多元熱流體熱采稠油乳狀液的形成及穩(wěn)定性研究

王少華， 孫永濤， 王夢瑩， 劉海濤， 金邵平， 潘定成， 林梅欽

(1.中海油服油田生產(chǎn)研究院稠油技術(shù)所，天津 300450； 2.中國石油大學(xué)提高采收率研究院，北京 102249)

多元熱流體熱采稠油乳狀液的形成及穩(wěn)定性研究

王少華1， 孫永濤1， 王夢瑩2， 劉海濤1， 金邵平2， 潘定成2， 林梅欽2

(1.中海油服油田生產(chǎn)研究院稠油技術(shù)所，天津 300450； 2.中國石油大學(xué)提高采收率研究院，北京 102249)

利用PVT裝置模擬高溫高壓下熱采稠油乳狀液的形成過程，并通過RS600流變儀及光學(xué)顯微鏡，測定了渤海脫水原油與模擬水在不同條件下所形成的原油乳狀液的黏度及微觀特性，考察了影響熱采稠油乳狀液穩(wěn)定性的因素。結(jié)果表明，隨實驗溫度、攪拌速率以及防膨劑濃度的增加，稠油與模擬水乳化所形成的原油乳狀液黏度增加，水滴數(shù)量增加、粒徑減小，所形成的原油乳狀液穩(wěn)定性增強，而多元熱流體的加入使得原油乳狀液黏度降低，但水相顆粒以更小的粒徑分布得更均勻。這主要與溫度增加及多元熱流體的作用有關(guān)，稠油黏度降低，再加上剪切速率增加及稠油中的天然乳化劑共同作用，使得稠油容易與模擬水乳化，形成穩(wěn)定的W/O型乳狀液。

稠油； 多元熱流體； 乳狀液； 熱采

中國海洋石油總公司已發(fā)現(xiàn)的原油地質(zhì)儲量中，超過70%的儲量為稠油。海上稠油受油藏埋藏深、海上平臺空間限制，需選擇適合海上稠油的開采方式。稠油的開采方式以熱采為主[1]，目前海上稠油的開采方式主要包括水驅(qū)開采、稠油熱采、適度出砂冷采及聚合物驅(qū)開采等[2]。而渤海油田主要采用稠油熱采中的多元熱流體熱力采油方式進行開采。這種開采方式主要是利用航天火箭發(fā)動機的燃燒噴射原理，向高壓燃燒室內(nèi)注入柴油(原油或天然氣)，同時注入空氣，將燃燒產(chǎn)物CO2、N2及水蒸氣等組成的多元熱流體，注入油藏進行吞吐采油[3]。這種開采方式通過降黏、膨脹驅(qū)替等起到增產(chǎn)采油的作用[4]。多元熱流體熱力采油在提高采收率的同時，由于稠油組成復(fù)雜，其中含有較高含量的膠質(zhì)、瀝青質(zhì)等界面活性組分，這些膠質(zhì)、瀝青質(zhì)易吸附在油水界面上，形成穩(wěn)定的界面膜，加上稠油體相黏度大，阻礙水滴的聚并，從而造成多元熱流體熱采所形成的原油乳狀液較穩(wěn)定[5-9]。同時，在原油和地層水同時由油管流向地面，并輸送向儲油罐的過程中，原油和地層水也可能因為流過噴油嘴、閥門等地方，經(jīng)過劇烈的機械剪切而形成原油乳狀液[10]。但是目前對多元熱流體熱采稠油乳狀液的形成過程及穩(wěn)定機理研究較少。為此，筆者通過高溫高壓可視相態(tài)釜模擬并考察了不同溫度、攪拌速率、添加劑濃度和多元熱流體等因素對稠油乳狀液穩(wěn)定性的影響，探討了多元熱流體稠油熱采過程中原油乳狀液的形成及穩(wěn)定原因。

1 實驗部分

1.1試劑與儀器

實驗所用原油為渤海原油，黏度(50℃)1 122.53 mPa·s(50 ℃)，密度0.948 0 g/cm3。正戊烷、氯化鈉、氯化鉀、氯化鈣、硫酸鈉、硫酸鎂、碳酸氫鈉、碳酸鈉均為分析純。實驗中所用的模擬水離子組成如表1所示。

表1 渤海油田模擬水離子組成Table 1 The component of Bohai oilfield stimulation water mg/L

高溫高壓可視相態(tài)釜(PVT裝置)；RS600流變儀；DMA45密度儀；DHG-9070A型電熱鼓風(fēng)干燥箱；奧林巴斯BX41光學(xué)顯微鏡。

1.2稠油高溫乳化方法

將35 g稠油及15 g模擬水(含各種添加劑與N2、CO2)，即油相與水相質(zhì)量比為7∶3，放入高溫高壓可視相態(tài)釜(PVT裝置)中。設(shè)定一定的轉(zhuǎn)速和時間(20 min)，在不同溫度下使其乳化形成W/O型乳狀液。然后降溫取稠油與多元熱流體乳化后的樣品，測定其穩(wěn)定性、黏度及乳化狀態(tài)。

1.3模擬原油乳狀液穩(wěn)定性測定

將PVT裝置中所形成的原油乳狀液置于具塞試管中，放入52 ℃電熱干燥箱中恒溫，通過觀察不同時間下，具塞試管內(nèi)析出水量的多少及清晰程度判斷模擬原油乳狀液的穩(wěn)定性。并根據(jù)t時刻水相的體積Vt，計算出t時刻的分水率Vt/V0×100%，其中V0是加入的水相體積即總的水相體積。

1.4模擬原油乳狀液黏度測定

將PVT裝置中所形成的原油乳狀液置于RS600流變儀的圓筒中，選用型號為PP20的轉(zhuǎn)子，在50 ℃條件下恒溫10 min，然后測定其黏度值。

1.5模擬原油乳狀液微觀形態(tài)觀測

將PVT裝置中所形成的原油乳狀液靜置24 h后，置于光學(xué)顯微鏡下放大1 000倍在室溫下進行觀測，得到模擬原油乳狀液的微觀形態(tài)。

2 結(jié)果與討論

2.1溫度對原油乳狀液穩(wěn)定性影響

通常溫度升高原油的黏度降低，而蒸汽驅(qū)過程中的高溫使得稠油黏度大幅度降低，從而有利于油水混合形成乳狀液。表2是在攪拌速率為150 r/min，不同溫度下，通過PVT可視裝置模擬得到的原油乳狀液，于52 ℃地層溫度條件下靜置48 h后的分水率。由表2中數(shù)據(jù)可以看出，55 ℃條件下得到的原油乳狀液分水率達到100%，此時油水基本不發(fā)生乳化。隨溫度升高，原油乳狀液的分水率降低，180 ℃溫度下稠油與水乳化后所形成的原油乳狀液的分水率為23.3%，遠低于55 ℃時稠油乳化所形成的原油乳狀液的分水率。這表明在高溫下稠油與水更容易乳化形成較穩(wěn)定的原油乳狀液，即高溫促進了稠油與水發(fā)生乳化。

表2 溫度對原油乳狀液分水率的影響Table 2 Influence of temperature on the waterseparation of crude oil emulsion

稠油與水乳化后所形成的原油乳狀液的黏度也會發(fā)生明顯變化。表3是在攪拌速率為150 r/min，不同溫度下，通過PVT可視裝置模擬得到的原油乳狀液在50 ℃下所測得的黏度值。由表3中數(shù)據(jù)可以看出，隨著攪拌過程中溫度的增加，稠油與模擬水乳化所形成的原油乳狀液的黏度明顯增加，55 ℃條件下得到的原油乳狀液黏度遠低于其他條件下的原油乳狀液黏度，可能是因為該溫度下并未得到穩(wěn)定的原油乳狀液，而溫度升高后，稠油黏度大幅度降低，容易與水混合形成較穩(wěn)定的原油乳狀液。

表3 溫度對原油乳狀液黏度影響Table 3 Influence of temperature on the viscosity of oil emulsion

為了驗證低溫條件下是否得到了原油乳狀液，將取出的模擬原油乳狀液置于光學(xué)顯微鏡下放大1 000倍進行觀察，結(jié)果如圖1所示。由圖1可以看出，分散相顆粒為白色球狀顆粒，而分散介質(zhì)呈棕黃色或紅棕色連續(xù)相，因此不同溫度下得到的原油乳狀液為W/O型乳狀液。55 ℃所得到的原油乳狀液微觀圖中，分散相顆粒很少，而隨溫度增加，分散相顆粒增加，150 ℃及180 ℃條件下形成的原油乳狀液則有粒徑較大的分散相顆粒出現(xiàn)。因此，55 ℃條件下沒有形成穩(wěn)定的原油乳狀液，而高溫下(≥100 ℃)能得到較穩(wěn)定的W/O型原油乳狀液。

圖1 不同溫度得到原油乳狀液微觀圖(×1 000)

Fig.1Microcosmicfiguresofoilemulsionpreparedatdifferenttemperatures(×1 000)

高溫條件下(≥100 ℃)稠油與水乳化形成穩(wěn)定的W/O型原油乳狀液主要是因為高溫對原油黏度的影響。本實驗中所用脫水原油為稠油，與水乳化時油水質(zhì)量比為7∶3，稠油的黏度非常大，隨著模擬過程中溫度的增加，稠油的黏度逐漸降低，與水的黏度差逐漸減小，使油水兩相更容易混合均勻，從而發(fā)生穩(wěn)定的乳化。在溫度增加的過程中，稠油中界面活性組分膠質(zhì)、瀝青質(zhì)也處于分子分散狀態(tài)，逐漸擴散吸附至油水界面，更易形成穩(wěn)定的界面膜，從而增加原油乳狀液的穩(wěn)定性。因此，模擬過程中溫度的增加會造成W/O型原油乳狀液穩(wěn)定性的增加。

2.2攪拌速率對原油乳狀液穩(wěn)定性影響

模擬形成原油乳狀液的過程中，攪拌速率的增加會造成剪切作用增強，使得分散相顆粒粒徑減小，更均勻的分布在連續(xù)相中，從而增加所形成的原油乳狀液的穩(wěn)定性。表4是在150 ℃下，通過不同速率攪拌，經(jīng)PVT可視裝置模擬得到的原油乳狀液，于52 ℃地層溫度條件下靜置48 h后的分水率。由表4中數(shù)據(jù)可明顯看出，攪拌速率為50 r/min的試管內(nèi)析水量達到15 mL，分水率達到100%，幾乎析出全部水量，而攪拌速率為150 r/min的試管內(nèi)分水率只有20%，250 r/min的攪拌速率所形成的乳狀液的分水率只有13%。即相同溫度下隨著攪拌速率的增加，原油乳狀液的分水率減少，所形成的W/O型乳狀液的穩(wěn)定性增強。

表4 攪拌速率對原油乳狀液分水率的影響Table 4 Influence of stirring velocity on the waterseparation of crude oil emulsion

表5是在150 ℃溫度下，經(jīng)過不同攪拌速率的作用，通過PVT可視裝置模擬得到的原油乳狀液在50 ℃下的黏度值。由表5中數(shù)據(jù)可以看出，在相同溫度下，攪拌速率越大，形成的原油乳狀液的黏度越大，攪拌速率達到250 r/min時，稠油與水乳化所形成的原油乳狀液的黏度能達到4 267.10 mPa·s，遠大于攪拌速率為50 r/min時油水乳化所形成的原油乳狀液的黏度值。

表5 攪拌速率對原油乳狀液黏度影響(50 ℃)Table 5 Influence of stirring velocity on theviscosity of oil emulsion(50 ℃)

圖2是PVT裝置中所形成的原油乳狀液置于光學(xué)顯微鏡下放大1 000倍的微觀形態(tài)。由圖2可以看出，在攪拌速率為50、150、250 r/min條件下得到的原油乳狀液均為W/O型乳狀液。相同溫度下，隨攪拌速率的增加，稠油與水乳化所形成的原油乳狀液中分散相顆粒密度增加。攪拌速率為50 r/min條件下的原油乳狀液分散相顆粒較少，而攪拌速率為150、250 r/min條件下得到的原油乳狀液分散相顆粒明顯增多。這進一步說明隨攪拌速率增加，稠油與水乳化所形成的原油乳狀液穩(wěn)定性增強。

圖2 不同攪拌速率得到原油乳狀液微觀圖(×1 000)

Fig.2Microcosmicfiguresofoilemulsionpreparedatdifferentstirringvelocities(×1 000)

上述實驗結(jié)果表明,在150 ℃高溫下，固定溫度及含水率(30%)不變，當(dāng)攪拌速率為50 r/min的條件下，稠油與水乳化所形成的原油乳狀液穩(wěn)定性弱，很快析出水，且分水率達到100%，當(dāng)攪拌速率超過100 r/min后，形成的原油乳狀液穩(wěn)定性增加。攪拌速率增加，油水更容易發(fā)生乳化，此時作為分散相的水相的顆粒粒徑減小，更加均勻的分布在原油中，水相顆粒增加，其比表面積增加，乳狀液體系總能量增加，阻礙了水相顆粒的絮凝聚并，因此形成穩(wěn)定的原油乳狀液[11]。

2.3防膨劑對原油乳狀液穩(wěn)定性影響

季銨鹽陽離子聚合物作為防膨劑，其主要作用是抑制稠油熱采過程中礦物蒙脫石的膨脹，在熱采驅(qū)替過程中是否對原油乳狀液的形成產(chǎn)生影響直接關(guān)系到采出液的穩(wěn)定與處理。表6是在150 ℃下，加入不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的防膨劑，通過PVT可視裝置模擬得到的原油乳狀液在50 ℃下的黏度值。由表6數(shù)據(jù)可以看出，在相同模擬溫度條件下，隨著防膨劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，形成的原油乳狀液黏度隨之增加。防膨劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.1%形成的原油乳狀液黏度為3 653.04 mPa·s，較脫水原油的黏度(1 122.53 mPa·s)有很大程度的增加，而防膨劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.5%時所形成的原油乳狀液黏度為4 093.12 mPa·s，大于不含防膨劑時油水乳化所形成的原油乳狀液的黏度。這表明防膨劑會促進稠油與水乳化形成更穩(wěn)定的原油乳狀液。

表6 防膨劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)對原油乳狀液黏度影響Table 6 Influence of mass fraction of anti-swelling agent on the viscosity of oil emulsion

圖3是PVT裝置中不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)防膨劑所形成的原油乳狀液置于1 000倍光學(xué)顯微鏡下觀察到的微觀形態(tài)。由圖3可以看出，加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.5%、1.0%、5.0%及10.0%的防膨劑得到的原油乳狀液均為W/O型乳狀液。隨加入防膨劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加，形成的原油乳狀液中分散相的密度逐漸增加。防膨劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)從0.5%增加到10.0%的過程中，分散相中粒徑較大的水相顆粒逐漸減少，形成顆粒粒徑較小，分布均勻的原油乳狀液。因此，高質(zhì)量分?jǐn)?shù)防膨劑的加入，使得原油乳狀液的穩(wěn)定性逐漸增強。

圖3 不同防膨劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)下原油乳狀液微觀圖(×1 000)

Fig.3Microcosmicfiguresofoilemulsionpreparedindifferentmassfractionoftheanti-swellingagent(×1 000)

上述實驗結(jié)果表明，多元熱流體熱采過程所添加的防膨劑對稠油乳狀液的形成起促進作用。這主要由于該防膨劑為季銨鹽陽離子聚合物，主要目的是防止黏土顆粒膨脹。該防膨劑能增加原油乳狀液穩(wěn)定性，可能是因為季銨鹽陽離子聚合物具有較高的相對分子質(zhì)量，當(dāng)其部分分布在水相顆粒表面后(油水界面處)，形成了機械強度較高的界面膜，對界面膜排液產(chǎn)生了阻礙作用，阻礙了水相顆粒的聚并，從而使原油與含防膨劑模擬水所形成的W/O乳狀液穩(wěn)定性增加。因此，季銨鹽陽離子聚合物防膨劑的加入有效地增強了原油乳狀液的穩(wěn)定性，對采出液油水分離產(chǎn)生不利的影響。

2.4多元熱流體對原油乳狀液穩(wěn)定性影響

表7是在180 ℃下，分別采用水蒸汽及多元熱流體(含CO2、N2和水蒸氣混合)與稠油乳化，通過PVT可視裝置模擬得到的原油乳狀液在50 ℃下的黏度值。由表7中數(shù)據(jù)可以明顯看出，在180 ℃下稠油與模擬水模擬得到的原油乳狀液黏度遠高于脫水原油黏度(1 122.53 mPa·s)，形成了較為穩(wěn)定的原油乳狀液。稠油與180 ℃多元熱流體混合乳化所形成的原油乳狀液黏度低于180 ℃水蒸氣混合得到的原油乳狀液黏度，這是因為多元熱流體中含有CO2、N2，氣體的存在使得原油乳狀液黏度降低。

表7 多元熱流體對原油乳狀液黏度影響Table 7 Influence of multiple thermal fluid on theviscosity of oil emulsion

圖4是水蒸氣及多元熱流體與稠油混合乳化后，經(jīng)PVT可視裝置模擬所得原油乳狀液置于1 000倍光學(xué)顯微鏡下觀察到水滴的微觀形態(tài)。從圖4可以看出，180 ℃下稠油與水蒸氣混合或稠油與多元熱流體混合得到的原油乳狀液均為W/O型乳狀液。形成乳狀液過程中，加入CO2、N2混合得到的原油乳狀液的水相顆粒較與水蒸氣混合得到的原油乳狀液水相顆粒密度增加，粒徑減小。這表明稠油與多元熱流體混合乳化后所形成的原油乳狀液穩(wěn)定性更強，即多元熱流體熱采稠油過程可能形成更穩(wěn)定的W/O型乳狀液，從而影響采出液的油水分離。

多元熱流體驅(qū)替過程中，加入的CO2、N2會使得稠油黏度降低，飽和N2會使得稠油黏度降低13%～20%，飽和CO2則使稠油黏度降低40%～60%[12]。氣體溶于稠油中，降低其黏度，且使得稠油體積膨脹，因此形成的原油乳狀液黏度會有所降低。形成原油乳狀液的過程中，由于稠油黏度降低，更易于與水混合，因此水相更易分散于稠油中，形成粒徑較小、密度大的水相顆粒，導(dǎo)致原油乳狀液穩(wěn)定性增強。

圖4 多元熱流體對原油乳狀液微觀影響(×1 000)

Fig.4Microcosmicfiguresofoilemulsionpreparedbymultiplethermalfluid(×1 000)

2.5多元熱流體熱采稠油乳化機理

上述實驗結(jié)果表明，多元熱流體熱采稠油過程，稠油與水乳化形成穩(wěn)定的W/O型乳狀液。這主要由于一方面注入的多元熱流體溫度高，加上混合氣體CO2、N2的作用，使得稠油黏度大幅度降低，稠油黏度降低后容易與水混合，油水混合后經(jīng)過近井地帶時，受到孔隙高剪切作用，油水容易發(fā)生乳化形成W/O型乳狀液。另一方面，在高溫作用下，稠油中的界面活性組分瀝青質(zhì)與膠質(zhì)處于分子分散狀態(tài)，較容易擴散并吸附至油水界面處，同時添加的防膨劑季銨鹽陽離子聚合物也會擴散并吸附至油水界面處，形成較強的界面膜，使得界面膜剛性增大，對界面膜排液產(chǎn)生了阻礙作用，阻礙了水珠間的聚并，從而使稠油與水乳化所形成的W/O乳狀液穩(wěn)定性增加。

3 結(jié)論

(1) 溫度越高，剪切作用越強，稠油與水乳化所形成的原油乳狀液穩(wěn)定性越強。

(2) 防膨劑的加入能明顯增加原油乳狀液的黏度，形成穩(wěn)定的原油乳狀液。這與具有大分子質(zhì)量的季銨鹽陽離子聚合物的防膨劑，增強油水界面膜有關(guān)。

(3) 多元熱流體的加入會降低原油乳狀液黏度，但使得原油乳狀液穩(wěn)定性增強。這主要與多元熱流體中CO2、N2降低稠油黏度有關(guān)。

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(編輯 閆玉玲)

Formation and Stability of Heavy Oil Emulsion of Thermal Recovery

Wang Shaohua1， Sun Yongtao1， Wang Mengying2， Liu Haitao1， Jin Shaoping2， Pan Dingcheng2， Lin Meiqin2

(1.HeavyOilTech.Institue,ProductionOptimzationR&DInstitue,COSL,Tianjin300450,China; 2.EnhancedOilRecoveryResearchInstitute,ChinaUniversityofPetroleum,Beijing102249，China)

Formation of the heavy oil emulsion of thermal recovery was simulated by the PVT equipment. Viscosities and microscopic properties of crude oil emulsion made by Bohai dehydrated crude oil and simulating water were investigated with a rheometer RS600 and Olympus microscope BX41. Meanwhile, the effects of simulated conditions on the stability of emulsion were also studied in this thesis. The results indicate that viscosities of crude oil emulsions and densities of water particles increase with higher temperature, higher stirring velocity and more anti-swelling agents. However, smaller water particle size and lower viscosity of crude oil emulsions are obtained mainly because of the effect of multiple thermal fluid. The results show that the stability of W/O crude oil emulsion are increased with the increasing of temperature and stirring velocity, effecting of multiple thermal fluidand natural emulsifier in crude oil.

Heavy oil; Multiple thermal fluid; Emulsion;Thermal recovery

1006-396X(2014)04-0066-07

2014-01-22

：2014-02-23

國家重大科技專項資助項目(2011ZX05057-005-001)。

王少華(1987-)，男，工程師，從事海上稠油熱采技術(shù)研究；E-mail:wangshh16@cosl.com.cn。

林梅欽(1965-)，男，碩士，副教授，從事提高石油采收率技術(shù)研究；E-mail: linmq@cup.edu.cn。

TE345; O648.2+3

： A

10.3969/j.issn.1006-396X.2014.04.015