高含水油水混合液黏度影響因素及計(jì)算模型

羅海軍， 文江波， 李家健， 陳慶賓

(廣東石油化工學(xué)院石油工程學(xué)院， 茂名 525000)

原油、水管道混輸在原油生產(chǎn)過(guò)程中普遍存在，富含天然界面活性物質(zhì)的原油與水在摻混過(guò)程中，很容易形成乳狀液，從而改變油水混合體系的黏度特性，進(jìn)而對(duì)混輸管道的流動(dòng)特性產(chǎn)生顯著影響[1-3]。

剪切作用是原油-水混合體系發(fā)生乳化的必要條件之一。一般而言，在原油、水乳化過(guò)程中，提高剪切強(qiáng)度，將使油水體系摻混得更加劇烈，乳狀液液滴粒徑變得更小，數(shù)量大幅增加，微小的液滴更難以聚并、沉降，這使得乳狀液的穩(wěn)定性增強(qiáng)，黏度增大[4-6]。有一些研究則發(fā)現(xiàn)，乳狀液的穩(wěn)定性及黏度剛開(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，體系的穩(wěn)定性開(kāi)始下降，黏度也隨之減小[7-8]。原油-水混合體系中含水率的大小會(huì)直接影響體系的乳化穩(wěn)定性及黏度特性。研究表明，在原油乳狀液反相點(diǎn)之前，低含水率的油水混合體系形成的是穩(wěn)定乳狀液，隨著體系中含水率的增加，體系的黏度逐漸增大；而當(dāng)含水率超過(guò)反相點(diǎn)之后，高含水油水混合體系的黏度將急劇減小[9-11]。溫度對(duì)原油-水混合體系的黏度特性也影響顯著。一般情況下，溫度升高可以使大部分原油乳狀液的穩(wěn)定性及黏度迅速下降。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[12-13]。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)，黏度增大[14]。

原油的物性很復(fù)雜，其中的界面活性物質(zhì)對(duì)原油乳狀液的形成和穩(wěn)定起決定作用，進(jìn)而對(duì)乳狀液的黏度產(chǎn)生影響。這些物質(zhì)主要包括瀝青質(zhì)、膠質(zhì)、蠟、機(jī)械雜質(zhì)等。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。瀝青質(zhì)在油水界面上吸附，能夠形成具有一定結(jié)構(gòu)和強(qiáng)度的界面膜，使得乳狀液穩(wěn)定[15-16]。瀝青質(zhì)在原油中的聚集形態(tài)及濃度對(duì)原油乳狀液的形成及穩(wěn)定性有顯著影響，原油中瀝青質(zhì)含量越高，形成的油水乳狀液越穩(wěn)定，黏度越大[17-19]。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)定性及黏度[20]。膠質(zhì)的相對(duì)分子質(zhì)量和極性比瀝青質(zhì)小一些，通常由膠質(zhì)形成的油水界面膜強(qiáng)度比瀝青質(zhì)小，因而膠質(zhì)對(duì)乳狀液的穩(wěn)定能力要弱于瀝青質(zhì)，相應(yīng)的乳狀液黏度也相對(duì)較小[21-22]。原油中的蠟也是一種重要的界面活性物質(zhì)，一方面，蠟會(huì)形成晶體網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，從而有效將分散相進(jìn)行包裹；另一方面，蠟晶顆?？梢晕皆诜稚⑾嘁旱伪砻?，阻止液滴的聚并[23-24]。原油中蠟含量越高，可使油水乳狀液更加穩(wěn)定，黏度也越大[25]。原油中的固體小顆粒等機(jī)械雜質(zhì)，與蠟晶一樣，也可以吸附在油水界面上，增強(qiáng)界面膜的強(qiáng)度，從而提高原油乳狀液的穩(wěn)定性，增大黏度[26-27]。原油的黏度對(duì)原油乳狀液的穩(wěn)定及黏度特性也影響顯著，一般而言，原油黏度越大，阻礙液滴運(yùn)動(dòng)及聚并的能力越強(qiáng)，形成的乳狀液就越穩(wěn)定，其黏度也更高[2]。

目前，中國(guó)大部分陸上油田均已進(jìn)入開(kāi)發(fā)中后期，油井采出液的含水率很高，原油和水并不能形成穩(wěn)定的乳狀液，而是原油將其中一部分水乳化，形成了W/O乳狀液液滴和游離水的摻混體系，這是一種非穩(wěn)定乳化的油水混合液體系[28]。長(zhǎng)期以來(lái)，關(guān)于對(duì)油水混合體系黏度特性的研究，主要針對(duì)的是穩(wěn)定的原油乳狀液，而對(duì)于高含水非穩(wěn)定乳化油水混合液的黏度特性，則鮮有研究。很顯然，掌握高含水油水混合液的黏度特性，并建立相應(yīng)的黏度計(jì)算模型，對(duì)于油田生產(chǎn)中高含水原油-水體系的管道輸送具有重要指導(dǎo)意義。

以高含水油水混合液的黏度特性為研究對(duì)象(含水率為0.70～0.90)，采用攪拌測(cè)黏法對(duì)8種原油的油水混合液表觀黏度進(jìn)行測(cè)定，研究了剪切率、含水率、溫度、單一界面活性物質(zhì)含量(以質(zhì)量分?jǐn)?shù)計(jì))、組合界面活性物質(zhì)含量對(duì)油水混合液表觀黏度的影響，發(fā)現(xiàn)了高含水油水混合液的黏度特性隨上述因素影響的變化規(guī)律。進(jìn)一步地，通過(guò)回歸分析，建立了高含水油水混合液黏度計(jì)算模型。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

乳化實(shí)驗(yàn)采用了8種原油，編號(hào)為A～H，其物性參數(shù)如表1所示。水相為實(shí)驗(yàn)室自制超純水。

表1 8種原油的物性參數(shù)

1.2 實(shí)驗(yàn)裝置

實(shí)驗(yàn)中使用的攪拌測(cè)黏裝置如圖1所示，主要包括以下幾部分：①攪拌槳及攪拌槽；②控溫水浴，控溫區(qū)間為5～90 ℃，精度為0.1 ℃；③攪拌器，攪拌轉(zhuǎn)速控制范圍為10～1 600 r/min，扭矩測(cè)量精度為0.01 N·cm。

圖1 實(shí)驗(yàn)裝置

1.3 高含水油水混合液攪拌測(cè)黏法

當(dāng)原油-水混合體系的含水率大于體系的反相點(diǎn)時(shí)，原油和水無(wú)法形成穩(wěn)定的乳狀液，只能形成非穩(wěn)定乳化的油水混合液體系。這種體系的顯著特點(diǎn)是，一旦外界剪切作用撤銷，混合液會(huì)立即出現(xiàn)嚴(yán)重分層，體系變成非均質(zhì)態(tài)。因此，傳統(tǒng)的同軸圓筒黏度計(jì)無(wú)法有效測(cè)量其黏度。采用攪拌測(cè)黏法[29]，可有效測(cè)定高含水原油-水混合液的表觀黏度。其基本原理是：在適當(dāng)?shù)臄嚢钘l件下，油水混合液可以保持均勻混合狀態(tài)，而攪拌軸的扭矩可以反映油水混合液的表觀黏度，建立表觀黏度與攪拌轉(zhuǎn)速、扭矩之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，即可測(cè)定出高含水油水混合液的表觀黏度。具體方法如下。

(1)攪拌流場(chǎng)中，在一定的轉(zhuǎn)速下，流體黏度與攪拌扭矩間存在函數(shù)關(guān)系為

μ=aMb

(1)

式(1)中：μ為流體黏度，mPa·s；M為扭矩，N·cm；a、b為待定參數(shù)。

(2)采用了18種不同黏度的單相牛頓流體，測(cè)量它們?cè)诓煌瑪嚢柁D(zhuǎn)速下的扭矩，通過(guò)回歸分析得到a、b值，確定了不同轉(zhuǎn)速下流體黏度與扭矩之間的關(guān)系式，如表2所示。

表2 不同轉(zhuǎn)速下流體黏度與扭矩的關(guān)系式

(3)在不同轉(zhuǎn)速下對(duì)油水混合液進(jìn)行攪拌，記錄攪拌過(guò)程中的扭矩值，進(jìn)而可以利用表2中的關(guān)系式計(jì)算出相應(yīng)攪拌轉(zhuǎn)速下油水混合液的表觀黏度。

1.4 攪拌槽內(nèi)平均剪切率計(jì)算

原油-水混合液往往具有非牛頓流體性質(zhì)，確定出不同攪拌轉(zhuǎn)速條件下對(duì)應(yīng)的剪切率，則可獲得油水混合液表觀黏度隨剪切率的變化關(guān)系。攪拌槽內(nèi)的平均剪切率計(jì)算公式[30]為

(2)

式(2)中：N為攪拌轉(zhuǎn)速，r/s；V為流體體積，m3。

2 結(jié)果與討論

2.1 剪切率對(duì)油水混合液表觀黏度的影響

以原油A-D為例，根據(jù)攪拌測(cè)黏實(shí)驗(yàn)結(jié)果，高含水原油-水混合液表觀黏度隨剪切率的變化如圖2所示。

由圖2可知，各原油-水混合液的表觀黏度隨剪切率的增大而逐漸減小，呈現(xiàn)出剪切稀釋性，而且這種性質(zhì)隨著溫度的升高[圖2(a)、(b)]或體系含水率的增加[圖2(c)、(d)]而逐漸減弱。

圖2 高含水原油-水混合液表觀黏度隨剪切率的變化

在較低的剪切強(qiáng)度作用下，油相和水相并沒(méi)有達(dá)到有效摻混，乳化程度也較低，此時(shí)，油相并沒(méi)有完全成為內(nèi)相，因而油相黏度對(duì)油水混合液表觀黏度的影響較大，使得混合液的表觀黏度較高。隨著剪切強(qiáng)度的增加，油相和水相得到充分摻混，乳化程度增加，此時(shí)，原油乳化一部分水形成的W/O乳狀液液滴成為內(nèi)相，而水相則是外相，因而水相的黏度對(duì)油水混合液表觀黏度的影響變大，使得混合液的表觀黏度降低。

隨著體系含水率φw的增加，油相占有率逐漸減少，因而油相黏度對(duì)油水混合液表觀黏度的影響趨于減弱，水相黏度則起主導(dǎo)作用。所以，在較高的含水率條件下，雖然油水混合液仍然表現(xiàn)出一定的剪切稀釋性，但是這種性質(zhì)相較于低含水率的條件則更弱。同樣地，溫度升高，油相黏度會(huì)減小，因而油相對(duì)油水混合液表觀黏度的影響也會(huì)減弱。因此，較高溫度條件下的油水混合液所表現(xiàn)出的剪切稀釋性要弱于較低溫度條件。

2.2 含水率對(duì)油水混合液表觀黏度的影響

以原油E-H為例，根據(jù)攪拌測(cè)黏實(shí)驗(yàn)結(jié)果，高含水原油-水混合液表觀黏度隨含水率的變化如圖3所示。

圖3 高含水原油-水混合液表觀黏度隨含水率的變化(200 r/min)

由圖3可知，各原油-水混合液的表觀黏度隨體系含水率的增加而逐漸減小。這是由于，含水率的增加，使得水相對(duì)油水混合液表觀黏度的主導(dǎo)作用增強(qiáng)，則油水混合液表觀黏度必然降低。另外，隨著溫度升高，黏度-含水率曲線趨于平緩。這表明，溫度越高，則油水混合液的表觀黏度隨含水率降低的幅度逐漸減小。

2.3 溫度對(duì)油水混合液表觀黏度的影響

以原油E-H為例，根據(jù)攪拌測(cè)黏實(shí)驗(yàn)結(jié)果，高含水原油-水混合液表觀黏度隨溫度的變化如圖4所示。

由圖4可知，各原油-水混合液的表觀黏度隨溫度的升高而逐漸減小。這是由于，溫度升高導(dǎo)致原油黏度顯著降低，因而對(duì)油水混合液表觀黏度的影響減弱，相對(duì)而言，水相對(duì)混合液表觀黏度的主導(dǎo)作用增強(qiáng)，使得油水混合液的表觀黏度減小。另外，圖4中的黏度-溫度曲線隨含水率的增加逐漸趨于平緩。這表明，含水率越高，則油水混合液的表觀黏度隨溫度降低的幅度逐漸減小。

圖4 高含水原油-水混合液表觀黏度隨溫度的變化(200 r/min)

2.4 原油物性對(duì)油水混合液表觀黏度的影響

2.4.1 單一界面活性物質(zhì)含量對(duì)油水混合液表觀黏度的影響

原油中富含天然界面活性物質(zhì)，這些物質(zhì)能夠吸附在油水界面上，降低界面張力，同時(shí)形成具有一定強(qiáng)度的界面膜，是原油-水混合體系發(fā)生乳化的關(guān)鍵，也是影響油水混合液表觀黏度大小的內(nèi)部因素。以8種原油中瀝青質(zhì)含量(ca)、膠質(zhì)含量(cr)、蠟含量(cw)、機(jī)械雜質(zhì)含量(cm)等單一界面活性物質(zhì)含量為考察對(duì)象，根據(jù)攪拌測(cè)黏實(shí)驗(yàn)結(jié)果，高含水原油-水混合液表觀黏度隨ca、cr、cw、cm的變化如圖5所示。

由圖5可知，對(duì)于上述原油-水混合液表觀黏度隨4種單一界面活性物質(zhì)含量的變化趨勢(shì)中，只有混合液表觀黏度隨膠質(zhì)含量的變化[圖5(b)]呈現(xiàn)出一定的增長(zhǎng)規(guī)律性，但是其相關(guān)性也較弱；相較而言，混合液表觀黏度隨瀝青質(zhì)含量[圖5(a)]、蠟含量[圖5(c)]、機(jī)械雜質(zhì)含量[圖5(d)]的變化則毫無(wú)規(guī)律性。這表明，原油-水混合液的表觀黏度隨瀝青質(zhì)、膠質(zhì)、蠟、機(jī)械雜質(zhì)等單一界面活性物質(zhì)含量的變化并沒(méi)有顯著的規(guī)律性。

圖5 高含水原油-水混合液表觀黏度隨單一界面活性物質(zhì)含量的變化(φw=0.70, 40 ℃, 200 r/min)

2.4.2 組合界面活性物質(zhì)含量對(duì)油水混合液表觀黏度的影響

由于單一界面活性物質(zhì)含量對(duì)原油-水混合液表觀黏度的影響并無(wú)顯著規(guī)律，進(jìn)一步地，考察了組合界面活性物質(zhì)含量對(duì)混合液表觀黏度的影響。其中，考慮到分子態(tài)的蠟對(duì)油水體系乳化的影響很弱，而析出的蠟晶顆粒才會(huì)對(duì)油水體系的乳化特性產(chǎn)生顯著影響[23-24]，因此，在本節(jié)的組合界面活性物質(zhì)考察中，將蠟含量(cw)替換為析蠟量(cpw)。主要考察了以下4種組合：①瀝青質(zhì)、膠質(zhì)含量之和(ca+cr)；②瀝青質(zhì)、膠質(zhì)含量、析蠟量之和(ca+cr+cpw)；③瀝青質(zhì)、膠質(zhì)、機(jī)械雜質(zhì)含量之和(ca+cr+cm)；④瀝青質(zhì)、膠質(zhì)、析蠟量、機(jī)械雜質(zhì)含量之和(ca+cr+cpw+cm)。根據(jù)攪拌測(cè)黏實(shí)驗(yàn)結(jié)果，高含水原油-水混合液表觀黏度隨上述4種組合界面活性物質(zhì)含量的變化如圖6所示。

圖6 高含水原油-水混合液表觀黏度隨組合界面活性物質(zhì)含量的變化(φw=0.70, 40 ℃, 200 r/min)

由圖6可知，相較于原油-水混合液表觀黏度與單一界面活性物質(zhì)含量之間無(wú)明顯規(guī)律性，混合液表觀黏度隨4種組合界面活性物質(zhì)含量的變化呈現(xiàn)出顯著的增長(zhǎng)規(guī)律性，即隨著4種組合界面活性物質(zhì)含量的增加，混合液表觀黏度逐漸增大。這也反映出，原油當(dāng)中的界面活性物質(zhì)并非單獨(dú)發(fā)揮作用，而是以協(xié)同作用的方式對(duì)油水體系的乳化特性及表觀黏度產(chǎn)生影響。

為了檢驗(yàn)原油-水混合液表觀黏度與上述4種組合界面活性物質(zhì)之間關(guān)系的相關(guān)性強(qiáng)弱，采用冪律方程(y=axb)對(duì)圖6中的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了擬合分析，擬合結(jié)果如表3所示。

表3 冪律方程擬合結(jié)果(y=axb)

很顯然，原油-水混合液表觀黏度與4種組合界面活性物質(zhì)之間均具有較好的相關(guān)性，且隨著組合界面活性物質(zhì)種類的增加，擬合優(yōu)度逐漸增加，相關(guān)性增強(qiáng)。這表明，原油-水混合液的表觀黏度并不依賴于某一種界面活性物質(zhì)的含量，而是與原油中瀝青質(zhì)、膠質(zhì)、蠟晶顆粒、機(jī)械雜質(zhì)等界面活性物質(zhì)的總含量密切相關(guān)，受各種界面活性物質(zhì)整體協(xié)同作用的影響。

3 油水混合液黏度計(jì)算模型

基于上述實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，通過(guò)回歸分析，建立高含水油水混合液黏度與剪切率、含水率、溫度、組合界面活性物質(zhì)含量之間的定量關(guān)系模型。令油水混合液黏度計(jì)算模型為

(3)

對(duì)式(3)取對(duì)數(shù)得到

(4)

y=lga0+a1x1+a2x2+a3x3+a4x4

(5)

以上述8種原油在不同條件下的240組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，對(duì)式(5)進(jìn)行多元線性回歸得

y=2.676-0.658x1-2.021x2-0.905x3+0.510x4

(6)

對(duì)式(6)進(jìn)行數(shù)學(xué)轉(zhuǎn)換，得到高含水油水混合液黏度計(jì)算模型為

(7)

誤差分析結(jié)果顯示，模型計(jì)算黏度值與實(shí)測(cè)黏度值之間的平均相對(duì)偏差為7.8%，具有較好的計(jì)算效果，如圖7所示。該模型可用于預(yù)測(cè)不同原油-水混合體系在不同剪切條件下的表觀黏度，為原油、水管道混輸?shù)南嚓P(guān)工程問(wèn)題提供理論指導(dǎo)。

圖7 油水混合液黏度模型計(jì)算值與實(shí)測(cè)值的相對(duì)偏差

4 結(jié)論

(1)高含水原油-水混合液的表觀黏度隨剪切率的增大而逐漸減小，呈現(xiàn)出剪切稀釋性，而且這種性質(zhì)隨著溫度的升高或體系含水率的增加而逐漸減弱。

(2)高含水原油-水混合液的表觀黏度隨體系含水率的增加和溫度的升高而逐漸減小，而且隨著溫度升高、含水率增加，表觀黏度-含水率曲線、表觀黏度-溫度曲線均趨于平緩，混合液表觀黏度的變化幅度逐漸減小。

(3)高含水原油-水混合液的表觀黏度隨原油中瀝青質(zhì)、膠質(zhì)、蠟、機(jī)械雜質(zhì)等單一界面活性物質(zhì)含量的變化并沒(méi)有顯著規(guī)律性；對(duì)原油中瀝青質(zhì)、膠質(zhì)、析出蠟晶、機(jī)械雜質(zhì)等單一界面活性物質(zhì)進(jìn)行了4種組合，結(jié)果顯示，高含水原油-水混合液表觀黏度隨組合界面活性物質(zhì)含量的增加而逐漸增大，呈現(xiàn)出顯著的增長(zhǎng)規(guī)律性。

(4)高含水原油-水混合液的表觀黏度并不依賴于某一種界面活性物質(zhì)的含量，而是與原油中瀝青質(zhì)、膠質(zhì)、析出蠟晶、機(jī)械雜質(zhì)等界面活性物質(zhì)的總含量密切相關(guān)，受各種界面活性物質(zhì)整體協(xié)同作用的影響。

(5)考慮剪切率、含水率、溫度及組合界面活性物質(zhì)含量的影響，通過(guò)回歸分析，建立了高含水原油-水混合液的黏度計(jì)算模型，模型計(jì)算結(jié)果的平均相對(duì)偏差為7.8%，具有較好的計(jì)算效果；模型可應(yīng)用于不同原油-水混合體系在不同剪切條件下表觀黏度的計(jì)算。