堿-表面活性劑乳化稠油降黏影響因素研究

鄧金玭，李華斌，2，廖建軍，何 剛，劉思思，張 肖

（1.成都理工大學能源學院，四川 成都 610059；2.成都理工大學油氣藏地質(zhì)及開發(fā)工程國家重點實驗室，四川 成都 610059）

我國稠油儲量在全世界位于前列[1-4]，隨著我國石油的不斷開采，優(yōu)質(zhì)且易于采出的原油逐漸減少，為保證我國工業(yè)的高速發(fā)展，我國的稠油開發(fā)難題亟待解決[5]。魯克沁稠油儲量豐富，但開采難度較大，在80 ℃地層溫度下稠油黏度高達286 mPa·s，在綜合考慮到魯克沁的地理環(huán)境下，采用化學降黏方法來開采稠油更為合適?；瘜W降黏方法有多種[6-7]，結(jié)合魯克沁油藏流體性質(zhì)和降黏方法實驗，最終選擇以堿-表面活性劑乳化降黏為主的降黏方法。

表面活性劑能明顯降低油水界面張力，減小油滴的流動阻力，從而使稠油乳狀液的流動能力增強[8-13]，驅(qū)油效率提高。但單獨使用表面活性劑存在吸附損失較為嚴重、表面活性劑用量大、成本高等缺點。另一方面，堿能夠中和稠油中的有機酸，反應(yīng)可能生成一些表面活性物質(zhì)降低油水界面張力，但由于原油性質(zhì)的差異，也可能存在著結(jié)垢和黏性指標等原因的影響，使得驅(qū)油效率不好，因此只使用堿改變稠油乳狀液流變性的局限性較大[13-14]。堿/表面活性劑二元復合體系能夠相互彌補不足，二者同時使用具有協(xié)同作用[15-16]。

對此進行了堿-表面活性劑對魯克沁稠油乳狀液黏度影響因素的研究，探究了在清水和高礦化度地層水中表面活性劑、堿質(zhì)量濃度及剪切時間對魯克沁稠油乳狀液黏度的影響，同時對其降黏機理進行了簡單的探究，其研究目的是確定最佳堿-表面活性劑用量，為稠油的降黏開采提供一套可行性方案，對指導魯克沁稠油的現(xiàn)場開發(fā)具有實際應(yīng)用價值。

1 實驗部分

1.1 材料和儀器

地層溫度為80 ℃時的魯克沁玉東X 區(qū)塊稠油（稠油黏度高達286 mPa·s，稠油密度為0.975 3 g/cm3）；魯克沁玉東X 區(qū)地層水（表1），礦化度86 072 mg/L；有效含量為30%的陰離子型表面活性劑XHY-6，成都華陽興華化工有限公司；Na2CO3，成都科龍化工試劑廠。

表1 魯克沁地層水離子組成

實驗儀器：HAAKE MARS Ⅲ模塊化高級旋轉(zhuǎn)流變儀，德國HAAKE 公司；恒溫箱，江蘇海安石油科研儀器有限公司；分析天平，常州稱重設(shè)備系統(tǒng)有限責任公司；數(shù)顯恒溫磁力攪拌器，上海力辰邦西儀器科技有限公司；HH-2 數(shù)顯恒溫水浴，金壇市華峰儀器有限公司；耐高溫廣口瓶，玻璃棒，燒杯，量筒等，蜀龍玻璃儀器廠。

1.2 實驗方法

1.2.1 稠油乳狀液配制 先將待用實驗稠油、堿和表面活性劑溶液按油水體積比例1∶9～9∶1 設(shè)置9 種不同比例放入80 ℃水浴鍋保溫30 min，然后將稠油與堿、表面活性劑溶液按照不同油水比加入廣口瓶，并放置在恒溫磁力攪拌器中，設(shè)置操作溫度為80 ℃，轉(zhuǎn)速為600 r/min，攪拌1 h。

1.2.2 黏度測試 使用HAAKE 流變儀測量原油及油水乳狀液的表觀黏度1 min，設(shè)置實驗溫度為80 ℃，剪切速率為7.34 s-1，轉(zhuǎn)子型號為Z41，測量筒型號為Z43，待乳狀液攪拌均勻后立即進行表觀黏度測量，得到不同表面活性劑和不同堿濃度下乳狀液的黏度以及不同油水比下乳狀液的黏度。

2 結(jié)果與討論

2.1 表面活性劑濃度對稠油乳狀液黏度的影響

稠油的黏度與膠質(zhì)、瀝青質(zhì)的質(zhì)量分數(shù)密切相關(guān)。通常稠油含膠質(zhì)、瀝青質(zhì)越多，其密度越大，黏度越高，膠質(zhì)分子和瀝青質(zhì)分子中可能含有羥基、胺基、羧基、羰基等基團，能夠使得膠質(zhì)分子之間、瀝青質(zhì)分子之間及二者之間形成強烈的氫鍵，從而形成重疊堆砌的巨型分子聚集體，導致原油黏度升高[5]。

表面活性劑改變稠油流動能力降低其黏度的機理主要有兩個方面：一方面，表面活性劑能夠改變稠油油水固的潤濕性，使得“油包水”轉(zhuǎn)化為“水包油”，表面活性劑有親水基和憎水基，表面活性劑分子能夠有規(guī)律的排列在油水界面上，降低油水界面張力，增加其流動性[17]；另一方面，表面活性劑分子上帶有能形成強烈氫鍵的基團，由于表面活性劑相對分子質(zhì)量小，能夠滲透、分散進入膠質(zhì)和瀝青質(zhì)分子聚集體之間，破壞膠質(zhì)分子之間、瀝青質(zhì)分子之間及二者之間的氫鍵，使得膠質(zhì)和瀝青質(zhì)與表面活性劑分子形成小的聚集體，從而部分拆開平面重疊堆砌的膠質(zhì)瀝青質(zhì)分子聚集體，形成體積更小的無規(guī)則膠質(zhì)瀝青質(zhì)聚集體，使得膠質(zhì)瀝青質(zhì)分子聚集體結(jié)構(gòu)變得松散，聚集體體積減小，從而使得稠油乳狀液流動能力變好，黏度降低。

在80 ℃的實驗溫度和油水比為（2∶8）條件下，用魯克沁玉東X 區(qū)塊地層水和清水分別配制濃度為500 mg/L、1 000 mg/L、2 000 mg/L、5 000 mg/L、10 000 mg/L 的表面活性劑溶液與稠油乳化形成的乳狀液測得的黏度（圖1）。

圖1 表面活性劑濃度對稠油乳狀液黏度的影響

從圖1 可以看出，表面活性劑濃度為1 000 mg/L時，稠油乳狀液黏度為62 mPa·s，此時稠油乳狀液黏度值最低。當表面活性劑濃度為500 mg/L 時，表面活性劑分子濃度太低，界面處吸附的少量表面活性劑分子不足以使得油水界面張力降低到較低值，稠油乳狀液流動性較差，同時低濃度的表面活性劑分子破壞膠質(zhì)瀝青質(zhì)分子聚集體結(jié)構(gòu)的能力較弱，所以稠油乳狀液黏度降低不明顯。表面活性劑濃度為1 000～10 000 mg/L 時，隨著表面活性劑濃度增大，稠油乳狀液黏度增大，其原因在于油水界面會緊密排列更多的表面活性劑分子，油水界面膜機械強度增大，剪切阻力隨之增大，稠油乳狀液黏度升高。

同時在相同表面活性劑濃度下，低礦化度溶液中的稠油乳狀液黏度相較于高礦化度溶液的稠油乳狀液黏度更高，在電荷屏蔽機制的影響下，高礦化度溶液中正負電荷總量較多，電荷屏蔽效應(yīng)會影響溶液中長鏈分子的纏結(jié)，減小長鏈分子的水力半徑，低的水力半徑意味著有更低的黏度，同時使得長鏈分子纏結(jié)程度減小，稠油乳狀液黏度相對更低[18]。

2.2 油水比對稠油乳狀液黏度的影響

在實驗溫度80 ℃和表面活性劑濃度為1 000 mg/L條件下，進行了油水比1∶9～9∶1 的乳狀液黏度測定，油水比對乳狀液黏度的影響見圖2。

圖2 油水比對稠油乳狀液黏度的影響

由圖2 可知，隨著油水比增大，乳狀液黏度增大。油水比為6∶4 左右時，乳狀液黏度出現(xiàn)明顯差異，油水比小于6∶4 時，隨著油水比增加，黏度增幅緩慢，乳液類型主要為水包油（O/W），黏度主要取決于外相（水）的黏度；油水比大于6∶4 時，乳液黏度迅速上升，乳液類型主要為油包水（W/O），此時油相成為連續(xù)相，水分散在油中，乳狀液黏度主要取決于油的黏度。溶液礦化度對油水比和乳狀液黏度的變化規(guī)律基本沒有影響[19-20]。

實際開發(fā)時要求所形成的乳狀液只要達到流動時分散就夠了，要求加水量不能太小，太小形不成連續(xù)相為水的乳狀液，稠油分散效果會變差；但加水量也不能太大，太大后處理麻煩、成本高、現(xiàn)場產(chǎn)油量將減少。綜合考慮，對魯克沁稠油的油水比控制在（2∶8）～（6∶4）比較合適。

2.3 Na2CO3 濃度對稠油乳狀液黏度的影響

Na2CO3改變稠油流動能力的機理主要是通過自身水解反應(yīng)生成OH-改變地層水的pH 值，使得稠油中的環(huán)烷酸、瀝青酸等石油酸與之發(fā)生化學反應(yīng)，同時可能會產(chǎn)生一些具有表面活性的石油酸鹽[21]，同時使得膠質(zhì)瀝青質(zhì)分子帶上負電荷，使得聚集體在分子電荷排斥的作用下分散，還可以破壞掉有機酸中一些由羧基所形成的氫鍵，增強表面活性劑分子的氫鍵從聚集體中爭奪膠質(zhì)瀝青質(zhì)分子的能力，從而降低稠油乳狀液黏度[22]。除此之外這些石油酸鹽也有助于降低界面張力（IFT），IFT 的降低有助于提高表面活性劑的乳化能力[23－24]。并且在加入堿之后，堿可以將吸附機制從多層吸附改變?yōu)閱螌游?，這將減少表面活性劑被多孔介質(zhì)的吸附，堿的另一個作用是降低表面的正電荷，從而減少表面活性劑分子被正電荷吸引或吸附[25－26]。Na2CO3與稠油中的有機酸發(fā)生的反應(yīng)如下[27]：

在上述最佳濃度為1 000 mg/L 的表面活性劑溶液中加入不同濃度的Na2CO3混合溶液，在不同濃度的Na2CO3和表面活性劑的混合溶液與稠油混合攪拌后在地層溫度條件下反應(yīng)3 d（放置恒溫箱中），稠油乳狀液黏度隨Na2CO3濃度的變化見圖3?？梢钥闯鯪a2CO3與表面活性劑在稠油降黏中起協(xié)同作用。

圖3 Na2CO3 濃度對稠油乳狀液黏度的影響

從圖3 可以看出，地層水配制的混合溶液在不加Na2CO3時的稠油乳狀液黏度為82 mPa·s，在Na2CO3濃度為300 mg/L 時，稠油乳狀液黏度為52 mPa·s，此時稠油乳狀液黏度降至最低，這也說明適量的Na2CO3和表面活性劑在稠油降黏中起協(xié)同作用。

Na2CO3濃度為100 mg/L 時，稠油乳狀液黏度相比不加Na2CO3時不降反升，是因為Na2CO3濃度較低，與稠油中的有機酸發(fā)生（1）～（3）的反應(yīng)，產(chǎn)生的羧酸根離子會占據(jù)油水界面膜上位置，破壞界面膜穩(wěn)定狀態(tài)，使得界面張力升高，從而導致稠油乳狀液黏度升高。在Na2CO3濃度為300 mg/L 時，稠油中的羧酸幾乎完全與堿反應(yīng)生成可電離的羧酸鹽，使得油滴表面的負電荷密度達到最大，此時整個體系的穩(wěn)定性最佳，此時Na2CO3與表面活性劑的協(xié)同作用最佳。隨著Na2CO3濃度繼續(xù)增大，體系中的負電荷增加，界面膜穩(wěn)定性變差，促使小液滴聚并成大液滴[28]。使得剪切阻力變大，從而稠油乳狀液黏度升高。

用清水配制的混合溶液，當Na2CO3濃度在0～500 mg/L 時，黏度變化規(guī)律與上述大致相同，Na2CO3濃度大于500 mg/L 時，稠油乳狀液黏度降低平緩，由于Na2CO3只能與部分有機酸發(fā)生反應(yīng)，堿-表面活性劑協(xié)同作用達到最大。高礦化度的地層水對堿的降黏效果有一定影響，考慮到現(xiàn)場實際應(yīng)用，高濃度的堿溶液容易引起儲層敏感性，導致儲層中產(chǎn)生沉淀堵塞流動通道，對施工儀器和管柱都有腐蝕作用。選擇300 mg/L濃度的Na2CO3和1 000 mg/L 濃度的表面活性劑溶液，對魯克沁稠油降黏開采有很好的效果。

2.4 剪切時間對稠油乳狀液黏度的影響

為探究剪切時間與稠油乳狀液黏度的關(guān)系，選用了前面最佳濃度為1 000 mg/L 的表面活性劑溶液和最佳濃度為1 000 mg/L 的表面活性劑+最佳Na2CO3濃度為300 mg/L 的混合溶液分別配制乳狀液，在40 min的剪切時間下，稠油乳狀液黏度的變化情況見圖4。

從圖4 可以看出，在一開始時，1 000 mg/L 的表面活性劑溶液的稠油乳狀液黏度為121 mPa·s，1 000 mg/L的表面活性劑溶液+濃度為300 mg/L Na2CO3溶液的稠油乳狀液黏度為108 mPa·s，在未剪切時，稠油的降黏率已經(jīng)大于57.7%。在剪切開始前10 min，稠油乳狀液黏度迅速下降至50 mPa·s 左右，在剪切15 min 后，稠油乳狀液黏度下降極其緩慢，可認為稠油乳狀液黏度已降至最低值（44 mPa·s），稠油的降黏率已經(jīng)達到85%。從剪切時間15 min 至40 min 這段時間里，稠油乳狀液性質(zhì)已類似于牛頓流體，黏度趨于穩(wěn)定。

圖4 剪切時間對稠油乳狀液黏度的影響

3 結(jié)論

（1）表面活性劑濃度存在最佳值1 000 mg/L，在此表面活性劑濃度下，能對膠質(zhì)瀝青質(zhì)聚集體起到足夠的分散作用，使得稠油乳狀液黏度極大降低。

（2）隨著油水比增大，稠油乳狀液黏度增大。綜合考慮現(xiàn)場應(yīng)用條件，對魯克沁稠油的油水比在（2∶8）～（6∶4）比較合適，使用范圍較廣。

（3）堿能有效的降低稠油乳狀液黏度，合適的堿濃度與表面活性劑在稠油降黏中起協(xié)同作用，在濃度為300 mg/L Na2CO3條件下，既能有效的減少表面活性劑的表面吸附，也能保證表面活性劑在油水界面的穩(wěn)定性，從而使得稠油乳狀液黏度極大降低。

（4）在長時間的剪切下，稠油乳狀液黏度會在一定剪切時間后達到平衡值不再大幅度變化，此時稠油乳狀液的性質(zhì)類似于牛頓流體，黏度值趨于穩(wěn)定。最終，濃度1 000 mg/L 的表面活性劑溶液的稠油乳狀液黏度為58 mPa·s，濃度1 000 mg/L 的表面活性劑+濃度為300 mg/L Na2CO3的稠油乳狀液黏度為44 mPa·s，降黏率達到了85%。