含蠟原油及其乳狀液體系微觀結(jié)構(gòu)觀測(cè)的新方法

趙健，卓澤文，董航，高文健

（1 東北石油大學(xué)石油工程學(xué)院，黑龍江 大慶 163711；2 長慶油田第六采油廠，陜西 西安 710014）

目前，石油在世界能源消費(fèi)中仍高居首位。2021 年，中國原油產(chǎn)量達(dá)1.99 億噸，與2020 年相比增長2.4%[1]。隨常規(guī)石油資源儲(chǔ)量降低，含蠟原油的高效開發(fā)和安全經(jīng)濟(jì)儲(chǔ)運(yùn)對(duì)保障我國能源穩(wěn)定供應(yīng)具有重要意義。但對(duì)于含蠟原油而言，隨溫度降低，蠟結(jié)晶析出，并進(jìn)一步形成聚集甚至絮凝結(jié)構(gòu)，顯著惡化體系的流動(dòng)性[2]，使含蠟原油集輸、儲(chǔ)存和管道運(yùn)輸成本顯著升高。含蠟原油流變性規(guī)律和機(jī)理研究不但可以為實(shí)際工程上含蠟原油集輸和管輸工藝方案制定提供參考依據(jù)，也可為進(jìn)一步高效降凝技術(shù)研發(fā)奠定理論基礎(chǔ)。

隨溫度降低，原油中析出蠟晶及其進(jìn)一步發(fā)展的結(jié)構(gòu)是導(dǎo)致含蠟原油流動(dòng)性惡化的根本原因[3-4]。近年來，大量學(xué)者采用不同方法對(duì)含蠟原油中的蠟晶結(jié)構(gòu)進(jìn)行了系統(tǒng)研究。差示掃描量熱法是根據(jù)結(jié)晶過程的熱效應(yīng)來研究石蠟結(jié)晶特性的一種方法[5-9]，基于此方法可以獲得原油的析蠟點(diǎn)（WAT）和含蠟量等數(shù)據(jù)。此外，流變測(cè)量方法[10-11]、小角中子散射、X 射線散射[12-13]、動(dòng)態(tài)光散射[14]和核磁共振技術(shù)[15]也是研究原油中石蠟結(jié)晶的有效實(shí)驗(yàn)技術(shù)。但相對(duì)而言，利用偏光顯微鏡[16-19]進(jìn)行觀察是研究蠟晶微觀形態(tài)和結(jié)構(gòu)的最經(jīng)濟(jì)、有效方法。Yi等[20]對(duì)加入降凝劑前后的蠟晶形態(tài)變化進(jìn)行了顯微觀察，根據(jù)蠟晶的微觀圖像，確定了蠟晶分形維數(shù)。Bai 等[21]研究了蠟晶的碳數(shù)分布對(duì)含蠟原油屈服應(yīng)力的影響，并利用偏光顯微鏡觀察了蠟晶的形態(tài)和結(jié)構(gòu)。孟凡怡等[22]通過用偏光顯微鏡觀察了加入復(fù)配菌株前后蠟晶微觀形貌的改變及聚集趨勢(shì)。姚博等[23-25]制備了多種類型的納米復(fù)合型降凝劑，研究了其對(duì)含蠟原油的形態(tài)結(jié)構(gòu)和流變性的影響，并通過差示掃描量熱儀（DSC）和偏光顯微鏡等實(shí)驗(yàn)裝置考察加劑前后原油的結(jié)晶特性和蠟晶形貌的變化，得到了不同類型降凝劑對(duì)蠟晶的作用機(jī)理。針對(duì)剪切對(duì)蠟晶微觀結(jié)構(gòu)的影響規(guī)律問題。Petter[26]認(rèn)為含蠟原油具有弱結(jié)構(gòu)和強(qiáng)結(jié)構(gòu)，弱結(jié)構(gòu)在低剪切作用下被破壞，構(gòu)造恢復(fù)差，并且剪切速率越高，含蠟原油結(jié)構(gòu)的恢復(fù)率越高。Webber[27]認(rèn)為，剪切主要影響蠟晶的整體結(jié)構(gòu)，但不影響蠟晶的形態(tài)和尺寸分布。夏惠芳等[28]研究了低速剪切影響原油降凝劑（PPD）處理含蠟原油低溫流動(dòng)性的機(jī)理，并利用偏光顯微鏡觀察了施加剪切后蠟晶的微觀形態(tài)。出于實(shí)際工程需要和理論研究?jī)r(jià)值，部分學(xué)者以W/O型含蠟原油乳狀液的微觀結(jié)構(gòu)作為研究對(duì)象，仍舊以顯微觀測(cè)技術(shù)對(duì)體系的微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，同樣獲得了豐富的發(fā)現(xiàn)[29-35]。黃啟玉等[29]通過顯微鏡觀察并拍攝原油乳狀液的微觀結(jié)構(gòu)圖像，研究了乳狀液體系分散相液滴大小及分布規(guī)律，以及微觀液滴分布對(duì)乳狀液體系流變性的影響機(jī)理。孫廣宇等[31]采用偏光顯微鏡拍攝乳狀液圖片，通過統(tǒng)計(jì)分析獲得不同含水率條件下平均粒徑大致相同的乳狀液。Fan 等[33]和劉揚(yáng)等[34]利用偏光和透射光相結(jié)合的方法分別獲得液滴和蠟晶的顯微圖像，通過對(duì)圖像進(jìn)行分割、拼接等操作實(shí)現(xiàn)了對(duì)蠟晶和液滴的同步研究，以此建立微觀與宏觀之間的聯(lián)系。

盡管已有關(guān)于蠟晶微觀形貌和結(jié)構(gòu)的研究獲得了豐富的成果，但目前關(guān)于蠟晶微觀形貌的認(rèn)識(shí)并不一致，無法完全解釋含蠟原油及其乳狀液體系復(fù)雜流變性的微觀機(jī)制。其中，顯微觀測(cè)儀器和方法的差異可能是造成這一問題的主要原因。因此，本文采用MCR 702模塊化流變儀（奧地利，Anton Paar），并基于該儀器的流變-顯微同步測(cè)量技術(shù)，通過對(duì)光源進(jìn)行改造，構(gòu)建集成偏光和透射光的復(fù)合型光源，對(duì)含蠟原油及其乳狀液體系在靜態(tài)和動(dòng)態(tài)剪切條件下的微觀結(jié)構(gòu)變化進(jìn)行觀測(cè)，為了說明本文采用的顯微觀測(cè)方法的觀測(cè)特點(diǎn)，以不同初冷溫度下含蠟原油微觀結(jié)構(gòu)的觀測(cè)結(jié)果、動(dòng)態(tài)剪切條件下蠟晶的微觀形貌變化，以及W/O 型含蠟原油乳狀液膠凝過程的微觀結(jié)構(gòu)變化為例，對(duì)新構(gòu)建的顯微觀測(cè)方法的優(yōu)缺點(diǎn)和技術(shù)優(yōu)勢(shì)進(jìn)行了分析，以期為含蠟原油及其乳狀液體系復(fù)雜流變性規(guī)律的微觀機(jī)制研究提供新的技術(shù)手段。

1 材料和方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

實(shí)驗(yàn)油樣選用大慶原油、塔木察格原油、呼倫貝爾原油，均為典型的含蠟原油，表1 展示了3 種原油基本物理屬性。其中，原油析蠟點(diǎn)是按照SY/T 0545—2012，以差示掃描量熱法測(cè)量得到。凝點(diǎn)是按照規(guī)范ASTM D5853—11，以凝點(diǎn)測(cè)試儀測(cè)量得到。飽和烴、芳香烴、膠質(zhì)和瀝青質(zhì)含量是按照規(guī)范SY/T 5119—2016，以柱分離法測(cè)量得到。

表1 3種原油基本物性

1.2 流變-原位顯微同步測(cè)量系統(tǒng)

實(shí)驗(yàn)所用儀器為MCR 702模塊化流變儀（奧地利，Anton Paar），其配備了原位的顯微觀測(cè)模塊，可對(duì)原油樣品的宏觀流變性和微觀結(jié)構(gòu)變化進(jìn)行同步觀測(cè)，該實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。實(shí)驗(yàn)儀器采用43mm平行板測(cè)量系統(tǒng)，測(cè)量轉(zhuǎn)子（上平板）和載物臺(tái)（下平板）均為透明石英玻璃材質(zhì)，以便于顯微觀測(cè)。測(cè)量間隙可調(diào)，通過實(shí)驗(yàn)嘗試后可以獲得最佳的流變測(cè)量和顯微觀測(cè)結(jié)果。偏光顯微模塊位于載物臺(tái)下方，其采用20倍物鏡、30.9mm焦距，具備光學(xué)補(bǔ)償功能，可達(dá)到0.7μm的分辨率和1.6μm的景深。配備了加拿大Lumenera公司的2/3英寸CCD相機(jī)，視野范圍440μm×330μm。光源采用150W無影冷光源，其和顯微鏡集成，從載物臺(tái)底部垂直照亮樣品，經(jīng)過反射后被顯微鏡捕獲并拍攝顯微圖像。由于含蠟原油本身透光性較差，為了提高觀測(cè)質(zhì)量，在樣品上部額外增加一光源照射樣品，使其和儀器配套光源一起構(gòu)成多角度復(fù)合型光源。進(jìn)而通過將反射和投射光結(jié)合、偏光和自然光相復(fù)合，獲取更佳的顯微拍攝質(zhì)量。由于顯微模塊可移動(dòng)，從而可以觀測(cè)樣品內(nèi)不同位置的微觀結(jié)構(gòu)，擴(kuò)大觀測(cè)視域范圍。雖然測(cè)量系統(tǒng)直接獲得的是二維顯微圖像，但通過對(duì)蠟晶運(yùn)動(dòng)過程視頻的拍攝和序列圖像處理，可以識(shí)別出剪切流場(chǎng)中蠟晶在三維空間內(nèi)的動(dòng)態(tài)運(yùn)動(dòng)行為和排列結(jié)構(gòu)變化，其承受剪切作用時(shí)的結(jié)構(gòu)和形態(tài)演變也可以被原位識(shí)別到。

圖1 實(shí)驗(yàn)裝置

測(cè)量系統(tǒng)的溫控單元包括兩部分，均采用帕爾貼溫控原理，一部分集成在載物臺(tái)從油樣底部控制其溫度（P-PTD 200/GL），另一部分集成在保護(hù)頂蓋用于罩住樣品（H-PTD 200/GL）。兩設(shè)備均可獨(dú)立控制，以消除油樣內(nèi)部的溫度梯度，提高控溫精度。溫控單元的控制范圍為-20～200℃。最大加熱速率和冷卻速率分別為30℃/min 和20℃/min。此外，保護(hù)頂蓋可將實(shí)驗(yàn)油樣與外部大氣隔離，從而防止輕烴揮發(fā)。

1.3 實(shí)驗(yàn)步驟和分析方法

針對(duì)經(jīng)過預(yù)處理的實(shí)驗(yàn)油樣，本文涉及的實(shí)驗(yàn)過程包括三部分。

（1）不同初始冷卻溫度下含蠟原油的微觀結(jié)構(gòu)研究。在實(shí)驗(yàn)前，已經(jīng)明確3種實(shí)驗(yàn)油樣的惡化初冷溫度和較優(yōu)初冷溫度，具體結(jié)果見表2。

表2 不同實(shí)驗(yàn)油樣的惡化和較優(yōu)初冷溫度

為了展示不同初始冷溫度下含蠟原油的微觀結(jié)構(gòu)變化，設(shè)定了如下實(shí)驗(yàn)步驟。① 將實(shí)驗(yàn)油樣加熱至惡化或較優(yōu)初冷溫度，而后恒溫靜置10min。② 將流變儀預(yù)熱至實(shí)驗(yàn)的初始冷卻溫度，并保持恒溫狀態(tài)。③ 快速選取少量實(shí)驗(yàn)油樣加入至流變儀的下平板（載物臺(tái)），而后恒溫10min。④ 按照0.5℃/min 的降溫速率將油樣降至終冷溫度。對(duì)于大慶原油，選擇30℃作為終冷溫度，呼倫貝爾原油，選擇20℃作為終冷溫度，對(duì)于塔木察格原油，選擇30℃作為終冷溫度。⑤ 降溫同時(shí)，以原位顯微的觀測(cè)系統(tǒng)對(duì)油樣的內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行觀測(cè)，并通過CCD相機(jī)記錄蠟晶微觀形貌的變化過程。⑥ 根據(jù)獲得的顯微視頻，按照研究對(duì)象需要，采用Adobe Premiere等視頻處理軟件在實(shí)驗(yàn)拍攝的視頻中截取關(guān)鍵幀，得到原始顯微圖像采用自適應(yīng)色階去霧法對(duì)圖像三類像素點(diǎn)（R,G,B）進(jìn)行調(diào)整，提高圖像的色彩豐滿度和精細(xì)度，再利用像素點(diǎn)線性處理法調(diào)整整體的亮度和對(duì)比度；隨后對(duì)圖像進(jìn)行中值濾波處理，從而提高對(duì)蠟晶的識(shí)別準(zhǔn)確度；完成對(duì)蠟晶顯微圖像的優(yōu)化后，對(duì)圖像進(jìn)行閾值分割，利用高反差保留法對(duì)圖像中蠟晶的微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行刻畫，將高反差保留圖與優(yōu)化圖像進(jìn)行疊加后，利用最大熵閾值分割法對(duì)圖像進(jìn)行閾值分割。

此外，為了與常用的偏光顯微鏡觀測(cè)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，針對(duì)相同的實(shí)驗(yàn)油樣，同時(shí)采用尼康ECLIPSELV-100NPOL 型偏光顯微成像系統(tǒng)對(duì)蠟晶的微觀形貌進(jìn)行觀測(cè)，以Image J 軟件對(duì)拍攝的顯微圖像進(jìn)行閾值分割，并通過軟件對(duì)蠟晶進(jìn)行定量識(shí)別，得到數(shù)據(jù)以進(jìn)行對(duì)比分析。

（2）剪切作用下蠟晶微觀形貌的顯微觀測(cè)。選取呼倫貝爾原油作為實(shí)驗(yàn)樣品，以初始冷卻溫度70℃，按照0.5℃/min 的降溫速率令油樣降低至測(cè)量溫度40℃和30℃，而后以剪切速率0.5s-1、2s-1和5s-1對(duì)油樣依次施加逐漸剪切作用，每一剪切作用恒定30min，當(dāng)油樣的流變數(shù)據(jù)達(dá)到穩(wěn)定后，拍攝其承受剪切作用時(shí)的顯微圖像，以代表原位拍攝剪切作用下的蠟晶顯微結(jié)果。與此同時(shí)，按相同實(shí)驗(yàn)條件進(jìn)行一組對(duì)照實(shí)驗(yàn)，但在對(duì)油樣施加每一剪切作用至流變數(shù)據(jù)達(dá)到穩(wěn)定后，瞬時(shí)令剪切速率降低至0.5s-1，快速拍攝剪切速率突降后的顯微圖像，以代表離線觀測(cè)剪切作用下的蠟晶顯微結(jié)果，而后恢復(fù)既定的剪切速率進(jìn)行后續(xù)實(shí)驗(yàn)。

（3）W/O型含蠟原油乳狀液膠凝體系的顯微觀測(cè)結(jié)果。采用機(jī)械攪拌的方式制備乳狀液，攪拌器為德國IKA 公司生產(chǎn)的IKA RW20 Digital 型攪拌器，選用四葉片斜槳，轉(zhuǎn)速精度為0.01r/min；采用美國賽默飛世爾公司的SC/AC-S型恒溫水浴，溫控精度為0.01℃。本文在配制原油乳狀液過程中沒有添加額外的乳化劑，依靠原油內(nèi)部的天然乳化劑成分來保持乳狀液的穩(wěn)定性。具體做法是：將經(jīng)過預(yù)處理的呼倫貝爾原油與純凈水放置于恒溫箱內(nèi)，令其溫度升高至70℃并恒溫靜置2h，以保證原油中的蠟晶充分溶解，體系流動(dòng)性恢復(fù)。待樣品內(nèi)溫度均勻穩(wěn)定后，按預(yù)定體積比例量取原油和純凈水，分別置于不同燒杯中，將燒杯密封后放置于50℃的恒溫水浴內(nèi)，待油水溫度均達(dá)到50℃后將純凈水一次性倒入原油燒杯中。選用機(jī)械攪拌的方式對(duì)油水混合體系進(jìn)行攪拌，經(jīng)過多次實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，選擇攪拌速率為1000r/min，攪拌時(shí)間為15min。制備好乳狀液后，選取少量將其迅速轉(zhuǎn)移至經(jīng)過相同溫度預(yù)熱的流變儀載物臺(tái)上，而后令流變儀以0.5℃/min 的速率對(duì)實(shí)驗(yàn)樣品進(jìn)行靜態(tài)冷卻，同步以顯微鏡獲得乳狀液體系的微觀結(jié)構(gòu)變化圖像。

2 結(jié)果與討論

2.1 不同初冷溫度下的蠟晶微觀形貌

對(duì)于初始冷卻溫度影響含蠟原油流變性和蠟晶微觀形貌的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，已有學(xué)者進(jìn)行了較為系統(tǒng)的研究[36-38]，一般認(rèn)為，含蠟原油存在惡化初始冷卻溫度和較優(yōu)初始冷卻溫度，顯微觀測(cè)結(jié)果可以對(duì)該流變性表現(xiàn)的微觀機(jī)理加以說明。圖2為采用本文新構(gòu)建的顯微觀測(cè)方法獲得的惡化初冷溫度下的蠟晶顯微圖像；圖3為采用偏光顯微鏡觀測(cè)的相同條件下的顯微圖像。

圖2 流變-顯微同步測(cè)量技術(shù)獲得的惡化初冷溫度下結(jié)果

圖3 常規(guī)偏光顯微鏡獲得的惡化初冷溫度下結(jié)果

為了消除圖像中噪聲對(duì)定量分析結(jié)果的干擾，上組圖的定量識(shí)別中只保留了大于10個(gè)像素（1μm2）的顆粒[39]。此外，對(duì)于圖上蠟晶的定量分析，考慮到兩種觀測(cè)方法的視域大小不同，所以需要對(duì)蠟晶數(shù)量進(jìn)行換算，以保證能夠?qū)ο嗤曈蚍秶鷥?nèi)的蠟晶結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，換算后的蠟晶數(shù)量識(shí)別結(jié)果具體如圖4、圖5所示。

圖4 兩種觀測(cè)方法下蠟晶數(shù)量及粒徑分布的對(duì)比

圖5 呼倫貝爾原油兩種觀測(cè)方法下1～2μm蠟晶的分形維數(shù)

圖4(a)展示的是兩種觀測(cè)方法下，隨溫度降低視域內(nèi)蠟晶數(shù)量的變化情況。從圖中可以發(fā)現(xiàn)，采用本文方法拍攝的3種原油的蠟晶數(shù)量明顯高于偏光顯微鏡結(jié)果，兩者相差近70%。通過顯微觀測(cè)出的蠟晶數(shù)量越多，越能真實(shí)體現(xiàn)原油的微觀結(jié)構(gòu)特征，這是獲得準(zhǔn)確顯微結(jié)果的基礎(chǔ)。進(jìn)一步，通過對(duì)不同溫度下，蠟晶粒徑分布數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)，造成兩種觀測(cè)方法蠟晶數(shù)量差異的原因主要在于對(duì)粒徑在1～3μm 蠟晶的識(shí)別精度上。本文觀測(cè)方法識(shí)別出的該范圍內(nèi)的小尺寸蠟晶數(shù)量明顯更多。但對(duì)于粒徑大于6μm 的大尺寸蠟晶，偏光顯微鏡的觀測(cè)結(jié)果要更多。綜合這一情況可知：一方面對(duì)于分散的小尺寸蠟晶，采用本文觀測(cè)方法獲得的識(shí)別結(jié)果更佳；另一方面，對(duì)于部分間距較小的蠟晶，當(dāng)采用常規(guī)偏光顯微鏡觀測(cè)時(shí)，有可能將其看作一個(gè)整體的蠟晶，而增加大尺寸蠟晶的觀測(cè)數(shù)量，減少小尺寸的蠟晶數(shù)量，這也是造成該數(shù)據(jù)結(jié)果的原因。為了進(jìn)一步探究流變-顯微同步測(cè)量技術(shù)對(duì)較小粒徑的蠟晶的觀測(cè)優(yōu)勢(shì)，通過MATLAB 軟件篩選出兩種觀測(cè)方法下1～2μm 的蠟晶顆粒，并對(duì)其進(jìn)行分形維數(shù)的分析。通過分析結(jié)果（圖5）可以看出，在各個(gè)觀測(cè)溫度下，流變-顯微同步測(cè)量技術(shù)觀測(cè)下呼倫貝爾原油中粒徑為1～2μm蠟晶的分形維數(shù)均大于偏光顯微鏡觀測(cè)得到的，這表明在較小尺寸蠟晶的觀測(cè)中，通過流變-顯微同步測(cè)量技術(shù)可以獲得更為全面的蠟晶結(jié)構(gòu)信息。由于本文的顯微觀測(cè)方法采用了改進(jìn)的復(fù)合光源，并從多個(gè)不同角度照射蠟晶，再加之顯微鏡本身更好的景深，使得對(duì)蠟晶的識(shí)別精度有所提高，其邊界輪廓的刻畫更為精確，最終使得識(shí)別出的蠟晶數(shù)量和個(gè)體特征更為準(zhǔn)確。而對(duì)于惡化初始冷卻溫度下降溫形成的蠟晶，其尺寸小、數(shù)量多、反光性能差，不易于被觀測(cè)，新的觀測(cè)方法對(duì)于該種條件下形成蠟晶的觀測(cè)優(yōu)勢(shì)更為明顯。同時(shí)，也將較優(yōu)初始冷卻溫度下觀測(cè)結(jié)果展示如圖6所示。

圖6 在較優(yōu)初冷溫度下呼倫貝爾原油在降溫過程中蠟晶顯微序列圖像

如圖6所示，此溫度下，蠟晶對(duì)光源的反射效果最好，使得蠟晶的識(shí)別效果顯著提高。隨溫度降低單體蠟晶尺寸最大，形態(tài)最規(guī)則，從空間分布來看，此時(shí)相鄰的蠟晶間距最大，分散度最高，這都有利于提高對(duì)蠟晶形態(tài)結(jié)構(gòu)的顯微觀測(cè)質(zhì)量。

從圖7中可以發(fā)現(xiàn)，采用本文方法觀測(cè)到的呼倫貝爾原油在較優(yōu)初冷溫度下的蠟晶數(shù)量仍高于偏光顯微鏡的觀測(cè)結(jié)果，兩者相差近100%。進(jìn)一步，對(duì)不同溫度下蠟晶粒徑分布數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)，造成兩種觀測(cè)方法蠟晶數(shù)量差異的原因仍主要在于對(duì)粒徑在1～3μm蠟晶的識(shí)別精度上，這與在惡化加熱溫度下蠟晶粒徑分布數(shù)據(jù)規(guī)律一致。但在11～15μm較大粒徑分布數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)中發(fā)現(xiàn)，采用偏光顯微鏡觀測(cè)到的蠟晶數(shù)量要遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于流變-顯微同步測(cè)量技術(shù)觀測(cè)到的，平均為流變-顯微同步測(cè)量技術(shù)觀測(cè)到蠟晶數(shù)量的6.8 倍，偏光顯微鏡識(shí)別出了更多的大尺寸顆粒，而流變-顯微同步測(cè)量技術(shù)識(shí)別出的小尺寸顆粒更多?？紤]到兩種顯微觀測(cè)方法的差異，這種差別主要是對(duì)蠟晶邊緣輪廓的識(shí)別精度不同造成的，經(jīng)過改進(jìn)光源和圖像優(yōu)化處理后，流變-顯微同步測(cè)量技術(shù)能夠更為準(zhǔn)確地識(shí)別出蠟晶的邊緣輪廓，尤其對(duì)于距離很近的蠟晶，可以將其識(shí)別為不同的小顆粒，而不是作為一個(gè)整體被看作是一個(gè)大顆粒，從而降低了大顆粒的識(shí)別數(shù)量，增加了小顆粒的識(shí)別數(shù)量，這也體現(xiàn)了流變-顯微同步測(cè)量技術(shù)對(duì)于聚集蠟晶識(shí)別的優(yōu)勢(shì)。

圖7 較優(yōu)初冷溫度時(shí)兩種觀測(cè)方法下蠟晶數(shù)量及粒徑分布的對(duì)比

根據(jù)文獻(xiàn)[38]的研究，蠟晶邊緣間距對(duì)其相互作用力和結(jié)構(gòu)性質(zhì)具有重要影響，因此對(duì)不同觀測(cè)方法下，不同初冷溫度時(shí)獲得的蠟晶邊緣間距數(shù)值進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果如圖8～圖10所示。

圖8 惡化初冷溫度下結(jié)果

由圖8 和圖9 中數(shù)據(jù)可知，兩種觀測(cè)方法下獲得的較優(yōu)初冷溫度下蠟晶邊緣間距均大于惡化初冷溫度下的蠟晶邊緣間距，這說明蠟晶邊緣間距與體系宏觀流變性間存在顯著的關(guān)聯(lián)性。結(jié)合理論分析可知，蠟晶邊緣間距越大，蠟晶間相互作用越弱，且其在剪切作用下相互接觸和黏附的頻率越低，更不易于形成空間網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，從而可以改善體系的流變性，反之亦然。此外，圖8表明，在惡化初始冷卻溫度下，新觀測(cè)方法獲得的蠟晶邊緣間距更小，更能體現(xiàn)體系內(nèi)致密的蠟晶結(jié)構(gòu)。而圖9中，新觀測(cè)方法獲得的蠟晶邊緣間距更大，則與較優(yōu)冷卻溫度下蠟晶間具有相對(duì)更弱的相互作用，進(jìn)而導(dǎo)致體系流變性改善的分析結(jié)論相符。圖10 展示的是兩種初冷溫度下觀測(cè)的蠟晶邊緣間距差值。由圖可知，在不同測(cè)量溫度下，新觀測(cè)方法識(shí)別出的蠟晶邊緣間距差值都更大，更能體現(xiàn)惡化和較優(yōu)初冷溫度下的蠟晶微觀結(jié)構(gòu)差異，這與兩種初冷溫度下原油流變性具有較大的差異更相符。

圖9 較優(yōu)初冷溫度下結(jié)果

圖10 惡化和較優(yōu)初冷溫度下的蠟晶邊緣距差值隨觀測(cè)溫度的變化

2.2 剪切作用下蠟晶微觀形貌的顯微觀測(cè)

目前，已有學(xué)者對(duì)剪切作用下的蠟晶微觀形貌進(jìn)行了研究，但所采用方法多是離線觀測(cè)，即首先對(duì)實(shí)驗(yàn)油樣施加剪切作用，而后取樣制片在顯微鏡中進(jìn)行觀測(cè)。該種方法在制片過程中不可避免地引入了額外的剪切和熱歷史影響，導(dǎo)致觀測(cè)結(jié)果存在一定的誤差，且顯微觀測(cè)的是經(jīng)歷剪切后的蠟晶形貌，無法體現(xiàn)蠟晶承受剪切作用時(shí)的微觀形貌變化。本文所采用的實(shí)驗(yàn)方法可以在對(duì)油樣施加剪切作用同時(shí)，原位觀測(cè)其內(nèi)部蠟晶的微觀形貌，并可有效規(guī)避制片帶來的誤差。為了對(duì)比說明剪切作用下的原位觀測(cè)和剪切后觀測(cè)結(jié)果的差異，針對(duì)同一油樣，采用了兩種實(shí)驗(yàn)方法。一種是在剪切同時(shí)，原位拍攝蠟晶運(yùn)動(dòng)時(shí)的顯微圖像（結(jié)果如圖11）；另一種是在剪切達(dá)到穩(wěn)定后，迅速降低剪切速率，拍攝承受剪切作用后的顯微圖像（結(jié)果如圖12）。

圖11 不同剪切速率下呼倫貝爾原油中原位蠟晶顯微圖像（圖中紅色箭頭為流場(chǎng)方向）

圖12 突降至0.5s-1剪切速率時(shí)的顯微圖像（圖中紅色箭頭為流場(chǎng)方向）

由上兩組顯微圖像可見，承受剪切時(shí)和剪切后的蠟晶微觀形貌、排列狀態(tài)和空間分布都存在顯著差異。承受剪切作用時(shí)，視域內(nèi)觀察到的蠟晶結(jié)構(gòu)較為規(guī)則，多為圓棒狀，蠟晶聚集體數(shù)量較少，蠟晶具有較強(qiáng)的隨流場(chǎng)運(yùn)動(dòng)方向的取向性。剪切作用后，蠟晶分支結(jié)構(gòu)較為明顯，結(jié)構(gòu)復(fù)雜度較高，蠟晶聚集體數(shù)量明顯增多，且排列較為隨機(jī)。

由于含蠟原油的流變性是通過其在承受剪切作用時(shí)的形變量予以體現(xiàn)，因此，經(jīng)受剪切時(shí)的蠟晶微觀形貌與體系的流變性應(yīng)具有更為直接的關(guān)聯(lián)。為此，對(duì)上述圖像進(jìn)行了定量分析，得到不同條件下蠟晶與流場(chǎng)方向夾角、分形維數(shù)和總數(shù)量等微觀形貌參數(shù)隨剪切速率的變化曲線（圖13），并同時(shí)將不同剪切速率下的黏度數(shù)據(jù)也一并在圖中列出。此外，為了對(duì)蠟晶微觀參數(shù)和體系黏度數(shù)據(jù)的關(guān)聯(lián)性進(jìn)行定量分析，以灰色關(guān)聯(lián)方法對(duì)兩種實(shí)驗(yàn)條件下獲得的微觀數(shù)據(jù)與體系宏觀流變性的關(guān)聯(lián)性進(jìn)行了對(duì)比，結(jié)果見表3。

圖13 動(dòng)態(tài)剪切下和剪切突降至0.5s-1時(shí)蠟晶微觀參數(shù)和黏度的變化

表3 不同溫度下蠟晶微觀特征參數(shù)與原油流變性的灰色關(guān)聯(lián)度

由以上結(jié)果可知，蠟晶微觀特征參數(shù)與原油黏度數(shù)據(jù)間存在顯著關(guān)聯(lián)，相比于剪切后的蠟晶定量參數(shù)，剪切時(shí)的蠟晶微觀參數(shù)與體系黏度數(shù)據(jù)的變化規(guī)律更趨向一致。隨剪切速率增大，蠟晶及其聚集體的運(yùn)動(dòng)速度加快，向流場(chǎng)的取向性增強(qiáng)。反映在定量數(shù)據(jù)上看，剪切作用時(shí)得到的蠟晶與流場(chǎng)方向的夾角隨剪切速率顯著下降，分形維數(shù)顯著降低，數(shù)量減少。這些都是蠟晶及其聚集體受到流場(chǎng)作用的體現(xiàn)。流場(chǎng)剪切作用一方面驅(qū)動(dòng)蠟晶向其取向性增強(qiáng)，同時(shí)令蠟晶在垂直于流場(chǎng)方向的截面積減小，以降低其對(duì)流場(chǎng)的阻力，這樣就導(dǎo)致了蠟晶分形維數(shù)的減小，形態(tài)的復(fù)雜度降低。同時(shí)，流場(chǎng)的剪切作用也會(huì)促使蠟晶更為分散，規(guī)則排列。相對(duì)而言，剪切作用停止后，蠟晶微觀形貌發(fā)生很大變化。從定量數(shù)據(jù)上看，蠟晶與流場(chǎng)的取向性明顯減弱，導(dǎo)致蠟晶與流場(chǎng)方向夾角、分形維數(shù)和數(shù)量隨剪切速率增加都不再呈現(xiàn)規(guī)律性變化。因此，當(dāng)剪切作用停止后，蠟晶微觀參數(shù)與原油流變性的關(guān)聯(lián)性明顯減弱。表3的灰色關(guān)聯(lián)分析結(jié)果也證明了這一點(diǎn)，由表中結(jié)果可知，剪切作用時(shí)的蠟晶微觀參數(shù)與原油流變性的關(guān)聯(lián)性明顯更強(qiáng)，關(guān)聯(lián)度要更高。綜合以上分析可以確定，剪切作用下蠟晶微觀形貌的原位觀測(cè)結(jié)果對(duì)于揭示體系的流變性機(jī)制更有意義，有望獲得對(duì)含蠟原油復(fù)雜流變行為的更加深入認(rèn)識(shí)。

2.3 W/O 型含蠟原油乳狀液膠凝體系的顯微觀測(cè)結(jié)果

目前，已有較多對(duì)W/O 型含蠟原油乳狀液膠凝體系的微觀結(jié)構(gòu)研究成果。其中，仍主要以偏光顯微鏡的觀測(cè)結(jié)果居多，但由于蠟晶和乳化水滴具有不同的光學(xué)性質(zhì)，需要調(diào)整光照類型，以獲得蠟晶和乳化水滴的獨(dú)立觀測(cè)結(jié)果。此外，也有學(xué)者采用顆粒錄影顯微觀測(cè)系統(tǒng)（PVM）對(duì)乳狀液體系的微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行觀測(cè)，也獲得了一定的研究發(fā)現(xiàn)。在本文中，針對(duì)同一實(shí)驗(yàn)油樣（呼倫貝爾原油），分別采用偏光顯微鏡、PVM 和流變儀的同步測(cè)量系統(tǒng)對(duì)W/O 型含蠟原油乳狀液膠凝體系的微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行了顯微觀測(cè)，以對(duì)比分析不同實(shí)驗(yàn)技術(shù)的觀測(cè)結(jié)果，如圖14所示。

圖14 不同實(shí)驗(yàn)儀器對(duì)20%含水率的W/O型含蠟原油乳狀液觀測(cè)結(jié)果對(duì)比

如圖14所示，不同觀測(cè)技術(shù)都可以觀察到乳化液滴，且觀測(cè)到的液滴形態(tài)基本相似，但不同觀測(cè)技術(shù)得到的液滴空間分布和觀測(cè)效果相差較為明顯。偏光顯微鏡的觀測(cè)結(jié)果中，乳化液滴更為離散，且因制片原因，不少液滴被壓破致使形態(tài)有所改變，并且從圖像上能夠分辨出液滴分布在不同液層。

由于原油透光性較差，PVM 觀測(cè)視場(chǎng)較暗，觀測(cè)結(jié)果不夠清晰，但仍可以從圖像上中分辨出大量緊密分布的液滴。同時(shí)由于原位觀測(cè)，沒有液滴被破壞的情況出現(xiàn)，觀測(cè)到的液滴結(jié)構(gòu)也都較為完整，且具有一定的立體感。

流變-顯微同步測(cè)量技術(shù)觀測(cè)的結(jié)果中，乳化液滴結(jié)構(gòu)較為完整，沒有被壓破的情況出現(xiàn)。雖然在該項(xiàng)觀測(cè)技術(shù)中，當(dāng)將樣品加入載物臺(tái)后，需降低上平板高度對(duì)樣品施加一定的壓力，以形成一個(gè)較薄的液層。但由于此操作由儀器控制上平板下降高度及速率，以極為緩慢的速率改變樣品厚度，且樣品四周沒有約束，有充分的空間和時(shí)間向四周延展，避免了內(nèi)部結(jié)構(gòu)的破壞，可基本保持樣品的微觀形貌。此時(shí)乳化液滴的立體效果與PVM 觀測(cè)效果有一定的相似性，但視場(chǎng)更為明亮，觀測(cè)結(jié)果更清楚，這與額外增加光源有關(guān)。

從蠟晶的觀測(cè)效果來看，偏光顯微鏡通過改變偏光角度可以清楚觀測(cè)到蠟晶，且觀測(cè)效果較好，質(zhì)量較高，但不能在得到蠟晶圖像的同時(shí)，獲得乳化液滴的微觀形貌，從而無法確定兩種微觀單元間的相互作用、空間位置上的相對(duì)關(guān)系等。PVM由于沒有配套的偏光系統(tǒng)，所以不能從圖像上分辨出蠟晶的存在。流變-顯微同步測(cè)量技術(shù)增加了額外的光源，實(shí)現(xiàn)了不同類型光源的復(fù)合，并可以從不同角度同時(shí)照射樣品，從而可以同時(shí)識(shí)別到蠟晶和乳化液滴的存在，兩者的形態(tài)結(jié)構(gòu)、空間分布、相互作用和聚集表現(xiàn)都可以在圖像中被直觀地觀察到。由圖14可知，溫度降低至膠凝溫度以下后，含蠟原油乳狀液體系內(nèi)會(huì)形成一定的絮凝結(jié)構(gòu)。降溫初期，蠟晶和乳化水滴主要是以單體形式存在，隨溫度降低，乳化水滴聚集趨勢(shì)增強(qiáng)，水滴聚集體逐漸取代單個(gè)水滴，蠟晶數(shù)量增多且容易聚集，并傾向于與水滴聚集形成共聚體。逐漸地，水滴重疊堆積，三維結(jié)構(gòu)更加明顯，蠟晶隨著水滴的進(jìn)一步聚集，一些嵌入在相鄰水滴之間的間隙中，一些包圍在水滴的外部，并隨著溫度的下降繼續(xù)生長。隨溫度進(jìn)一步降低，共聚體內(nèi)蠟晶的繼續(xù)生長增強(qiáng)了共聚體結(jié)構(gòu)，由于外部蠟晶的不斷生長和周圍蠟晶的加入，共聚體的體積不斷增大，導(dǎo)致不同的共聚體相互連接形成尺寸更大的絮凝結(jié)構(gòu)，最終完成了體系的膠凝。

綜合以上觀測(cè)結(jié)果，對(duì)于W/O 型含蠟原油乳狀液微觀結(jié)構(gòu)的觀測(cè)，本文所采用方法具有更為突出的優(yōu)勢(shì)，能夠獲得關(guān)于乳狀液體系內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)更為準(zhǔn)確、豐富的信息，這對(duì)于揭示體系的流變性機(jī)制具有重要意義，有望獲得對(duì)含蠟原油乳狀液復(fù)雜流變行為的更加深入認(rèn)識(shí)。

3 結(jié)論

（1）相比于常規(guī)偏光顯微鏡，采用流變-顯微同步測(cè)量技術(shù)在惡化初冷溫度時(shí)對(duì)蠟晶具有顯著的觀測(cè)優(yōu)勢(shì)，其識(shí)別出的蠟晶數(shù)量和個(gè)體特征更為準(zhǔn)確，采用流變-顯微同步測(cè)量技術(shù)觀測(cè)到的蠟晶數(shù)量比偏光顯微鏡觀測(cè)到的蠟晶數(shù)量高出70%，識(shí)別出的1～3μm范圍內(nèi)的蠟晶數(shù)量要多150%，對(duì)細(xì)小蠟晶展現(xiàn)出更好的觀測(cè)效果；對(duì)兩種初冷溫度下蠟晶邊緣距的分析中，發(fā)現(xiàn)此方法能夠更加顯著地區(qū)分在較優(yōu)初冷溫度和惡化初冷溫度時(shí)蠟晶邊緣距上的差異，新觀測(cè)方法識(shí)別出的較優(yōu)初冷溫度和惡化初冷溫度下的蠟晶邊緣間距差值約是常規(guī)顯微觀測(cè)結(jié)果的2倍，更能體現(xiàn)惡化和較優(yōu)初冷溫度下的蠟晶微觀結(jié)構(gòu)差異。

（2）應(yīng)用該實(shí)驗(yàn)技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)蠟晶的流變-原位顯微同步觀測(cè)，研究發(fā)現(xiàn)在剪切過程中，蠟晶形態(tài)和排列與流場(chǎng)的協(xié)同性增強(qiáng)，且蠟晶微觀特征參數(shù)與原油黏度數(shù)據(jù)間存在顯著關(guān)聯(lián)。相比于剪切后的蠟晶微觀特征參數(shù)，剪切時(shí)的蠟晶微觀參數(shù)與體系黏度數(shù)據(jù)的變化規(guī)律更趨向一致，蠟晶微觀特征參數(shù)與原油黏度的關(guān)聯(lián)度相比剪切速率突降后平均高出6%以上，剪切作用下蠟晶微觀形貌的原位觀測(cè)結(jié)果對(duì)于揭示體系的流變性機(jī)制更有意義。

（3）通過流變-顯微同步測(cè)量技術(shù)可以同時(shí)識(shí)別到蠟晶和乳化液滴的存在，同時(shí)觀測(cè)到兩者的形態(tài)結(jié)構(gòu)、空間分布、相互作用和聚集表現(xiàn)，可以獲得更為準(zhǔn)確、豐富的含蠟原油乳狀液體系微觀結(jié)構(gòu)演變信息。