油包水乳狀液微觀特性進展研究

操 澤，馮 成，何思宏，康煜姝，王 敏

（中國石油大學（北京），北京 102200）

油包水乳狀液微觀特性進展研究

操 澤，馮 成，何思宏，康煜姝，王 敏

（中國石油大學（北京），北京 102200）

油包水乳狀液的微觀特性是影響乳狀液穩定性的重要因素。為了降低采出液破乳難度、減小管線運輸負擔，有必要弄清楚乳狀液的微觀特性。影響油包水乳狀液穩定性的微觀因素主要有四部分：乳滴的大小、形狀以及分布，乳狀液界面張力，界面膜性質和界面剪切黏度。闡述了影響乳滴大小、形狀、分布主要因素的研究進展，并簡要介紹了乳狀液液滴粒徑分布的測量方法；報告了油包水乳狀液界面張力大小主要影響因素的研究現狀；闡述了界面膜的分子密度與機械強度對油包水乳狀液穩定性的影響；對乳狀液界面剪切黏度的影響因素進行了研究，對界面剪切黏度的研究現狀作出評述，并介紹了測量界面剪切黏度的方法。

油包水乳狀液；微觀特性；界面膜；剪切黏度

目前，國內許多油田生產出來的原油中含水量逐漸增大，油田已經進入了生產中后期。在油氣田地面集輸過程中，油水混合物經過油嘴、閥門、管道、油泵等設備時會產生攪拌混合作用，使乳狀液產生幾率增大。據有關數據統計，目前世界上近80%開采出的原油為原油乳狀液[1]。原油中存在著大量的油水乳狀液，將會加大集輸過程中管線、設備的負擔，甚至減少集輸管線的使用壽命。針對油水乳狀液微觀特性的研究，就是要從微觀角度出發，研究原油乳狀液的形狀、大小、液滴分布情況、界面張力、界面剪切黏度等微觀性質，從而得到影響乳狀液穩定性的關鍵因素，為生產過程中油水分離、破乳劑的配制提供可靠依據。

1 油包水乳狀液微觀特性

1.1 油包水乳狀液液滴的形狀、大小、分布

乳狀液的微觀乳滴結構及其分布情況是表征乳狀液性質的重要基礎參數。通過影像分析儀，可以較方便的對乳狀液分布、形狀、大小進行細致觀察。

乳滴存在的方式是多樣化的，主要有以下幾種形式：互相分散呈球狀分布的乳滴；彼此接觸的乳滴簇、整體形狀不規則；呈復合結構的乳滴。對于乳滴界面面積來說，呈球狀的乳滴跟其他乳狀液的形式相比界面面積最小，更有利于自身的穩定。

乳狀液的液滴結構主要受兩種力的影響：一是乳滴內外相之間以及乳滴之間存在的相互作用力，這種力會使乳滴產生形變；還有一種是保持乳滴呈球形的力，其中界面張力就是其中的一種情況。對于乳狀液而言，其宏觀性質與微觀結構間有著非常緊密的聯系。

研究表明，乳狀液乳滴的存在形式是時刻在變化的[2]。具體表現形式為：分散的乳滴相互聯接或形成網絡狀結構、乳滴從網絡狀結構中分離。乳滴在聚并、分離的過程中，由于物理沉降和其他因素，聚并過程最終處于優勢，此時在宏觀上表現為油水分離的過程。隨著攪拌強度、攪拌時間和乳化劑濃度的變化，乳滴大小也會發生變化。當乳化劑濃度較低、在較短的攪拌時間和攪拌強度下，乳狀液液滴的大小相當懸殊。

乳狀液液滴結構不同時乳狀液的相體積分數也不同：對于獨立液滴結構的乳狀液，其各種尺寸的液滴數量分布相對較平均，分相平衡后，乳狀液的相體積濃度在75%左右。乳狀液中存在著大量液滴簇團結構的，在液滴達到相平衡時，乳狀液相體積濃度在77%～83%之間。

另外，不同的攪拌速率下，乳狀液中乳滴的大小、分布也不一樣。王偉[3]等人通過實驗，分別以600、1 000 r/min的轉速制備體積含水率為40%～60%的乳狀液，經顯微鏡拍攝照片后發現，在較大的攪拌速率下，乳狀液乳滴直徑較小，分散較均勻。

乳狀液液滴粒徑分布的測定方法較多，例如激光散射法、超聲波法等等。運用最廣泛的是激光散射法。乳狀液的粒徑隨著其礦化度的升高而升高，當聚合物濃度增高時，乳狀液粒徑分布逐漸變寬，粒徑增大。

1.2 油包水乳狀液界面張力

油包水乳狀液液滴的相界面面積較大，界面能較高，因而會產聚并現象。影響乳狀液穩定性的關鍵性因素之一就是乳滴的界面張力。在乳滴進行聚并時，界面面積減小，從而導致乳狀液界面能的降低，乳狀液有著向熱力學穩定狀態的趨勢，但是，此聚并過程最終致使乳狀液破壞，其動力不穩定性增強。保持乳狀液的界面面積不變，降低了界面張力，同時增強了乳狀液的動力穩定性，此時乳狀液的穩定性增強。向乳狀液中添加表面活性劑，能夠降低其界面張力。

張逢玉[4]等人的研究表明，乳狀液的界面張力低于10-2～10-3mN/m時，相體系容易乳化。如果采用適當的表面活性劑，乳化液的界面張力可以進一步降低。Wasan等人[5]的研究表明，當乳狀液中存在表面活性劑和聚合物的情況下，乳狀液液珠之間的聚并，其界面張力與聚并時間、速度沒有聯系。乳狀液液珠界面張力可以通過一些低碳醇降到非常低，但是又不會形成穩定的乳狀液。如果界面膜由一些高分子物質形成時，界面張力會比較高，能夠形成很穩定的乳狀液。由此可看出，降低乳狀液的界面張力對于其穩定性是一個有益因素，但不是決定性因素。徐明進[6]等人給出了界面張力的測定公式：

稱量100g鉬精礦，分別加入助溶劑9g Co-NC，200mL 30%HCl，反應溫度75℃，充分攪拌反應2.5h，分別考察復合氟化物為 8.0、10.0、12.0、14.0、16.0、18.0g對鐵和硅的含量影響，結果見表3。

式中： V0—不同油相單個液滴體積，cm3；

油水乳狀液開采后，經過管道閥門等裝置時，乳滴之間會經常發生碰撞，如果乳滴界面膜在此碰撞過程中發生破裂，那么乳滴就會產生聚并現象，并最終導致了乳狀液的破壞。丁德磐[7]等人的研究表明，乳狀液穩定與否的關鍵因素是界面膜分子密集程度和機械強度。乳狀液界面膜中吸附分子的密集程度越大，其強度就會越大，因而乳狀液越穩定。

Florence[8]等人的研究表明，乳狀液中加入表面活性劑后，界面膜中吸附分子的相互作用力會增強，這使得膜變得更加穩定。此外，脂肪酸、脂肪醇、脂肪胺等極性有機物也會提高界面膜的穩定性。李洋等[9]中采用激光共聚焦掃描顯微技術對原油乳狀液進行分析，表明油包水乳狀液膜的主要組成部分是飽和烴和瀝青質。

油水乳狀液開采后，在管道中流動時，外界力作用于乳滴，液乳滴之間產生相互作用力，乳狀液將會定向移動，在此過程中，乳滴之間會產生聚并、相互脫離等現象。如果乳滴簇之間存在相互作用力，產生碰撞擠壓，當其中某個乳滴結構產生破壞時，將會導致連鎖反應的發生，周圍大部分乳滴結構會遭受破壞。乳狀液在流動中的這些變化，在宏觀上反應為乳狀液的流變性、穩定性的改變。

1.4 界面剪切黏度

早在1869年[10]，柏拉圖就首次提出了“界面黏度”這個概念。分子間的內摩擦力是乳狀液界面剪切黏度的內在原因，乳滴相鄰分子膜之間的相互作用力的大小、排列密集程度以及膜結構的形成是影響乳狀液界面剪切黏度的關鍵因素。

乳狀液界面剪切黏度的與膜強度之間有著密切的聯系，同時也影響著乳狀液的穩定性。一般來說，乳狀液界面剪切黏度的影響因素有如下幾種：分散相體積分數、連續相黏度、剪切速率（非牛頓流體）、溫度、液滴平均尺寸及其分布、分散相黏度、乳化劑的性質及濃度、分散相中添加的固體。

許多學者對這方面進行了細致的研究。1988年，Wasan[11]的研究表明，油水界面剪切黏度越大，乳狀液越穩定。隨后，Lee、李明遠[12,13]等人的一系列研究也證明了這一觀點。劉衛東,李明遠[14,15]通過原油膠質、瀝青質油在油水界面剪切黏度隨時間的變化試驗中，總結出如下結論：界面剪切黏度隨時間的增加而增加；臘晶的存在能夠改變油水界面膜的流變特性，從而增加界面膜的強度。徐明進[16]等人的研究表明，含瀝青質的乳狀液穩定性高，其形成的界面膜剪切黏度數值大，瀝青質分子和瀝青質顆粒形成的界面膜性質不同。

目前，對于界面剪切黏度的測量主要為間接法和直接法。

（1）間接法

Wasan在Mannheimer和Burton等人[17]的研究基礎上設計出了深槽界面黏度計。該黏度計通過測定在界面處的示蹤顆粒的轉速，來計算出界面剪切黏度。Hassager在Krieg的研究基礎上改造出瞬態旋轉圓柱界面黏度計[18]，該黏度計精度的重要參數是圓柱半徑和高度，原理是由界面示蹤微粒轉速來計算界面剪切黏度。此外，還有壁面刀刃界面黏度計等等，但現在均很少使用。

（2）直接法

目前，在測量界面剪切黏度中使用較為廣泛的是雙錐擺界面黏度計。徐明進[6]等介紹了雙錐擺旋轉法測定界面剪切黏度。

式中：ω—樣品池轉動角速度，rad/s；

K—鋼絲的扭力系數，g/(cm·s)2；

0θ—測定空白樣品時錐形測頭的偏轉角度，rad；

θ—加入待測樣品后錐形測頭的偏轉角度，rad；

2 結束語

如何提高產量并滿足國家對原油的需求，已成為國內各油氣田迫切需要解決的問題。目前，許多油田廣泛采用化學驅油的方式開采石油，此方法雖然增加了采收率，但也增加了采出液破乳的難度，同時也增加了管線運輸的負擔。同時，含水原油在集輸的過程中，經過油嘴、閥門、管道、油泵等設備時會產生攪拌混合作用，進一步形成乳狀液。乳化液的物理化學性質特殊，針對原油乳狀液微觀特性的研究，不僅有利于采出原油的破乳、油水分離，同時在鉆井、采油、油層改造等多方面有相當廣泛的運用。

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Study on Microcosmic Characteristics of W/O Emulsion

CHAO Ze，FENG Cheng，HE Si-hong，KANG Yu-shu，WANG Min
（China University of Petroleum (Beijing)，Beijing 102200，China）

The microcosmic characteristics of W/O emulsion are an important factor affecting emulsion stability. In order to reduce the difficulty of produced liquid demulsification and reduce the burden of pipeline transportation, it is necessary to understand the micro characteristics of the emulsion. Microscopic factors to affect the stability of W/O emulsion have four parts: the emulsion droplet size, shape and distribution, interfacial tension, interfacial film properties and interfacial shear viscosity. In this paper, research progress of the main factors influencing the emulsion droplet size, shape and distribution were summarized, and the measurement method of emulsion droplet size distribution was introduced. Main influence factors of interfacial tension of the emulsion were described. Effects of the interface membrane molecular density and mechanical strength on the stability of the emulsion were elaborated. The influence factors of emulsion interfacial shear viscosity were studied. And the measurement method of interfacial shear viscosity was introduced.

Water-in-oil; Emulsion; Microcosmic characteristic

TQ 028

： A

： 1671-0460（2015）03-0540-03

2014-9-28

操澤（1992-），女，重慶人，碩士研究生，現于中國石油大學(北京)攻讀碩士學位，研究方向：多相流動安全保障。E-mail：fc0426@163.com。