稠油乳化降黏劑高溫穩定性室內評價

田 聰，文富民，王睿麒，李 晨，李 俊，陳文斯

（重慶科技學院石油與天然氣工程學院，重慶 401331）

稠油是我國油氣資源的重要組成部分。我國高黏度重質稠油資源分布廣泛，地質儲量達1 640 Mt，約占我國探明可開采石油儲量的1/2[1-3]。而其較高的黏度在一定程度上制約了其在輸送過程中的可流動性，給開采過程帶來了很大的困難。為了降低稠油在井筒及集輸管線中的黏度，同時解決稠油油層及井筒稠油堵塞問題，在開發生產中常采用節能、乳化效果顯著和破乳相對容易的降凝降黏技術，來增加原油的流動性，以提高稠油開采效率，保證稠油開采的順利進行[4]。Turbiscan Lab 型分散穩定性分析儀是基于多重光散射技術，通過對發射到測試樣品上的透射光和背散射光強度的平均變化進行測量，進而分析分散相粒子的運動以及各體系穩定性參量的變化[5-9]，并通過對比各試樣的高溫處理前后分散不穩定性參數S分離值，給出直觀的液體體系穩定性評價結果。以乳化降黏劑AOS 和MES 入手，從高溫處理前后的表面張力以及動力學不穩定性變化分析兩種乳化降黏劑的高溫穩定性，結合乳化降黏效果評價，對兩種降黏劑的高溫穩定性進行對比評價。

1 實驗部分

1.1 主要試劑與儀器

主要試劑：渤海區段采出稠油、AOS、MES；

主要儀器：Attension 表面張力儀；Brookfield 旋轉黏度計；Turbiscan Lab 型分散穩定性分析儀，法國Formulaction 公司生產。

1.2 實驗方法

稠油與水界面能很高，不易形成O/W 乳狀液。加入表面活性劑可以有效地降低油水界面張力，使油水易于形成O/W 乳狀液[10]，提高乳狀液的穩定性。利用Attension 表面張力儀分析降黏劑溶液在0.05 %、0.08 %、0.10 %、0.18 %、0.50 %、0.80 %和1.50 %濃度條件下的表面張力在高溫處理前后的變化，通過對比前后的表面張力變化情況，得到兩種乳化降黏劑的高溫穩定性。

利用Brookfield 旋轉黏度計進行降黏率測定實驗，將AOS 配制為0.3 %、0.6 %濃度的溶液，MES 配制為1.0 %、2.0 %濃度的溶液，50 ℃高溫老化1 h，將上述濃度種類按照油水比7：3 的比例加入目標稠油，50 ℃恒溫1 h，利用Brookfield 旋轉黏度計測量剪切率在9.3 s-1、18.6 s-1、27.9 s-1、30 s-1、40 s-1、50 s-1下的黏度，并計算降黏率。

式（1）中：f-降黏率；μ0-加入高溫稠油降黏劑前原油黏度，mPa·s；μ-加入高溫稠油降黏劑后原油黏度，mPa·s。

對O/W 型乳狀液加工之前，必須對其破乳脫水，以減少管道和設備腐蝕[11]，對兩種降黏劑進行脫水率測定實驗，分別將AOS 配制濃度為0.3 %和0.6 %各20 mL，MES 配制濃度為1.0%和2.0 %各20 mL，300 ℃高溫老化后，按照油水比7:3 配制稠油樣液，在恒溫50 ℃1 h 后，利用乳化分散儀器在6 000 r/min 轉數下，乳化攪拌2 min，取乳化攪拌后的分散液6 mL 加入10 mL 量筒中，50 ℃水浴鍋水浴1 h，讀取并計算脫水率。根據脫水率公式：

式（2）中：S-自然沉降脫水率；V-稠油乳液靜止后的脫水體積，mL；6-12 mL 稠油乳液的含水量，mL。通過對前后降黏率和脫水率的對比評價降黏劑的乳化降黏效果。

利用Turbiscan Lab 型分散穩定性分析儀分析稠油乳狀液的高溫處理前后的穩定性，取乳化分散后的乳狀液量20 mL 加入試劑瓶中，在保持5 min 靜置后，放入實驗儀器。實驗中，Turbiscan Lab 參數設置為：間隔25 s 掃描1 次獲取一組透射光和散射光強度數據，測試時間為1 h，測試高度為40 mm，溫度為30 ℃，得到動力學不穩定性參數TSI。為將TSI 曲線的動態變化轉化為靜態的數值，通過利用STDEV 函數對動力學不穩定性參數進行處理，STDEV 稱為基于樣本估算標準偏差。通過分析便得到反映數值相對于平均值（mean）的離散程度的S分離值：

式（3）中：Xi-每60 s 平均動力學不穩定性參數；XT-Xi的平均值；n-重復測量次數。分析高溫處理前后的TSI 與S分離值變化情況判定乳化降黏劑的高溫穩定性。

2 結果與討論

2.1 表面張力變化評價

為了解AOS 和MES 兩種乳化降黏劑在高溫處理前后的穩定性差異，研究從高溫前后的表面張力變化入手。在降黏劑理論研究中，表面活性劑溶液與稠油接觸形成O/W 型乳狀液，油便分散在表面活性劑水溶液中，表面活性劑分子通過吸附于油珠周圍，形成定向單分子或多分子保護膜，從而防止了油珠重新聚合，在乳狀液流動過程中對管壁摩擦力和分子內摩擦力減弱[12]。通過Attension 表面張力儀分析測定得到的50 ℃和耐溫300 ℃條件下兩種降黏劑的表面張力情況進行對比。

兩種降黏劑的高溫穩定性由圖1 對比可以看出，AOS 在50 ℃與300 ℃高溫處理后的表面張力無較大變化；MES 在50 ℃與300 ℃高溫處理后的表面張力變化差異大；通過計算兩種變化情況的平均變化率，AOS高溫處理前后的平均變化率約為0.86 %，MES 約為12.38 %。分析數據結果可以發現在300 ℃高溫處理后，AOS 的高溫穩定性要明顯優于MES，表明溫度的高低對于降黏劑的穩定性是存在影響的，較高的地層溫度會在一定程度上降低降黏劑的穩定性。

圖1 50 ℃與300 ℃AOS 與MES 表面張力對比圖Fig.1 Comparison of surface tension between 50 ℃and 300 ℃AOS and MES

2.2 乳化降黏效果評價

乳化劑效果評價主要以乳狀液表觀黏度值和靜態穩定性兩項指標為依據，通過分析兩項指標從而獲得使乳狀液穩定性好、表觀黏度低的乳化劑[13]。計算得到兩種降黏劑表觀黏度值對應的降黏率（見表1）。

表1 不同降黏劑降黏率Tab.1 Viscosity reduction ratio of different viscosity reducer

兩種降黏劑表觀黏度值對應的降黏率進行對比，AOS 降黏率在97 %以上，MES 降黏率在98 %以上，兩種乳化降黏劑的降黏率基本相同，表明兩種降黏劑的降黏性能并未存在較大差別。

脫水率可用于衡量乳狀液的靜態穩定性，稠油乳狀液在采出進行脫水處理時，單位時間內脫水率越高則表征降黏劑的破乳能力越好，穩定性越優，對節約時間成本越有意義（見表2）。

表2 耐溫后AOS 和MES 的脫水率Tab.2 Dehydration rate of AOS and MES after temperature resistance

高溫處理后的兩種降黏劑乳狀液在靜態穩定性上表現為，當AOS 濃度為0.3 %時，該乳狀液的脫水率為86.67 %，MES 濃度為1.0 %時，乳狀液的脫水沉降率為81.67 %，兩種降黏劑的靜態穩定性AOS 要比MES效果較好。

2.3 乳化降黏劑乳狀液穩定性評價

為進一步的評價兩種乳化降黏劑的高溫穩定性，實驗利用Turbiscan Lab 型分散穩定性分析儀，按照實驗方法對AOS 和MES 兩種乳化降黏劑在50 ℃和300 ℃高溫處理前后所配制的稠油乳狀液掃描，得到掃描時間與背散射光沿盛放試樣用玻璃測試室高度的變化曲線（見圖2）。

為直觀地比較相關試樣的穩定性差異，將背散射光變化量經微積分處理后得出動力學不穩定性參數（TSI），經軟件處理（見圖3）。

圖2 各種試樣稠油乳狀液掃描圖譜Fig.2 Scanning map of various samples of heavy oil emulsion

圖3 各種試樣稠油乳狀液動力學不穩定性圖譜Fig.3 Kinetic instability map of various samples of heavy oil emulsion

相關研究表明，分散相粒子的平均直徑和體積分數直接決定著背散射光強度的變化程度，反映體系的穩定程度[14]，TSI 曲線指數越小表示樣品體系越穩定[15，16]。由圖3 分析高溫處理前后的TSI 變化值，60 min 后AOS 的0.3 %和0.6 %濃度的TSI 值分別從50 ℃的0.00～0.29 和0.00～0.22變為300 ℃高溫處理后的0.00～0.27 和0.00～0.49，兩種濃度對應的變化量分別約0.02 和0.27，MES 的兩種濃度的TSI 則由50 ℃的0.00～0.58 和0.00～0.15變為300 ℃高溫處理后的0.00～0.71 和0.00～0.79，對應的變化量分別約0.13 和0.64。對比高溫處理前后兩種降黏劑的TSI 以及對應變化量可以看出，AOS 的高溫穩定性優于MES。

利用STDEV 函數對動力學不穩定性參數進行處理，得到反映數值相對于平均值（mean）的離散程度的S分離值（見表3）。

表3 STDEV 函數處理結果表Tab.3 STDEV function processing result table

根據STDEV 函數的定義，S分離值越小則表明在靜置過程中稠油乳狀液的穩定性越好，高溫處理前后的S分離值越接近則表明降黏劑的高溫穩定性越好。分析所計算出的S分離值數據得出，在50 ℃與300 ℃條件下，兩種濃度的AOS 與MES 的S分離值均發生相對變化，對比同一濃度高溫處理前后的S分離值變化量，AOS 的S分離值變化量（0.016 9 和0.071 1）相對于MES 的S分離值變化量（0.039 4 和0.196 2）平均較低，表明在高溫處理前后兩種降黏劑的高溫穩定性AOS 要優于MES 且在高溫處理后，AOS 的S分離值（0.066 8 和0.130 0）也相對小于MES 的S分離值（0.187 4 和0.236 4），可以看出AOS在300 ℃高溫處理后其基本性質并未發生較大改變，高溫穩定性總體上要優于MES，而這一結果與所測定的高溫處理后的表面張力的結論一致。

3 結論

（1）對降黏劑溶液的表面張力進行分析可以得出，無論是AOS 還是MES，其在經受300 ℃高溫后，其穩定性均呈現了一定幅度的降低，AOS 的改變率表現為0.86 %，MES 表現為12.38 %，高溫穩定性方面AOS 優于MES。

（2）從乳狀液表觀黏度值和靜態穩定性兩項指標分析，兩種降黏劑的降黏率分別為AOS＞97 %，MES＞98 %；脫水率AOS 濃度為0.3 %時，為86.67 %，MES濃度為1.0 %時，為81.67 %。

（3）通過運用Turbiscan Lab 型分散穩定性分析儀求解動力學不穩定性參數得到，高溫處理對兩種乳化降黏劑均造成了影響，分析動力學穩定性參數TSI，兩種濃度的AOS 高溫處理后TSI 變化量僅為0.02 和0.27，MES 對應TSI 變化量則為0.13 和0.64。分析S分離值，在高溫處理后，兩種濃度AOS 的S分離值僅為0.066 8和0.130 0 也相對小于MES 的0.187 4 和0.236 4，AOS 的穩定性總體上均優于MES。