1、2023 年第 2 期油田化学随着油田开发的不断深入，继水驱开发之后的聚合物驱 1、表面活性剂驱 2、三元复合物 3 等驱油技术已经在油田得到了广泛的应用，这些技术虽然能够大幅度的提高原油采出程度、降低油井含水率 4，但由于驱油剂中含有的表面活性物质能够改变油水界面张力，水中的表面活性物质与地层内黏土颗粒协同作用使采出液中油水乳化现象严重 5，严重影响后续的采出液处理效率。常规破乳方法如热化学脱水 6、电脱水 7 等具有成本高、腐蚀设备、后续处理困难以及影响原油品质等严重缺点 8。超声波因其独特的机械振动作用、空化作用、热作用，成为近几十年来迅速发展的新型油水分离技术，超声波破乳相较于常规的化
2、学破乳也有着明显的优点 9：（1）声波作用时间短，见效快；（2）超声装置数量少，成本较低；（3）对老化原油破乳效果较好；（4）对环境十分友好，不对油层、地层造成污染 10。超声波的机械振动和热作用，强化油中水滴的碰撞与聚并，使小水滴在波节处碰撞合并为大水滴，从油中沉降下来，因此，超声波破乳技术可以不加破乳剂而达到破乳的目的 11。但是在黏土颗粒的作用下，超声波作用并不能达到预期的分离效果，因此，需要开展基于不同黏土成分乳状液的超声波破乳机理研究，分析不同超声波功率、不同黏土类型、含量不同黏土成分乳状液超声破乳机理研究*曹广胜1，赵小萱1，张希文2，张宁1，李丹1（1.东北石油大学 提高油气采收
3、率教育部重点实验室，黑龙江 大庆 163318；2.大庆职业学院 石油化学工程系，黑龙江 大庆 163000）摘要：针对超声波破乳机理，利用不同种类黏土，在不同时间、黏土用量、功率条件下对超声波破乳进行实验，根据实验所得油水分离结果进行分析与研究。以无黏土加入的超声波破乳实验为参照，合理地解释了在加入黏土颗粒的情况下超声波破乳不能达到预期分离效果的原因。研究表明，加入黏土后，除实验用高岭土随着用量的增加破乳能力降低，蒙脱土、伊利土、石英砂粉末均在少量加入情况下就能够对超声波破乳产生较大影响。在对黏土影响破乳机理进行进一步研究后，发现并验证了黏土颗粒主要是通过自身与表面活性剂的协同作用来影响油水
4、乳状液稳定性，对超声波油水分离提供了技术支持。关键词：乳化；黏土颗粒；超声波；油水分离中图分类号：TE39文献标识码：AStudy on demulsification mechanism of emulsions with different clay composition by ultrasonic wave*CAO Guang-sheng1，ZHAO Xiao-xuan1，ZHANG Xi-wen2，ZHANG Ning1，LI Dan1（1.Key Laboratory of Improving Oil and Gas Recovery,Ministry of Education,N
5、ortheast Petroleum University,Daqing 163318,China;2.Department of Petroleum Chemical Engineering,Daqing Vocational College,Daqing 163000,China）Abstract:According to the mechanism of ultrasonic demulsification,the experiment of ultrasonic demulsification was carried out by using different kinds of cl
6、ay at different time,dosage and power.Compared with the experiment of ultrasonic demulsification without clay,the reason why ultrasonic demulsification can not achieve the expected separation effect is reasonably explained.The results show that,with the addition of clay,the demulsificationability of
7、 Kaolin decreases,and the addition of Montmorillonite,Illite and quartz sand powder has great effect onthe demulsification.After further study on the mechanism of clays influence on demulsification,it is found and verified that clay particles mainly affect the stability of oil-water emulsions throug
8、h their synergistic action with surfactant,provide technical support for ultrasonic oil-water separation.Key words:emilsification；clay particles；ultrasonic；oil-water separationDOI：10.16247/ki.23-1171/tq.20230245收稿日期：2022-05-10基金项目：国家自然科学基金（51574089）：活性原油在非均质储层中的自适应控水增油机理作者简介：曹广胜（1966-），男，教授,2005 年毕业
9、于浙江大学，博士研究生，研究方向：石油与天然气工程领域。通信作者：赵小萱（1998-），女，硕士研究生在读，研究方向：油气田开发工程。Sum329 No.2化学工程师ChemicalEngineer2023 年第 2 期2023 年第 2 期对超声波破乳的影响 12，明确乳化剂与黏土协同作用下超声波破乳机理，为超声波油水分离技术的广泛应用及采出液的高效处理提供技术支持。1实验部分1.1材料及仪器原油（大庆油田第九采油厂）；表面活性剂乙氧基化烷基硫酸钠（AES）（国药集团化学试剂）；蒙脱土（北京科博化学）；伊利土（北京科博化学）；高岭土（天津市大茂化学试剂厂）；石英砂粉末（天津市大茂化学试剂厂）
10、；煤油（大庆油田第九采油厂）；石油醚（天津市大茂化学试剂厂）。YX2000A 型全不锈钢智能数控超声波清洗器（35W、50W 两个功率，广州信越电子科技有限公司）；粒度中值测量软件（丹东百特仪器有限公司）；电子称量仪（梅特勒）；搅拌机（金城硕华仪器厂）；恒温箱（海安华达石油仪器有限公司）；烘干机（上海梅香仪器有限公司）。1.2实验方案1.2.1超声波对不同黏土乳状液分离效果影响实验由于原油当中含有沥青质和蜡质 13，沥青质容易缔合成聚集体，表面活性较高，易吸附至油水界面，增加电性，并且能够使界面形成较为稳定的过渡膜，增强乳状液的稳定性 14。同时，沥青和蜡质黏度受温度影响较大，低温时易凝结，为
11、避免原油因温度影响黏度变化过大，实验用原油中加入适量煤油来降低原油黏度。选取煤油与原油以3 50 的比例混合，使模拟油在 60下的黏度达到 9mPa s（地层实际原油黏度）；然后选取模拟油和蒸馏水各50mL，放入250mL烧杯中，将烧杯用保鲜膜密封好，置于 60的恒温箱中；2h 后取出烧杯，放入黏土或者表面活性剂，并利用匀浆器将油水混合物搅拌，设定转速为 8000r min-1，搅拌时间为 1min，搅拌完毕后迅速将油水混合物放入到 60恒温水浴的超声波容器中，调节仪器功率和时间，超声波分离完毕后，将混合液缓慢倒入量筒中，防止油水发生二次乳化，观察油水分离效果。为研究不同条件下超声波的油水分离
12、效果，设计了实验方案，见表 1。1.2.2表面活性剂与黏土协同乳化实验选取模拟油和蒸馏水各 50mL，放入 250mL 烧杯中，将烧杯用保鲜膜密封好，置于 60恒温箱中；2h 后取出烧杯，放入黏土和表面活性剂，利用匀浆器将油水混合物搅拌，设定转速为 8000r min-1，搅拌时间为 1min，搅拌完毕后迅速将油水混合物放入到 60恒温水浴的超声波容器中，调节仪器功率和时间，超声波分离完毕后，将混合液缓慢倒入量筒中，防止油水发生二次乳化，沉淀 1min 后，将水层取出放入 50mL 小烧杯中，用烘箱烘干，称量，洗净小烧杯后烘干，称量小烧杯，计算出烘干后烧杯内物质重量。为研究不同黏土类型乳状液的
13、超声波破乳机理，设计了实验方案见表 2。2结果与讨论2.1超声作用时间和功率对表面活性剂乳液油水分离效果的影响根据 1.2.1 中实验方案及步骤，测量得到不同超声作用时间、功率下，油水乳状液的分离情况见图1。表 1超声波分离不同黏土乳状液的实验方案Tab.1Experimental schemes of ultrasonic separationof different clay emulsions实验编号模拟油/mL水/mL黏土类型黏土用量/g表面活性剂/g分离时间/s分离功率/W15050-00.0430-420 35/5025050高岭土 0.1-2.00.0415035/5035050
14、蒙脱土 0.1-2.00.0415035/5045050伊利土 0.1-2.00.0415035/5055050石英砂 0.1-2.00.0415035/50表 2表面活性剂与黏土协同乳化实验方案Tab.2Experimental scheme of synergistic emulsificationof surfactant and clay实验编号模拟油/mL水/mL黏土类型黏土用量/g表面活性剂/g分离时间/s分离功率/W15050高岭土2.00.0415035/5025050蒙脱土2.00.0415035/5035050伊利土2.00.0415035/5045050石英砂2.00.0
15、415035/50曹广胜等：不同黏土成分乳状液超声破乳机理研究*462023 年第 2 期由图 1 可见，超声波作用时间对出水量有较大的影响，析出水量在 6.035.0mL 之间，超声波作用时间越长，油水分离程度越高 15，这是由于乳状液中不含固体颗粒的情况下，超声波使水粒子（小水珠）产生震荡，削弱了界面膜的强度，利于油滴粒子合并。同时，超声波作用使油滴粒子产生运动，油滴粒子发生碰撞聚集，油滴粒子逐渐合并成大油滴 16，在重力作用下水沉降下来，所以超声初期水析出的速度很快。在 100s 后，作用时间越长，水层增长体积越少，析出水量达到 35mL 左右逐渐稳定，说明超声波分离乳液的能力有限，这是
16、由于 AES 乳化剂增强了油水乳状液的稳定性，油滴粒子不足以碰撞合并成较大油滴。超声波功率对乳状液体系的分离效果存在一定的影响，较高的超声波功率更容易提高大油滴的运动能力和碰撞概率，更有利于实现油水分离。2.2超声波对不同黏土用量的矿物乳状液油水分离效果的影响根据 1.2.2 中实验方案及步骤，测量得到超声波对不同黏土矿物乳状液的分离情况见图 2。由图 2 可见，超声波对不同类型的黏土矿物乳状液的油水分离效果存在较大的差异，说明不同类型黏土矿物乳状液的界面膜强度存在明显的差异，这可能受黏土本身的密度、颗粒尺寸、带电性能以及其与表面活性剂的协同作用影响。从图 2（a）中看出，不论是在 35W 还是 50W 的情况下，超声波对加入高岭土之后的乳状液都会使整体出水量降低。随着高岭土用量的增加，乳化程度增加，分离效果变差，加入 0.7g 后整体的析出水量下降趋于稳定，油水几乎不再分离。而对比其他黏土矿物的油水分离曲线，发现只有高岭土出现这种现象，说明对于不同黏土矿物而言，其油水乳状液的稳定性存在明显差异，这种差异有可能与黏土颗粒的用量有关，即对于4030201000100200300400超声