强化分散体系乳化降黏性能评价及机理分析

张云宝， 王 楠， 夏 欢， 苏 鑫， 闫 冬

(1. 中海石油(中国)有限公司天津分公司 渤海石油研究院，天津 300452；2.东北石油大学 提高油气采收率教育部重点实验室，黑龙江 大庆 163318)

强化分散体系乳化降黏性能评价及机理分析

张云宝1， 王 楠1， 夏 欢1， 苏 鑫2， 闫 冬2

(1. 中海石油(中国)有限公司天津分公司 渤海石油研究院，天津 300452；2.东北石油大学 提高油气采收率教育部重点实验室，黑龙江 大庆 163318)

稠油乳化降黏技术与其它稠油开发措施相比具有操作简便和经济性好等优点，其中强化分散体系由于其良好的乳化降黏性以及简易的注入工艺在海上油田广泛使用。通过室内物理模拟实验方法研究了强化分散体系性能及其乳化降黏机理。结果表明，强化分散体系对海上稠油有较好的乳化降黏效果，且形成的乳状液相对稳定，破乳也较为容易。另外，强化分散体系与原油乳化作用可以导致部分表面活性剂组分进入原油中，进而影响强化分散体系与油间乳化效果和界面张力。

稠油： 强化分散体系； 降黏效果； 界面张力

渤海油田稠油资源丰富, 目前开采稠油常用蒸汽驱、掺稀油、稠油改质和加化学药剂等方法降黏[1-4]。稠油热采采用过热蒸汽或电热升温等热采措施, 以提高原油温度。热采不仅设备复杂, 费用大，而且还会使稠油储层受到伤害，尤其是海上油田受到海上平台设备空间的限制。因而国内外许多稠油油藏采取化学降黏的方法开采[5-8]。一种良好的化学降黏技术既要大幅度地降低原油的黏度, 又可控制对油层的伤害, 而且成本费用要低廉。乳化降黏技术具有降黏幅度大、工艺简单、投资少及见效快等优点，因此开发成本低、用量少的乳化降黏剂对于稠油油田的开发至关重要。稠油乳化降黏技术存在一个关键问题，那就是O/W型乳状液的稳定性问题。在实际生产过程中，一方面要求开采过程中乳状液不要发生破乳分层和乳液反相，以免造成油层堵塞；另一方面要求乳状液达到集油站或炼油厂后易于破乳脱水，以降低破乳剂用量和药剂成本。通俗地讲，乳状液稳定性既不能太弱也不能太强。

为使稠油乳化降黏技术尽快投入渤海稠油开发矿场试验，本次研究对比分析了两种目前较为成熟的稠油乳化降黏剂的性能，强化冷采体系和强化分散体系，但由于强化冷采体系药剂为固体颗粒状，配注前需要一定的熟化时间，不利于在空间狭小的海上平台实施作业，而强化分散体系母液为液体，可实现在线点滴注入。本研究以渤海X油田油藏地质和流体为实验对象，开展了微界面强化分散体系性能评价及机理分析实验研究，这对目标油藏采取乳化降黏措施技术具有重要参考价值。

1 实验部分

1.1 实验材料

表面活性剂为中海油天津分公司提供的“强化冷采体系”和 “强化分散体系”， 强化冷采体系有效含量为100%，强化分散体系有效含量为50%；实验用油为渤海X油田油样(μo=200 mPa·s)；实验用水为渤海BZ25-1油田注入水。实验温度为渤海BZ25-1油田油藏温度70 ℃。

1.2 实验仪器

采用美国Brookfield公司生产的DV-Ⅱ型布氏黏度计测试油水乳状液黏度，使用“Ⅲ”号转子，转速为30 r/min。采用重庆奥特光学仪器有限公司生产的ISM-ZS50体式显微镜测试原油乳状液微观结构形态。采用美国彪维公司生产的TX-500C旋滴界面张力仪测试油相与水相间界面张力。

1.3 方案设计

本次实验从以下5个方面综合考察强化分散体系性能，具体测试指标见表1。

2 结果分析

2.1 乳化降黏效果

采用注入水配制不同浓度强化分散体系，按一定油水质量比与原油混合，油藏温度条件下放置1 h，搅拌2 min(搅拌桨转速250 r/min)，测试乳状液黏度。

黏度测试结果和降黏率见图1。从图1中可以看出，在油水质量比相同条件下，随药剂质量浓度增加，乳状液黏度下降。在药剂质量浓度相同条件下，随油水质量比减小即乳状液中原油含量减少，乳状液黏度降低。随药剂质量浓度增大和油水质量比减小，乳化液降黏率呈现增大趋势。进一步分析可以看出，两种体系降黏率相差不多时，强化分散体系的浓度只有强化冷采体系的一半，在低浓度下就可以有较好的降黏效果，当油水质量比低于7∶3和药剂质量浓度高于300 mg/L时，强化分散体系降黏率可以达到80%以上。

稠油之所以黏度高，是因为存在多种纳米级分子簇集体结构，其中稠油中沥青、胶质等成分的分子结构对原油簇集体的形成起着关键作用[9-10]。稠油强化分散剂分子设计见图2，季胺基团、羧酸基团和羟基是分子的助溶基团，两亲长臂(亲油亲水基团)的作用是原油簇集体解簇的工具。溶解到水中的强化分散体系吸附在油水界面处和孔道表面处，其两亲长臂通过对稠油分子间的氢键、疏水亲脂相互作用等分子间力的破坏，使稠油分子簇集体解簇集，稠油被解聚后黏度大大降低，流动性增加。

图1 降黏率与药剂质量浓度关系

Fig.1 Relationship between viscosity reducing rate and reagent mass concentration

图2 稠油强化分散剂分子设计

Fig.2 Design of molecular structure of enhanced dispersion system

2.2 乳化和破乳性

2.2.1 乳状液结构 采用注入水配制质量浓度为800 mg/L强化分散体系，在油藏温度下以m(油)/m(水)=3∶7与原油混合均匀，取乳状液放置在载玻片，用体式显微镜观测乳状液结构，观测结果见图3。

从图3中可以看出，乳状液具有“水外相油内相”即O/W结构特征，强化分散体系与原油作用后被分散成不连续细小的油滴，可见强化分散体系对于稠油具有较强的乳化分散效果。

图3 强化分散体系乳状液微观结构(放大20倍)

Fig.3 Micro structure of enhanced dispersion system (magnified 20 times)

2.2.2 乳化破乳性 取35 mL强化分散体系/强化冷采体系(CS=800 mg/L)和15 mL原油，将它们放入50 mL磨口刻度试管中，并将试管置于恒温箱内。放置5 h后，将试管拿出上下剧烈振荡3 min，形成油水乳状液，再将试管放回恒温箱内。观测乳状液层和水层厚度与时间关系，采用式(1)计算分水率：

(1)

式中，FV为分水率，V1为析出水体积，V2为乳状液体积。FV值愈小，乳化效果愈好，乳状液愈稳定。

2种药剂配制乳状液分水率实验数据见表2。

表2 不同测试时间下分水率实验结果

从表2中可以看出，随放置时间延长，乳状液分水率增加，乳状液结构稳定性变差。在放置时间相同条件下，与强化冷采体系相比较，强化分散体系分水率较低，乳状液更稳定，乳化效果较好。强化分散体系采出后在无需加破乳剂的情况下30 min之后分水率就可达到99%，几乎完全破乳，对开发生产影响较小。

2.2.3 界面张力 采用注入水配制不同类型和浓度强化分散体系和强化冷采体系，它们与原油间界面张力测试结果见表3。

表3 不同药剂质量浓度下界面张力测试结果

从表3中可以看出，随药剂质量浓度增大，两种药剂配制强化分散体系与原油间界面张力都呈现下降趋势。在药剂质量浓度相同条件下，强化分散体系与原油间界面张力较低。界面张力的降低可增加油-水两相体系的界面活性，增大强化分散体系分子在界面处的吸附量，强化分散剂分子与极性有机物分子相互作用，使得界面膜分子的排列更加紧密，界面膜强度增加，只有界面膜中的强化分散体系分子紧密排列形成凝聚膜，才能保证乳状液的稳定。

2.2.4 吸附特性 采用注入水配制强化分散体系(CS=800 mg/L)，将其与天然油砂(取自SZ36-1油田，粒径范围180～260目)按质量比m(液)/m(固)=20∶1混合于磨口瓶中，搅拌均匀，并将磨口瓶放置在70 ℃恒温箱中。24 h后取磨口瓶上部清液，测量其与原油间界面张力。取清液与新鲜油砂再接触，再重复上述实验2次。

强化分散体系与油砂接触次数及其界面张力实验结果见表4。

从表4中可以看出，在2次吸附后油水间的界面张力大幅度升高。但当吸附次数大于2次时，界面张力明显上升，说明强化分散体系抗吸附能力较差。这是因为强化分散体系分子当中存在一种岩石孔道表面键合的基团，它促进了强化分散剂分子在岩石孔吼表面的吸附，改善了岩石的润湿性，吸附在孔道表面处的强化分散体系不仅可以发挥稠油降黏作用，而且更易形成稳定的水膜，降低了稠油在多孔介质当中流动的摩擦阻力，增强了稠油的流动性。

表4 界面张力测试结果

2.2.5 强化分散体系与原油间多次接触分析

(1) 乳状液结构

采用注入水配制强化分散体系溶液(CS=800 mg/L)，将其以质量比m(油)/m(水)=3∶7与原油混合均匀，用体式显微镜观测乳状液结构；然后将乳状液进行油水分离，再测试新配制强化分散体系溶液与分离原油(简称乳化油)间乳状液结构。重复上述实验4次。

乳状液微观结构观测结果见图4。

图4 乳状液微观结构(放大倍数35倍)

Fig.4 Micro structure of emulsion (35 times magnification)

从图4中可以看出，随乳化次数增加，乳化原油与新配制强化分散体系乳化效果变好，具体表现为油滴粒径减小，原油分散程度高。由此可见，原油与强化分散体系作用后，强化分散体系部分组分已经进入原油中(油水分离所得到油简称“乳化油”)，使原油组分发生变化。当乳化油与新配制表面活性剂溶液接触时，乳化油可以被更好地分散到表面活性剂溶液中，形成油滴直径更小的“O/W”乳状液。

(2) 界面张力

采用注入水配制4#强化分散体系溶液(CS=800 mg/L)，测试它与原油间界面张力。将强化分散体系溶液以质量比m(油)/m(水)=3∶7与原油混合乳化，油水分离，得到分离强化分散体系溶液，测试它与新鲜原油间界面张力。重复上述实验过程4次。

多次乳化作用分离强化分散体系溶液与新鲜原油间界面张力测试结果见表5。

表5 界面张力测试结果

从表5中可以看出，随乳化次数增加，分离强化分散体系溶液与新鲜原油间界面张力增加，但增幅逐渐减小。由此可见，原油与强化分散体系溶液混合后，部分强化分散体系成分进入原油中，使强化分散体系溶液有效组分减少。当分离强化分散体系溶液与新鲜原油接触时，界面张力升高。

3 结论

(1) 当油水质量比低于7∶3和强化分散体系药剂质量浓度高于300 mg/L时，乳状液黏度较低，降黏率可以达到80%以上。

(2) 强化分散体系与原油发生乳化作用可形成O/W型乳状液。与强化冷采体系相比较，强化分散体系乳状液更稳定，乳化效果更好。30 min后无需加破乳剂即可自动破乳。

(3) 强化分散体系降粘机理：溶解到水中的强化分散体系吸附在油水界面处和孔道表面处，其两亲长臂通过与稠油分子间的氢键、疏水亲脂相互作用等分子间力的破坏使稠油分子簇集体解簇集，稠油被解聚后黏度大大降低；孔隙内表面强化分散剂分子吸附组装后形成稳定的水膜，降低了稠油在多孔介质当中流动的摩擦阻力，增强了稠油的流动性。

(4) 随着乳化次数的增加，强化分散体系与原油乳化作用可以导致部分强化分散体系组分进入原油中，进而进一步影响强化分散体系与原油间界面张力和乳化效果。

[1] 徐国瑞，李翔，谢坤. 稠油降黏剂增油效果及其作用机理——以渤海稠油油藏储层和流体条件为例[J]. 石油化工高等学校学报，2016，29(1):57-62. Xu Guorui, Li Xiang, Xie Kun. Mechanism and oil displacement of heavy oil emulsification and viscosity reducer: A case study on heavy oil reservoir and fluid conditions of bohai oilfield[J]. Journal of Petrochemical Universities, 2016, 29(1): 57-62.

[2] 高玉生，吴本芳，高晋生，等. 高凝稠油乳化降凝降黏研究[J]. 油田化学，2010，27(4):431-435. Gao Yusheng, Wu Benfang, Gao Jinsheng, et al. Emulsification of paraffinic heavy crude oil with pour point and viscosity reduction[J]. Oilfield Chemistry, 2010, 27(4):431-435.

[3] 李薇，金学锋，王凤清，等. 特稠油乳化降黏室内评价研究[J]. 断块油气田，2012，19(1):89-92. Li Wei, Jin Xuefeng, Wang Fengqing, et al. Laboratory evaluation of emulsion viscosity reductuion on extra-heavy oil[J]. Fault-Block Oil & Gas Field, 2012, 19(1): 89-92.

[4] Ghannam M T，Hasan S W，Abu-Jdayil B，et al. Rheological properties of heavy & light crude oil mixtures for improving flowability[J]. Journal of Petroleum Science and Engineering，2012，81(1):122-128.

[5] 伍锐东，岳泉，王丽，等. 轮古深层稠油乳化降黏实验研究[J]. 断块油气田，2010，17(1):60-62. Wu Ruidong, Yue Quan, Wang Li, et al. Experimental research on emulsification visbreaking method for Lungu deep heavy oil[J]. Fault-Block Oil & Gas Field, 2010, 17(1):60-62.

[6] 姜康，侯吉瑞，刘必心，等. 吉林扶余油田稠油乳化降黏实验研究[J]. 油田化学，2013，30(2):259-262. Jiang Kang, Hou Jirui, Liu Bixin, et al. Experimental study on viscosity reduction by emulsification of Fuyu heavy oil[J]. Oilfield Chemistry, 2013, 30(2):259-262.

[7] 裴海华，张贵才，葛际江，等. 塔河油田超稠油乳化降黏剂的研制[J]. 油田化学，2010，27(2):137-140. Pei Haihua, Zhang Guicai, Ge Jijiang, et al. Praparation of emulsifying viscosity reducer for super heavy oils of Tahe oil field[J]. Oilfield Chemistry, 2010, 27(2):137-140.

[8] 王大威，张建，崔盈贤，等. 海上S油田稠油乳化降黏技术[J]. 油田化学，2015，32(2):263-267. Wang Dawei, Zhang Jian, Cui Yingxian, et al. Viscosity reducing technology of heavy oil by emulsify in offshore S oilfield[J]. Oilfield Chemistry, 2015, 32(2):263-267.

[9] 汪双清，沈斌，林壬子. 稠油黏度与化学组成[J]. 石油学报(石油加工)，2010，26(5):795-799. Wang Shuangqing, Shen Bin, Lin Renzi. Correlation for the viscosity of heavy oil and its chemical composition[J]. Acta Petrolei Sincia(Petroleum Processing Section), 2010, 26(5):795-799.

[10] 王大为，岳宝林，刘小鸿，等. 渤海稠油油藏原油黏温关系研究[J]. 石油地质与工程，2015，29(5):84-86. Wang Dawei, Yue Baolin, Liu Xiaohong, et al. Reserarch on the relationship between viscosity-temperature of heavy oil reservoirs in Bohai sea[J]. Petroleum Geology and Engineering, 2015, 29(5): 84-86.

(编辑 闫玉玲)

Performance Evaluation and Mechanism Analysis of Emulsion Viscosity Reduction of Dispersed System

Zhang Yunbao1, Wang Nan1, Xia Huan1, Su Xin2, Yan Dong2

(1.ChinaNationalOffshoreOilResearchInstituteofTianjinBranch,Tianjin300452,China； 2.KeyLaboratoryofEnhancedOilRecoveryofEducationMinistry,NortheastPetroleumUniversity,DaqingHeilongjiang163318,China)

Heavy oil emulsifying and viscosity reducing technology has the advantages of simple operation, good economy, and so on. The intensified dispersing system has been widely used in offshore field because of its good emulsification viscosity and simple injection process. In this paper, the performance and mechanism of dispersed system were studied by physical simulation experiments. The results showed that the intensified dispersing system had good emulsifying effect on reducing viscosity of offshore heavy oil. The formed emulsion was relatively stable, and the demulsification was also easy. Besides, the emulsification of intensified dispersing system and oil may make a part of surfactant component get into the oil, and then affect the emulsifying effect and IFT between intensified dispersing system and oil.

Heavy oil; Intensified dispersing system; Viscosity reducing effect; Interfacial tension

1006-396X(2016)06-0018-05

投稿网址：http://journal.lnpu.edu.cn

2016-06-13

2016-10-11

中海石油天津分公司重点攻关项目“稠油油田微界面强化分散技术”经费资助(CCL2015TJTLQST0767)。

张云宝(1980-)，男，硕士，工程师，从事提高采收率技术研究；E-mail: zhangyb14@cnooc.com.cn。

苏鑫(1991-)，男，硕士研究生，从事提高采收率技术研究；E-mail：suxin14@126.com。

TE34

A

10.3969/j.issn.1006-396X.2016.06.004