稠油是指在油層溫度下脫氣原油的粘度超過1000mPa·s的原油。稠油粘度高,流動性差,開采不便。我國稠油資源豐富,目前已投入大規(guī)模的開發(fā)[1]。稠油開采常常采用過熱蒸汽或電熱升溫等熱采措施,以提高原油溫度,降低原油粘度。熱采不僅設(shè)備復雜,還會使稠油儲層受到傷害,因而許多稠油油藏采取化學降粘的方法開采[2]。一種良好的化學降粘技術(shù)既能大幅度地降低原油的粘度,又可控制對油層的傷害,而且成本費用低廉。

化學降粘(乳化降粘)是向油藏內(nèi)注入降粘劑,通過分散、乳化等作用使稠油的粘度降低。常用的降粘劑為表面活性劑(如石油磺酸鹽等)復配一定量的助表面活性劑(如短鏈醇和胺等),可在油水界面形成混合膜,降低體系的界面張力,使稠油乳化,改變稠油的流動性,并提高乳狀液在地層中的滲透性,增強乳狀液的穩(wěn)定性。

1　實驗部分

1.1　主要試劑與儀器

油樣;勝利油田孤東采油廠KD92X9井原油,未經(jīng)脫氣脫水,50℃時粘度為9000mPa·s,酸值約為2mgKOH/g原油。

降粘劑為本室新研制的復配產(chǎn)品SDGD,尚處于室內(nèi)應用階段,主要成分是陰離子、兩性表面活性劑及助劑;NaOH等無機試劑均為分析純。

模擬礦化水:用NaCl、MgCl₂·6H₂Ｏ、無水CaCl₂和蒸餾水配制。

NDJ-79型旋轉(zhuǎn)式粘度計(同濟大學機電廠生產(chǎn)),10號轉(zhuǎn)子,轉(zhuǎn)速750r/min,剪切速率344s^-1。

1.2　實驗方法

固定實驗用水礦化度1×10⁴mg/L,其中Ca²⁺100mg/L,Mg²⁺50mg/L,其余為Na⁺和Cl^-。

首先配制不同濃度的SDGD溶液,按油水比為7∶3(質(zhì)量比)的比例將降粘劑水溶液加入稠油樣中,50℃下恒溫2小時,然后攪拌2分鐘,觀察稠油分散或乳化的程度,并用NDJ-79型旋轉(zhuǎn)式粘度計(通50℃恒溫水)測定各體系的粘度。用不同濃度的NaOH代替降粘劑,按同樣方法考察稠油的乳化或分散程度。

保持礦化度為1×10⁴mg/L,改變Ca²⁺、Mg²⁺濃度,考察降粘劑和NaOH對稠油的降粘效果。

粘土膨脹量的測定參照文獻[3]方法進行。

2結(jié)果與討論

2.1　礦化水對SDGD降粘效果的影響

分別用蒸餾水和礦化水配制SDGD溶液,考察SDGD的降粘效果,結(jié)果如圖1所示。

由圖1可知,粘度很高的稠油在加入含少量SDGD的水溶液并乳化后,粘度顯著降低,降粘率達到99%以上,且SDGD濃度越高,降粘效果越好。當用礦化水代替蒸餾水時,體系粘度有明顯的升高,說明礦化水中的離子對SDGD的乳化降粘有負作用。由表1可見,形成的乳狀液不穩(wěn)定,在短時間內(nèi)即分層,但分層后油的流動性仍很好,攪拌時能再次分散。這說明SDGD是稠油的良好乳化降粘劑,且乳化的稠油產(chǎn)出后容易破乳。

降粘劑SDGD中的表面活性劑由于雙親結(jié)構(gòu),會在油水界面形成吸附膜,覆蓋在小乳滴表面,阻礙液滴之間碰撞時相互聚并,使乳液顆粒半徑小,分散均勻,穩(wěn)定性好,從而達到乳化降粘之目的[4]。油/水之間膜的強度與表面活性劑分子在界面上的吸附能力有密切關(guān)系,吸附能力越強,所形成的膜就越致密、牢固,乳狀液也就越穩(wěn)定[5]。乳化降粘劑SDGD中含有的離子型表面活性劑可以增加液滴界面上的電荷,產(chǎn)生靜電斥力,防止液滴聚并,也有利于乳狀液的穩(wěn)定。

但SDGD中含有的離子型表面活性劑與鈣、鎂離子會發(fā)生反應,即乳液中存在如下反應平衡:

上述反應減少了體系中表面活性劑的濃度,而且形成的鈣鹽和鎂鹽溶解度相當?shù)?/SPAN>(在較高鈣、鎂離子濃度時甚至會以沉淀形式析出),導致表面活性劑在油水界面的吸附量減小,分散和乳化效果變差,所形成的膜疏松,沒有足夠的能障阻止液滴聚并,已經(jīng)分散的油滴容易聚集。

另一方面,含水原油實際上是Ｗ/Ｏ型乳狀液,乳化降粘包括將Ｗ/Ｏ型乳狀液向Ｏ/Ｗ型轉(zhuǎn)變的過程,而乳化劑的構(gòu)型是決定乳狀液類型的主要因素之一。由定向楔理論可知[5],乳化劑分子的空間構(gòu)型是指分子中極性基團和非極性基團的截面積之比,乳化劑分子在液滴表面上形成密集的吸附層,截面小的一頭總是指向分散相,截面大的一頭留在分散介質(zhì)。一價金屬皂的非極性頭較小,指向內(nèi)部的油相,易形成Ｏ/Ｗ型乳狀液。在含鈣鎂離子的礦化水中離子型表面活性劑可由一價金屬皂變成二價金屬皂(鈣鹽或鎂鹽),使乳狀液趨向于轉(zhuǎn)型,不利于稠油的乳化降粘。

2.2　礦化水對NaOH降粘效果的影響

礦化水對堿的降粘效果影響尤為嚴重,見圖2。由圖2看出,由于孤東原油中含有相當部分的有機酸組分,加入微量堿即可獲得很好的乳化降粘效果,且當堿的濃度達到一定值時,繼續(xù)增大堿的濃度對降粘效果影響不大。當用礦化水代替蒸餾水時,堿的降粘效果大大降低,這主要是由于礦化水的堿耗造成的。

加堿水使稠油乳化,隨堿水濃度增大,乳狀液由原來的黑色變成咖啡色,說明乳狀液中液滴半徑變小,對光的吸收、散射、反射等發(fā)生了改變。顏色變得越淺,乳狀液的粒徑越小,也越穩(wěn)定。

孤東原油的酸性組分主要由C₇—C₂₂長鏈脂肪酸組成,其中飽和C₁₆酸、C₂₂酸及十八烯酸的含量最多,其余主要是有機酸酯、酚等含氧化合物和一些烴類及少量雜環(huán)化合物[6]。這些酸性組分可與堿發(fā)生反應,生成有較高界面活性的有機酸皂并吸附于油水界面上形成界面膜,降低原油與水相的界面張力,使原油乳化、分散成較小的油滴分散于水中,因而乳化后的原油粘度顯著下降,流動性好。

堿加入礦化水后,當堿與鈣、鎂離子的離子積大于所生成的沉淀化合物的溶度積時,就會有沉淀生成(見表2)。堿的濃度小時,沉淀以溶膠形式存在;堿和鈣、鎂離子濃度升高時,則會出現(xiàn)白色的絮狀沉淀。一部分堿被消耗,使堿水的pH值難以達到使原油中有機酸等組分活化的程度,堿對原油的乳化效果被削弱,不能有效地降低稠油的粘度。

盡管NaCl的存在能提高表面活性劑的活性,降低表面活性劑的CMC值[7],但大量NaCl的存在對外加表面活性劑(降粘劑)或由堿生成的有機酸皂有鹽析作用,使體相中單分散的活性物質(zhì)量減少,吸附于油滴界面的降粘劑分子也減少,因而降粘效果降低。尤其是表面活性劑的疏水鏈較長時,極易脫離水相進入油相,不利于油水間界面膜的形成,不利于稠油的乳化分散。

比較圖1和圖2以及通過表1和觀察乳化后的現(xiàn)象,可知降粘劑SDGD能使稠油的粘度降得更低,且抗鹽性較好,但穩(wěn)定性稍差;而堿降粘得到的乳狀液粘度稍高,抗鹽性差,但能長時間穩(wěn)定存在。產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因可能是SDGD為外加表面活性劑且疏水鏈相對較短,而堿與稠油中有機酸(疏水鏈較長)生成的皂活性更高且與原油的相容性更好。

從乳狀液穩(wěn)定性考慮,稠油加堿水乳化降粘是可取的,而且堿的價格低廉,這正是長期以來許多油田使用堿水乳化開采稠油的原因。但是,從原油的后處理即破乳脫水考慮,堿劑應盡量少用,乳化后的稠油只需要具有一定穩(wěn)定性即可,復配表面活性劑體系SDGD作為降粘劑更為合適。

2.3　鈣鎂離子濃度對SDGD降粘效果的影響

當Ca²⁺和Mg²⁺質(zhì)量比為2∶1,礦化度為1×104mg/L時,鈣鎂離子總濃度越高,則SDGD對稠油乳化降粘的效果越差,考察結(jié)果示于圖3。但鈣鎂離子總濃度達250mg/Ｌ時,稠油乳狀液的粘度僅上升30mPa·ｓ,流動性仍很好,說明降粘劑SDGD具有較強的抗鹽性。

表3示出乳化稠油的顏色隨鈣鎂離子濃度的變化。顯然,鈣鎂離子濃度越高,乳化效果越差,乳狀液穩(wěn)定性越低。由這些現(xiàn)象推測,鈣鎂離子濃度較小時形成乳狀液,濃度大于180mg/L時原油形成團簇被分散在水相中。表面活性劑在原油團簇表面吸附,團簇周圍形成水化膜,阻礙團簇間的聚并,也降低了體系的流動阻力。

乳化組分及條件見圖3下注。

由此可見,在地層水中鈣鎂離子含量很低、原油中有機酸組分較高的礦區(qū),可采用廉價的堿水乳化技術(shù)降低稠油粘度;在地層水中鈣鎂離子含量較高,尤其是原油不富含有機酸等活性組分的礦區(qū),則必須采用外加表面活性劑的方法進行乳化降粘。

2.4 SDGD對地層粘土的膨脹性研究

注入流體對地層的傷害可用粘土的膨脹量表示[3]。圖4示出粘土樣在SDGD與KCl水溶液中的膨脹結(jié)果,顯然,SDGD引起粘土膨脹的程度遠小于質(zhì)量濃度5g/dL的KCl水溶液,而KCl水溶液被認為是防膨效果較好的注入流體?？梢源_認降粘劑SDGD的防膨性良好,不會導致粘土嚴重膨脹而造成地層傷害。

3結(jié)論

(1)新研制的稠油乳化降粘劑SDGD具有較強的抗鹽性,可在高礦化度、高鈣鎂含量條件下用于稠油的乳化降粘。用礦化度1.0×10⁴mg/L、鈣鎂離子總濃度150mg/L的礦化水配制的質(zhì)量濃度0.5g/dL的SDGD水溶液與孤東稠油以3∶7的質(zhì)量比混合時形成O/W型乳狀液,其粘度(50℃)不到稠油粘度(9000mPa·s)的1%,乳化降粘率高達99%以上,乳狀液的穩(wěn)定性差,易發(fā)生油水分層。

(2)在高礦化度特別是高鈣鎂含量條件下,堿水(NaOH水溶液)乳化稠油降粘方法的效果很差。

參考文獻:

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