戚亞明

中國石油（新疆）石油工程設(shè)計有限公司

稠油資源潛力巨大，約占全球剩余石油資源的2/3以上[1]，地質(zhì)儲量約為8 150×108t，其中特超稠油占比約36%。蒸汽輔助重力泄油（SAGD）是開發(fā)特超稠油的有效手段之一[2-5]。傳統(tǒng)的SAGD 采出液摻稀處理工藝不僅對稀釋劑的依賴性強(qiáng)，而且工程建設(shè)難度大。SAGD采出液反相分離技術(shù)利用原油和采出水隨著溫度的變化而密度變化速率不同的特點(diǎn)，將采出液加熱到一定溫度時可以獲得油水分離需要的密度差，從而實(shí)現(xiàn)油水分離。該工藝為SAGD采出液處理提供了新的思路[6-7]。

針對國外某特超稠油油田SAGD采出液，利用研發(fā)的高溫高壓稠油密度實(shí)驗(yàn)測定平臺測定不同溫度下的油水密度，根據(jù)采出液的特性篩選出預(yù)處理劑并研制了耐高溫破乳劑，開展反相分離脫水實(shí)驗(yàn)，通過實(shí)驗(yàn)確定了反相分離技術(shù)的主要參數(shù)，為相關(guān)工程的建設(shè)提供保障。

1 基礎(chǔ)參數(shù)

1.1 SAGD開發(fā)主要參數(shù)

國外某特超稠油油田SAGD開發(fā)主要生產(chǎn)參數(shù)見表1。

表1 國外某特超稠油油田SAGD開發(fā)主要生產(chǎn)參數(shù)Tab.1 Main production parameters of SAGD development in an abroad extra-heavy oilfield

1.2 采出液物性

對國外某特超稠油油田SAGD采出液物性進(jìn)行檢測，其采出液物性結(jié)果見表2和表3。

表2 國外某特超稠油油田原油物性Tab.2 Crude oil physical properties of an abroad extra-heavy oilfield

表3 國外某油田特超稠油采出水物性Tab.3 Produced water physical properties of an abroad extra-heavy oilfield mg/L

從表2 可以看出，該原油具有高凝、低含硫、高含膠質(zhì)及瀝青質(zhì)、黏度高等特點(diǎn)。

從表3可以看出，該采出水Ca2+、Mg2+、SiO2的含量較低，礦化度較低，屬于重碳酸鈉水型。

2 SAGD采出液反相分離溫度

2.1 建立實(shí)驗(yàn)測定平臺

實(shí)驗(yàn)測定平臺主要由密度測量系統(tǒng)、升壓系統(tǒng)、油砂預(yù)熱系統(tǒng)、測量主體升溫系統(tǒng)、傳感器系統(tǒng)、儀表數(shù)據(jù)顯示及輸出系統(tǒng)構(gòu)成（圖1）。

圖1 高溫高壓稠油密度實(shí)驗(yàn)測定平臺示意圖Fig.1 Schematic diagram of high temperature and high pressure heavy oil density test platform

密度測量系統(tǒng)通過振動原理測量流體密度。由于本項(xiàng)目中測量樣品為黏度較大的超稠流體，所以系統(tǒng)主體采用旗式安裝方式，流體方向自下而上。由于密度測量系統(tǒng)精度要求高，所以需固定并安裝支架作穩(wěn)固支撐。為避免高溫操作條件下測量過程中的熱損失，整個系統(tǒng)外加保溫夾套以保證最小程度的熱損失及保持溫度穩(wěn)定。

由于要保證油品在高溫條件下不發(fā)生相變，測量系統(tǒng)需在高壓條件下運(yùn)行。升壓系統(tǒng)由增壓泵與高壓活塞容器組成，該系統(tǒng)可按實(shí)驗(yàn)需求提升測量系統(tǒng)的壓力。

由于此密度測量系統(tǒng)對應(yīng)測量體系為超稠油，油品黏度較大，進(jìn)樣有一定難度，因此需設(shè)預(yù)熱系統(tǒng)對進(jìn)樣進(jìn)行預(yù)熱，加強(qiáng)稠油的流動性，以保證進(jìn)樣順利。升溫系統(tǒng)內(nèi)置于測量主體內(nèi)部，可控溫度范圍為室溫～220 ℃。傳感器系統(tǒng)包括溫度傳感器和壓力傳感器，在線監(jiān)控測量系統(tǒng)及各子系統(tǒng)中溫度和壓力數(shù)據(jù)。儀表數(shù)據(jù)顯示及輸出系統(tǒng)實(shí)時在線輸出溫度及密度數(shù)據(jù)。

裝置的主要參數(shù)為：密度測量范圍:0～2 g/cm3；密度測量準(zhǔn)確度：1×10-3g/cm3；控溫范圍：常溫～220 ℃；壓力范圍：0～10 MPa。

該平臺操作時，先將稠油原樣引進(jìn)高壓活塞容器中，啟動預(yù)熱系統(tǒng)，將油樣預(yù)熱至50 ℃～60 ℃以保證油的流動性。然后將稠油引進(jìn)密度測量系統(tǒng)當(dāng)中，用升壓系統(tǒng)將測量壓力升至4 MPa，保證油樣在高溫下不發(fā)生相變。最后，通過測量主體的升溫系統(tǒng)，根據(jù)確定的溫度去測量在不同溫度下稠油樣品的密度值。

2.2 測定油水密度

對SAGD采出液在不同溫度下的密度進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測量，測量溫度范圍為60 ℃～220 ℃，間隔10 ℃為一個測量點(diǎn)。為保證油品在高溫條件下不揮發(fā)，測量壓力保持在4 MPa。檢測結(jié)果見表4。

表4 不同溫度下SAGD采出液油水密度Tab.4 Oil/water density of SAGD produced fluid at different temperatures

不同溫度下SAGD采出液油水密度如圖2所示。

從圖2 可以看出，該采出液在80 ℃左右即出現(xiàn)油水密度反相現(xiàn)象。隨著溫度的升高，油水密度差變大，當(dāng)溫度達(dá)到190 ℃時，油水密度差達(dá)到最大0.074 2 g/cm3；隨后隨著溫度的升高，油水密度差逐漸減小，當(dāng)溫度達(dá)到220 ℃時，油水密度再次出現(xiàn)反相。根據(jù)密溫檢測結(jié)果，反相分離溫度推薦在150 ℃～190 ℃。

圖2 不同溫度下SAGD采出液油水密度Fig.2 Oil/water density of SAGD produced fluid at different temperatures

3 反相分離主要參數(shù)

根據(jù)前期的實(shí)驗(yàn)，特超稠油SAGD采出液處理需加入預(yù)處理劑。預(yù)處理劑可迅速分散到乳液顆粒油水界面上，降低油水界面的活性，使乳狀液外相的水脫離乳液顆粒，同時部分泥沙、黏土也被脫離的水帶走，使SAGD采出液由水外相的復(fù)雜多重乳狀轉(zhuǎn)為W/O 和O/W 的單一乳狀液。在W/O 乳狀液中加入耐高溫破乳劑進(jìn)行破乳劑脫水，脫出W/O乳狀液中的乳化水，使油相達(dá)到含水指標(biāo)要求。SAGD采出液的顯微圖像見圖3。

圖3 SAGD采出液顯微圖像Fig.3 Microscopic image of SAGD produced fluid

設(shè)計脫水試驗(yàn)的操作步驟如下：

（1）取預(yù)熱后的SAGD采出液，倒入高溫密閉可視試驗(yàn)容器中，依次加入定量試驗(yàn)藥劑，保持所有閥門關(guān)閉。

（2）打開高溫密閉可視容器頂部閥門，充入約2.5 MPa 氮?dú)猓錃夂箨P(guān)閉頂部閥門確保容器氣密性良好。

（3）將高溫密閉可視容器放置在烘箱中恒溫至試驗(yàn)溫度后取出，快速水平搖晃容器，使藥劑充分與采出液混合，放回恒溫烘箱至達(dá)到沉降要求的時間。

（4）將容器上、下閥門與高溫密閉取樣器進(jìn)口連接，依次打開高溫密閉可視容器上部閥門、密閉取樣器進(jìn)液閥門，操作密閉取樣器搖柄，使用高溫密閉取樣器取高溫密閉可視容器上部水樣，取樣后關(guān)閉相應(yīng)閥門。對取出樣品進(jìn)行降溫后，測定水樣中的含油量。

（5）依次打開高溫密閉可視容器下部閥門、密閉取樣器進(jìn)液閥門，操作密閉取樣器搖柄，使用高溫密閉取樣器取高溫密閉可視容器下部油樣，取樣后關(guān)閉相應(yīng)閥門。對取出樣品進(jìn)行降溫后，測定水樣中的含油。

3.1 反相分離預(yù)處理劑研究

3.1.1 預(yù)處理劑篩選試驗(yàn)

預(yù)處理劑主要為胺類、醇類嵌段聚醚及其改性嵌段聚醚，同一類型預(yù)處理劑包含不同分子量的樣品[8-9]，通過預(yù)處理劑篩選評價試驗(yàn)來選擇適合的預(yù)處理劑類型，試驗(yàn)結(jié)果見表5。

從表5可以看出，預(yù)處理劑SX-2、SX-4、SX-5、SX-6、SX-9、SX-11 對SAGD 采出液油水分離效果好，分離后水色清，界面齊。

表5 預(yù)處理劑篩選評價試驗(yàn)結(jié)果Tab.5 Screening and evaluation test results of pretreatment agent

3.1.2 預(yù)處理劑復(fù)篩試驗(yàn)

用上一步試驗(yàn)中篩選出的效果較好的預(yù)處理劑，降低加藥濃度，即以更嚴(yán)苛的試驗(yàn)條件進(jìn)行進(jìn)一步篩選，結(jié)果見表6。

表6 預(yù)處理劑復(fù)篩評價試驗(yàn)結(jié)果Tab.6 Secondary screening and evaluation test results of pretreatment agent

由表6 可以看出，預(yù)處理劑SX-11 對油砂SAGD采出液油水分離速度快，分離后水色清，油水界面齊整，故選用SX-11為該SAGD采出液的預(yù)處理劑，進(jìn)行下一步耐溫破乳劑研究試驗(yàn)。

3.2 耐高溫破乳劑研究

3.2.1 破乳劑合成思路

（1）設(shè)計多元稠環(huán)酚胺樹脂作為破乳劑親油頭，這種結(jié)構(gòu)與膠質(zhì)、瀝青質(zhì)的結(jié)構(gòu)非常相似，使破乳劑在原油乳液中具有良好的潤濕和滲透能力，可極大地提高破乳劑分子在原油乳液中向界面的擴(kuò)散速度和擴(kuò)散程度，從而在性能上表現(xiàn)出快速破乳的特點(diǎn)。

（2）引入耐溫基團(tuán)或合成非聚醚型破乳劑。SAGD 采出液的破乳溫度高達(dá)180 ℃，一般聚醚型破乳劑在這樣高的溫度下已失去活性，很難滿足高溫破乳的要求。在破乳劑分子結(jié)構(gòu)中，引入耐溫基團(tuán)以提高破乳劑的耐溫性能。

（3）針對SAGD采出液的復(fù)雜多樣性，選擇油包水型乳液破乳劑和水包油型乳液破乳劑進(jìn)行復(fù)配，研究復(fù)配時不同類型破乳劑之間的協(xié)同和制約作用，篩選出最佳破乳劑。

（4）復(fù)配瀝青質(zhì)分散劑。瀝青分散劑對膠質(zhì)和瀝青質(zhì)具有分散作用，因此對原油乳狀液的破乳起到積極作用。

（5）考慮到泥沙對采出液的穩(wěn)定作用，合成一種具有洗泥沙作用的表面活性劑，使泥沙脫離油水界面，提高油水分離效果。

根據(jù)起始劑與環(huán)氧乙烷比例不同以及引入的耐溫基團(tuán)、瀝青分散劑和功能性破乳劑的不同合成NW-1～NW-10共10種破乳劑。

3.2.2 耐溫破乳劑配方確定及效果評價試驗(yàn)

在SAGD采出液中加入相同加藥量的預(yù)處理劑SX-11，再分別加入研發(fā)的耐溫破乳劑樣品，記錄不同時間的脫水率。試驗(yàn)結(jié)果見表7。

表7 耐溫破乳劑篩選評價試驗(yàn)結(jié)果Tab.7 Screening and evaluation test results of temperature resistant demulsifier

由表7 可知，耐溫破乳劑NW-5、NW-6、NW-8、NW-10在脫水速度或脫水深度方面表現(xiàn)出較好的性能，故對這4 種破乳劑配方進(jìn)行優(yōu)化完善，進(jìn)一步提高破乳劑的脫水效果。

3.2.3 耐溫破乳劑復(fù)配優(yōu)化試驗(yàn)

實(shí)踐表明，多個組分破乳劑復(fù)配之后會產(chǎn)生協(xié)同效應(yīng)[10]。對選出的破乳劑進(jìn)行復(fù)配優(yōu)化，復(fù)配合成5 種復(fù)合型破乳劑，對合成的5 種新破乳劑再一次進(jìn)行脫水評價試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見表8。

表8 復(fù)配耐溫破乳劑評價試驗(yàn)結(jié)果Tab.8 Evaluation test results of compound temperature resistant demulsifier

由表8 中的試驗(yàn)結(jié)果可以看出，耐溫破乳劑NWF-2脫水效果最佳，故選用NWF-2的配方為最終的破乳劑配方。

3.3 油水分離試驗(yàn)

為了找出耐溫破乳劑的最佳溫度、加藥濃度、脫水時間等條件，對SAGD 采出液進(jìn)行不同加藥量、不同脫水時間試驗(yàn)，結(jié)果見表9。

由表9的結(jié)果可以看出，隨著溫度升高、加藥量的增加及脫水時間的增加，脫水率、污水含油率均呈下降趨勢，結(jié)合后端處理參數(shù)要求、投資及運(yùn)行成本，推薦采用處理溫度180 ℃、預(yù)處理劑加藥量60 mg/L、破乳劑加藥量200 mg/L、處理時間1 h。

表9 不同條件下SAGD采出液油水分離試驗(yàn)Tab.9 Oil-water separation test of SAGD production fluid under different conditions

3.4 確定油水分離參數(shù)

根據(jù)流程設(shè)置，反相分離段分出的低含水采出液進(jìn)入閃蒸分離段進(jìn)行進(jìn)一步脫水。根據(jù)油水分離實(shí)驗(yàn)推薦的結(jié)果，反相分離溫度180 ℃對應(yīng)飽和蒸汽壓力約為1.03 MPa，為防止處理過程中閃蒸汽的影響，將該段壓力設(shè)置在1.5 MPa，利用Hysys軟件對減壓閃蒸進(jìn)行模擬，模擬的結(jié)果見表10。

根據(jù)表10 的模擬結(jié)果，結(jié)合油水分離試驗(yàn)推薦結(jié)果，在滿足凈化油交油指標(biāo)含水率達(dá)到0.5%的條件下，反相分離的主要設(shè)計參數(shù)確定為：反相分離操作溫度：180 ℃；反相分離操作壓力：1.5 MPa；反相分離段設(shè)計時間：1 h；預(yù)處理劑加藥量：60 mg/L；破乳劑加藥量：200 mg/L。

表10 減壓閃蒸模擬結(jié)果Tab.10 Vacuum flash simulation result

4 結(jié)論

（1）通過研發(fā)的高溫高壓特超稠油采出液密度實(shí)驗(yàn)測定平臺，測得了特超稠油SAGD采出液油水在高溫條件下的實(shí)際密度，驗(yàn)證了油水反相現(xiàn)象，初步確定反相分離溫度應(yīng)在150～190 ℃。

（2）通過實(shí)驗(yàn)篩選出SX-11 為SAGD 采出液的預(yù)處理劑，結(jié)合實(shí)驗(yàn)原油的物性研制了10 種耐高溫破乳劑。通過實(shí)驗(yàn)優(yōu)選并復(fù)配出5種復(fù)合型破乳劑，經(jīng)進(jìn)一步實(shí)驗(yàn)確定效果最好的NWF-2 為最優(yōu)破乳劑。

（3）結(jié)合采出液密溫測驗(yàn)及預(yù)處理劑、破乳劑實(shí)驗(yàn)結(jié)果，利用軟件對閃蒸脫水進(jìn)行模擬，結(jié)果表明能夠滿足交油指標(biāo)的要求，確定了反相分離的主要參數(shù)。