溶气原油乳状液的溶气特性与稳定性研究

李传宪，李桐宇，杨 爽，由 佳，李晓腾，杨 飞，孙广宇

（中国石油大学（华东）储运与建筑工程学院，山东青岛266555）

注气驱由于具有适用范围广，成本较低等优势，已在国内外多个油田得到应用推广[1-3]。按照使用气体形式的不同，注气驱可以分为：CO2驱、N2驱、烃类气驱、空气驱、烟道气驱等。不同的气驱方式，其驱油原理、注入方式及采油效率也存在一定差异[4]。

由于溶气条件对注气驱提高采收率的影响效果显著，国内外学者围绕原油的溶气特性开展了一定的研究工作。薛海涛等[5]通过 CH4、CO2、N2在原油中的溶解度实验发现，原油中的烃液（饱和分+芳香分）在气体溶解过程中起主要作用，而胶质、沥青质等大分子对气体溶解度的贡献很小。李遵照等[6]开展了N2在油、水相中溶解度和模型研究，提出了惰性气体在原油中具有间隙溶解和气-烃液加合溶解两种溶解机理，推导出了惰性气体在原油中的溶解度理论方程。范泓澈等[7]根据不同温度和压力条件下测得的CH4和CO2两种气体在碳酸氢钠型水中的溶解度数据发现，CH4溶解度与温度之间的演变关系划分为缓慢递减（0～80℃）、快速递增（80～150℃）和缓慢递增（大于150℃）3个阶段。李传宪等[8]通过制备地面集输工况（0～3.5 MPa）下饱和溶气原油，发现CH4的存在可以促进CO2对油品的溶胀作用，混合溶气后原油凝点低于溶单一气体。R.M.Pashley等[9]发现除去油、水中溶解的气体，可显著增强不含表面活性剂的水包油乳液的形成。

现有研究主要集中在对原油溶气特性的讨论，但在实际生产中，油田采出液多是以油气水三相共存的方式被开采出地层，且由于天然表面活性物质的存在，采出液在井筒举升过程中形成W/O型乳状液[10]。分析注气驱采出液管输流动特性需对溶解气存在条件下W/O型乳状液的溶气特性、稳定性等展开研究，但现有的研究工作较少[11-12]。本文利用带压溶气乳化装置在不同溶气种类（CO2、CH4、N2）的条件下进行油水乳化，通过分析不同气体在乳状液中的溶解度，不同溶气原油乳状液的表观黏度以及油水界面膜强度，阐释了溶解气种类对溶气原油乳状液稳定性的影响规律，为注气驱采出液的集输和脱水提供一定的理论支持。

1 实验部分

1.1 油样及实验药品

实验油样为长庆原油，其性质如表1所示。

表1 实验油样基本物性Table1 Basic physical properties of crude oil

实验水样为油田水，其性质如表2所示。

表2 油田水性质Table2 The properties of oilfield water

气源：CO2（纯度99.8%）、CH4（纯度98.0%）、N2（纯度99.99%），以上气体均由青岛天源气体制造有限公司提供。

1.2 实验方法

1.2.1 溶气原油乳状液的制备 带压溶气乳化装置[13]如图1所示。

图1 带压溶气乳化装置Fig.1 Schematic of pressurized emulsification equipment

使用待测气体进行装置扫线，通过手动计量泵加注体积比为6∶4共200 mL的油样与水样，使用待测气体将釜体压力提升至1 MPa，直至温度、压力维持稳定，之后以800 r/min的搅拌速率进行油水混合，搅拌15 min得到W/O乳状液。

1.2.2 溶解度测试 以微小压差将制备好的溶气的液相转移到溶气特性测试装置中，并读取液相刻度，然后以0.1 MPa/min的速率降压，通过集气法得到脱出气体体积，从而得到溶解度Rs（测试溶解度时，为使单一的油相、水相的溶气条件与油/水乳状液溶气条件相同，在对油相、水相进行溶气时执行与制备溶气原油乳状液相同的实验方法）。

1.2.3 带压瓶试法测乳状液稳定性 以微小压差将通过带压溶气乳化装置制备好的溶气原油乳状液转移到溶气原油稳定性测试装置中，记乳状液中水的总体积V，及不同时间内测试装置中游离水相体积Vt，根据式（1）计算分水率ft随时间的变化：

1.2.4 溶气原油、溶气原油乳状液黏度测试 以微小压差将制备好的溶气原油、溶气原油乳状液转移到美国TA公司生产的DHR-1流变仪中，以200 s-1为剪切速率，测量50℃下溶气原油黏度μ、溶气原油乳状液表观黏度μap。

1.2.5 界面特性测试 使用法国TECLIS公司生产的TRACKER H界面扩张流变仪，在50℃、1 MPa条件下，测量气/液的表面张力、溶气油/水界面张力，测量油滴在0.05 Hz震荡频率下产生总面积为10%的变化过程中的弹性模量值。

2 结果与讨论

2.1 油水界面对溶气效果的影响

2.1.1 气液表面张力 在50℃、1 MPa的条件下，测量不同溶解气油/气表面张力、水/气表面张力，结果见表3。

由表3可知，不同气相与液相表面张力大小关系为：γ（O-CO2）＜γ（O-CH4）＜γ（O-N2）＜γ（WCO2）＜γ（W-CH4）＜γ（W-N2）。油/气表面张力反映的是油-气两种分子相界面处相互作用的强弱，表面张力越小说明两种分子间作用力越强，可以很明显地发现，油品分子与气体分子间的作用强于水分子与气体分子间的作用，其中原油与CO2分子间的作用最强，而这种分子间作用的强弱关系，也必然会在气体的溶解特性中有所体现。

2.1.2 溶解气在液相中的溶解度 在50℃、1 MPa的条件下对液相进行溶气，测量不同溶解气在原油、水、油水乳状液中的溶解度，结果见表4。

定义溶解度比S1、S2：

式中，Rs，E为气体在原油乳状液中的溶解度；Rs，O为气体在原油中的溶解度；Rs，W为气体在水中的溶解度；φo为油相体积分数；φw为水相体积分数。计算结果见表5。

表3 不同气液两相之间的表面张力Table3 Surface tension between gas-liquid phases

表4 不同溶解气在液相中的溶解度Table4 Solubility of different dissolved gas in the liquid phase

表5 不同溶气种类下的溶解度比Table5 Solubility ratio under different dissolved gas

油相中胶质沥青质等极性物质在油水界面膜上的吸附[17]，会在油水界面处形成由沥青质胶粒组成的刚性膜，对气体分子由油相向水相中的扩散起阻碍作用。由于CO2气体在油水两相间的溶解度差异较小，其乳状液的形成对气体的溶解度受到的影响也较显著。N2在油水两相间的溶解度差异适中，且在油、水中的溶解度均较小，乳状液的形成对气体在内相中溶解的阻碍作用稍弱，因而S1（CO2）＜S1（N2）＜1。而CH4自身在油水两相间的溶解度差异较大，水中溶解的CH4的减少，对CH4在W/O型乳状液中的溶解度影响较小，且由于胶质沥青质等极性物质于界面膜上的吸附，使油相的极性减弱，促进了CH4气在油相中的溶解，因此S1（CH4）＞1。

2.2 溶气对原油乳状液稳定性的影响

2.2.1 溶气原油乳状液分水率 不同溶气原油乳状液分水率随时间的变化见图2。

图2 不同溶气原油乳状液分水率随时间的变化Fig.2 Change of water separation rate of different dissolved gas crude oil emulsions with time

由图2可知，不同溶气原油乳状液同一时间分水率大小关系为：ft（N2）＞ft（CH4）＞ft（CO2），溶CO2乳状液稳定性最好，溶CH4乳状液稳定性次之，溶N2乳状液稳定性最差。同一时间脱出游离水的量与乳状液乳化程度、油水界面膜强度相关，乳状液乳化效果越好，油水界面膜强度越大，同一时间脱出游离水的量越少[18-19]。

2.2.2 溶气原油乳状液乳化效果 在1 MPa、50℃的条件下进行乳化实验，不同溶气乳化效果见图3。由图3可知，在溶CO2环境下乳化形成的乳状液乳滴较为细密均一，乳液体系整体呈现出土黄色，乳状液乳化效果较好；溶CH4环境下形成的乳状液乳液仍较为均匀，乳滴尺寸却相对增大，使乳液体系整体呈现出外相即油相的黑色；溶N2环境下形成的乳状液乳化效果较差，乳滴空间尺寸较大，且乳滴大小不均匀。

图3 不同溶气种类下的W/O型乳状液乳化效果Fig.3 Photograph of emulsification effect of W/O emulsion under different dissolved gas

2.2.3 溶气原油与溶气原油乳状液黏度 利用高压流变仪测得溶气原油及溶气原油乳状液体系在200 s-1下平衡1 min时的表观黏度，并计算溶气原油乳状液体系较溶气原油体系的增黏率，结果见表6。其中，增黏率按照式（4）计算。

气体溶于油品后，由于溶胀效应与稀释效应，会使油品的黏度降低[20]。由于Rs（CO2）＞Rs（CH4）＞Rs（N2），且CO2对于油品的溶胀降黏效果较为显著[21-23]，所以μ（N2）＞μ（CH4）＞μ（CO2）。由表 6 可知，溶气原油乳状液表观黏度的大小关系为：μap（N2）＞μap（CH4）＞μap（CO2）。但从表6中反应出的黏度变化趋势中可以看出，溶CO2原油乳状液的黏度较溶CO2原油黏度增长最为明显，而溶N2乳状液的增黏幅度最小，反映了溶CO2原油乳状液的乳化效果较好，形成的液滴更加细小，乳状液体系增黏更为明显，增强了乳状液体系的稳定性[24]。

表6 溶气原油与溶气原油乳状液黏度Table6 Dissolved gas crude oil and dissolved gas oil emulsion viscosity

2.3 溶气对油/水界面特性的影响

2.3.1 溶气原油/水体系界面张力 不同溶气油/水界面张力随时间的变化见图4。

由图4可知，由于沥青质等表面活性物质逐渐向油水界面进行吸附，界面张力随时间变化逐渐降低。同一时间，不同溶气油/水界面张力大小符合：γ（CO2）＜γ（CH4）＜γ（N2），3 种溶气油/水体系中，溶CO2体系油相黏度最小，并促使沥青质进一步缔结，促进了沥青质向油水界面的迁移吸附，界面张力最为明显，油水越易于乳化。

图4 不同溶气油/水界面张力随时间的变化Fig.4 Change of interfacial tension of different dissolved gas oil/water interfaces with time

2.3.2 溶气油/水界面弹性模量 不同溶气油/水界面弹性模量随时间的变化见图5。

图5 不同溶气油/水界面的弹性模量随时间的变化Fig.5 Change of elastic modulus of different dissolved gas oil/water interfaces with time

由图5可知，不同溶气油/水界面弹性模量大小规 律 符 合 ：εd（CO2）＞εd（CH4）＞εd（N2）。 同 等 条 件下，随着外相黏度降低，沥青质等天然表面活性物质更易于由油相向油-水界面的吸附，同时界面膜强度增大。界面膜的弹性模量可以表征界面膜的结构强度，其值越大，界面膜发生一定弹性形变时所需要的应力越大，即膜强度越大，表明在一定应力作用下，发生弹性形变越小，界面膜不易破裂[25-26]。分水率大小关系与弹性模量所决定的膜强度规律相符合。

2.4 溶气对乳状液稳定性影响的机理讨论

原油乳状液溶气后，所溶气体削弱了分子间的作用力，体系内摩擦力减小，气体在油相中的溶解度越大，油相黏度减小越明显，形成的内相液滴更细小，如图6所示。原油乳状液溶气后，同时促进了原油中沥青质等表面活性物质向油/水界面膜的吸附，降低了油水界面张力，促使油水乳化效果增强。在3种气体中，CO2在原油中的溶解度最大，降低油水间界面张力的效果显著，形成的液滴更加细小，乳化效果最好，并且CO2在原油中的溶解进一步促进了沥青质的缔合与在油水界面膜上的吸附，显著增强了油水界面膜的强度，使乳状液稳定性显著提升。CH4在原油中的溶解度仅次于CO2，乳化效果次之，CH4溶于原油后体系极性减弱，促进了沥青质由油相向油、水界面的吸附，与溶N2乳状液相比乳状液稳定性增强。

图6 溶气对乳状液稳定性影响机理Fig.6 Mechanism diagram of the effect of dissolved gas on emulsion stability

3 结 论

（1）油水界面膜的存在抑制了CO2气体分子由W/O型乳状液体系外相向内相的迁移，并因此降低了乳状液对CO2气体的溶解度，而对CH4这类在内外两相间溶解度差异较大的气体，这种抑制并不一定导致气体在乳状液体系内溶解度的降低。

（2）3种溶气原油乳状液中，溶CO2原油乳状液的黏度较溶CO2原油黏度增长最为明显，乳化效果最好，乳状液稳定性最好；溶N2乳状液的增黏幅度最小，乳化效果最差，乳状液稳定性最差。

（3）CO2在原油中的溶解进一步促进了沥青质的缔合与在油水界面膜上的吸附，显著增强了油水界面膜的强度，油/水界面膜弹性模量最大。CH4溶于原油后体系极性减弱，促进了沥青质由油相向油、水界面的吸附，与溶N2相比，油水界面弹性模量有所增强。