物化条件对胜利原油乳状液稳定性的影响

杨风斌, 王玉江, 张 磊, 张 路

(1. 中国石油化工股份有限公司 胜利油田分公司孤东采油厂, 山东 东营 257237 ；2. 中国石化胜利油田分公司 工程技术管理中心，山东 东营 257001；3. 中国科学院理化技术研究所, 北京100190)

物化条件对胜利原油乳状液稳定性的影响

杨风斌1, 王玉江2, 张 磊3, 张 路3

(1. 中国石油化工股份有限公司 胜利油田分公司孤东采油厂, 山东 东营 257237 ；2. 中国石化胜利油田分公司 工程技术管理中心，山东 东营 257001；3. 中国科学院理化技术研究所, 北京100190)

利用稳定性分析仪(LUMisizer-LS610)研究胜利原油乳状液的稳定性和粒径的变化规律，考察了乳化剂质量分数、油水体积比、温度及电解质对乳状液的稳定性和粒径的影响。结果表明，原油乳状液稳定性随乳化剂质量分数增大而增强，而液滴粒径则呈相反的变化趋势；乳状液中油相所含比例越大，乳状液越稳定；温度升高，虽然会增加乳化效果，但也同时破坏了乳状液的稳定性；电解质可以增强乳状液的稳定性，降低粒径。

乳状液； 稳定性； 稳定性分析仪； 积分透光率； 粒径

乳状液广泛存在于自然界及日常生活中，在食品、化妆品、农业等领域中有重要的应用。在石油开采的过程中，原油乳化发挥着不可忽视的作用[1-6]。同时，采出原油的脱水破乳对开采、运输和加工过程十分关键[7-9]。乳状液是一种热力学不稳定体系, 影响其稳定性的因素众多, 如油水两相性质与比例、粒径大小与分布及乳状液形成的条件等。研究认为，乳状液稳定性及破乳主要取决于界面膜的强度[7,10-13]。原油中存在多种具有界面吸附能力的组分，同时，驱油化学剂中的表面活性剂也能形成具有一定强度的界面膜，从而增强了原油乳状液的稳定性。对于普通乳状液，粒径越大，越容易出现聚并、絮凝等现象，乳状液稳定性越差[14]。由于原油乳状液不透光的特殊性，对其粒径的研究相对较少[15-16 ]。

本文针对胜利原油，采用稳定性分析仪对胜利原油乳状液的稳定性和粒径进行了研究，考察乳化剂质量分数、油水体积比、温度及电解质对乳状液稳定性及粒径的影响，有利于增强对原油乳状液稳定机制的理解，为进一步推动乳化剂在采油现场的应用提供实验依据。

1 实验部分

1.1 样品及试剂

实验用油为胜利原油。煤油经过硅胶柱提纯，除去活性杂质；乳化剂为现场用乳化剂C56，主剂为阴离子型表面活性剂，烷基碳数约14，胜利油田提供；实验用水未加说明均为模拟地层水，总矿化度为25 405.52 mg/L，Ca2+和Mg2+质量浓度分别为487.96 mg/L 和95.13 mg/L。

1.2 乳状液的制备

油相为由胜利原油与煤油按质量比2∶1配制而成的模拟原油；水相为模拟地层水或者不同质量分数NaCl配制的C56溶液；在具塞试管中按不同体积比加入油相与水相，密封试管，将其置于110 ℃中恒温0.5 h，然后均匀混合得到乳状液。

1.3 乳状液稳定性实验

原油乳状液稳定性实验仪器为德国LUMisizer稳定性分析仪，利用仪器SEPView软件分析透光率以及粒径分布[15]。稳定性分析仪转速均为3 000 r/min,除温度影响以外，其它实验温度均为(60.0±0.1) ℃。通过稳定性分析仪跟踪乳状液分离出水相的透光率，判断乳状液的稳定性，并计算得到乳状液分层过程中的粒径分布。

2 结果与讨论

2.1 CH56质量分数对模型乳状液稳定性的影响

乳化剂的浓度决定了乳状液制备的难易程度以及乳状液的稳定性，同时，也会影响乳状液粒径的大小。若乳状液中含有足够多的表面活性物质，则含有小液滴的乳状液稳定性越强，这是因为液滴越小，界面面积越大，界面上吸附的分子较多，界面膜的强度大，乳状液就越稳定。相反，如果乳状液中表面活性物质浓度较低，液滴尺寸的减小会破坏乳状液的稳定性。

固定油水体积比为3∶7，考察了不同质量分数C56形成的乳状液的积分透光率随时间的变化，及积分透光率平衡值随质量分数的变化，实验结果如图1，2所示。从图1中可以看出，随着破乳时间的延长，水相逐渐从乳状液中分离出来，即积分透光率开始增加，一段时间后积分透光率基本不再变化，表明此时乳状液分层已经结束。从图1中还可以看出，实验前期，乳状液的积分透光率随时间呈直线变化，说明此时的液滴由界面不断向下沉降，并以稳定的速度发生絮凝；实验后期，积分透光率随时间按指数规律衰减直至几乎不变。此阶段界面膜开始破裂，小液滴聚并成大液滴，大液滴由于重力作用下沉，最终实现油水两相分离。由图2可知，随着CH56的质量分数增大，乳液积分透光率的平衡值不断降低，乳状液稳定性增强。

图1 乳状液的积分透光率随时间的变化

Fig.1Theintegraltransmissionvstimeofemulsion

图2 积分透光率平衡值随质量分数的变化Fig.2 The stable values of integral transmission vs the mass fraction of CH56

不同乳化剂CH56质量分数对乳状液粒径的影响见图3。质量分数0.5% 的CH56乳状液稳定性差，实验中未获得其相应的粒径数据。

图3 CH56质量分数对粒径的影响

Fig.3TheeffectofCH56massfractiononthedropsize

从图3中可以看出，当乳化剂质量分数为1%时，液滴粒径为13 μm左右，而质量分数增加到3%时，液滴粒径已经降低至3 μm左右。对于同一体系，乳化剂质量分数越高，液滴平均粒径越小，所得到的乳状液越稳定。这是由于随着乳化剂质量分数增大，界面张力降低，形成乳状液所需要的能量降低，因此，分散液滴尺寸减小；同时，界面膜上分子排列变得紧密，稳定性增强。

2.2 油水体积比对模型乳状液稳定性的影响

表面活性剂(即乳化剂)是影响乳状液乳化效果的关键因素，油水体积比能够决定乳状液的类型和性质，一般而言，油水体积比越高，乳状液中油相所含比例越大，乳状液越稳定。对于油包水型乳状液，外相(即连续相)为原油模拟油，油水体积比越大，界面上原油活性组分的吸附量越大。相反，对于水包油型乳状液，外相(即连续相)为乳化剂溶液，油水体积比越小，界面上表面活性物质的吸附量越大。

图4、5考察了不同油水体积比对不同质量分数CH56溶液形成的乳状液的影响。由图4可知，相同质量分数表面活性剂体系的积分透光率平衡值随着油水体积比的增加逐渐降低。这主要是由于油水体积比增加，油相含量变大，积分透光率降低，从而导致积分透光率逐渐降低。此外，同一油水体积比，随着表面活性剂质量分数的增加，积分透光率不断降低，说明乳状液稳定性增加。

图4 不同油水体积比条件下的积分透光率平衡值

Fig.4ThestablevaluesofintegraltransmissionvsCH56massfractionunderdifferentwater-oilvolumeratio

由图5可见，不同油水体积比条件下，破乳过程的液滴平均粒径随油水体积比增大先保持基本不变。当油水体积比达到7∶3之后，液滴平均粒径迅速降低，在油水体积比为9∶1时出现最低值。当油水体积比较低时，油相所占比例与水相中表面活性剂的比例共同影响着乳状液的性质，进而影响液滴粒径分布和液滴平均粒径。而当油水体积比达到7∶3之后，水相中表面活性剂的含量均较小，此时油相黏度成为影响乳状液液滴粒径的主要因素。油水体积比越高，分散液滴运动速度越慢，小液滴聚并几率减小，因而，液滴粒径在高油水体积比时出现明显降低的趋势。

乳化剂浓度越高，同一油水比条件下的液滴平均粒径越小，所得到的乳状液越稳定。此外，乳化剂浓度越高，乳状液粒径受油水体积比条件的影响越小，说明此时体系中表面活性剂的含量在乳状液稳定性的影响因素中发挥主导作用。

图5 不同油水体积比对粒径的影响

Fig.5Theeffectofwater-oilvolumeratioonthedropsize

2.3 温度对模型乳状液稳定性的影响

温度对乳状液的影响较为复杂，分为乳化温度和破乳温度，乳化温度越高，乳状液的乳化越充分，乳状液越稳定；破乳时温度越高，乳状液越容易脱水，稳定性越差。

固定油水体积比为3∶7，乳化剂CH56质量分数为2%，考察乳化温度对实验的影响，结果见图6。

图6 不同温度对动态积分透光率及其平衡值的影响

Fig.6Theeffectofthetemperatureonthedynamicintegraltransmissionandthestablevaluesofintegraltransmission

图6(a) 是温度对动态积分透光率的影响，变化趋势非常明显，温度升高，积分透光率变化变快，而且平衡值在110 ℃时达到最大值。图6(b) 是不同温度下的积分透光率平衡值，可以看出，随着温度的升高，积分透光率平衡值依次增大。其中，30 ℃和50 ℃下，一方面温度较低、乳化较困难，但30 ℃对应的体系黏度较高，所以能够使乳状液稳定性保持在较高水平；而对于80 ℃和110 ℃条件，乳化温度较高，但破乳温度也高，所以结果显示的积分透光率平衡值较高。

温度升高，一方面，界面上吸附的表面活性物质会减少，而且会加速界面膜内的分子流动，导致界面膜强度降低；另一方面，可以减小分子间的内聚力，加快分散液滴的热运动，有利于液滴的聚结；温度升高还使油相的黏度降低，进而油水界面黏度降低，导致分散液滴运动速度加快，更易聚并，破坏了乳状液的稳定性[11]。

温度对模型乳状液液滴粒径分布和粒径的影响见图7。由图7可见，随着温度的升高，粒径分布均变窄，在30 ℃时分布最宽，而在110 ℃时分布最窄。另外，可以发现液滴粒径可以从30 ℃时的16.8 μm降低到110 ℃时的6.7 μm。因此，乳化温度越高，乳化效果越好，粒径越小。

图7 温度对液滴粒径分布和粒径的影响Fig.7 The effect of temperature on the drop size distribution and the drop size

2.4 矿化度对模型乳状液稳定性的影响

图8是不同质量分数NaCl对乳状液积分透光率的影响。由图8可见，随着NaCl质量分数的增加，乳状液积分透光率不断的降低。现场用CH56含有阴离子型表面活性剂，无机盐的存在能够压缩乳状液界面膜的双电层，使界面膜排列紧密，强度增大，有利于乳状液的稳定。

图8 不同质量分数NaCl对积分透光率平衡值的影响

Fig.8TheeffectofthedifferentmassfractionofNaClonthestablevaluesofintegraltransmission

不同质量分数NaCl对乳状液粒径的影响见图9。从图9中可以看出，随着NaCl质量分数增大，界面分子浓度增大，界面张力降低，同样的条件下，液滴更容易分散，乳状液内部液滴平均粒径逐渐减小，从10 μm 降至7 μm左右，这与NaCl能在一定程度上增加乳状液稳定性的效果是一致的。

图9 不同质量分数 NaCl对粒径的影响

Fig.9TheeffectofNaClmassfractiononthedropsize

3 结论

(1) 乳化剂质量分数越高，吸附的表面活性物质就越多，乳状液平均粒径越小，原油乳状液越稳定；乳化剂质量分数3%条件下，液滴粒径为3 μm左右。

(2) 乳状液中油水体积比决定了乳状液的类型及性质，油水体积比越高，乳状液中油相所含比例越大，乳状液越稳定。

(3) 乳化温度越高，乳化效果越好，粒径越小；破乳温度升高，则降低乳状液的稳定性。

(4) 电解质可以压缩乳状液界面膜的双电层，使界面膜排列紧密，乳状液的稳定性增强，粒径变小，从10 μm 降至7 μm左右。

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Effect of Physicochemical Conditions on the Stabilization of Shengli Crude Oil Emulsion

Yang Fengbin1, Wang Yujiang2, Zhang Lei3, Zhang Lu3

(1.GudongOilProductionPlant,SinopecShengliOilfieldCompany,DongyingShandong257237,China;2.EngineeringTechnologyManagementCenter,SinopecShengliOilfieldCompany,DongyingShandong257001,China;3.TechnicalInstituteofPhysicsandChemistry,ChineseAcademyofSciences,Beijing100190,China)

The stability of emulsion of Shengli crude oil and variation of drop size were investigated using LUMisizer-LS610. At the same time, the influences of the emulsifier concentration，the water-oil ratio, temperature and electrolyte on the stability of emulsion and the drop size were also explored. The results show that the higher emulsifier concentration is, the smaller the drop size would be and the more stable crude oil emulsion is. The greater the proportion of oil phase in emulsion, the more stable the emulsion is. As the temperature increases, the good emulsified effect is obtained, however, the stability of the emulsion is reduced. The electrolyte can enhance the stability of the emulsion and reduce the drop size.

Emulsion; Stability; LUMisizer; Integral transmission; Drop size

2017-04-03

2017-10-22

国家自然科学基金资助项目(51373192)。

杨风斌(1978-)，男，高级工程师，从事油气集输及油田污水处理研究；E-mail:yangfengbin117.slyt@sinopec.com。

张路(1969-)，男，博士，副研究员，从事三次采油方面的研究；E-mail:luyiqiao@hotmail.com。

1006-396X(2017)06-0027-05

投稿网址：http://journal.lnpu.edu.cn

TE357.46

A

10.3969/j.issn.1006-396X.2017.06.006

(编辑 闫玉玲)