原油-水兩相體系乳化特性研究進(jìn)展

文江波，羅海軍

(廣東石油化工學(xué)院石油工程學(xué)院，茂名 525000)

由于原油中含有瀝青質(zhì)、膠質(zhì)、蠟晶等天然界面活性物質(zhì)，在原油開(kāi)采、集輸過(guò)程中，原油-水混合液受到來(lái)自井口、管道、彎頭、泵、閥門(mén)等的剪切作用，很容易乳化形成乳狀液。原油乳狀液的形成，會(huì)改變?cè)?水兩相體系的有效比例及有效黏度，從而對(duì)油水兩相或油氣水多相的流動(dòng)形態(tài)和壓降規(guī)律產(chǎn)生顯著影響[1-4]。

很顯然，混合條件、原油組成及水相組成這3個(gè)方面因素是影響原油-水兩相體系乳化特性的關(guān)鍵所在，中外研究者從不同的角度進(jìn)行了大量研究。現(xiàn)從上述3個(gè)方面影響因素出發(fā)，系統(tǒng)總結(jié)、闡述原油-水兩相體系乳化特性的研究進(jìn)展。

1 混合條件對(duì)原油-水兩相體系乳化特性的影響

1.1 分散相比例對(duì)乳化特性的影響

目前對(duì)于油水兩相體系乳化特性的研究主要偏重于乳狀液的穩(wěn)定性方面，采用的手段大多是通過(guò)觀察一段時(shí)間內(nèi)乳狀液的分水量或分油量來(lái)研究乳狀液的穩(wěn)定性[5-8]，原油乳狀液的顯微圖如圖1所示。Zaki[9]采用原油、水及十二烷基苯磺酸鈉鹽(DDBSNa)表面活性劑來(lái)制備乳狀液，觀察14 d內(nèi)乳狀液的分水量來(lái)測(cè)定乳狀液的穩(wěn)定性。結(jié)果顯示，當(dāng)含油量較高時(shí)，乳狀液在14 d內(nèi)都沒(méi)有水分離出來(lái)，其穩(wěn)定性較高；當(dāng)含油量逐漸降低時(shí)，有水從乳狀液中分離出來(lái)，穩(wěn)定性逐漸降低。Abdurahman等[10]的研究結(jié)論與此一致。Wen等[11]、Kokal等[12]以不同時(shí)間的分水量來(lái)表征原油乳狀液的穩(wěn)定性，對(duì)乳狀液的穩(wěn)定性和乳化含水率進(jìn)行研究，結(jié)果顯示隨著油水體系水相比例的增加，乳狀液的分水量呈上升趨勢(shì)，穩(wěn)定性逐漸下降，乳化含水率減小(圖2)。Binner等[13]對(duì)原油乳狀液的研究指出，在相同的攪拌條件下，低含水率的原油乳狀液，其液滴粒徑更小，完全分離所需的時(shí)間比高含水率的原油乳狀液要長(zhǎng)，即低含水率的原油乳狀液穩(wěn)定性更強(qiáng)。

圖1 原油乳狀液顯微圖

圖2 某原油的乳化含水率隨油水體系水相比例的變化(40 ℃)[11]

對(duì)于不同類型的乳狀液，其分散相可能是水相或油相，水相或油相比例對(duì)乳化特性的影響，其實(shí)反映的是分散相比例的影響。一般而言，隨著分散相比例的增加，乳狀液的穩(wěn)定性呈下降趨勢(shì)。

1.2 溫度對(duì)乳化特性的影響

一般情況下，溫度升高可以使大部分原油乳狀液的穩(wěn)定性迅速下降。原因主要有以下幾方面：①原油的黏度降低；②原油的密度降低，使得油水密度差增大；③增大界面活性物質(zhì)在油相中的溶解度，改變了界面膜的結(jié)構(gòu)和強(qiáng)度，使得界面膜變得疏松；④增加了液滴的碰撞機(jī)會(huì)，促進(jìn)液滴的絮凝、聚并和沉降，加速乳狀液的破乳。很多學(xué)者[11-17]在一定溫度下制備乳狀液，然后在不同溫度下研究乳狀液的穩(wěn)定性，結(jié)果顯示升高溫度可使乳狀液的穩(wěn)定性下降，乳化水的析出速率會(huì)加快，使得乳化含水率逐漸降低(圖3)。

圖3 某原油的乳化含水率隨溫度的變化(體系水相比例為0.7)[11]

但是，在一些情況下，溫度升高反而有可能導(dǎo)致界面膜的構(gòu)建速率增大，界面膜的結(jié)構(gòu)反而有增強(qiáng)的趨勢(shì)，使得乳狀液的穩(wěn)定性增強(qiáng)。Zaki[9]采用原油、水及十二烷基苯磺酸鈉鹽表面活性劑制備乳狀液，在其他實(shí)驗(yàn)條件不變的情況下，分別在40、50、60、70 ℃下進(jìn)行乳狀液的制備，然后在相同的溫度下觀察乳狀液的穩(wěn)定性，結(jié)果顯示制備乳狀液的溫度越高，其穩(wěn)定性越強(qiáng)。Binks等[14]對(duì)只由蠟晶顆粒穩(wěn)定的油包水(water-in-oil,W/O)乳狀液的穩(wěn)定性受溫度的影響進(jìn)行研究，在不同溫度下制備乳狀液，然后在室溫下觀察其穩(wěn)定性。結(jié)果也顯示，在較高溫度下制備的乳狀液具有較強(qiáng)的穩(wěn)定性。

1.3 剪切強(qiáng)度對(duì)乳化特性的影響

乳狀液的形成并非自發(fā)過(guò)程，對(duì)油水混合液進(jìn)行攪動(dòng)混合是形成乳狀液的必要條件之一。在油水兩相管流中，來(lái)自井口、管道、彎頭、泵及閥門(mén)的剪切作用都會(huì)導(dǎo)致乳狀液的形成，所以剪切強(qiáng)度也是影響油水兩相體系乳化特性的重要因素[18]。Zaki[9]、Abdurahman等[10]、Kokal等[12]、Wang等[19]在其他實(shí)驗(yàn)條件不變的情況下，研究了不同剪切強(qiáng)度對(duì)乳狀液穩(wěn)定性的影響。研究指出，增大剪切強(qiáng)度，乳狀液的液滴粒徑變小，數(shù)量增加，乳狀液的穩(wěn)定性增強(qiáng)，乳狀液的黏度也呈上升趨勢(shì)。

另一些研究則發(fā)現(xiàn)，乳狀液的穩(wěn)定性剛開(kāi)始隨著剪切強(qiáng)度的增加而增強(qiáng)，當(dāng)剪切強(qiáng)度超過(guò)某一臨界值后，乳狀液的穩(wěn)定性下降。Djenouhat等[20]將分析純?cè)噭┒?(2-乙基己基)磷酸(D2EHPA)和一種非離子表面活性劑Span 80溶于己烷，然后與純水摻混制備乳狀液，在不同的轉(zhuǎn)速下研究攪拌轉(zhuǎn)速對(duì)乳狀液穩(wěn)定性的影響。結(jié)果顯示，在轉(zhuǎn)速為100～200 r/min時(shí)，W/O乳狀液的穩(wěn)定性較好；而當(dāng)轉(zhuǎn)速超過(guò)200 r/min時(shí)，乳狀液反而變得不穩(wěn)定。Vilasau等[21]指出石蠟乳狀液在經(jīng)過(guò)泵高速剪切時(shí)，有可能導(dǎo)致破乳。Wen等[11,22]采用流動(dòng)條件下的原油乳化含水率來(lái)表征油水兩相體系的乳化特性，并采用多種原油進(jìn)行了乳化實(shí)驗(yàn)，研究發(fā)現(xiàn)當(dāng)油水體系水相比例φw低于某一臨界值時(shí)，在一定的剪切率范圍內(nèi)存在水相完全乳化現(xiàn)象，而在該剪切率范圍之上、之下，水相只發(fā)生部分乳化(圖4)。

③在胡塞爾現(xiàn)象學(xué)中，“共現(xiàn)”指一種通過(guò)對(duì)其他軀體的原真性體現(xiàn)而引發(fā)的對(duì)另一個(gè)自我之內(nèi)在性的間接意識(shí)”（倪梁康2007：53）。

圖4 某原油的乳化含水率隨剪切率的變化(40 ℃)[11]

很顯然，剪切強(qiáng)度對(duì)油水兩相體系乳化特性的影響顯著，不同的學(xué)者所得出的研究結(jié)論也有所不同。為了掌握油水兩相流或油氣水多相流中原油的乳化情況，對(duì)剪切強(qiáng)度的影響規(guī)律進(jìn)行深入研究很有必要。

2 原油組成對(duì)原油-水兩相體系乳化特性的影響

2.1 瀝青質(zhì)對(duì)乳化特性的影響

瀝青質(zhì)是數(shù)目眾多、結(jié)構(gòu)各異的非烴化合物組成的復(fù)雜混合物，含有大量復(fù)雜多變的分子結(jié)構(gòu)，使得其在油水界面上具有較強(qiáng)的界面活性[23]。瀝青質(zhì)的化學(xué)組成在穩(wěn)定乳狀液方面的作用至關(guān)重要。事實(shí)上，從近些年的研究可見(jiàn)，瀝青質(zhì)中并不是所有分子都會(huì)起到穩(wěn)定乳狀液的作用，只有一些特殊的化學(xué)成分和化學(xué)官能團(tuán)具有界面活性，對(duì)乳狀液的穩(wěn)定起著關(guān)鍵作用[24-27]。但是，這些能夠穩(wěn)定乳狀液的極性瀝青質(zhì)分子的化學(xué)結(jié)構(gòu)究竟如何，現(xiàn)在還無(wú)從得知。

瀝青質(zhì)在油水界面上吸附，會(huì)形成界面膜，從而阻礙液滴的聚并，是穩(wěn)定乳狀液的重要因素。Chang等[28]的研究指出，瀝青質(zhì)可以吸附在油-水界面處，形成具有黏彈性的界面膜，從而延遲或阻止乳狀液液滴的聚結(jié)。Fingas等[29]指出，瀝青質(zhì)對(duì)乳狀液的穩(wěn)定起至關(guān)重要的作用，它能夠在界面上形成比較強(qiáng)的、具有彈性的界面膜，阻止液滴之間的聚并，促進(jìn)乳狀液的穩(wěn)定。Duan等[30]的研究表明，瀝青質(zhì)界面膜的剛性機(jī)械強(qiáng)度來(lái)源于瀝青質(zhì)中多環(huán)芳烴(PAHs)的剛性結(jié)構(gòu)以及PAHs之間的π—π鍵相互作用；并且當(dāng)瀝青質(zhì)濃度較高時(shí)，瀝青質(zhì)納米聚集物在W/O界面上起著空間堡壘作用，使液滴之間的聚并更加困難。趙一潞等[31]認(rèn)為，界面膜強(qiáng)度對(duì)乳狀液的穩(wěn)定起關(guān)鍵作用，原油中瀝青質(zhì)含量越高，油水界面膜強(qiáng)度越大，乳狀液越穩(wěn)定。

瀝青質(zhì)作為一種天然界面活性物質(zhì)，其在原油中的聚集形態(tài)及濃度對(duì)乳狀液的穩(wěn)定性影響顯著[32]。Jestin等[33]、Verruto等[34]、Alvarez等[35]、Liu等[36]的研究指出，對(duì)于瀝青質(zhì)穩(wěn)定的乳狀液，瀝青質(zhì)膜是瀝青質(zhì)以大小為7～20 nm的聚集物形成的。Spiecker等[37]的研究指出，與溶解狀態(tài)的瀝青質(zhì)相比，形成聚集體的瀝青質(zhì)極性更強(qiáng)，具有更強(qiáng)的界面活性，形成的乳狀液更加穩(wěn)定。Xia等[7]的研究指出，瀝青質(zhì)在原油中的分散狀態(tài)(分子態(tài)或聚集態(tài))與油水界面膜的強(qiáng)度和乳狀液的穩(wěn)定性密切相關(guān)。Stark等[38]、Angle等[39]的研究也認(rèn)為，瀝青質(zhì)的分散狀態(tài)影響乳狀液的穩(wěn)定性，當(dāng)瀝青質(zhì)以聚集形態(tài)分散在原油中時(shí)，原油的乳化能力更強(qiáng)。Tchoukov等[40]利用瀝青質(zhì)溶于甲苯-庚烷溶劑作為油相，研究了油水界面膜的性質(zhì)。發(fā)現(xiàn)當(dāng)甲苯-庚烷溶劑/瀝青質(zhì)的比例超過(guò)一定的臨界值時(shí)，瀝青質(zhì)開(kāi)始形成聚集體，隨著時(shí)間的延長(zhǎng)，瀝青質(zhì)聚集體會(huì)絮凝、析出，而析出的瀝青質(zhì)則無(wú)助于油水界面的穩(wěn)定。當(dāng)采用離心的手段將析出的瀝青質(zhì)分離后，觀察到油水界面膜的厚度和穩(wěn)定性顯著增強(qiáng)。Fingas等[41]的研究認(rèn)為，瀝青質(zhì)濃度是乳狀液穩(wěn)定的重要因素，當(dāng)瀝青質(zhì)濃度很低時(shí)，將不能形成穩(wěn)定的乳狀液。Sullivan等[42]、McLean等[43]的研究則指出，瀝青質(zhì)的濃度低于或接近析出點(diǎn)時(shí)，其界面活性和穩(wěn)定乳狀液的能力較強(qiáng)，形成的乳狀液也較穩(wěn)定；而當(dāng)瀝青質(zhì)濃度高于析出點(diǎn)時(shí)，瀝青質(zhì)會(huì)析出、沉降，進(jìn)而導(dǎo)致其穩(wěn)定乳狀液的能力變差。

2.2 烴類組分對(duì)乳化特性的影響

瀝青質(zhì)溶于苯而不溶于非極性小分子正構(gòu)烷烴，不同碳數(shù)的烴類對(duì)瀝青質(zhì)聚集的影響程度不同。Hammami等[44]的研究顯示，在含有瀝青質(zhì)的模擬油中加入烷烴，如正庚烷等組分時(shí)，瀝青質(zhì)的溶解度降低，促使瀝青質(zhì)形成聚集體，使得乳狀液的穩(wěn)定性增強(qiáng)；當(dāng)加入芳香烴，如甲苯等組分時(shí)，瀝青質(zhì)的溶解度增大，造成瀝青質(zhì)聚集體的量變少或不能形成聚集體，導(dǎo)致乳狀液的穩(wěn)定性降低。Elsharkawy等[45]研究了模擬油乳狀液的穩(wěn)定性，發(fā)現(xiàn)增加模擬油的芳香性可導(dǎo)致乳狀液變得不穩(wěn)定。McLean等[43]對(duì)模擬油乳狀液的研究指出，除了瀝青質(zhì)、膠質(zhì)是乳狀液穩(wěn)定的重要因素以外，模擬油的芳香性也與乳狀液的穩(wěn)定性密切相關(guān)。Hirschberg等[46]利用不同碳數(shù)的正構(gòu)烷烴對(duì)瀝青質(zhì)進(jìn)行沉淀，發(fā)現(xiàn)隨著正構(gòu)烷烴碳數(shù)的增加，瀝青質(zhì)的溶解度逐漸降低，析出量增加，沉降速度加快。

對(duì)于不同的原油，其烴類組分含量不同，油相的碳數(shù)分布差別較大，使得瀝青質(zhì)在不同原油中的溶解度和聚集形態(tài)不一樣，進(jìn)而影響原油乳狀液的穩(wěn)定性。

2.3 膠質(zhì)對(duì)乳化特性的影響

膠質(zhì)的相對(duì)分子質(zhì)量和極性比瀝青質(zhì)小一些，與瀝青質(zhì)屬于同一類物質(zhì)，二者沒(méi)有明顯的界限，一般是根據(jù)其在各種溶劑中的溶解度不同來(lái)進(jìn)行分類。膠質(zhì)對(duì)原油乳狀液的穩(wěn)定性也具有重要作用，通常由膠質(zhì)形成的界面膜強(qiáng)度比瀝青質(zhì)要小，因而膠質(zhì)對(duì)乳狀液的穩(wěn)定能力要弱于瀝青質(zhì)[47]。

Fingas等[29]采用模擬油研究了膠質(zhì)、瀝青質(zhì)對(duì)乳狀液穩(wěn)定性的影響，指出油相中不同的膠質(zhì)/瀝青質(zhì)比例會(huì)導(dǎo)致形成具有不同穩(wěn)定性的乳狀液。Ali等[48]的研究指出，膠質(zhì)能夠增加瀝青質(zhì)在原油中的溶解度，減小瀝青質(zhì)與水滴之間的相互作用，當(dāng)膠質(zhì)/瀝青質(zhì)比例降低時(shí)，形成的乳狀液更加穩(wěn)定。Elsharkawy等[45]、Al-Sahhaf等[49]、Nour等[50]、Yang等[51]的研究指出，膠質(zhì)對(duì)瀝青質(zhì)有溶解作用，能夠改變?yōu)r青質(zhì)在油相中的聚集狀態(tài)，因而增大模擬油中膠質(zhì)/瀝青質(zhì)比例，可使乳狀液變得不穩(wěn)定。Alvarez等[52]的研究則表明，膠質(zhì)聚集體的極性要弱于瀝青質(zhì)聚集體，所形成的乳狀液穩(wěn)定性也較差。

2.4 蠟晶和固體微粒對(duì)乳化特性的影響

原油中的固體小顆粒等機(jī)械雜質(zhì)，與蠟晶一樣，也可以附著在油水界面上，增加界面膜的強(qiáng)度，從而提高乳狀液的穩(wěn)定性。Poindexter等[58]的研究指出，原油中的無(wú)機(jī)固體含量是決定原油乳狀液穩(wěn)定性的最關(guān)鍵因素之一，無(wú)機(jī)固體含量越高，形成的乳狀液越穩(wěn)定。Li等[59]研究了鋰皂石黏土顆粒對(duì)乳狀液穩(wěn)定性的影響，指出鋰皂石黏土顆粒不僅可以增加連續(xù)相的黏度，還能夠附著在油水界面上，阻礙液滴聚并，促進(jìn)乳狀液穩(wěn)定。Gavrielatos等[60]研究了固體納米顆粒對(duì)油水乳狀液穩(wěn)定性的影響，發(fā)現(xiàn)隨著納米顆粒濃度的增加，油水分離過(guò)程的速率逐漸降低，并且固體納米顆粒的大小也是一個(gè)關(guān)鍵因素，大顆粒不能像小顆粒那樣有效穩(wěn)定乳狀液。

2.5 酸性化合物對(duì)乳化特性的影響

原油中的極性化合物主要包括酸類、醇類、酯類及其他含氮化合物等[61-62]。目前普遍認(rèn)為，原油中的酸性化合物可與其他物質(zhì)(如堿性物質(zhì))發(fā)生反應(yīng)，生成具有界面活性的新物質(zhì)，對(duì)油水界面性質(zhì)及乳狀液的穩(wěn)定起重要作用。Arla等[63]的研究認(rèn)為，原油中的酸性物質(zhì)可以促進(jìn)乳狀液的形成和穩(wěn)定，還可以影響乳狀液的類型。Poteau等[64]認(rèn)為，原油中低分子質(zhì)量的界面活性物質(zhì)，如環(huán)烷酸，可以和瀝青質(zhì)相互作用，從而促進(jìn)瀝青質(zhì)分子在油水界面的排列。Alvarado等[65]指出，原油中的酸性物質(zhì)可與金屬陽(yáng)離子反應(yīng)，生成的鹽類具有穩(wěn)定乳狀液的作用。張路等[66]對(duì)不同條件下原油-堿水體系的動(dòng)態(tài)界面張力特性進(jìn)行了研究，指出原油中的有機(jī)酸組分在適當(dāng)?shù)碾x子強(qiáng)度和pH條件下能有效降低界面張力。

原油中酸性物質(zhì)的結(jié)構(gòu)和組成多種多樣，其界面活性與酸性化合物本身的性質(zhì)密切相關(guān)。Brandal等[67]利用模擬油-堿水體系進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，研究了酸性物質(zhì)與金屬陽(yáng)離子的相互作用對(duì)油水界面張力的影響。結(jié)果表明，界面張力的變化與酸性物質(zhì)的濃度和本身的結(jié)構(gòu)有關(guān)。徐志成等[68]的研究表明，原油中酸性組分的組成與它們的相對(duì)分子質(zhì)量密切相關(guān)，并對(duì)界面活性起決定作用。在總酸組分的相對(duì)分子質(zhì)量較低的組分中，酸的側(cè)鏈以脂肪烴為主，具有較強(qiáng)的界面活性；而相對(duì)分子質(zhì)量較高的組分，其界面活性則較弱。Andersen等[69]通過(guò)對(duì)油水界面膜的研究發(fā)現(xiàn)，含有羧酸官能團(tuán)，尤其是脂肪線性羧酸的物質(zhì)會(huì)優(yōu)先吸附在油水界面膜上，并且降低界面張力。Kilpatrick[23]也指出，原油中的羧基酸能夠有效降低界面張力，穩(wěn)定乳狀液，其性能因分子結(jié)構(gòu)和相對(duì)分子質(zhì)量的不同而差異較大。原油中還有另一類酸性物質(zhì)對(duì)乳狀液的穩(wěn)定也有較大影響，它們的分子結(jié)構(gòu)中存在一個(gè)或多個(gè)環(huán)烷狀官能團(tuán)，并且在環(huán)烷狀官能團(tuán)上常常帶有烷烴支鏈，通常稱之為環(huán)烷酸[70]。Muller等[71]的研究表明，環(huán)烷酸是吸附在原油-水界面的主要物質(zhì)之一，對(duì)于增強(qiáng)界面膜強(qiáng)度、穩(wěn)定乳狀液起重要作用。Horvath-Szabo等[72]指出，環(huán)烷酸鈉鹽在油水界面上能夠形成液體結(jié)晶膜，從而增強(qiáng)乳狀液的穩(wěn)定性。

3 水相組成對(duì)原油-水兩相體系乳化特性的影響

3.1 水相礦化度及無(wú)機(jī)鹽種類對(duì)乳化特性的影響

水相中無(wú)機(jī)鹽的存在對(duì)油水界面張力的影響顯著。Ling等[73]的研究發(fā)現(xiàn)，在油水體系中加入NaCl或CaCl2兩種無(wú)機(jī)鹽，均能使油水界面張力下降，并且無(wú)機(jī)鹽濃度越高，界面張力下降越明顯。王頔等[74]在對(duì)改進(jìn)復(fù)合堿驅(qū)提高采收率的研究中發(fā)現(xiàn)，復(fù)合驅(qū)中無(wú)機(jī)鹽的加入可以顯著降低界面張力。這是由于金屬鹽離子會(huì)影響表面活性劑離子膠束的擴(kuò)散雙電層結(jié)構(gòu)，使得具有界面活性的離子更容易吸附在油水界面上，進(jìn)而降低界面張力。丁德磐等[75]研究發(fā)現(xiàn)油水界面張力隨NaCl溶液濃度的增大，呈現(xiàn)先減小、后增大的趨勢(shì)。另一些研究[76-77]則發(fā)現(xiàn)，在地下油藏的高壓環(huán)境下，低礦化度的油水體系呈現(xiàn)出更低的界面張力。

不同離子對(duì)油水界面張力的影響存在差異。Karnanda等[78]研究了鹽溶液的礦化度和離子構(gòu)成對(duì)界面張力的影響，發(fā)現(xiàn)當(dāng)乳化劑濃度較低時(shí)，不同礦化度和離子構(gòu)成的鹽溶液會(huì)對(duì)界面張力的變化產(chǎn)生不同的影響。Wang等[79]的研究發(fā)現(xiàn)，對(duì)于同一種原油，CaCl2溶液的界面張力比NaCl溶液更低，并且由CaCl2溶液比NaCl溶液制備的乳狀液更加穩(wěn)定。Hamouda等[80]研究了Na2SO4和MgCl2對(duì)油水界面張力的影響，指出當(dāng)Mg2+存在時(shí)，油水界面張力在很大溫度范圍內(nèi)都保持較低的值。

水相中的離子通過(guò)影響油水界面的性質(zhì)，從而對(duì)乳狀液的穩(wěn)定性產(chǎn)生影響。Jiang等[81]的研究指出，無(wú)機(jī)鹽的加入有助于W/O乳狀液的形成和穩(wěn)定，且隨著礦化度的增加，乳狀液的穩(wěn)定性逐漸增強(qiáng)。Márquez等[82]對(duì)采用聚甘油蓖麻醇酯作為乳化劑的W/O型乳狀液的穩(wěn)定性進(jìn)行了研究，結(jié)果表明，CaCl2的加入使得乳狀液更加趨于穩(wěn)定。這是由于Ca2+的加入可以使液滴粒徑及液滴之間的引力減小，并且可以增加乳化劑在界面膜的吸附量。Sainath等[83]的研究發(fā)現(xiàn)，無(wú)機(jī)鹽的加入可以增強(qiáng)表面活性劑在油水界面的吸附，延長(zhǎng)液滴聚并的時(shí)間，進(jìn)而增強(qiáng)水包油(oil-in-water,O/W)型乳液的穩(wěn)定性。Dudek等[84]在其研究中指出，在油水體系中，Ca2+能夠與游離的環(huán)烷酸分子在油水界面上結(jié)合形成復(fù)合物，使乳狀液穩(wěn)定。

3.2 水相酸堿度對(duì)乳化特性的影響

水相的酸堿度對(duì)油水兩相體系乳化特性的影響也很顯著。當(dāng)水相pH較高時(shí)，原油中的酸性化合物可以與堿發(fā)生反應(yīng)，生成新的界面活性物質(zhì)，從而提高原油與水的乳化程度，增加乳狀液的穩(wěn)定性(圖5)。Daaou等[85]研究了pH對(duì)阿爾及利亞原油乳化特性的影響，發(fā)現(xiàn)中性環(huán)境比酸性環(huán)境更有利于乳狀液的穩(wěn)定。在酸性環(huán)境中，油水界面上的電荷密度增加，靜電斥力造成界面層破壞，使乳狀液的穩(wěn)定性降低。Kumar等[86]的研究也表明，隨著水相pH的增大，乳狀液的穩(wěn)定性顯著增強(qiáng)。

圖5 不同pH的Na2SO4溶液與原油的乳化實(shí)驗(yàn)結(jié)果[4]

但是，也有一些研究發(fā)現(xiàn)，在強(qiáng)酸環(huán)境下，原油乳狀液的穩(wěn)定性反而更強(qiáng)。Subramanian等[87]研究了強(qiáng)酸、強(qiáng)堿環(huán)境對(duì)W/O原油乳狀液穩(wěn)定性的影響，發(fā)現(xiàn)向水相中加入強(qiáng)酸可以增強(qiáng)輕質(zhì)原油乳狀液的穩(wěn)定性，而加入強(qiáng)堿會(huì)使輕質(zhì)原油乳狀液的穩(wěn)定性下降。Elsharkawy等[45]的研究認(rèn)為，乳狀液的穩(wěn)定性隨著pH的增大而增強(qiáng)，但當(dāng)pH很低(pH<2)時(shí)，乳狀液的穩(wěn)定性反而較強(qiáng)。Al-Sahhaf等[49]在其研究中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)水相pH從2增加到10時(shí)，乳狀液的穩(wěn)定性逐漸降低。Poteau等[64]的研究認(rèn)為，較低的pH能夠增加瀝青質(zhì)官能團(tuán)的電性，從而增強(qiáng)瀝青質(zhì)的界面活性。

4 研究展望及建議

關(guān)于混合條件對(duì)原油-水兩相體系乳化特性的影響方面，目前中外研究的局限性主要包括：一方面，大多是針對(duì)剪切過(guò)后乳狀液在靜態(tài)條件下的穩(wěn)定性進(jìn)行研究，缺乏系統(tǒng)地對(duì)流動(dòng)條件下油水體系乳化特性的研究；另一方面，這些研究得出的主要是定性結(jié)論，而定性結(jié)論無(wú)法應(yīng)用于多相流工藝計(jì)算，缺乏相應(yīng)的定量關(guān)系式。對(duì)于油田實(shí)際多相流管道，流動(dòng)條件下的乳化含水率是影響油水兩相或油氣水多相流動(dòng)特性的關(guān)鍵，因而準(zhǔn)確確定流動(dòng)條件下的乳化含水率是一個(gè)重要的工程問(wèn)題。在中國(guó)大部分油田都已進(jìn)入高含水開(kāi)發(fā)階段的背景下，由于采出液含水率很高，原油只能將其中一部分水乳化，形成的是既含有乳化水又含有游離水的不穩(wěn)定混合體系。如何有效區(qū)分混合體系中的乳化水與游離水，并準(zhǔn)確獲取流動(dòng)條件下的乳化含水率是應(yīng)該關(guān)注的重點(diǎn)問(wèn)題，也是難點(diǎn)問(wèn)題。因此，今后的研究應(yīng)重點(diǎn)著眼于兩點(diǎn)：一是探尋測(cè)量或計(jì)算流動(dòng)條件下原油乳化含水率的方法；二是建立具有普適性的流動(dòng)條件下原油乳化含水率預(yù)測(cè)模型，以便應(yīng)用于多相流工藝計(jì)算。

關(guān)于原油組成對(duì)原油-水兩相體系乳化特性的影響方面，總體來(lái)說(shuō)，前人已經(jīng)對(duì)原油中各種組分影響油水兩相體系乳化特性的規(guī)律進(jìn)行了較為全面的研究，對(duì)其中的作用機(jī)理和影響效果也進(jìn)行了較為深入的分析。但是，這些研究得到的基本上都是定性結(jié)論，而定性的結(jié)論不能滿足多相流中相關(guān)計(jì)算的需要。因此，開(kāi)展油水兩相體系的乳化特性與原油組成之間定量關(guān)系的研究勢(shì)在必行，也是使得建立的數(shù)學(xué)模型能夠適用于不同原油的唯一途徑。

關(guān)于水相組成對(duì)原油-水兩相體系乳化特性的影響方面，水相的礦化度、無(wú)機(jī)鹽種類及酸堿度對(duì)油水兩相體系的乳化特性都有重要影響。這些因素對(duì)乳化特性的影響規(guī)律及作用機(jī)理，前人在各自的領(lǐng)域進(jìn)行了很多具體的研究。但是，由于研究者所處的領(lǐng)域不同，根據(jù)各自的需要所研究的無(wú)機(jī)鹽種類也不盡相同，大多針對(duì)性較強(qiáng)地對(duì)某一種或若干種無(wú)機(jī)鹽的影響研究得比較深入，得到的結(jié)論也存在著差異?？偟膩?lái)說(shuō)，目前所研究的無(wú)機(jī)鹽種類有限，對(duì)全面掌握油田采出水中的各種離子對(duì)乳化特性的影響還有較大差距。因此，應(yīng)該以油田實(shí)際情況為基礎(chǔ)，對(duì)多種不同的無(wú)機(jī)鹽進(jìn)行研究，這樣才能更全面地了解水相組成對(duì)乳化特性的影響。另外，前人的研究更多注重于乳狀液的穩(wěn)定性，且研究結(jié)論基本上都是定性的。開(kāi)展相關(guān)的定量研究工作，并建立相應(yīng)的定量關(guān)系式，將有助于從定量上了解水相的各種因素對(duì)油水兩相體系乳化特性的影響，也能進(jìn)一步應(yīng)用到多相流的相關(guān)計(jì)算中。

5 結(jié)論

原油乳狀液的形成會(huì)對(duì)多相流的流動(dòng)特性產(chǎn)生顯著影響，研究原油-水兩相體系的乳化特性，對(duì)深入了解多相流的流動(dòng)規(guī)律具有重要意義。通過(guò)對(duì)中外研究進(jìn)展的梳理、總結(jié)，認(rèn)識(shí)到為了使原油-水兩相體系乳化特性的研究進(jìn)一步深化，今后的研究重點(diǎn)應(yīng)從原油乳狀液的靜態(tài)穩(wěn)定性研究向流動(dòng)乳化特性研究轉(zhuǎn)變，從單一影響因素研究向綜合性影響因素研究轉(zhuǎn)變，從定性研究向定量研究轉(zhuǎn)變，以期使相關(guān)研究成果更好地應(yīng)用于多相流領(lǐng)域的實(shí)際工程問(wèn)題。