二氧化碳驅(qū)采出液消泡劑研究

馬曉紅 姜垣良 任遠(yuǎn) 吳魚峰

摘 ?要：吉林油田是國(guó)內(nèi)二氧化碳驅(qū)的重點(diǎn)示范油田，隨著項(xiàng)目的進(jìn)行，CO₂驅(qū)采出流體的物性變化日趨明顯，CO₂在水中、油中的溶解度高于天然氣，發(fā)泡作用明顯。在吉林先導(dǎo)試驗(yàn)中，常規(guī)油氣分離器分離后氣體中攜液嚴(yán)重，液體中帶氣嚴(yán)重，致使氣液計(jì)量誤差大，同時(shí)放空氣體形成了油雨。本文以吉林油田CO₂驅(qū)油先導(dǎo)試驗(yàn)為例，對(duì)CO₂驅(qū)采出液消泡技術(shù)進(jìn)行探索。

關(guān)鍵詞：二氧化碳驅(qū);采出液;消泡劑;消泡性能

中圖分類號(hào)：TE39;TE357.14 ????文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A??文章編號(hào)：1671-2064（2019）16-0000-00

1 二氧化碳驅(qū)采出液起泡機(jī)理

1.1 原油起泡機(jī)理及對(duì)油田生產(chǎn)的危害

泡沫生成機(jī)理主要包括：液膜滯后、縮頸分離和液膜分?jǐn)?。液膜滯后是氣體注入液體速度低于臨界流速時(shí)泡沫產(chǎn)生的主要機(jī)理?？s頸分離是高速攪拌條件下泡沫產(chǎn)生的主要機(jī)理。薄膜分?jǐn)嗍钱a(chǎn)生泡沫的第三種機(jī)理。上述三個(gè)機(jī)理中，薄膜分?jǐn)鄧?yán)格的說(shuō)是泡沫的運(yùn)移機(jī)理而不是泡沫的產(chǎn)生機(jī)理，泡沫產(chǎn)生的主要機(jī)理是縮頸分離和液膜滯后，一般認(rèn)為縮頸分離是產(chǎn)生泡沫最主要的機(jī)理，它能產(chǎn)生穩(wěn)定的泡沫。

原油的起泡性，在測(cè)定含水量和含油量時(shí)，需要花費(fèi)更多的時(shí)間才能準(zhǔn)確計(jì)量原油;造成分離器出現(xiàn)假性液面，導(dǎo)致分離器的液面很難控制;減小了分離器集液部分和重力沉降部分的有效體積，使分離器和離心泵工況惡化，嚴(yán)重影響油氣分離效果。

1.2 二氧化碳驅(qū)采出液起泡的特殊性與消泡劑的研究方向

二氧化碳驅(qū)造成的原油起泡，與現(xiàn)有的起泡原油存在著本質(zhì)的區(qū)別。一是起泡的主要原因和機(jī)理不同，二是起泡氣體存在的狀態(tài)不同。因此，對(duì)于二氧化碳驅(qū)采出液的消泡，要解決如下幾項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題：

具有一定極性的二氧化碳作為起泡氣體時(shí)，其與原油、水中存在著物理和化學(xué)的雙重作用，其析出和起泡過(guò)程更為復(fù)雜。消泡劑必須能夠適應(yīng)二氧化碳?xì)馀菖c原油間界面膜的特殊作用形式。

大量的二氧化碳細(xì)微氣泡在與原油分子間存在分子間力的情況下，分散于原油中，其析出并造成原油起泡的過(guò)程漫長(zhǎng)。消泡劑必須能夠快速將穩(wěn)定地分散于原油中的二氧化碳?xì)馀菥鄄?、長(zhǎng)大，快速?gòu)脑椭蟹蛛x出來(lái)，在短時(shí)間內(nèi)徹底解決二氧化碳與原油的分離及起泡問(wèn)題。以亞穩(wěn)定狀態(tài)存在于采出水中的二氧化碳，是原油存在持續(xù)起泡的主要原因。

2 消泡劑的研究

2.1 消泡劑的合成

根據(jù)以上研究，確定所要研制的JLX原油消泡劑應(yīng)以有機(jī)硅為消泡主劑，以適當(dāng)?shù)木勖炎鳛橐峙葜鲃?，同時(shí)兼顧微乳增溶，確保所研制的JLX系列原油消泡劑具有較好的消泡性能和穩(wěn)定性。具體的分子結(jié)構(gòu)確定時(shí)，就同時(shí)考慮消泡劑必須是易于在溶液表面鋪展的液體;消泡劑必須同時(shí)兼顧消、抑泡作用，即不但應(yīng)該迅速使泡沫破壞，而且能在相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)間內(nèi)防止泡沫生成。從而確定消泡劑的主體結(jié)構(gòu)定為有機(jī)硅上加聚EO和PO，通過(guò)調(diào)節(jié)其比例和不同聚合方式賦予其應(yīng)有特性。

（1）消泡主劑的合成。

原料：含氫聚硅氧烷PHMS;烯丙基聚醚;二甲基硅油;羥基硅油。

合成步驟：按設(shè)計(jì)的分子結(jié)構(gòu)要求，將定量PHMS、丙烯基聚醚加入裝有攪拌器、回流冷凝管、溫度計(jì)的高溫高壓合成裝置中，通N₂攪拌置換氧氣10min。攪拌升溫至60～120℃，滴入鉑催化劑反應(yīng)數(shù)小時(shí)。于0.01MPa下，減壓30min，以除去低沸物，得到聚醚有機(jī)硅PESO。

（2）抑泡劑的合成。

主要原料與試劑：多元醇;環(huán)氧丙烷;環(huán)氧乙烷;增效劑;二甲苯;催化劑。

主要合成步驟：按分子結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的要求，將一定量的多元醇及催化劑加入高壓反應(yīng)釜中，封釜，用氮?dú)獯祾咭耘疟M釜內(nèi)空氣;抽真空后，將釜溫升至125℃～130℃，再抽真空，控制溫度為130±5℃，壓力在0.3MPa以下，按規(guī)定的比例連續(xù)投加PO，待加完后，繼續(xù)反應(yīng)0.5h，待釜壓降為零，說(shuō)明反應(yīng)已經(jīng)完全，降溫出釜得中間產(chǎn)品。將中間產(chǎn)物和按0.3%比例加入的催化劑一并加入高壓反應(yīng)釜，封釜，用氮?dú)獯祾咭耘疟M釜內(nèi)空氣，抽真空后，將釜溫升至125℃～130℃，再抽真空，控制溫度在125±5℃，壓力在0.3MPa以下，按規(guī)定的比例連續(xù)投加EO，待加完后繼續(xù)反應(yīng)0.5h，釜壓降為零后，降溫出釜，即得到目標(biāo)產(chǎn)物。

（3）消泡劑主劑結(jié)構(gòu)優(yōu)化試驗(yàn)。

結(jié)構(gòu)優(yōu)化過(guò)程中的消、抑泡性能評(píng)價(jià)采用羅氏泡沫儀進(jìn)行測(cè)試。試驗(yàn)優(yōu)化了結(jié)構(gòu)對(duì)消泡劑性能的影響，端基型PESO消泡劑的消泡和抑泡性能明顯好于相應(yīng)的側(cè)鏈型PESO。聚醚相同時(shí)聚醚鏈長(zhǎng)的影響：隨著聚氧乙醚基團(tuán)EO 數(shù)的增加，消泡及抑泡性能都呈現(xiàn)出下降趨勢(shì)。不同聚醚結(jié)構(gòu)及鏈長(zhǎng)的影響：聚氧丙烯醚基團(tuán)的引入，改善消泡劑性能，但乳化越難、穩(wěn)定性越差，不利于貯存。PESO中-Si-O-聚合度的影響：硅氧烷鏈的增長(zhǎng)提高消泡和抑泡性能，同時(shí)使得在復(fù)配工藝中乳化困難，其產(chǎn)物極不穩(wěn)定。優(yōu)化后消泡劑組成的確定包括確定各主劑結(jié)構(gòu)及配比、增效助劑的結(jié)構(gòu)與比例的配方組成。

2.2 消泡劑的性能測(cè)試

2.2.1 試驗(yàn)方法

針對(duì)二氧化碳驅(qū)采出液起泡的實(shí)際情況，消泡試驗(yàn)選擇二氧化碳?xì)庾鳛楣呐輾怏w。

2.2.2 試驗(yàn)內(nèi)容及結(jié)論

根據(jù)生產(chǎn)過(guò)程中可能出現(xiàn)的不同生產(chǎn)工況，進(jìn)行了不同條件下的消泡試驗(yàn)，以確定消泡劑在不同工況下的適用性。

（1）氣體流量對(duì)原油起泡體積的影響。準(zhǔn)確量取30mL原油于帶砂芯的鼓泡器中，在60℃條件下，分別通入不同流量（100、200、300、400、500、600mL/min）的CO₂氣體進(jìn)行發(fā)泡實(shí)驗(yàn)。在10min 中內(nèi)記錄鼓泡器內(nèi)泡沫的體積變化情況，確定氣體流量對(duì)發(fā)泡體積的影響規(guī)律。

隨著CO₂氣體流量的增大，原油起泡體積有所降低。這主要是由于氣流量的增大使原油泡沫承受壓力增大，使一些穩(wěn)定性較低的泡沫發(fā)生破裂，導(dǎo)致泡沫體積有所降低。

（2）鼓氣時(shí)間對(duì)原油起泡體積的影響。準(zhǔn)確量取30mL原油樣品，盛于帶有砂芯的鼓泡器中，在60℃，氣流量分別為100mL/min和300mL/min的條件下，分別觀察鼓氣時(shí)間為1min、3min、5min、10min、15min、30min時(shí)原油起泡體積的變化情況，確定鼓氣時(shí)間對(duì)原油起泡性能的影響規(guī)律。

原油起泡體積在最初開始鼓氣過(guò)程中出現(xiàn)一個(gè)先升高再略降低的趨勢(shì)，當(dāng)起泡體積在鼓泡時(shí)間接近5min時(shí)，氣泡破裂速率與新起泡產(chǎn)生速率達(dá)到平衡，原油起泡體積達(dá)到穩(wěn)定，繼續(xù)延長(zhǎng)鼓泡時(shí)間，起泡體積沒(méi)有明顯變化。從而表明，當(dāng)原油起泡達(dá)到穩(wěn)定后，延長(zhǎng)鼓泡時(shí)間并不會(huì)對(duì)原油起泡體積造成顯著影響。

（3）溫度條件對(duì)原油起泡體積的影響。通過(guò)對(duì)比不同溫度下原油樣品起泡體積，研究溫度對(duì)原油起泡體積的影響。隨著溫度的升高，原油起泡體積隨之降低。這主要是由于隨著溫度的升高，泡沫表面彈性降低，導(dǎo)致泡沫穩(wěn)定性降低。另外，溫度升高，油粘度降低，泡沫穩(wěn)定性下降，從而導(dǎo)致隨著溫度的升高，原油起泡體積有所降低。

（4）消泡劑對(duì)原油樣品的消泡性能測(cè)定。將合成的JXP消泡劑與現(xiàn)有同類消泡劑分別在相同條件下，測(cè)試對(duì)原油樣品的消泡性能。準(zhǔn)確量取30mL原油樣品，盛于帶有砂芯的鼓泡器中，在50℃，氣流量為100mL/min，鼓氣時(shí)間10min，加藥量為10mg/L的條件下，比較不同消泡劑對(duì)原油樣品的消泡性能。

如表1所示，通過(guò)對(duì)6種不同消泡劑的消泡性能的比較，消泡劑JXP具有較好的消泡性能，加入消泡劑JXP后，原油樣品起泡體積降低至6mL，其消泡率高達(dá)92.50%。其他消泡劑明顯低于JXP的消泡效果。因此，后續(xù)消泡測(cè)試選擇JXP消泡劑進(jìn)行試驗(yàn)。

（5）加藥量對(duì)原油樣品起泡體積的影響。在氣體流量、溫度以及鼓起時(shí)間不變的條件下，研究不同加藥量對(duì)原油樣品起泡體積的影響。隨著加藥量的增加，原油樣品起泡體積明顯減少，消泡劑JXP的消泡率明顯提高。當(dāng)加藥量大于1.67mg/L時(shí)，其消泡率達(dá)到90%以上，繼續(xù)增加消泡劑用量，其消泡效果未見明顯改善。因此從成本與效果上綜合考慮，選擇加藥量為1.67～2.00mg/L比較適宜。

（6）不同條件對(duì)消泡劑消泡性能的影響。對(duì)加入消泡劑的油樣進(jìn)行不同條件下的鼓泡實(shí)驗(yàn)，分別測(cè)試鼓氣速度（100、200、300、400、500、600 mL/min）、鼓氣時(shí)間（1、3、5、10、15、30 min）、實(shí)驗(yàn)溫度（50、55、60、65、70 ℃）不同條件對(duì)消泡劑消泡性能的影響。

當(dāng)加入消泡劑后，雖然原油的起泡體積仍表現(xiàn)出隨著氣流量的增加而降低，但其降低程度并不十分顯著?？梢哉J(rèn)為加藥后鼓氣速度對(duì)消泡劑的消泡性能并未產(chǎn)生明顯的影響。

當(dāng)原油中加入消泡劑JXP（1.67mg/L）后，隨著鼓氣時(shí)間的延長(zhǎng)，其起泡體積并未有明顯的變化，表明鼓氣時(shí)間的延長(zhǎng)并未對(duì)原油消泡劑JXP的消泡性能造成顯著的影響。

當(dāng)原油加入消泡劑JXP后，其起泡體積并未隨溫度的升高而表現(xiàn)出明顯的變化，表明鼓泡溫度從50℃升高到70℃并未對(duì)消泡劑JXP的消泡性能造成明顯的影響。

（7）對(duì)消泡劑穩(wěn)定性的研究。向裝有30mL原油樣品的鼓泡器中加入一定量的消泡劑，持續(xù)鼓泡90min，觀察不同鼓泡時(shí)間下原油樣品起泡體積的變化情況。對(duì)加藥后的原油樣品進(jìn)行7次重復(fù)鼓泡實(shí)驗(yàn)，比較每次實(shí)驗(yàn)過(guò)程中原油的起泡體積變化情況，研究消泡劑在原油中的性能衰減情況。

延長(zhǎng)鼓泡時(shí)間，并未使消泡劑的消泡性能明顯降低，表明消泡劑JXP具有較為穩(wěn)定的消泡性能。

在油樣加藥后重復(fù)進(jìn)行鼓泡實(shí)驗(yàn)，在經(jīng)過(guò)7次重復(fù)鼓泡實(shí)驗(yàn)結(jié)果中可以看出，加藥后對(duì)油樣進(jìn)行重復(fù)鼓泡實(shí)驗(yàn)，起泡體積并未發(fā)生明顯變化，表明消泡劑在重復(fù)實(shí)驗(yàn)后仍具有優(yōu)異的消泡性能。

（8）現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)。試驗(yàn)優(yōu)選的消泡劑通過(guò)加藥裝置在接轉(zhuǎn)站進(jìn)行連續(xù)加藥。加藥后，分離器氣體出口現(xiàn)場(chǎng)取樣可以清晰判斷攜液明顯減弱，進(jìn)行了壓力排放試驗(yàn)，未出現(xiàn)油雨現(xiàn)象，同時(shí)氣、液相計(jì)量誤差率降低，能夠滿足接轉(zhuǎn)站計(jì)量要求。

3 結(jié)論

通過(guò)對(duì)油樣起泡性能及應(yīng)用消泡劑進(jìn)行消泡效果的研究發(fā)現(xiàn)：

（1）在CO₂驅(qū)油過(guò)程中，隨著CO₂氣流量的增大，原油起泡體積有所降低。（2）當(dāng)鼓氣時(shí)間大于5min時(shí)，油樣產(chǎn)生的泡沫體積趨于一個(gè)穩(wěn)定值，延長(zhǎng)鼓泡時(shí)間，泡沫體積無(wú)明顯變化。（3）隨著溫度的升高，泡沫表面彈性降低、原油粘度降低，從而導(dǎo)致泡沫穩(wěn)定性降低，原油起泡體積略有降低。（4）通過(guò)對(duì)6種不同消泡劑對(duì)原油泡沫消泡效果的比較，JXP消泡劑具有優(yōu)異的消泡效果，其消泡率高達(dá)90%以上，并且JXP消泡劑表現(xiàn)出用量少，效果明顯的特征，同時(shí)具有優(yōu)異的消泡穩(wěn)定性。

收稿日期：2019-07-10

作者簡(jiǎn)介：馬曉紅（1976—），女，漢族，吉林松原人，本科，開發(fā)部總工程師，高級(jí)工程師，研究方向：長(zhǎng)期從事油田地面工程設(shè)計(jì)與研究。