強(qiáng)化分散體系乳化降黏性能評(píng)價(jià)及機(jī)理分析

張?jiān)茖殻?王 楠， 夏 歡， 蘇 鑫， 閆 冬

(1. 中海石油(中國(guó))有限公司天津分公司 渤海石油研究院，天津 300452；2.東北石油大學(xué) 提高油氣采收率教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，黑龍江 大慶 163318)

強(qiáng)化分散體系乳化降黏性能評(píng)價(jià)及機(jī)理分析

張?jiān)茖?， 王 楠1， 夏 歡1， 蘇 鑫2， 閆 冬2

(1. 中海石油(中國(guó))有限公司天津分公司 渤海石油研究院，天津 300452；2.東北石油大學(xué) 提高油氣采收率教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，黑龍江 大慶 163318)

稠油乳化降黏技術(shù)與其它稠油開發(fā)措施相比具有操作簡(jiǎn)便和經(jīng)濟(jì)性好等優(yōu)點(diǎn)，其中強(qiáng)化分散體系由于其良好的乳化降黏性以及簡(jiǎn)易的注入工藝在海上油田廣泛使用。通過(guò)室內(nèi)物理模擬實(shí)驗(yàn)方法研究了強(qiáng)化分散體系性能及其乳化降黏機(jī)理。結(jié)果表明，強(qiáng)化分散體系對(duì)海上稠油有較好的乳化降黏效果，且形成的乳狀液相對(duì)穩(wěn)定，破乳也較為容易。另外，強(qiáng)化分散體系與原油乳化作用可以導(dǎo)致部分表面活性劑組分進(jìn)入原油中，進(jìn)而影響強(qiáng)化分散體系與油間乳化效果和界面張力。

稠油： 強(qiáng)化分散體系； 降黏效果； 界面張力

渤海油田稠油資源豐富, 目前開采稠油常用蒸汽驅(qū)、摻稀油、稠油改質(zhì)和加化學(xué)藥劑等方法降黏[1-4]。稠油熱采采用過(guò)熱蒸汽或電熱升溫等熱采措施, 以提高原油溫度。熱采不僅設(shè)備復(fù)雜, 費(fèi)用大，而且還會(huì)使稠油儲(chǔ)層受到傷害，尤其是海上油田受到海上平臺(tái)設(shè)備空間的限制。因而國(guó)內(nèi)外許多稠油油藏采取化學(xué)降黏的方法開采[5-8]。一種良好的化學(xué)降黏技術(shù)既要大幅度地降低原油的黏度, 又可控制對(duì)油層的傷害, 而且成本費(fèi)用要低廉。乳化降黏技術(shù)具有降黏幅度大、工藝簡(jiǎn)單、投資少及見(jiàn)效快等優(yōu)點(diǎn)，因此開發(fā)成本低、用量少的乳化降黏劑對(duì)于稠油油田的開發(fā)至關(guān)重要。稠油乳化降黏技術(shù)存在一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題，那就是O/W型乳狀液的穩(wěn)定性問(wèn)題。在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，一方面要求開采過(guò)程中乳狀液不要發(fā)生破乳分層和乳液反相，以免造成油層堵塞；另一方面要求乳狀液達(dá)到集油站或煉油廠后易于破乳脫水，以降低破乳劑用量和藥劑成本。通俗地講，乳狀液穩(wěn)定性既不能太弱也不能太強(qiáng)。

為使稠油乳化降黏技術(shù)盡快投入渤海稠油開發(fā)礦場(chǎng)試驗(yàn)，本次研究對(duì)比分析了兩種目前較為成熟的稠油乳化降黏劑的性能，強(qiáng)化冷采體系和強(qiáng)化分散體系，但由于強(qiáng)化冷采體系藥劑為固體顆粒狀，配注前需要一定的熟化時(shí)間，不利于在空間狹小的海上平臺(tái)實(shí)施作業(yè)，而強(qiáng)化分散體系母液為液體，可實(shí)現(xiàn)在線點(diǎn)滴注入。本研究以渤海X油田油藏地質(zhì)和流體為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，開展了微界面強(qiáng)化分散體系性能評(píng)價(jià)及機(jī)理分析實(shí)驗(yàn)研究，這對(duì)目標(biāo)油藏采取乳化降黏措施技術(shù)具有重要參考價(jià)值。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

表面活性劑為中海油天津分公司提供的“強(qiáng)化冷采體系”和 “強(qiáng)化分散體系”， 強(qiáng)化冷采體系有效含量為100%，強(qiáng)化分散體系有效含量為50%；實(shí)驗(yàn)用油為渤海X油田油樣(μo=200 mPa·s)；實(shí)驗(yàn)用水為渤海BZ25-1油田注入水。實(shí)驗(yàn)溫度為渤海BZ25-1油田油藏溫度70 ℃。

1.2 實(shí)驗(yàn)儀器

采用美國(guó)Brookfield公司生產(chǎn)的DV-Ⅱ型布氏黏度計(jì)測(cè)試油水乳狀液黏度，使用“Ⅲ”號(hào)轉(zhuǎn)子，轉(zhuǎn)速為30 r/min。采用重慶奧特光學(xué)儀器有限公司生產(chǎn)的ISM-ZS50體式顯微鏡測(cè)試原油乳狀液微觀結(jié)構(gòu)形態(tài)。采用美國(guó)彪維公司生產(chǎn)的TX-500C旋滴界面張力儀測(cè)試油相與水相間界面張力。

1.3 方案設(shè)計(jì)

本次實(shí)驗(yàn)從以下5個(gè)方面綜合考察強(qiáng)化分散體系性能，具體測(cè)試指標(biāo)見(jiàn)表1。

2 結(jié)果分析

2.1 乳化降黏效果

采用注入水配制不同濃度強(qiáng)化分散體系，按一定油水質(zhì)量比與原油混合，油藏溫度條件下放置1 h，攪拌2 min(攪拌槳轉(zhuǎn)速250 r/min)，測(cè)試乳狀液黏度。

黏度測(cè)試結(jié)果和降黏率見(jiàn)圖1。從圖1中可以看出，在油水質(zhì)量比相同條件下，隨藥劑質(zhì)量濃度增加，乳狀液黏度下降。在藥劑質(zhì)量濃度相同條件下，隨油水質(zhì)量比減小即乳狀液中原油含量減少，乳狀液黏度降低。隨藥劑質(zhì)量濃度增大和油水質(zhì)量比減小，乳化液降黏率呈現(xiàn)增大趨勢(shì)。進(jìn)一步分析可以看出，兩種體系降黏率相差不多時(shí)，強(qiáng)化分散體系的濃度只有強(qiáng)化冷采體系的一半，在低濃度下就可以有較好的降黏效果，當(dāng)油水質(zhì)量比低于7∶3和藥劑質(zhì)量濃度高于300 mg/L時(shí)，強(qiáng)化分散體系降黏率可以達(dá)到80%以上。

稠油之所以黏度高，是因?yàn)榇嬖诙喾N納米級(jí)分子簇集體結(jié)構(gòu)，其中稠油中瀝青、膠質(zhì)等成分的分子結(jié)構(gòu)對(duì)原油簇集體的形成起著關(guān)鍵作用[9-10]。稠油強(qiáng)化分散劑分子設(shè)計(jì)見(jiàn)圖2，季胺基團(tuán)、羧酸基團(tuán)和羥基是分子的助溶基團(tuán)，兩親長(zhǎng)臂(親油親水基團(tuán))的作用是原油簇集體解簇的工具。溶解到水中的強(qiáng)化分散體系吸附在油水界面處和孔道表面處，其兩親長(zhǎng)臂通過(guò)對(duì)稠油分子間的氫鍵、疏水親脂相互作用等分子間力的破壞，使稠油分子簇集體解簇集，稠油被解聚后黏度大大降低，流動(dòng)性增加。

圖1 降黏率與藥劑質(zhì)量濃度關(guān)系

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

圖2 稠油強(qiáng)化分散劑分子設(shè)計(jì)

Fig.2 Design of molecular structure of enhanced dispersion system

2.2 乳化和破乳性

2.2.1 乳狀液結(jié)構(gòu) 采用注入水配制質(zhì)量濃度為800 mg/L強(qiáng)化分散體系，在油藏溫度下以m(油)/m(水)=3∶7與原油混合均勻，取乳狀液放置在載玻片，用體式顯微鏡觀測(cè)乳狀液結(jié)構(gòu)，觀測(cè)結(jié)果見(jiàn)圖3。

從圖3中可以看出，乳狀液具有“水外相油內(nèi)相”即O/W結(jié)構(gòu)特征，強(qiáng)化分散體系與原油作用后被分散成不連續(xù)細(xì)小的油滴，可見(jiàn)強(qiáng)化分散體系對(duì)于稠油具有較強(qiáng)的乳化分散效果。

圖3 強(qiáng)化分散體系乳狀液微觀結(jié)構(gòu)(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強(qiáng)化分散體系/強(qiáng)化冷采體系(CS=800 mg/L)和15 mL原油，將它們放入50 mL磨口刻度試管中，并將試管置于恒溫箱內(nèi)。放置5 h后，將試管拿出上下劇烈振蕩3 min，形成油水乳狀液，再將試管放回恒溫箱內(nèi)。觀測(cè)乳狀液層和水層厚度與時(shí)間關(guān)系，采用式(1)計(jì)算分水率：

(1)

式中，F(xiàn)V為分水率，V1為析出水體積，V2為乳狀液體積。FV值愈小，乳化效果愈好，乳狀液愈穩(wěn)定。

2種藥劑配制乳狀液分水率實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)見(jiàn)表2。

表2 不同測(cè)試時(shí)間下分水率實(shí)驗(yàn)結(jié)果

從表2中可以看出，隨放置時(shí)間延長(zhǎng)，乳狀液分水率增加，乳狀液結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性變差。在放置時(shí)間相同條件下，與強(qiáng)化冷采體系相比較，強(qiáng)化分散體系分水率較低，乳狀液更穩(wěn)定，乳化效果較好。強(qiáng)化分散體系采出后在無(wú)需加破乳劑的情況下30 min之后分水率就可達(dá)到99%，幾乎完全破乳，對(duì)開發(fā)生產(chǎn)影響較小。

2.2.3 界面張力 采用注入水配制不同類型和濃度強(qiáng)化分散體系和強(qiáng)化冷采體系，它們與原油間界面張力測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 不同藥劑質(zhì)量濃度下界面張力測(cè)試結(jié)果

從表3中可以看出，隨藥劑質(zhì)量濃度增大，兩種藥劑配制強(qiáng)化分散體系與原油間界面張力都呈現(xiàn)下降趨勢(shì)。在藥劑質(zhì)量濃度相同條件下，強(qiáng)化分散體系與原油間界面張力較低。界面張力的降低可增加油-水兩相體系的界面活性，增大強(qiáng)化分散體系分子在界面處的吸附量，強(qiáng)化分散劑分子與極性有機(jī)物分子相互作用，使得界面膜分子的排列更加緊密，界面膜強(qiáng)度增加，只有界面膜中的強(qiáng)化分散體系分子緊密排列形成凝聚膜，才能保證乳狀液的穩(wěn)定。

2.2.4 吸附特性 采用注入水配制強(qiáng)化分散體系(CS=800 mg/L)，將其與天然油砂(取自SZ36-1油田，粒徑范圍180～260目)按質(zhì)量比m(液)/m(固)=20∶1混合于磨口瓶中，攪拌均勻，并將磨口瓶放置在70 ℃恒溫箱中。24 h后取磨口瓶上部清液，測(cè)量其與原油間界面張力。取清液與新鮮油砂再接觸，再重復(fù)上述實(shí)驗(yàn)2次。

強(qiáng)化分散體系與油砂接觸次數(shù)及其界面張力實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表4。

從表4中可以看出，在2次吸附后油水間的界面張力大幅度升高。但當(dāng)吸附次數(shù)大于2次時(shí)，界面張力明顯上升，說(shuō)明強(qiáng)化分散體系抗吸附能力較差。這是因?yàn)閺?qiáng)化分散體系分子當(dāng)中存在一種巖石孔道表面鍵合的基團(tuán)，它促進(jìn)了強(qiáng)化分散劑分子在巖石孔吼表面的吸附，改善了巖石的潤(rùn)濕性，吸附在孔道表面處的強(qiáng)化分散體系不僅可以發(fā)揮稠油降黏作用，而且更易形成穩(wěn)定的水膜，降低了稠油在多孔介質(zhì)當(dāng)中流動(dòng)的摩擦阻力，增強(qiáng)了稠油的流動(dòng)性。

表4 界面張力測(cè)試結(jié)果

2.2.5 強(qiáng)化分散體系與原油間多次接觸分析

(1) 乳狀液結(jié)構(gòu)

采用注入水配制強(qiáng)化分散體系溶液(CS=800 mg/L)，將其以質(zhì)量比m(油)/m(水)=3∶7與原油混合均勻，用體式顯微鏡觀測(cè)乳狀液結(jié)構(gòu)；然后將乳狀液進(jìn)行油水分離，再測(cè)試新配制強(qiáng)化分散體系溶液與分離原油(簡(jiǎn)稱乳化油)間乳狀液結(jié)構(gòu)。重復(fù)上述實(shí)驗(yàn)4次。

乳狀液微觀結(jié)構(gòu)觀測(cè)結(jié)果見(jiàn)圖4。

圖4 乳狀液微觀結(jié)構(gòu)(放大倍數(shù)35倍)

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

從圖4中可以看出，隨乳化次數(shù)增加，乳化原油與新配制強(qiáng)化分散體系乳化效果變好，具體表現(xiàn)為油滴粒徑減小，原油分散程度高。由此可見(jiàn)，原油與強(qiáng)化分散體系作用后，強(qiáng)化分散體系部分組分已經(jīng)進(jìn)入原油中(油水分離所得到油簡(jiǎn)稱“乳化油”)，使原油組分發(fā)生變化。當(dāng)乳化油與新配制表面活性劑溶液接觸時(shí)，乳化油可以被更好地分散到表面活性劑溶液中，形成油滴直徑更小的“O/W”乳狀液。

(2) 界面張力

采用注入水配制4#強(qiáng)化分散體系溶液(CS=800 mg/L)，測(cè)試它與原油間界面張力。將強(qiáng)化分散體系溶液以質(zhì)量比m(油)/m(水)=3∶7與原油混合乳化，油水分離，得到分離強(qiáng)化分散體系溶液，測(cè)試它與新鮮原油間界面張力。重復(fù)上述實(shí)驗(yàn)過(guò)程4次。

多次乳化作用分離強(qiáng)化分散體系溶液與新鮮原油間界面張力測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表5。

表5 界面張力測(cè)試結(jié)果

從表5中可以看出，隨乳化次數(shù)增加，分離強(qiáng)化分散體系溶液與新鮮原油間界面張力增加，但增幅逐漸減小。由此可見(jiàn)，原油與強(qiáng)化分散體系溶液混合后，部分強(qiáng)化分散體系成分進(jìn)入原油中，使強(qiáng)化分散體系溶液有效組分減少。當(dāng)分離強(qiáng)化分散體系溶液與新鮮原油接觸時(shí)，界面張力升高。

3 結(jié)論

(1) 當(dāng)油水質(zhì)量比低于7∶3和強(qiáng)化分散體系藥劑質(zhì)量濃度高于300 mg/L時(shí)，乳狀液黏度較低，降黏率可以達(dá)到80%以上。

(2) 強(qiáng)化分散體系與原油發(fā)生乳化作用可形成O/W型乳狀液。與強(qiáng)化冷采體系相比較，強(qiáng)化分散體系乳狀液更穩(wěn)定，乳化效果更好。30 min后無(wú)需加破乳劑即可自動(dòng)破乳。

(3) 強(qiáng)化分散體系降粘機(jī)理：溶解到水中的強(qiáng)化分散體系吸附在油水界面處和孔道表面處，其兩親長(zhǎng)臂通過(guò)與稠油分子間的氫鍵、疏水親脂相互作用等分子間力的破壞使稠油分子簇集體解簇集，稠油被解聚后黏度大大降低；孔隙內(nèi)表面強(qiáng)化分散劑分子吸附組裝后形成穩(wěn)定的水膜，降低了稠油在多孔介質(zhì)當(dāng)中流動(dòng)的摩擦阻力，增強(qiáng)了稠油的流動(dòng)性。

(4) 隨著乳化次數(shù)的增加，強(qiáng)化分散體系與原油乳化作用可以導(dǎo)致部分強(qiáng)化分散體系組分進(jìn)入原油中，進(jìn)而進(jìn)一步影響強(qiáng)化分散體系與原油間界面張力和乳化效果。

[1] 徐國(guó)瑞，李翔，謝坤. 稠油降黏劑增油效果及其作用機(jī)理——以渤海稠油油藏儲(chǔ)層和流體條件為例[J]. 石油化工高等學(xué)校學(xué)報(bào)，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，吳本芳，高晉生，等. 高凝稠油乳化降凝降黏研究[J]. 油田化學(xué)，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，金學(xué)鋒，王鳳清，等. 特稠油乳化降黏室內(nèi)評(píng)價(jià)研究[J]. 斷塊油氣田，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] 伍銳東，岳泉，王麗，等. 輪古深層稠油乳化降黏實(shí)驗(yàn)研究[J]. 斷塊油氣田，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，劉必心，等. 吉林扶余油田稠油乳化降黏實(shí)驗(yàn)研究[J]. 油田化學(xué)，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] 裴海華，張貴才，葛際江，等. 塔河油田超稠油乳化降黏劑的研制[J]. 油田化學(xué)，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，張建，崔盈賢，等. 海上S油田稠油乳化降黏技術(shù)[J]. 油田化學(xué)，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] 汪雙清，沈斌，林壬子. 稠油黏度與化學(xué)組成[J]. 石油學(xué)報(bào)(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] 王大為，岳寶林，劉小鴻，等. 渤海稠油油藏原油黏溫關(guān)系研究[J]. 石油地質(zhì)與工程，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.

(編輯 閆玉玲)

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

投稿網(wǎng)址：http://journal.lnpu.edu.cn

2016-06-13

2016-10-11

中海石油天津分公司重點(diǎn)攻關(guān)項(xiàng)目“稠油油田微界面強(qiáng)化分散技術(shù)”經(jīng)費(fèi)資助(CCL2015TJTLQST0767)。

張?jiān)茖?1980-)，男，碩士，工程師，從事提高采收率技術(shù)研究；E-mail: zhangyb14@cnooc.com.cn。

蘇鑫(1991-)，男，碩士研究生，從事提高采收率技術(shù)研究；E-mail：suxin14@126.com。

TE34

A

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