油水乳狀液轉相點影響因素的實驗研究

劉達京，崔瑋琳

（東北石油大學 石油工程學院， 黑龍江 大慶 163318）

在W/O型乳狀液中，水以液滴形式分散在油相中。當含水率較低時，水滴間由于距離較大而使其相互作用力很小，使其表觀粘度的變化并不明顯，此時內相液滴周圍有油膜保護；隨著含水率的增加，液滴間的范德華力由于它們間距離的迅速縮小，并導致形成了水滴“聚集體”，這些“聚集體”導致油膜薄化，油水界面彈性上升，表觀粘度迅速增加。當含水率達到一定值時，乳狀液中出現游離水，油膜破裂，界面彈性大大減弱，即油包水型轉變為水包油型，此時開始轉相，轉相后表觀粘度迅速下降[1]。通常把視粘度開始下降的點確定為轉相點。

在井筒流動和集輸管線中，能量損失在很大程度上由表觀粘度決定，即決定著運輸成本。表觀粘度在油品轉相點處存在最大值，因此系統的研究影響轉相點的決定因素以及其變化規律，從而避免輸送含水率處于轉相點處的油水乳狀液，對于節能降耗、降低成本有著重要意義，但目前國內尚未有學者系統的研究各因素對轉相點的影響規律。

1 實驗部分

1.1 實驗裝置

實驗儀器：流變儀——HAAKE Viscotester 550，振蕩器——HY-8A，攪拌器——IKA EUROSTAR digital，恒溫箱、定容瓶等。大慶129更45井提供油樣。其相關參數如表1。

表1 大慶含蠟原油組成及基本物性參數Table 1 Relevant parameter for Daqing crude oil

采用的降粘劑為：由丙烯酸醋、苯乙烯、馬來酸醉合成的三元共聚物(ASM)油溶性降粘劑（配比為6︰3︰1）；由甲基丙烯酸甲酯、苯乙烯、丙烯酰胺合成的三元共聚酯化物（MSA）降粘劑（配比為MMA∶S∶AM=10∶8∶1）；磷酸酯型兩性離子型表面活性劑水溶液（質量分數20%）。

1.2 實驗方案

為避免原油剪切歷史記憶性對實驗數據影響，對油品進行預處理，分瓶待用。在輸送過程中，由于乳狀液多形成在壓力和溫度突降，流速瞬增的環節上，因此在本實驗中為達到等效效果，將待用油品與同井臨井的地層水按特定比例進行一次性混合，在40 ℃恒溫環境下以2 000 r/min攪拌15 min，靜止12 h后若無游離水出現說明乳狀液配置成功。

為研究不同種類降粘劑及降粘劑加入量對轉相點處含水率的影響，將不同類型、不同量的降粘劑將分別入到待用的乳狀液中。在45 ℃恒溫箱中震蕩15 min，振蕩頻率為2 000 r/min，以便藥劑與乳狀液混合充分，然后再放入流變儀中測量其流變數據。

2 實驗結果與分析

2.1 溫度對轉相點的影響規律

圖1為當剪切速率為200 s-1時，溫度為30、40、50 ℃的條件下，原油表觀粘度隨含水率的變化曲線。

圖1 不同溫度下表觀粘度隨含水率的變化曲線（剪切速率為200 s-1）Fig.1 The curve of the apparent viscosity change with water cut at different temperature（rate of shear is 200 s-1)

由圖可見在同一溫度下，不加入任何藥劑的原油乳狀液的表觀粘度隨著含水率的增加呈先升后降的現象，在30 ℃時，當含水率低于60%時，表觀粘度隨含水率上升而升高；以含水60%時為分界線，當含水率超過60%后，表觀粘度隨著含水率的提高急劇降低。由此可知大慶高129更45井原油在30℃下的轉相點含水率為60%左右,同樣原油在40 ℃和50 ℃下的轉相點含水率分別為50%左右和45%左右。由此可知，隨著溫度的升高，轉相點有一定程度的提前。產生這種現象的原因是：溫度越高，分子的熱運用越強烈，范德華力增加的越快，導致“聚集體”形成的越容易，油膜的厚度變小，油膜變薄，從而更容易破裂達到轉相點。因此在輸送含水原油時，不但要避開輸送轉含水率為相點處的油水乳狀液，同時也要考慮管路所處空氣溫度或恒溫管輸溫度對轉相點變化的影響。

2.2 剪切速率對轉相點的影響規律

圖2為45 ℃時在剪切速率為100、200、300 s-1的情況下原油表觀粘度隨含水率的變化曲線。由實驗結果可以觀察到：當剪切速率為100 s-1時，轉相點處的含水率大致為57.5%左右；當剪切速率為200 s-1和300 s-1時，轉相點處的含水率分別大致為55%和52.5%左右；但當剪切速率從300 s-1再增大為400 s-1時，轉相點處的含水率仍大致為左右。由此可知：隨著剪切速率的提高，不但表觀粘度有著明顯的下降，轉相點處的含水率也有著小幅度的前移；當剪切速率增加到一定程度時，轉相點處的含水率并不再提前。產生這種現象的原因是：油水乳狀液所形成的 “聚集體”對剪切作用下的“變形”[2]十分敏感，導致這些“聚集體”重新“排列”，從而在一定程度上影響界面膜的壽命。隨著剪切速率的增加，外相流體流場中的速度分布受到越加明顯的擾動，此時內相的液滴開始對外相的擾動做出反應，油水界面的彈性及強度減弱，“變形”及“排列”作用使界面膜厚度變薄，達到極限時界面膜瞬間破裂，這不但增加了乳狀液的非牛頓特性也造成乳狀液的提前轉相。當剪切速率增大到一定程度時，絮凝體已完全破碎，內相濃度不再降低，此時表觀粘度不再隨剪切速率的增加而減小，乳狀液表現為牛頓流體，即轉相點也不再變化。

圖2 不同剪切速率下表觀粘度隨含水率的變化曲線（溫度為45 ℃）Fig.2 The curve of the apparent viscosity change with water cut at different rate shear（45 ℃）

2.3 不同種類降粘劑對轉相點的影響規律

由于本實驗所采用原油的析蠟溫度為44 ℃，不同種類降粘劑對原油中是否存在蠟結晶的作用效果不同，因此采用40 ℃和50 ℃作為實驗對比溫度。圖3為40 ℃當剪切速率為200 s-1加藥量為10×10-6時，在3種不同降粘劑的作用下原油表觀粘度隨含水率的變化曲線。圖4為50 ℃同種條件下原油表觀粘度隨含水率的變化曲線。由圖3和圖4觀察到，不同種類的降粘劑對原油乳狀液的降粘效果不同，但三種降粘劑都能使轉相點有著不同程度的提前，當溫度為40 ℃時，ASM能使轉相點提前到30%左右，MSA能使轉相點提前到47.5%左右，摻表面活性劑水溶液（活性水降粘劑）能使轉相點提前到37.5%左右；當溫度為50 ℃時，ASM能使轉相點提前到45%左右，MSA能使轉相點提前到35%左右，活性水降粘劑能使轉相點提前到40%左右。

ASM降粘劑在40 ℃條件下將轉相點提前的效果較為明顯，其原因可能是由于在溫度較低的條件下，有蠟結晶析出，ASM吸附在蠟晶表面后后，它的水化基團能產生較大的空間位阻效應，從而阻止蠟晶空間網狀結構的形成[3,4]，同時由于ASM為油溶性，能與原油有很好的接觸，從而聚合物基團能更有效的吸附在油水界面膜上，取代界面膜上的天然乳化劑，從而改變界面膜結構，大大降低了界面膜強度，使其變薄最后失穩破裂，因此ASM的加入能使原油對溫度的敏感程度降低，抑制蠟晶的聚集，從而更有效地起到降粘的目的，明顯在有蠟結晶出現的條件下實現提前轉相。

當溫度為50 ℃時，乳狀液中無蠟結晶的析出，此時從原油粘度與膠質、瀝青質的含量有密切關系。粘度取決于流體流動時的內摩擦力，而流體的內聚力決定了內摩擦力。在較高的溫度下，原油中的膠質、瀝青質相互作用而形成的膠團結構比較松散，降粘劑 MSA分子結構中極性較強的官能團如羧酸酐和酰胺的側鏈,具有較強的滲透性，能通過分散作用進入膠質、瀝青質片狀分子之間，與其中的極性基形成較強的氫鍵,從而拆散平面重疊堆砌而成的聚集體,使原油中的超分子結構逐層松散, 降低聚集體中的膠質、瀝青質含量, 釋放出膠團結構中所包裹的液態油，降低原油的內聚力,從而大幅度降低稠油的粘度。

無論在40 ℃還是在50 ℃，活性水降粘劑使轉相點提前的大致范圍不變（排除溫度的影響）。其原因在于表面活性劑本身有乳化降粘、破乳降粘[5]以及吸附降粘[6]三中作用機理。實驗中所采用的三種降粘試劑均有破乳降粘的效果，經過破乳降粘過程后，能夠游離在分散相中并吸附在管壁上的表面活性劑分子很少，因此吸附降粘效果并不明顯。在破乳后，從原油中脫離出的與活性水共同與原油形成低粘度的水包油型乳狀液,從而實現主要的降粘作用，溫度對此過程的影響不大。

因此，針對不同降粘劑在不同溫度下的性能特點，其對轉相點的提前程度不同，應通過實驗提前預知，減小長距離管路輸送的能耗。

圖3 不同降粘劑作用下表觀粘度隨含水率的變化曲線（溫度為40 ℃，剪切速率為200 s-1）Fig.3 The curve of the apparent viscosity change with water cut when using different viscosity reducer（40 ℃，rate shear is 200 s-1）

圖4 不同降粘劑作用下表觀粘度隨含水率的變化曲線（溫度為50 ℃，剪切速率為200 s-1）Fig.4 The curve of the apparent viscosity change with water cut when using different viscosity reducer（50 ℃，rate shear is 200 s-1）

圖5 不同降粘劑作用下轉相點處含水率隨加劑量的變化曲線（溫度為30 ℃，剪切速率為400 s-1）Fig.5 The curve of the phase inversion point change with dosage when using different viscosity reducer（30 ℃,rate shear is 400 s-1）

2.4 轉相點與加劑量

圖5為30 ℃當剪切速率為400 s-1時，在3種不同降粘劑的作用下原油轉相點處含水率隨加劑量的變化曲線。無論何種降粘劑，加劑量越多其對轉相點的提前程度越大，但當加劑量達到一定程度時，轉相點不再提前。這是由于加劑量越多破乳劑分子吸附到油水到界面上所替換下來的天然乳化劑分子就越多，能使其界面膜結構改變越大，粘彈性降低越多，從而界面強度減弱越大，壽命越短，膜破裂脫水越容易，導致轉相點隨加劑量的增加而提前。當加劑量增加到一定程度時，降粘劑分子在界面膜上達到吸附飽和，此時油膜壽命趨于定值，加劑量不再影響轉相點。

3 結 論

（1）溫度的升高能使轉相點提前，因此再輸送含水原油時，不但要避開輸送轉含水率為相點處的油水乳狀液，同時也要考慮管路所處空氣溫度或恒溫管輸溫度對轉相點變化的影響。

（2）剪切速率的增加能使轉相點提前，因此再輸送含水原油時，也要考慮流量對轉相點變化的影響。

（3）不同種類降粘劑在不同溫度下的性能特點，其對轉相點的提前程度不同，應通過實驗提前預知，減小長距離管路輸送的能耗。

（4）加劑量越多其對轉相點的提前程度越大，但當加劑量達到一定程度時，轉相點不再提前

［1］趙建興.對原油乳狀液粘度變化規律的認識[J].油田地面工程OSE，1985,4（4）：15-21.

［2 琯］馬祥 .原油乳狀液的流變特性[J].試驗研究，1996,6（7）：55-58.

［3］張付生,王彪.幾種原油降粘劑作用機理的紅外譜圖和 X射線衍射研究[J].油田化學,1995,12(4):347-352.

［4］李克華.降粘劑及其機理研究[J].石油與天然氣工業, 1993, 22(1):40-43.

［5］張衛東.J-50油井破乳降粘劑在原油生產集輸中應用效果分析[J].油田化學,1989,6(2):128-132.

［6］王惠敏,王積龍. 化學降粘開采技術在小斷塊稠油油田的應用[J]. 石油規劃設計,1996(2):23-25.