氮气泡沫驱对原油破乳脱水的影响及对策

李晖

中国石油吐哈油田公司工程技术研究院

随着采油技术的发展，氮气泡沫驱已成为油田提高采收率的有效开发技术[1]。目前，氮气泡沫驱技术在吐哈油田鲁克沁深层稠油油藏改善水驱开发效果中取得了良好的增油降水效果，有效地降低了原油自然递减率和油井含水上升率。2014 年进行氮气泡沫驱先导试验，2016年4月扩大试验区，已累计增油数十万吨。加入的起泡剂经过地面到地下、再到地面这个过程，与原油混合在一起，使得采出的原油乳状液稳定性更高[2]。随着氮气泡沫驱技术在油田大面积推广应用，综合采出液中氮气泡沫驱采出液的比例逐年增加，经联合站脱水器后原油含水率上升问题随之凸显，氮气泡沫驱采出液的破乳问题日益突出[3]。本文以鲁克沁氮气泡沫驱采出液为研究对象，探究氮气泡沫驱采出液和起泡剂对联合站来液破乳脱水的影响，并优化破乳剂和现场工艺，为现场运行提供技术支持。

1 实验

1.1 仪器与药品

仪器：OWC-4060型恒速搅拌器（沈阳市固测井石油仪器研究所）；AE240型电子天平（梅特勒-托力多上海仪器有限公司）；HH600 型恒温水浴锅（金坛市杰瑞尔电器有限公司）；ZETASIZER-NANO-ZS-90 型激光粒度及Zeta 电位分析仪（英国马尔文公司）。

药品：氮气泡沫驱用起泡剂（工业级）；破乳剂2#（工业级）；待评价破乳剂3#、4#、5#、6#、7#、8#、9#、10#、11#、12#、13#、14#、15#、16#、17#、18#；200#溶剂油（工业级）。

油样取自吐哈油田鲁中联合站和204-31 氮气泡沫驱单井，原油的物性参数见表1。

表1 原油性质分析Tab.1 Crude oil property analysis

1.2 实验方法

1.2.1 原油含水率测定

参照国家标准GB/T 8929—2006《原油水含量的测定（蒸馏法）》测定原油含水量，以样品所含水的总质量（包括游离水和投加药剂带入的水）为基准计算破乳剂的脱水率。

1.2.2 破乳剂评价

参照石油天然气行业标准SY/T 5281—2000《原油破乳剂使用性能检测方法（瓶试法）》，量取100 mL 原油乳状液于具塞量筒中，放入50 ℃恒温水浴恒温5 min 后取出，加入破乳剂，人工振荡200次，排气，再置于55 ℃（现场温度）恒温水浴中，分别记录静置不同时间的脱水量，并观察油水界面、脱出水颜色及挂壁情况[4]。

2 结果与讨论

2.1 氮气泡沫驱单井采出液对联合站原油破乳脱水的影响

氮气泡沫驱单井204-31 采出液和联合站来液均属于油包水型乳状液，含水率分别为43.2%、31.5%。取氮气泡沫驱单井204-31采出液与联合站来液按1∶9、2∶8、3∶7 的比例进行破乳实验，实验条件55℃，使用现场用破乳剂，质量浓度分别为120、150、180 mg/L，分别读取10、20、30、60、120 min的脱水数据，计算脱水率。

由图1～图3 中的实验结果可以看出，随着混合油样中204-31 单井采出液比例的提高，脱水率会逐渐下降。其中纯204-31 单井采出液的脱水率最低，其2 h脱水率仅为46.16%，说明氮气泡沫采出液脱水困难。氮气泡沫驱采出液与联合站来液混合，会影响联合站的正常脱水，实验结果与现场情况吻合。通过图1、图2 和图3 的对比可以看出，随着破乳剂加药量的增加，脱水率会逐渐增加，说明现场破乳剂对氮气泡沫驱采出液部分有效，但破乳剂加药量增大，脱水时间延长，净化油含水率上升。主要原因是氮气泡沫驱采出液中的起泡剂属于表面活性剂，起到乳化作用，经过注入—驱油—采出的过程[5]，起泡剂的作用导致采出液乳化严重，原油乳状液的稳定性增强，脱水率减小[6]。且油样中胶质和沥青质含量较高，具有较强的极性和表面活性，吸附在油-水界面上形成具有一定强度的黏弹性膜，给液滴聚集和聚并造成了动力学障碍[7]。

图1 不同配比在120 mg/L破乳剂浓度下脱水实验结果Fig.1 Dehydration experiment results at different ratios under 120 mg/L demulsifier concentration

图2 不同配比在150 mg/L破乳剂浓度下脱水实验结果Fig.2 Dehydration experiment results at different ratios under 150 mg/L demulsifier concentration

图3 不同配比在180 mg/L破乳剂浓度下脱水实验结果Fig.3 Dehydration experiment results at different ratios under 180 mg/L demulsifier concentration

2.2 氮气泡沫驱起泡剂对联合站原油破乳脱水的影响

取联合站混合来液，分别加入质量浓度为0、100、150、200 mg/L的起泡剂，在破乳剂质量浓度为120、150、180 mg/L条件下进行破乳实验，分别读取10、20、30、60 min 的脱水数据，计算脱水率。

由图4～图6 中的实验结果可以看出，起泡剂加药量越大，原油脱水率越小。在不同破乳剂加药浓度条件下，联合站混合来液中加入质量浓度为100 mg/L起泡剂时原油的脱水率和未加起泡剂时的脱水率相差较小，说明起泡剂质量浓度低于100 mg/L时，对原油的破乳脱水影响较小；当起泡剂质量浓度增加至150 mg/L以上时，脱水率急剧下降，破乳剂质量浓度为120 mg/L，起泡剂质量浓度为200 mg/L 时，60 min 脱水率仅为15.22%。与破乳剂质量浓度为120 mg/L 未加起泡剂的对照组相比，脱水率下降了64.30%。主要由于起泡剂的主要成分是甜菜碱类表面活性剂，吸附在油水界面上，形成界面膜[8]，当起泡剂浓度较低时，界面吸附的起泡剂分子较少，界面膜强度较差，所形成的乳状液稳定性也差[9]。继续增加起泡剂的浓度，起泡剂分子在界面上形成一个紧密的界面膜，其强度相应增大，乳状液珠之间的聚结所受到的阻力增大，形成的乳状液的稳定性增强，导致乳状液破乳脱水困难，相同条件下，脱水率低[10]。

图4 破乳剂120 mg/L条件下起泡剂对原油破乳的影响Fig.4 Effect of foaming agent on crude oil demulsification at 120 mg/L demulsifier

图5 破乳剂150 mg/L条件下起泡剂对原油破乳的影响Fig.5 Effect of foaming agent on crude oil demulsification at 150 mg/L demulsifier

图6 破乳剂180 mg/L条件下起泡剂对原油破乳的影响Fig.6 Effect of foaming agent on crude oil demulsification at 180 mg/L demulsifier

2.3 破乳剂优选

在氮气泡沫驱采出液中加入不同破乳剂进行破乳脱水实验。以破乳剂种类为X轴，脱水率和脱出水的含油量为Y轴，作柱状图，并对筛选出的破乳剂与现场用破乳剂进行16 h（现场脱水时间）的破乳脱水对比实验，考察破乳剂在不同阶段的脱水能力。

由图7可以看出，11#空白样脱水率很低，相同条件下采出液脱水率越高，且脱出水中的含油量越少，则破乳效果越好[11]。8#AR型油溶性破乳剂脱水效果最好，2 h 脱水率为91%，脱出水中含油质量浓度为398 mg/L，脱水率较现场样提高12%。如图8所示，8#破乳剂前期脱水速度与水溶性AE型现场样相当，但后期脱水速度明显优于现场样，16 h净化油含水率能降至0.42%。主要由于水溶性破乳剂大部分会随着脱出的水进入水相，后期破乳沉降的效率较低。改用油溶性破乳剂后，大部分破乳剂会存在油相中，提高了后期破乳脱水效率[12]。实验优选出8#AR 型油溶性破乳剂，针对氮气泡沫驱采出液，破乳效果优于现场样。

图7 100 mg/L质量浓度下破乳剂筛选实验结果Fig.7 Screening experiment results of demulsifier at 100 mg/L mass concentration

图8 两种破乳剂静置沉降破乳效果对比Fig.8 Comparison of demulsification effect of two demulsifiers by static sedimentation

2.4 工艺改进

鲁中联合站的原油处理工艺中，一级三相分离器的停留时间约为1 h，二级脱水器停留时间约1 h，三级沉降罐停留时间约14 h，整个流程的处理时间16 h。现场对工艺进行优化（图9），通过将加药点从脱水器入口调整至三相分离器入口，增加了1 h的破乳剂脱水时间。充分发挥三相分离器的破乳脱水作用，在三相分离器处切出大部分水，增加破乳剂与原油乳状液的混合处理时间，减小后续工艺的脱水压力。破乳剂优化和工艺改进后，能够降低破乳剂使用量，并使现场处理后原油达到含水率小于0.5%的外输标准[13]。

图9 联合站工艺流程改进Fig.9 Process flow improvement of multi-purpose station

3 结论

（1）随着混合油样中氮气泡沫驱单井204-31采出液比例的提高，其脱水率逐渐下降。氮气泡沫驱204-31单井采出液的脱水率最低，其2 h脱水率最低仅为46.16%。氮气泡沫驱采出液与普通采出液相比更难脱水。氮气泡沫驱采出液与普通采出液混合会影响普通采出液的破乳脱水。

（2）当氮气泡沫驱起泡剂质量浓度低于100 mg/L时，起泡剂对原油破乳的影响不大；当起泡剂质量浓度高于100 mg/L，联合站原油脱水率急剧下降。破乳剂质量浓度为120 mg/L条件下，起泡剂质量浓度为200 mg/L时，较空白样脱水率下降了64.30%。

（3）实验筛选出的AR 型油溶性破乳剂对氮气泡沫驱采出液的破乳效果优于现场样，2 h 脱水率为91%，脱出水中含油质量浓度为398 mg/L，脱水率较现场样提高12%。油溶性破乳剂针对氮气泡沫驱采出液后期脱水能力更强。

（4）AR 型油溶性破乳剂与改进后的前端加药工艺相结合，增加药剂接触时间，有利于后续破乳脱水，可以使原油含水率降至0.5%以下，实现原油达标外输。