結合核磁共振技術對不同含水率乳狀液穩定性分析*

蒲萬芬，賀 偉，鹿嘉悅，常家靖，李思穎

（西南石油大學石油與天然氣工程學院，四川成都 610500）

0 前言

隨著注水開發的進行，國內很多油田已經進入了“雙高”即高含水、高采出程度階段，地層中油與水主要以乳狀液的形式存在。乳狀液是由一種液體均勻地分散在另一種互不相溶的液體里形成的多相分散體系。常見的乳狀液有兩種，一種是以油為分散相、水為分散介質的水包油（O/W）型乳狀液，另一種是以水為分散相、油為分散介質的油包水（W/O）型乳狀液。一般W/O型乳狀液的黏度較大，乳化液滴之間碰撞、合并，并逐步形成“油墻”，后續乳狀液推動“油墻”運移，擴大波及面積，提高采收率［1-4］。近二十年來，核磁共振技術在石油工業中取得了巨大的發展。核磁共振流體分析儀可以對流體的氫含量、組成、黏度、氫指數（HI）、泥漿侵入、油氣比、平均流速、速度分布等性質進行廣泛而精確的勘探［5-7］。一直以來，關于原油乳狀液的形成和穩定性還沒有一個比較完整的理論。本文以渤海A油藏為研究背景，進行室內自乳化實驗，結合核磁共振技術，測試乳狀液的黏度、界面張力、粒徑，找到幾者與乳狀液的穩定性之間的聯系。

1 實驗部分

1.1 材料與儀器

實驗用油為渤海A 油藏脫水原油，黏度為66.96 mPa·s，密度為0.917 g/mL。實驗用水為渤海A油藏采出水，礦化度為2315.38 mg/L，主要離子質量濃度（單位mg/L）：K++Na+721.28、Mg2+19.32、Ca2+15.92、HCO3-899.58、Cl-581.22、CO32-78.06，pH值為8.9。

安捷倫GC7890A 液相色譜儀，美國Agilent 公司；DV-III+Pro型旋轉黏度計，美國Brookfield公司；DM LB2型顯微鏡，徠卡公司；DSA30R型全自動界面張力儀，德國克呂士公司，FJ-200-SH 乳化機，浙江恒岳儀器有限公司；SPEC-RCI 型多孔介質核磁滲流實驗分析儀，北京斯派克科技發展有限公司。

1.2 實驗方法

（1）自乳化實驗

按含水率40%、50%、60%、70%將一定量的渤海A油藏脫水原油與渤海A油藏采出水混合，總體積為30 mL，然后放入65 ℃（地層溫度）的水浴鍋內，開啟FJ-200-SH 乳化機，在攪拌速率3000 r/min（剪切速率為282.3 s-1）下攪拌30 min。

（2）乳狀液黏度測定

采用旋轉黏度計在溫度65 ℃、剪切速率7.3 s-1下測定所得乳狀液的黏度。

（3）乳狀液光學顯微鏡觀察

將乳狀液取樣、涂片，采用徠卡顯微鏡觀測乳狀液的微觀分布并判斷其乳液類型，統計得到乳狀液的粒徑分布。

（4）乳狀液穩定性實驗

將乳狀液在油藏條件（65 ℃）下密封放置，老化96 h，記錄不同時間下乳狀液的析水量，以評價乳狀液的穩定性。

（5）界面張力測定

在65 ℃下，用全自動界面張力儀測定采出水與原油間以及不同含水率下所形成的乳狀液的界面張力，取穩定值。

（6）核磁共振儀分析

采用核磁共振儀分別測定含水率50%的未攪拌油水混合液以及不同含水率的乳狀液的T1/T2二維譜和D/T2二維譜。

2 結果與討論

2.1 黏度分析

在溫度65 ℃，攪拌速率3000 r/min 下，將渤海A油藏脫水原油與采出水開展含水率分別為40%～70%的原油自乳化實驗，攪拌30 min 后乳化情況見表1 和表2。由表1 可知，在含水率為40%、50%時，原油與采出水發生完全乳化，形成了W/O 型乳狀液；含水率為60%時基本乳化，為W/O型乳狀液；含水率為70%時基本不乳化，但仍存在少量W/O型乳狀液。不同含水率乳狀液的黏度均明顯高于脫水原油的（66.96 mPa·s）。當含水率小于50%時，隨含水率的增大，水相增溶率增大，黏度增大；含水率為50%時，分散相體積達到最大，水相增溶率最高，黏度最高；含水率大于50%時，分散相體積變小，水相增溶率變小，黏度降低。

表1 實驗條件及結果

表2 乳狀液增溶水相體積

2.2 乳狀液的微觀分析

乳狀液粒徑特征描述的是乳狀液液滴的形態，既可以在微觀上看到組成特征，也可以從宏觀上描述絮凝和聚結過程，其主要的參數為粒徑和粒徑分布［8-9］。根據乳狀液基本理論，乳狀液的平均粒徑越小，粒徑分布越均勻、越集中，隨時間變化程度越小，相互融合的速度越慢，乳液越穩定［10-13］。不同含水率下原油與采出水所形成乳液的微觀形貌及粒徑分布如圖1—圖4所示。

圖1 含水率40%下所形成乳狀液的微觀形貌及粒徑分布

圖3 含水率60%下所形成乳狀液的微觀形貌及粒徑分布

圖4 含水率70%下所形成乳狀液的微觀形貌及粒徑分布

在溫度65 ℃、攪拌速率3000 r/min、攪拌時間30 min的情況下，當含水率為40%時，所形成乳狀液主要以1 μm左右的小粒徑液滴為主，有少量粒徑在2 μm 以上的液滴，平均粒徑為1.905 μm，乳液內相襯度明顯低于外相，因此判斷乳液為油包水（W/O）型乳狀液；當含水率為50%時，乳狀液主要以1 μm左右的小液滴為主，并有少量粒徑在2 μm以上的液滴，平均粒徑為1.487 μm，乳液為油包水（W/O）型乳狀液；當含水率為60%時，液滴數量明顯減少，主要以2 μm左右大粒徑液滴為主，平均粒徑為2.04 μm，判斷為油包水（W/O）型乳狀液；當含水率為70%時，顯微鏡下幾乎看不見乳狀液，乳狀液液滴粒徑大于2 μm。一般認為，平均粒徑越小，粒度分布越均勻，乳狀液越穩定［12-13］。由此得出，含水率為40%和50%下所形成的乳狀液較為穩定，而含水率為70%下所形成的乳狀液最不穩定。

2.3 界面張力分析

根據界面張力理論，乳狀液穩定性影響因素之一為界面張力［14］。乳狀液是一種熱力學不平衡體系，液滴有自發并結以降低體系總界面能的傾向，為了減少其不穩定性，就要降低其界面張力，使體系的總能量降低［15］。原油與采出水的界面張力為56.56 mN/m，含水率40%、50%、60%、70%下所形成的乳狀液的界面張力分別為23.90、318.89、34.31、58.52 mN/m。含水率50%下所形成的乳狀液界面張力最小，根據界面張力理論，初步判斷含水率50%下所形成乳狀液的穩定性最好，而含水率70%下所形成乳化液的穩定性最差。結合界面張力、黏度和粒徑分布測試結果分析，含水率50%下所形成乳狀液的界面張力降低的同時黏度增大，乳狀液的平均粒徑減小，乳狀液的穩定性增大。

2.4 核磁共振分析

核磁共振信號主要來自于自旋的原子核，不同乳狀液的核磁共振信號不相同，流體性質是影響這些特征的主要原因之一。流體的馳豫主要是由相鄰自旋的隨機運動引起局部磁場波動的結果［16-17］。在未攪拌的情況下，由于所測的是連續相的水，所以測試結果與含水率無關。在地層溫度（65 ℃）下，對采出水+原油（50%未攪拌）進行核磁共振D/T2、T1/T2二維譜測試，結果見圖5 和圖6。不同含水率下所形成的乳狀液的T1/T2二維譜見圖7，D/T2二維譜見圖8。

圖5 采出水+原油（50%未攪拌）時的T1/T2二維譜

圖6 采出水+原油（未攪拌50%）D/T2二維譜

圖8 不同含水率下所形成乳狀液的D/T2二維譜

由于未攪拌，所以測試的是連續相的水，由圖5和圖6 可以得到，其縱向弛豫時間（T1）約為3000 ms，橫向弛豫時間（T2）約為1500 ms，自擴散系數（D）約為2×10-9m2/s。水作為乳化狀態的“探針”，自擴散系數大、黏度低，較為活潑。

由圖7 可知，含水率為40%和50%下所形成乳狀液的縱向弛豫時間（T1）大致相同，約為1100 ms；含水率為60%、70%下所形成乳狀液的T1分別約為1700、3000 ms。含水率為40%、50%、60%、70%下所形成乳狀液的橫向弛豫時間（T2）分別約為490、500、700、1000 ms。作T1與T2的比值等于1的直線，可以看出，非連續相水的T2與T1比值大于1（如圖7a、b），而連續相的水的T2和T1比值約等于1（圖5和圖7c、d）。綜合微觀分析得到，乳化使得水與原油接觸面積變大，由于表面馳豫機制，水的馳豫時間變小，且馳豫時間越小乳狀液粒徑越小。

由圖8 可知，含水率為40%、50%、下所形成乳狀液的自擴散系數（D）大致相同，約為9×10-10m2/s；含水率為60%下所形成乳狀液的自擴散系數（D）約為1.1×10-9m2/s；而含水率為70%下所形成乳狀液的自擴散系數（D）約為5×10-9m2/s，各含水率的橫向弛豫時間（T2）數值與前文相同。由此得到，水作為乳化狀態的“探針”，水自擴散系數越小，乳化效果越好，乳狀液粒徑越小，乳液越穩定。

2.5 乳狀液的穩定性

將不同含水率下形成乳狀液在65 ℃條件下密封放置老化96 h，不同時間下乳狀液的析水量見表3。

表3 乳狀液老化過程

含水率為40%和50%下所形成的乳狀液的增溶水相體積分別為12、15 mL，老化過程中基本未發生明顯的析水現象，保持良好的穩定性；含水率為60%下所形成的乳狀液的增溶水相體積為9 mL，老化96 h 后析出3.5 mL 的水，乳狀液的穩定性變差；而含水率為70%的乳狀液的增溶水相體積為1 mL，老化24 h后全部析出，乳狀液穩定性很差。乳化液老化不是簡單的析水、聚并和破乳的過程，而伴隨的是水和油分子熱運動，表面活性劑類型及濃度、油水質量比、乳狀液體相黏度等因素會對乳狀液穩定性產生影響［18］。

3 結論

乳化會使得水與油接觸面積變大。乳狀液平均粒徑越小，黏度越大，界面張力值越低，水的馳豫時間和擴散系數越小，乳液越穩定，乳化效果越好。

分散相水相液滴由于擴散受到限制，表觀自擴散系數將變小。乳狀液粒徑越小，受限越嚴重，自擴散系數較自由狀態降低程度越大。

分散相水相液滴的表觀自擴散系數與馳豫時間呈正相關，縱向弛豫時間（T1）與橫向弛豫時間（T2）的比值與乳狀液粒徑有著負相關的關系，即比值越大，乳狀液粒徑越小，狀態越穩定。