稠油W/O型乳狀液表觀粘度變化微觀原因解析

董巧玲， 蒲春生， 鄭黎明， 段 瓊，何延龍， 任 楊， 尉雪梅

(1.中國石油大學(xué)(華東) 石油工程學(xué)院, 山東 青島 266580; 2.隴東學(xué)院 能源工程學(xué)院, 甘肅 慶陽 745000; 3.中石化勝利油田 地質(zhì)科學(xué)研究院, 山東 東營 257061)

0 引言

大量稠油乳化實驗表明在剪切速率和溫度一定時，一定油品的稠油W/O型乳狀液的表觀粘度隨含水率的增加可能會呈現(xiàn)出先增加后降低的趨勢[1].這其中伴隨著稠油W/O型乳狀液體系由W/O型乳狀液轉(zhuǎn)變成O/W型乳狀液的轉(zhuǎn)相過程[2-4].乳狀液轉(zhuǎn)相時的含水率習(xí)慣上稱為轉(zhuǎn)相點(diǎn)或臨界含水率，在此含水率處乳狀液體系的表觀粘度最高，而且一定條件下的不同性質(zhì)的稠油W/O型乳狀液轉(zhuǎn)相點(diǎn)一般不同[5,6].

目前實驗多對稠油W/O型乳狀液轉(zhuǎn)相過程進(jìn)行測定，從而對現(xiàn)場或室內(nèi)水驅(qū)過程規(guī)律研究提供指導(dǎo).而對稠油W/O型乳狀液轉(zhuǎn)相表觀粘度變化的過程分析較少[7-11]，且對稠油乳化轉(zhuǎn)相過程中表觀粘度變化原因的系統(tǒng)性分析亦較為缺乏.

本文從相、分子取向和原油膠體結(jié)構(gòu)模型氫鍵理論3個方面對稠油W/O型乳狀液表觀粘度隨含水率變化而變化的微觀機(jī)理進(jìn)行了較為系統(tǒng)的解釋，同時對不同性質(zhì)的稠油W/O型乳狀液轉(zhuǎn)相點(diǎn)不同的機(jī)理也進(jìn)行了探討分析.

1 同性質(zhì)稠油W/O型乳狀液表觀粘度隨含水率變化而變化的原因

楊順輝[12]針對新疆塔河重質(zhì)原油及其乳狀液在不同溫度和壓力下的粘度進(jìn)行了實驗研究，實驗過程中得到了在不同溫度下新疆塔河普通稠油乳狀液的粘度隨含水率的變化曲線(見圖1).Duan Linlin等[13]在研究重質(zhì)油乳化劑相反轉(zhuǎn)特性實驗中得到了溫度為80 ℃，剪切速率為10 s-1的實驗條件下勝利特稠油乳狀液粘度隨含水率的變化(見圖2).李曉平等[14]在特超稠油粘度與溫度、含水率關(guān)系的研究中，得到了不同溫度下的河南油田超稠油乳狀液隨含水率的變化曲線(見圖3).

以上不同稠油W/O型乳狀液實驗所用稠油樣品的性質(zhì)參數(shù)如表1所示.

表1 不同稠油W/O型乳狀液實驗所用稠油性質(zhì)參數(shù)

注：因論文中未說明稠油的膠質(zhì)瀝青質(zhì)具體含量，表中的膠質(zhì)瀝青質(zhì)含量為調(diào)研數(shù)據(jù)[15，16].

圖1 新疆塔河稠油乳狀液表觀 粘度隨含水率的變化曲線

圖2 勝利特稠油乳狀液表觀粘度 隨含水率的變化曲線

圖3 河南油田超稠油乳狀液表觀 粘度隨含水率的變化曲線

研究表明，輕質(zhì)W/O型乳狀液為牛頓流體，稠油W/O型乳狀液在較低含水率時表現(xiàn)為較強(qiáng)的非牛頓特性.對于稠油W/O型乳狀液而言，溫度對表觀黏度的影響相當(dāng)明顯.溫度越高，越容易表現(xiàn)為牛頓流體.隨著溫度上升，即油水混合物的流變特性越來越接近牛頓流體.牛頓流體的粘度受溫度影響較大(見圖1)，溫度升高后原油乳液更容易表現(xiàn)出牛頓特性，因此粘度隨含水率變化幅度變化緩慢，圖1的稠油W/O型乳狀液溫度由40℃逐漸升高至80℃的過程中，稠油體系的表觀粘度逐漸降低，體系更趨向于表現(xiàn)為牛頓流體特征，而且由圖1和圖3均可以看出，在一定溫度范圍內(nèi)，轉(zhuǎn)相點(diǎn)幾乎不變.

關(guān)于不同性質(zhì)的稠油W/O型乳狀液表觀粘度隨含水率變化而變化的原因可做如下推測解釋.

1.1 相的觀點(diǎn)

當(dāng)含水率較小時，一般形成以油為外相(連續(xù)相)，水為內(nèi)相(分散相)的混合液，油水兩相物性以油為主體，作為分散相的水的液滴間隔較大，它們之間的相互作用只有通過連續(xù)相(油)速度場的相互作用才能表現(xiàn)出來.此時隨著含水率的增加，稠油W/O型乳狀液的表觀粘度變化不大.當(dāng)含水率增大到一定程度時，水組分物性作用逐漸顯現(xiàn)，連續(xù)相(油)中的分散液滴(水)急劇增多，這時的相接觸表面增大[17].由于油水兩相界面作用增強(qiáng)，兩相間表明活化能增加以及在液流中發(fā)生液滴間的相互碰撞和相對滑動，導(dǎo)致了表觀粘度的迅速上升.在含水率接近臨界值的情況下發(fā)生轉(zhuǎn)相，液滴發(fā)生形變，此時水逐漸成為連續(xù)相，形成以水為外相、低含水油為內(nèi)相的復(fù)雜乳狀懸浮液，由于影響含水原油粘度的主要因素是連續(xù)相粘度，所以原油粘度又大幅度減小.

關(guān)于圖1～圖3三種不同類型的稠油W/O型乳狀液的轉(zhuǎn)相點(diǎn)不同，推測其原因，可以做如下解釋：稠油中瀝青質(zhì)、膠質(zhì)以及粘土等物質(zhì)均具有界面活性，這些天然的W/O型乳化劑容易富集在液滴油水界面上，形成堅硬的膜，從而不利于形成O/W型稠油乳狀液.一般密度大和粘度高的原油，含膠質(zhì)和瀝青質(zhì)等天然的W/O型乳化劑較多，吸附在油水界面上的厚度和強(qiáng)度較大，從而有利于更多的水滴形成分散體.當(dāng)原油中的水含量增加到足以破壞油-水界面膜時，此時水滴可以聚結(jié)形成連續(xù)相，從而引起乳液體系轉(zhuǎn)相.

1.2 分子取向觀點(diǎn)

非牛頓流體粘度的成因是由于長鏈分子或顆粒本身的性質(zhì)產(chǎn)生的，這種流體在靜止時，長鏈分子細(xì)長纖維呈雜亂卷曲狀態(tài).

圖4 稠油W/O型乳狀液隨含水率 變化分子形態(tài)變化曲線

對于稠油W/O型乳狀液而言，當(dāng)含水率較小時，稠油長鏈分子間距離較小，分子間作用力大，這種“緊實”的狀態(tài)下，長鏈分子呈雜亂卷曲狀態(tài).隨著含水率的增加，稠油長鏈分子間的距離也逐漸變大，長鏈分子具有的伸展空間逐漸變大，長鏈分子之間的相互纏繞作用增強(qiáng)，表現(xiàn)為稠油W/O型乳狀液的表觀粘度隨之增大.當(dāng)達(dá)到某一臨界含水率時，長鏈分子間形成空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，此時稠油W/O型乳狀液體系的表觀粘度達(dá)到最大值.超過臨界含水率時，由于水分子比例的增加，促使原油中長鏈分子間距離進(jìn)一步增大，此時長鏈分子間力減小，不利于形成空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，原油分子則以“聚集體”的形式出現(xiàn)，體系為大量的水分子包圍著原油的分子“聚集體”，體系的外相為水，流動阻力變小，表觀粘度下降.

當(dāng)稠油中所含有的膠質(zhì)瀝青質(zhì)等長鏈分子較多時，這就使得體系中長鏈分子由雜亂卷曲狀態(tài)變?yōu)橛凶銐蛏煺箍梢韵嗷ダp繞的空間的過程中，所需水分子的數(shù)量增多，長鏈分子間形成的龐大的空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)時的臨界含水率相應(yīng)增大.

1.3 原油膠體結(jié)構(gòu)模型-氫鍵理論觀點(diǎn)

(1)原油膠體結(jié)構(gòu)模型.在稠油W/O型乳狀液中，稠油本身含有許多瀝青質(zhì)、膠質(zhì)、芳香分等大分子.許多研究表明，瀝青質(zhì)是稠油產(chǎn)生高粘度的最主要原因[18].目前，對瀝青質(zhì)在原油中的存在形式持有不同的觀點(diǎn)，其中瀝青質(zhì)膠質(zhì)膠束模型的觀點(diǎn)得到了普遍認(rèn)同.該模型認(rèn)為瀝青質(zhì)膠質(zhì)膠束[19-21]具有如下特點(diǎn)：瀝青質(zhì)分子相互締合形成膠核；油相中部分共存膠質(zhì)分子吸附于膠核表面形成溶劑化層；膠束中瀝青質(zhì)分子和膠質(zhì)分子分別與油相中的各自單體分子處于動態(tài)平衡(參見圖5(a)所示).

圖5 含水原油膠體結(jié)構(gòu)隨含水率的變化曲線

(2)在稠油W/O型乳狀液體系中水分子會通過氫鍵與瀝青質(zhì)產(chǎn)生溶劑化作用.從而加強(qiáng)了瀝青質(zhì)在水油體系中的溶劑化作用.當(dāng)含水率較低時，水對瀝青質(zhì)溶劑化作用較弱，此時瀝青質(zhì)主要與膠質(zhì)芳香分存在溶劑化作用，所形成的膠粒視半徑較小.隨著含水率的增加，水分子對瀝青質(zhì)的溶劑化作用逐漸增強(qiáng)，從而使瀝青質(zhì)周圍吸附膠質(zhì)、芳香分和水分子，溶劑化層逐漸變厚，膠粒視半徑相對增大(見圖5(b)所示)，體系表觀粘度增加.

但體系含水率超過一定值(臨界含水率)時，此時瀝青質(zhì)膠粒的溶劑化作用最強(qiáng)，膠粒視半徑最大(見圖5(c)所示)，體系表觀粘度達(dá)到最大值；超過此臨界含水率后，此時由于水分子的大量增加，其與瀝青質(zhì)、膠質(zhì)中的極性基的作用增強(qiáng)，水分子可能會分散進(jìn)入膠質(zhì)和瀝青質(zhì)片狀分子之間，相對削弱了瀝青質(zhì)與膠質(zhì)分子間的作用，膠粒聚集體結(jié)構(gòu)變松散；另外此時相當(dāng)于大量的水溶劑對瀝青質(zhì)稀釋作用較強(qiáng)，對膠粒聚集體有離散作用，瀝質(zhì)更趨向于單體分散，降低原油內(nèi)聚力，體系表觀粘度下降(見圖5(d)所示).

當(dāng)稠油中含有大量的膠質(zhì)瀝青質(zhì)時，稠油中會形成大量的膠粒，體系的整體溶劑化作用增強(qiáng)，當(dāng)膠粒半徑隨著含水率增大而變大時，體系中膠粒所吸附的總水分子數(shù)也相應(yīng)增多.因此不同性質(zhì)的原油，其乳狀液的轉(zhuǎn)相點(diǎn)受含水率的影響也不同，對于一般密度大和粘度高的原油，其W/O型乳狀液的轉(zhuǎn)相點(diǎn)較高.即含水率較高時，W/O型乳狀液才能轉(zhuǎn)相為O/W型乳狀液，反之則轉(zhuǎn)相點(diǎn)較低.

綜上基于稠油W/O型乳狀液粘度隨含水率變化而變化原因的3種解釋理論，對不同性質(zhì)的稠油W/O型乳狀液轉(zhuǎn)相點(diǎn)不同的原因進(jìn)行了探討分析，從而使3種解釋理論的正確性得到了驗證.

2 由稠油乳狀液表觀粘度變化及相轉(zhuǎn)化過程對稠油開發(fā)的思考

(1)不同稠油油藏初始含水飽和度使稠油乳狀液表觀粘度變化及相轉(zhuǎn)化過程不同，當(dāng)初始含水飽和度大于轉(zhuǎn)相點(diǎn)時，油藏水驅(qū)前緣整體粘度會隨著水驅(qū)的進(jìn)行而呈現(xiàn)出逐漸降低的趨勢.對于該類油藏，水驅(qū)開發(fā)過程中，水驅(qū)阻力會減小，水竄或注氣(蒸汽或其他氣源)氣竄程度會增強(qiáng)；當(dāng)初始含水飽和度小于轉(zhuǎn)相點(diǎn)時，油藏水驅(qū)前緣整體粘度會隨著水驅(qū)的進(jìn)行而呈現(xiàn)出先增加后降低的趨勢，而對于這類油藏，水驅(qū)開發(fā)過程中，水驅(qū)阻力會先增大后減小，水竄或注氣(蒸汽或其他氣源)氣竄程度會呈現(xiàn)出由弱到強(qiáng)的變化.

(2)目前的稠油油藏冷采和熱采現(xiàn)場滲流規(guī)律研究中，對相轉(zhuǎn)換所引起的稠油粘度變化考慮仍然較少[22-24]，因此對于當(dāng)初始含水飽和度小于轉(zhuǎn)相點(diǎn)時的一定油品的稠油油藏，需要考慮水驅(qū)前緣的粘度復(fù)雜變化過程，從而使水驅(qū)規(guī)律更加貼合真實驅(qū)替過程.當(dāng)然實際水驅(qū)開發(fā)中W/O型乳狀液形成仍不充分，主要以相對較大的水段塞和油段塞形式存在，因此W/O型乳狀液的表觀粘度可能比初始粘度不會增加太大，但考慮相轉(zhuǎn)換仍對進(jìn)一步深入認(rèn)識油藏水驅(qū)規(guī)律具有較大的研究意義.

3 結(jié)論

(1)稠油W/O型乳狀液表觀粘度隨含水率變化的微觀原因可從相、分子取向和原油膠體結(jié)構(gòu)模型氫鍵理論3個方面進(jìn)行系統(tǒng)闡述.

(2)根據(jù)所述的3種理論對不同性質(zhì)的稠油W/O型乳狀液轉(zhuǎn)相點(diǎn)不同的原因進(jìn)行解釋，證明了3種解釋理論的一致性.不同性質(zhì)的原油，其乳狀液的轉(zhuǎn)相點(diǎn)受含水率的影響不同，對于一般密度大和粘度高的原油，其W/O型乳狀液的轉(zhuǎn)相點(diǎn)較高.

(3)由稠油乳狀液表觀粘度變化及相轉(zhuǎn)化過程對稠油的開發(fā)進(jìn)行思考，不同稠油油藏初始含水飽和度使稠油乳狀液表觀粘度變化及相轉(zhuǎn)化過程不同，從而對油藏水驅(qū)阻力、水竄或注氣(蒸汽或其他氣源)氣竄程度產(chǎn)生不同的影響.分析認(rèn)為考慮相轉(zhuǎn)換對進(jìn)一步深入認(rèn)識油藏水驅(qū)規(guī)律具有較大研究意義.

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