分散相微觀形態(tài)對(duì)稠油乳狀液流變性的影響

陳 銳， 邢曉凱， 張坤勛， 寧雯宇， 王 寧

(1.中國石油大學(xué)(北京)油氣管道輸送安全國家工程實(shí)驗(yàn)室，北京 102249； 2.中油遼河工程有限公司，遼寧盤錦 124010)

分散相微觀形態(tài)對(duì)稠油乳狀液流變性的影響

陳 銳1， 邢曉凱1， 張坤勛1， 寧雯宇1， 王 寧2

(1.中國石油大學(xué)(北京)油氣管道輸送安全國家工程實(shí)驗(yàn)室，北京 102249； 2.中油遼河工程有限公司，遼寧盤錦 124010)

以遼河油田錦45區(qū)塊22-023號(hào)井稠油和礦化水為實(shí)驗(yàn)原料，采用等效黏度的方法，制備了與現(xiàn)場(chǎng)性質(zhì)相近的稠油水乳狀液。研究了分散相微觀形態(tài)對(duì)稠油水乳狀液流變性的影響。結(jié)果表明，在分散相濃度較低時(shí)，乳狀液流變性符合Bingham模型，而在高濃度時(shí)流變性符合Power law模型，分散相濃度一定時(shí)，微觀粒徑越小，乳狀液的表觀黏度越大，非牛頓流體性質(zhì)越強(qiáng)，剪切稀釋特性越明顯。

分散相； 微觀形態(tài)； 流變性； 乳狀液； 稠油

由于稠油中含有膠質(zhì)、瀝青質(zhì)、環(huán)烷酸等天然的界面活性物質(zhì)，在實(shí)際生產(chǎn)中很容易形成較穩(wěn)定的稠油水乳狀液，惡化集輸條件[1]?；趯?duì)稠油性質(zhì)的傳統(tǒng)認(rèn)識(shí)，目前油田稠油集輸還是大多采用摻熱水、摻稀油、加熱等方式[2]。為了降低稠油集輸能耗，簡化集輸流程，有必要開展對(duì)稠油乳狀液流變性的研究。

迄今為止，已經(jīng)有很多學(xué)者開展了對(duì)稠油乳狀液流變性的研究，認(rèn)為影響流變性的主要因素有油水物性、溫度、含水率、剪切速率、乳化條件等[3-7]。但是目前國內(nèi)從分散相微觀形態(tài)的角度來研究流變性的并不多。本文分析了分散相尺寸大小和分布情況對(duì)稠油水乳狀液流變性的影響。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1實(shí)驗(yàn)介質(zhì)

實(shí)驗(yàn)所用油樣來自遼河油田錦45區(qū)塊井口采出液，開采方式為蒸汽吞吐,綜合含水率在87%以上。采出液經(jīng)過脫水后得到純油和礦化水。純油20 ℃密度約為990 kg/m3，50 ℃黏度為6 000～10 000 mPa·s，凝點(diǎn)約為18 ℃。根據(jù)實(shí)驗(yàn)的需要用純油和礦化水配制不同的乳狀液。

1.2實(shí)驗(yàn)方法

(1) 乳狀液的制備。用等效黏度法得到實(shí)驗(yàn)室制備與現(xiàn)場(chǎng)采出液乳化性質(zhì)相似時(shí)的攪拌強(qiáng)度[8]。實(shí)驗(yàn)采用IKA T18型攪拌器，攪拌時(shí)間為15 min，攪拌速度為6 000 r/min。油水混合物按質(zhì)量比配制，一次性混合后置于50 ℃水浴中恒溫20 min，并用上述攪拌強(qiáng)度攪拌。

(2) 表觀黏度測(cè)定。乳狀液的表觀黏度采用HAAKE VT550旋轉(zhuǎn)黏度儀測(cè)定。設(shè)定不同的旋轉(zhuǎn)速率，每一段剪切時(shí)間為400 s，得到不同旋轉(zhuǎn)速率下乳狀液的表觀黏度。

(3) 乳狀液微觀形態(tài)觀察。采用細(xì)管吸取乳狀液，制備顯微觀察的樣本，用帶有CCD-ADAPTER.0.5X攝影儀的光學(xué)顯微鏡獲取乳狀液微觀圖像，用配套的粒度分析儀軟件分析分散相的分布及粒徑大小。

2 結(jié)果與討論

2.1稠油乳狀液分類

觀察了配制的含水率10%～70%的12組乳狀液微觀圖像，并且分析了分散相的微觀尺寸分布。通過對(duì)比發(fā)現(xiàn)稠油乳狀液可以大致分為3類：疏松型、常規(guī)型和穩(wěn)固型乳狀液[9]，各類型乳狀液微觀尺寸分布情況如圖1所示。

圖1 3種類型乳狀液液滴尺寸分布

Fig.1Threetypesofemulsiondropletsizedistribution

圖2為疏松型和穩(wěn)固型乳狀液微觀圖。從宏觀上，疏松型乳狀液很不穩(wěn)定，分散相較易發(fā)生聚并，形成粒徑較大的液體顆粒，夾雜在連續(xù)相中，并在短時(shí)間內(nèi)有游離水析出；微觀上疏松型油水乳狀液分散相濃度較高，液滴之間平均間距小，粒徑較大且分布不均勻(如圖2(a)所示)。穩(wěn)固型乳狀液有堅(jiān)實(shí)的界面膜，靜置幾小時(shí)甚至幾天都不會(huì)發(fā)生分層，宏觀上呈現(xiàn)棕褐色，黏稠性較大；微觀上分散相顆粒間距較大，粒徑較小并且尺寸分布均勻(如圖2(b)所示)。常規(guī)型則介于穩(wěn)固型與疏松型乳狀液之間，而實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)集輸過程形成的乳狀液類型大多為常規(guī)型和疏松型。

圖2 疏松型和穩(wěn)固型乳狀液微觀圖

Fig.2LoosetypeandSteadytypeofemlusion

分析各類型乳狀液表觀黏度可知，穩(wěn)固型乳狀液表觀黏度往往較大，為純油黏度5～10倍，而疏松型乳狀液的表觀黏度為純油的1～2倍。

2.2分散相濃度對(duì)流變性的影響

50 ℃下，分別制備了含水率分別為10%、20%、40%、50%的稠油乳狀液。通過顯微鏡分別觀察了微觀圖像，并用粒度分析儀軟件分析了4種含水率下分散相的濃度分布，結(jié)果如表1所示。其中分散相液滴個(gè)數(shù)是指顯微鏡捕獲到的微觀圖像上的液滴個(gè)數(shù)，濃度分布是指放大相同倍數(shù)時(shí)液滴的面積占圖像總面積的百分比。

表1 不同含水率下分散相濃度分布Table 1 Dispersed phase concentration distributionat different water cut

圖3分析了50 ℃下4種不同含水率下制備的乳狀液切應(yīng)力與剪切速率的關(guān)系。由圖3可知，在低含水率時(shí)，稠油乳狀液流變模型符合Bingham模型，乳狀液屬于塑性流體。在高含水率時(shí)，乳狀液流變模型符合冪律模型，且流變指數(shù)小于1，流體屬于假塑性流體?；貧w上述4種含水率的流變方程，各曲線的相關(guān)系數(shù)均在0.97以上。

圖3 50 ℃切應(yīng)力與剪切速率的關(guān)系曲線

Fig.3Shearstressandshearratecurvein50 ℃

2.3分散相尺寸分布對(duì)流變性的影響

制備兩組含水率為30%的油水混合液，分別以4 000 r/min和6 000 r/min攪拌速率攪拌15 min，觀察乳狀液微觀圖，并用粒度分析儀軟件分析兩種乳狀液微觀尺寸分布情況，結(jié)果如圖4所示。

圖4 分散相微觀粒徑分布曲線

Fig.4Thecurveofmicrodispersedphaseparticlesizedistribution

由圖4可知，4 000 r/min轉(zhuǎn)速下攪拌15 min制備的乳狀液尺寸大多分布在10～30 μm，分散相平均粒徑為17.7 μm；而6 000 r/min轉(zhuǎn)速下攪拌15 min制備的乳狀液尺寸大多分布在5～20 μm，分散相平均粒徑為12.7 μm。

用VT550測(cè)試了兩種不同分散相粒徑的乳狀液黏度，得到黏度與剪切速率的關(guān)系曲線，如圖5所示。由圖5可知，分散相平均粒徑越小，表觀黏度越大，剪切稀釋性越強(qiáng)[10-13]。

圖5 不同粒徑下黏度與剪切速率關(guān)系

Fig.5Therelationshipbetweenviscosityandshearrateunderdifferentsize

3 結(jié)論

(1) 根據(jù)稠油乳狀液微觀形態(tài)及宏觀上的穩(wěn)定性可以將其分為穩(wěn)固型、常規(guī)型和疏松型3類。

(2) 分散相濃度較低時(shí)，遼河油田錦45區(qū)塊稠油乳狀液流變性符合Bingham模型，濃度較高時(shí)符合冪律模型。

(3) 分散相粒徑越小，液滴之間的相互作用越強(qiáng)，在分子力和其它界面吸引力的作用下，分散相聚集成簇狀結(jié)構(gòu)，將一定量的連續(xù)相包絡(luò)其中，從而使表觀黏度增大。在剪切作用下，簇狀結(jié)構(gòu)破壞，粒徑較小的分散相碰撞結(jié)合，使其有效濃度降低，表觀黏度降低，呈現(xiàn)出剪切稀釋特性。剪切強(qiáng)度越大，這種稀釋特性越強(qiáng)，直到簇狀結(jié)構(gòu)被完全破壞，表觀黏度趨于平衡。

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(編輯 宋官龍)

Influence of Droplet Morphology on Rheology of Heavy Crude Oil Emulsion

Chen Rui1, Xing Xiaokai1, Zhang Kunxun1, Ning Wenyu1， Wang Ning2

(1.NationalEngineeringLaboratoryforPipelineSafety,ChinaUniversityofPetroleumBeijing,Beijing102249,China;2.LiaohePetroleumEngineeringCo.,Ltd.,PanjinLiaoning124010,China)

Heavy oil and mineral water from 22-023 oil wells in Jin 45 of Liaohe oilfield were used as experimental materials. Through the equivalent viscosity methods, emulsion with similar properities to gathering site was prepared. The influence of droplet morphology on rheology of heavy crude oil emulsion was researched. The results showed that the rheology met Bingham model when the concentration of disperse phase was low, rather, the rheology met Power law model. The smaller of the dispersed micro particles, the greater of the apparent viscosity, the more significant of the non-Newtonian fluid properties and the more obvious of the shear thinning characteristics were.

Rheology; Disperse phase; Morphology rheology; Emulsion; Heavy crude oil

1006-396X(2014)04-0057-04

2014-03-02

：2014-04-14

“十二五”國家科技重大專項(xiàng)(2011ZX05016-004)；遼河油田原油千萬噸持續(xù)穩(wěn)產(chǎn)關(guān)鍵技術(shù)研究資助項(xiàng)目(2012E-3009)。

陳銳(1989-)，男，碩士研究生，從事油氣集輸及地面工程研究; E-mail:makcimluck@163.com。

邢曉凱(1973-)，男，博士，副教授，從事油氣長距離管輸技術(shù)及地面工程研究; E-mail:xingxiaokai2012@126.com。

TE662

： A

10.3969/j.issn.1006-396X.2014.04.013