳效果評價相比,油田群混合原油評價難度降低。在此項實驗中,實驗溫度分別為35與60 ℃,用于驗證低溫狀態下緩蝕劑破乳效果,藥劑注入濃度以A油田產液量計算。實驗過程如表6～7(圖7～8)所示,由實驗數據可以看出:

表6 緩蝕劑破乳效果評價數據4

表7 緩蝕劑破乳效果評價數據5

圖7 表6中各樣脫水完成后照片(從左到右:1～6號)

圖8 表7中各樣脫水完成后照片(從左到右:1～6號)

(1)緩蝕劑在35 ℃低溫段基本沒有破乳效果;

(2)緩蝕劑在60 ℃具有較好的抗乳化效果。

3.3 實驗結論

由于常規破乳劑的分子量較大,不適于長距離注入(低溫、易堵),43#緩蝕劑能彌補常規破乳劑的短板,實現穩定水下遠程注入。43#緩蝕劑在60～90 ℃的高溫段具有較好的破乳效果,在低溫段主要起抑制乳化的作用。

4 現場應用

2021在FPSO開展43#緩蝕劑流程試驗,油田群井液含水率6%～9%,其中A油田井液含水率13%～17%(部分工況A油田井液生產水完全溶于乳化液之中,無法直接離心得到),緩蝕劑分別在上模工藝流程與水下生產系統注入,試驗在不同注入濃度下油水處理效果。

4.1 上模工藝流程試驗

43#緩蝕劑注入點位于A油田井液上岸處,井液上岸溫度14～16 ℃,一級分離器操作溫度30～40 ℃,二級、三級分離器操作溫度60～70 ℃,注入濃度以A油田產液量計算,試驗情況如表8所示。

表8 43#緩蝕劑上模工藝流程注入試驗數據

如圖9～10所示,43#緩蝕劑在上模工藝流程注入試驗表現效果差,在低濃度下沒有破乳效果,在300 mg/L下存在一定的破乳效果,但無法滿足原油處理要求,下艙原油含水率僅由16.2%下降至13.2%,并存在大量乳化液。

圖9 43#緩蝕劑上模工藝試驗BS&W

圖10 43#緩蝕劑上模工藝試驗含水率

4.2 水下海管入口試驗

43#緩蝕劑注入點位于A油田水下海管入口處,主要通過臍帶纜內部化學藥劑管線將緩蝕劑由FPSO輸送至水下,井液在海管入口溫度為85～92 ℃,井液上岸(海管出口)溫度14～16 ℃,一級分離器操作溫度30～40 ℃,二級、三級分離器操作溫度60～70 ℃,注入濃度以A油田產液量計算,試驗情況如表9所示。

表9 43#緩蝕劑水下流程注入試驗數據

如圖11～12所示,43#緩蝕劑在水下海管入口處試驗效果表現差異較大,在低濃度下破乳效果差,當注入質量濃度高于250 mg/L時,緩蝕劑展現出良好的破乳效果,A油田上岸井液BS&W與乳化液明顯減少,一級分離器油相出口含水率穩定在0.5%以內,滿足下艙原油要求,而二級分離器與三級分離器進一步脫水,使下艙原油含水率下降至0.1%～0.2%。

圖11 43#緩蝕劑水下注入試驗BS&W

圖12 43#緩蝕劑水下注入試驗含水率

5 結論與展望

(1)總結了A油田海管中形成Pickering乳化液的原因,分析了緩蝕劑破乳的作用機制,以緩蝕劑中的表面活性劑咪唑啉組成、結構及性質特征為研究方向出發,歸納了緩蝕劑在不同注入濃度與溫度下的脫水效果,為海上油田含蠟原油Pickering乳化液脫水提供了全新思路。

(2)現有結論為:注入質量濃度高于250 mg/L的緩蝕劑對于含蠟原油Pickering乳化液在60～90 ℃的高溫段顯示了良好的破乳效果;再次確認表面活性劑咪唑啉可以實現Pickering乳化液破乳功能。

(3)工藝流程試驗表明:當緩蝕劑注入質量濃度高于250 mg/L,藥劑反應溫度在60～90 ℃區間時,43#緩蝕劑可以將Pickering乳化液破乳,并且A油田上岸原油無乳化液,保證下艙原油含水低于0.5%及油田群外輸原油品質;在藥劑反應溫度為30～70℃區間,緩蝕劑在此溫度區間內效果差,不具備破乳效果。

(4)結合文獻以及現場應用,對緩蝕劑破乳研究作出以下展望:①嘗試在60～90 ℃下使用其他類型的表面活性劑對Pickering乳化液進行破乳試驗,探究表面活性劑對Pickering乳化液界面膜的影響;②搭建更多的微觀平臺深入探究表面活性劑與Pickering乳化液的界面膜的反應機理,對表面活性劑破乳原理進行深入分析、論證;④探究不同表面活性劑、Pickering乳狀液穩定性與固體顆粒的濃度、顆粒大小、潤濕性的關系,并基于該特性分析進行其他油田設計與油田后期應用也是一個重要的研究方向[6]。