基于原油物性定量表征的油包水乳狀液黏度預測模型*

羅海軍，文江波，宋 揚，王志華

（1.提高油氣采收率教育部重點實驗室（東北石油大學），黑龍江大慶 163318；2.廣東石油化工學院石油工程學院，廣東茂名 525000；3.中國石油大學（華東）儲運與建筑工程學院，山東青島 266580）

0 前言

在陸上及海上油田的開發過程中，一般采用油水混輸工藝對采出液進行集輸。原油、水在混輸過程中，受到管流的剪切作用相互摻混，很容易形成乳狀液。乳狀液的形成會大幅提高油水兩相體系的表觀黏度，導致管流摩阻增加，進而影響混輸管道的流動特性［1-3］。

原油中富含瀝青質、膠質、蠟、機械雜質和酸性化合物等天然界面活性物質。這些物質是導致原油、水發生乳化并形成乳狀液的關鍵，進而也是影響原油乳狀液黏度特性的關鍵因素［4］。瀝青質具有高效的界面活性，能吸附在油水界面上，形成具有一定機械強度的黏彈性界面膜；較高的瀝青質濃度會增強界面膜的厚度和強度，從而形成穩定性更高、黏度更大的原油乳狀液［5-6］。膠質與瀝青質屬于同一類物質，其相對分子質量和極性均略小于瀝青質。在乳化過程中，膠質與瀝青質具有協同作用。少量的膠質會增強瀝青質在界面膜上的吸附親和性，而較大量的膠質會促進瀝青質在界面膜上的分散，從而削弱界面膜的結構強度［7-9］。原油中析出的蠟可以形成空間網絡結構，有效地封裝分散相液滴，蠟晶顆粒也可以在界面膜上聚集，阻止液滴聚結。原油中蠟含量越高，乳化強度越大，形成的乳狀液穩定性和黏度也越高［10-11］。原油中的固體微粒等機械雜質具有與蠟晶顆粒相似的界面活性。微米或納米尺度的無機固體顆粒不僅可以提高原油的黏度，而且可以增強油水界面膜的結構強度，提高乳狀液的穩定性［12-13］。原油中含有許多酸性化合物，包括羧基酸、環烷酸、瀝青酸等［14］。酸性化合物可以單獨吸附在油水界面上，也可以與堿反應生成新的界面活性物質，對乳狀液的界面膜性質、穩定性及黏度特性具有重要作用［15-16］。

準確預測原油乳狀液的黏度對于油水混輸管道設計、運行具有重要意義。目前，國內外學者已經提出了較多的模型用于預測乳狀液的黏度。提出較早并被廣泛使用的乳狀液黏度模型包括Einstein 模 型［17］、Vand 模 型［18］、Taylor 模 型［19］、Richardson 模型［20］等。在這之后，Broughton 等［21］、Mooney［22］、Marsden［23］相繼提出了基于Richardson方程的改進模型。Phan-Thien等［24］采用連續介質理論進行推導，提出了基于Taylor 方程的改進模型。Pal［25］考慮了乳狀液中界面活性劑的影響，基于Phan-Thien 方程提出了新的改進模型。在當前階段，Dan等［26］、Azodi等［27］、do Carmo等［28］、Shi等［29］相繼提出了考慮連續相黏度、分散相體積分數、剪切速率、溫度、乳化劑濃度等因素影響的乳狀液黏度預測模型。

在含水率較低時，混輸管道中的原油能將水相全部乳化，形成較穩定的油包水（W/O）乳狀液；在高含水時，原油只能將其中一部分水乳化，形成油包水乳狀液與游離水的摻混體系［2］。準確預測油包水乳狀液的表觀黏度對于指導油水混輸管道運行至關重要。上述乳狀液黏度模型的主要局限性在于：模型沒有與原油物性進行定量關聯，而且往往含有需要通過實驗確定的待定參數，導致模型不能方便地應用于不同的原油-水體系。筆者采用8 種不同物性的原油制成油包水乳狀液，通過流變儀考察乳狀液的黏度特性，研究了溫度、含水率及剪切速率對乳狀液表觀黏度的影響。以實驗數據為基礎，并對原油物性進行定量分析，建立了適用于不同原油、不同剪切條件的油包水乳狀液黏度預測模型。

1 實驗部分

1.1 材料與儀器

1#—8#原油，茂名石化公司，物性參數如表1所示；超純水，自制。

表1 8種原油的物性參數

RW 20 攪拌器，德國IKA 公司；Rheolab QC 旋轉流變儀，奧地利Anton Paar公司。

1.2 實驗方法

黃啟玉等［30］的研究指出，在攪拌轉速為500 r/min、溫度為40～50 ℃、攪拌時間為10 min 的條件下，將原油-水混合液進行攪拌制得原油乳狀液，其黏度與現場取樣的原油乳狀液黏度非常接近，可以將該實驗條件作為實驗室制備乳狀液的依據。本文采用RW 20 攪拌器，在剪切強度為500 r/min、體積含水率（φw）為0.30～0.60、溫度為30～60 ℃、攪拌時間為10 min 的實驗條件下，將上述8 種原油與超純水混合攪拌，制備油包水乳狀液。

根據石油天然氣行業標準SY/T 0520—2008《原油黏度測定：旋轉黏度計平衡法》，采用旋轉流變儀測定油包水乳狀液的黏度。

2 結果與討論

2.1 油包水乳狀液表觀黏度與溫度、剪切速率的關系

以1#—4#原油為例，油包水乳狀液的表觀黏度隨溫度、剪切速率的變化如圖1 所示。原油與水混合形成油包水乳狀液后，相較于純原油黏度，乳狀液黏度大幅提升。由圖1 可知，各種原油的油包水乳狀液表觀黏度均隨溫度升高而減小。在30～50 ℃范圍內，乳狀液黏度降幅較大；在50～60 ℃范圍內，乳狀液黏度的下降趨勢逐漸趨于平緩。各種原油的油包水乳狀液表觀黏度均隨剪切速率的增加而減小，體現出一定的剪切稀釋性。結合原油的物性參數（表1）可知，原油中瀝青質、膠質、蠟等界面活性物質的含量越高，其油包水乳狀液的表觀黏度越大，非牛頓性越強，剪切稀釋性越顯著；反之，則乳狀液的表觀黏度較小，剪切稀釋性減弱。

圖1 體積含水率不同的油包水乳狀液表觀黏度隨溫度、剪切速率的變化

2.2 油包水乳狀液表觀黏度與含水率的關系

以5#—8#原油為例，油包水乳狀液表觀黏度隨含水率的變化如圖2 所示。4 種原油的油包水乳狀液表觀黏度均隨含水率的增加而逐漸增大，在0.30～0.40 的較低含水率范圍內，乳狀液黏度增長緩慢；在0.40～0.60的較高含水率范圍內，乳狀液黏度的增幅顯著變大。水相作為油包水乳狀液的內相，其含量越高，則意味著分散在原油中的液滴數量越多，對于乳狀液體系的流動阻滯作用越強，使得黏度顯著增大。另外，隨著溫度上升，表觀黏度-含水率曲線逐漸趨于平緩，乳狀液表觀黏度的增幅逐漸減小。

圖2 在不同剪切速率下油包水乳狀液表觀黏度隨含水率的變化

3 油包水乳狀液黏度預測模型

3.1 黏度模型方程

由上述實驗結果可知，油包水乳狀液具有較強的剪切稀釋性，是一種典型的假塑性流體，可采用冪率模型來描述其流變特性［31］，即：

其中，τ—剪切應力，mPa；—剪切速率，s-1；K—稠度系數，mPa·sn；n—流變特性指數。

則油包水乳狀液的表觀黏度方程為［31］：

其中，μa—表觀黏度，mPa·s。

K、n值的確定方法如下。（1）在采用旋轉流變儀測試乳狀液黏度時，選用5 個遞增的剪切速率值對乳狀液進行剪切，一般可選用100、150、200、250、300 s-1。剪切速率值可根據預估流體黏度進行調整：流體黏度越大，選用剪切速率越小；流體黏度越小，則選用剪切速率越大。每個剪切速率可設置3～5 min 的剪切時間，剪切時間也可根據預估流體黏度進行調整，目的是讓剪切達到平衡。（2）參數設置完成后，啟動旋轉流變儀進行測量，即可獲得每個下對應的μa。然后，將黏度值與對應剪切速率相乘，得到每個剪切速率下對應的剪切應力，即τ=μa。（3）以5組τ、實驗數據為基礎，采用式（1）進行擬合，即可得到相應實驗條件下的K、n值。

3.2 K、n值隨含水率和溫度的變化

在上述黏度方程中，K反映了乳狀液的黏稠程度，n反映了乳狀液偏離牛頓流體的程度。K值越大，意味著乳狀液越黏稠；n值越小，意味著乳狀液的非牛頓特性越顯著。以1#、2#原油為例，K、n值隨含水率和溫度的變化如圖3、圖4所示。

圖3 油包水乳狀液的K（a）、n（b）值隨含水率的變化

圖4 油包水乳狀液的K（a）、n（b）值隨溫度的變化

由圖3可知，隨著含水率上升，油包水乳狀液的K值逐漸增大，而n值逐漸減小。這表明，隨著含水率上升，油包水乳狀液的黏稠程度升高，同時非牛頓特性增強，黏度增大，流動性能變差。由圖4 可知，隨著溫度升高，油包水乳狀液的K值逐漸減小，而n值逐漸增大。這表明，隨著溫度升高，油包水乳狀液的黏稠程度降低，同時非牛頓特性減弱，黏度減小，流動性能變好。另外，綜合圖3、圖4 來看，由于1#、2#原油的物性不同，其油包水乳狀液的K、n值存在顯著差異。

綜上所述，油包水乳狀液的K值及n值與含水率、溫度及原油物性密切相關。若使用黏度方程式（2）來計算油包水乳狀液的黏度，必須首先確定K、n值。因此，為了方便黏度方程的應用，有必要將K、n值進行量化，即建立K、n與含水率、溫度及原油物性之間的定量關系式。

3.3 K、n值與含水率、溫度及原油物性的定量關系式

油包水乳狀液的乳化及黏度特性主要取決于原油中瀝青質、膠質、蠟、機械雜質、酸性化合物等含量的大小。原油中這些界面活性物質的含量越高，則原油的乳化特性越強，形成的油包水乳狀液穩定性越高，黏度越大。結合筆者之前的研究［32］，采用瀝青質+膠質含量（ca+r）、蠟含量（cw）、機械雜質含量（cm）、原油酸值（AN）、原油黏度（μoil）5個參數來表征原油物性。選擇上述5 個參數的原因如下：（1）瀝青質、膠質的組成和性質相似，都屬于大分子非烴類化合物組成的復雜混合物，二者之間沒有明顯的界限，因此，將瀝青質、膠質的含量合并進行考慮；（2）蠟含量、機械雜質含量、原油酸值分別用于表征原油中的蠟、機械雜質、酸性化合物對油包水乳狀液乳化及黏度特性的影響；（3）原油的黏度越大，對油包水乳狀液中內相水滴的阻滯作用越強，阻礙了水滴的聚并和沉降，使得乳狀液的黏度越大，因此，需考慮原油黏度的影響。

表征原油物性的代表性參數確定之后，利用數理統計方法建立參數K、n與含水率、溫度及原油物性之間的定量關系式。以K為例，可假定K與含水率、溫度及原油物性的定量關系模型如式（3）所示［32-33］：

其中，a0—a7為擬合參數；T—溫度，℃。

對式（3）取對數得到式（4）：

以上述8 種原油的油包水乳狀液在不同含水率、溫度條件下的128 組實驗數據為基礎，對式（5）進行多元線性回歸，得到式（6）：

得到上述模型后，進行假設檢驗，以驗證y與xi（i=1～7）之間是否具有顯著的線性關系。由式（6）可知，當xi=0（i=1～7）時，則認為y與xi（i=1～7）之間不存在線性關系；反之，則認為二者之間存在顯著線性關系。因此，y與xi（i=1～7）之間有無線性關系，相當于假設：1）H0xi=0（i=1～7）；2）H1xi（i=1～7）不全等于0。

在數理統計學中，常采用F檢驗法來檢驗H0在給定的顯著性水平α（一般取α=0.05）下是否成立，檢驗方法如下：

對式（6）進行數學轉換，得到K與含水率、溫度及原油物性之間的定量關系式如下：

同理，通過回歸分析，建立n與含水率、溫度及原油物性之間的定量關系式如下：

K、n值分別根據式（10）、（11）的計算值與實驗值之間的擬合相對偏差如圖5 所示，平均相對偏差分別為8.8%、2.1%。

圖5 K（a）、n（b）值的計算值與實驗值的擬合相對偏差

建立K與n的定量計算關系式后，則油包水乳狀液的黏度模型方程（即式（2））被完全量化。模型與原油物性、剪切速率、含水率及溫度進行了定量關聯，可以方便地應用于不同原油在不同條件下油包水乳狀液表觀黏度的預測，具有較好的普遍適用性。

3.4 黏度模型計算偏差分析

采用上述建立的油包水乳狀液黏度預測模型計算乳狀液的表觀黏度，并與實測表觀黏度結果進行對比，以1#—4#原油為例，對比結果如圖6 所示。對于1#—8#原油在不同含水率、溫度、剪切速率條件下的共384 組實驗數據進行統計，模型計算黏度值與實測值之間的擬合相對偏差如圖7 所示，平均相對偏差為8.1%。由圖6、圖7可知，該黏度模型對不同原油、不同實驗條件下油包水乳狀液表觀黏度的計算結果與實測結果的吻合度較好，具有較低的相對偏差，預測效果良好。

圖6 油包水乳狀液表觀黏度的模型計算值與實測值對比

圖6（續）

圖7 油包水乳狀液表觀黏度的模型計算值與實測值的相對偏差

4 結論

油包水乳狀液的表觀黏度隨溫度的升高而減小，隨含水率的增加而增大，隨剪切速率的增加而減小，具有剪切稀釋性；原油中瀝青質、膠質、蠟等界面活性物質的含量越高，其油包水乳狀液的表觀黏度越大，非牛頓性越強，剪切稀釋性越顯著。

油包水乳狀液在實驗溫度（30～60 ℃）范圍內是一種典型的假塑性流體，可采用冪率模型來描述其流變特性。通過回歸分析，建立了稠度系數K、流變特性指數n與含水率、溫度及原油物性之間的定量關系式，從而建立了油包水乳狀液的黏度預測模型。對1#—8#原油在不同含水率、溫度、剪切速率條件下的共384 組實驗數據進行統計，模型計算黏度值與實測值之間的平均相對偏差為8.1%。該模型可以方便地應用于不同原油在不同條件下油包水乳狀液表觀黏度的預測，具有較好的普遍適用性。模型的最佳適用條件為：乳狀液體積含水率0.30～0.60、溫度30～60 ℃、乳狀液黏度10～2000 mPa·s。