化学剂浓度对大庆油田乳状液稳定性的影响

赵红运，孙灵辉，刘卫东，萧汉敏，丛苏男，康诗钊

(1.上海应用技术大学 化学与环境工程学院，上海 201400；2.中国石油勘探开发研究院， 北京 100083；3.中国科学院大学，北京 100190)

原油在三元复合驱的开采过程中，伴随着强烈的乳化现象[1-3]，绝大多数原油以乳状液的形式采出[4]，因此乳状液一直是三次采油的研究热点[5-9]，但是乳状液本身的不稳定性[10]和不透明性[11-12]，加深了对其的研究难度。目前检测乳状液稳定性的方法可分为宏观相、介观粒度、微观界面检测[13]，之前受实验室条件的制约，使用多种检测方法对乳状液的稳定性进行复合评价的研究较少[14]。

本文针对大庆某油田，采用瓶试法、显微统计法、光散射技术[5]，从宏观和介观的角度，探讨了化学剂浓度的变化对乳状液粒径与稳定性的影响，为大庆油田进一步通过原油乳化来提高采收率提供了实验支撑。

1 实验部分

1.1 材料与仪器

实验用油为大庆脱气脱水原油；石油磺酸盐(有效浓度50%)、部分水解聚丙烯酰胺(相对分子质量2 500万)均来源于大庆炼化公司；NaOH，分析纯；模拟污水矿化度为5 608.3 mg/L，离子成分见表1。

DE-100LA型高速剪切分散乳化机；TURB I SCANL ABEXPERT型全能近红外稳定性分析仪；Axbstar Plus显微镜；DIN5309型黏度计；YP300001型电子天平；HH·SII-I恒温水浴锅。

表1 模拟水离子成分表Table 1 Simulated water ion composition table

1.2 乳状液制备

使用高速剪切分散乳化机将100 g三元体系(0.3%表面活性剂+1.2%碱+2 000 mg/L聚合物)与100 g模拟油(原油与航空煤油混合配制，45 ℃下黏度为10 mPa·s)混合，将其放置在45 ℃ 的恒温水浴锅内2 h，然后在恒温的条件下，使用高速剪切乳化机进行乳化，剪切机转速为3 500 r/min，剪切乳化时间15 min。以乳状液不同时间的析水率曲线评价乳状液宏观相的稳定性；使用生物荧光显微镜分析乳状液的粒径组成，为保证乳状液平均粒径数据的精确性，每组实验乳状液液滴测量数量至少为100个。

1.3 乳状液稳定性评价

使用全能红外稳定性分析仪评价乳状液稳定性，将制备好的样品迅速装入玻璃瓶中，放入45 ℃恒温密闭的检测室内，使用近红外光源进行照射，利用两个同步的探测器，分别测量透射光和背散光强度，可以得到光子(传输)平均自由程(l*)，光子平均自由程和乳状液的体积浓度和粒径有关，单位粒度越大粒径越小，光子平均自由程越小[5，15]，见式(1)[13]。稳定性系数TSI与l*呈正相关，测试的TSI越大则乳状液体系稳定性越差[16]。

(1)

其中，d为液滴平均粒径，μm；g和QS米氏常数；φ为分散相体积分数。

2 结果与讨论

2.1 聚合物浓度对乳状液稳定性的影响

图1为不同聚合物浓度析水率与时间关系曲线图。

由图1可知，随着时间的增加，油水两相不断分离，即实验开始时析水率不断增加，后期维持不变。实验前期聚合物浓度越大，析水率增加速度越慢，且析水率稳定数值越小。这是由于聚合物浓度不断增加，可以吸附在油水界面形成一种保护壳，增加油水界面膜的刚性，抑制乳状液的聚并；同时聚合物浓度增加还可以增加乳化体系黏度，降低乳状液的碰撞几率。

图1 不同聚合物浓度析水率随时间变化曲线图Fig.1 Curves of water evolution rate with change time at different polymer concentrations

图2为稳定性系数、平均粒径随聚合物浓度变化关系曲线图。

图2 TSI、平均粒径随聚合物浓度变化曲线图 Fig.2 TSI，graph of the relationship between average particle size and polymer concentration

由图2可知，随着聚合物浓度增加，乳状液稳定性系数不断减小，乳状液稳定性不断增加。其中聚合物浓度在500～1 500 mg/L时稳定系数迅速下降，聚合物浓度为1 500～2 000 mg/L时稳定系数下降幅度极为缓慢。由图2还可知，聚合物浓度增加，乳状液的平均粒径不断下降，乳状液稳定性不断增加，且聚合物浓度在1 500～2 000 mg/L时，乳状液的平均粒径下降最大。综合图2 中数据可知，提升乳状液稳定性的最佳聚合物浓度为2 000 mg/L，超过此数值时，乳状液的稳定性系数和平均粒径变化幅度较小。

2.2 表面活性剂浓度对乳状液稳定性的影响

图3为不同表面活性剂浓度的乳状液析水率随时间变化的曲线。

由图3可知，随着时间的增加，乳状液的析水率均呈现增加的趋势。通过对比不同表面活性剂浓度的析水率曲线可以发现，表面活性剂浓度越大，乳状液析水率变化速率越慢，且析水率稳定后数值越小，即表面活性剂浓度增加有利于乳状液稳定性增加。

图3 不同表面活性剂浓度析水率随时间变化曲线图Fig.3 Curves of water evolution rate with change time at different surface active agent concentrations

图4为稳定性系数和平均粒径随表面活性剂浓度变化的曲线。

图4 TSI、平均粒径随表面活性剂浓度变化曲线图Fig.4 TSI，graph of the relationship between average particle size and surface active agent concentration

由图4可知，乳状液中表面活性剂浓度增加，稳定性系数不断减小，乳状液的平均粒径不断下降，且其变化曲线均近似为一条直线。表面活性剂浓度增大，既可以减小界面张力，使乳状液粒径变小，同时又可以增加油水界面吸附活性物质的数量，使界面体系稳定，使得变化曲线接近为一条直线，综合来看，在实验范围内提升乳状液稳定性的最佳表面活性剂浓度为0.5%。

2.3 碱浓度对乳状液稳定性的影响

图5为不同碱浓度的乳状液析水率随时间变化的曲线。

由图5可知，随着时间的增加，乳状液的析水率均呈现增加的趋势。通过对比不同碱浓度的析水率曲线可以发现，碱浓度为0.2%时，乳状液的析水率曲线变化幅度最大；碱浓度为0.4%时，乳状液的析水率曲线随时间的变化幅度最小；碱浓度继续增加时，乳状液的析水率曲线随时间的变化幅度加快，这表明过高或过低的碱浓度均不利于乳状液的稳定性。

图5 不同碱浓度析水率随时间变化曲线图Fig.5 Curves of water evolution rate with change time at different alkali concentrations

图6为稳定性系数和平均粒径随碱浓度变化的曲线。

图6 TSI、平均粒径随表面活性剂浓度变化曲线图Fig.6 TSI，graph of the relationship between average particle size and alkali concentration

由图6可知，乳状液中碱浓度增加，稳定性系数先减小后增加。碱浓度在0.2%～0.4%范围时，稳定性系数迅速下降，碱浓度在0.4%～1.2%范围时，稳定性系数缓慢增加，即三元体系中碱浓度为0.4%时，形成的乳状液最稳定。由图6还可知，碱浓度增加，乳状液的平均粒径呈现先下降后增加的趋势，其变化曲线与稳定性系数曲线的变化保持一致。碱浓度为0.2%时，过低的碱含量与原油无法生成足够的表面活性物质，无法满足提高乳状液稳定性的要求，所以乳化体系的稳定系数和平均粒径较大。碱浓度>0.4%以后，碱含量逐渐增大，较高的pH值又会使表面活性剂组分分解，削弱其乳化作用；另一方面，碱含量增大，会降低体系黏度，同时还会增加乳化体系的离子浓度，使得液滴表面的双电子层受到压缩，这些作用共同使乳液碰撞几率增加，加速了乳状液的聚并和分层，这些作用共同使乳化体系的稳定系数和平均粒径不断增加，综合实验数据分析，碱浓度为0.4%时，乳状液体系稳定性最佳。

3 结论

(1)聚合物在乳化体系中，主要起到增加界面膜的刚性与体系黏度的作用，聚合物浓度增加，乳状液稳定性增加。对大庆油田而言，提高乳状液的稳定性最佳聚合物浓度为2 000 mg/L，继续增加聚合物浓度，乳状液体系稳定性提升幅度有限。

(2)表面活性剂在乳化体系中，既可以降低界面张力，又可以增加界面膜的强度，表面活性剂浓度增加，乳状液稳定性增加。乳化体系的稳定性系数、粒径与表面活性剂浓度呈近似线性变化，表面活性剂浓度为0.5%时，乳化体系稳定性最佳。

(3)碱对乳化体系的作用机理较为复杂，适量的碱浓度可以增加乳状液的稳定性，过高的碱浓度会增加pH值、压缩双电子层、降低体系黏度，使得乳状液的稳定性减小。碱浓度为0.4%时，乳状液平均粒径最小，乳化体系最为稳定。