新型乳化劑ZX-1 對含水原油流動阻力及轉相點的影響

湯元春，楊付林，呂紅梅

（1.江蘇油田石油工程技術研究院，江蘇揚州 225009；2.北部灣大學，廣西欽州 535011）

我國所產原油80 %以上為高凝點、高含蠟、高黏度的“ 三高”原油[1]。國內大多數油田進入中高含水期，傳統上的加熱集輸的方式能耗大、成本高。為此，國內外在含水原油常溫輸送方面開展了大量的研究工作[2，3]，但至今為止，關于加入流動改進劑的含水原油流動阻力及轉相點的影響因素系統研究較少[1，4-6]。

本文自主設計了一套簡單、實用的盤管式原油流動模擬裝置，利用江蘇油田FZ 區塊原油和研制的乳化劑ZX-1，模擬現場生產參數，開展了多因素對含水原油流動阻力和轉相點的研究。

1 實驗材料及儀器

1.1 材料

原油和水樣取自江蘇油田FZ 區塊。原油黏度136.7 mPa·s（50 ℃），凝固點33 ℃，含蠟量29.2 %。水樣為油井采出污水，礦化度8 962 mg/L。乳化劑ZX-1，自制，有效成分含量≥40 %，1 %水溶液pH 值7～8，無分層，有機氯含量為0，使用溫度≤150 ℃，其主劑為非離子表面活性劑，其他均為化學純試劑。

1.2 儀器

根據現場實際情況，自行設計加工了一套盤管式原油流動阻力測定裝置。該裝置包括溫度、壓力、流量三項控制（見圖1）。測量溫度范圍25 ℃～90 ℃，盤管長度10 m，泵的最大流量4 L/min，其轉速表滿刻度為50，轉速與流速的關系（見表1）。

改變實驗條件（溫度、流速、加劑量、含水率等），測定壓力穩定時管路兩段的壓差，即含水原油流動阻力。

2 結果與討論

2.1 各因素對流動阻力的影響

含水原油在輸油管線內流動時，流動阻力對應相應的流態，也反映管中原油狀態，降低流動阻力是常溫輸送的重要指標之一。因此，開展了乳化劑加量、溫度、流速、含水率等對流動阻力的影響研究。

2.1.1 溫度 實驗條件：含水率為60 %的FZ 原油，乳化劑ZX-1 濃度為1 000 mg/L，考察不同溫度（35 ℃、40 ℃、45 ℃、50 ℃）下，ZX-1 乳化劑用量對含水原油流動性影響（見圖2）。

圖1 盤管式原油流動阻力測定裝置

表1 泵轉速與流速的對應關系

圖2 不同劑量、不同溫度含水原油流動阻力

在相同轉速、35 ℃～50 ℃，加與不加劑含水原油流動壓降差值分別為2.4 kPa 和26 kPa，降低90.8 %，加劑明顯利于低溫輸送。

2.1.2 加劑量 實驗條件：含水率為60 %的FZ 原油，轉速30，考察ZX-1 不同濃度下（1 000 mg/L、2 000 mg/L和3 000 mg/L），乳化原油在流動模擬裝置中壓降的變化情況（見圖3）。

圖3 加劑量對含水原油流動性的影響

相同溫度下，隨著乳化劑ZX-1 濃度的增加，含水原油的流動阻力降低。與圖2 未加劑的含水原油的流動阻力相比，加劑量從1 000 mg/L 增加到3 000 mg/L時，流動阻力降低幅度較小。主要原因是在1 000 mg/L條件下，含水原油乳狀液已由W/O 型轉化為O/W 型。

2.1.3 流速 實驗條件：含水率為60 %的FZ 原油，乳化劑ZX-1 濃度為1 000 mg/L，考察不同流速（轉速分別為：15、30、45），乳化原油在流動模擬裝置中壓降的變化情況（見圖4）。

圖4 流速對乳化原油流動性的影響

相同溫度下，隨流速增大，含水原油的流動阻力升高。當流速從0.708 m/s 增大到1.062 m/s 時，流動阻力升高幅度明顯。流速增加到一定數值，乳珠之間碰撞效應加劇。

圖5 不同含水原油加劑前后降阻率

2.1.4 含水率 實驗條件：溫度40 ℃，乳化劑ZX-1濃度500 mg/L，考察不同含水率（40%、50%、60%、68%）下，乳化原油在流動模擬裝置中壓降的變化情況（見圖5）。

圖6 轉相點前后原油乳狀液微觀形態

在相同轉速下，加劑含水原油的降阻率隨含水率增加而增大。含水率由50 %增加到60 %時，加劑含水原油的降阻率有明顯的升高，即FZ 含水原油的轉相點位于含水率50 %～60 %。

為了進一步揭示其機理，利用顯微鏡測定了轉相前后其微觀形態（見圖6）?？梢钥闯?，在轉相前，原油乳狀液是由連續的油相（圖中深色部分）包圍不同大小的水滴（圖中淺色部分），呈W/O 型，使乳狀液的黏度較高；在轉相后，原油乳狀液是由連續的水相（圖6 中淺色部分） 包圍不同大小的油滴（圖中深色部分），呈O/W 型，使乳狀液的黏度降低。

2.2 各因素對含水原油轉相點的影響

含水原油在輸油管線內流動時，是否轉相對其流動阻力具有重要的影響。為此，研究了乳化劑的加量、溫度、流量等對轉相點的影響。

2.2.1 加劑量 實驗條件：溫度40 ℃，泵轉速為30，考察ZX-1 乳化劑在不同濃度（300 mg/L、500 mg/L、1 000 mg/L、2 000 mg/L）對原油轉相點的影響（見圖7）。

圖7 加劑量與轉相點的關系

劑量低，轉相點與含水密切相關；在轉相劑量附近，轉相明顯；劑量大于轉相劑量以后，無明顯轉相點（實驗含水參數范圍內）。但劑量過高或過低對轉相及其前后流動性影響較小，存在最佳使用濃度。FZ 油田乳化劑現場使用濃度應在500 mg/L～1 000 mg/L。

2.2.2 流速 實驗條件： 40 ℃，ZX-1 濃度500 mg/L，考察不同流速（轉速分別為10、20、30、40、50）對原油轉相點的影響（見圖8）。

圖8 加劑量為500 mg/L 下流速對轉相點的影響

在實驗參數范圍內，流速對轉相點具有一定影響，但轉相及其前后壓降變化不明顯。加劑降溫輸送可降低對流速的要求。

2.2.3 溫度 實驗條件：乳化劑ZX-1 濃度500 mg/L，考察不同溫度（40 ℃和50 ℃） 對原油轉相點的影響（見圖9）。

對比圖8 與圖9，50 ℃比40 ℃時，含水原油的轉相點更不明顯。說明加劑后均已轉相，ZX-1 加劑轉相點含水應低于40 %。

3 應用

截止2019 年底，ZX-1 用于井筒降黏和常溫輸送共實施27 井次，實現全年電加熱桿停用，地面集輸管線中頻設備停用率達80 %，效果顯著。

圖9 加劑量為500 mg/L 下溫度50 ℃對轉相點的影響

圖10 F19 井加劑前后泵效、上下行電流變化情況

圖11 F19 井加劑前后回壓與掃線頻率變化情況

X5、CHB、ANF 區塊的15 口稠油井，降黏率＞90 %，光桿功率平均下降10 %以上（見圖10）。

GJ、FZ 等油田管線回壓高、掃線頻繁，F19 等加劑后，井口回壓從1.6 MPa 降到0.7 MPa，由平均每月掃線一次，延長到16 個月，已減少現場掃線28 次（見圖11）。

4 結論

為了開展常溫輸送工作，研制出新型乳化劑ZX-1和盤管式原油流動模擬裝置，開展了不同因素對含水原油流動阻力和轉相點的影響研究，結論如下：

（1）新型乳化劑ZX-1 對低溫含水原油轉相和降黏減阻效果明顯；使用濃度過高或過低均不利于乳化減阻和轉相；現場流速（一般＜0.708 m/s）對含水原油轉相和降黏減阻影響較小。

（2）盤管式流動阻力測試裝置，仿真現場、管程長、溫度與排量可控、數據指導性強、實驗周期短、占用空間小、運行成本低、操作簡便。

（3）ZX-1 乳化劑已應用于多個區塊、不同含水和性質的原油，在井筒降黏、管線減阻方面都取得明顯效果，具有較強的適應性。