基于原油物性定量表征的油包水乳狀液黏度預(yù)測模型*

羅海軍，文江波，宋 揚(yáng)，王志華

（1.提高油氣采收率教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（東北石油大學(xué)），黑龍江大慶 163318；2.廣東石油化工學(xué)院石油工程學(xué)院，廣東茂名 525000；3.中國石油大學(xué)（華東）儲運(yùn)與建筑工程學(xué)院，山東青島 266580）

0 前言

在陸上及海上油田的開發(fā)過程中，一般采用油水混輸工藝對采出液進(jìn)行集輸。原油、水在混輸過程中，受到管流的剪切作用相互摻混，很容易形成乳狀液。乳狀液的形成會大幅提高油水兩相體系的表觀黏度，導(dǎo)致管流摩阻增加，進(jìn)而影響混輸管道的流動特性［1-3］。

原油中富含瀝青質(zhì)、膠質(zhì)、蠟、機(jī)械雜質(zhì)和酸性化合物等天然界面活性物質(zhì)。這些物質(zhì)是導(dǎo)致原油、水發(fā)生乳化并形成乳狀液的關(guān)鍵，進(jìn)而也是影響原油乳狀液黏度特性的關(guān)鍵因素［4］。瀝青質(zhì)具有高效的界面活性，能吸附在油水界面上，形成具有一定機(jī)械強(qiáng)度的黏彈性界面膜；較高的瀝青質(zhì)濃度會增強(qiáng)界面膜的厚度和強(qiáng)度，從而形成穩(wěn)定性更高、黏度更大的原油乳狀液［5-6］。膠質(zhì)與瀝青質(zhì)屬于同一類物質(zhì)，其相對分子質(zhì)量和極性均略小于瀝青質(zhì)。在乳化過程中，膠質(zhì)與瀝青質(zhì)具有協(xié)同作用。少量的膠質(zhì)會增強(qiáng)瀝青質(zhì)在界面膜上的吸附親和性，而較大量的膠質(zhì)會促進(jìn)瀝青質(zhì)在界面膜上的分散，從而削弱界面膜的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度［7-9］。原油中析出的蠟可以形成空間網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，有效地封裝分散相液滴，蠟晶顆粒也可以在界面膜上聚集，阻止液滴聚結(jié)。原油中蠟含量越高，乳化強(qiáng)度越大，形成的乳狀液穩(wěn)定性和黏度也越高［10-11］。原油中的固體微粒等機(jī)械雜質(zhì)具有與蠟晶顆粒相似的界面活性。微米或納米尺度的無機(jī)固體顆粒不僅可以提高原油的黏度，而且可以增強(qiáng)油水界面膜的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，提高乳狀液的穩(wěn)定性［12-13］。原油中含有許多酸性化合物，包括羧基酸、環(huán)烷酸、瀝青酸等［14］。酸性化合物可以單獨(dú)吸附在油水界面上，也可以與堿反應(yīng)生成新的界面活性物質(zhì)，對乳狀液的界面膜性質(zhì)、穩(wěn)定性及黏度特性具有重要作用［15-16］。

準(zhǔn)確預(yù)測原油乳狀液的黏度對于油水混輸管道設(shè)計、運(yùn)行具有重要意義。目前，國內(nèi)外學(xué)者已經(jīng)提出了較多的模型用于預(yù)測乳狀液的黏度。提出較早并被廣泛使用的乳狀液黏度模型包括Einstein 模 型［17］、Vand 模 型［18］、Taylor 模 型［19］、Richardson 模型［20］等。在這之后，Broughton 等［21］、Mooney［22］、Marsden［23］相繼提出了基于Richardson方程的改進(jìn)模型。Phan-Thien等［24］采用連續(xù)介質(zhì)理論進(jìn)行推導(dǎo)，提出了基于Taylor 方程的改進(jìn)模型。Pal［25］考慮了乳狀液中界面活性劑的影響，基于Phan-Thien 方程提出了新的改進(jìn)模型。在當(dāng)前階段，Dan等［26］、Azodi等［27］、do Carmo等［28］、Shi等［29］相繼提出了考慮連續(xù)相黏度、分散相體積分?jǐn)?shù)、剪切速率、溫度、乳化劑濃度等因素影響的乳狀液黏度預(yù)測模型。

在含水率較低時，混輸管道中的原油能將水相全部乳化，形成較穩(wěn)定的油包水（W/O）乳狀液；在高含水時，原油只能將其中一部分水乳化，形成油包水乳狀液與游離水的摻混體系［2］。準(zhǔn)確預(yù)測油包水乳狀液的表觀黏度對于指導(dǎo)油水混輸管道運(yùn)行至關(guān)重要。上述乳狀液黏度模型的主要局限性在于：模型沒有與原油物性進(jìn)行定量關(guān)聯(lián)，而且往往含有需要通過實(shí)驗(yàn)確定的待定參數(shù)，導(dǎo)致模型不能方便地應(yīng)用于不同的原油-水體系。筆者采用8 種不同物性的原油制成油包水乳狀液，通過流變儀考察乳狀液的黏度特性，研究了溫度、含水率及剪切速率對乳狀液表觀黏度的影響。以實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，并對原油物性進(jìn)行定量分析，建立了適用于不同原油、不同剪切條件的油包水乳狀液黏度預(yù)測模型。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 材料與儀器

1#—8#原油，茂名石化公司，物性參數(shù)如表1所示；超純水，自制。

表1 8種原油的物性參數(shù)

RW 20 攪拌器，德國IKA 公司；Rheolab QC 旋轉(zhuǎn)流變儀，奧地利Anton Paar公司。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

黃啟玉等［30］的研究指出，在攪拌轉(zhuǎn)速為500 r/min、溫度為40～50 ℃、攪拌時間為10 min 的條件下，將原油-水混合液進(jìn)行攪拌制得原油乳狀液，其黏度與現(xiàn)場取樣的原油乳狀液黏度非常接近，可以將該實(shí)驗(yàn)條件作為實(shí)驗(yàn)室制備乳狀液的依據(jù)。本文采用RW 20 攪拌器，在剪切強(qiáng)度為500 r/min、體積含水率（φw）為0.30～0.60、溫度為30～60 ℃、攪拌時間為10 min 的實(shí)驗(yàn)條件下，將上述8 種原油與超純水混合攪拌，制備油包水乳狀液。

根據(jù)石油天然氣行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)SY/T 0520—2008《原油黏度測定：旋轉(zhuǎn)黏度計平衡法》，采用旋轉(zhuǎn)流變儀測定油包水乳狀液的黏度。

2 結(jié)果與討論

2.1 油包水乳狀液表觀黏度與溫度、剪切速率的關(guān)系

以1#—4#原油為例，油包水乳狀液的表觀黏度隨溫度、剪切速率的變化如圖1 所示。原油與水混合形成油包水乳狀液后，相較于純原油黏度，乳狀液黏度大幅提升。由圖1 可知，各種原油的油包水乳狀液表觀黏度均隨溫度升高而減小。在30～50 ℃范圍內(nèi)，乳狀液黏度降幅較大；在50～60 ℃范圍內(nèi)，乳狀液黏度的下降趨勢逐漸趨于平緩。各種原油的油包水乳狀液表觀黏度均隨剪切速率的增加而減小，體現(xiàn)出一定的剪切稀釋性。結(jié)合原油的物性參數(shù)（表1）可知，原油中瀝青質(zhì)、膠質(zhì)、蠟等界面活性物質(zhì)的含量越高，其油包水乳狀液的表觀黏度越大，非牛頓性越強(qiáng)，剪切稀釋性越顯著；反之，則乳狀液的表觀黏度較小，剪切稀釋性減弱。

圖1 體積含水率不同的油包水乳狀液表觀黏度隨溫度、剪切速率的變化

2.2 油包水乳狀液表觀黏度與含水率的關(guān)系

以5#—8#原油為例，油包水乳狀液表觀黏度隨含水率的變化如圖2 所示。4 種原油的油包水乳狀液表觀黏度均隨含水率的增加而逐漸增大，在0.30～0.40 的較低含水率范圍內(nèi)，乳狀液黏度增長緩慢；在0.40～0.60的較高含水率范圍內(nèi)，乳狀液黏度的增幅顯著變大。水相作為油包水乳狀液的內(nèi)相，其含量越高，則意味著分散在原油中的液滴數(shù)量越多，對于乳狀液體系的流動阻滯作用越強(qiáng)，使得黏度顯著增大。另外，隨著溫度上升，表觀黏度-含水率曲線逐漸趨于平緩，乳狀液表觀黏度的增幅逐漸減小。

圖2 在不同剪切速率下油包水乳狀液表觀黏度隨含水率的變化

3 油包水乳狀液黏度預(yù)測模型

3.1 黏度模型方程

由上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，油包水乳狀液具有較強(qiáng)的剪切稀釋性，是一種典型的假塑性流體，可采用冪率模型來描述其流變特性［31］，即：

其中，τ—剪切應(yīng)力，mPa；—剪切速率，s-1；K—稠度系數(shù)，mPa·sn；n—流變特性指數(shù)。

則油包水乳狀液的表觀黏度方程為［31］：

其中，μa—表觀黏度，mPa·s。

K、n值的確定方法如下。（1）在采用旋轉(zhuǎn)流變儀測試乳狀液黏度時，選用5 個遞增的剪切速率值對乳狀液進(jìn)行剪切，一般可選用100、150、200、250、300 s-1。剪切速率值可根據(jù)預(yù)估流體黏度進(jìn)行調(diào)整：流體黏度越大，選用剪切速率越小；流體黏度越小，則選用剪切速率越大。每個剪切速率可設(shè)置3～5 min 的剪切時間，剪切時間也可根據(jù)預(yù)估流體黏度進(jìn)行調(diào)整，目的是讓剪切達(dá)到平衡。（2）參數(shù)設(shè)置完成后，啟動旋轉(zhuǎn)流變儀進(jìn)行測量，即可獲得每個下對應(yīng)的μa。然后，將黏度值與對應(yīng)剪切速率相乘，得到每個剪切速率下對應(yīng)的剪切應(yīng)力，即τ=μa。（3）以5組τ、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，采用式（1）進(jìn)行擬合，即可得到相應(yīng)實(shí)驗(yàn)條件下的K、n值。

3.2 K、n值隨含水率和溫度的變化

在上述黏度方程中，K反映了乳狀液的黏稠程度，n反映了乳狀液偏離牛頓流體的程度。K值越大，意味著乳狀液越黏稠；n值越小，意味著乳狀液的非牛頓特性越顯著。以1#、2#原油為例，K、n值隨含水率和溫度的變化如圖3、圖4所示。

圖3 油包水乳狀液的K（a）、n（b）值隨含水率的變化

圖4 油包水乳狀液的K（a）、n（b）值隨溫度的變化

由圖3可知，隨著含水率上升，油包水乳狀液的K值逐漸增大，而n值逐漸減小。這表明，隨著含水率上升，油包水乳狀液的黏稠程度升高，同時非牛頓特性增強(qiáng)，黏度增大，流動性能變差。由圖4 可知，隨著溫度升高，油包水乳狀液的K值逐漸減小，而n值逐漸增大。這表明，隨著溫度升高，油包水乳狀液的黏稠程度降低，同時非牛頓特性減弱，黏度減小，流動性能變好。另外，綜合圖3、圖4 來看，由于1#、2#原油的物性不同，其油包水乳狀液的K、n值存在顯著差異。

綜上所述，油包水乳狀液的K值及n值與含水率、溫度及原油物性密切相關(guān)。若使用黏度方程式（2）來計算油包水乳狀液的黏度，必須首先確定K、n值。因此，為了方便黏度方程的應(yīng)用，有必要將K、n值進(jìn)行量化，即建立K、n與含水率、溫度及原油物性之間的定量關(guān)系式。

3.3 K、n值與含水率、溫度及原油物性的定量關(guān)系式

油包水乳狀液的乳化及黏度特性主要取決于原油中瀝青質(zhì)、膠質(zhì)、蠟、機(jī)械雜質(zhì)、酸性化合物等含量的大小。原油中這些界面活性物質(zhì)的含量越高，則原油的乳化特性越強(qiáng)，形成的油包水乳狀液穩(wěn)定性越高，黏度越大。結(jié)合筆者之前的研究［32］，采用瀝青質(zhì)+膠質(zhì)含量（ca+r）、蠟含量（cw）、機(jī)械雜質(zhì)含量（cm）、原油酸值（AN）、原油黏度（μoil）5個參數(shù)來表征原油物性。選擇上述5 個參數(shù)的原因如下：（1）瀝青質(zhì)、膠質(zhì)的組成和性質(zhì)相似，都屬于大分子非烴類化合物組成的復(fù)雜混合物，二者之間沒有明顯的界限，因此，將瀝青質(zhì)、膠質(zhì)的含量合并進(jìn)行考慮；（2）蠟含量、機(jī)械雜質(zhì)含量、原油酸值分別用于表征原油中的蠟、機(jī)械雜質(zhì)、酸性化合物對油包水乳狀液乳化及黏度特性的影響；（3）原油的黏度越大，對油包水乳狀液中內(nèi)相水滴的阻滯作用越強(qiáng)，阻礙了水滴的聚并和沉降，使得乳狀液的黏度越大，因此，需考慮原油黏度的影響。

表征原油物性的代表性參數(shù)確定之后，利用數(shù)理統(tǒng)計方法建立參數(shù)K、n與含水率、溫度及原油物性之間的定量關(guān)系式。以K為例，可假定K與含水率、溫度及原油物性的定量關(guān)系模型如式（3）所示［32-33］：

其中，a0—a7為擬合參數(shù)；T—溫度，℃。

對式（3）取對數(shù)得到式（4）：

以上述8 種原油的油包水乳狀液在不同含水率、溫度條件下的128 組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，對式（5）進(jìn)行多元線性回歸，得到式（6）：

得到上述模型后，進(jìn)行假設(shè)檢驗(yàn)，以驗(yàn)證y與xi（i=1～7）之間是否具有顯著的線性關(guān)系。由式（6）可知，當(dāng)xi=0（i=1～7）時，則認(rèn)為y與xi（i=1～7）之間不存在線性關(guān)系；反之，則認(rèn)為二者之間存在顯著線性關(guān)系。因此，y與xi（i=1～7）之間有無線性關(guān)系，相當(dāng)于假設(shè)：1）H0xi=0（i=1～7）；2）H1xi（i=1～7）不全等于0。

在數(shù)理統(tǒng)計學(xué)中，常采用F檢驗(yàn)法來檢驗(yàn)H0在給定的顯著性水平α（一般取α=0.05）下是否成立，檢驗(yàn)方法如下：

對式（6）進(jìn)行數(shù)學(xué)轉(zhuǎn)換，得到K與含水率、溫度及原油物性之間的定量關(guān)系式如下：

同理，通過回歸分析，建立n與含水率、溫度及原油物性之間的定量關(guān)系式如下：

K、n值分別根據(jù)式（10）、（11）的計算值與實(shí)驗(yàn)值之間的擬合相對偏差如圖5 所示，平均相對偏差分別為8.8%、2.1%。

圖5 K（a）、n（b）值的計算值與實(shí)驗(yàn)值的擬合相對偏差

建立K與n的定量計算關(guān)系式后，則油包水乳狀液的黏度模型方程（即式（2））被完全量化。模型與原油物性、剪切速率、含水率及溫度進(jìn)行了定量關(guān)聯(lián)，可以方便地應(yīng)用于不同原油在不同條件下油包水乳狀液表觀黏度的預(yù)測，具有較好的普遍適用性。

3.4 黏度模型計算偏差分析

采用上述建立的油包水乳狀液黏度預(yù)測模型計算乳狀液的表觀黏度，并與實(shí)測表觀黏度結(jié)果進(jìn)行對比，以1#—4#原油為例，對比結(jié)果如圖6 所示。對于1#—8#原油在不同含水率、溫度、剪切速率條件下的共384 組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計，模型計算黏度值與實(shí)測值之間的擬合相對偏差如圖7 所示，平均相對偏差為8.1%。由圖6、圖7可知，該黏度模型對不同原油、不同實(shí)驗(yàn)條件下油包水乳狀液表觀黏度的計算結(jié)果與實(shí)測結(jié)果的吻合度較好，具有較低的相對偏差，預(yù)測效果良好。

圖6 油包水乳狀液表觀黏度的模型計算值與實(shí)測值對比

圖6（續(xù)）

圖7 油包水乳狀液表觀黏度的模型計算值與實(shí)測值的相對偏差

4 結(jié)論

油包水乳狀液的表觀黏度隨溫度的升高而減小，隨含水率的增加而增大，隨剪切速率的增加而減小，具有剪切稀釋性；原油中瀝青質(zhì)、膠質(zhì)、蠟等界面活性物質(zhì)的含量越高，其油包水乳狀液的表觀黏度越大，非牛頓性越強(qiáng)，剪切稀釋性越顯著。

油包水乳狀液在實(shí)驗(yàn)溫度（30～60 ℃）范圍內(nèi)是一種典型的假塑性流體，可采用冪率模型來描述其流變特性。通過回歸分析，建立了稠度系數(shù)K、流變特性指數(shù)n與含水率、溫度及原油物性之間的定量關(guān)系式，從而建立了油包水乳狀液的黏度預(yù)測模型。對1#—8#原油在不同含水率、溫度、剪切速率條件下的共384 組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計，模型計算黏度值與實(shí)測值之間的平均相對偏差為8.1%。該模型可以方便地應(yīng)用于不同原油在不同條件下油包水乳狀液表觀黏度的預(yù)測，具有較好的普遍適用性。模型的最佳適用條件為：乳狀液體積含水率0.30～0.60、溫度30～60 ℃、乳狀液黏度10～2000 mPa·s。