[教育]油氣集輸-原油凈化第2節(jié)

1、1,第二節(jié) 原油乳狀液,原油乳狀液的類型；原油乳狀液的生成機(jī)理；原油乳狀液的性質(zhì)；,2,一、原油乳狀液的類型,兩種（或兩種以上）不互溶（或微量互溶）的液體，其中一種以極小的液滴分散于另一種液體中，這種分散物系稱為乳狀液。,3,原油乳狀液的兩種類型,一種是水以極微小的顆粒分散于原油中，稱為：“油包水”型乳狀液，用符號(hào)W/ O表示，水是內(nèi)相或稱分散相，油是外相或稱分散介質(zhì)，因外相液體是相互連接的，故又稱連續(xù)相； 另一種是油以極微小

2、顆粒分散于水中，稱為；“水包油”型乳狀液，用符號(hào)O/W表示，此時(shí)油是內(nèi)相，水是外相。,4,二、原油乳狀液的生成機(jī)理,界面能和界面張力；乳化劑；形成穩(wěn)定乳狀液的必要條件；原油乳狀液的形成；預(yù)防措施。,5,1. 界面能和界面張力,欲使液體內(nèi)層分子移到表面上來(lái)，擴(kuò)大液體的表面，就必須對(duì)系統(tǒng)作功以克服分子所受的指向液體內(nèi)部的拉力。所作的功儲(chǔ)存于表層，成為表層分子的位能，故液體表層分子比內(nèi)部分子多儲(chǔ)存一部分能量，這種能量稱表面自由能，或表

3、面能。,6,1. 界面能和界面張力,表面能產(chǎn)生的示意圖,7,表面張力,在恒溫、恒壓條件下，液體表面積每增大一個(gè)單位所增加的表面能稱為比表面能，以J/m單位。在數(shù)值上，比表面能等于在液體表面上垂直作用于單位長(zhǎng)度上的表面緊縮力，即表面張力。 表面張力可解釋為抑制使表面積增加而來(lái)自液體的阻力。,8,兩種液體相接觸時(shí)，表面能與表面張力稱為界面能和界面張力。,界面能和界面張力,9,2. 乳化劑,將煤油和水激烈攪拌，雖能使一種液體攪拌成極微小的顆粒

4、分散于另一種液體中形成乳狀液，但攪拌停止后，內(nèi)相顆粒在周圍液體分子熱運(yùn)動(dòng)的撞擊下發(fā)生不斷改變方向的無(wú)秩序運(yùn)動(dòng)，即布朗運(yùn)動(dòng)，使內(nèi)相顆粒相互碰撞、合并，很快油水就分層了，即所得乳狀液的穩(wěn)定性（壽命）很差。,10,若向油一水系統(tǒng)中加入第三種物質(zhì)后，經(jīng)攪拌能得到穩(wěn)定的乳狀液，則把這種使乳狀液穩(wěn)定的物質(zhì)稱為乳化劑。,2. 乳化劑,11,根據(jù)熱力學(xué)第二定律，在恒溫、恒壓下，物系都有自動(dòng)向自由能減小方向進(jìn)行的趨勢(shì)。當(dāng)煤油-水形成乳狀液時(shí)，其接觸界面和

5、界面能都很大，從熱力學(xué)觀點(diǎn)看，乳狀液是一種不穩(wěn)定體系，分散相液滴必然會(huì)自發(fā)地合并，縮小界面面積使界面能趨向最低，這就是沒(méi)有乳化劑時(shí)煤油和水不能生成穩(wěn)定乳狀液的原因。,2. 乳化劑,12,把那些溶入少量就能顯著降低溶液表面張力的物質(zhì)稱為表面活性物質(zhì)，或表面活性劑。表面活性劑降低表面張力的能力稱表面活性，或表面活度。凡是能使溶液表面張力升高的物質(zhì)，稱為表面惰性物質(zhì) 。,2. 乳化劑,13,（1） 乳化劑的類型,乳化劑的類型很能多，大部分乳

6、化劑都有表面活性劑。按生成乳狀液類型可以分為兩大類：形成O/W型乳狀液的乳化劑，它們都是親水性，在水中的溶解度大于油中，如水溶性的皂類、蛋白質(zhì)、植物膠、淀粉等；形成W/O型乳狀液的乳化劑，它們都是親油性，易溶于油，如高級(jí)醇類、膠質(zhì)、高級(jí)脂類等。,14,乳化劑可通過(guò)多種途徑使分散體轉(zhuǎn)變?yōu)槿闋钜?。乳化劑的作用表現(xiàn)在以下幾方面：乳化劑吸附在油水界面，降低油水界面張力；乳化劑在分散相周圍形成一層粘性薄膜，阻止內(nèi)相液滴在碰撞時(shí)聚結(jié)成較大液

7、滴。乳化劑可能是以某種方式排列的極性分子，使液滴表面帶電，同性相斥，液滴聚結(jié)難度增大。,（2） 乳化劑的作用,15,乳化劑使乳狀液穩(wěn)定的原因，是由于它在界面上形成一層薄膜，保護(hù)分散相，使其界面被掩蔽，液滴碰撞時(shí)，膜在外邊保護(hù)著，液滴不會(huì)因界面接觸而合并，其情形如下兩圖所示。,（3） 乳狀液的保護(hù)膜,16,O/W型乳狀液的保護(hù)膜,17,W/O型乳狀液的保護(hù)膜,18,3. 形成穩(wěn)定乳狀液的必要條件,系統(tǒng)中必須存在兩種以上互不相溶（或微量相

8、溶）的液體；要有強(qiáng)烈的攪動(dòng)，使一種液體破碎成微小的液滴分散于另一種液體中；要有乳化劑存在，使微小液滴能穩(wěn)定地存在于另一種液體中。,19,4. 原油乳狀液的形成,當(dāng)油、氣、水混合物由井底沿井筒油管舉升到井口，經(jīng)過(guò)油嘴的節(jié)流，以及集油管線、閥件、離心式油泵等的強(qiáng)烈攪拌，使水滴充分破碎成極小的顆粒，并為原油存在的環(huán)烷酸、膠質(zhì)、瀝青質(zhì)、石蠟、粘土和砂粒等“油包水”型乳化劑所穩(wěn)定、均勻地分散在原油中，從而形成穩(wěn)定W/O型乳狀液。,20,5.

9、 預(yù)防措施,提高油田地面集輸系統(tǒng)和油氣分離器的壓力，減小油嘴前后壓差，有助于減少乳狀液的生成；盡量減少?gòu)濐^、三通、閥件等局部阻力 ；往油井環(huán)形空間內(nèi)注入破乳劑 。,21,三、原油乳狀液的性質(zhì),原油乳狀液的主要物理一化學(xué)性質(zhì)有分散度、粘度、密度、電學(xué)性質(zhì)和穩(wěn)定性等。,22,1. 分散度,分散相在連續(xù)相中的分散程度稱為分散度。分散度用內(nèi)相顆粒平均直徑的倒數(shù)表示。此外，也常用內(nèi)相顆粒平均直徑或內(nèi)相顆粒總表面積與總體積的比值，即比表面積表示

10、。,23,2. 粘度,影響乳狀液粘度的因素很多，主要有：外相粘度；內(nèi)相的體積濃度；溫度；乳狀液的分散度；乳化劑及界面膜的性質(zhì)；內(nèi)相顆粒表面帶電強(qiáng)弱等。,24,原油粘度愈大，生成W/O型乳狀液后其粘度也愈大。例如：50℃時(shí)，大慶某油區(qū)所產(chǎn)原油粘度為3.09mPa·s，當(dāng)含水23.7％時(shí)實(shí)測(cè)粘度為11.43mPa·s，而50℃粘度為9.49 mPa·s的原油，含水24.7％時(shí)實(shí)測(cè)粘度為30 mPa

11、·s。乳狀液粘度與溫度的關(guān)系同原油類似，隨溫度的升高而降低。,2. 粘度,25,原油乳狀液粘度隨含水率的變化卻呈現(xiàn)較為復(fù)雜的關(guān)系。如下圖所示，含水率較低時(shí)，乳狀液的粘度隨含水率的增加而緩慢上升；含水率較高時(shí)，粘度迅速上升；當(dāng)含水率超過(guò)某一數(shù)值（圖中約為65～75％）時(shí)，粘度又迅速下降，此時(shí) W/O型乳狀液轉(zhuǎn)相為O/W型或W/O/W型乳狀液。此后，隨含水率的進(jìn)一步增加，油水混合物的粘度變化不大。,2. 粘度,26,原油乳狀液

12、粘度與含水率的關(guān)系,27,3. 密 度,原油含水、含鹽后，其密度顯著增大。若已知乳狀液體積含水率φ、原油和含鹽水的密度分別為ρo和ρw，則原油乳狀液的密度可按下式確定。,Vo、Vw—分別為油和水的體積，m3。,28,4. 電學(xué)性質(zhì),當(dāng)水中溶有少量酸、堿、鹽類時(shí)，其電導(dǎo)率成數(shù)十倍地增加。因此，原油乳狀液的電導(dǎo)率除取決于其含水率和水顆粒的分散度外，在很大程度上決定于水中的含鹽、含酸、含堿量。乳狀液的電導(dǎo)率還隨溫度的增高而增大。,29,介

13、電系數(shù)是乳狀液另一項(xiàng)重要的電性質(zhì)。原油的介電系數(shù)為2，水的介電系數(shù)約為油的40倍，即為80。由于原油和水介電系數(shù)的懸殊差別，當(dāng)把乳狀液置于電場(chǎng)內(nèi)時(shí)，乳狀液的內(nèi)相水滴將沿電力線排列，并使乳狀液的電導(dǎo)率激烈增加。這種性質(zhì)常被用來(lái)破壞原油乳狀液，脫除原油中所含的水。,4. 電學(xué)性質(zhì),30,5. 穩(wěn)定性和老化,原油乳狀液的穩(wěn)定性是指：乳狀液不被破壞，抗油水分層的能力。它是原油乳狀液最重要的性質(zhì)之一。影響乳狀液穩(wěn)定性的主要因素有：乳狀液的分散度

14、和原油粘度、乳化劑的類型和保護(hù)膜的性質(zhì)、內(nèi)相顆粒表面帶電、乳狀液溫度和水的pH值等。,31,(1) 分散度和原油粘度,若油水混合物內(nèi)有足夠的乳化劑，并受到充分?jǐn)嚢?，則形成內(nèi)相顆粒小、分散度高的原油乳狀液。水滴愈小，分散度愈大，布朗運(yùn)動(dòng)愈強(qiáng)烈，就能克服重力影響不下沉，而保持穩(wěn)定。此外，原油粘度愈大，水滴愈不易下沉，原油乳狀液也就愈穩(wěn)定。,32,（2）乳化劑的類型和保護(hù)膜的性質(zhì),原油中存在的天然乳化劑大體上可分為三類： 第一類乳化劑是低分

15、子有機(jī)物，如脂肪酸、環(huán)烷酸和某些低分子膠質(zhì)。這類物質(zhì)有較強(qiáng)的表面活性，易在內(nèi)相顆粒界面形成界面膜。但由于分子量低，界面保護(hù)膜強(qiáng)度不高，故乳狀液的穩(wěn)定性較低。,33,第二類是高分子有機(jī)物，如瀝青、瀝青質(zhì)等。它們?cè)趦?nèi)相顆粒界面形成較厚的、粘性和彈性較高的凝膠狀界面膜，機(jī)械強(qiáng)度很高，使乳狀液有較高的穩(wěn)定性。 第三類是粘土、砂粒和高熔點(diǎn)石蠟等固體乳化劑。由這類乳化劑構(gòu)成的界面膜的機(jī)械強(qiáng)度很高，因而乳狀液的穩(wěn)定性也很高。由蠟晶粒作為固體乳化劑，

16、因溫度增高時(shí)蠟晶粒的溶解而使乳狀液穩(wěn)定性下降。,（2）乳化劑的類型和保護(hù)膜的性質(zhì),34,（3）內(nèi)相顆粒表面帶電,內(nèi)相顆粒界面上帶有極性相同的電荷是乳狀液穩(wěn)定的重要原因。乳狀液內(nèi)相顆粒界面上力場(chǎng)的不平衡，會(huì)選擇性地從外相介質(zhì)中吸附陽(yáng)離子或陰離子以降低界面張力。這樣，內(nèi)相顆粒界面上稍有同種電荷，而貼近顆粒的外相介質(zhì)內(nèi)則帶有極性相反的電荷。,35,處于內(nèi)相顆粒界面上的分子電離，電離后的陽(yáng)離子或陰離子分布到鄰近顆粒的外相介質(zhì)中去。由于內(nèi)相顆

17、粒在外相介質(zhì)中的布朗運(yùn)動(dòng)；因摩擦而帶電。,（3）內(nèi)相顆粒表面帶電,36,乳狀液內(nèi)相顆粒界面上和其鄰近的介質(zhì)中帶有數(shù)量相等而符號(hào)相反的電荷，構(gòu)成雙電層，如下圖所示。顯然，全部?jī)?nèi)相顆粒界面上均帶有同種電荷。由于靜電斥力，內(nèi)相顆粒難于碰撞，或碰撞后又迅即分開(kāi)，因而小顆粒難于合并成大顆粒下沉，乳狀液變得穩(wěn)定。 相比之下，內(nèi)相顆粒界面帶電對(duì)含水率低的原油乳狀液穩(wěn)定性的影響更為明顯。,（3）內(nèi)相顆粒表面帶電,37,水滴相互作用示意圖

18、 （a）水滴的雙電層；（b）兩水滴的靜電排斥,38,（4）溫度,乳狀液溫度對(duì)其穩(wěn)定性有很大影響，隨溫度的增高，乳狀液穩(wěn)定性下降。乳狀液的主要乳化劑一瀝青質(zhì)、膠質(zhì)、石蠟等在原油中的溶解度增加；內(nèi)相顆粒體積膨脹，使界面膜變薄，機(jī)械強(qiáng)度減弱；,39,加劇了內(nèi)相顆粒的布朗運(yùn)動(dòng)，增加了互相碰撞，合并成大顆粒的機(jī)率；油水體積膨脹系數(shù)不同，原油體積膨脹系數(shù)較大，使水和油的密度差增大，水滴易于在油相中下沉；降低了原油的粘

19、度，水滴易于沉降。,（4）溫度,40,由上述可知，對(duì)原油乳狀液加熱，能使乳狀液穩(wěn)定性降低，有利于原油脫水。但加熱需要消耗燃料，將增加原油蒸發(fā)損耗。一般不希望把加熱作為主要的脫水手段。在達(dá)到脫水要求的前提下，應(yīng)盡可能對(duì)乳狀液少加熱或不加熱。,（4）溫度,41,（5）水的pH值,水的pH值對(duì)原油乳狀液的穩(wěn)定性存在影響。一般，pH值增加，內(nèi)相顆粒界面膜的彈性和機(jī)械強(qiáng)度降低，乳狀液的穩(wěn)定性變差。向乳狀液中引入強(qiáng)堿提高水的pH值，能促進(jìn)乳狀液破乳