稠油及其乳狀液流變性研究

張嘉　羅浩勇

摘????? 要：以國內某油田稠油及其乳狀液為研究對象，采用Anton Paar MCR 302可視化流變儀對其黏溫特性和流變性進行研究。測量了稠油在不同溫度下的黏度，以及不同含水率、溫度及剪切速率下該稠油乳狀液的表觀黏度，根據實驗結果對其關系進行綜合分析，并觀察反相點附近的稠油乳狀液微觀形態。結果表明，該稠油的黏溫特性在測量范圍內能較好的符合Arrhenius方程，稠油乳狀液黏度與含水率、溫度的綜合關系能夠符合對數關系模型，在不同的含水率下，稠油乳狀液黏度公式Richardson公式中的k值是關于溫度的函數，從微觀上可以證明該稠油樣品的反相點在40%～50%之間，另外，剪切速率對稠油乳狀液黏度的影響隨溫度的變化而變化。因此，對稠油乳化降黏輸送時需考慮溫度、含水率及剪切速率等多種因素的影響。

關? 鍵? 詞：稠油;稠油乳狀液;黏溫特性;流變性;Arrhenius方程;Richardson公式

中圖分類號：TE832.3⁺33??? ???文獻標識碼： A?????? 文章編號： 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

稠油亦稱重質原油，是一種富含膠質和瀝青質的多烴類復雜混合物，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]。世界上稠油能源相當豐富，儲量很高，而我國的稠油資源正在被日趨廣泛的開發利用，顯示出良好的前景^[2]，因此，稠油資源的儲存和運輸問題正越來越受到廣泛的關注。然而稠油中的膠質和瀝青質造成其具有很大的黏度，這給稠油的運輸造成了極大的困難，國內外許多學者針對此問題也做了許多不同的研究^[3-5]。目前，對稠油摻活性水乳化是國內外稠油輸送過程中常用的降黏方法之一^[6]。因此，對稠油及其乳狀液黏溫特性及流變性的研究是具有實際意義的。

本次研究中，利用奧地利Anton Paar MCR 302可視化流變儀等對國內某油田的稠油及其乳狀液的黏溫特性、流變性進行了測量和研究。

1 ?實驗部分

1.1? 實驗原料

實驗中所用的油樣來自國內某油田，該稠油樣品的物性參數見表1，配制乳狀液用水為該油田聯合站的清水。

1.2 ?實驗器材

奧地利Anton Paar MCR 302可視化流變儀;AR2140電子天平，等級I，精度1/10 000;IKA數顯可控轉速攪拌器等。

2? 實驗結果與分析

2.1? 稠油樣品的黏溫特性

將收集自國內某油田的稠油樣品加熱到30 ℃，恒溫60 min，然后以1 ℃·min^-1的速度連續升溫到75 ℃，在剪切速率為60 s^-1的條件下，采用Anton Paar MCR 302可視化流變儀測量其不同溫度下的黏度值，其結果如圖1所示。

對該稠油樣品的黏溫曲線進行進一步研究，對Arrhenius方程進行變換得^[7]

lnμ = A+B/T。???????????? （1）

式中： μ —動力黏度，mPa·s;

A、B —常數;

T —熱力學溫度，K。

將圖1中稠油黏溫曲線轉化為lnμ～1/T曲線圖，其結果如圖2所示。

對圖2中的曲線進行線性回歸分析，得到方程lnμ=-18.931+8 803.7/T，其相關度為0.993，可以認為該稠油樣品的黏溫特性能夠很好的符合（1），即Arrhenius方程，這與文獻[8﹣9]的報道是一致的。另外，從圖2中可以看到這條曲線不是嚴格意義上的直線，而是發生了部分的偏離，這說明該稠油樣品在溫升過程中內部微觀結構發生了變化，其內部粒子間不僅僅是范德華力在起作用，很可能氫鍵等非分子間作用力也在該稠油樣品的溫升過程中起著作用。

2.2 ?稠油乳狀液的流變特性

2.2.1 ?稠油乳狀液的黏度

為了能把非牛頓流體的黏稠程度與牛頓流體的動力黏度作比較，往往引入表觀黏度的概念。表觀黏度即流體剪切應力與相對應的剪切速率的比值。例如，表示假塑型流體流變性的冪律方程為

式中： τ —剪切應力，Pa;

K —稠度系數;

n —流變行為指數。

則根據表觀黏度的概念

式中： μ_ap —表觀黏度，Pa·s;

τ —剪切應力，Pa;

K —稠度系數;

γ ? ?—剪切速率， ;

n —流變行為指數。

2.2.2 ?溫度及含水率對稠油乳狀液黏度的影響

為了研究溫度及含水率對稠油乳狀液黏度的影響，配制含水率為10%、20%、30%、40%、50%的5種乳狀液^[10]。文獻[11]認為稠油乳狀液的表觀黏度與含水率、溫度之間均呈對數關系。其中表觀黏度與溫度的關系為：

式中： μ —乳狀液黏度，mPa·s;

A、B —常數;

T —熱力學溫度，K。

而表觀黏度與含水率的關系為：

式中： μ —乳狀液黏度，mPa·s;

A、B —常數;

Φ —含水率，%。

圖3為不同含水率下稠油乳狀液的黏溫曲線。

對不同溫度下稠油樣品乳狀液黏度與含水率的關系式用公式（5）進行擬合，得到的結果如表2。

對不同含水率下的稠油樣品乳狀液的黏溫關系式用公式（4）進行擬合，得到的結果如表3。

對稠油樣品乳狀液黏度與溫度、含水率的關系進行綜合分析，并基于式（4）、式（5）的對數關系提出如下的回歸模型

lgμ =A+B lgΦ+CT +DT lgΦ。? ?????（6）

式中：μ—乳狀液黏度，mPa·s;

A、B、C、D —常數;

Φ —含水率，%;

T —熱力學溫度，K。

對此進行回歸分析，得到如下結果：

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

式（7）相關度為0.979。以上分析表明對于溫度在30～75 ℃，含水率在10%～40%范圍內的該稠油樣品乳狀液，公式（7）所表示的回歸模型能夠符合。

在實際中，較多地使用Richardson公式來計算稠油乳狀液的表觀黏度

μ = μ₀ exp（kΦ）。 ????????（8）

式中： μ —乳狀液黏度，mPa·s;

μ₀ —外相黏度，mPa·s;

k —常數;

Φ —內相體積分數。

而由于乳狀液特性復雜，受許多變量的影響，并且實驗的條件性很強^[12]，所以不同的研究者、不同的體系得出的k值有很大差別，如表4所示。

運用Richardson公式對稠油乳狀液的黏溫曲線進行擬合，計算得出k的值如圖4所示。

由圖4可以看出，在不同含水率和溫度下得出的k值差異較大。含水率為10%～30%的乳狀液在40～60 ℃時k值隨溫度增加而增加且變化較大，而當溫度較高或較低時，k值變化較小;含水率為40%的乳狀液在測量范圍內其黏度呈現出先減小后增大的趨勢。根據不同含水率下k值隨溫度變化的關系，對其進行回歸分析，將k表示成溫度T（℃）的函數，結果見表5。

從表5中可以看出擬合公式的相關度都比較高，說明可以利用這些公式對含水率為10%、20%、30%、40%稠油樣品乳狀液的k值進行計算。對于含水率在10%～40%的乳狀液，可以利用插值法對回歸方程的系數進行計算，具體方法參見文獻[15]。

由圖3可以看出，當稠油樣品乳狀液的含水率在10%～40%范圍內時，在同一溫度下乳狀液黏度隨含水率的升高而升高，而相同溫度下含水率為50%的乳狀液表觀黏度要低于含水率為40%的乳狀液表觀黏度。這說明該稠油樣品的反相點位于40%～50%之間。為了對其反相點的范圍進行進一步地驗證，利用Anton Paar MCR302可視化流變儀光學模塊測試了稠油轉相點附近乳狀液的微觀形態，該模塊含有一個強光源和一個高分辨率顯微鏡，觀察結果如圖5和圖6。

由圖5、圖6可知，在含水率為40%時，乳狀液油相和水相分布均勻，而當含水率達到50%時，乳狀液中油滴分散于水滴中，此時水滴為外相而油滴為內相。因此，圖5、圖6從微觀形態方面進一步證明了該稠油樣品的反相點位于40%～50%之間。

2.2.3 ?剪切速率對稠油乳狀液黏度的影響

為了研究該稠油樣品乳狀液黏度與剪切速率之間的關系，對含水率為10%的稠油樣品乳狀液分別在30和50 ℃時的情況進行了測試，其結果如圖7和圖8所示。從圖7可以看出，含水率為10%的稠油樣品乳狀液在30 ℃時，其黏度隨著剪切速率的增大而減小，呈現出剪切稀釋性，并且當剪切速率接近于零時，乳狀液的剪切應力也接近于零，因此，含水率為10%的乳狀液在30 ℃時呈現出假塑型流體（非牛頓流體）的特征。從圖8中可以看出，含水率為10%的稠油樣品乳狀液在50 ℃時，其黏度基本不隨剪切速率的變化而變化，呈現出牛頓流體的特性。以上分析表明剪切速率對稠油樣品乳狀液黏度的影響隨溫度的變化而變化。

3? 結論

1）稠油樣品本身的黏溫特性在測量范圍內能夠很好地符合Arrhenius方程。

2）對稠油樣品乳狀液黏度與含水率、溫度的關系進行綜合分析，發現其關系能夠符合基于對數關系而提出的模型。

3）對該稠油樣品的乳狀液的黏溫關系運用Richardson公式擬合，并對公式中的k值進行了修正，提出在不同含水率下，k是關于溫度T（℃）的不同的函數。

4）此次研究從微觀的角度驗證了該稠油樣品的反相點在40%～50%之間。這對該油田今后的生產運營具有一定的參考價值。但是正是由于該稠油樣品反相點在40%～50%之間，因此文中進行的關于乳狀液的回歸擬合計算只涉及到了油包水型乳狀液，今后可以對含水率更高的水包油型乳狀液進行更深入的研究。

5）剪切速率對該稠油樣品乳狀液黏度的影響隨溫度的變化而變化。

參考文獻：

[1]李傳憲. 原油流變學[M]. 東營：中國石油大學出版社，2006.

[2] 頓鐵軍. 中國稠油能源的開發與展望[J]. 西北地質，1995，16 （1）：32?35.

[3]敬加強，羅平亞，游萬模. 稠油特性及其輸送技術研究[J]. 特種油氣藏，2001，8（2）：53?55.

[4]RAFAEL MARTINEZ-PALOU，et al. Transportation of heavy and extra-heavy crude oil by pipeline： A review[J]. Petroleum Science and Engineering， 2011， 75： 274?282.

[5]HASAN S W. HASAN， et al. Heavy crude oil viscosity reduction and rheology for pipeline transportation[J]. Fuel， 2010， 89： 1095?1100.

[6]楊筱蘅. 輸油管道設計與管理[M]. 東營：中國石油大學出版社，2006.

[7]朱靜，李傳憲，辛培剛. 稠油黏溫特性及流變特性分析[J]. 石油化工高等學校學報，2011，24（2）：66?68.

[8]李向良，李相遠. 單6東超稠油黏溫及流變特征研究[J] . 油氣采收率技術，2000，7（3）： 12?14.

[9]趙法軍，劉永建，王廣昀. 大慶普通稠油黏溫及流變性研究[J]. 科學技術與工程，2010，10（31）：7644?7647.

[10]江延明，李傳憲. 油水乳狀液的制備[J]. 油氣田地面工程，2000，19（6）：21?22.

[11]嚴其柱，王凱，等. 河南油田含水稠油黏溫關系的研究[J]. 油氣儲運，2005，24（12）：36?41.

[12]繩德強，魏志宏. 稠油乳狀液的流變性實驗研究[J]. 特種油氣藏，1996，19（6）：43?46.

[13]趙福麟. 采油化學[M]. 東營：中國石油大學出版社，1994.

[14]陳茂濤，于書平，王滿學，等. O/W型稠油乳狀液流變性研究[J]. 油田化學， 1991，8（2）：137?142.

[15]DAVID L. MCCOLLUM， OGDEN JOAN M.. Techno-economic models for carbon dioxide compression， transport， and storage & correlations for estimating carbon dioxide density and viscosity[R]. University of California， 2006， 10， UCD?ITS?RR?06?14： 30?37.