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浅析原油脱水破乳方法和破乳机理

2021-03-15 638 上传者：管理员

摘要：随着油气田不断深化开发及三次采油技术的应用，我国大部分油田都已经进入了中后期,其共同面临的问题是采出的原油中伴有大量的水，而高含水原油对生产、运输及炼化过程都有很大的危害。介绍了原油中水的存在形式及对生产的影响，并概述了原油脱水破乳方法和破乳机理。目前常用的原油脱水方法可大致分为物理分离法（重力沉降分离法、高频脉冲电脱水分离法、超声波分离法、微波辐射分离法）、化学分离法和生物分离法。

关键词：
乳状液
化学法
原油
物理法
破乳机理
脱水技术
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当今社会经济发展迅速，能源需求量日益增大，我国一些老油田为了提高原油产量，采用了蒸汽驱、火驱、水驱、化学驱等多种开发方式开采原油。其中注水和三次采油开采技术应用较多，而这两种开采方式均会导致采出液的含水率大幅度升高（部分甚至高达90%以上）。采出液在金属管道中运移时，这些未处理掉的水分必然会造成设备腐蚀、能源浪费等问题。为保证安全生产，降低开采成本，提高脱水效率，原油脱水破乳技术的研究意义重大。采出液中水主要以二种形态存在：游离水（水的相对密度比原油大，几乎不溶于原油，所以采出液中的水大部分以游离态存在于油层下部）、乳化水（原油中胶质沥青质等天然乳化剂使部分水以乳化态与原油并存，构成分散体系，形成乳化油[1]）。

目前原油脱水方法大致可分为物理法、化学法和微生物法等。物理法是利用油水密度差、介电常数不同等物理特性，采用相应的技术方法进行油水分离，主要有重力沉降、旋流分离、电脱水、超声波法、微波辐射等方法。化学法一般是向原油乳化液中加入化学破乳剂[2]。化学破乳剂是一种表面活性剂，它能改变油水界面膜的性质或强度来实现破乳，达到各相分离的目的。生物法是利用微生物细胞碰撞、击碎乳状液界面膜和增溶乳化剂分子破乳，或者利用微生物代谢过程产生使乳化剂失去乳化特性的一种生物分子。

1、物理法

1.1 沉降分离法

沉降分离法是最为简单的原油脱水方法，分离效果相对较差，只能分离出采出液中的游离水。采出液中原油与水的密度不同，在重力作用下原油与水可初步分离，形成上部油层和下部水层。在水层中油滴发生水洗作用、在油小水滴进行自然沉降。这种沉降分离方式一般多用于含水量较高的采出液的前期脱水处理。采用沉降分离法进行原油脱水，通常所使用的设备是沉降分离罐。这种设备的优点是一般无需加热，节省燃料；沉降罐结构简单，容易操作；罐体密封好，轻组分不易损失。但是这种脱水方法，存在脱水效率不高、耗时长的问题。为改善脱水效果，人们常采用加入轻质油、注入水溶性添加剂等物质，来增大油水密度差，也常采用加热处理的方式，降低原油的粘度，提高油水分离的速度等方法。

1.2 高频脉冲电脱水法

原油的电脱水破乳过程，通常是在静电场力作用下实现的。采出液中的小水滴在高压电场作用下不断碰撞、聚结形成大水滴，在重力作用下大水滴向下运动，进行沉降分离过程，最终油水分层。交流高压电场、直流高压电场及交变电场在原油破乳研究和生产中都有应用。通过不断对原油电脱水技术的研究、改进，高频脉冲电脱水法[3]应运而生，其脱水的原理是：由于连续油相的电导率远小于分散水相的电导率，在外电场的作用下，液滴被极化，在短时间内会发生聚结的过程[4]。高频脉冲电场有诱导偶极子，也会使液滴间相互吸引、进而发生碰撞而聚结在一起。脉冲电场的振动作用使油水混合物中流体速率发生改变，导致界面流动，电荷堆积。这使水滴更容易相遇、聚结，使界面膜更容易破裂，进而发生沉降分离。

1.3 超声波法

超声波是一种可以在介质传播的机械波，具有多种作用，在原油脱水中，破乳效果较好[5]。其中机械振动作用可促使小水滴向波腹或者波节方向不停运动，在运动过程中小水滴会发生碰撞、凝结、聚合在一起形成大水滴，在油水密度差及重力作用下，大水滴向下运动进而发生沉降分离。悬浮在原油介质中的水“粒子”，在超声波的作用下会随着原油介质一起振动。由于水“粒子”大小不同，其振动速度也不同。因而水“粒子”会发生碰撞、聚结，使体积增大，最终在重力作用下沉降分离。水粒子在原油介质中振荡时，产生的热作用可以降低原油粘度，有利于油—水界面膜的溶解，降低界面膜的强度，另外液滴相对运动时产生的摩擦也会降低油—水界面膜的强度，增加水滴相遇的机会，都有利于破乳。

2、化学破乳法

化学破乳法是目前国内油田普遍采用的一种破乳方法。通常是向油—水乳化状液中添加表面活性剂或具有两亲结构的超分子表面活性剂，这种表面活性剂称为破乳剂，其可以破坏双电层的电解质，也可以降低界面膜强度。与油—水界面膜活性相比，化学破乳剂活性更高，会吸附在油—水界面膜上，形成低强度界面膜替换油—水界面膜，使其破裂。最终使乳化水脱离油—水界面膜的束缚，被释放出来，聚结形成大液滴，在重力作用下油滴向上运动，水滴向下运动，发生沉降分层，达到油水分离的目的。破乳剂不断被开发利用，目前已有近3000种破乳剂（相对分子质量从几百到几万）被应用到科研和生产中。

破乳剂的种类有离子型破乳剂和非离子型破乳剂。目前常用的破乳剂主要是非离子型破乳剂，包括AR系列破乳剂、AP系列破乳剂、AE系列破乳剂和SP系列破乳剂。破乳剂在使用上不断发展，经历了1g/L到10～30mg/L的过程。吴迪等[6]针对大庆油田聚合物驱采出液研制了非离子型反相破乳剂,这种破乳剂可促使油珠聚合，脱水效果较好。虽然破乳剂具有良好的破乳效果，但在实际使用过程中仍存在一些问题，如使用量大、适应性差、成本高、有污染等问题，因此开发新型、脱水效率高、无毒、无腐蚀的破乳剂具有重要的意义。

3、微波辐射法

微波又叫超高频无线电波，其频率范围在300～30000MHz（波长范围是1～l000mm），在多个工业和科学研究领域得到广泛应用。原油微波破乳脱水方法首先由美国学者Klaika等于20世纪80年代提出的，现场试验表明，微波辐射脱水技术具有绿色、环保等优点[7]。微波具有反射和定向辐射的特点，微波破乳技术就是利用微波辐射特性而进行原油脱水的。原油与水的介电常数不同，物质的介电常数越大，对微波的吸收本领越强，水分子呈极性，介电常数大于采出液中的其他物质，对微波吸收量最大。

在微波破乳过程中，快速变化的高频电磁场使乳状液中的水分子极性取向不断随之变化，在磁场中水分子快速旋转，相互摩擦，不断碰撞。这一过程会使油—水界面膜的Zeta电位遭到严重的破坏，从而增加液滴相遇的机会，小水滴碰撞聚结逐渐形成大水滴，发生沉降促使油水快速分离。微波辐射作用液可以使水滴的能量增加而发生膨胀变大，这将会导致油—水界面膜的强度降低，进而破裂，有利于破乳。目前原油脱水微波辐射破乳技术的研究成果基本处于实验室阶段，无法对破乳过程的温度、压力和设备功率等参数进行精准控制，存在的这些问题难以解决，微波辐射的破乳机理和破乳模型的建立还存在一些技术问题需要突破[8]。

4、微生物法

化学破乳剂具有专一性，破乳时需要添加有机溶剂作助剂，而生物破乳剂是可再生的，具有无污染、可以自我繁殖、成本低、破乳效率高等优点，近年来研究较多。国外对生物破乳剂研究最早的报道始于20世纪80年代。生物法原油脱水的作用机理主要是具有某种特定性能的微生物在代谢过程中会产生特定的物质，而这种物质会消耗油水乳化液中界面膜的表面活性剂，或者是破坏油水乳化液的稳定性。破乳剂类型可大致分为以下三种。原油中加入生物破乳剂后，会促使其内部生成一种生物分子构成的活性剂，使乳化剂失去它乳化的特性而破乳，这种破乳的方式被称为反向变型。

利用生物破乳剂碰撞原油表面，并击碎其表面的乳状液界面膜，来完成原油破乳，这种破乳的方式被称为撞击型。生物破乳剂中含有的部分高活性生物分子，其在原油乳状液体当中形成高分子的线团能增溶乳化剂的生物分子，破坏乳化剂的结构，使油—水界面膜破裂，我们把这种方式的破乳称之为增溶型。据最近的研究报道：红球菌、杆状菌和球拟酵母等微生物可用于原油脱水，具有微生物破乳作用。杨志生等[9]通过大量实验，对菌种进行筛选，优选出破乳效果较好的菌群，对水包油型乳化液效果明显。

5、结论与建议

随着原油开采难度的增大，在原油开采过程中不断发展、强化采油技术，如热力驱油、混相驱油、化学驱油等采油技术。这些新的技术方法在提高采出率的同时，也导致了油与水形成的乳状液更加稳定，对采出液进行脱水处理的难度增大。总的来讲，传统破乳方法：如重力沉降分离法、化学脱水分离法和电脱水分离法研究较为深入，技术成熟。在目前各大油田中，传统原油脱水破乳方法仍然占据着主导地位。在实际生产过程中，为提高脱水效率，通常会将以上原油脱水方法配合使用（如高温化学破乳、破乳剂加电场等）。超声波、微波辐射法和生物法目前处于工业应用的起步阶段，在破乳效果和节能环保方面具有明显优势，但由于破乳机理尚不明确，在进行大规模工业化前，仍需进一步探索研究，但相信这些新型技术在不远的将来定具有广阔的前景。

参考文献：

[1]肖中华.原油乳状液破乳机理及影响因素研究[J].石油天然气学报,2008,30(4):165-168.

[2]杨双春.破乳剂应用在三元复合驱驱替的研究现状[J].应用化工,2017,46(2):364-367.

[3]张健.高压脉冲直流电场影响原油乳状液破乳机理[J].油气田地面工程,2004,23(1):13-15.

[4]刘东杰,朱红.高频脉冲原油电脱水供电装置的研制及应用[J].北方交通大学学报,2007,27(3):54-57.

[5]林杰,兰梅.超声波原油破乳研究进展[J].甘肃石油和化工,2007(3):28-33.

[6]吴迪,王瑞泉,孟祥春,赵风玲,孙福祥,梁辉诚,裴艳玲,丛丽.聚合物驱采出液和含油污水油水分离化学剂的研制[J].精细化工,2002,19(增刊):80-82.

[8]夏立新,刘泉,张路,等.微波辐射破乳研究进展[J].化学研究与应用,2005(5):588-591.

[9]杨志生,孙宇,梁宝臣.生物优势菌破乳剂的制备及性能研究[J].化学工业与工程,2004,21(1):8-11.

陈凤祥,白凤有,王玉洁,赫英明,王刘华,曲红艳,杨玉松.原油脱水破乳技术研究进展[J].西部探矿工程,2021,33(04):105-106+110.