稠油及其乳状液流变性研究

张嘉　罗浩勇

摘      要：以国内某油田稠油及其乳状液为研究对象，采用Anton Paar MCR 302可视化流变仪对其黏温特性和流变性进行研究。测量了稠油在不同温度下的黏度，以及不同含水率、温度及剪切速率下该稠油乳状液的表观黏度，根据实验结果对其关系进行综合分析，并观察反相点附近的稠油乳状液微观形态。结果表明，该稠油的黏温特性在测量范围内能较好的符合Arrhenius方程，稠油乳状液黏度与含水率、温度的综合关系能够符合对数关系模型，在不同的含水率下，稠油乳状液黏度公式Richardson公式中的k值是关于温度的函数，从微观上可以证明该稠油样品的反相点在40%～50%之间，另外，剪切速率对稠油乳状液黏度的影响随温度的变化而变化。因此，对稠油乳化降黏输送时需考虑温度、含水率及剪切速率等多种因素的影响。

关  键  词：稠油;稠油乳状液;黏温特性;流变性;Arrhenius方程;Richardson公式

中图分类号：TE832.3⁺33       文献标识码： A       文章编号： 1671-0460（2020）06-1150-05

Study on Rheological Properties of Heavy Oil and Its Emulsion

ZHANG Jia， LUO Hao-yong

（CNOOC Ningbo Daxie Petrochemical Co.， Ltd.， Ningbo Zhejiang 315812， China）

Abstract： The viscosity-temperature characteristics and rheological characteristics of heavy oil and its emulsion in a domestic oilfield were researched by using Anton Paar MCR 302 rotary viscometer.The viscosity of heavy oil at different temperatures and the apparent viscosity of heavy oil emulsion at different temperatures， rates of water content and shear rates were measured， the relationships of them were analyzed. In addition， the microcosmic morphology of heavy oil emulsion with the water content being close to the inverting point of heavy oil was observed. The results showed that viscosity-temperature characteristics of heavy oil conformed to Arrhenius equation well in measuring range. The relationship of the viscosity of heavy oil emulsion， water content and temperature could fit the logarithmic model. The k of Richardson equation which is the viscosity formula of heavy oil emulsion is a function of temperature at different rates of water content. The result that the inverting point of the heavy oil sample was between 40% and 50% was confirmed from the microscopic point. In addition， the influence of the shear rate on the viscosity of heavy oil emulsion varied with temperature. Therefore， various factors such as temperature， rate of water content and shear rate should be considered when transporting heavy oil which was emulsified to reduce its viscosity.

Key words： Heavy oil; Heavy oil emulsion; Viscosity-temperature characteristics; Rheological characteristics; Arrhenius equation; Richardson equation

稠油亦稱重质原油，是一种富含胶质和沥青质的多烃类复杂混合物，通常指黏度大于1×10² mPa·s（50 ℃）和密度大于0.92 g·cm^-3（20 ℃）的原油^[1]。世界上稠油能源相当丰富，储量很高，而我国的稠油资源正在被日趋广泛的开发利用，显示出良好的前景^[2]，因此，稠油资源的储存和运输问题正越来越受到广泛的关注。然而稠油中的胶质和沥青质造成其具有很大的黏度，这给稠油的运输造成了极大的困难，国内外许多学者针对此问题也做了许多不同的研究^[3-5]。目前，对稠油掺活性水乳化是国内外稠油输送过程中常用的降黏方法之一^[6]。因此，对稠油及其乳状液黏温特性及流变性的研究是具有实际意义的。

本次研究中，利用奥地利Anton Paar MCR 302可视化流变仪等对国内某油田的稠油及其乳状液的黏温特性、流变性进行了测量和研究。

1  实验部分

1.1  实验原料

实验中所用的油样来自国内某油田，该稠油样品的物性参数见表1，配制乳状液用水为该油田联合站的清水。

1.2  实验器材

奥地利Anton Paar MCR 302可视化流变仪;AR2140电子天平，等级I，精度1/10 000;IKA数显可控转速搅拌器等。

2  实验结果与分析

2.1  稠油样品的黏温特性

将收集自国内某油田的稠油样品加热到30 ℃，恒温60 min，然后以1 ℃·min^-1的速度连续升温到75 ℃，在剪切速率为60 s^-1的条件下，采用Anton Paar MCR 302可视化流变仪测量其不同温度下的黏度值，其结果如图1所示。

对该稠油样品的黏温曲线进行进一步研究，对Arrhenius方程进行变换得^[7]

lnμ = A+B/T。             （1）

式中： μ —动力黏度，mPa·s;

A、B —常数;

T —热力学温度，K。

将图1中稠油黏温曲线转化为lnμ～1/T曲线图，其结果如图2所示。

对图2中的曲线进行线性回归分析，得到方程lnμ=-18.931+8 803.7/T，其相关度为0.993，可以认为该稠油样品的黏温特性能够很好的符合（1），即Arrhenius方程，这与文献[8﹣9]的报道是一致的。另外，从图2中可以看到这条曲线不是严格意义上的直线，而是发生了部分的偏离，这说明该稠油样品在温升过程中内部微观结构发生了变化，其内部粒子间不仅仅是范德华力在起作用，很可能氢键等非分子间作用力也在该稠油样品的温升过程中起着作用。

2.2  稠油乳状液的流变特性

2.2.1  稠油乳状液的黏度

为了能把非牛顿流体的黏稠程度与牛顿流体的动力黏度作比较，往往引入表观黏度的概念。表观黏度即流体剪切应力与相对应的剪切速率的比值。例如，表示假塑型流体流变性的幂律方程为

式中： τ —剪切应力，Pa;

K —稠度系数;

n —流变行为指数。

则根据表观黏度的概念

式中： μ_ap —表观黏度，Pa·s;

τ —剪切应力，Pa;

K —稠度系數;

γ ?  —剪切速率， ;

n —流变行为指数。

2.2.2  温度及含水率对稠油乳状液黏度的影响

为了研究温度及含水率对稠油乳状液黏度的影响，配制含水率为10%、20%、30%、40%、50%的5种乳状液^[10]。文献[11]认为稠油乳状液的表观黏度与含水率、温度之间均呈对数关系。其中表观黏度与温度的关系为：

式中： μ —乳状液黏度，mPa·s;

A、B —常数;

T —热力学温度，K。

而表观黏度与含水率的关系为：

式中： μ —乳状液黏度，mPa·s;

A、B —常数;

Φ —含水率，%。

图3为不同含水率下稠油乳状液的黏温曲线。

对不同温度下稠油样品乳状液黏度与含水率的关系式用公式（5）进行拟合，得到的结果如表2。

对不同含水率下的稠油样品乳状液的黏温关系式用公式（4）进行拟合，得到的结果如表3。

对稠油样品乳状液黏度与温度、含水率的关系进行综合分析，并基于式（4）、式（5）的对数关系提出如下的回归模型

lgμ =A+B lgΦ+CT +DT lgΦ。       （6）

式中：μ—乳状液黏度，mPa·s;

A、B、C、D —常数;

Φ —含水率，%;

T —热力学温度，K。

对此进行回归分析，得到如下结果：

lgμ =15.492 69-2.518 48lgΦ-0.037 89T+0.009 754TlgΦ。（7）

式（7）相关度为0.979。以上分析表明对于温度在30～75 ℃，含水率在10%～40%范围内的该稠油样品乳状液，公式（7）所表示的回归模型能够符合。

在实际中，较多地使用Richardson公式来计算稠油乳状液的表观黏度

μ = μ₀ exp（kΦ）。         （8）

式中： μ —乳状液黏度，mPa·s;

μ₀ —外相黏度，mPa·s;

k —常数;

Φ —内相体积分数。

而由于乳状液特性复杂，受许多变量的影响，并且实验的条件性很强^[12]，所以不同的研究者、不同的体系得出的k值有很大差别，如表4所示。

运用Richardson公式对稠油乳状液的黏温曲线进行拟合，计算得出k的值如图4所示。

由图4可以看出，在不同含水率和温度下得出的k值差异较大。含水率为10%～30%的乳状液在40～60 ℃时k值随温度增加而增加且变化较大，而当温度较高或较低时，k值变化较小;含水率为40%的乳状液在测量范围内其黏度呈现出先减小后增大的趋势。根据不同含水率下k值随温度变化的关系，对其进行回归分析，将k表示成温度T（℃）的函数，结果见表5。

从表5中可以看出拟合公式的相关度都比较高，说明可以利用这些公式对含水率为10%、20%、30%、40%稠油样品乳状液的k值进行计算。对于含水率在10%～40%的乳状液，可以利用插值法对回归方程的系数进行计算，具体方法参见文献[15]。

由图3可以看出，当稠油样品乳状液的含水率在10%～40%范围内时，在同一温度下乳状液黏度随含水率的升高而升高，而相同温度下含水率为50%的乳状液表观黏度要低于含水率为40%的乳状液表观黏度。这说明该稠油样品的反相点位于40%～50%之间。为了对其反相点的范围进行进一步地验证，利用Anton Paar MCR302可視化流变仪光学模块测试了稠油转相点附近乳状液的微观形态，该模块含有一个强光源和一个高分辨率显微镜，观察结果如图5和图6。

由图5、图6可知，在含水率为40%时，乳状液油相和水相分布均匀，而当含水率达到50%时，乳状液中油滴分散于水滴中，此时水滴为外相而油滴为内相。因此，图5、图6从微观形态方面进一步证明了该稠油样品的反相点位于40%～50%之间。

2.2.3  剪切速率对稠油乳状液黏度的影响

为了研究该稠油样品乳状液黏度与剪切速率之间的关系，对含水率为10%的稠油样品乳状液分别在30和50 ℃时的情况进行了测试，其结果如图7和图8所示。从图7可以看出，含水率为10%的稠油样品乳状液在30 ℃时，其黏度随着剪切速率的增大而减小，呈现出剪切稀释性，并且当剪切速率接近于零时，乳状液的剪切应力也接近于零，因此，含水率为10%的乳状液在30 ℃时呈现出假塑型流体（非牛顿流体）的特征。从图8中可以看出，含水率为10%的稠油样品乳状液在50 ℃时，其黏度基本不随剪切速率的变化而变化，呈现出牛顿流体的特性。以上分析表明剪切速率对稠油样品乳状液黏度的影响随温度的变化而变化。

3  结论

1）稠油样品本身的黏温特性在测量范围内能够很好地符合Arrhenius方程。

2）对稠油样品乳状液黏度与含水率、温度的关系进行综合分析，发现其关系能够符合基于对数关系而提出的模型。

3）对该稠油样品的乳状液的黏温关系运用Richardson公式拟合，并对公式中的k值进行了修正，提出在不同含水率下，k是关于温度T（℃）的不同的函数。

4）此次研究从微观的角度验证了该稠油样品的反相点在40%～50%之间。这对该油田今后的生产运营具有一定的参考价值。但是正是由于该稠油样品反相点在40%～50%之间，因此文中进行的关于乳状液的回归拟合计算只涉及到了油包水型乳状液，今后可以对含水率更高的水包油型乳状液进行更深入的研究。

5）剪切速率对该稠油样品乳状液黏度的影响随温度的变化而变化。

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