物化條件對勝利原油乳狀液穩(wěn)定性的影響

楊風斌, 王玉江, 張 磊, 張 路

(1. 中國石油化工股份有限公司 勝利油田分公司孤東采油廠, 山東 東營 257237 ；2. 中國石化勝利油田分公司 工程技術管理中心，山東 東營 257001；3. 中國科學院理化技術研究所, 北京100190)

物化條件對勝利原油乳狀液穩(wěn)定性的影響

楊風斌1, 王玉江2, 張 磊3, 張 路3

(1. 中國石油化工股份有限公司 勝利油田分公司孤東采油廠, 山東 東營 257237 ；2. 中國石化勝利油田分公司 工程技術管理中心，山東 東營 257001；3. 中國科學院理化技術研究所, 北京100190)

利用穩(wěn)定性分析儀(LUMisizer-LS610)研究勝利原油乳狀液的穩(wěn)定性和粒徑的變化規(guī)律，考察了乳化劑質量分數(shù)、油水體積比、溫度及電解質對乳狀液的穩(wěn)定性和粒徑的影響。結果表明，原油乳狀液穩(wěn)定性隨乳化劑質量分數(shù)增大而增強，而液滴粒徑則呈相反的變化趨勢；乳狀液中油相所含比例越大，乳狀液越穩(wěn)定；溫度升高，雖然會增加乳化效果，但也同時破壞了乳狀液的穩(wěn)定性；電解質可以增強乳狀液的穩(wěn)定性，降低粒徑。

乳狀液； 穩(wěn)定性； 穩(wěn)定性分析儀； 積分透光率； 粒徑

乳狀液廣泛存在于自然界及日常生活中，在食品、化妝品、農業(yè)等領域中有重要的應用。在石油開采的過程中，原油乳化發(fā)揮著不可忽視的作用[1-6]。同時，采出原油的脫水破乳對開采、運輸和加工過程十分關鍵[7-9]。乳狀液是一種熱力學不穩(wěn)定體系, 影響其穩(wěn)定性的因素眾多, 如油水兩相性質與比例、粒徑大小與分布及乳狀液形成的條件等。研究認為，乳狀液穩(wěn)定性及破乳主要取決于界面膜的強度[7,10-13]。原油中存在多種具有界面吸附能力的組分，同時，驅油化學劑中的表面活性劑也能形成具有一定強度的界面膜，從而增強了原油乳狀液的穩(wěn)定性。對于普通乳狀液，粒徑越大，越容易出現(xiàn)聚并、絮凝等現(xiàn)象，乳狀液穩(wěn)定性越差[14]。由于原油乳狀液不透光的特殊性，對其粒徑的研究相對較少[15-16 ]。

本文針對勝利原油，采用穩(wěn)定性分析儀對勝利原油乳狀液的穩(wěn)定性和粒徑進行了研究，考察乳化劑質量分數(shù)、油水體積比、溫度及電解質對乳狀液穩(wěn)定性及粒徑的影響，有利于增強對原油乳狀液穩(wěn)定機制的理解，為進一步推動乳化劑在采油現(xiàn)場的應用提供實驗依據(jù)。

1 實驗部分

1.1 樣品及試劑

實驗用油為勝利原油。煤油經過硅膠柱提純，除去活性雜質；乳化劑為現(xiàn)場用乳化劑C56，主劑為陰離子型表面活性劑，烷基碳數(shù)約14，勝利油田提供；實驗用水未加說明均為模擬地層水，總礦化度為25 405.52 mg/L，Ca2+和Mg2+質量濃度分別為487.96 mg/L 和95.13 mg/L。

1.2 乳狀液的制備

油相為由勝利原油與煤油按質量比2∶1配制而成的模擬原油；水相為模擬地層水或者不同質量分數(shù)NaCl配制的C56溶液；在具塞試管中按不同體積比加入油相與水相，密封試管，將其置于110 ℃中恒溫0.5 h，然后均勻混合得到乳狀液。

1.3 乳狀液穩(wěn)定性實驗

原油乳狀液穩(wěn)定性實驗儀器為德國LUMisizer穩(wěn)定性分析儀，利用儀器SEPView軟件分析透光率以及粒徑分布[15]。穩(wěn)定性分析儀轉速均為3 000 r/min,除溫度影響以外，其它實驗溫度均為(60.0±0.1) ℃。通過穩(wěn)定性分析儀跟蹤乳狀液分離出水相的透光率，判斷乳狀液的穩(wěn)定性，并計算得到乳狀液分層過程中的粒徑分布。

2 結果與討論

2.1 CH56質量分數(shù)對模型乳狀液穩(wěn)定性的影響

乳化劑的濃度決定了乳狀液制備的難易程度以及乳狀液的穩(wěn)定性，同時，也會影響乳狀液粒徑的大小。若乳狀液中含有足夠多的表面活性物質，則含有小液滴的乳狀液穩(wěn)定性越強，這是因為液滴越小，界面面積越大，界面上吸附的分子較多，界面膜的強度大，乳狀液就越穩(wěn)定。相反，如果乳狀液中表面活性物質濃度較低，液滴尺寸的減小會破壞乳狀液的穩(wěn)定性。

固定油水體積比為3∶7，考察了不同質量分數(shù)C56形成的乳狀液的積分透光率隨時間的變化，及積分透光率平衡值隨質量分數(shù)的變化，實驗結果如圖1，2所示。從圖1中可以看出，隨著破乳時間的延長，水相逐漸從乳狀液中分離出來，即積分透光率開始增加，一段時間后積分透光率基本不再變化，表明此時乳狀液分層已經結束。從圖1中還可以看出，實驗前期，乳狀液的積分透光率隨時間呈直線變化，說明此時的液滴由界面不斷向下沉降，并以穩(wěn)定的速度發(fā)生絮凝；實驗后期，積分透光率隨時間按指數(shù)規(guī)律衰減直至幾乎不變。此階段界面膜開始破裂，小液滴聚并成大液滴，大液滴由于重力作用下沉，最終實現(xiàn)油水兩相分離。由圖2可知，隨著CH56的質量分數(shù)增大，乳液積分透光率的平衡值不斷降低，乳狀液穩(wěn)定性增強。

圖1 乳狀液的積分透光率隨時間的變化

Fig.1Theintegraltransmissionvstimeofemulsion

圖2 積分透光率平衡值隨質量分數(shù)的變化Fig.2 The stable values of integral transmission vs the mass fraction of CH56

不同乳化劑CH56質量分數(shù)對乳狀液粒徑的影響見圖3。質量分數(shù)0.5% 的CH56乳狀液穩(wěn)定性差，實驗中未獲得其相應的粒徑數(shù)據(jù)。

圖3 CH56質量分數(shù)對粒徑的影響

Fig.3TheeffectofCH56massfractiononthedropsize

從圖3中可以看出，當乳化劑質量分數(shù)為1%時，液滴粒徑為13 μm左右，而質量分數(shù)增加到3%時，液滴粒徑已經降低至3 μm左右。對于同一體系，乳化劑質量分數(shù)越高，液滴平均粒徑越小，所得到的乳狀液越穩(wěn)定。這是由于隨著乳化劑質量分數(shù)增大，界面張力降低，形成乳狀液所需要的能量降低，因此，分散液滴尺寸減??；同時，界面膜上分子排列變得緊密，穩(wěn)定性增強。

2.2 油水體積比對模型乳狀液穩(wěn)定性的影響

表面活性劑(即乳化劑)是影響乳狀液乳化效果的關鍵因素，油水體積比能夠決定乳狀液的類型和性質，一般而言，油水體積比越高，乳狀液中油相所含比例越大，乳狀液越穩(wěn)定。對于油包水型乳狀液，外相(即連續(xù)相)為原油模擬油，油水體積比越大，界面上原油活性組分的吸附量越大。相反，對于水包油型乳狀液，外相(即連續(xù)相)為乳化劑溶液，油水體積比越小，界面上表面活性物質的吸附量越大。

圖4、5考察了不同油水體積比對不同質量分數(shù)CH56溶液形成的乳狀液的影響。由圖4可知，相同質量分數(shù)表面活性劑體系的積分透光率平衡值隨著油水體積比的增加逐漸降低。這主要是由于油水體積比增加，油相含量變大，積分透光率降低，從而導致積分透光率逐漸降低。此外，同一油水體積比，隨著表面活性劑質量分數(shù)的增加，積分透光率不斷降低，說明乳狀液穩(wěn)定性增加。

圖4 不同油水體積比條件下的積分透光率平衡值

Fig.4ThestablevaluesofintegraltransmissionvsCH56massfractionunderdifferentwater-oilvolumeratio

由圖5可見，不同油水體積比條件下，破乳過程的液滴平均粒徑隨油水體積比增大先保持基本不變。當油水體積比達到7∶3之后，液滴平均粒徑迅速降低，在油水體積比為9∶1時出現(xiàn)最低值。當油水體積比較低時，油相所占比例與水相中表面活性劑的比例共同影響著乳狀液的性質，進而影響液滴粒徑分布和液滴平均粒徑。而當油水體積比達到7∶3之后，水相中表面活性劑的含量均較小，此時油相黏度成為影響乳狀液液滴粒徑的主要因素。油水體積比越高，分散液滴運動速度越慢，小液滴聚并幾率減小，因而，液滴粒徑在高油水體積比時出現(xiàn)明顯降低的趨勢。

乳化劑濃度越高，同一油水比條件下的液滴平均粒徑越小，所得到的乳狀液越穩(wěn)定。此外，乳化劑濃度越高，乳狀液粒徑受油水體積比條件的影響越小，說明此時體系中表面活性劑的含量在乳狀液穩(wěn)定性的影響因素中發(fā)揮主導作用。

圖5 不同油水體積比對粒徑的影響

Fig.5Theeffectofwater-oilvolumeratioonthedropsize

2.3 溫度對模型乳狀液穩(wěn)定性的影響

溫度對乳狀液的影響較為復雜，分為乳化溫度和破乳溫度，乳化溫度越高，乳狀液的乳化越充分，乳狀液越穩(wěn)定；破乳時溫度越高，乳狀液越容易脫水，穩(wěn)定性越差。

固定油水體積比為3∶7，乳化劑CH56質量分數(shù)為2%，考察乳化溫度對實驗的影響，結果見圖6。

圖6 不同溫度對動態(tài)積分透光率及其平衡值的影響

Fig.6Theeffectofthetemperatureonthedynamicintegraltransmissionandthestablevaluesofintegraltransmission

圖6(a) 是溫度對動態(tài)積分透光率的影響，變化趨勢非常明顯，溫度升高，積分透光率變化變快，而且平衡值在110 ℃時達到最大值。圖6(b) 是不同溫度下的積分透光率平衡值，可以看出，隨著溫度的升高，積分透光率平衡值依次增大。其中，30 ℃和50 ℃下，一方面溫度較低、乳化較困難，但30 ℃對應的體系黏度較高，所以能夠使乳狀液穩(wěn)定性保持在較高水平；而對于80 ℃和110 ℃條件，乳化溫度較高，但破乳溫度也高，所以結果顯示的積分透光率平衡值較高。

溫度升高，一方面，界面上吸附的表面活性物質會減少，而且會加速界面膜內的分子流動，導致界面膜強度降低；另一方面，可以減小分子間的內聚力，加快分散液滴的熱運動，有利于液滴的聚結；溫度升高還使油相的黏度降低，進而油水界面黏度降低，導致分散液滴運動速度加快，更易聚并，破壞了乳狀液的穩(wěn)定性[11]。

溫度對模型乳狀液液滴粒徑分布和粒徑的影響見圖7。由圖7可見，隨著溫度的升高，粒徑分布均變窄，在30 ℃時分布最寬，而在110 ℃時分布最窄。另外，可以發(fā)現(xiàn)液滴粒徑可以從30 ℃時的16.8 μm降低到110 ℃時的6.7 μm。因此，乳化溫度越高，乳化效果越好，粒徑越小。

圖7 溫度對液滴粒徑分布和粒徑的影響Fig.7 The effect of temperature on the drop size distribution and the drop size

2.4 礦化度對模型乳狀液穩(wěn)定性的影響

圖8是不同質量分數(shù)NaCl對乳狀液積分透光率的影響。由圖8可見，隨著NaCl質量分數(shù)的增加，乳狀液積分透光率不斷的降低?，F(xiàn)場用CH56含有陰離子型表面活性劑，無機鹽的存在能夠壓縮乳狀液界面膜的雙電層，使界面膜排列緊密，強度增大，有利于乳狀液的穩(wěn)定。

圖8 不同質量分數(shù)NaCl對積分透光率平衡值的影響

Fig.8TheeffectofthedifferentmassfractionofNaClonthestablevaluesofintegraltransmission

不同質量分數(shù)NaCl對乳狀液粒徑的影響見圖9。從圖9中可以看出，隨著NaCl質量分數(shù)增大，界面分子濃度增大，界面張力降低，同樣的條件下，液滴更容易分散，乳狀液內部液滴平均粒徑逐漸減小，從10 μm 降至7 μm左右，這與NaCl能在一定程度上增加乳狀液穩(wěn)定性的效果是一致的。

圖9 不同質量分數(shù) NaCl對粒徑的影響

Fig.9TheeffectofNaClmassfractiononthedropsize

3 結論

(1) 乳化劑質量分數(shù)越高，吸附的表面活性物質就越多，乳狀液平均粒徑越小，原油乳狀液越穩(wěn)定；乳化劑質量分數(shù)3%條件下，液滴粒徑為3 μm左右。

(2) 乳狀液中油水體積比決定了乳狀液的類型及性質，油水體積比越高，乳狀液中油相所含比例越大，乳狀液越穩(wěn)定。

(3) 乳化溫度越高，乳化效果越好，粒徑越小；破乳溫度升高，則降低乳狀液的穩(wěn)定性。

(4) 電解質可以壓縮乳狀液界面膜的雙電層，使界面膜排列緊密，乳狀液的穩(wěn)定性增強，粒徑變小，從10 μm 降至7 μm左右。

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Effect of Physicochemical Conditions on the Stabilization of Shengli Crude Oil Emulsion

Yang Fengbin1, Wang Yujiang2, Zhang Lei3, Zhang Lu3

(1.GudongOilProductionPlant,SinopecShengliOilfieldCompany,DongyingShandong257237,China;2.EngineeringTechnologyManagementCenter,SinopecShengliOilfieldCompany,DongyingShandong257001,China;3.TechnicalInstituteofPhysicsandChemistry,ChineseAcademyofSciences,Beijing100190,China)

The stability of emulsion of Shengli crude oil and variation of drop size were investigated using LUMisizer-LS610. At the same time, the influences of the emulsifier concentration，the water-oil ratio, temperature and electrolyte on the stability of emulsion and the drop size were also explored. The results show that the higher emulsifier concentration is, the smaller the drop size would be and the more stable crude oil emulsion is. The greater the proportion of oil phase in emulsion, the more stable the emulsion is. As the temperature increases, the good emulsified effect is obtained, however, the stability of the emulsion is reduced. The electrolyte can enhance the stability of the emulsion and reduce the drop size.

Emulsion; Stability; LUMisizer; Integral transmission; Drop size

2017-04-03

2017-10-22

國家自然科學基金資助項目(51373192)。

楊風斌(1978-)，男，高級工程師，從事油氣集輸及油田污水處理研究；E-mail:yangfengbin117.slyt@sinopec.com。

張路(1969-)，男，博士，副研究員，從事三次采油方面的研究；E-mail:luyiqiao@hotmail.com。

1006-396X(2017)06-0027-05

投稿網(wǎng)址：http://journal.lnpu.edu.cn

TE357.46

A

10.3969/j.issn.1006-396X.2017.06.006

(編輯 閆玉玲)