稠油乳化降黏剂高温稳定性室内评价

田 聪，文富民，王睿麒，李 晨，李 俊，陈文斯

（重庆科技学院石油与天然气工程学院，重庆 401331）

稠油是我国油气资源的重要组成部分。我国高黏度重质稠油资源分布广泛，地质储量达1 640 Mt，约占我国探明可开采石油储量的1/2[1-3]。而其较高的黏度在一定程度上制约了其在输送过程中的可流动性，给开采过程带来了很大的困难。为了降低稠油在井筒及集输管线中的黏度，同时解决稠油油层及井筒稠油堵塞问题，在开发生产中常采用节能、乳化效果显著和破乳相对容易的降凝降黏技术，来增加原油的流动性，以提高稠油开采效率，保证稠油开采的顺利进行[4]。Turbiscan Lab 型分散稳定性分析仪是基于多重光散射技术，通过对发射到测试样品上的透射光和背散射光强度的平均变化进行测量，进而分析分散相粒子的运动以及各体系稳定性参量的变化[5-9]，并通过对比各试样的高温处理前后分散不稳定性参数S分离值，给出直观的液体体系稳定性评价结果。以乳化降黏剂AOS 和MES 入手，从高温处理前后的表面张力以及动力学不稳定性变化分析两种乳化降黏剂的高温稳定性，结合乳化降黏效果评价，对两种降黏剂的高温稳定性进行对比评价。

1 实验部分

1.1 主要试剂与仪器

主要试剂：渤海区段采出稠油、AOS、MES；

主要仪器：Attension 表面张力仪；Brookfield 旋转黏度计；Turbiscan Lab 型分散稳定性分析仪，法国Formulaction 公司生产。

1.2 实验方法

稠油与水界面能很高，不易形成O/W 乳状液。加入表面活性剂可以有效地降低油水界面张力，使油水易于形成O/W 乳状液[10]，提高乳状液的稳定性。利用Attension 表面张力仪分析降黏剂溶液在0.05 %、0.08 %、0.10 %、0.18 %、0.50 %、0.80 %和1.50 %浓度条件下的表面张力在高温处理前后的变化，通过对比前后的表面张力变化情况，得到两种乳化降黏剂的高温稳定性。

利用Brookfield 旋转黏度计进行降黏率测定实验，将AOS 配制为0.3 %、0.6 %浓度的溶液，MES 配制为1.0 %、2.0 %浓度的溶液，50 ℃高温老化1 h，将上述浓度种类按照油水比7：3 的比例加入目标稠油，50 ℃恒温1 h，利用Brookfield 旋转黏度计测量剪切率在9.3 s-1、18.6 s-1、27.9 s-1、30 s-1、40 s-1、50 s-1下的黏度，并计算降黏率。

式（1）中：f-降黏率；μ0-加入高温稠油降黏剂前原油黏度，mPa·s；μ-加入高温稠油降黏剂后原油黏度，mPa·s。

对O/W 型乳状液加工之前，必须对其破乳脱水，以减少管道和设备腐蚀[11]，对两种降黏剂进行脱水率测定实验，分别将AOS 配制浓度为0.3 %和0.6 %各20 mL，MES 配制浓度为1.0%和2.0 %各20 mL，300 ℃高温老化后，按照油水比7:3 配制稠油样液，在恒温50 ℃1 h 后，利用乳化分散仪器在6 000 r/min 转数下，乳化搅拌2 min，取乳化搅拌后的分散液6 mL 加入10 mL 量筒中，50 ℃水浴锅水浴1 h，读取并计算脱水率。根据脱水率公式：

式（2）中：S-自然沉降脱水率；V-稠油乳液静止后的脱水体积，mL；6-12 mL 稠油乳液的含水量，mL。通过对前后降黏率和脱水率的对比评价降黏剂的乳化降黏效果。

利用Turbiscan Lab 型分散稳定性分析仪分析稠油乳状液的高温处理前后的稳定性，取乳化分散后的乳状液量20 mL 加入试剂瓶中，在保持5 min 静置后，放入实验仪器。实验中，Turbiscan Lab 参数设置为：间隔25 s 扫描1 次获取一组透射光和散射光强度数据，测试时间为1 h，测试高度为40 mm，温度为30 ℃，得到动力学不稳定性参数TSI。为将TSI 曲线的动态变化转化为静态的数值，通过利用STDEV 函数对动力学不稳定性参数进行处理，STDEV 称为基于样本估算标准偏差。通过分析便得到反映数值相对于平均值（mean）的离散程度的S分离值：

式（3）中：Xi-每60 s 平均动力学不稳定性参数；XT-Xi的平均值；n-重复测量次数。分析高温处理前后的TSI 与S分离值变化情况判定乳化降黏剂的高温稳定性。

2 结果与讨论

2.1 表面张力变化评价

为了解AOS 和MES 两种乳化降黏剂在高温处理前后的稳定性差异，研究从高温前后的表面张力变化入手。在降黏剂理论研究中，表面活性剂溶液与稠油接触形成O/W 型乳状液，油便分散在表面活性剂水溶液中，表面活性剂分子通过吸附于油珠周围，形成定向单分子或多分子保护膜，从而防止了油珠重新聚合，在乳状液流动过程中对管壁摩擦力和分子内摩擦力减弱[12]。通过Attension 表面张力仪分析测定得到的50 ℃和耐温300 ℃条件下两种降黏剂的表面张力情况进行对比。

两种降黏剂的高温稳定性由图1 对比可以看出，AOS 在50 ℃与300 ℃高温处理后的表面张力无较大变化；MES 在50 ℃与300 ℃高温处理后的表面张力变化差异大；通过计算两种变化情况的平均变化率，AOS高温处理前后的平均变化率约为0.86 %，MES 约为12.38 %。分析数据结果可以发现在300 ℃高温处理后，AOS 的高温稳定性要明显优于MES，表明温度的高低对于降黏剂的稳定性是存在影响的，较高的地层温度会在一定程度上降低降黏剂的稳定性。

图1 50 ℃与300 ℃AOS 与MES 表面张力对比图Fig.1 Comparison of surface tension between 50 ℃and 300 ℃AOS and MES

2.2 乳化降黏效果评价

乳化剂效果评价主要以乳状液表观黏度值和静态稳定性两项指标为依据，通过分析两项指标从而获得使乳状液稳定性好、表观黏度低的乳化剂[13]。计算得到两种降黏剂表观黏度值对应的降黏率（见表1）。

表1 不同降黏剂降黏率Tab.1 Viscosity reduction ratio of different viscosity reducer

两种降黏剂表观黏度值对应的降黏率进行对比，AOS 降黏率在97 %以上，MES 降黏率在98 %以上，两种乳化降黏剂的降黏率基本相同，表明两种降黏剂的降黏性能并未存在较大差别。

脱水率可用于衡量乳状液的静态稳定性，稠油乳状液在采出进行脱水处理时，单位时间内脱水率越高则表征降黏剂的破乳能力越好，稳定性越优，对节约时间成本越有意义（见表2）。

表2 耐温后AOS 和MES 的脱水率Tab.2 Dehydration rate of AOS and MES after temperature resistance

高温处理后的两种降黏剂乳状液在静态稳定性上表现为，当AOS 浓度为0.3 %时，该乳状液的脱水率为86.67 %，MES 浓度为1.0 %时，乳状液的脱水沉降率为81.67 %，两种降黏剂的静态稳定性AOS 要比MES效果较好。

2.3 乳化降黏剂乳状液稳定性评价

为进一步的评价两种乳化降黏剂的高温稳定性，实验利用Turbiscan Lab 型分散稳定性分析仪，按照实验方法对AOS 和MES 两种乳化降黏剂在50 ℃和300 ℃高温处理前后所配制的稠油乳状液扫描，得到扫描时间与背散射光沿盛放试样用玻璃测试室高度的变化曲线（见图2）。

为直观地比较相关试样的稳定性差异，将背散射光变化量经微积分处理后得出动力学不稳定性参数（TSI），经软件处理（见图3）。

图2 各种试样稠油乳状液扫描图谱Fig.2 Scanning map of various samples of heavy oil emulsion

图3 各种试样稠油乳状液动力学不稳定性图谱Fig.3 Kinetic instability map of various samples of heavy oil emulsion

相关研究表明，分散相粒子的平均直径和体积分数直接决定着背散射光强度的变化程度，反映体系的稳定程度[14]，TSI 曲线指数越小表示样品体系越稳定[15，16]。由图3 分析高温处理前后的TSI 变化值，60 min 后AOS 的0.3 %和0.6 %浓度的TSI 值分别从50 ℃的0.00～0.29 和0.00～0.22变为300 ℃高温处理后的0.00～0.27 和0.00～0.49，两种浓度对应的变化量分别约0.02 和0.27，MES 的两种浓度的TSI 则由50 ℃的0.00～0.58 和0.00～0.15变为300 ℃高温处理后的0.00～0.71 和0.00～0.79，对应的变化量分别约0.13 和0.64。对比高温处理前后两种降黏剂的TSI 以及对应变化量可以看出，AOS 的高温稳定性优于MES。

利用STDEV 函数对动力学不稳定性参数进行处理，得到反映数值相对于平均值（mean）的离散程度的S分离值（见表3）。

表3 STDEV 函数处理结果表Tab.3 STDEV function processing result table

根据STDEV 函数的定义，S分离值越小则表明在静置过程中稠油乳状液的稳定性越好，高温处理前后的S分离值越接近则表明降黏剂的高温稳定性越好。分析所计算出的S分离值数据得出，在50 ℃与300 ℃条件下，两种浓度的AOS 与MES 的S分离值均发生相对变化，对比同一浓度高温处理前后的S分离值变化量，AOS 的S分离值变化量（0.016 9 和0.071 1）相对于MES 的S分离值变化量（0.039 4 和0.196 2）平均较低，表明在高温处理前后两种降黏剂的高温稳定性AOS 要优于MES 且在高温处理后，AOS 的S分离值（0.066 8 和0.130 0）也相对小于MES 的S分离值（0.187 4 和0.236 4），可以看出AOS在300 ℃高温处理后其基本性质并未发生较大改变，高温稳定性总体上要优于MES，而这一结果与所测定的高温处理后的表面张力的结论一致。

3 结论

（1）对降黏剂溶液的表面张力进行分析可以得出，无论是AOS 还是MES，其在经受300 ℃高温后，其稳定性均呈现了一定幅度的降低，AOS 的改变率表现为0.86 %，MES 表现为12.38 %，高温稳定性方面AOS 优于MES。

（2）从乳状液表观黏度值和静态稳定性两项指标分析，两种降黏剂的降黏率分别为AOS＞97 %，MES＞98 %；脱水率AOS 浓度为0.3 %时，为86.67 %，MES浓度为1.0 %时，为81.67 %。

（3）通过运用Turbiscan Lab 型分散稳定性分析仪求解动力学不稳定性参数得到，高温处理对两种乳化降黏剂均造成了影响，分析动力学稳定性参数TSI，两种浓度的AOS 高温处理后TSI 变化量仅为0.02 和0.27，MES 对应TSI 变化量则为0.13 和0.64。分析S分离值，在高温处理后，两种浓度AOS 的S分离值仅为0.066 8和0.130 0 也相对小于MES 的0.187 4 和0.236 4，AOS 的稳定性总体上均优于MES。