蒸汽吞吐开采中的原油乳化特征及有效破乳体系研究_王传军.pdf

第 25 卷 第 1 期重庆科技学院学报(自然科学版)2023 年 2 月蒸汽吞吐开采中的原油乳化特征及有效破乳体系研究王传军1张 洪1王曼依1陈来勇1孙 君2周文超2朱诗杰3(1 中海石油(中国)有限公司天津分公司，天津 300452;2 中海油能源发展股份有限公司工程技术分公司，天津 300452;3 重庆科技学院 石油与天然气工程学院，重庆 401331)收稿日期:2022 02 10基金项目:重庆市自然科学基金项目“黏弹性流体动态吸附量与滞留量的量化界定及数学模型表征研究”(CSTC2021JCYJ MSXMX0522);海洋石油高效开发国家重点实验室开放基金课题“聚合物溶液黏弹性对稠油驱油效率作用规律研究”(CCL2021CPS0513KQN)作者简介:王传军(1977 )，男，硕士，高级工程师，研究方向为油气田开发、油藏工程。摘要:稠油乳化现象会严重影响蒸汽吞吐的开采效果，明确原油乳化机理、优选有效破乳体系，是实现稠油油藏蒸汽吞吐高效开发的基础。通过室内实验研究了油藏含水率、原油组分等因素对原油乳化的影响，利用 Materials Studio 分子模拟技术研究原油乳化机理。研究结果表明，产出液中油水乳状液稳定性好、黏度高，极易滞留在近井地带，从而影响油藏的开发效果。优选出的苯环类耐高温破乳剂可以有效改善油水乳状液的界面张力，剥离油水乳化界面层，最终实现破乳降黏。关键词:蒸汽吞吐;油包水乳状液;Materials Studio 分子模拟;苯环类破乳剂中图分类号:TE341文献标识码:A文章编号:1673 1980(2023)01 0051 060前言在原油蒸汽吞吐开采过程中，极易出现原油乳化的现象，油藏的含水率、温度、原油组分等指标对原油乳化均有不同程度的影响1 3。针对稠油油藏蒸汽吞吐过程中因产出液乳化而导致的产能下降问题，通过室内实验研究明确了目标油藏的乳化特征。采用 Materials Studio 分子模拟技术对蒸汽吞吐稠油过程中原油的乳化现象进行了模拟，并从微观对乳化机理进行了分析。1影响原油乳化的因素实验所用原油为现场取样的乳化原油，当温度为 50 时，其黏度为 1 658 mPas。对乳化原油进行脱气脱水破乳处理后，在 50 下，其黏度为812 mPas。实验所用水为现场取样的地层水。11含水率对原油乳化效果的影响用矿场取样地层水与原油配制含水率为 20%50%的油水混合物，通过吴茵搅拌器搅拌而形成油水乳状液。应用 Brookfield DV 布氏黏度计在温度为 50、剪切速率为 7 34 s1的条件下，对乳状液的黏度进行测定;应用 TX 500C 型界面张力仪在转速为 5 000 r/min 的条件下，对乳状液的界面张力进行测定。不同含水率条件下的乳状液黏度和界面张力如图 1 所示。当乳状液的含水率为 20%50%时，其黏度随着含水率的增大而增大，油水界面张力随着含水率的增大而不断降低。这说明乳状液含水率的增大加剧了油水两相之间的乳化行为。在实际施工过程中，随着吞吐周期的增加，含水率会不断增加，这将15DOI:10.19406/ki.cqkjxyxbzkb.2023.01.016王传军，等:蒸汽吞吐开采中的原油乳化特征及有效破乳体系研究严重影响稠油蒸汽吞吐的施工效果，所以有效预防原油乳化十分必要。图 1不同含水率条件下的乳状液黏度和界面张力12原油组分对原油乳化效果的影响对原油进行蒸馏分离，配制成组分不同的原油(见表 1)，然后将其与地层水以体积比 1 1混合，并通过吴茵搅拌器加以搅拌而形成乳状液，最后测试其黏度和界面张力。不同沥青质含量下的乳状液黏度和界面张力如图 2 所示。表 1原油组成序号饱和烃/%芳香烃/%胶质/%沥青质/%1533625 2420 500902503424 0323 791843482725 1122 72390图 2不同沥青质含量下乳状液表观黏度和界面张力变化随着原油组分中沥青质含量的增加，乳状液表观黏度呈上升趋势，界面张力不断下降。这是因为沥青质中部分活性物质在原油乳化过程中充当表面活性剂，促进了油水的乳化，乳状液含量不断增加。在实际矿场应用过程中，随着蒸汽吞吐轮次的增加，原油中的轻质组分不断被萃取，地层条件下的原油重质组分含量不断增加，这将导致原油乳化的加剧。2乳化机理研究采用介观模拟对原油乳状液的乳化机理进行研究。介观模拟(mesoscale simulation)主要针对介观尺度下各种复杂流体的流动行为4，是宏观尺度和微观尺度之间的桥梁5。分子模拟技术可以对参与乳化的各组分进行分子动力学建模，以完成乳化性能的参数化转化，并在介观层面对乳化机理进行分子模拟分析6。21分子模拟模型的构建动力学模拟的运动为大量粗粒化珠子受力运动的宏观表现6。粗粒化珠子之间存在相互作用力，可根据功能将其分为 3 种:一是粗粒化珠子间摩擦耗散的耗散力;二是粗粒化珠子之间相斥的保守力;三是布朗随机运动的随机力7。根据 Flory Huggins 溶解理论在稠油乳化体系中建立原油基本模型及各组分的分子模型，如图3 所示。原油基本模型中，红色部分表示轻质油组分，绿色部分表示胶质与沥青质组分。沥青质组分聚集成为原油重质组分的内核，轻质组分则包裹在重质组分的外侧。由组分极性分析可知，原油中极性较强的沥青质组分被极性稍弱的芳香烃和长链烃所包围，而芳香烃与长链烃因极性相差不大而相互融合。应用 MS 软件建模:首先，对粗粒化珠子进行划分;然后，对各粗粒化珠子的溶解度进行计算，粗粒化珠子溶解度计算相关参数如表 2 所示;最后，在DPD 中模拟粗粒化珠子的力场参数(见表 2)。目标油藏中，原油的密度为 0 983 g/cm3，原油中重质组分占比为 14 31%，轻质组分占比为85.69%。在此基础上，构建稠油蒸汽吞吐模型。采用 Amorphous cell 模块建立各体系的无定形晶胞，晶胞盒子中含有 20 个单位的分子结构，将其密度设定为 1 g/cm3。使用 Forcite 中的 Geometry Optimiza-tion 与 Energy 任务分别对晶胞的结构、能量进行优化，模拟精度选择 Fine，力场选择 COMPASS，范德华力与库仑力选择 Ewald。25王传军，等:蒸汽吞吐开采中的原油乳化特征及有效破乳体系研究图 3原油基本模型及各组分的分子模型22原油乳化模拟及机理分析向原油模型中输入 30%的水分子，构建含水率为 30%的油水乳状液模型(见图 4a);向原油模型中输入 40%的氮气分子，构建油气乳状液模型(见图 4b);向原油模型中输入 20%的水分子、10%的氮气分子，构建油气水三相混合的乳状液模型(见图 4c)。其中，红色部分表示原油轻质组分，绿色部分表示原油重质组分，深蓝色部分表示水组分。表 2粗粒化珠子溶解度计算相关参数体系划分能量参数/(kmol1)相互作用参数轻质原油3455901芳香烃组分3510903沥青质组分3595906氮气组分5466971水分子组分78551055图 4原油乳状液模型示意图如图 4a 所示，油水乳状液模型中，原油组分将水组分包裹，原油中的胶质组分在油水相之间形成界面膜，最终形成圆形的油包水乳状液。分析认为，原油中的重质组分充当了表面活性剂，促进了原油的乳化作用。如图 4b 所示，油气乳状液模型没有形成稳定性的界面膜，虽然气相分子被原油包裹，但在该体系内，原油中大多数重质组分单独存在，不与气相发生特殊作用。所以，当乳状液形成后，油相与气相极易分离，难以形成稳定的乳状液。如图 4c 所示，明显不同于油水乳状液和油气乳状液，在油气水三相乳状液模型中，被原油组分包裹的水相与气相相互混合发生乳化，但是原油组分中的沥青质更倾向于包裹水相，气相的稳定性较差，油气水三相无法形成稳定的界面膜，最终导致乳状液的稳定性下降。采用分子模拟技术对不同乳状液模型的界面强度进行分析，结果如图 5 所示。在油水乳状液模型中，油水两相间的界面膜出现明显聚集，与油气、油气水三相乳状液模型相比，其粒子密度高 1 倍以上;油水乳化液模型的界面膜强度远远高于其他乳状液模型。乳状液的界面强度一定程度上反映了乳化的稳定性，当乳状液模型中只含油水两相时，强度较高的界面膜会阻止油水的运移，从而使乳化液的稳定35王传军，等:蒸汽吞吐开采中的原油乳化特征及有效破乳体系研究图 5不同乳状液模型的界面强度分析性得到提高。当乳状液模型中存在气相时，气相极易在油相界面处发生扩散，从而使界面密度大幅下降，最终导致体系的稳定性下降。若要解决稠油开发中由蒸汽吞吐而产生的乳化现象，就需破坏原本高密度的油水界面，使油水在斥力的作用下相互分离，并且阻止油水之间的相互扩散。3破乳剂的优选及评价31破乳剂分子的优选针对目标油藏蒸汽吞吐过程中存在的乳化现象，优选出 3 种耐高温的破乳剂8:一是苯环类耐高温破乳剂，适用于稠油类型破乳;二是阳离子酰胺类破乳剂，由羧酸和胺类反应得到，该类型破乳剂适合较高温度的破乳;三是乙烯基改性类破乳剂，由乙烯基聚合得到，适用于高凝、稠油类型的破乳，且破乳所需温度较高。破乳剂分子模型如图 6 所示。图 6破乳剂分子模型32不同破乳剂作用下的油水界面特征建立环境温度为 50、含水率为 30%的油水乳状液模型，向模型中加入1%的破乳剂，利用分子模拟技术对其进行模拟。破乳剂作用下的油水界面特征如图 7 所示。图 7破乳剂作用下的油水界面特征由图 7a 可知，在稳定的油水乳状液模型中加入苯环类耐高温破乳剂后，乳状液最终呈现稳定的油水分离的状态，实现了高效破乳。这是由于苯环类耐高温破乳剂逐渐裹挟油相中的沥青质，打破了原有油包水乳状液的平衡，使界面张力恢复到原有的油水界面张力条件。由图 7b 可知，在油水乳状液模型中加入阳离子酰胺类破乳剂后，乳状液油水之间形成形态不完整的界面膜。这表明阳离子酰胺类破乳剂具有一定的破乳效果，但稳定性较差。由图 7c 可知，在油水乳状液中加入乙烯基改性类破乳剂后，稳定的油水乳状液形态发生变化，油水45王传军，等:蒸汽吞吐开采中的原油乳化特征及有效破乳体系研究之间稳定的油水界面膜被破坏，油水混相状态更加严重。这说明乙烯基改性类破乳剂在一定程度上加强了油水之间的乳化作用。基于径向分布扩散性对油水分离效率进行评价，3 种破乳剂的破乳动力学分析扩散图如图 8 所示。扩散无序区是指破乳剂分子向油水开始作用的扩散区域;油水分离区是指在破乳剂分子的作用下，油水形成稳定分层。图 83 种破乳剂的破乳动力学分析扩散图由图 8 可知，3 种破乳剂分子在乳状液中的扩散时间基本一致。当破乳剂分子完成扩散，乳状液达到稳定状态时，苯环类耐高温破乳剂的扩散系数高于其他 2 种破乳剂，从动力学角度证明了苯环类耐高温破乳剂破乳分离效果较好。33破乳体系的室内效果评价研究苯环类耐高温破乳剂是澄清的液体，可溶于甲醇、乙醇等极性溶剂，pH 为 9 6，相对密度为 0 85 0.90 g/cm3。将适量苯环类耐高温破乳剂加入到含水率为 30%的油水乳状液中，采用 TX 500C 型界面张力仪对其油水界面张力进行测试，测试结果如图9 所示。油水发生乳化后，乳状液的界面张力较低，加入适量苯环类耐高温破乳剂后，体系界面张力不断增大。这表明加入破乳剂后，乳状液体系内部的乳化作用明显减弱，苯环类耐高温破乳剂破乳效果较好。研究结果进一步验证了分子模拟技术的可行性，也为目标油藏蒸汽吞吐提供了技术支持。图 9乳状液油水界面张力4结语当原油含水率为 20%50%时，含水率越高，原油重质组分含量越高，乳化越严重。油水乳状液稳定，形态规则;油气乳状液的稳定性差;油水气三相的稳定性较差，但依然能够相互包裹形成乳状液。苯环类耐高温破乳剂可降低目标油藏油水界面张力，实现有效破乳。参考文献 1 MOUSAVI S H，GHADII M，BUCKLEY M Electro Coalescence of Water Drops in Oils Under Pulsatile ElectricFieldsJ Chemical Engineering Science，2014，120:130 142 2 郭睿，马丽娟，闫育蒙，等 丙烯酸改性腰果酚聚醚稠油破乳剂的合成与应用性能 J 精细化工，2020，37(7):1484 1492 3 渠慧敏，吴琼，张广中，等 原油乳化及乳液稳定性的影响因素和破乳技术研究进展J 精细石油化工进展，2021，22(6):6 10 4 靖波，张健，谭业邦 疏水缔合聚合物溶液性质的耗散颗粒动力学模拟 J 油田化学，2013，30(1):47 50 5 裴世红，王梓旭，陶洋 改性丙烯酸系破乳剂的合成及其性能 J 石油化工，2018，47(11):1234 1240 6 李佳萱 Materials_Studio 软件与高分子材料的结合应用 J 冶金与材料，2021，41(3):62 63 7 李刚 超稠油低温破乳剂技术研究 D 成都:西南石油大学，2013:1 8 8 李仲伟 聚合物驱原油破乳剂的研究及应用 D 济南:山东大学，2017:9 1255王传军，等:蒸汽吞吐开采中的原油乳化特征及有效破乳体系研究Study on Emulsification Characteristics and Effective DemulsificationSystem of Crude Oil During Steam Huff and Puff ProductionWANG Chuanjun1ZHANG Hong1WANG Manyi1CHEN Laiyong1SUN Jun2ZHOU Wenchao2ZHU Shijie3(1 CNOOC Tianjin Branch，Tianjin 300452，China;2 Engineering Technology Branch of CNOOC Energy Development Co Ltd，Tianjin 300452，China;3 School of Petroleum and Natural Gas Engineering，Chongqing University of Scienceand Technology，Chongqing 401331，China)Abstract:The emulsification of heavy oil has seriously affected the production effect of steam huff and puff Clarif-ying the emulsification mechanism of crude oil and optimizing the effective demulsification system are the basis forrealizing the efficient development of steam huff and puff in heavy oil reservoirs The influence of different watercontent，crude oil composition on crude oil emulsification is studied through laboratory experiments With the helpof Materials Studio molecular simulation technology，the research on crude oil emulsification mechanism and the op-timization of demulsifier is carried out The results show that the oil water emulsion in the produced fluid has goodstability and high viscosity，and is easily detained near the well，thus affecting the development effect of the reser-voir The benzene ring high temperature resistant demulsifier can effectively improve the interfacial tension property ofoil water emulsion，peel off oil water emulsion interface layer，and realize demulsification and viscosity reductionKey words:steam huff and puff;water in oil emulsion;Materials Studio molecular simulation;benzene ringdemulsifier(编辑:张兰)(上接第 30 页)Fine Characterization of Sand Body in N Oilfield，WeizhouPENG Jun1MA Guangke2LIU Wei1CHEN Zuyin2TANG Xu1(1 Zhanjiang Branch of CNOOC(China)Co Ltd，Zhanjiang Guangdong 524057，China;2 Hainan Branch of CNOOC(China)Co Ltd，Haikou 570312，China)Abstract:The seismic event axis of N Oilfield(Weizhou Sag)in the second oil formation of the first member of Li-uzhou formation is extremely continuous，but in actual drilling the types of sand bodies encountered at the high andlow parts of the structure are different In order to solve this problem，many methods have been used to carry outthe fine characterization of sand bodies in this oil formation Firstly，the seismic resolution of the oil formation isanalyzed from the seismic data and spectral blueing is used to improve the seismic resolution to identify the sandbody distribution between wells of the oil formation Secondly，based on the seismic data with improved resolution，geophysical inversion method is used to realize fine description of sand body Compared with conventional wave im-pedance inversion，waveform indication inversion has higher resolution and better coincidence with actual drillingconditionsKey words:Weixinan;reservoir;spectrum blueing;longitudinal wave impedance;waveform indication(编辑:武海燕)65