離子濃度對原油乳狀液性質(zhì)影響的研究

劉凱 張帆 韓松

摘 ?????要：在對原油乳狀液進行研究時，大部分研究者使用實驗室配置的乳狀液作為實驗樣品。然而，到目前為止，針對原油乳狀液制備時應(yīng)該使用什么樣的水質(zhì)，并沒有明確的規(guī)定，室內(nèi)試驗發(fā)現(xiàn)，使用低純度去離子水制備的W/O型原油乳狀液含水率最高可達70%，而相同實驗條件下使用普通自來水制備的W/O型乳狀液含水率最高只能到達50%，由此可見，水質(zhì)對原油乳狀液的性質(zhì)有很大的影響。為此選取了實驗室常用的3種離子濃度的水質(zhì)：普通自來水、低純度去離子水和高純度蒸餾水，來制備油水乳狀液，對比三種乳狀液性質(zhì)的差別，并從微觀界面膜角度對實驗結(jié)果進行了合理的解釋。

關(guān) ?鍵 ?詞：原油乳狀液;水質(zhì);油水界面膜;穩(wěn)定性

中圖分類號：O648.2+3 ??????文獻標(biāo)識碼： A ??????文章編號： 1671-0460（2019）02-0279-06

Abstract： In the study of crude oil emulsion， most of the researchers used laboratory prepared emulsions as experimental samples. However， so far， what kind of water quality should be used in the preparation of crude oil emulsion has not been specified. Indoor experiments have found that the moisture content of W/O type crude oil emulsion prepared by using low purity deionized water can reach up to 70%， and the water content of W/O emulsion prepared by common tap water under the same experimental conditions can only reach 50%. Thus， water quality has a great influence on the properties of crude oil emulsion. In this paper，3 kinds of water with different ionic concentrations were used to prepare oil and water emulsion in the laboratory： ordinary tap water， low purity deionized water and high purity distilled water. And the properties of the three kinds of emulsions were compared. The experimental results were reasonably explained from the aspect of microcosmic interfacial membrane.

Key words： Crude oil emulsion; Water quality; Oil water interfacial film; Stability

目前國內(nèi)大部分油田開采進入生產(chǎn)中后期，原油的含水量增高，在將油、水通過井筒輸送到地面的過程中，受到管線和閥門的剪切作用，油與水混合形成W/O型乳狀液。相較于純油，油水乳狀液的黏度更大，運輸起來會更加困難，并且還會增加運輸成本，所以，大多數(shù)情況下，要對采出的油水乳狀液進行脫水處理，乳狀液越穩(wěn)定脫水越難。而影響原油乳狀液穩(wěn)定性的因素比較多，如原油黏度、凝點、瀝青質(zhì)含量、油水比等[1-4]。

在對油水乳狀液進行研究時，大部分研究者使用實驗室配置的乳狀液作為實驗樣品[5]，然而，乳狀液的制備方法并沒有明確的行業(yè)規(guī)范，這就導(dǎo)致不同研究機構(gòu)，甚至同一研究機構(gòu)內(nèi)不同研究人員在制備乳狀液時使用不一樣的方法，大量的研究表明[6，7]，制備乳狀液時攪拌速度、時間、溫度等條件都會影響乳狀液性質(zhì)，很多學(xué)者都提出了各自的乳狀液制備條件。然而，到目前為止，針對乳狀液制備時應(yīng)該使用什么樣的水質(zhì)，并沒有明確的規(guī)定，有些研究人員使用去離子水，有些學(xué)者使用蒸餾水，還有一些研究人員使用普通的地層自來水。國內(nèi)外有關(guān)油水界面膜性質(zhì)的研究表明[8-10]，無機鹽的存在會使得乳狀液穩(wěn)定性下降。因此，為了確定實驗室制備乳狀液應(yīng)該如何選擇合適的水樣，本文選取了實驗室常用的3種水質(zhì)：普通自來水、去離子水和蒸餾水，來制備油水乳狀液，研究對比三種乳狀液性質(zhì)的差別，并從微觀角度對實驗結(jié)果進行合理的解釋。

1 ?實驗部分

1.1 ?實驗材料

實驗使用中海油陸豐13-2井采出油（不含水）基本物性如表1所示;實驗用水為自來水、去離子水和蒸餾水，水質(zhì)監(jiān)測結(jié)果見表2。

1.2 ?實驗儀器

（1）相同含水率下，高純蒸餾水制備的乳狀液黏度最大，自來水黏度最小，去離子水黏度介于2者之間。

（2）在相同含水率的條件下，溫度越低，對比三種不同水質(zhì)形成的乳狀液黏度偏差越大，說明隨著溫度降低，水質(zhì)對乳狀液黏度性質(zhì)的影響越大。

（3）對比不同含水率下，乳狀液黏度的絕對平均偏差的變化，得知隨著含水率增大，絕對偏差值越小，這說明含水越多，水質(zhì)對乳狀液黏度性質(zhì)的影響越小。

3 ?水質(zhì)對乳狀液穩(wěn)定性的影響

3.1 ?乳狀液靜態(tài)脫水實驗

采用高溫靜態(tài)脫水的實驗方法可以很好的描述乳狀液的穩(wěn)定性大小，本文對80 mL含水率10%、20%、30%、40%的乳狀液在溫度為80 ℃的水浴中進行靜態(tài)脫水試驗，試驗結(jié)果見表7-10，為了更直觀的反應(yīng)脫水速率，將實驗結(jié)果繪制成脫水量與脫水時間的關(guān)系曲線，如圖1-4所示。

表7 ?含水10%乳狀液80 ℃靜態(tài)脫水

Table 7 Static dehydration of water-containing 10% emulsion at 80 ℃

水質(zhì) 含水10%乳狀液脫水時間/min 脫水速率

/（mL·min-1）

3 5 10 15 20 25 30 35 40

自來水 0 0 5 7 8 8 8 8 8 20.44

去離子水 0 0 1.5 5.5 7 7.5 8 8 8 5.39

蒸餾水 0 0.5 0.5 0.6 0.9 1.4 2 2.6 3 12.86

圖1 ?含水10%溫度80 ℃下乳狀液靜態(tài)脫水速率

Fig.1 Static dehydration rate of water-containing 10% emulsion at 80 ℃

表8 ?含水20%乳狀液80 ℃靜態(tài)脫水

Table 8 Static dehydration rate of water-containing 20% emulsion at 80 ℃

水質(zhì) 含水20%乳狀液脫水時間/min 脫水速率

/（mL·min-1）

3 5 10 15 20 25 30 35 40

自來水 0.7 0.8 2 3 4 6 8 9 10 0.25

去離子水 0 0.5 1.6 2.2 2.6 4 6 7 7 0.20

蒸餾水 0 0 0 0 0 0.8 2 3.5 4 0.10

圖2 ?含水20%溫度80 ℃下乳狀液靜態(tài)脫水速率

Fig.2 Static dehydration rate of water-containing 20% emulsion at 80 ℃

表9 ?含水30%乳狀液80 ℃靜態(tài)脫水

Table 9 Static dehydration rate of water-containing 30% emulsion at 80 ℃

水質(zhì) 含水30%乳狀液脫水時間/min 脫水速率

/（mL·min-1）

3 5 10 15 20 25 30 35 40

自來水 0 0.1 0.8 1.4 2 4 8 11 12.5 0.31

去離子水 0 0 0.4 0.7 2 4 4.5 5 7 0.18

蒸餾水 0.5 0.6 0.8 1 1.4 1.5 2 2.7 3.5 0.09

圖3 ?含水30%溫度80 ℃下乳狀液靜態(tài)脫水速率

Fig.3 Static dehydration rate of water-containing 30% emulsion at 80 ℃

表10 ?含水40%乳狀液80 ℃靜態(tài)脫水

Table 10 Static dehydration rate of water-containing 40% emulsion at 80 ℃

水質(zhì) 含水40%乳狀液脫水時間/min 脫水速率

/（mL·min-1）

3 5 10 15 20 25 30 35 40

自來水 0 0.1 0.8 1.4 2 4 8 11 12.5 0.31

去離子水 0 0 0.4 0.7 2 4 4.5 5 7 0.18

蒸餾水 0.5 0.6 0.8 1 1.4 1.5 2 2.7 3.5 0.09

由靜態(tài)脫水結(jié)果可以很明顯看出三種水質(zhì)制備的乳狀液穩(wěn)定性差異很大，其中自來水制備的乳狀液穩(wěn)定性最差，脫水速度最快，且40 min脫水量最多;蒸餾水制備的乳狀液穩(wěn)定性最好，不僅脫水速度最慢，且40 min脫出的水量很少;去離子水的穩(wěn)定性位于自來水與蒸餾水之間。

3.2 ?乳狀液靜態(tài)電脫水實驗

在其它實驗條件與2.1節(jié)靜態(tài)脫水相同的情況下，增加0.25 kV/cm電壓進行電脫水實驗，結(jié)果見表11-14所示。

對比不加電脫水?dāng)?shù)據(jù)與電脫水?dāng)?shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)加電后，三種水質(zhì)制備的乳狀液脫水速度都得到了提升，然而提升的幅度確存在明顯差異，其中含水10%自來水制備的乳狀液平均脫水速度由0.4 mL/min提高到0.8 mL/min，提高了2倍;含水10%去離子水制備的乳狀液平均脫水速度由0.35 mL/min提高到0.4 mL/min，提高了1.14倍;而含水10%蒸餾水制備的乳狀液平均脫水速度沒有提高，都是0.05 mL/min。

4 ?微觀水滴分布規(guī)律

4.1 ?顯微觀察

固定乳狀液制備條件（溫度為50 ℃;攪拌轉(zhuǎn)速為500 r/min;攪拌時間為10 min），得到含水率為10%、20%和30%的三種水質(zhì)形成的乳狀液，然后通過相同的顯微鏡觀察乳狀液中水滴的微觀分布并拍攝圖像（圖5）。

圖5 ?三種水質(zhì)乳狀液不同含水率下的顯微圖像

Fig.5 Microscopic images of three water emulsions with different moisture content

由圖5可以看出，含水率相同時，自來水制備的乳狀液中大水滴較多，小水滴較少;蒸餾水制備的乳狀液中大水滴較少，大多都是直徑較小的水滴;去離子水制備的乳狀液中水滴大小介于自來水和蒸餾水乳狀液水滴大小之間，以中等大小水滴居多。隨著含水率增加，三種類型的乳狀液中水滴數(shù)量都明顯增多，并且去離子水和蒸餾水形成的乳狀液中大水滴的數(shù)量隨之增加。

4.2 ?數(shù)理統(tǒng)計

運用Image J軟件處理顯微鏡拍下圖像，統(tǒng)計不同尺寸的水滴數(shù)量。每個條件下統(tǒng)計5張圖像取平均值，然后通過計算得到不同直徑大小的水滴占所有水滴總體積的百分比，并將統(tǒng)計結(jié)果匯總為柱形圖（圖6-8）。

圖6 ?三種水質(zhì)10%含水率的乳狀液微觀水滴直徑分布

Fig.6 Water droplet diameter distribution of three water quality emulsions with 10% moisture content

從圖6中不難發(fā)現(xiàn)，自來水制備的乳狀液中水滴直徑超過55μm的大水滴占比最大，中小型水滴占比較為平均;去離子水制備的乳狀液中的水滴直徑主要分布在10 ～20μm和35 ～40μm之間，小水滴和大水滴含量較少;蒸餾水制備的乳狀液中水滴直徑主要分布為0 ～10μm之間，中大形的水滴含量很少。當(dāng)含水率達到30%時，如圖8所示，自來水制備的乳狀液中水滴分布情況與10%含水相比沒有太大變化;去離子水制備的乳狀液中水滴直徑分布增加至40 ～50μm之間;蒸餾水制備的乳狀液中水滴直徑分布增加至20 ～30μm之間。

5 ?水質(zhì)檢測與膜機理分析

使用SX713水質(zhì)監(jiān)測儀在室溫18.6 ℃條件下，對實驗所用的三種水質(zhì)進行檢測，結(jié)果見表2所示。

由測量結(jié)果可知，自來水中無機鹽含量最高，溶解的無機鹽使水里的陽離子和陰離子含量增加，宏觀表現(xiàn)為自來水的導(dǎo)電性最好;去離子水是采用離子交換樹脂方法處理自來水得到的離子含量較少的水，測量結(jié)果表明，去離子水的鹽度和導(dǎo)電率都是自來水的1/10;蒸餾水是自來水經(jīng)過蒸餾冷凝得到的較為純凈的水，其鹽度為0，電導(dǎo)率為接近于0，可以認為是不含離子的純水。

目前油水乳狀液成型理論中，認可度較高的是油水界面膜理論。在油水界面上，乳化劑會形成吸附膜，膜的一面與水接觸，另一面與油接觸，所以，界面膜的穩(wěn)定性可以很好反應(yīng)出乳狀液的穩(wěn)定性。根據(jù)文獻[11]的研究結(jié)果表明，無機鹽的離子效應(yīng)有利于減小油水界面膜的電荷密度，使界面膜強度減弱，從而降低乳狀液的穩(wěn)定性。另外，界面膜電荷減小，使得水滴間的電排斥力減小，使得水滴之間更容易集聚合并成大水滴。對比實驗結(jié)果，根據(jù)膜機理可以很好的解釋三種水質(zhì)形成的乳狀液性質(zhì)的差別：自來水中無機鹽溶解度大，陰陽離子含量高，形成的W/O型乳狀液最不穩(wěn)定，分散的小水滴很容易聚集形成大水滴，在重力的作用下產(chǎn)生油水分離;蒸餾水幾乎沒有無機鹽溶解，分散的水滴不易聚集，所以形成的W/O型乳狀液較為穩(wěn)定;去離子水中無機鹽溶解量介于自來水和蒸餾水之間，形成的乳狀液穩(wěn)定性也介于兩者之間。

有研究表明[12]，原油乳狀液分散相液滴體積越小，原油乳狀液的黏度越大。再結(jié)合本文對三種水質(zhì)形成的原油乳狀液粒徑的觀察，很好的解釋了水質(zhì)對原油乳狀液黏度變化規(guī)律的影響。

6 ?結(jié) 論

實驗對比發(fā)現(xiàn)，使用不同凈化程度的水質(zhì)制備的油水乳狀液，其物理性質(zhì)有明顯的不同：

（1）相同含水率的條件下，高純蒸餾水制備的乳狀液中水滴直徑最小，黏度最大;自來水制備的乳狀液中水滴直徑最大，黏度最小;低純度去離子水制備的原油乳狀液水滴直徑和黏度介于2者之間。

（2）在相同含水率的條件下，溫度越低，對比三種不同水質(zhì)形成的乳狀液黏度偏差越大。含水量從10%增加至30%時，自來水制備的乳狀液中小水滴更容易集聚為水滴，直徑始終以大于55μm的大水滴為主;去離子水制備的乳狀液中水滴直徑分布由10 ～20μm增加至40 ～50μm之間;蒸餾水制備的乳狀液中水滴直徑分布由0 ～10μm增加至20～30μm之間;含水量增大，三種乳狀液中水滴直徑越接近，黏度的絕對平均偏差越小，這說明含水率越高，水質(zhì)對乳狀液黏度性質(zhì)的影響越小。

（3）靜態(tài)脫水實驗顯示，自來水制備的乳狀液穩(wěn)定性最差，脫水速度最快;蒸餾水制備的乳狀液穩(wěn)定性最好，不僅脫水速度最慢，且最終脫水量最少;去離子水乳狀液的穩(wěn)定性位于自來水與蒸餾水之間。

（4）對比不加電脫水?dāng)?shù)據(jù)與電脫水?dāng)?shù)據(jù)，加電后，自來水制備的乳狀液平均脫水速度提高了約2倍;去離子水制備的乳狀液平均脫水速度提高了約1.14倍;而含水10%蒸餾水制備的乳狀液平均脫水速度沒有明顯提高。

（5）自來水鹽度最大，對油水界面膜強度影響最大，形成的W/O型乳狀液最不穩(wěn)定;蒸餾水幾乎沒有無機鹽溶解，對油水界面膜強度影響最小，形成的W/O型乳狀液最為穩(wěn)定;去離子水的鹽度介于自來水和蒸餾水之間，形成的乳狀液穩(wěn)定性也介于兩者之間。

由實驗結(jié)果可知，水質(zhì)對油水乳狀液性質(zhì)影響很大，如果要制備與現(xiàn)場性質(zhì)更為接近的油水乳狀液，在室內(nèi)配置油水乳狀液時，應(yīng)該使用與油井采出的地層水性質(zhì)較為接近的自來水作為實驗用水;如果要制備性質(zhì)更為穩(wěn)定的乳狀液時，應(yīng)該使用去離子水或者純度更高的蒸餾水。

參考文獻：

[1] URBINA-VILLALBA G，GARCA-SUCRE M. Influence of surfactant distribution on the stability of oil/water emulsions towards flocculation and coalescence [J]. Colloid Surf A：Physicochem Eng Asp，2001，190（1）： 111-116.