基于蒸馏脱水实验的稠油新型脱水方法探究

王鸿宇 赵玲 石雪

摘      要：稠油具有密度高、黏度大、胶质沥青质含量高等特性，使得稠油在开采后地面处理难度非常大。从稠油整体物性入手，分析稠油样品的宏观特性。针对稠油蒸馏脱水实验样品表现出的暴沸现象，利用建模方法建立稠油暴沸情况下的气泡平衡模型，对稠油样品的加热破乳的临界温度进行了探索。最终设计实验，利用密闭加热的方式，稠油中的水相突破油相中活性物质极性共价键的作用，达到脱水破乳的效果。处理后的稠油含水率低于0.5%，满足外输要求。

关  键  词：稠油;暴沸;气泡平衡模型;脱水工艺

中图分类号：TE 86       文献标识码： A       文章编号： 1671-0460（2020）04-0518-04

Abstract： Heavy oil has the characteristics of high density， high viscosity and high content of gum asphaltene， which makes the treatment of heavy oil very difficult after exploitation. Starting from the analysis of physical properties of heavy oil as a whole， the macroscopic characteristics of heavy oil samples were analyzed. Then， aiming at the phenomenon of boiling-out in the experimental samples of distillation and dehydration of heavy oil， the bubble equilibrium model under the condition of boiling-out of heavy oil was established by using the modeling method， and the critical temperature of heating demulsification of heavy oil samples was explored. Finally， experiments were designed to treat the heavy oil in the way of closed heating. Water phase broke through the polar covalent bond of active substance in oil phase to achieve dehydration and demulsification effect. After treatment， the water content of heavy oil was less than 0.5%， meeting the requirement of transportation.

Key words： Heavy oil; Boiling; Bubble equilibrium model; Dehydration process

随着油田的不断开采，部分常规油气田进入开采后期，因此，渐渐将石油开采的范围扩大到了稠油的开采与利用上[1]。稠油在热采过程中，由于剪切力的作用形成稳定的稠油乳液，与此同时稠油的密度高、黏度大、胶质与沥青质的含量也高于普通原油，从而使得稠油在开采过后，地面的处理难度大[2]。因此，研究稠油的物理性质以及在研究过程中发现的暴沸现象为将来解决稠油破乳脱水难的问题有着重要的启示作用。

针对以上的研究思路，首先对采集的稠油实验样品的物理性质进行了分析，然后通过蒸馏脱水试验人为还原暴沸现象，并且对实验过程中的现象进行记录，而后通过物理学模型结合实验现象对暴沸過程中产生的气泡进行建模，根据模型探索出该种油品暴沸时的临界温度，利用暴沸所得到的临界温度用于设计新型的稠油脱水实验装置，并且最终对实验装置的实验效果以及优缺点进行了评价。

1  稠油基础物理性质分析

根据相对应的实验方法以及实验仪器对取得的稠油样品进行了基础物理性质分析，实验测得的结果见表1。

根据表1的物性测试结果可以看出稠油样品的密度在0.9～1.0 g/cm3之间，胶质含量大于15%，属于典型的高胶原油，沥青质含量也高于普通原油，而且凝点较高，具有稠油典型特征。显而易见沥青质和胶质含量都比较高，沥青质和胶质作为天然的乳化剂，有它们的存在也就使得形成的原有乳状液稳定性非常的好，不易破乳脱水[3]。

2  蒸馏脱水试验暴沸现象以及气泡平衡模型的建立

2.1  蒸馏脱水试验暴沸现象的描述

在蒸馏脱水实验的实验初期，在温度较低的情况下，并无明显的现象，100 ℃开始有水蒸气产生，游离水平稳蒸馏，气泡生成速度均匀;100～115 ℃无现象，没有气泡产生，115～125 ℃乳化水突破介质膜及乳化界面，以蒸汽的形式释放出来，随着温度的逐渐升高，大约在135～145 ℃之间出现了剧烈的暴沸现象，导致实验终止，在蒸馏过程中，稠油所呈现出来的异常规律、突发性暴沸现象值得探讨。

2.2  暴沸机理的研究

陈洪涛[4]等在对含水老化油的暴沸机理研究的过程中，提出了核态沸腾状态，通过对沸腾过程中气泡的形态以及一系列的热力学分析，建立了与老化油蒸馏沸腾相关的理论模型。从理论上讲，稠油乳状液与部分黏度较大的老化油乳状液体系相似，但老化油在机械杂质以及硫酸盐还原菌菌落的数量等与稠油乳状液有很大的差别，去除这些因素，包括沥青质、胶质含量以及蜡含量等都有相似之处，所以可以借助研究含水老化油暴沸机理来探究稠油乳状液的暴沸机理[5]。

（1）气泡平衡模型的建立

理论上在稠油乳状液升温过程中，水分子气化会产生很多气泡，在定压情况下，建立过热度ΔTs与加热过程中生成的气泡的临界半径r的关系模型，公式如下。

根据公式（1）可以看出，气泡半径越小，想要挣脱束缚使得气泡继续成长所需要的过热度就越大，只有当气泡的直径超过临界半径时，蒸汽气泡才能在高温油相中才能获得继续成长的空间，而气泡半径小于临界半径的气泡则会消失，或者与其他小气泡融合形成大气泡继续成长。气泡内部压力与蒸汽温度有关，气泡内部的蒸汽温度需满足以下公式。

从公式（2）可以看出，气泡继续增大所需要的蒸汽温度应不低于过热度与饱和温度的加和，当气泡由于体积膨胀上升，外界压力减小，气泡与油相的界面膜随着体积增大表面张力增大，根据Fritz所整理出的气泡脱离直径的关系公式（3）表示。

当气泡脱离传热表面继续上升，在某时刻蒸汽气泡处于热力平衡，气泡的内部和外部在表面张力的作用下产生压力差。如图1所示，气泡处于悬停状态，气泡半径为R，内外压力差Δp可根据拉普拉斯方程进行转换，见公式（4）。

假设不受静液柱压力的影响[6]，则pl可以近似为系统的环境压力，即pl≈ps;由热平衡可知，蒸汽气泡的温度与液体温度相等，即tv=tl，所以蒸汽泡之外的油相一定是过热的，所以蒸汽气泡能够顺利膨胀上升炸裂必然有tv>tl。

蒸汽气泡内外压力平衡见图1。

（2）气泡平衡模型的分析

根据公式可以看出，暴沸所需要的气泡内临界温度的最小值，以及在暴沸过程中气泡内部以及油相的内外平衡压力，都可以通过一定的手段进行计算。

在陈洪涛等的文章中，对老化油进行了暴沸实验，通过计算机、以及高速摄像机还有一些专业的处理软件得出，过热度的大小与气泡的半径呈现出正相关的关系，气泡的半径越大，其气化核心数就越多，气泡体积增大最终挣脱表面张力的束缚，释放能量使得高温的油相四处飞溅，导致暴沸。

从辩证的角度来看，暴沸过程具有相当大的危害性，但是在暴沸的过程中，油包水型乳状液在升温过程中，分散的水相在一开始获得能量提高温度直至达到沸点，转换成水蒸气，随着温度的进一步升高气泡膨胀，同时达到气泡内临界温度值时，直径足够大的气泡形成暴沸，但与此同时，暴沸过程也是水分子挣脱油相中沥青质聚集体与胶质形成的表面活性剂体系的过程，同时也是破乳脱水的过程。相较于使用价格高昂的破乳剂，该思路又可以减少购买乳化剂的费用，同时方法环保有效，但如何减弱暴沸带来的危险仍有探索的空间。

3  稠油乳状液基于暴沸理论脱水工艺的探索

3.1  实验仪器与实验方法

根据物理原理，增加压力提高沸点，采用密闭加热的方式，采用油浴恒温加热至气泡脱离破碎的临界温度，通过高温击垮油水界面中的胶质沥青质体系以及极性共价键中的氢键，使其体系瓦解断裂，从而使得水相重新聚集、沉降[7]。而且该方法在加热过程中稠油乳状液中的轻质组分C1～ C4作为石油产品中的主要部分，在密闭环境下不会挥发浪费，温度恢复后可以重新通过相似相容原理返回油品中，从而提高油品性质，提高成品率。

（1）试验仪器与药剂

本实验使用烘干箱、稠油样品、恒温油浴锅、密闭反应釜（200 mL）、恒温水浴锅、轻质油，试管若干、烧杯若干。

（2）试验方法

（a）首先，将试验用到的反应釜、试管、烧杯清洗后放入烘干箱1～2 h。

（b）将恒温水浴锅调整至80 ℃，将稠油样品升温降黏恢复其流动性，然后将稠油样品加入到密闭反应釜容器中，调整恒温油浴温度分别调整至140、150和60 ℃。加热时间为反应釜达到温度后20 min，停止加热将反应釜取出恢复至低温。

（c）将反应釜内部容器取出，分别取上层和底层油样，测量含水率。剩余油取出加入试管，放入水浴锅中80 ℃自然沉降观察效果。

3.2  显微图像对比分析

为了能够更好的评价该试验，特别的使用了荧光显微镜对试验前后的稠油样品进行了观测并且照相进行观察，如图2、图3所示。

根据显微镜下的观察图可以明显的看出，在试验进行前稠油中的沥青质聚集体以及胶质-沥青质体系的体积较大，在表面活性分子的作用下，稠油中的水相被聚集体牢牢地锁住，根据“钥匙说”也可以理解为稠油中天然的表面活性物质之间的“锁”并没有对应的“钥匙”来打开，所以顽固地稠油体系可以稳定的存在，而且其黏度大，流动性不好，都是由于這种原因造成的。但是通过高温，使得原本的“锁”也就是沥青质聚集体和极性共价键中的分子间氢键破除，如图2、3所示，聚集体体积减小，大型的聚集体和胶束被分散，“锁”被打开，水分子可以自由的释放出来，从而聚集沉降，很好地解决了一把“钥匙”开一把“锁”的问题，可以用该方法对多种稠油进行破乳脱水，从而省去了价格高昂而且针对性过强的破乳剂，同时也可以使油品更加纯净，在后期处理中不会带来过多不必要的麻烦。

3.3  试验方法效果评价及试验现象的微观解释

根据实验最终分别得到了140、150和160 ℃下，由于上层含水率较低，在实验仪器上本实验选择了KF102型微量水分析仪，其上层和底层的含水率的实验结果见表2。将取出后的部分剩余油进行自然沉降也得到了一定的效果，见图4。

根据表2可以看出，上层含水率均已成功脱水，而且含水率已经达到合格原油标准，可以直接进入炼塔提炼成品油，底层油的含水率偏高，当温度高于对应稠油样品的气泡内饱和蒸汽温度与过热度的加和，稠油样品底层含水率随着温度的继续升高变化不大，当温度小于这个值时，底层含水率下降，脱水效果减弱，而且减弱效果比较明显。

从微观角度解释，稠油通过天然表面活性剂（胶质、沥青质等）在剪切力的作用下，形成了胶质沥青质等包裹水相的油包水型乳状液，其中胶质、沥青质体系形成的高强度结构膜，实际上最主要的作用力为极性共价键中的氢键以及范德华力，还有各种分子间作用力，最主要的作用力应当为氢键作用力[8]。根据氢键的性质，高温后易断裂而且具有可逆性，可以进一步解释，当稠油加热的过程中，在刚开始加热至110 ℃左右时，部分水蒸气均匀的冒出，这部分为游离水，由于本身未在乳化体系中，只是受到稠油表面亲水基的吸附未形成包裹，所以蒸馏较为平稳容易。温度继续提高至145～155 ℃，剧烈暴沸，这是因为不同组分下蒸汽需要突破其极性共价键中的氢键以及其他分子间作用力所需要的能量是一定的，反映到物理性质上就是温度上的变化，当温度足够高，所提供的能量足够多时，同类型的、同等强度的氢键以及分子间的范德华力就会发生断裂[9]，同类型、同强度的油水界面膜同时断裂则会发生剧烈的暴沸现象[10]。

4  结 论

（1）根据气泡模型可以大致的计算出水蒸汽挣脱高强度界面膜所需的临界温度，利用临界温度将需要破乳脱水的稠油样品密闭加热，既可以避免暴沸，又可以达到破乳脱水的效果，一举两得。而后取下层样品进行自然沉降，上层样品在加热后外输即可。

（2）该方法利用了传统的加热方式，技术较为成熟而且没有过多的技术难点，而且巧妙地避开了在加热过程中的油品暴沸，减少了对油田生产带来的危险。

（3）由于密闭加热轻质油试验结束恢复室温后重新溶入稠油中，保留了稠油中本来含量就不高的轻质组分，从某种程度上也提高了稠油的性质。与此同时，从经济方面，油田每年在购买破乳剂上要花费大量的资金，而且破乳剂的效果参差不齐，而且大量的破乳剂加入到稠油样品中对稠油的整体性能也存在一定的影响。

（4）该思路也有一定的缺陷，比如在稠油含水率较高时，随着温度升高容器内部压力较大可能造成危险，对反应容器的强度有一定的要求。

参考文献：

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[10] 刘慧姝，刘智军，范子宜，王冬，周建忠，段纪淼.古城油田稠油脱水破乳剂的优选[J].当代化工，2018，47（03）：450-453.