溶氣原油乳狀液的溶氣特性與穩(wěn)定性研究

李傳憲，李桐宇，楊 爽，由 佳，李曉騰，楊 飛，孫廣宇

（中國石油大學（華東）儲運與建筑工程學院，山東青島266555）

注氣驅由于具有適用范圍廣，成本較低等優(yōu)勢，已在國內外多個油田得到應用推廣[1-3]。按照使用氣體形式的不同，注氣驅可以分為：CO2驅、N2驅、烴類氣驅、空氣驅、煙道氣驅等。不同的氣驅方式，其驅油原理、注入方式及采油效率也存在一定差異[4]。

由于溶氣條件對注氣驅提高采收率的影響效果顯著，國內外學者圍繞原油的溶氣特性開展了一定的研究工作。薛海濤等[5]通過 CH4、CO2、N2在原油中的溶解度實驗發(fā)現，原油中的烴液（飽和分+芳香分）在氣體溶解過程中起主要作用，而膠質、瀝青質等大分子對氣體溶解度的貢獻很小。李遵照等[6]開展了N2在油、水相中溶解度和模型研究，提出了惰性氣體在原油中具有間隙溶解和氣-烴液加合溶解兩種溶解機理，推導出了惰性氣體在原油中的溶解度理論方程。范泓澈等[7]根據不同溫度和壓力條件下測得的CH4和CO2兩種氣體在碳酸氫鈉型水中的溶解度數據發(fā)現，CH4溶解度與溫度之間的演變關系劃分為緩慢遞減（0～80℃）、快速遞增（80～150℃）和緩慢遞增（大于150℃）3個階段。李傳憲等[8]通過制備地面集輸工況（0～3.5 MPa）下飽和溶氣原油，發(fā)現CH4的存在可以促進CO2對油品的溶脹作用，混合溶氣后原油凝點低于溶單一氣體。R.M.Pashley等[9]發(fā)現除去油、水中溶解的氣體，可顯著增強不含表面活性劑的水包油乳液的形成。

現有研究主要集中在對原油溶氣特性的討論，但在實際生產中，油田采出液多是以油氣水三相共存的方式被開采出地層，且由于天然表面活性物質的存在，采出液在井筒舉升過程中形成W/O型乳狀液[10]。分析注氣驅采出液管輸流動特性需對溶解氣存在條件下W/O型乳狀液的溶氣特性、穩(wěn)定性等展開研究，但現有的研究工作較少[11-12]。本文利用帶壓溶氣乳化裝置在不同溶氣種類（CO2、CH4、N2）的條件下進行油水乳化，通過分析不同氣體在乳狀液中的溶解度，不同溶氣原油乳狀液的表觀黏度以及油水界面膜強度，闡釋了溶解氣種類對溶氣原油乳狀液穩(wěn)定性的影響規(guī)律，為注氣驅采出液的集輸和脫水提供一定的理論支持。

1 實驗部分

1.1 油樣及實驗藥品

實驗油樣為長慶原油，其性質如表1所示。

表1 實驗油樣基本物性Table1 Basic physical properties of crude oil

實驗水樣為油田水，其性質如表2所示。

表2 油田水性質Table2 The properties of oilfield water

氣源：CO2（純度99.8%）、CH4（純度98.0%）、N2（純度99.99%），以上氣體均由青島天源氣體制造有限公司提供。

1.2 實驗方法

1.2.1 溶氣原油乳狀液的制備 帶壓溶氣乳化裝置[13]如圖1所示。

圖1 帶壓溶氣乳化裝置Fig.1 Schematic of pressurized emulsification equipment

使用待測氣體進行裝置掃線，通過手動計量泵加注體積比為6∶4共200 mL的油樣與水樣，使用待測氣體將釜體壓力提升至1 MPa，直至溫度、壓力維持穩(wěn)定，之后以800 r/min的攪拌速率進行油水混合，攪拌15 min得到W/O乳狀液。

1.2.2 溶解度測試 以微小壓差將制備好的溶氣的液相轉移到溶氣特性測試裝置中，并讀取液相刻度，然后以0.1 MPa/min的速率降壓，通過集氣法得到脫出氣體體積，從而得到溶解度Rs（測試溶解度時，為使單一的油相、水相的溶氣條件與油/水乳狀液溶氣條件相同，在對油相、水相進行溶氣時執(zhí)行與制備溶氣原油乳狀液相同的實驗方法）。

1.2.3 帶壓瓶試法測乳狀液穩(wěn)定性 以微小壓差將通過帶壓溶氣乳化裝置制備好的溶氣原油乳狀液轉移到溶氣原油穩(wěn)定性測試裝置中，記乳狀液中水的總體積V，及不同時間內測試裝置中游離水相體積Vt，根據式（1）計算分水率ft隨時間的變化：

1.2.4 溶氣原油、溶氣原油乳狀液黏度測試 以微小壓差將制備好的溶氣原油、溶氣原油乳狀液轉移到美國TA公司生產的DHR-1流變儀中，以200 s-1為剪切速率，測量50℃下溶氣原油黏度μ、溶氣原油乳狀液表觀黏度μap。

1.2.5 界面特性測試 使用法國TECLIS公司生產的TRACKER H界面擴張流變儀，在50℃、1 MPa條件下，測量氣/液的表面張力、溶氣油/水界面張力，測量油滴在0.05 Hz震蕩頻率下產生總面積為10%的變化過程中的彈性模量值。

2 結果與討論

2.1 油水界面對溶氣效果的影響

2.1.1 氣液表面張力 在50℃、1 MPa的條件下，測量不同溶解氣油/氣表面張力、水/氣表面張力，結果見表3。

由表3可知，不同氣相與液相表面張力大小關系為：γ（O-CO2）＜γ（O-CH4）＜γ（O-N2）＜γ（WCO2）＜γ（W-CH4）＜γ（W-N2）。油/氣表面張力反映的是油-氣兩種分子相界面處相互作用的強弱，表面張力越小說明兩種分子間作用力越強，可以很明顯地發(fā)現，油品分子與氣體分子間的作用強于水分子與氣體分子間的作用，其中原油與CO2分子間的作用最強，而這種分子間作用的強弱關系，也必然會在氣體的溶解特性中有所體現。

2.1.2 溶解氣在液相中的溶解度 在50℃、1 MPa的條件下對液相進行溶氣，測量不同溶解氣在原油、水、油水乳狀液中的溶解度，結果見表4。

定義溶解度比S1、S2：

式中，Rs，E為氣體在原油乳狀液中的溶解度；Rs，O為氣體在原油中的溶解度；Rs，W為氣體在水中的溶解度；φo為油相體積分數；φw為水相體積分數。計算結果見表5。

表3 不同氣液兩相之間的表面張力Table3 Surface tension between gas-liquid phases

表4 不同溶解氣在液相中的溶解度Table4 Solubility of different dissolved gas in the liquid phase

表5 不同溶氣種類下的溶解度比Table5 Solubility ratio under different dissolved gas

油相中膠質瀝青質等極性物質在油水界面膜上的吸附[17]，會在油水界面處形成由瀝青質膠粒組成的剛性膜，對氣體分子由油相向水相中的擴散起阻礙作用。由于CO2氣體在油水兩相間的溶解度差異較小，其乳狀液的形成對氣體的溶解度受到的影響也較顯著。N2在油水兩相間的溶解度差異適中，且在油、水中的溶解度均較小，乳狀液的形成對氣體在內相中溶解的阻礙作用稍弱，因而S1（CO2）＜S1（N2）＜1。而CH4自身在油水兩相間的溶解度差異較大，水中溶解的CH4的減少，對CH4在W/O型乳狀液中的溶解度影響較小，且由于膠質瀝青質等極性物質于界面膜上的吸附，使油相的極性減弱，促進了CH4氣在油相中的溶解，因此S1（CH4）＞1。

2.2 溶氣對原油乳狀液穩(wěn)定性的影響

2.2.1 溶氣原油乳狀液分水率 不同溶氣原油乳狀液分水率隨時間的變化見圖2。

圖2 不同溶氣原油乳狀液分水率隨時間的變化Fig.2 Change of water separation rate of different dissolved gas crude oil emulsions with time

由圖2可知，不同溶氣原油乳狀液同一時間分水率大小關系為：ft（N2）＞ft（CH4）＞ft（CO2），溶CO2乳狀液穩(wěn)定性最好，溶CH4乳狀液穩(wěn)定性次之，溶N2乳狀液穩(wěn)定性最差。同一時間脫出游離水的量與乳狀液乳化程度、油水界面膜強度相關，乳狀液乳化效果越好，油水界面膜強度越大，同一時間脫出游離水的量越少[18-19]。

2.2.2 溶氣原油乳狀液乳化效果 在1 MPa、50℃的條件下進行乳化實驗，不同溶氣乳化效果見圖3。由圖3可知，在溶CO2環(huán)境下乳化形成的乳狀液乳滴較為細密均一，乳液體系整體呈現出土黃色，乳狀液乳化效果較好；溶CH4環(huán)境下形成的乳狀液乳液仍較為均勻，乳滴尺寸卻相對增大，使乳液體系整體呈現出外相即油相的黑色；溶N2環(huán)境下形成的乳狀液乳化效果較差，乳滴空間尺寸較大，且乳滴大小不均勻。

圖3 不同溶氣種類下的W/O型乳狀液乳化效果Fig.3 Photograph of emulsification effect of W/O emulsion under different dissolved gas

2.2.3 溶氣原油與溶氣原油乳狀液黏度 利用高壓流變儀測得溶氣原油及溶氣原油乳狀液體系在200 s-1下平衡1 min時的表觀黏度，并計算溶氣原油乳狀液體系較溶氣原油體系的增黏率，結果見表6。其中，增黏率按照式（4）計算。

氣體溶于油品后，由于溶脹效應與稀釋效應，會使油品的黏度降低[20]。由于Rs（CO2）＞Rs（CH4）＞Rs（N2），且CO2對于油品的溶脹降黏效果較為顯著[21-23]，所以μ（N2）＞μ（CH4）＞μ（CO2）。由表 6 可知，溶氣原油乳狀液表觀黏度的大小關系為：μap（N2）＞μap（CH4）＞μap（CO2）。但從表6中反應出的黏度變化趨勢中可以看出，溶CO2原油乳狀液的黏度較溶CO2原油黏度增長最為明顯，而溶N2乳狀液的增黏幅度最小，反映了溶CO2原油乳狀液的乳化效果較好，形成的液滴更加細小，乳狀液體系增黏更為明顯，增強了乳狀液體系的穩(wěn)定性[24]。

表6 溶氣原油與溶氣原油乳狀液黏度Table6 Dissolved gas crude oil and dissolved gas oil emulsion viscosity

2.3 溶氣對油/水界面特性的影響

2.3.1 溶氣原油/水體系界面張力 不同溶氣油/水界面張力隨時間的變化見圖4。

由圖4可知，由于瀝青質等表面活性物質逐漸向油水界面進行吸附，界面張力隨時間變化逐漸降低。同一時間，不同溶氣油/水界面張力大小符合：γ（CO2）＜γ（CH4）＜γ（N2），3 種溶氣油/水體系中，溶CO2體系油相黏度最小，并促使瀝青質進一步締結，促進了瀝青質向油水界面的遷移吸附，界面張力最為明顯，油水越易于乳化。

圖4 不同溶氣油/水界面張力隨時間的變化Fig.4 Change of interfacial tension of different dissolved gas oil/water interfaces with time

2.3.2 溶氣油/水界面彈性模量 不同溶氣油/水界面彈性模量隨時間的變化見圖5。

圖5 不同溶氣油/水界面的彈性模量隨時間的變化Fig.5 Change of elastic modulus of different dissolved gas oil/water interfaces with time

由圖5可知，不同溶氣油/水界面彈性模量大小規(guī) 律 符 合 ：εd（CO2）＞εd（CH4）＞εd（N2）。 同 等 條 件下，隨著外相黏度降低，瀝青質等天然表面活性物質更易于由油相向油-水界面的吸附，同時界面膜強度增大。界面膜的彈性模量可以表征界面膜的結構強度，其值越大，界面膜發(fā)生一定彈性形變時所需要的應力越大，即膜強度越大，表明在一定應力作用下，發(fā)生彈性形變越小，界面膜不易破裂[25-26]。分水率大小關系與彈性模量所決定的膜強度規(guī)律相符合。

2.4 溶氣對乳狀液穩(wěn)定性影響的機理討論

原油乳狀液溶氣后，所溶氣體削弱了分子間的作用力，體系內摩擦力減小，氣體在油相中的溶解度越大，油相黏度減小越明顯，形成的內相液滴更細小，如圖6所示。原油乳狀液溶氣后，同時促進了原油中瀝青質等表面活性物質向油/水界面膜的吸附，降低了油水界面張力，促使油水乳化效果增強。在3種氣體中，CO2在原油中的溶解度最大，降低油水間界面張力的效果顯著，形成的液滴更加細小，乳化效果最好，并且CO2在原油中的溶解進一步促進了瀝青質的締合與在油水界面膜上的吸附，顯著增強了油水界面膜的強度，使乳狀液穩(wěn)定性顯著提升。CH4在原油中的溶解度僅次于CO2，乳化效果次之，CH4溶于原油后體系極性減弱，促進了瀝青質由油相向油、水界面的吸附，與溶N2乳狀液相比乳狀液穩(wěn)定性增強。

圖6 溶氣對乳狀液穩(wěn)定性影響機理Fig.6 Mechanism diagram of the effect of dissolved gas on emulsion stability

3 結 論

（1）油水界面膜的存在抑制了CO2氣體分子由W/O型乳狀液體系外相向內相的遷移，并因此降低了乳狀液對CO2氣體的溶解度，而對CH4這類在內外兩相間溶解度差異較大的氣體，這種抑制并不一定導致氣體在乳狀液體系內溶解度的降低。

（2）3種溶氣原油乳狀液中，溶CO2原油乳狀液的黏度較溶CO2原油黏度增長最為明顯，乳化效果最好，乳狀液穩(wěn)定性最好；溶N2乳狀液的增黏幅度最小，乳化效果最差，乳狀液穩(wěn)定性最差。

（3）CO2在原油中的溶解進一步促進了瀝青質的締合與在油水界面膜上的吸附，顯著增強了油水界面膜的強度，油/水界面膜彈性模量最大。CH4溶于原油后體系極性減弱，促進了瀝青質由油相向油、水界面的吸附，與溶N2相比，油水界面彈性模量有所增強。