重质油包水乳液破乳及其过程强化机制

作     者：张辛铖 

作者单位：天津大学 

学位级别：硕士

导师姓名：隋红;肖颖

授予年度：2022年

学科分类：0820[工学-石油与天然气工程] 08[工学] 082002[工学-油气田开发工程] 

主      题：重质油包水乳液 沥青质 过程强化 破乳 分子动力学模拟 

摘      要：重质油地质储量大、分布广泛,是一种重要的石油补充资源。在重质油的开采加工过程中,由于其中大量界面活性物质和水的参与,经常导致乳液的形成。重质油包水(W/O)乳液因其高粘度、高密度、强界面稳定特性导致其油水分离困难,生产成本增加。针对上述问题,本文从改性非离子破乳剂的开发、乳液的破乳强化机制和分子动力学模拟降粘与破乳等方面进行研究,具体研究内容为:首先,针对重质W/O乳液破乳分离问题,本文提出采用丙烯酸作为改性剂,利用聚合反应和酯化反应合成含有酯基和羧基的改性非离子破乳剂TJU-3,并将其应用于重质W/O乳液、沥青/沥青质稳定的W/O乳液破乳过程。结果表明,TJU-3对上述乳液均体现出优异的破乳性能。在60℃,400 ppm条件下,TJU-3可使重质W/O乳液在25 min内完全破乳,无拖尾现象,优于ANP、AE1951、PE2050和SP169等商业破乳剂;针对沥青/沥青质稳定的W/O乳液,TJU-3可使其在4 min内完全破乳;破乳后有77.46 wt.%的TJU-3从油相进入水相中,表明其具有较强的亲水性。基于上述新型破乳剂的成功开发,从工程化应用角度出发,本文系统地研究了升温、溶剂和升温-溶剂结合等物理降粘的方式对破乳的强化效果。结果表明,单独采用升温降粘时乳液1 h内的脱水率最高只有50%;单独采用溶剂降粘时乳液1 h内的脱水率最高只有17.8%;采用升温-溶剂结合降粘的方式时,乳液满足1 h内完全脱水的要求,此时乳液最快可在20 min完全破乳;当此降粘破乳工艺应用于工业中时,最多可以降低49.7%的能耗费用。采用模型化的SARA(饱和分、芳香分、胶质和沥青质)四组分分子,通过分子动力学模拟,构建了重质油分子模型,并基于宏观物理性质对比验证了该模型的合理性。通过均方位移曲线计算了SARA在甲苯、正庚烷和环己烷中的扩散系数,计算了在上述溶剂中重质组分间的非键相互作用能。结果表明,SARA的扩散系数随溶剂含量的增加而增大;SARA在上述溶剂中的扩散系数大小顺序为正庚烷甲苯环己烷;沥青质和胶质在上述溶剂中的非键相互作用能(绝对值)大小顺序为环己烷甲苯正庚烷。通过构建油水界面体系,探究了TJU-3对油水界面重构破乳的分子机制。TJU-3可以在油水界面上破坏沥青质界面膜,TJU-3从不同溶剂中向油水界面运移的扩散系数大小顺序为正庚烷甲苯环己烷。本研究可为石油工业中重质W/O乳液的高效破乳工艺的开发提供理论参考和数据模型。