稠油乳化降粘减阻输送技术进展

任玉洁　谷俐　吴玉国　齐超　于欢

摘 要：稠油具有密度大、粘度高的特点，采用传统的加热输送工艺存在能耗高等弊端，研究加热输送以外的稠油降粘减阻输送技术具有重要意义。重点介绍了稠油乳化降粘减阻输送技术的原理与技术经济特性、乳化降粘剂的类型与筛选方法、乳状液稳定性的评价方法及其影响因素、破乳的机理与改善破乳效果的措施，并介绍了典型的稠油乳化降粘减阻输送技术应用的工程实例，最后总结分析了该技术现存的问题、发展方向，指出了进一步研究的重点。

关 键 词：稠油；乳化降粘；减阻；破乳 ； 技术经济特性

中图分类号：TE 832 文献标识码： A 文章编号： 1671-0460（2015）09-2215-04

Abstract： Due to its outstanding features of lager density and high viscosity， the heavy oil is generally transported by heating oil pipelining. But the conventional process has several disadvantages， such as high energy consumption and so on. So it is important to study the other friction reduction transportation technologies. In this paper， the principle and technical-economic characteristics of friction reduction transportation technology by emulsification and viscosity reduction for heavy oil were discussed as well as types of emulsifying viscosity reducer and the screening method， the evaluation method and influence factors of emulsion stability and the principle of demulsification and measures to improve demulsification effect. And the typical engineering examples of friction reduction transportation technology by emulsification and viscosity reduction for heavy oil were also introduced. Finally， the existing problems and development direction of this technology were summarized and analyzed. In addition， the focal point of the further study was pointed out.

Key words：Heavy oil； Emulsion viscosity； Friction reduction； Demulsification； Technical and economic characteristics

稠油，亦称重油，因为胶质、沥青质等重组分含量高，导致其具有密度大、粘度高的突出特点。我国辽河油田、胜利油田、新疆风城油田等所产原油大部分均是稠油，甚至是特稠油（API密度小于10）。加之这些油田开始陆续进入开发周期的末段，稠油的比例呈现出不断增大的趋势。虽然，稠油可以采用传统的加热输送工艺，但是加热输送工艺存在许多弊端，如输送能耗高、需要设置加热站、停输时间较长时易发生凝管事故、存在允许最低输量等。因此，国内外近些年来一直在尝试和研究加热输送以外的稠油降粘减阻输送技术，其中之一就是水包油乳化降粘减阻技术。

1 技术原理与技术经济特性

水包油乳化降粘输送是将稠油以很小的液滴（几微米至几十微米）分散于水中，形成油为分散相、水为连续相的水包油乳状液，使高粘稠油与管壁之间的摩擦和高粘稠油的内摩擦转变成了低粘的水与管壁之间的摩擦和低粘的水与高粘稠油液滴之间的摩擦，摩擦系数显著降低，从而使管道输送的摩阻大大降低[1]。

制备出稳定性好的水包油乳状液是该技术的关键，只有这样才能经受管输过程中各种剪切和热力作用，而不至于被破坏。若乳状液在管道内反相为油包水乳状液（其粘度比相同温度下纯原油的粘度还高），其后果将是灾难性的。

实施稠油乳化降粘的第一步是使用一定量的乳化降粘剂和矿化水配制成活性水（加水量的多少取决于原油的含水量，但含水量一般应大于20%，否则容易形成W/O型的乳状液），第二步是将配制好的活性水按一定比例注入稠油中，通过搅拌等方法使之混合充分，形成粘度明显降低的O/W型乳状液[2]。

1.1 稠油降粘剂的降粘作用机理

稠油中加入降粘剂发挥降粘作用主要体现在以下几个方面：

乳化转向作用。由于活性剂分子的乳化转向作用，降粘剂在其作用下，更有利于形成O/W型的乳状液，从而降低分子间的摩擦力、增强稠油的流动性。

降低油水界面张力。在表面活性剂的作用之下，原油中的油相与水相的界面张力大大降低，能够形成粘度很低的水包油型（O/W）乳液，从而加强原油的流动性能。

润湿降阻作用。在表面活性剂的作用之下，原油分散形成O/W型乳状液，输油管道表面的稠油膜受到破坏，其表面润湿性转变为亲水性，进而形成连续的水膜、降低摩阻。

1.2 技术经济特性

将稠油进行乳化形成水包油乳状液状态后，粘度大幅降低，且水包油乳状液的粘温曲线比较平缓，使得稠油乳化降粘输送技术比常规的加热输送方法在热力及动力消耗方面具有很强的竞争力，即显著节省燃料费用及动力费用。但是该技术也增加了其它方面的成本，乳化剂费用、乳状液制备的费用，制作乳状液需要大量水，取水、水处理需要一定的费用，真正需要输送的是稠油，采用乳化降粘输送技术相当于额外增加了一定量的输水任务，一定程度增加了输送费用，这与原油输量及掺水比例有关。稠油乳化后所得的乳化油如果不用作燃料油而是运往炼厂进行加工，还需要进行破乳工作，也增加了费用。只不过所增加费用中的主要部分与输送距离的关系不大，如乳化剂成本，乳状液制备、取水、水处理和破乳所产生的费用等。因而，水包油乳化输送技术在输送距离较长的情况下，其经济性优势明显。加拿大学者所进行的核算表明，当输送距离为 322～644 km时，乳化稠油所需的乳化剂费用为0.5～1.0加元/桶油；而当输送距离增加至2 400～

3 220 km时，因对乳状液稳定性要求提高，乳化剂费用大约要增加 50%～100%[1][3]。以24 in（609.6 mm）的200 mile（321.9 km）管道为例，对稠油日输量20万桶条件下，乳化输送和掺轻油输送（稀释输送时稠油与稀油混合油日输量30万桶）的经济性进行了对比，结论是乳化输送比轻质油循环的掺轻质油稀释输送方式更经济[1，4]。

对于具体的稠油及其管道，乳化降粘输送的技术经济特性需要进行详细分析，以确定其技术的可行性以及在经济性上与传统的加热输送是否具有优越性。

2 乳状液的稳定性

2.1 O/W型乳状液稳定性的评价

乳状液的稳定性可以采用稳定性评分（SV）来进行表征：

2.2 影响O/W型乳状液稳定性的因素

影响稠油O/W型乳状液稳定性的因素较多。马文辉[5]等人开展了这方面的研究，认为影响因素包括表面活性剂的类型及其添加量、油水比、碱添加量、温度变化、振荡方式等。

于晓聪等人[6]考察了O/W型乳化原油转型的影响因素，包括胶质、沥青质、芳香分等，得出了原油的组份和性质是内在因素的结论，其中沥青质的影响相对比较大。也探讨了水质条件（一价、二价金属离子和pH值等）对O/W型乳化原油转型的影响，结论是二价金属离子和高矿化度是造成O/W乳化原油转型的主要原因。除此此外，对油水比、剪切速率等因素的影响也进行了研究：含水量低于20%时能够促使O/W型乳化原油的转型，含水高于50%时则不易形成稳定的O/W型的乳化原油；转型时间随着剪切速率的加快、温度的升高而变短；不同类型的表面活性剂引起O/W型的乳化原油转型程度不同，离子型表面活性剂的存在对转型起抑制作用，而且即便转型完全时，其转型后的粘度也比原油粘度要低。

增强O/W型乳化原油的稳定性、预防其转型的措施一般包括：降低原油粘度、优选合适的降粘剂及原油乳化降粘剂体系、优化并控制合理的乳化条件。

3 破 乳

采用乳化降粘输送技术将稠油处理成水包油乳状液进行输送，如果水包油乳状液或乳化油不用作燃料，管道输送终点处还需要进行破乳脱水工作。

3.1 破乳机理

对于原油O/W型乳状液破乳的机理，相关研究人员和学者做了大量的研究，概括起来有以下几种[4，7-13]：

（1）置换机理；

（2）膜排液机理；

（3）碰撞膜击破机理；

（4）润湿增溶机理；

（5）反离子作用机理；

（6）褶皱变形机理。

此外，刘梦绯等人[14]还进行了油水乳状液微波破乳研究，研究结果表明微波处理后的乳状液油水分离速度明显加快，研究确定了最佳破乳温度，分析了pH值、含盐量、微波辐射时间、含水率等因素对微波破乳效果的影响。

3.2 改善破乳效果的措施

依据破乳机理的分析，良好的破乳剂应具备的条件有：界面活性强，能置换液滴表面上的成膜物质；应具有中等油水溶解度，HLB值应在8～11范围内，既不完全水溶也不完全油溶；与原油中各组分无强烈的缔结作用，能够形成稳定性较差的新膜。

因稠油中胶质及沥青质等重组分含量高，导致其密度大、粘度高，这使得破乳脱水比较困难，对破乳剂提出了更高的要求。另一方面，稠油乳状液中所含有的沥青质、胶质、蜡晶等成分是天然的乳化剂，因而，它们的含量越高，导致原油乳状液更稳定，破乳难度越大。

为了增强破乳效果，可以在以下两个方面加强[15]：

（1）提高破乳剂的芳香度。

（2）提高破乳剂的润湿性能。

3.2 破乳的发展方向[16]

为实现充分利用资源、减少环境污染的目标，亟待开发出能耗低、无污染或污染较小的破乳脱水方法。

（1）绿色环保。在开展破乳方法优化及研发工作中，须对破乳的技术可行性、经济合理性和环境友好性予以充分考虑，向绿色环保的方向发展。

（2）多样性与多功能性。提倡通过改性或复配的方法使用破乳剂，以提高破乳剂的破乳性能，取得更佳的破乳效果。

（3）破乳方法的联合与改进。结合破乳机理，在相关理论研究的基础上，努力实现破乳方法的联合与改进。

4 工程实例

胜利孤东新滩垦东18块的采出液综合含水率高于70%，其中约50%～62%为乳化水，很容易形成W/O型的乳状液，而一旦形成W/O型的乳状液，表观粘度大幅升高，数倍于脱水油的粘度，为实现有效、经济地外输，必须进行降粘处理。相关研究人员，针对新滩W/O型稠油乳状液，在大量的室内试验的基础上，开发出了VRKD18型反相乳化降粘剂。于2002年11月，在新滩垦东451站-东四联管道上（管长24 km，管径273 mm×7 mm）进行了乳化输送现场试验。结果表明，方案可行，效果较好：垦东18稠油实施乳化降粘输送后，管道运行平稳，减阻率达到59.7%；相比于传统的加热、增压输送工艺，降低了燃料的消耗量，每年可节省运行费用约104×104元 [17]。

5 乳化降粘存在的问题及发展方向

研究人员对不同乳化降粘剂性质研究已经比较广泛，但是依然有较多的不足。目前，一些破乳脱水的方法在一定程度上还存在缺陷。虽然乳化降粘剂的种类非常多，但由于稠油组分的不同，对降粘剂的要求也不相同，导致乳化降粘剂对稠油的选择性都很强。对于不同种类的稠油选用何种降粘剂最适合以及降粘剂的结构与其性能的关系，尚无统一、确定的结果[17]。

相比于长距离稠油输送管道，水包油乳化降粘技术更多地应用于采油生产中的井筒流动减阻[1]。今后需进一步开展相关研究，使其能够更多地应用于长距离稠油输送管道。如，深入研究稠油的组成对乳化降粘效果的影响规律、乳化降粘剂的结构与其性能的关系，使降粘剂具有更强的适用性；结合表面活性剂和某些基团的特点，研究合成具有某些特定功能的新型的乳化降粘剂的新方法；研发易破乳脱水、价格低廉的乳化降粘剂[17]；改进和优化稠油管道乳化降粘减阻整个工艺过程，使之同传统加热输送相比更具经济性优势。

6 结束语

稠油乳化降粘技术原理已经比较清楚，且该技术一旦有效实施，减阻效果十分明显。但是，稠油乳化降粘管输技术的具体实施过程也是比较复杂的，也应采取比较审慎的态度。需要针对具体的稠油进行乳化剂的选定或开发、确定乳化工艺条件、水包油乳状液的流变性及其在管输条件下的稳定性等研究，如乳化油不作为燃料油使用还需要进行相关的破乳脱水研究，经过详细、全面的技术可行性和经济性分析得出该技术的可行性和经济性。这些是阻碍该技术推广应用的障碍所在，稠油乳化降粘减阻技术广泛应用于稠油管道输送之前还需要进行大量的相关实验研究和现场试验。

参考文献：

[1] 杨筱蘅. 输油管道设计与管理[M]. 山东 青岛： 中国石油大学出版社， 2006.

[2] 王付才，何涛，曹国民，等. 稠油乳化降粘剂的研究[J]. 石油炼制与化工， 2002，33（9）：40-43.

[3]Ri mmer， D P， Gregoli A A.， Hamsbar J A， Yildirim E. Pipeline emulsion transportation for heavy oils， In：Schra mm L L ed. Emulsion： Fundamentals and applications in the Petroleum Industry[J]. American Chemical Society， 1992：295-312.

[4]刘顺平.稠油低温破乳研究[D]. 大庆：东北石油大学， 2013.

[5]马文辉，梁梦兰，袁红，等. 稠油O/W型乳状液稳定性的研究[J]. 化工时刊， 2002，16（5）：23-26.

[6]于晓聪. O/W乳化原油转型原因及其对策研究[D]. 山东东营：中国石油大学（华东），2009.

[7]李平，朱建民. 原油乳状液的稳定与破乳机理研究进展[J]. 精细化工， 2001，18（2）： 89-93.

[8]夏立新， 张路. 原油乳状液稳定性和破乳研究进展[J].化学研究与应用， 2002，14（6）： 623-627.

[9]黄径， 唐娜.原油乳状液的稳定性研究与新型破乳剂研究进展[J].天津化工， 2007， 21（1）：10-13.

[10]任卓琳， 牟英华.原油破乳剂机理与发展趋势[J].油气田地面工程， 2005， 24（7）： 16-17.

[11]张健，向问淘，韩明，等. 乳化原油的化学破乳作用[J]. 油田化学， 2005， 22（3）： 283-288.

[12]余晓霞，蒲晓林.化学破乳法在钻井废水处理中的应用综述[J].油气田环境保护，2007，17（2）： 43-46.

[13]祁高明，吕效平.超声波原油破乳研究进展[J].化工时刊，2001， 15（6）： 11-14.

[14]刘梦绯.油水乳状液微波破乳机理研究[D]. 北京：北京化工大学， 2011.

[15]郭晓波，付晓恒，张付生等.破乳剂应用急需解决的新问题[J]. 精细与专用化学品， 2013， 21（2）： 11-13.

[16]陈和平.破乳方法的研究与应用新进展[J] .精细石油化工， 2012， 29（5）： 71-76.

[17]孟江， 任连城， 张燕，等. 稠油O/W乳状液现场管道输送试验分析[J]. 石油规划设计， 2012， 23（5）： 33-16.