原油-水混合体系的黏度特性及预测方法研究进展

文江波，罗海军，梁文龙，李 洋，杨静怡

(广东石油化工学院石油工程学院，茂名 525000)

油水两相或油气水多相流动的情形在原油开采、集输过程中普遍存在。由于原油中一般含有较多的天然界面活性物质，在管道共同流动过程中，原油、水很容易发生乳化，形成乳状液。原油乳状液的形成，将导致油水体系的有效黏度发生改变，进而会对多相流的流动规律产生显著的影响[1-2]。

总而言之，从外部混合条件、原油物性、水相物性、乳状液液滴粒径及分布等方面开展研究，才能全面了解掌握原油-水混合体系的黏度特性。现从上述几方面影响因素出发，系统总结、阐述原油-水混合体系的黏度特性研究进展，并对现有黏度预测方法进行梳理和总结。进一步地，对原油-水混合体系黏度特性及预测方法的下一步研究方向进行分析和展望。

1 原油-水混合体系的黏度特性

原油与水在共同流动过程中，受到外界的剪切作用，使得其中一相以微小的液滴分散在另一相中，即形成乳状液(图1)。很显然，原油-水混合体系的黏度特性与原油乳状液的形成条件及分散状态直接相关。

图1 原油乳状液显微图Fig.1 Micrograph of crude oil emulsion

1.1 外部混合条件对原油-水混合体系黏度特性的影响

在外部混合条件对油水混合体系黏度特性的影响方面，主要集中在对剪切强度、含水率、温度等因素的影响研究。

剪切强度是影响油水混合体系黏度特性的重要因素。研究表明[10-12]，提高乳化过程的剪切强度，将使油水体系掺混得更加剧烈，乳状液液滴粒径变得更小，数量大幅增加，微小的液滴更难以聚并、沉降，这使得乳状液的稳定性增强，黏度增大。有一些研究[13-14]则发现，乳状液的稳定性及黏度刚开始随着剪切强度的增加而增强，当剪切强度超过某一临界值后，体系的稳定性开始下降，黏度也随之减小。很显然，剪切强度对油水混合体系的黏度特性影响显著，不同的学者得出的研究结论也有所不同。

关于含水率φw对油水混合体系黏度特性的影响，研究显示，在其他实验条件不变的情况下，在原油乳状液反相点之前，低含水率的油水混合体系形成的是稳定乳状液，随着体系中含水率的增加，体系的黏度逐渐增大；而当含水率超过反相点之后，高含水油水混合体系的黏度将急剧减小(图2)[15-17]。

温度对油水混合体系黏度特性的影响包括两个方面：油水乳状液制备温度的影响、制备好的乳状液自身温度对其稳定性的影响。一般而言，升高温度可使乳状液的稳定性下降，进而导致黏度下降[18-19](图3)；而在某些条件下，适当提高油水体系的乳化温度，可得到更加稳定的乳状液，其黏度也更高[20]。

图2 某高含水原油-水混合体系有效黏度随含水率的变化关系[16]Fig.2 Viscosity of crude oil-water system with high water fraction vs. water fraction[16]

图3 某原油-水混合体系有效黏度随温度的变化关系[16]Fig.3 Viscosity of crude oil-water system vs. temperature[16]

1.2 原油物性对原油-水混合体系黏度特性的影响

原油的组成很复杂，其中的界面活性物质对原油乳状液的形成和稳定起决定作用，进而对油水乳状液的黏度产生影响。这些物质主要包括沥青质、胶质、蜡晶、固体颗粒、酸性化合物等。

沥青质的界面活性很强，其在油水界面上吸附，能够形成具有一定结构和强度的界面膜，使得乳状液稳定[21-22]。Khan等[23]、Chang等[24]、赵一潞等[25]的研究指出，原油中沥青质的浓度及聚集形态对原油乳状液的形成及稳定性有显著影响，原油的沥青质含量越高，其乳化能力越强，与水相形成的乳状液越稳定，黏度越大。不同碳数的烃类对沥青质聚集形态的影响程度不同，从而会影响乳状液的稳定性及黏度[26]。胶质也是原油乳状液形成及稳定的重要因素，其与沥青质属于同一类物质，但是相对分子质量和极性比沥青质小一些。Alvarez等[27]、Pradilla等[28]的研究指出，通常由胶质形成的油水界面膜强度比沥青质小，因而胶质对乳状液的稳定能力要弱于沥青质，形成的乳状液黏度也相对较小。原油中的蜡晶也是一种重要的界面活性物质，研究[29-31]均表明，原油中析出的蜡晶颗粒吸附在油水界面，可以改变界面膜的流变性，增强界面膜的强度，原油中蜡含量越高，可使油水乳状液更加稳定，黏度也越大。原油中的固体小颗粒等机械杂质，与蜡晶一样，也可以吸附在油水界面上，增强界面膜的强度，从而提高原油乳状液的稳定性，增大黏度[32-33]。原油中的酸性物质可与碱反应生成新的界面活性物质，对油水界面性质、乳状液的稳定及黏度特性起重要作用[34]。酸性物质多种多样，不同类型的酸性物质在稳定乳状液时所起的作用也不尽相同，其界面活性与酸性化合物本身的分子结构、相对分子质量等性质密切相关[35]。

1.3 水相物性对原油-水混合体系黏度特性的影响

油田地层水一般矿化度较高，含有大量的无机盐类。文江波等[5]使用油田地层中常见的盐类溶于水相，开展乳化实验，研究显示在初始含水率0.70、温度40 ℃、转速600 r/min条件下，不同盐溶液与原油形成的混合体系的乳化含水率明显不同(图4)，进而影响到乳状液的黏度特性。研究[36-37]均表明，水相中盐类的存在能够有效降低界面张力，促进油水体系的乳化。此外，另一些研究[38-39]则显示，油水体系的乳化特性与水相离子的种类存在很大关系，不同的离子(如Na+、Ca2+、Mg2+)对界面张力的影响程度存在差异，由含不同离子种类的矿化水所形成的乳状液，黏度差异也较大。水相pH对原油-水混合体系的乳化及黏度特性也有显著影响。当水相pH较高时，原油中的酸性化合物可以与碱发生反应，生成新的界面活性物质，从而提高原油与水的乳化程度，增大乳状液黏度[37,40]。

图4 某原油-水混合体系的乳化含水率随不同盐类水相矿化度的变化关系[5]Fig.4 Emulsified water fraction of crude oil-water system vs.salinity for different inorganic salts[5]

1.4 乳状液液滴粒径及分布对原油-水混合体系黏度特性的影响

在原油-水混合体系中，微米级或纳米级的乳状液液滴构成了原油乳状液的微观结构体系，其粒径大小及分散状态是影响原油-水混合体系黏度特性的一项重要因素。对于液滴粒径、分布规律的研究，有利于准确计算原油-水混合体系的黏度。

研究[41]指出，在原油、水乳化过程中，混合液受到的剪切强度越大，会加剧乳状液液滴的变形和破裂，从而使得形成的液滴粒径越小(图5)。另外，温度则会影响乳状液液滴的微观运动状态，温度升高，导致液滴运动加剧，碰撞和聚并的机会增加，使得液滴平均粒径增大[42]。在液滴粒径及分布对乳状液的黏度影响方面，研究[43-45]均表明，对于原油-水混合体系，乳状液液滴数量越多，尺寸越小，则体系的黏度越大。为了探明液滴粒径大小、分散状态对原油-水混合体系黏度特性的影响规律，建立相应的液滴粒径预测模型十分必要。迄今，已有不少关于乳状液液滴粒径的模型发表，如Kolmogorov[46]、Hinze[47]、Angeli等[48]、Brauner等[49]的液滴粒径模型。

图5 某原油乳状液液滴Sauter平均粒径随搅拌转速的变化关系[41]Fig.5 Sauter average size of crude oil emulsion droplets vs.stirring speed[41]

2 原油-水混合体系的黏度预测方法

2.1 稳定态油水乳状液黏度计算模型

对于稳定乳状液的黏度计算，前人已经提出了较多模型。最初Einstein[50]认为乳状液的黏度与油相的黏度、含水率相关，提出了一个适用于极低含水率的黏度计算模型。Taylor[7]假设分散相液滴为严格的球形且粒径很小，并引入分散相黏度，建立了乳状液黏度计算模型，适用于稀乳状液。Brinkman[8]也在考虑乳状液液滴为球形的基础上，主要考虑分散相体系分数的影响，提出了改进模型。后来的研究人员逐渐改变多项式的项次和系数，以提高Einstein相关公式的适用范围[51]。基于对高含水率乳状液相对黏度实验数据的总结，Richardson[9]发现乳状液相对黏度与分散相体积分数之间的关系可采用指数函数进行描述，以此为基础，提出了一种乳状液黏度计算模型。对于不同的油水乳状液体系，Broughton等[52]、Mooney[53]、Marsden[54]等研究者相继提出了改进的Richardson相关式。Phan-Thien等[55]采用连续介质理论，并基于Taylor模型的研究思路，推导建立了乳状液黏度计算模型。Pal[56]考虑了乳状液中表面活性剂的影响，在Phan-Thien模型的基础上，提出了新的乳状液黏度计算模型。

以上的黏度计算模型中，主要考虑了连续相黏度、分散相体积分数、分散相黏度等因素的影响。而事实上，乳状液的黏度还受到剪切率、液滴粒径的影响，呈现出非牛顿流体性质。Pal等[57]对Brinkman模型进行改进，在模型中引入了与剪切率有关的“水合因子”及“絮凝因子”，推导建立了新的乳状液黏度计算模型。Rønningsen等[58]在Richardson模型的基础上，同时考虑剪切率和温度对乳状液黏度的影响，建立了改进的黏度计算模型。窦丹[59]对稠油乳状液的黏度特性进行研究，在Pal-Rhodes模型的基础上，考虑乳状液的非牛顿流体性质，在模型中引入反映非牛顿性的“含水率系数”，建立了适用于稠油乳状液的黏度计算模型。王玮[60]在窦丹模型的基础上，引入了“液滴雷诺数因子”，建立了考虑液滴粒径影响的乳状液黏度计算模型。Pal[61]考虑界面流变性的影响，建立了新的乳状液黏度预测模型。在考虑剪切率、含油率、乳化剂浓度、温度等因素对乳状液黏度影响的基础上，Azodi等[62]建立了用于预测水包油(oil-in-water,O/W)乳状液黏度的模型。

上述稳定态油水乳状液的黏度计算模型[7-9,50-62]，如表1所示。

2.2 非稳定态油水混合液黏度计算方法

对于高含水率的情况，在一定剪切强度作用下，原油-水两相体系往往不能形成稳定均匀的单一乳状液，而是原油将其中一部分水乳化，形成了油包水(water-in-oil，W/O)乳状液液滴和游离水掺混在一起的体系。此时，包含乳化水的油滴为分散相，游离水则是连续相。在这种体系中，既含有乳化水又含有游离水，是一种不稳定的油水混合液体系。其显著特点是，当一定的外界剪切强度持续作用时，体系能够保持一定的动态均匀性，但是一旦外界剪切作用撤销，体系将马上分层，变成上部是W/O乳状液、下部是游离水的状态。对于这种非稳定态的油水混合液，其有效黏度的确定是一大难题。一方面，根据测量原理，传统黏度计(比如同轴圆筒、椎板等)难以测量其有效黏度；另一方面，前人提出的乳状液黏度模型均只适用于稳定的乳状液体系，无法在这里进行应用。目前，一些学者针对这类非稳定态的油水混合液，提出了为数不多的有效黏度计算方法。

工程应用中最早采用加权平均法来计算油水混合液的黏度[63]，但是，加权平均法计算得到的混合液黏度往往误差较大，应用效果较差。后来的研究者多采用环道进行实验，利用环道的压降数据，反算得到油水混合液的有效黏度。Pan[64]研究了环道内油水分层流动及分散流动的情况，考虑了掺混程度的影响，提出了油水混合液的黏度计算关系式。蔡继勇等[65]研究了垂直管道内的油水两相流，利用压降数据反算得到了混合液黏度的经验关系式。Wen等[16]对高含水油水混合体系(含水率范围为0.70～0.90)的黏度特性进行研究，指出高含水原油-水混合体系的黏度随剪切率的增加而减小，具有较强的剪切稀释性(图6)；同时，在Taylor模型的基础上，在转速300 r/min、温度30 ℃下，考虑流动条件下原油乳化含水率的影响，建立了适用于高含水非稳定乳化油水混合液的有效黏度预测模型，并将模型的预测结果与经典乳状液黏度模型的预测结果进行了对比，预测效果良好(图7)。

上述非稳定态油水混合液的黏度计算方法[16,63-65]如表2所示。

表1 稳定态油水乳状液黏度计算模型Table 1 Viscosity calculation models of stable oil-water emulsion

图6 某高含水原油-水混合体系有效黏度随剪切率的变化关系[16]Fig.6 Viscosity of crude oil-water system with high water fraction vs. shear rate[16]

图7 Wen黏度模型的预测结果与经典乳状液黏度模型预测结果对比[16]Fig.7 Comparison between Wen viscosity model and classical emulsion viscosity models[16]

表2 非稳定态油水混合液黏度计算方法Table 2 Calculation methods for viscosity of unstable oil-water mixture

3 研究展望及建议

关于原油-水混合体系黏度特性的研究方面，目前中外的研究只侧重于某些特定的因素或某一方面的影响因素，缺乏对影响因素的全面、综合性研究；另外，前人主要针对稳定乳状液进行研究，缺乏对非稳定态油水混合体系黏度特性的系统研究。这使得当前对原油-水混合体系黏度特性的认识具有一定的局限性，阻碍了多相流动规律研究的深入进行。因此，从外部混合条件、原油物性、水相物性、乳状液液滴粒径及分布等方面开展深入研究，是全面掌握原油-水混合体系黏度特性的必由之路，也是建立油水混合体系黏度预测模型的根基所在。

关于原油-水混合体系黏度预测方法的研究方面，目前对于乳状液的黏度预测模型已经有很多，有些模型在乳状液的黏度计算中也得到了广泛的应用(如Taylor 模型、Brinkman模型、Richardson模型、Pal模型等)。但是，上述黏度模型存在两方面的局限性：一方面，这些模型均只适用于稳定的乳状液体系，对于非稳定乳化的油水混合液体系则不适用。在高含水率的油水体系中，往往不能形成稳定的乳状液，若是利用上述乳状液黏度模型来计算油水混合液的黏度，显然不够准确。另一方面，其中一些模型中含有与油水体系物性相关的待定参数(如Richardson模型、Pal模型、Ronningsen模型、Azodi模型等)，但却没能给出这些参数与油水物性之间的定量关系式，导致每次将这些模型应用到不同的乳状液体系时，还必须通过实验来确定相关的待定参数，这无疑削弱了这些模型应用的便利性。另外，对于非稳定态油水混合体系黏度的预测和研究方面，目前常见采用加权平均、环道实验数据反算等方法，在实际应用中存在预测偏差较大的问题。文献[16]前期专门针对高含水油水混合液的流动特性进行研究，建立了适用于高含水非稳定乳化油水混合液的有效黏度预测模型。总的来说，当前中外对于非稳定态油水混合体系黏度特性的研究成果较少，还未成体系。

对于确定的原油和水相掺混所形成的混合体系，在反相点之前，一般形成的是稳定态的W/O乳状液体系；而在含水率超过反相点之后的高含水条件下，原油只能将其中一部分水乳化，形成的是W/O乳状液液滴和游离水掺混在一起的体系，是一种非稳定态体系。对于稳定态的油水乳状液体系，目前已经有较多且成熟的黏度预测模型；而对于非稳定态的油水混合液体系，其黏度预测问题的研究还较薄弱，需要后续重点研究。在实际应用中，无一例外的需要先判断管道中油水混合体系的具体形态(是稳定态的乳状液，还是非稳定态的油水混合液)，再选择相应的黏度模型进行计算。而目前在大多数情况下，都是将混输管道中的油水混合体系按照稳定乳状液来处理，进而选择稳定乳状液的黏度模型计算其黏度。这种近似处理对于低含水的稳定乳状液体系而言是基本可行的(即使是低含水的情况下，当剪切强度不够时，也难以形成稳定乳状液)，但是对于高含水的非稳定态油水混合体系而言，是有失妥当的，也是计算失准、误差大的重要原因。事实上，对于陆上或海底实际油水混输管道，由于现场条件的限制，很难精准断定原油-水两相在流动过程中所处的具体形态，这就客观上要求建立一种在不需要判断原油-水混合体系具体形态的前提下，也能准确计算其黏度的模型。

综上所述，通过对原油-水混合体系黏度特性及预测方法研究现状的梳理及对存在问题的分析，对本领域下一步的研究建议如下：一方面，要加强、深化对非稳定态油水混合液体系黏度特性及预测方法的研究；另一方面，针对客观存在的工程问题，要将稳定态、非稳定态油水混合体系黏度特性的研究进行有机整合，以期能建立整合稳定/非稳定态油水混合体系的统一黏度预测模型。