化學(xué)劑濃度對(duì)大慶油田乳狀液穩(wěn)定性的影響

趙紅運(yùn)，孫靈輝，劉衛(wèi)東，蕭漢敏，叢蘇男，康詩釗

(1.上海應(yīng)用技術(shù)大學(xué) 化學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院，上海 201400；2.中國石油勘探開發(fā)研究院， 北京 100083；3.中國科學(xué)院大學(xué)，北京 100190)

原油在三元復(fù)合驅(qū)的開采過程中，伴隨著強(qiáng)烈的乳化現(xiàn)象[1-3]，絕大多數(shù)原油以乳狀液的形式采出[4]，因此乳狀液一直是三次采油的研究熱點(diǎn)[5-9]，但是乳狀液本身的不穩(wěn)定性[10]和不透明性[11-12]，加深了對(duì)其的研究難度。目前檢測(cè)乳狀液穩(wěn)定性的方法可分為宏觀相、介觀粒度、微觀界面檢測(cè)[13]，之前受實(shí)驗(yàn)室條件的制約，使用多種檢測(cè)方法對(duì)乳狀液的穩(wěn)定性進(jìn)行復(fù)合評(píng)價(jià)的研究較少[14]。

本文針對(duì)大慶某油田，采用瓶試法、顯微統(tǒng)計(jì)法、光散射技術(shù)[5]，從宏觀和介觀的角度，探討了化學(xué)劑濃度的變化對(duì)乳狀液粒徑與穩(wěn)定性的影響，為大慶油田進(jìn)一步通過原油乳化來提高采收率提供了實(shí)驗(yàn)支撐。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 材料與儀器

實(shí)驗(yàn)用油為大慶脫氣脫水原油；石油磺酸鹽(有效濃度50%)、部分水解聚丙烯酰胺(相對(duì)分子質(zhì)量2 500萬)均來源于大慶煉化公司；NaOH，分析純；模擬污水礦化度為5 608.3 mg/L，離子成分見表1。

DE-100LA型高速剪切分散乳化機(jī)；TURB I SCANL ABEXPERT型全能近紅外穩(wěn)定性分析儀；Axbstar Plus顯微鏡；DIN5309型黏度計(jì)；YP300001型電子天平；HH·SII-I恒溫水浴鍋。

表1 模擬水離子成分表Table 1 Simulated water ion composition table

1.2 乳狀液制備

使用高速剪切分散乳化機(jī)將100 g三元體系(0.3%表面活性劑+1.2%堿+2 000 mg/L聚合物)與100 g模擬油(原油與航空煤油混合配制，45 ℃下黏度為10 mPa·s)混合，將其放置在45 ℃ 的恒溫水浴鍋內(nèi)2 h，然后在恒溫的條件下，使用高速剪切乳化機(jī)進(jìn)行乳化，剪切機(jī)轉(zhuǎn)速為3 500 r/min，剪切乳化時(shí)間15 min。以乳狀液不同時(shí)間的析水率曲線評(píng)價(jià)乳狀液宏觀相的穩(wěn)定性；使用生物熒光顯微鏡分析乳狀液的粒徑組成，為保證乳狀液平均粒徑數(shù)據(jù)的精確性，每組實(shí)驗(yàn)乳狀液液滴測(cè)量數(shù)量至少為100個(gè)。

1.3 乳狀液穩(wěn)定性評(píng)價(jià)

使用全能紅外穩(wěn)定性分析儀評(píng)價(jià)乳狀液穩(wěn)定性，將制備好的樣品迅速裝入玻璃瓶中，放入45 ℃恒溫密閉的檢測(cè)室內(nèi)，使用近紅外光源進(jìn)行照射，利用兩個(gè)同步的探測(cè)器，分別測(cè)量透射光和背散光強(qiáng)度，可以得到光子(傳輸)平均自由程(l*)，光子平均自由程和乳狀液的體積濃度和粒徑有關(guān)，單位粒度越大粒徑越小，光子平均自由程越小[5，15]，見式(1)[13]。穩(wěn)定性系數(shù)TSI與l*呈正相關(guān)，測(cè)試的TSI越大則乳狀液體系穩(wěn)定性越差[16]。

(1)

其中，d為液滴平均粒徑，μm；g和QS米氏常數(shù)；φ為分散相體積分?jǐn)?shù)。

2 結(jié)果與討論

2.1 聚合物濃度對(duì)乳狀液穩(wěn)定性的影響

圖1為不同聚合物濃度析水率與時(shí)間關(guān)系曲線圖。

由圖1可知，隨著時(shí)間的增加，油水兩相不斷分離，即實(shí)驗(yàn)開始時(shí)析水率不斷增加，后期維持不變。實(shí)驗(yàn)前期聚合物濃度越大，析水率增加速度越慢，且析水率穩(wěn)定數(shù)值越小。這是由于聚合物濃度不斷增加，可以吸附在油水界面形成一種保護(hù)殼，增加油水界面膜的剛性，抑制乳狀液的聚并；同時(shí)聚合物濃度增加還可以增加乳化體系黏度，降低乳狀液的碰撞幾率。

圖1 不同聚合物濃度析水率隨時(shí)間變化曲線圖Fig.1 Curves of water evolution rate with change time at different polymer concentrations

圖2為穩(wěn)定性系數(shù)、平均粒徑隨聚合物濃度變化關(guān)系曲線圖。

圖2 TSI、平均粒徑隨聚合物濃度變化曲線圖 Fig.2 TSI，graph of the relationship between average particle size and polymer concentration

由圖2可知，隨著聚合物濃度增加，乳狀液穩(wěn)定性系數(shù)不斷減小，乳狀液穩(wěn)定性不斷增加。其中聚合物濃度在500～1 500 mg/L時(shí)穩(wěn)定系數(shù)迅速下降，聚合物濃度為1 500～2 000 mg/L時(shí)穩(wěn)定系數(shù)下降幅度極為緩慢。由圖2還可知，聚合物濃度增加，乳狀液的平均粒徑不斷下降，乳狀液穩(wěn)定性不斷增加，且聚合物濃度在1 500～2 000 mg/L時(shí)，乳狀液的平均粒徑下降最大。綜合圖2 中數(shù)據(jù)可知，提升乳狀液穩(wěn)定性的最佳聚合物濃度為2 000 mg/L，超過此數(shù)值時(shí)，乳狀液的穩(wěn)定性系數(shù)和平均粒徑變化幅度較小。

2.2 表面活性劑濃度對(duì)乳狀液穩(wěn)定性的影響

圖3為不同表面活性劑濃度的乳狀液析水率隨時(shí)間變化的曲線。

由圖3可知，隨著時(shí)間的增加，乳狀液的析水率均呈現(xiàn)增加的趨勢(shì)。通過對(duì)比不同表面活性劑濃度的析水率曲線可以發(fā)現(xiàn)，表面活性劑濃度越大，乳狀液析水率變化速率越慢，且析水率穩(wěn)定后數(shù)值越小，即表面活性劑濃度增加有利于乳狀液穩(wěn)定性增加。

圖3 不同表面活性劑濃度析水率隨時(shí)間變化曲線圖Fig.3 Curves of water evolution rate with change time at different surface active agent concentrations

圖4為穩(wěn)定性系數(shù)和平均粒徑隨表面活性劑濃度變化的曲線。

圖4 TSI、平均粒徑隨表面活性劑濃度變化曲線圖Fig.4 TSI，graph of the relationship between average particle size and surface active agent concentration

由圖4可知，乳狀液中表面活性劑濃度增加，穩(wěn)定性系數(shù)不斷減小，乳狀液的平均粒徑不斷下降，且其變化曲線均近似為一條直線。表面活性劑濃度增大，既可以減小界面張力，使乳狀液粒徑變小，同時(shí)又可以增加油水界面吸附活性物質(zhì)的數(shù)量，使界面體系穩(wěn)定，使得變化曲線接近為一條直線，綜合來看，在實(shí)驗(yàn)范圍內(nèi)提升乳狀液穩(wěn)定性的最佳表面活性劑濃度為0.5%。

2.3 堿濃度對(duì)乳狀液穩(wěn)定性的影響

圖5為不同堿濃度的乳狀液析水率隨時(shí)間變化的曲線。

由圖5可知，隨著時(shí)間的增加，乳狀液的析水率均呈現(xiàn)增加的趨勢(shì)。通過對(duì)比不同堿濃度的析水率曲線可以發(fā)現(xiàn)，堿濃度為0.2%時(shí)，乳狀液的析水率曲線變化幅度最大；堿濃度為0.4%時(shí)，乳狀液的析水率曲線隨時(shí)間的變化幅度最小；堿濃度繼續(xù)增加時(shí)，乳狀液的析水率曲線隨時(shí)間的變化幅度加快，這表明過高或過低的堿濃度均不利于乳狀液的穩(wěn)定性。

圖5 不同堿濃度析水率隨時(shí)間變化曲線圖Fig.5 Curves of water evolution rate with change time at different alkali concentrations

圖6為穩(wěn)定性系數(shù)和平均粒徑隨堿濃度變化的曲線。

圖6 TSI、平均粒徑隨表面活性劑濃度變化曲線圖Fig.6 TSI，graph of the relationship between average particle size and alkali concentration

由圖6可知，乳狀液中堿濃度增加，穩(wěn)定性系數(shù)先減小后增加。堿濃度在0.2%～0.4%范圍時(shí)，穩(wěn)定性系數(shù)迅速下降，堿濃度在0.4%～1.2%范圍時(shí)，穩(wěn)定性系數(shù)緩慢增加，即三元體系中堿濃度為0.4%時(shí)，形成的乳狀液最穩(wěn)定。由圖6還可知，堿濃度增加，乳狀液的平均粒徑呈現(xiàn)先下降后增加的趨勢(shì)，其變化曲線與穩(wěn)定性系數(shù)曲線的變化保持一致。堿濃度為0.2%時(shí)，過低的堿含量與原油無法生成足夠的表面活性物質(zhì)，無法滿足提高乳狀液穩(wěn)定性的要求，所以乳化體系的穩(wěn)定系數(shù)和平均粒徑較大。堿濃度>0.4%以后，堿含量逐漸增大，較高的pH值又會(huì)使表面活性劑組分分解，削弱其乳化作用；另一方面，堿含量增大，會(huì)降低體系黏度，同時(shí)還會(huì)增加乳化體系的離子濃度，使得液滴表面的雙電子層受到壓縮，這些作用共同使乳液碰撞幾率增加，加速了乳狀液的聚并和分層，這些作用共同使乳化體系的穩(wěn)定系數(shù)和平均粒徑不斷增加，綜合實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析，堿濃度為0.4%時(shí)，乳狀液體系穩(wěn)定性最佳。

3 結(jié)論

(1)聚合物在乳化體系中，主要起到增加界面膜的剛性與體系黏度的作用，聚合物濃度增加，乳狀液穩(wěn)定性增加。對(duì)大慶油田而言，提高乳狀液的穩(wěn)定性最佳聚合物濃度為2 000 mg/L，繼續(xù)增加聚合物濃度，乳狀液體系穩(wěn)定性提升幅度有限。

(2)表面活性劑在乳化體系中，既可以降低界面張力，又可以增加界面膜的強(qiáng)度，表面活性劑濃度增加，乳狀液穩(wěn)定性增加。乳化體系的穩(wěn)定性系數(shù)、粒徑與表面活性劑濃度呈近似線性變化，表面活性劑濃度為0.5%時(shí)，乳化體系穩(wěn)定性最佳。

(3)堿對(duì)乳化體系的作用機(jī)理較為復(fù)雜，適量的堿濃度可以增加乳狀液的穩(wěn)定性，過高的堿濃度會(huì)增加pH值、壓縮雙電子層、降低體系黏度，使得乳狀液的穩(wěn)定性減小。堿濃度為0.4%時(shí)，乳狀液平均粒徑最小，乳化體系最為穩(wěn)定。