离子浓度对原油乳状液性质影响的研究

刘凯 张帆 韩松

摘      要：在对原油乳状液进行研究时，大部分研究者使用实验室配置的乳状液作为实验样品。然而，到目前为止，针对原油乳状液制备时应该使用什么样的水质，并没有明确的规定，室内试验发现，使用低纯度去离子水制备的W/O型原油乳状液含水率最高可达70%，而相同实验条件下使用普通自来水制备的W/O型乳状液含水率最高只能到达50%，由此可见，水质对原油乳状液的性质有很大的影响。为此选取了实验室常用的3种离子浓度的水质：普通自来水、低纯度去离子水和高纯度蒸馏水，来制备油水乳状液，对比三种乳状液性质的差别，并从微观界面膜角度对实验结果进行了合理的解释。

关  鍵  词：原油乳状液;水质;油水界面膜;稳定性

中图分类号：O648.2+3       文献标识码： A       文章编号： 1671-0460（2019）02-0279-06

Abstract： In the study of crude oil emulsion， most of the researchers used laboratory prepared emulsions as experimental samples. However， so far， what kind of water quality should be used in the preparation of crude oil emulsion has not been specified. Indoor experiments have found that the moisture content of W/O type crude oil emulsion prepared by using low purity deionized water can reach up to 70%， and the water content of W/O emulsion prepared by common tap water under the same experimental conditions can only reach 50%. Thus， water quality has a great influence on the properties of crude oil emulsion. In this paper，3 kinds of water with different ionic concentrations were used to prepare oil and water emulsion in the laboratory： ordinary tap water， low purity deionized water and high purity distilled water. And the properties of the three kinds of emulsions were compared. The experimental results were reasonably explained from the aspect of microcosmic interfacial membrane.

Key words： Crude oil emulsion; Water quality; Oil water interfacial film; Stability

目前国内大部分油田开采进入生产中后期，原油的含水量增高，在将油、水通过井筒输送到地面的过程中，受到管线和阀门的剪切作用，油与水混合形成W/O型乳状液。相较于纯油，油水乳状液的黏度更大，运输起来会更加困难，并且还会增加运输成本，所以，大多数情况下，要对采出的油水乳状液进行脱水处理，乳状液越稳定脱水越难。而影响原油乳状液稳定性的因素比较多，如原油黏度、凝点、沥青质含量、油水比等[1-4]。

在对油水乳状液进行研究时，大部分研究者使用实验室配置的乳状液作为实验样品[5]，然而，乳状液的制备方法并没有明确的行业规范，这就导致不同研究机构，甚至同一研究机构内不同研究人员在制备乳状液时使用不一样的方法，大量的研究表明[6，7]，制备乳状液时搅拌速度、时间、温度等条件都会影响乳状液性质，很多学者都提出了各自的乳状液制备条件。然而，到目前为止，针对乳状液制备时应该使用什么样的水质，并没有明确的规定，有些研究人员使用去离子水，有些学者使用蒸馏水，还有一些研究人员使用普通的地层自来水。国内外有关油水界面膜性质的研究表明[8-10]，无机盐的存在会使得乳状液稳定性下降。因此，为了确定实验室制备乳状液应该如何选择合适的水样，本文选取了实验室常用的3种水质：普通自来水、去离子水和蒸馏水，来制备油水乳状液，研究对比三种乳状液性质的差别，并从微观角度对实验结果进行合理的解释。

1  实验部分

1.1  实验材料

实验使用中海油陆丰13-2井采出油（不含水）基本物性如表1所示;实验用水为自来水、去离子水和蒸馏水，水质监测结果见表2。

1.2  实验仪器

（1）相同含水率下，高纯蒸馏水制备的乳状液黏度最大，自来水黏度最小，去离子水黏度介于2者之间。

（2）在相同含水率的条件下，温度越低，对比三种不同水质形成的乳状液黏度偏差越大，说明随着温度降低，水质对乳状液黏度性质的影响越大。

（3）对比不同含水率下，乳状液黏度的绝对平均偏差的变化，得知随着含水率增大，绝对偏差值越小，这说明含水越多，水质对乳状液黏度性质的影响越小。

3  水质对乳状液稳定性的影响

3.1  乳状液静态脱水实验

采用高温静态脱水的实验方法可以很好的描述乳状液的稳定性大小，本文对80 mL含水率10%、20%、30%、40%的乳状液在温度为80 ℃的水浴中进行静态脱水试验，试验结果见表7-10，为了更直观的反应脱水速率，将实验结果绘制成脱水量与脱水时间的关系曲线，如图1-4所示。

表7  含水10%乳状液80 ℃静态脱水

Table 7 Static dehydration of water-containing 10% emulsion at 80 ℃

水质 含水10%乳狀液脱水时间/min 脱水速率

/（mL·min-1）

3 5 10 15 20 25 30 35 40

自来水 0 0 5 7 8 8 8 8 8 20.44

去离子水 0 0 1.5 5.5 7 7.5 8 8 8 5.39

蒸馏水 0 0.5 0.5 0.6 0.9 1.4 2 2.6 3 12.86

图1  含水10%温度80 ℃下乳状液静态脱水速率

Fig.1 Static dehydration rate of water-containing 10% emulsion at 80 ℃

表8  含水20%乳状液80 ℃静态脱水

Table 8 Static dehydration rate of water-containing 20% emulsion at 80 ℃

水质 含水20%乳状液脱水时间/min 脱水速率

/（mL·min-1）

3 5 10 15 20 25 30 35 40

自来水 0.7 0.8 2 3 4 6 8 9 10 0.25

去离子水 0 0.5 1.6 2.2 2.6 4 6 7 7 0.20

蒸馏水 0 0 0 0 0 0.8 2 3.5 4 0.10

图2  含水20%温度80 ℃下乳状液静态脱水速率

Fig.2 Static dehydration rate of water-containing 20% emulsion at 80 ℃

表9  含水30%乳状液80 ℃静态脱水

Table 9 Static dehydration rate of water-containing 30% emulsion at 80 ℃

水质 含水30%乳状液脱水时间/min 脱水速率

/（mL·min-1）

3 5 10 15 20 25 30 35 40

自来水 0 0.1 0.8 1.4 2 4 8 11 12.5 0.31

去离子水 0 0 0.4 0.7 2 4 4.5 5 7 0.18

蒸馏水 0.5 0.6 0.8 1 1.4 1.5 2 2.7 3.5 0.09

图3  含水30%温度80 ℃下乳状液静态脱水速率

Fig.3 Static dehydration rate of water-containing 30% emulsion at 80 ℃

表10  含水40%乳状液80 ℃静态脱水

Table 10 Static dehydration rate of water-containing 40% emulsion at 80 ℃

水质 含水40%乳状液脱水时间/min 脱水速率

/（mL·min-1）

3 5 10 15 20 25 30 35 40

自来水 0 0.1 0.8 1.4 2 4 8 11 12.5 0.31

去离子水 0 0 0.4 0.7 2 4 4.5 5 7 0.18

蒸馏水 0.5 0.6 0.8 1 1.4 1.5 2 2.7 3.5 0.09

由静态脱水结果可以很明显看出三种水质制备的乳状液稳定性差异很大，其中自来水制备的乳状液稳定性最差，脱水速度最快，且40 min脱水量最多;蒸馏水制备的乳状液稳定性最好，不仅脱水速度最慢，且40 min脱出的水量很少;去离子水的稳定性位于自来水与蒸馏水之间。

3.2  乳状液静态电脱水实验

在其它实验条件与2.1节静态脱水相同的情况下，增加0.25 kV/cm电压进行电脱水实验，结果见表11-14所示。

对比不加电脱水数据与电脱水数据，发现加电后，三种水质制备的乳状液脱水速度都得到了提升，然而提升的幅度确存在明显差异，其中含水10%自来水制备的乳状液平均脱水速度由0.4 mL/min提高到0.8 mL/min，提高了2倍;含水10%去离子水制备的乳状液平均脱水速度由0.35 mL/min提高到0.4 mL/min，提高了1.14倍;而含水10%蒸馏水制备的乳状液平均脱水速度没有提高，都是0.05 mL/min。

4  微观水滴分布规律

4.1  显微观察

固定乳状液制备条件（温度为50 ℃;搅拌转速为500 r/min;搅拌时间为10 min），得到含水率为10%、20%和30%的三种水质形成的乳状液，然后通过相同的显微镜观察乳状液中水滴的微观分布并拍摄图像（图5）。

图5  三种水质乳状液不同含水率下的显微图像

Fig.5 Microscopic images of three water emulsions with different moisture content

由图5可以看出，含水率相同时，自来水制备的乳状液中大水滴较多，小水滴较少;蒸馏水制备的乳状液中大水滴较少，大多都是直径较小的水滴;去离子水制备的乳状液中水滴大小介于自来水和蒸馏水乳状液水滴大小之间，以中等大小水滴居多。随着含水率增加，三种类型的乳状液中水滴数量都明显增多，并且去离子水和蒸馏水形成的乳状液中大水滴的数量随之增加。

4.2  数理统计

运用Image J软件处理显微镜拍下图像，统计不同尺寸的水滴数量。每个条件下统计5张圖像取平均值，然后通过计算得到不同直径大小的水滴占所有水滴总体积的百分比，并将统计结果汇总为柱形图（图6-8）。

图6  三种水质10%含水率的乳状液微观水滴直径分布

Fig.6 Water droplet diameter distribution of three water quality emulsions with 10% moisture content

从图6中不难发现，自来水制备的乳状液中水滴直径超过55μm的大水滴占比最大，中小型水滴占比较为平均;去离子水制备的乳状液中的水滴直径主要分布在10 ～20μm和35 ～40μm之间，小水滴和大水滴含量较少;蒸馏水制备的乳状液中水滴直径主要分布为0 ～10μm之间，中大形的水滴含量很少。当含水率达到30%时，如图8所示，自来水制备的乳状液中水滴分布情况与10%含水相比没有太大变化;去离子水制备的乳状液中水滴直径分布增加至40 ～50μm之间;蒸馏水制备的乳状液中水滴直径分布增加至20 ～30μm之间。

5  水质检测与膜机理分析

使用SX713水质监测仪在室温18.6 ℃条件下，对实验所用的三种水质进行检测，结果见表2所示。

由测量结果可知，自来水中无机盐含量最高，溶解的无机盐使水里的阳离子和阴离子含量增加，宏观表现为自来水的导电性最好;去离子水是采用离子交换树脂方法处理自来水得到的离子含量较少的水，测量结果表明，去离子水的盐度和导电率都是自来水的1/10;蒸馏水是自来水经过蒸馏冷凝得到的较为纯净的水，其盐度为0，电导率为接近于0，可以认为是不含离子的纯水。

目前油水乳状液成型理论中，认可度较高的是油水界面膜理论。在油水界面上，乳化剂会形成吸附膜，膜的一面与水接触，另一面与油接触，所以，界面膜的稳定性可以很好反应出乳状液的稳定性。根据文献[11]的研究结果表明，无机盐的离子效应有利于减小油水界面膜的电荷密度，使界面膜强度减弱，从而降低乳状液的稳定性。另外，界面膜电荷减小，使得水滴间的电排斥力减小，使得水滴之间更容易集聚合并成大水滴。对比实验结果，根据膜机理可以很好的解释三种水质形成的乳状液性质的差别：自来水中无机盐溶解度大，阴阳离子含量高，形成的W/O型乳状液最不稳定，分散的小水滴很容易聚集形成大水滴，在重力的作用下产生油水分离;蒸馏水几乎没有无机盐溶解，分散的水滴不易聚集，所以形成的W/O型乳状液较为稳定;去离子水中无机盐溶解量介于自来水和蒸馏水之间，形成的乳状液稳定性也介于两者之间。

有研究表明[12]，原油乳状液分散相液滴体积越小，原油乳状液的黏度越大。再结合本文对三种水质形成的原油乳状液粒径的观察，很好的解释了水质对原油乳状液黏度变化规律的影响。

6  结 论

实验对比发现，使用不同净化程度的水质制备的油水乳状液，其物理性质有明显的不同：

（1）相同含水率的条件下，高纯蒸馏水制备的乳状液中水滴直径最小，黏度最大;自来水制备的乳状液中水滴直径最大，黏度最小;低纯度去离子水制备的原油乳状液水滴直径和黏度介于2者之间。

（2）在相同含水率的条件下，温度越低，对比三种不同水质形成的乳状液黏度偏差越大。含水量从10%增加至30%时，自来水制备的乳状液中小水滴更容易集聚为水滴，直径始终以大于55μm的大水滴为主;去离子水制备的乳状液中水滴直径分布由10 ～20μm增加至40 ～50μm之间;蒸馏水制备的乳状液中水滴直径分布由0 ～10μm增加至20～30μm之间;含水量增大，三种乳状液中水滴直径越接近，黏度的绝对平均偏差越小，这说明含水率越高，水质对乳状液黏度性质的影响越小。

（3）静态脱水实验显示，自来水制备的乳状液稳定性最差，脱水速度最快;蒸馏水制备的乳状液稳定性最好，不仅脱水速度最慢，且最终脱水量最少;去离子水乳状液的稳定性位于自来水与蒸馏水之间。

（4）对比不加电脱水数据与电脱水数据，加电后，自来水制备的乳状液平均脱水速度提高了约2倍;去离子水制备的乳状液平均脱水速度提高了约1.14倍;而含水10%蒸馏水制备的乳状液平均脱水速度没有明显提高。

（5）自来水盐度最大，对油水界面膜强度影响最大，形成的W/O型乳状液最不稳定;蒸馏水几乎没有无机盐溶解，对油水界面膜强度影响最小，形成的W/O型乳状液最为稳定;去离子水的盐度介于自来水和蒸馏水之间，形成的乳状液稳定性也介于两者之间。

由实验结果可知，水质对油水乳状液性质影响很大，如果要制备与现场性质更为接近的油水乳状液，在室内配置油水乳状液时，应该使用与油井采出的地层水性质较为接近的自来水作为实验用水;如果要制备性质更为稳定的乳状液时，应该使用去离子水或者纯度更高的蒸馏水。

参考文献：

[1] URBINA-VILLALBA G，GARCA-SUCRE M. Influence of surfactant distribution on the stability of oil/water emulsions towards flocculation and coalescence [J]. Colloid Surf A：Physicochem Eng Asp，2001，190（1）： 111-116.