一种含砂乳状液砂沉降特性测试方法

本发明涉及一种含砂乳状液砂沉降特性测试方法，用于测试不同温度、含水率条件下乳状液的砂沉降特性，属于油气集输系统多相分离。

背景技术：

1、海上油田开发中受地质结构、开采方式、开采速度、增产措施等因素影响，普遍存在出砂现象。尽管在井下和井口采取多种防砂措施，仍有部分砂粒被采出液携带进入平台处理系统，若砂粒未在分离器中沉降脱除，存在对生产设施和管道系统的堵塞、冲蚀及腐蚀风险。优化分离器沉降除砂效果，对保障海上平台油气处理系统的安全高效运行具有重要意义。

2、分离器沉降除砂的基本原理是基于固相和液相的密度差实现液固分离，而原油乳状液粘度高、密度大，依靠重力沉降脱除乳状液中砂粒效率低。海上平台一般通过加热升温降粘、掺水水洗等方式降低砂粒从乳状液中脱出的难度，从而提高沉降除砂效果，但掺水、升温等辅助措施给沉降除砂工艺带来了大量热负荷，损害海上采油平台的经济效益。因此，需要测试不同温度、含水率下含砂乳状液的砂沉降特性，指导优选沉降除砂作业的加热温度和掺水比例，为海上平台高效沉降除砂提供理论依据。

3、目前国内外研究人员多采用静置沉降实验研究原油粘度、砂粒粒径等因素对砂沉降特性的影响。刘莉等通过测量试管中砂粒沉降引起的油砂混合物密度变化，得到沉降砂质量并计算砂沉降率，发现原油粘度越小、砂粒粒径越大，砂沉降率越高，但该测试方法误差大，无法精准分析砂沉降特性。颜筱函等取样测量烧杯中10cm高油砂混合物静置沉降前后的砂粒径分布，认为沉降后油中含砂粒径越小沉降效果越好，发现升高温度降低原油粘度有利于砂粒沉降，但该测试仅对油中砂粒进行测试，无法充分反映砂沉降特性。alajm等使用烧杯作为沉降容器，在控温条件下测量砂粒穿过7cm原油沉降在烧杯底部所需时间，发现温度越高、砂粒粒径越大，砂粒沉降速度越快，砂沉降效果越好，但该测试方法未定性分析砂沉降率等沉降特性。zhang等使用有效沉降高度15cm的分液漏斗作为沉降容器，并使用烘箱为分液漏斗中原油控温，在恒温条件下向原油表面倾倒砂粒，发现升高温度减小原油粘度能够增大砂沉降率，但该测试方法对砂粒粒径因素考虑不足，未解决原油粘附引起的取砂不准确问题。

4、综上所述，受限于原油粘度大、不透明等性质，目前学者多通过测量含砂乳状液密度变化、砂粒沉降速度等分析砂沉降效果，尚未实现精准取出沉降砂以定性分析砂沉降特性；构建的实验系统尺寸小、无控温装置、取砂不精准，限制实验测试准确性；仅使用原油开展实验，未参照生产分离器开展含砂乳状液砂沉降特性测试，考虑因素不充分；仅从理论层面得到了各因素对砂沉降的影响规律，无法指导实际生产设置工艺参数。

5、为了准确测试含砂乳状液的砂沉降特性，有必要设计一种测试方法，该方法可针对不同温度、含水率的含砂乳状液进行砂沉降特性测试，克服原油乳状液高粘特性带来的实验误差，得到乳状液油水分离特性并精准取出沉降砂粒分析砂沉降特性，为分离器沉降除砂的参数优化和高效运行提供依据。

技术实现思路

1、本发明目的是提供了一种含砂乳状液砂沉降特性测试方法，可测试不同温度、含水率、含砂率、沉降时间下，不同油品乳状液中，不同粒径砂粒的沉降特性，实现精准取出沉降砂粒并计算沉降率和沉降砂粒粒径分布，解决了高粘特性带来的砂粒粘附、活塞堵塞等问题，为分离器沉降除砂工艺的加热温度和掺水比例优选提供参考依据。

2、一种含砂乳状液砂沉降特性测试方法，其特征在于包括以下步骤：

3、(1)设定实验温度t，实验用油品乳状液含水率w；选取实验砂样，测量实验砂样的粒径分布f；在实验温度下参照依比例充分混合油样、水样以及砂样，配制含水率w、含砂率wt％的均匀稳定含砂乳状液；

4、(2)设定恒温水浴温度为实验温度，设定恒温水浴的输水循环泵、回水循环泵处于相同工作流量；

5、(3)选用底部为锥形、底端带有阀门、侧面带有刻度的透明容器作为沉降桶，向沉降桶锥形底部倒入底水，将配制的含砂乳状液倒入沉降桶至沉降高度，观察沉降桶外壁刻度，记录含砂乳状液体积v和初始游离水相体积vw1，计算得到实验初始含砂量m1以及初始乳状液体积ve；

6、计算实验初始含砂量m1的公式为：

7、m1＝v×wt％

8、计算实验初始乳状液体积ve的公式为：

9、ve＝v-vw1

10、(4)将沉降桶竖直置于水浴桶中，使含砂乳状液在恒温环境下静置油水分离和砂粒沉降，达到停留时间t后，记录乳状液油水分离后水相体积vw2，利用沉降桶底部的阀门取出沉降砂粒；

11、(5)过滤分离取出的沉降砂粒，使用有机溶剂冲洗去除沉降砂粒表面的油相和乳状液，使用干燥箱烘干砂粒，得到洁净干燥的沉降砂粒，称量沉降砂粒的质量m2，测量沉降砂粒的粒径分布；

12、(6)依据恒温静置前后的水相体积vw1、vw2计算停留时间t下的破乳率dem％，依据含砂乳状液初始含砂粒径分布和质量m1、沉降砂粒径分布和质量m2，计算得到砂总沉降率η和粒级沉降率ηi，分析得到该实验工况下的破乳效果及砂沉降特性；

13、计算破乳率dem％的公式为：

14、

15、计算砂总沉降率η的公式为：

16、

17、计算砂粒级沉降率ηi的公式为：

18、

19、式中i代表砂粒粒径，ηi为粒径为i的砂粒的沉降率，ωi1、ωi2分别为实验砂样与沉降砂粒径分布中粒径为i的砂粒所占的质量比；

20、(7)绘制在设定温度t、含水率w条件下砂粒的含砂乳状液的粒级沉降率曲线。

21、所述的沉降桶包括圆柱形的直筒段，该直筒段内壁涂刷疏油涂层，直型筒段外壁印有刻度，该直筒段底部为锥型，且锥形段角度为30°～60°，锥型段垫有底水以避免油相粘附活塞。

22、所述的沉降桶长度不低于50cm，长径比大于5，长度不低于50cm更加贴近生产分离器结构尺寸，实验过程与生产实际更为接近，长径比大削弱底部锥角对沉降高度的影响。

23、所述的沉降桶与水浴桶为透明高硼玻璃材质。高硼玻璃耐高温，可在任意水浴温度下开展实验，透明材质方便观察油水分离和砂沉降特性。

24、所述的输水循环泵、回水循环泵流量可调。

25、本发明的有益效果是，可以测试不同温度和含水率条件下不同含砂量的含砂乳状液的砂沉降特性。本发明的基本原理是砂粒基于与液相的密度差，在重力作用下克服粘滞阻力从乳状液中沉降脱出，温度、含水率通过改变乳状液粘度和水洗作用强度，影响砂粒沉降特性。精准取出沉降砂粒，测试沉降砂粒质量和粒径分布，能够准确得到该条件下含砂乳状液的砂沉降特性。该方法以沉降砂粒的沉降率和粒径分布作为沉降特性指标，以油水分离速度和分离效果作为油水分离特性指标，可得到一定温度、含水率条件下砂粒的粒级沉降率曲线，能够更加真实的反应沉降特性变化趋势，更加准确的评价沉降除砂效果并指导选取作业参数。该测试方法克服了原油高粘、不透明特性对砂沉降特性测试的影响，精准取出沉降砂粒分析沉降特性弥补了现有测量方法精度的不足，具有易于组装、精度高、适用范围广等优点。