西南石油大学学报(自然科学版)  2017, Vol. 39 Issue (1): 177-184
高浓度聚驱采出液乳化行为及电化学脱水方法    [PDF全文]
张宏奇1,2, 刘扬1, 王志华1,3 , 徐萌萌1    
1. 东北石油大学石油工程学院, 黑龙江 大庆 163318;
2. 中国石油大庆油田有限责任公司第三采油厂, 黑龙江 大庆 163113;
3. 中国石油大庆油田博士后科研工作站, 黑龙江 大庆 163458
摘要: 针对高浓度聚驱采出液油水分离效率及其给常规交-直流电场带来的冲击,开展了该类采出液的乳化行为及脱水方法研究,研究中综合了集输工况条件下的采出液转相特征、电负性、乳化油珠粒径分布、界面性质、乳化体系的微观形态及瓶试法油水分离实验,并基于所建立模拟装置评价了脉冲供电脱水对高浓度聚驱采出液破乳脱水的适应性。结果表明,高浓度聚驱采出液复杂的乳化行为与含聚浓度直接相关,含聚浓度上升使其电负性增强,转相点呈不同程度降低,且由于促进了黏弹性界面膜的形成,乳化粒子聚并和相分离的难度增大;辅以化学破乳的脉冲供电电场脱水工艺能有效改善分离效果,提高脱水操作的稳定性。
关键词: 高浓度聚合物驱     乳化特性     破乳脱水     采出液     大庆油田    
Emulsification Behavior and Electro-chemical Dehydration Method of Produced Liquid in High Concentration Polymer Flooding Wells
ZHANG Hongqi1,2, LIU Yang1, WANG Zhihua1,3 , XU Mengmeng1    
1. School of Petroleum Engineering, Northeast Petroleum University, Daqing, Heilongjiang 163318, China;
2. Oil Recovery Plant No. 3, Daqing Oilfield Company Limited, PetroChina, Daqing, Heilongjiang 163113, China;
3. Post-doctoral Research Station of Daqing Oilfield, PetroChina, Daqing, Heilongjiang 163458, China
Abstract: Owing to the oil-water separation efficiency of produced liquid with high concentration polymer flooding and its impact on conventional AC-DC electric fields, the emulsification behavior and dehydration method of these types of emulsions were studied. Many evaluation methods were used for the gathering conditions, such as phase-inversion characteristics, electronegativity, distribution of emulsified oil-particle diameters, interface properties, micro-morphology of emulsions, and oil-water separation bottle tests. A dehydration experimental device with a pulsed power supply was established, and the adaptability of high concentration polymer flooding produced liquid was assessed. The results indicate that the emulsified behavior of produced liquid in high concentration polymer flooding wells was closely related to an increase in polymer concentration. Increasing the polymer concentration enhanced the electronegativity and decreased the phase inversion points of emulsions to different degrees. Furthermore, difficulties of coalescence and phase separation increased because the high polymer concentration promoted the formation of a viscoelastic interfacial film. The oil-water separation effect can be improved in the dehydration process of a pulse power supply electric field with demulsifiers, and the dehydration operational stability can be perfected.
Key words: high concentration polymer flooding     emulsification property     dehydration     produced liquid     Daqing Oilfield    
引 言

聚合物驱通过增加注入水的黏度、降低孔隙介质的渗透率而改善纵向与平面的注水波及效率,已经成为油田最普遍的一种化学驱提高采收率方法[1]。其驱替相聚合物溶液更高的黏弹性将引起更高的残余阻力系数、更小的油水流度比及更低的前缘推进速度,而这些特征都将贡献于油藏的波及体积或驱油效率[2-3]。因此,高分子量高浓度聚合物驱提高采收率方法展示出了更明显的优势。近年来,在中国大庆油田等主力油藏传统聚合物驱后也已经有了矿场实践,并在区块稳油控水中发挥着重要作用,不过,实践表明,除了配注过程中的黏损控制、静混效果改善等问题外,采出液见聚期长、见聚浓度高而使油水更易于乳化是油田开发地面地下一体化背景下应用该驱油技术值得关注的另一个问题[4-6]。乳状液在原油生产中普遍存在,其类型和稳定性与集输、处理工艺的安全稳定运行及操作成本直接相关,同原油中的沥青质、环烷酸等极性组分一样[7-8],由于聚合物将形成弹性界面膜而进一步提供油水体系乳化稳定的条件,对于高浓度聚合物驱采出液的集输与处理便更是如此。

本文开展高浓度聚合物驱采出液的乳化行为及电-化学脱水实验研究,明确高浓度聚驱采出液的乳化特性,解释其乳化行为及影响因素,评价脉冲电场脱水的适应性,建立适用于高浓度聚驱采出液的电-化学脱水工艺方法,并优化推荐相应的操作参数,为化学驱油田地面配套技术的构建及高浓度聚合物驱示范化工程的建设提供有益支持,同时对于提高总体开发效益,实现油田的可持续发展也具有重要意义。

1 高浓度聚驱采出液的特性分析 1.1 采出液样品及乳化体系制备

选取大庆油田高浓度聚合物驱开发区块的20口不同生产动态的油井,分别在其井口跟踪取样,筛选出含水率分布在40%∼80%,含聚浓度分布在300∼1 100 mg/L 的一系列采出液样品,然后组合调配成含水率为40%,50%,55%,60%,65%,70%,75% 及80%,含聚浓度为315,503,708,920,1 053 mg/L 的40 种高浓度聚合物驱采岀液。其中,原油的平均含蜡量和沥青质含量分别为24.6% 和9.1%,平均凝固点为26.5,35.0 °C时的平均黏度为61.2 mPa⋅s。利用高剪切乳化机(ϕ3 mm 网孔定子头)在6 000 r/min 的转速下对所调配该40 种采岀液分别连续剪切2 min,模拟制备得到乳化体系。

1.2 分析仪器及方法

不同乳化体系的流变特性利用美国TA 公司的应力控制型流变仪(AR2000ex 型)测试,测量单元选用帕尔贴锥板系统,测试温度30,35 °C,剪切速率10∼100 s-1;利用美国麦奇克Microtrac 公司的纳米粒度及Zeta 电位分析仪(Nanotrac Wave 型)分析不同乳化体系的Zeta 电位评价其电负性;乳化油滴粒径的分布采用激光粒度仪(珠海欧美克仪器有限公司,Easysizer20 型)分析。

1.3 分析结果

图 1 图 2 分别为相同含水率不同含聚浓度和相同含聚浓度不同含水率采出液乳化体系的流变性。从图 1图 2 可以看出,在相同温度、相同含水率下,随着含聚浓度的增大,高浓度聚驱采出液乳化体系的视黏度明显增加,抗剪切性能提高;在相同温度、相同含聚浓度下,随着含水率的上升,高浓度聚驱采出液乳化体系的视黏度先增加后减小,抗剪切性能也随之而发生改变,存在着一个临界含水率条件。这表明在高剪切率下,一方面,剪切行为可贡献于乳化过程的发生,另一方面,强剪切可抑制乳化粒子的聚集与长大,同时部分微小液滴周围的油膜会被破坏,这种竞争机制的结果使得任一乳化体系的黏度均大幅度下降。

图1 含水率65% 不同含聚浓度采出液乳化体系的流变性(30 °C) Fig. 1 The rheological property of emulsions with 65% water cut and different polymer concentration(30 °C)
图2 含聚浓度920 mg/L 不同含水率采出液乳化体系的流变性(35 °C) Fig. 2 The rheological property of emulsions with 920 mg/L polymer concentration and different water cut(35 °C)

图 3 可以看出,不同温度条件下,采岀液中的含聚浓度上升,乳化增黏效应均在低含水值时更为显著,使得乳液类型转变所对应的含水率不同程度降低,也就是乳化体系的转相点提前,315,503,708,920,1 053 mg/L 5 种含聚浓度采出液的转相点依次约为65%,65% ,60%,55% 和50%。分析认为,这是由于含聚浓度上升使水相黏度增大,进一步束缚了原油相的自由流动及分层能力,从而形成更结实的乳化核心。

图3 不同含聚浓度采出液乳化体系的转相特征(剪切率为50 s-1 Fig. 3 The phase inversion characteristics of emulsions with different polymer concentration(shearing rate is 50 s-1

图 4 所示,高浓度聚驱采出液的Zeta 电位平均在-20∼-35 mV,绝对值随着含聚浓度的上升而增大,且在不同含聚浓度条件下,当含水率为55%∼65% 时最大,表明油珠表面上的过剩负电荷密度高,油珠之间的静电排斥力大,造成高浓度聚驱采出液具有强的乳化倾向和稳定性,极易受剪切效应而进一步乳化。

图4 高浓度聚驱采出液的Zeta 电位测定结果 Fig. 4 The Zeta potential measurement of emulsions from high concentration polymer flooding wells

图 5 所示乳化油滴的粒径分布表明,高浓度聚合物驱采岀液乳化油珠的粒径基本呈正态分布,平均粒径约30 μm,而80% 的粒径分布在10∼50 μm,反映出油珠之间难以快速、完全地聚并成大油滴,乳化体系的稳定性强,油水分离难度大。

图5 高浓度聚驱采岀液的乳化油珠粒径分布(含聚浓度为920 mg/L) Fig. 5 Particle diameter distribution of emulsified droplets in produced liquid(polymer concentration is 920 mg/L)
2 高浓度聚驱采出液的乳化行为评价 2.1 实验仪器及方法

采用德国Krüss 公司的动态界面张力仪(DVT-10 型)测试不同乳化体系在35 °C下的油水动态界面张力及平衡界面张力;利用光学显微成像系统(杭州艾普仪器设备有限公司,XSZ-106型)在相同的温度条件下观察对比乳化液的微观形态。在对油水界面性质和微观形态特征描述的基础上,进一步通过瓶试实验测定脱水率[9],评价高浓度聚驱采出液的乳化行为及其稳定性。

2.2 实验结果及分析

40 种采岀液乳化体系的平衡及动态界面张力测试结果均在20∼30 mN/m,说明这类采出液乳化体系的油珠表面上并没有吸附大量的表面活性物质,含聚浓度的上升未带来界面活性的增强,进一步证实了含聚浓度上升所促进乳化核心形成的机理。几种典型乳化体系的微观形态如图 6,可以看出高浓度聚合物驱采岀液中油相和水相的分散稳定性良好,分散相粒子在乳液中各自保持独立,且含聚浓度的高低直接影响着这些乳化粒子的尺寸,含聚浓度高,乳化粒子的独立性强、尺寸小,聚并和相分离的难度大。

图6 典型高浓度聚驱采岀液乳化体系的微观形态 Fig. 6 The typical morphologies of emulsions from high concentration polymer flooding wells

图 7 为相同含聚浓度的4 种含水率高浓度聚合物驱采岀液乳化体系的瓶试实验结果,分离水含量变化特征反映出脱水效率与乳液原始含水率有关,80% 含水率乳状液的脱水率最高,为74.25%,而65% 含水率乳状液的脱水率则最低,为60.62%。脱出水量与时间并不呈线性关系,表明依靠延长分离时间来破乳并不是高浓度聚合物驱采岀液处理的理想选择。

图7 高浓度聚驱采岀液乳化体系瓶试实验脱水程度对比(含聚浓度为920 mg/L) Fig. 7 Dehydration degree comparison of emulsions with high concentration polymer flooding in bottle tests(polymer concentration is 920 mg/L)

图 8 瓶试实验的现象可以看出,在高浓度聚驱采岀液分离过程中,缘于大量聚丙烯酰胺促进黏弹性界面膜的形成,油水界面有明显的微乳液或中间层存在,这种油珠的次稳态聚集体进而直接导致乳化稳定性的增强及油水界面张力的增加。

图8 高浓度聚驱采岀液乳化体系瓶试实验现象对比(从左到右含水率依次为80%,40%,65% 和55%,含聚浓度均为920 mg/L) Fig. 8 Separation phenomenon comparison of emulsions with920 mg/L polymer concentration in bottle(water cut are80%,40%,65% and 55% respectively)

综合以上对高浓度聚合物驱采出液的特性分析、界面性质、微观形态描述及油水分离研究表明,高浓度聚合物驱采出液的乳化行为极具复杂性,但含水率、含聚浓度、所受的剪切作用以及相关的矿物颗粒仍是影响其乳化行为的主要因素。含水率的影响机制主要在于转变乳化类型;聚丙烯酰胺吸附在油水界面上,则会使剪切黏度增大,电负性增强,在分散相周围形成一种黏弹性膜,造成乳状液中油滴和水滴聚并困难;剪切作用能使乳化加剧,油水分离速率下降,分离效果恶化;采出液中其他相关的矿物颗粒及杂质能够吸附在油水界面上,与聚丙烯酰胺协同,形成阻碍油滴和水滴之间聚并的屏障,进一步增强乳化稳定性。

3 脉冲供电脱水对高浓度聚驱采出液的适应性研究

孙治谦等[10] 研究认为脉冲供电电场参数间的交互作用对水滴极化变形的影响既是复杂的,又是不可忽略的。水滴的变形度和聚并程度与脉冲频率(f)、电场强度(E)及占空比(n)均密切相关。因此,通过设计电场参数,实验研究脉冲电场作用对高浓度聚驱采出液脱水的适应性。

3.1 实验材料

实验介质为调配制备的含水率80%、含聚浓度920 mg/L 的高浓度聚驱采出液;实验选择由纳尔科化学公司生产的油溶性化学破乳剂(EC2020A型),其中异丙醇含量5%∼10%、萘含量1%∼5%、1,2,4-三甲苯含量1%∼5%,闪点67 °C,投加浓度15∼30 mg/L。

3.2 实验装置及方法

利用交-直流供电模式的电脱水性能测试仪(江苏姜堰分析仪器厂,DPY-2C 型)开展电-化学脱水实验。同时,建立了如图 9 所示的脉冲供电脱水模拟实验装置,其主要由高频脉冲发生单元、高频脉冲电极板、高频脉冲电脱水罐、加热系统、压力调节单元和控制面板等构成。在实验过程中,首先投加化学破乳剂对实验介质进行预沉降,脱除游离水,然后将游离水脱除后的乳液加入到电脱水性能测试仪的工作腔进行破乳实验,或加入到高频脉冲电脱水罐内,开启控制面板设置温度条件,对罐内乳液进行加热、恒温,并借助压力调节单元维持罐内压力。与此同时,设置脉冲频率和电场强度,并启动高频脉冲发生形成单元,构建施加高压电场,开始乳状液破乳实验。记录、对比不同时间间隔内的脱水电流,处理一定时间后,排出净化油和污水,并分别采用蒸馏法[11] 和分光光度法[12] 测定油中含水量和分离后水中的含油量。

图9 脉冲供电脱水模拟实验装置 Fig. 9 Schematic of dehydration experimental device with pulsed power supply
3.3 实验结果及分析

选择与交-直流供电脱水实验相同的电场强度0.258 kV⋅mm-1,设定占空比为0.5,通过调节脉冲频率,在50 °C下研究这些电场参数间的交互作用对高浓度聚合物驱采出液破乳分离的适应性及效果,实验结果见表 1。通过表 1 可以看出,单一的化学破乳法对高浓度聚合物驱采出液乳化体系的分离是有限的,2 h 的处理时间后油中含水量在3% 以上,水中含油量超过1 500 mg/L。电-化学组合破乳法则能够改善分离效果,但在交-直流供电方式下,分离效果并不显著,水中含油量居高不下,尤其是频繁出现“垮电场”现象,使得操作运行不稳定;在脉冲供电方式下,操作运行不稳定的问题基本消失,只不过在某些电场参数下处理后油中含水量出现了波动。

表1 高浓度聚驱采出液破乳脱水实验结果(50 °C) Table 1 Experimental results of emulsions separation under high concentration polymer flooding(50 °C)

图 10,对比两种供电方式下的脱水电流变化可知,当采用脉冲供电时,高脱水电流的维持时间大幅缩短。这一结果揭示出高频脉冲电脱水对高浓度聚驱采出液具有适应性,该方法是在方波脉冲[13-14] 电压下构建高压电场,利用瞬时大功率电脉冲的冲击,破坏导电性强的高浓度聚驱采出液中的油水乳化膜,使乳状液中的乳化粒子充分吸收足够的能量,增大粒子的振动幅度和碰撞、聚并几率,并通过电场参数间的优化组合消除电分散,从而避免电脱水器发生“垮电场”现象,并有效减少破乳剂用量,达到对高浓度聚驱采出液高效分离的目的。

图10 高浓度聚驱采出液电-化学脱水电流变化对比曲线 Fig. 10 The comparative curve of electricity current change with electro-chemical dehydration method
4 适用于高浓度聚驱采出液的电-化学脱水工艺及操作参数

结合表 1 的实验结果及上述讨论分析可知,相比于传统的交-直流供电脱水方式,脉冲供电对高浓度聚驱采出液的破乳更具优势,在E=0.258 kV⋅mm-1n=0.5,f =2.95 kHz 的脉冲供电电场参数条件下,高浓度聚合物驱采出液经处理后油中含水便小于0.3%,水中含油也低于1 000 mg/L,油水界面整齐、清晰,满足处理标准[15]。因此,设计如图 11 所示的高浓度聚合物驱采出液脱水工艺,该采出液乳化体系中投加破乳剂后,先经由自然沉降单元移除游离水,然后升温进入脉冲供电电脱水器,之后,依次得到净化原油和污水。根据模拟实验推荐的操作参数为:破乳剂用量15∼20 mg/L,温度50 °C,电场强度(E)0.25∼0.30 kV⋅mm-1,占空比(n)约0.5、脉冲频率(f)约3 kHz,处理时间1 h。

图11 高浓度聚驱采出液电-化学脱水工艺示意图 Fig. 11 Electro-chemical dehydration process for high concentration polymer flooding produced liquid
5 结论

(1)黏度高、电负性强、乳化油珠原始粒径小是高浓度聚驱采出液的典型特征,造成了体系乳化稳定性强,抑制其分散相颗粒团聚,增加油水分离的难度,且在分离过程易于形成微乳液中间层。

(2)高浓度聚合物驱采出液复杂的乳化行为与含水率、含聚浓度、所受的剪切作用以及相关矿物杂质颗粒密切相关,尤其随着含聚浓度的上升,大量聚丙烯酰胺促进黏弹性界面膜形成,使乳化粒子的独立性增强、尺寸变小,聚并和相分离变得更加困难,同时,乳化体系的转相点呈不同程度降低。

(3)与传统交-直流供电脱水方式相比,脉冲供电能够缩短高电流的维持时间,有效避免“垮电场”,提高乳化水分离操作的稳定性,同时改善破乳处理效果,表现出对高浓度聚驱采出液较好的适应性,设计了脉冲电场与化学法组合脱水工艺,并基于模拟实验推荐了相应的工艺操作参数。

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