分散相微观形态对稠油乳状液流变性的影响

陈 锐， 邢晓凯， 张坤勋， 宁雯宇， 王 宁

(1.中国石油大学(北京)油气管道输送安全国家工程实验室，北京 102249； 2.中油辽河工程有限公司，辽宁盘锦 124010)

分散相微观形态对稠油乳状液流变性的影响

陈 锐1， 邢晓凯1， 张坤勋1， 宁雯宇1， 王 宁2

(1.中国石油大学(北京)油气管道输送安全国家工程实验室，北京 102249； 2.中油辽河工程有限公司，辽宁盘锦 124010)

以辽河油田锦45区块22-023号井稠油和矿化水为实验原料，采用等效黏度的方法，制备了与现场性质相近的稠油水乳状液。研究了分散相微观形态对稠油水乳状液流变性的影响。结果表明，在分散相浓度较低时，乳状液流变性符合Bingham模型，而在高浓度时流变性符合Power law模型，分散相浓度一定时，微观粒径越小，乳状液的表观黏度越大，非牛顿流体性质越强，剪切稀释特性越明显。

分散相； 微观形态； 流变性； 乳状液； 稠油

由于稠油中含有胶质、沥青质、环烷酸等天然的界面活性物质，在实际生产中很容易形成较稳定的稠油水乳状液，恶化集输条件[1]。基于对稠油性质的传统认识，目前油田稠油集输还是大多采用掺热水、掺稀油、加热等方式[2]。为了降低稠油集输能耗，简化集输流程，有必要开展对稠油乳状液流变性的研究。

迄今为止，已经有很多学者开展了对稠油乳状液流变性的研究，认为影响流变性的主要因素有油水物性、温度、含水率、剪切速率、乳化条件等[3-7]。但是目前国内从分散相微观形态的角度来研究流变性的并不多。本文分析了分散相尺寸大小和分布情况对稠油水乳状液流变性的影响。

1 实验部分

1.1实验介质

实验所用油样来自辽河油田锦45区块井口采出液，开采方式为蒸汽吞吐,综合含水率在87%以上。采出液经过脱水后得到纯油和矿化水。纯油20 ℃密度约为990 kg/m3，50 ℃黏度为6 000～10 000 mPa·s，凝点约为18 ℃。根据实验的需要用纯油和矿化水配制不同的乳状液。

1.2实验方法

(1) 乳状液的制备。用等效黏度法得到实验室制备与现场采出液乳化性质相似时的搅拌强度[8]。实验采用IKA T18型搅拌器，搅拌时间为15 min，搅拌速度为6 000 r/min。油水混合物按质量比配制，一次性混合后置于50 ℃水浴中恒温20 min，并用上述搅拌强度搅拌。

(2) 表观黏度测定。乳状液的表观黏度采用HAAKE VT550旋转黏度仪测定。设定不同的旋转速率，每一段剪切时间为400 s，得到不同旋转速率下乳状液的表观黏度。

(3) 乳状液微观形态观察。采用细管吸取乳状液，制备显微观察的样本，用带有CCD-ADAPTER.0.5X摄影仪的光学显微镜获取乳状液微观图像，用配套的粒度分析仪软件分析分散相的分布及粒径大小。

2 结果与讨论

2.1稠油乳状液分类

观察了配制的含水率10%～70%的12组乳状液微观图像，并且分析了分散相的微观尺寸分布。通过对比发现稠油乳状液可以大致分为3类：疏松型、常规型和稳固型乳状液[9]，各类型乳状液微观尺寸分布情况如图1所示。

图1 3种类型乳状液液滴尺寸分布

Fig.1Threetypesofemulsiondropletsizedistribution

图2为疏松型和稳固型乳状液微观图。从宏观上，疏松型乳状液很不稳定，分散相较易发生聚并，形成粒径较大的液体颗粒，夹杂在连续相中，并在短时间内有游离水析出；微观上疏松型油水乳状液分散相浓度较高，液滴之间平均间距小，粒径较大且分布不均匀(如图2(a)所示)。稳固型乳状液有坚实的界面膜，静置几小时甚至几天都不会发生分层，宏观上呈现棕褐色，黏稠性较大；微观上分散相颗粒间距较大，粒径较小并且尺寸分布均匀(如图2(b)所示)。常规型则介于稳固型与疏松型乳状液之间，而实际现场集输过程形成的乳状液类型大多为常规型和疏松型。

图2 疏松型和稳固型乳状液微观图

Fig.2LoosetypeandSteadytypeofemlusion

分析各类型乳状液表观黏度可知，稳固型乳状液表观黏度往往较大，为纯油黏度5～10倍，而疏松型乳状液的表观黏度为纯油的1～2倍。

2.2分散相浓度对流变性的影响

50 ℃下，分别制备了含水率分别为10%、20%、40%、50%的稠油乳状液。通过显微镜分别观察了微观图像，并用粒度分析仪软件分析了4种含水率下分散相的浓度分布，结果如表1所示。其中分散相液滴个数是指显微镜捕获到的微观图像上的液滴个数，浓度分布是指放大相同倍数时液滴的面积占图像总面积的百分比。

表1 不同含水率下分散相浓度分布Table 1 Dispersed phase concentration distributionat different water cut

图3分析了50 ℃下4种不同含水率下制备的乳状液切应力与剪切速率的关系。由图3可知，在低含水率时，稠油乳状液流变模型符合Bingham模型，乳状液属于塑性流体。在高含水率时，乳状液流变模型符合幂律模型，且流变指数小于1，流体属于假塑性流体。回归上述4种含水率的流变方程，各曲线的相关系数均在0.97以上。

图3 50 ℃切应力与剪切速率的关系曲线

Fig.3Shearstressandshearratecurvein50 ℃

2.3分散相尺寸分布对流变性的影响

制备两组含水率为30%的油水混合液，分别以4 000 r/min和6 000 r/min搅拌速率搅拌15 min，观察乳状液微观图，并用粒度分析仪软件分析两种乳状液微观尺寸分布情况，结果如图4所示。

图4 分散相微观粒径分布曲线

Fig.4Thecurveofmicrodispersedphaseparticlesizedistribution

由图4可知，4 000 r/min转速下搅拌15 min制备的乳状液尺寸大多分布在10～30 μm，分散相平均粒径为17.7 μm；而6 000 r/min转速下搅拌15 min制备的乳状液尺寸大多分布在5～20 μm，分散相平均粒径为12.7 μm。

用VT550测试了两种不同分散相粒径的乳状液黏度，得到黏度与剪切速率的关系曲线，如图5所示。由图5可知，分散相平均粒径越小，表观黏度越大，剪切稀释性越强[10-13]。

图5 不同粒径下黏度与剪切速率关系

Fig.5Therelationshipbetweenviscosityandshearrateunderdifferentsize

3 结论

(1) 根据稠油乳状液微观形态及宏观上的稳定性可以将其分为稳固型、常规型和疏松型3类。

(2) 分散相浓度较低时，辽河油田锦45区块稠油乳状液流变性符合Bingham模型，浓度较高时符合幂律模型。

(3) 分散相粒径越小，液滴之间的相互作用越强，在分子力和其它界面吸引力的作用下，分散相聚集成簇状结构，将一定量的连续相包络其中，从而使表观黏度增大。在剪切作用下，簇状结构破坏，粒径较小的分散相碰撞结合，使其有效浓度降低，表观黏度降低，呈现出剪切稀释特性。剪切强度越大，这种稀释特性越强，直到簇状结构被完全破坏，表观黏度趋于平衡。

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(编辑 宋官龙)

Influence of Droplet Morphology on Rheology of Heavy Crude Oil Emulsion

Chen Rui1, Xing Xiaokai1, Zhang Kunxun1, Ning Wenyu1， Wang Ning2

(1.NationalEngineeringLaboratoryforPipelineSafety,ChinaUniversityofPetroleumBeijing,Beijing102249,China;2.LiaohePetroleumEngineeringCo.,Ltd.,PanjinLiaoning124010,China)

Heavy oil and mineral water from 22-023 oil wells in Jin 45 of Liaohe oilfield were used as experimental materials. Through the equivalent viscosity methods, emulsion with similar properities to gathering site was prepared. The influence of droplet morphology on rheology of heavy crude oil emulsion was researched. The results showed that the rheology met Bingham model when the concentration of disperse phase was low, rather, the rheology met Power law model. The smaller of the dispersed micro particles, the greater of the apparent viscosity, the more significant of the non-Newtonian fluid properties and the more obvious of the shear thinning characteristics were.

Rheology; Disperse phase; Morphology rheology; Emulsion; Heavy crude oil

1006-396X(2014)04-0057-04

2014-03-02

：2014-04-14

“十二五”国家科技重大专项(2011ZX05016-004)；辽河油田原油千万吨持续稳产关键技术研究资助项目(2012E-3009)。

陈锐(1989-)，男，硕士研究生，从事油气集输及地面工程研究; E-mail:makcimluck@163.com。

邢晓凯(1973-)，男，博士，副教授，从事油气长距离管输技术及地面工程研究; E-mail:xingxiaokai2012@126.com。

TE662

： A

10.3969/j.issn.1006-396X.2014.04.013