風(fēng)城超稠油O／W降黏體系評(píng)價(jià)研究

王 迪，周 慶，王 亮，霍 進(jìn)，丁 彬，羅健輝

（1.中國(guó)石油大學(xué)（北京），北京 102249；2.中國(guó)石油勘探開(kāi)發(fā)研究院，北京 100083；3.中國(guó)石油新疆油田分公司風(fēng)城作業(yè)區(qū)，新疆 克拉瑪依 834000）

風(fēng)城超稠油黏度高、易凝固、埋藏淺，被世界稱為“流不動(dòng)的油田”。其高黏問(wèn)題已經(jīng)嚴(yán)重制約風(fēng)城超稠油的開(kāi)采和輸送，如何有效降低風(fēng)城超稠油表觀黏度，大幅度改善超稠油流動(dòng)性，對(duì)風(fēng)城超稠油的高效開(kāi)發(fā)具有重要意義［1-2］。

目前，國(guó)內(nèi)外通常使用加熱降黏、稀釋降黏和表面活性劑降黏三種方法降低超稠油表觀黏度［3-4］。其中表面活性劑降黏由于最具技術(shù)、經(jīng)濟(jì)價(jià)值，一直是稠油降黏的研究熱點(diǎn)［5］。表面活性劑降黏是使超稠油、水及表面活性劑相互作用形成以油為內(nèi)相，水為外相的O／W乳狀液，以此降低超稠油初始表觀黏度［6］。常見(jiàn)的稠油O／W降黏理論主要有定向楔理論、界面張力理論、界面理論、電效應(yīng)理論和DLVO理論［7］，稠油O／W降黏體系的性能主要?dú)w因于界面的位阻效應(yīng)和界面黏彈性［8］。在超稠油O／W體系中，稠油液滴之間的相互碰撞可以使液滴表面的界面膜發(fā)生微觀形變，微觀形變會(huì)加重超稠油O／W體系中液滴的聚并程度，所以通常來(lái)說(shuō)，一般的表面活性劑降黏需要采用多種類型表面活性劑進(jìn)行復(fù)配，通過(guò)不同結(jié)構(gòu)表面活性劑的協(xié)同效應(yīng)實(shí)現(xiàn)降低超稠油表觀黏度的目的。一方面，在油、水界面附近形成穩(wěn)定的界面膜；另一方面，需要利用離子型表面活性劑的電荷效應(yīng)形成雙電子層（Stern層），防止液滴之間的彼此接近，利用協(xié)同效應(yīng)使稠油液滴不易發(fā)生聚并，從而形成超稠油O／W降黏體系［9］。但復(fù)配表面活性劑體系存在很多問(wèn)題，例如：超稠油進(jìn)行地面集輸時(shí)往往伴隨著運(yùn)動(dòng)、剪切等外力作用，易使復(fù)配表面活性劑剪切分離，而復(fù)配的表面活性劑體系中如果一種表面活性劑性能失效，則整個(gè)復(fù)配體系的協(xié)同作用消失，超稠油表觀黏度會(huì)瞬間增大，甚至形成“油包水”狀態(tài)，失去降黏效果［10-11］；另外，復(fù)配表面活性劑還需要考慮對(duì)高黏原油的適應(yīng)性、組分間的配伍性。

基于復(fù)配表面活性劑降黏存在局限性，筆者設(shè)計(jì)并制備了具有強(qiáng)親油弱親水結(jié)構(gòu)的活性大分子降黏劑，當(dāng)超稠油在水中受到剪切、攪拌作用被分散成小顆粒的瞬間，含有苯環(huán)結(jié)構(gòu)的強(qiáng)親油基團(tuán)可以有效地吸附在超稠油液滴表面，此時(shí)帶有陰離子結(jié)構(gòu)的弱親水基團(tuán)與水可以在超稠油液滴外層形成親水隔離膜，依靠陰離子基團(tuán)的電荷排斥作用阻止超稠油顆粒之間的聚并，以此實(shí)現(xiàn)在較低溫度條件下大幅度降低超稠油體系表觀黏度，改善超稠油流動(dòng)性，滿足對(duì)地面集輸?shù)膶?shí)際要求。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 主要原料及儀器

風(fēng)城超稠油，由中國(guó)石油新疆油田分公司風(fēng)城作業(yè)區(qū)提供，基本物性：密度（20℃）為0.965～0.984kg／m3；表觀黏度（50 ℃）為 15870～33390mPa·s；瀝青質(zhì)和膠質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別約為3.5%和25.35%?；钚源蠓肿咏叼ㄒ韵潞?jiǎn)稱降黏劑），實(shí)驗(yàn)室自制，兼具有非離子／陰離子特性的含苯環(huán)活性大分子。

XMTD-6000電熱恒溫水浴，JJ-1型精密定時(shí)電動(dòng)攪拌器，PB4002-N型電子精密天平，R／S流變儀（美國(guó)Brookfield公司）。

1.2 活性大分子降黏劑合成

將10%～90%的弱親水單體、90%～10%的強(qiáng)親油單體、4%的輔料（滲透劑、增溶劑等）加入聚合容器中，通氮脫氧40min，攪拌下升溫至50～70℃，加入0.1%～5%（優(yōu)選1%）的AIBN引發(fā)聚合2～4h，即得到帶有強(qiáng)親油弱親水結(jié)構(gòu)的活性大分子降黏劑［12］。聚合反應(yīng)式如下：

弱親水單體中的R3代表H或C1～C4烷基；A代表COOM、OM、SO3M；M代表 H、Na＋、K＋或C1～C8烷基、C1～C8烷基醚或C1～C8烷基酯。R3的篩選主要影響活性大分子降黏劑的抗鹽性能，隨碳數(shù)的增加，活性大分子的抗鹽能力增強(qiáng)。

強(qiáng)親油單體中的R、R1和R2代表H或C1～C12烷基。R、R1、R2的篩選主要影響活性大分子降黏劑的親油性，隨碳數(shù)的增加，活性大分子的親油性增大。

1.3 風(fēng)城超稠油O／W降黏體系制備

將風(fēng)城超稠油、降黏劑和水按一定比例加入500mL燒杯中，在指定的恒溫水浴中預(yù)熱30 min，保持恒溫條件，采用精密定時(shí)電動(dòng)攪拌器在一定的攪拌轉(zhuǎn)速條件下攪拌1min，即得到黑褐色的風(fēng)城超稠油O／W降黏體系。

1.4 風(fēng)城超稠油O／W降黏體系性能評(píng)價(jià)

在250mL高型燒杯中加入200mL制備好的風(fēng)城超稠油O／W降黏體系，采用R／S流變儀在50℃、50s-1的條件下測(cè)定風(fēng)城超稠油O／W降黏體系的表觀黏度。

2 結(jié)果與討論

2.1 降黏劑用量對(duì)初始表觀黏度的影響

圖1為降黏劑用量對(duì)風(fēng)城超稠油O／W降黏體系的影響。由圖1可見(jiàn)：風(fēng)城超稠油O／W降黏體系的初始表觀黏度隨著降黏劑用量的增加先降低后增加。當(dāng)降黏劑含量較低時(shí)（w＜0.1%），降黏劑無(wú)法與水形成足夠的隔離膜來(lái)降低初始表觀黏度；隨著降黏劑用量的不斷增加（0.1%＜w＜0.2%），風(fēng)城超稠油O／W降黏體系的初始表觀黏度隨之降低，并在0.2%左右達(dá)到最小值，這主要是因?yàn)樵诖藯l件下O／W體系中形成的稠油液滴粒徑小，且與水形成的親水隔離膜可以有效防止稠油液滴之間的聚并；繼續(xù)增加降黏劑用量，風(fēng)城超稠油O／W降黏體系的初始表觀黏度隨之增加，這主要是因?yàn)檫^(guò)多的降黏劑會(huì)使超稠油分散成尺寸更小、數(shù)目更多的液滴，體系的總比表面積不斷增大，形成親水隔離膜所需水量也變得越來(lái)越多，所以在體系含水量不充足時(shí)，反而使得體系中部分超稠油液滴發(fā)生自發(fā)聚集的傾向而導(dǎo)致聚并粘連，表觀黏度不斷增加。

綜合圖1的結(jié)果可以看出：在降黏劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.1%～0.2%制備的風(fēng)城超稠油O／W降黏體系表觀黏度小于600mPa·s，初始降黏效果顯著。

圖1 降黏劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)與降黏體系初始表觀黏度的關(guān)系m（油）∶m（水）＝10∶3。

2.2 油水比對(duì)初始表觀黏度的影響

圖2為油水比對(duì)風(fēng)城超稠油O／W降黏體系的影響。由圖2可見(jiàn)：含水量對(duì)風(fēng)城超稠油O／W降黏體系影響顯著，風(fēng)城超稠油O／W降黏體系的初始表觀黏度隨含水量的增加先降低后趨于平穩(wěn)。當(dāng)油水比小于10∶3時(shí)，體系的初始表觀黏度較大，這主要是因?yàn)轶w系中含水量少，降黏劑與水無(wú)法形成足夠的隔離膜阻止超稠油液滴之間的聚并。隨著水量的增加，風(fēng)城超稠油O／W降黏體系初始表觀黏度也隨之降低，當(dāng)油水比超過(guò)10∶5后，超稠油顆粒表面基本形成帶有降黏劑的水膜，使其在水中可以完全均勻分散［13-14］。若繼續(xù)增加體系含水量，不會(huì)繼續(xù)增加超稠油顆粒、降黏劑與水之間的相互作用，只是適當(dāng)增大超稠油顆粒之間的距離，改善了超稠油顆粒在水中的分散效果，所以風(fēng)城超稠油O／W降黏體系的表觀黏度基本保持不變。

結(jié)合稠油集輸對(duì)整個(gè)體系表觀黏度的要求、后期破乳脫水工藝及水添加量對(duì)整體經(jīng)濟(jì)效益的影響，油水質(zhì)量比控制在10∶（3～4）較適宜。

圖2 油水質(zhì)量比對(duì)降黏體系初始表觀黏度的關(guān)系m（油）∶m（降黏劑）＝100∶0.2。

2.3 初始攪拌轉(zhuǎn)速對(duì)初始表觀黏度的影響

圖3為不同初始攪拌轉(zhuǎn)速對(duì)風(fēng)城超稠油O／W降黏體系的影響。由圖3可見(jiàn)：在體系含水量較為充足的條件下，風(fēng)城超稠油O／W降黏體系的表觀黏度隨攪拌轉(zhuǎn)速的增大而降低。這是因?yàn)閿嚢柁D(zhuǎn)速越大，形成的稠油液滴尺寸越小，越易使降黏劑、油和水充分混合，使降黏劑在油水界面上的排列更規(guī)則、更致密；體系中的稠油液滴尺寸更小，也可以有效降低超稠油O／W體系的表觀黏度。

圖3 初始攪拌轉(zhuǎn)速對(duì)降黏體系初始表觀黏度的影響m（油）∶m（水）＝10∶3，w（降黏劑）＝0.15%。

綜合圖3的結(jié)果，在初始攪拌轉(zhuǎn)速不小于400r／min條件下得到的風(fēng)城超稠油O／W體系的初始表觀黏度小于600mPa·s，具有較好的流動(dòng)性能。

3 結(jié) 論

設(shè)計(jì)并合成了具有強(qiáng)親油弱親水結(jié)構(gòu)的活性大分子降黏劑，在非復(fù)配條件下，實(shí)現(xiàn)了對(duì)風(fēng)城超稠油的高效降黏，克服了復(fù)配表面活性劑的缺點(diǎn)，在活性大分子降黏劑用量0.1%～0.2%、油水質(zhì)量比10∶（3～4）、初始攪拌轉(zhuǎn)速不小于400r／min的條件下，大幅度降低了風(fēng)城超稠油表觀黏度，形成的風(fēng)城超稠油O／W降黏體系初始表觀黏度小于600mPa·s，這對(duì)于超稠油冷采開(kāi)發(fā)與集輸具有深遠(yuǎn)意義。

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