原油脫水論文：原油脫水管控系統(tǒng)研究

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本文作者：付亞榮李冬青付麗霞作者單位：中國石油華北油田

基礎(chǔ)研究（學(xué)科分類：采油采氣工程其他學(xué)科）。團(tuán)隊創(chuàng)新建立不同物性原油流變模型Binghum本構(gòu)方程，揭示了影響原油低溫脫水的因素，在系統(tǒng)回答影響原油低溫脫水關(guān)鍵理論問題的基礎(chǔ)上，提出了不同原油脫水低溫破乳劑的研究方向。

以中間基原油低溫破乳劑研究為例進(jìn)行說明。中間基原油Binghum流體的流變模式為τ=87.31－0.102γ。根據(jù)原油的本構(gòu)方程和“改頭、交聯(lián)、復(fù)配”思路，研發(fā)出冀中南部中間基原油低溫脫水破乳劑及其制備方法，由此實現(xiàn)了現(xiàn)場節(jié)能減排。團(tuán)隊經(jīng)過大量調(diào)查研究后發(fā)現(xiàn)，苯酚、四乙烯五胺、甲醛在同一體系中能形成具有互補(bǔ)性、優(yōu)勢性、高活性的破乳劑“頭”——以甲苯封口、由酚醛、胺醛、酚胺樹酯混合而成。并打破常規(guī)束縛制備破乳劑干劑，將氫氧化鈉作為催化劑使中間體與環(huán)氧丙烷、環(huán)氧乙烷聚合，環(huán)氧氯丙烷封口，從而提高聚醚的活性。此外，團(tuán)隊創(chuàng)建了正交試驗復(fù)配現(xiàn)場破乳劑的生產(chǎn)模式。通過正交試驗確定合成低溫破乳劑CDKT－HB04的起始劑、催化劑等指標(biāo)（見表2）。通常，需要考察的指標(biāo)包括在45℃溫度并持續(xù)90分鐘狀態(tài)下得到的脫水率，以及污水水質(zhì)與界面。團(tuán)隊圍繞影響合成的7個因素，按照具體情況分別選出考察、比較的條件：（1）因素A（起始劑類型）：第一位級（水平）A1＝酚醛、胺醛、酚胺樹酯混合類，第二位級A2＝多乙烯多胺類；（2）因素B（催化劑類型）：第一位級（水平）A1＝氫氧化鉀，第二位級A2＝氫氧化鈉；（3）因素C（PO、EO的接鏈順序）：第一位級（水平）A1＝PO—EO，第二位級A2＝EO—PO；（4）因素D（封口劑類型）：第一位級（水平）A1＝環(huán)氧氯丙烷，第二位級A2＝醋酸；（5）因素E（反應(yīng)溫度）：第一位級（水平）A1＝120±5℃，第二位級A2＝125±5℃；（6）因素F（反應(yīng)壓力）：第一位級（水平）A1＝0.15MPa～0.30MPa，第二位級A2＝0.20MPa～0.40MPa；（7）因素G（反應(yīng)時間）：第一位級（水平）A1＝1～2小時，第二位級A2＝2～3小時。對于合成的CDKT－HB04，需要考察脫水率（40℃或45℃、90分鐘）、污水水質(zhì)與界面。通過8次試驗的合成結(jié)果，團(tuán)隊直接觀察發(fā)現(xiàn)A1B2C2D2E2F2G1合成條件較好；通過計算極差數(shù)據(jù)觀察發(fā)現(xiàn)A1B1C2D1E2F1G1合成條件較好。為掌握造成污水水質(zhì)清、界面不齊的原因，團(tuán)隊在此基礎(chǔ)上進(jìn)行了第二批正交試驗。在分析污水水質(zhì)界面的影響因素后，挑選出3個因素及其相應(yīng)位級實施正交試驗。選定的因素分別為：（1）起始劑類型，位級A1為四乙烯五胺、位級A2為酚醛樹酯；（2）封口劑類型，位級B1是環(huán)氧氯丙烷、位級B2是甲苯二異氫酸酯；（3）PO與EO接鏈順序，位級C1為PO—EO、C2為EO—PO。通過試驗發(fā)現(xiàn)，第一次試驗所得到的兩個合成組合，其效果一致（見表3）。冀中南部某油田屬中間基原油，脫水溫度65℃～70℃，每年升溫需要消耗大量自用燃油（不含水原油）。團(tuán)隊依照“改頭、交聯(lián)、復(fù)配”方式，研制出高效、適合中間基原油的低溫脫水破乳劑；并根據(jù)制定的合成路線，在室內(nèi)復(fù)配合成了36個低溫原油破乳劑樣品，用車城油田中間基原油按SY-5281對合成樣品進(jìn)行脫水性能評價。針對篩選出的10個具有較高脫水率和較快脫水速率的單劑，進(jìn)行單劑之間1:1總加量200mg/L的二元復(fù)配，試驗溫度為45℃。得到兩種復(fù)配破乳劑脫水率比劑提高幅度超過8.5個百分點。團(tuán)隊將脫水率、水質(zhì)作為評價指標(biāo)，對溫度、破乳劑加量、復(fù)配比例3個因素各取5個水平（溫度40℃～44℃，總加量分別為100、150、200、250、300mg/L，復(fù)配質(zhì)量比分別為3:1、2:1、1:1、1:2、1:3）進(jìn)行正交試驗。結(jié)果表明，3個因素中影響脫水率的極差不同：溫度對脫水率極差影響小于2.5個百分點、復(fù)配比對脫水率極差影響最小，破乳劑的加量由100mg/L增為300mg/L時，脫水率曲線在200mg/L處出現(xiàn)拐點；復(fù)配比為1:2或2:1時，復(fù)配雙劑的效果最好。因此，應(yīng)用復(fù)配比為1:2或2:1雙劑復(fù)配的破乳劑，在現(xiàn)場溫度為40℃～44℃且實際加量為室內(nèi)試驗的1/2～2/3時，中間基原油脫水可滿足生產(chǎn)需要。破乳劑成品則要求室內(nèi)試驗加藥量在200mg/L、脫水溫度為45℃時，90分鐘的絕對脫水率最低達(dá)到93.5%，水質(zhì)清、界面齊才能滿足現(xiàn)場生產(chǎn)要求。因此，應(yīng)利用控制圖檢驗破乳劑的質(zhì)量特性。絕對脫水率作為需要研究的重要質(zhì)量特性，通過控制圖加以控制。由于需控制的絕對脫水率是計量特性值，因此選用X-R控制圖。以5個時段為一個樣本，樣本容量n=5，每小時取1個樣本；收集25個樣本數(shù)據(jù)（樣本數(shù)k=25），按照觀測順序予以記錄（見表4）。從表4可知，各樣本平均值的平均值X=95.8384，樣本極差平均值R=1.476。X圖：中心線CL＝X=95.8384，UCL＝X+A2R，A2為隨樣本容量（n）而變化的系數(shù)。當(dāng)n=5時通過查表得到A2＝0.577，則UCL=95.8384+0.577×1.476=96.69，LCL=95.8384-0.577×1.476=94.9867R圖：中心線CL=R=1.476，UCL=D4R=2.115×1.476=3.12174，LCL=D3R；當(dāng)n=5時D3為負(fù)數(shù)，因此LCL為0。按照判穩(wěn)準(zhǔn)則觀測X-R控制圖，連續(xù)25個點其界外點數(shù)（d）為0、過程的變異度與均值處穩(wěn)定狀態(tài)，說明破乳劑生產(chǎn)過程穩(wěn)定、可滿足生產(chǎn)需要。由于X=95.8384與容差中心M＝95.00不重合，因此對出現(xiàn)偏移的過程能力指數(shù)（Cpk）進(jìn)行計算：Cp＝(Tu-Tl)÷6δ=1.76，K=｜M-u│T/2＝0.5589，Cpk＝（1-K）Cp=0.7763；統(tǒng)計控制狀態(tài)下Cp=1.76＞1，由于u與M偏離，故Cpk＜1。根據(jù)對破乳劑的質(zhì)量要求，當(dāng)前的統(tǒng)計過程狀態(tài)滿足設(shè)計、工藝和現(xiàn)場生產(chǎn)要求。2007年5月起在冀中南部油田聯(lián)合站應(yīng)用時，原油脫水溫度在40℃～45℃，低溫破乳劑加量為50mg/L～80mg/L時，脫后原油含水小于0.2%、污水含油小于150mg/L，達(dá)到了原油外輸標(biāo)準(zhǔn)，脫后污水中含油量達(dá)標(biāo)。

石蠟基原油低溫脫水破乳劑。團(tuán)隊以利用頂替學(xué)、膠溶學(xué)理論為依據(jù)，創(chuàng)建冀中南部石蠟基原油低溫脫水破乳劑的生產(chǎn)方法，應(yīng)用于現(xiàn)場并實現(xiàn)了重大突破。利用FC—N01碳氟表面活性劑能與所有溶劑互溶的優(yōu)越性能及超低界面張力的特性，將脫水速度快、脫水率高、低溫脫水性能好的多胺類聚氧丙烯聚氧乙烯醚AE8051，與具有乳化降黏、油污重垢清洗功能的聚醚多元醇型SAA和高黏稠油的破乳脫水脫鹽劑聚氧乙烯聚氧丙烯丙二醇醚BP28，以甲醇和水為溶劑進(jìn)行復(fù)配，突破了冀中南部石蠟基原油低溫脫水的難題。2007年3月起在冀中南部油田的聯(lián)合站應(yīng)用，原油脫水溫度為35℃～40℃、低溫破乳劑加量在50g/L～80mg/L時，脫后的原油含水小于0.2%、污水含油小于100mg/L，達(dá)到了原油外輸標(biāo)準(zhǔn)。脫后污水中含油量達(dá)標(biāo)。

烷基原油低溫脫水破乳劑。團(tuán)隊建立描述冀中南部環(huán)烷基原油特性的本構(gòu)方程，找到其低溫脫水的機(jī)理以及現(xiàn)場失穩(wěn)的條件，提出了以含有松香胺的多胺類聚醚、烷基酚醛類聚醚、多亞乙烯多胺聚醚的復(fù)配路線。借助FC—N01碳氟表面活性劑的優(yōu)良特性，以甲醇和水為溶劑，將含有松香胺成分的多胺聚醚，具有較強(qiáng)低溫脫水、脫鹽能力的烷基酚醛樹脂聚醚和高黏稠油的破乳脫水脫鹽劑多亞乙烯多胺聚醚進(jìn)行復(fù)配，由此得到了冀中南部環(huán)烷基原油低溫脫水的方法。環(huán)烷基原油即常說的稠油，其特點是黏度大、膠質(zhì)含量高。稠油破乳一直是破乳劑研究的熱點問題。提高脫水溫度是滿足破乳脫水必要條件(一般為60℃～65℃)；同時，為了提高原油采收率，常采用表面活性劑驅(qū)、聚合物驅(qū)、三元復(fù)合驅(qū)等方法；采出液多為O/W/O或W/O/W型乳狀液，且含有一定量的泥砂。這些都需要提高脫水溫度、延長脫水時間以滿足破乳脫水的需要，由此造成大量的熱能損失，也給系統(tǒng)帶來了巨大的運行負(fù)荷，影響系統(tǒng)的安全運行。根據(jù)冀中南部環(huán)烷基原油的物性特征及本構(gòu)方程，團(tuán)隊關(guān)于破乳劑的研制技術(shù)思路是將含有松香胺的多胺類聚醚、烷基酚醛類聚醚、多亞乙烯多胺聚醚進(jìn)行復(fù)配。通過正交試驗，團(tuán)隊確定了適合冀中南部環(huán)烷基原油低溫破乳劑的基礎(chǔ)配方，其原料組分重量比為：多胺類聚氧丙烯聚氧乙烯醚10%～15%，烷基酚醛樹脂聚氧丙烯聚氧乙烯醚30%～40%，多亞乙烯多胺聚氧丙烯聚氧乙烯醚10%～15%；FC—N01氟碳表面活性劑0.05%～0.2%；甲醇20%～25%，水15%～22%。在具體操作上，團(tuán)隊將多亞乙烯多胺聚氧丙烯聚氧乙烯醚、多胺類聚氧丙烯聚氧乙烯醚、FC—N01氟碳表面活性劑、烷基酚醛樹脂聚氧丙烯聚氧乙烯醚4種原料，按比例加入搪瓷反應(yīng)釜；緩慢升溫至70℃～75℃，不斷攪拌并加入甲醇；在繼續(xù)攪拌30分鐘后停止加熱，邊攪拌邊冷卻至常溫。之后按比例加入水并同時攪拌，攪拌20分鐘后出料，得到冀中南部環(huán)烷基原油采出液脫水低溫破乳劑。2007年7月起在冀中南部油田的聯(lián)合站得到應(yīng)用，原油脫水溫度在40℃～45℃、低溫破乳劑的加量為50mg/L～80mg/L時，脫后的原油含水小于0.2%、污水含油小于120mg/L，達(dá)到了原油外輸標(biāo)準(zhǔn)。