油水乳狀液轉(zhuǎn)相點(diǎn)影響因素的實(shí)驗(yàn)研究

劉達(dá)京，崔瑋琳

（東北石油大學(xué) 石油工程學(xué)院， 黑龍江 大慶 163318）

在W/O型乳狀液中，水以液滴形式分散在油相中。當(dāng)含水率較低時(shí)，水滴間由于距離較大而使其相互作用力很小，使其表觀粘度的變化并不明顯，此時(shí)內(nèi)相液滴周圍有油膜保護(hù)；隨著含水率的增加，液滴間的范德華力由于它們間距離的迅速縮小，并導(dǎo)致形成了水滴“聚集體”，這些“聚集體”導(dǎo)致油膜薄化，油水界面彈性上升，表觀粘度迅速增加。當(dāng)含水率達(dá)到一定值時(shí)，乳狀液中出現(xiàn)游離水，油膜破裂，界面彈性大大減弱，即油包水型轉(zhuǎn)變?yōu)樗托停藭r(shí)開始轉(zhuǎn)相，轉(zhuǎn)相后表觀粘度迅速下降[1]。通常把視粘度開始下降的點(diǎn)確定為轉(zhuǎn)相點(diǎn)。

在井筒流動(dòng)和集輸管線中，能量損失在很大程度上由表觀粘度決定，即決定著運(yùn)輸成本。表觀粘度在油品轉(zhuǎn)相點(diǎn)處存在最大值，因此系統(tǒng)的研究影響轉(zhuǎn)相點(diǎn)的決定因素以及其變化規(guī)律，從而避免輸送含水率處于轉(zhuǎn)相點(diǎn)處的油水乳狀液，對(duì)于節(jié)能降耗、降低成本有著重要意義，但目前國內(nèi)尚未有學(xué)者系統(tǒng)的研究各因素對(duì)轉(zhuǎn)相點(diǎn)的影響規(guī)律。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)裝置

實(shí)驗(yàn)儀器：流變儀——HAAKE Viscotester 550，振蕩器——HY-8A，攪拌器——IKA EUROSTAR digital，恒溫箱、定容瓶等。大慶129更45井提供油樣。其相關(guān)參數(shù)如表1。

表1 大慶含蠟原油組成及基本物性參數(shù)Table 1 Relevant parameter for Daqing crude oil

采用的降粘劑為：由丙烯酸醋、苯乙烯、馬來酸醉合成的三元共聚物(ASM)油溶性降粘劑（配比為6︰3︰1）；由甲基丙烯酸甲酯、苯乙烯、丙烯酰胺合成的三元共聚酯化物（MSA）降粘劑（配比為MMA∶S∶AM=10∶8∶1）；磷酸酯型兩性離子型表面活性劑水溶液（質(zhì)量分?jǐn)?shù)20%）。

1.2 實(shí)驗(yàn)方案

為避免原油剪切歷史記憶性對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)影響，對(duì)油品進(jìn)行預(yù)處理，分瓶待用。在輸送過程中，由于乳狀液多形成在壓力和溫度突降，流速瞬增的環(huán)節(jié)上，因此在本實(shí)驗(yàn)中為達(dá)到等效效果，將待用油品與同井臨井的地層水按特定比例進(jìn)行一次性混合，在40 ℃恒溫環(huán)境下以2 000 r/min攪拌15 min，靜止12 h后若無游離水出現(xiàn)說明乳狀液配置成功。

為研究不同種類降粘劑及降粘劑加入量對(duì)轉(zhuǎn)相點(diǎn)處含水率的影響，將不同類型、不同量的降粘劑將分別入到待用的乳狀液中。在45 ℃恒溫箱中震蕩15 min，振蕩頻率為2 000 r/min，以便藥劑與乳狀液混合充分，然后再放入流變儀中測(cè)量其流變數(shù)據(jù)。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 溫度對(duì)轉(zhuǎn)相點(diǎn)的影響規(guī)律

圖1為當(dāng)剪切速率為200 s-1時(shí)，溫度為30、40、50 ℃的條件下，原油表觀粘度隨含水率的變化曲線。

圖1 不同溫度下表觀粘度隨含水率的變化曲線（剪切速率為200 s-1）Fig.1 The curve of the apparent viscosity change with water cut at different temperature（rate of shear is 200 s-1)

由圖可見在同一溫度下，不加入任何藥劑的原油乳狀液的表觀粘度隨著含水率的增加呈先升后降的現(xiàn)象，在30 ℃時(shí)，當(dāng)含水率低于60%時(shí)，表觀粘度隨含水率上升而升高；以含水60%時(shí)為分界線，當(dāng)含水率超過60%后，表觀粘度隨著含水率的提高急劇降低。由此可知大慶高129更45井原油在30℃下的轉(zhuǎn)相點(diǎn)含水率為60%左右,同樣原油在40 ℃和50 ℃下的轉(zhuǎn)相點(diǎn)含水率分別為50%左右和45%左右。由此可知，隨著溫度的升高，轉(zhuǎn)相點(diǎn)有一定程度的提前。產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因是：溫度越高，分子的熱運(yùn)用越強(qiáng)烈，范德華力增加的越快，導(dǎo)致“聚集體”形成的越容易，油膜的厚度變小，油膜變薄，從而更容易破裂達(dá)到轉(zhuǎn)相點(diǎn)。因此在輸送含水原油時(shí)，不但要避開輸送轉(zhuǎn)含水率為相點(diǎn)處的油水乳狀液，同時(shí)也要考慮管路所處空氣溫度或恒溫管輸溫度對(duì)轉(zhuǎn)相點(diǎn)變化的影響。

2.2 剪切速率對(duì)轉(zhuǎn)相點(diǎn)的影響規(guī)律

圖2為45 ℃時(shí)在剪切速率為100、200、300 s-1的情況下原油表觀粘度隨含水率的變化曲線。由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以觀察到：當(dāng)剪切速率為100 s-1時(shí)，轉(zhuǎn)相點(diǎn)處的含水率大致為57.5%左右；當(dāng)剪切速率為200 s-1和300 s-1時(shí)，轉(zhuǎn)相點(diǎn)處的含水率分別大致為55%和52.5%左右；但當(dāng)剪切速率從300 s-1再增大為400 s-1時(shí)，轉(zhuǎn)相點(diǎn)處的含水率仍大致為左右。由此可知：隨著剪切速率的提高，不但表觀粘度有著明顯的下降，轉(zhuǎn)相點(diǎn)處的含水率也有著小幅度的前移；當(dāng)剪切速率增加到一定程度時(shí)，轉(zhuǎn)相點(diǎn)處的含水率并不再提前。產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因是：油水乳狀液所形成的 “聚集體”對(duì)剪切作用下的“變形”[2]十分敏感，導(dǎo)致這些“聚集體”重新“排列”，從而在一定程度上影響界面膜的壽命。隨著剪切速率的增加，外相流體流場(chǎng)中的速度分布受到越加明顯的擾動(dòng)，此時(shí)內(nèi)相的液滴開始對(duì)外相的擾動(dòng)做出反應(yīng)，油水界面的彈性及強(qiáng)度減弱，“變形”及“排列”作用使界面膜厚度變薄，達(dá)到極限時(shí)界面膜瞬間破裂，這不但增加了乳狀液的非牛頓特性也造成乳狀液的提前轉(zhuǎn)相。當(dāng)剪切速率增大到一定程度時(shí)，絮凝體已完全破碎，內(nèi)相濃度不再降低，此時(shí)表觀粘度不再隨剪切速率的增加而減小，乳狀液表現(xiàn)為牛頓流體，即轉(zhuǎn)相點(diǎn)也不再變化。

圖2 不同剪切速率下表觀粘度隨含水率的變化曲線（溫度為45 ℃）Fig.2 The curve of the apparent viscosity change with water cut at different rate shear（45 ℃）

2.3 不同種類降粘劑對(duì)轉(zhuǎn)相點(diǎn)的影響規(guī)律

由于本實(shí)驗(yàn)所采用原油的析蠟溫度為44 ℃，不同種類降粘劑對(duì)原油中是否存在蠟結(jié)晶的作用效果不同，因此采用40 ℃和50 ℃作為實(shí)驗(yàn)對(duì)比溫度。圖3為40 ℃當(dāng)剪切速率為200 s-1加藥量為10×10-6時(shí)，在3種不同降粘劑的作用下原油表觀粘度隨含水率的變化曲線。圖4為50 ℃同種條件下原油表觀粘度隨含水率的變化曲線。由圖3和圖4觀察到，不同種類的降粘劑對(duì)原油乳狀液的降粘效果不同，但三種降粘劑都能使轉(zhuǎn)相點(diǎn)有著不同程度的提前，當(dāng)溫度為40 ℃時(shí)，ASM能使轉(zhuǎn)相點(diǎn)提前到30%左右，MSA能使轉(zhuǎn)相點(diǎn)提前到47.5%左右，摻表面活性劑水溶液（活性水降粘劑）能使轉(zhuǎn)相點(diǎn)提前到37.5%左右；當(dāng)溫度為50 ℃時(shí)，ASM能使轉(zhuǎn)相點(diǎn)提前到45%左右，MSA能使轉(zhuǎn)相點(diǎn)提前到35%左右，活性水降粘劑能使轉(zhuǎn)相點(diǎn)提前到40%左右。

ASM降粘劑在40 ℃條件下將轉(zhuǎn)相點(diǎn)提前的效果較為明顯，其原因可能是由于在溫度較低的條件下，有蠟結(jié)晶析出，ASM吸附在蠟晶表面后后，它的水化基團(tuán)能產(chǎn)生較大的空間位阻效應(yīng)，從而阻止蠟晶空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的形成[3,4]，同時(shí)由于ASM為油溶性，能與原油有很好的接觸，從而聚合物基團(tuán)能更有效的吸附在油水界面膜上，取代界面膜上的天然乳化劑，從而改變界面膜結(jié)構(gòu)，大大降低了界面膜強(qiáng)度，使其變薄最后失穩(wěn)破裂，因此ASM的加入能使原油對(duì)溫度的敏感程度降低，抑制蠟晶的聚集，從而更有效地起到降粘的目的，明顯在有蠟結(jié)晶出現(xiàn)的條件下實(shí)現(xiàn)提前轉(zhuǎn)相。

當(dāng)溫度為50 ℃時(shí)，乳狀液中無蠟結(jié)晶的析出，此時(shí)從原油粘度與膠質(zhì)、瀝青質(zhì)的含量有密切關(guān)系。粘度取決于流體流動(dòng)時(shí)的內(nèi)摩擦力，而流體的內(nèi)聚力決定了內(nèi)摩擦力。在較高的溫度下，原油中的膠質(zhì)、瀝青質(zhì)相互作用而形成的膠團(tuán)結(jié)構(gòu)比較松散，降粘劑 MSA分子結(jié)構(gòu)中極性較強(qiáng)的官能團(tuán)如羧酸酐和酰胺的側(cè)鏈,具有較強(qiáng)的滲透性，能通過分散作用進(jìn)入膠質(zhì)、瀝青質(zhì)片狀分子之間，與其中的極性基形成較強(qiáng)的氫鍵,從而拆散平面重疊堆砌而成的聚集體,使原油中的超分子結(jié)構(gòu)逐層松散, 降低聚集體中的膠質(zhì)、瀝青質(zhì)含量, 釋放出膠團(tuán)結(jié)構(gòu)中所包裹的液態(tài)油，降低原油的內(nèi)聚力,從而大幅度降低稠油的粘度。

無論在40 ℃還是在50 ℃，活性水降粘劑使轉(zhuǎn)相點(diǎn)提前的大致范圍不變（排除溫度的影響）。其原因在于表面活性劑本身有乳化降粘、破乳降粘[5]以及吸附降粘[6]三中作用機(jī)理。實(shí)驗(yàn)中所采用的三種降粘試劑均有破乳降粘的效果，經(jīng)過破乳降粘過程后，能夠游離在分散相中并吸附在管壁上的表面活性劑分子很少，因此吸附降粘效果并不明顯。在破乳后，從原油中脫離出的與活性水共同與原油形成低粘度的水包油型乳狀液,從而實(shí)現(xiàn)主要的降粘作用，溫度對(duì)此過程的影響不大。

因此，針對(duì)不同降粘劑在不同溫度下的性能特點(diǎn)，其對(duì)轉(zhuǎn)相點(diǎn)的提前程度不同，應(yīng)通過實(shí)驗(yàn)提前預(yù)知，減小長距離管路輸送的能耗。

圖3 不同降粘劑作用下表觀粘度隨含水率的變化曲線（溫度為40 ℃，剪切速率為200 s-1）Fig.3 The curve of the apparent viscosity change with water cut when using different viscosity reducer（40 ℃，rate shear is 200 s-1）

圖4 不同降粘劑作用下表觀粘度隨含水率的變化曲線（溫度為50 ℃，剪切速率為200 s-1）Fig.4 The curve of the apparent viscosity change with water cut when using different viscosity reducer（50 ℃，rate shear is 200 s-1）

圖5 不同降粘劑作用下轉(zhuǎn)相點(diǎn)處含水率隨加劑量的變化曲線（溫度為30 ℃，剪切速率為400 s-1）Fig.5 The curve of the phase inversion point change with dosage when using different viscosity reducer（30 ℃,rate shear is 400 s-1）

2.4 轉(zhuǎn)相點(diǎn)與加劑量

圖5為30 ℃當(dāng)剪切速率為400 s-1時(shí)，在3種不同降粘劑的作用下原油轉(zhuǎn)相點(diǎn)處含水率隨加劑量的變化曲線。無論何種降粘劑，加劑量越多其對(duì)轉(zhuǎn)相點(diǎn)的提前程度越大，但當(dāng)加劑量達(dá)到一定程度時(shí)，轉(zhuǎn)相點(diǎn)不再提前。這是由于加劑量越多破乳劑分子吸附到油水到界面上所替換下來的天然乳化劑分子就越多，能使其界面膜結(jié)構(gòu)改變?cè)酱?，粘彈性降低越多，從而界面?qiáng)度減弱越大，壽命越短，膜破裂脫水越容易，導(dǎo)致轉(zhuǎn)相點(diǎn)隨加劑量的增加而提前。當(dāng)加劑量增加到一定程度時(shí)，降粘劑分子在界面膜上達(dá)到吸附飽和，此時(shí)油膜壽命趨于定值，加劑量不再影響轉(zhuǎn)相點(diǎn)。

3 結(jié) 論

（1）溫度的升高能使轉(zhuǎn)相點(diǎn)提前，因此再輸送含水原油時(shí)，不但要避開輸送轉(zhuǎn)含水率為相點(diǎn)處的油水乳狀液，同時(shí)也要考慮管路所處空氣溫度或恒溫管輸溫度對(duì)轉(zhuǎn)相點(diǎn)變化的影響。

（2）剪切速率的增加能使轉(zhuǎn)相點(diǎn)提前，因此再輸送含水原油時(shí)，也要考慮流量對(duì)轉(zhuǎn)相點(diǎn)變化的影響。

（3）不同種類降粘劑在不同溫度下的性能特點(diǎn)，其對(duì)轉(zhuǎn)相點(diǎn)的提前程度不同，應(yīng)通過實(shí)驗(yàn)提前預(yù)知，減小長距離管路輸送的能耗。

（4）加劑量越多其對(duì)轉(zhuǎn)相點(diǎn)的提前程度越大，但當(dāng)加劑量達(dá)到一定程度時(shí)，轉(zhuǎn)相點(diǎn)不再提前

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