稠油乳化降黏劑高溫穩(wěn)定性室內(nèi)評價(jià)

田 聰，文富民，王睿麒，李 晨，李 俊，陳文斯

（重慶科技學(xué)院石油與天然氣工程學(xué)院，重慶 401331）

稠油是我國油氣資源的重要組成部分。我國高黏度重質(zhì)稠油資源分布廣泛，地質(zhì)儲(chǔ)量達(dá)1 640 Mt，約占我國探明可開采石油儲(chǔ)量的1/2[1-3]。而其較高的黏度在一定程度上制約了其在輸送過程中的可流動(dòng)性，給開采過程帶來了很大的困難。為了降低稠油在井筒及集輸管線中的黏度，同時(shí)解決稠油油層及井筒稠油堵塞問題，在開發(fā)生產(chǎn)中常采用節(jié)能、乳化效果顯著和破乳相對容易的降凝降黏技術(shù)，來增加原油的流動(dòng)性，以提高稠油開采效率，保證稠油開采的順利進(jìn)行[4]。Turbiscan Lab 型分散穩(wěn)定性分析儀是基于多重光散射技術(shù)，通過對發(fā)射到測試樣品上的透射光和背散射光強(qiáng)度的平均變化進(jìn)行測量，進(jìn)而分析分散相粒子的運(yùn)動(dòng)以及各體系穩(wěn)定性參量的變化[5-9]，并通過對比各試樣的高溫處理前后分散不穩(wěn)定性參數(shù)S分離值，給出直觀的液體體系穩(wěn)定性評價(jià)結(jié)果。以乳化降黏劑AOS 和MES 入手，從高溫處理前后的表面張力以及動(dòng)力學(xué)不穩(wěn)定性變化分析兩種乳化降黏劑的高溫穩(wěn)定性，結(jié)合乳化降黏效果評價(jià)，對兩種降黏劑的高溫穩(wěn)定性進(jìn)行對比評價(jià)。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 主要試劑與儀器

主要試劑：渤海區(qū)段采出稠油、AOS、MES；

主要儀器：Attension 表面張力儀；Brookfield 旋轉(zhuǎn)黏度計(jì)；Turbiscan Lab 型分散穩(wěn)定性分析儀，法國Formulaction 公司生產(chǎn)。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

稠油與水界面能很高，不易形成O/W 乳狀液。加入表面活性劑可以有效地降低油水界面張力，使油水易于形成O/W 乳狀液[10]，提高乳狀液的穩(wěn)定性。利用Attension 表面張力儀分析降黏劑溶液在0.05 %、0.08 %、0.10 %、0.18 %、0.50 %、0.80 %和1.50 %濃度條件下的表面張力在高溫處理前后的變化，通過對比前后的表面張力變化情況，得到兩種乳化降黏劑的高溫穩(wěn)定性。

利用Brookfield 旋轉(zhuǎn)黏度計(jì)進(jìn)行降黏率測定實(shí)驗(yàn)，將AOS 配制為0.3 %、0.6 %濃度的溶液，MES 配制為1.0 %、2.0 %濃度的溶液，50 ℃高溫老化1 h，將上述濃度種類按照油水比7：3 的比例加入目標(biāo)稠油，50 ℃恒溫1 h，利用Brookfield 旋轉(zhuǎn)黏度計(jì)測量剪切率在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，并計(jì)算降黏率。

式（1）中：f-降黏率；μ0-加入高溫稠油降黏劑前原油黏度，mPa·s；μ-加入高溫稠油降黏劑后原油黏度，mPa·s。

對O/W 型乳狀液加工之前，必須對其破乳脫水，以減少管道和設(shè)備腐蝕[11]，對兩種降黏劑進(jìn)行脫水率測定實(shí)驗(yàn)，分別將AOS 配制濃度為0.3 %和0.6 %各20 mL，MES 配制濃度為1.0%和2.0 %各20 mL，300 ℃高溫老化后，按照油水比7:3 配制稠油樣液，在恒溫50 ℃1 h 后，利用乳化分散儀器在6 000 r/min 轉(zhuǎn)數(shù)下，乳化攪拌2 min，取乳化攪拌后的分散液6 mL 加入10 mL 量筒中，50 ℃水浴鍋水浴1 h，讀取并計(jì)算脫水率。根據(jù)脫水率公式：

式（2）中：S-自然沉降脫水率；V-稠油乳液靜止后的脫水體積，mL；6-12 mL 稠油乳液的含水量，mL。通過對前后降黏率和脫水率的對比評價(jià)降黏劑的乳化降黏效果。

利用Turbiscan Lab 型分散穩(wěn)定性分析儀分析稠油乳狀液的高溫處理前后的穩(wěn)定性，取乳化分散后的乳狀液量20 mL 加入試劑瓶中，在保持5 min 靜置后，放入實(shí)驗(yàn)儀器。實(shí)驗(yàn)中，Turbiscan Lab 參數(shù)設(shè)置為：間隔25 s 掃描1 次獲取一組透射光和散射光強(qiáng)度數(shù)據(jù)，測試時(shí)間為1 h，測試高度為40 mm，溫度為30 ℃，得到動(dòng)力學(xué)不穩(wěn)定性參數(shù)TSI。為將TSI 曲線的動(dòng)態(tài)變化轉(zhuǎn)化為靜態(tài)的數(shù)值，通過利用STDEV 函數(shù)對動(dòng)力學(xué)不穩(wěn)定性參數(shù)進(jìn)行處理，STDEV 稱為基于樣本估算標(biāo)準(zhǔn)偏差。通過分析便得到反映數(shù)值相對于平均值（mean）的離散程度的S分離值：

式（3）中：Xi-每60 s 平均動(dòng)力學(xué)不穩(wěn)定性參數(shù)；XT-Xi的平均值；n-重復(fù)測量次數(shù)。分析高溫處理前后的TSI 與S分離值變化情況判定乳化降黏劑的高溫穩(wěn)定性。

2 結(jié)果與討論

2.1 表面張力變化評價(jià)

為了解AOS 和MES 兩種乳化降黏劑在高溫處理前后的穩(wěn)定性差異，研究從高溫前后的表面張力變化入手。在降黏劑理論研究中，表面活性劑溶液與稠油接觸形成O/W 型乳狀液，油便分散在表面活性劑水溶液中，表面活性劑分子通過吸附于油珠周圍，形成定向單分子或多分子保護(hù)膜，從而防止了油珠重新聚合，在乳狀液流動(dòng)過程中對管壁摩擦力和分子內(nèi)摩擦力減弱[12]。通過Attension 表面張力儀分析測定得到的50 ℃和耐溫300 ℃條件下兩種降黏劑的表面張力情況進(jìn)行對比。

兩種降黏劑的高溫穩(wěn)定性由圖1 對比可以看出，AOS 在50 ℃與300 ℃高溫處理后的表面張力無較大變化；MES 在50 ℃與300 ℃高溫處理后的表面張力變化差異大；通過計(jì)算兩種變化情況的平均變化率，AOS高溫處理前后的平均變化率約為0.86 %，MES 約為12.38 %。分析數(shù)據(jù)結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)在300 ℃高溫處理后，AOS 的高溫穩(wěn)定性要明顯優(yōu)于MES，表明溫度的高低對于降黏劑的穩(wěn)定性是存在影響的，較高的地層溫度會(huì)在一定程度上降低降黏劑的穩(wěn)定性。

圖1 50 ℃與300 ℃AOS 與MES 表面張力對比圖Fig.1 Comparison of surface tension between 50 ℃and 300 ℃AOS and MES

2.2 乳化降黏效果評價(jià)

乳化劑效果評價(jià)主要以乳狀液表觀黏度值和靜態(tài)穩(wěn)定性兩項(xiàng)指標(biāo)為依據(jù)，通過分析兩項(xiàng)指標(biāo)從而獲得使乳狀液穩(wěn)定性好、表觀黏度低的乳化劑[13]。計(jì)算得到兩種降黏劑表觀黏度值對應(yīng)的降黏率（見表1）。

表1 不同降黏劑降黏率Tab.1 Viscosity reduction ratio of different viscosity reducer

兩種降黏劑表觀黏度值對應(yīng)的降黏率進(jìn)行對比，AOS 降黏率在97 %以上，MES 降黏率在98 %以上，兩種乳化降黏劑的降黏率基本相同，表明兩種降黏劑的降黏性能并未存在較大差別。

脫水率可用于衡量乳狀液的靜態(tài)穩(wěn)定性，稠油乳狀液在采出進(jìn)行脫水處理時(shí)，單位時(shí)間內(nèi)脫水率越高則表征降黏劑的破乳能力越好，穩(wěn)定性越優(yōu)，對節(jié)約時(shí)間成本越有意義（見表2）。

表2 耐溫后AOS 和MES 的脫水率Tab.2 Dehydration rate of AOS and MES after temperature resistance

高溫處理后的兩種降黏劑乳狀液在靜態(tài)穩(wěn)定性上表現(xiàn)為，當(dāng)AOS 濃度為0.3 %時(shí)，該乳狀液的脫水率為86.67 %，MES 濃度為1.0 %時(shí)，乳狀液的脫水沉降率為81.67 %，兩種降黏劑的靜態(tài)穩(wěn)定性AOS 要比MES效果較好。

2.3 乳化降黏劑乳狀液穩(wěn)定性評價(jià)

為進(jìn)一步的評價(jià)兩種乳化降黏劑的高溫穩(wěn)定性，實(shí)驗(yàn)利用Turbiscan Lab 型分散穩(wěn)定性分析儀，按照實(shí)驗(yàn)方法對AOS 和MES 兩種乳化降黏劑在50 ℃和300 ℃高溫處理前后所配制的稠油乳狀液掃描，得到掃描時(shí)間與背散射光沿盛放試樣用玻璃測試室高度的變化曲線（見圖2）。

為直觀地比較相關(guān)試樣的穩(wěn)定性差異，將背散射光變化量經(jīng)微積分處理后得出動(dòng)力學(xué)不穩(wěn)定性參數(shù)（TSI），經(jīng)軟件處理（見圖3）。

圖2 各種試樣稠油乳狀液掃描圖譜Fig.2 Scanning map of various samples of heavy oil emulsion

圖3 各種試樣稠油乳狀液動(dòng)力學(xué)不穩(wěn)定性圖譜Fig.3 Kinetic instability map of various samples of heavy oil emulsion

相關(guān)研究表明，分散相粒子的平均直徑和體積分?jǐn)?shù)直接決定著背散射光強(qiáng)度的變化程度，反映體系的穩(wěn)定程度[14]，TSI 曲線指數(shù)越小表示樣品體系越穩(wěn)定[15，16]。由圖3 分析高溫處理前后的TSI 變化值，60 min 后AOS 的0.3 %和0.6 %濃度的TSI 值分別從50 ℃的0.00～0.29 和0.00～0.22變?yōu)?00 ℃高溫處理后的0.00～0.27 和0.00～0.49，兩種濃度對應(yīng)的變化量分別約0.02 和0.27，MES 的兩種濃度的TSI 則由50 ℃的0.00～0.58 和0.00～0.15變?yōu)?00 ℃高溫處理后的0.00～0.71 和0.00～0.79，對應(yīng)的變化量分別約0.13 和0.64。對比高溫處理前后兩種降黏劑的TSI 以及對應(yīng)變化量可以看出，AOS 的高溫穩(wěn)定性優(yōu)于MES。

利用STDEV 函數(shù)對動(dòng)力學(xué)不穩(wěn)定性參數(shù)進(jìn)行處理，得到反映數(shù)值相對于平均值（mean）的離散程度的S分離值（見表3）。

表3 STDEV 函數(shù)處理結(jié)果表Tab.3 STDEV function processing result table

根據(jù)STDEV 函數(shù)的定義，S分離值越小則表明在靜置過程中稠油乳狀液的穩(wěn)定性越好，高溫處理前后的S分離值越接近則表明降黏劑的高溫穩(wěn)定性越好。分析所計(jì)算出的S分離值數(shù)據(jù)得出，在50 ℃與300 ℃條件下，兩種濃度的AOS 與MES 的S分離值均發(fā)生相對變化，對比同一濃度高溫處理前后的S分離值變化量，AOS 的S分離值變化量（0.016 9 和0.071 1）相對于MES 的S分離值變化量（0.039 4 和0.196 2）平均較低，表明在高溫處理前后兩種降黏劑的高溫穩(wěn)定性AOS 要優(yōu)于MES 且在高溫處理后，AOS 的S分離值（0.066 8 和0.130 0）也相對小于MES 的S分離值（0.187 4 和0.236 4），可以看出AOS在300 ℃高溫處理后其基本性質(zhì)并未發(fā)生較大改變，高溫穩(wěn)定性總體上要優(yōu)于MES，而這一結(jié)果與所測定的高溫處理后的表面張力的結(jié)論一致。

3 結(jié)論

（1）對降黏劑溶液的表面張力進(jìn)行分析可以得出，無論是AOS 還是MES，其在經(jīng)受300 ℃高溫后，其穩(wěn)定性均呈現(xiàn)了一定幅度的降低，AOS 的改變率表現(xiàn)為0.86 %，MES 表現(xiàn)為12.38 %，高溫穩(wěn)定性方面AOS 優(yōu)于MES。

（2）從乳狀液表觀黏度值和靜態(tài)穩(wěn)定性兩項(xiàng)指標(biāo)分析，兩種降黏劑的降黏率分別為AOS＞97 %，MES＞98 %；脫水率AOS 濃度為0.3 %時(shí)，為86.67 %，MES濃度為1.0 %時(shí)，為81.67 %。

（3）通過運(yùn)用Turbiscan Lab 型分散穩(wěn)定性分析儀求解動(dòng)力學(xué)不穩(wěn)定性參數(shù)得到，高溫處理對兩種乳化降黏劑均造成了影響，分析動(dòng)力學(xué)穩(wěn)定性參數(shù)TSI，兩種濃度的AOS 高溫處理后TSI 變化量僅為0.02 和0.27，MES 對應(yīng)TSI 變化量則為0.13 和0.64。分析S分離值，在高溫處理后，兩種濃度AOS 的S分離值僅為0.066 8和0.130 0 也相對小于MES 的0.187 4 和0.236 4，AOS 的穩(wěn)定性總體上均優(yōu)于MES。