稠油乳狀液穩(wěn)定性實驗研究

張卓見，李小玲，吳玉國

（遼寧石油化工大學石油天然氣工程學院，遼寧撫順 113001）

隨著社會的發(fā)展，石油產(chǎn)品的開發(fā)已經(jīng)進入第三階段，乳化劑在原油的開采運輸中發(fā)揮越來越重要的作用。單一乳化劑對稠油的降黏以及降黏后的穩(wěn)定性很難起決定性作用，乳化劑的復配起不可忽視的作用。乳狀液是一種不穩(wěn)定的體系，乳化條件、液滴大小、乳狀液的分散度等因素對其穩(wěn)定性均有影響[1-3]。很多學者針對外部因素對原油穩(wěn)定性的影響進行了大量研究[4-6]。但是，從分散相微觀粒徑的角度探究乳狀液的穩(wěn)定性，尤其是復配體系下乳狀液分散度方面進行的研究并不多[7-8]。聚焦光束反射測量儀（FBRM）目前應用于各個領域，包括醫(yī)學藥品的開發(fā)[9]、農(nóng)藥的制備等，F(xiàn)BRM可用于液滴的靜動態(tài)檢測。采用復配乳化劑制備了遼河油田稠油乳狀液，通過FBRM監(jiān)測了外部因素對乳狀液粒徑及其分布的影響；通過計算分散度，探究各因素對乳狀液穩(wěn)定性的影響。

1 實驗部分

1.1 材料與儀器

油樣：遼河油田歡喜嶺采油廠脫氣脫水原油，其含水率為10%（質(zhì)量分數(shù)，下同）。

試劑：重烷基苯磺酸鈉（OBS-50，質(zhì)量分數(shù)為99%）、脂肪醇聚氧乙烯醚15（AEO15/OS-15，質(zhì)量分數(shù)為99%）、辛基芬聚氧乙烯15（OP-15，質(zhì)量分數(shù)為99%）、十二烷基苯磺酸鈉（質(zhì)量分數(shù)為30%），山東優(yōu)索化工科技有限公司。

儀器：聚焦光束反射測量儀，梅特勒-托利多國際貿(mào)易（上海）有限公司；RW20數(shù)顯型頂置式攪拌器，上海滬粵明科學儀器有限公司；DV3 TLVBrookfield流變儀，美國Brookfield公司；EP114C分析天平，上海佑科公司。

1.2 實驗方法及步驟

（1）預處理原油。將油樣放入恒溫水浴箱中，水浴溫度為80℃，水浴時間2 h。室溫下冷卻48 h以上。

（2）選擇乳化劑。油水混合物的油水體積比為7∶3。OBS-50、AEO15/OS-15、OP-15及十二烷基苯磺酸鈉的質(zhì)量分數(shù)對乳狀液的粒徑與分布有重要影響。將4個試劑的質(zhì)量分數(shù)作為研究對象，設計四因素三水平的正交實驗[10-11]，綜合考慮粒徑、乳狀液分散度、降黏率，選取最優(yōu)組合。采用恒溫水浴，在50℃的條件下分別將油樣與試劑加熱30 min，以250 r/min的轉(zhuǎn)速攪拌3 min，得到原油乳狀液。

（3）測定原油乳狀液的液滴大小及其分布。利用聚焦光束反射測量儀，測定原油乳狀液的液滴大小及其分布。FBRM的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速設定為200、250、300 r/min，將配制好的乳狀液置于50～70℃的恒溫水浴中30 min，15 min后監(jiān)測乳狀液液滴分布與尺寸的變化情況。

2 結(jié)果與討論

乳狀液中液滴粒徑與分散相中的液滴分布均勻程度，是影響原油乳狀液穩(wěn)定性的兩個重要因素。液滴大小可由FBRM直接測量得出。分散度是表征體系均勻程度的參數(shù)，其值越大，表明體系的粒徑分布越不均勻。分散度可由式（1）[12]計算：

式中，PDI為分散度；i為不同粒徑尺寸區(qū)間；n為乳狀液液滴總數(shù)；xi為第i個粒徑尺寸區(qū)間的液滴個數(shù)；D50為粒徑中值，μm；Di為第i個粒徑尺寸區(qū)間液滴的平均粒徑，μm。

2.1 各試劑質(zhì)量分數(shù)對乳狀液的影響

乳化劑排列在油水兩相界面的緊密程度，影響乳狀液的黏度；乳化劑的介電結(jié)構(gòu)對乳狀液的穩(wěn)定性也有影響。設計四因素三水平的正交實驗，正交實驗的因素水平見表1，正交實驗結(jié)果見表2，各指標的極差見表3。

表1 正交實驗的因素水平

表2 四因素三水平的正交實驗結(jié)果

表3 各指標的極差

由表3可以看出，對乳狀液平均粒徑影響因素從大到小的順序為A＞C＞B＞D，最優(yōu)組合為A1B1C3D3；對乳狀液分散度的影響因素從大到小的順序為D＞C＞B＞A，最優(yōu)組合為A1B1C2D3；對原油降黏率的影響因素從大到小的順序為C＞D＞A＞B，最優(yōu)組合為A1B2C1D3。其中，A1、B1、D3的影響因素對平均粒徑、分散度、黏度的影響較大；對于因素C，C1、C2、C3分別為各指標的主要影響因素，但次要因素中C3的影響最大。綜合考慮，選取最優(yōu)組合為A1B1C3D3。平均粒徑與分散度呈正比，與降黏率呈反比，這是由于平均粒徑越小，乳狀液粒徑大的顆粒所占比例越小，原油乳狀液分布越均勻，原油穩(wěn)定性得到提高；平均粒徑減小，液滴數(shù)量變大，液滴之間的接觸面積增加，液滴之間流動需要克服黏滯力的能量增加，使乳狀液不易流動，導致黏度增大。

2.2 乳化條件對原油穩(wěn)定性的影響

2.2.1 溫度對乳狀液穩(wěn)定性的影響 在油水體積比為7∶3、攪拌速率為250 r/min、攪拌時間為30 min的條件下，考察了溫度對乳狀液平均粒徑及分散度的影響，結(jié)果如圖1所示。

圖1 溫度對乳狀液平均粒徑及分散度的影響

由圖1可以看出，溫度對平均粒徑及分散度的影響較大，溫度越高平均粒徑及分散度越大。其原因是：一方面，當溫度升高時，瀝青質(zhì)、膠質(zhì)等天然乳化劑在乳狀液中的溶解度增大，降低界面膜的張力，界面膜強度降低，加速小液滴形成大液滴，大小液滴數(shù)量差距增加，乳狀液分散度增大；另一方面，溫度升高，加速乳狀液體系的布朗運動，乳狀液黏度降低，使O/W乳狀液分子碰撞形成大液滴，大液滴數(shù)量明顯提升，大液滴之間也會繼續(xù)相融，液滴粒徑得到增大，乳狀液分散度變大[13]。

2.2.2 攪拌速率對乳狀穩(wěn)定性的影響 在油水體積比為7∶3、溫度為50℃、攪拌時間為30 min的條件下，考察了攪拌速率對乳狀液平均粒徑及分散度的影響，結(jié)果如圖2所示。由圖2可以看出，隨著攪拌速率的增大，乳狀液的平均粒徑及分散度均呈減小的趨勢。這是由于高攪拌速率能增加乳狀液體系能量，所形成的O/W乳狀液粒徑更小，分散更加均勻，液滴之間排列更緊密，液滴的單位界面能更高，乳狀液黏度增加，乳狀液分布更均勻，體系更穩(wěn)定[14]。

圖2 攪拌速率對乳狀液平均粒徑及分散度的影響

2.2.3 油水體積比對乳狀液穩(wěn)定性的影響 在攪拌速率為250 r/min、溫度為50℃、攪拌時間為30 min的條件下，考察油水體積比為5∶5、6∶4、7∶3時乳狀液液滴分布規(guī)律，結(jié)果如圖3所示。

圖3 油水體積比對乳狀液平均粒徑及分散度的影響

由圖3可以看出，隨著油水體積比的增加，乳狀液的平均粒徑及分散度均呈增大趨勢，乳狀液的穩(wěn)定性降低。其原因是：當油含量增加時，O/W液滴中油相所占比例變大，導致乳狀液中液滴的平均粒徑增加；隨著油相所占比例的增加，總界面面積也隨之增大，導致表面活性劑不足以緊密排列在界面膜上，不利于維持界面膜的穩(wěn)定。當油水體積比達到7∶3時，界面膜穩(wěn)定性較差，乳狀液中液滴不斷相溶或分解，乳狀液的分散度上下波動，經(jīng)過一段時間后趨于動態(tài)平衡，乳狀液分散度較為穩(wěn)定[15]。

2.3 礦化度對乳狀液穩(wěn)定性的影響

在乳化溫度為50℃、油水體積比為7∶3、攪拌速率為250 r/min、攪拌時間為30 min的條件下，考察礦化度（NaCl質(zhì)量分數(shù)）對乳狀液穩(wěn)定性的影響，結(jié)果如圖4所示。

圖4 不同礦化度下的平均粒徑及分散度

由圖4可以看出，隨著NaCl質(zhì)量分數(shù)的增大，在一定范圍內(nèi)能減小乳狀液平均粒徑，降低乳狀液的分散度。這是由于無機鹽能夠壓縮液滴界面的雙電層，電層排列更緊密，界面張力降低，大分子液滴更易溶解成小液滴，降低乳狀液平均粒徑，液滴分布更均勻，體系分散度降低，乳狀液更穩(wěn)定[16]。在NaCl質(zhì)量分數(shù)超過1.0%時，乳狀液的平均粒徑及其分散度變化不明顯，乳狀液穩(wěn)定性提升幅度不大。

3 結(jié)論

（1）通過四因素三水平的正交實驗可知，OBS-50、AEO15/OS-15、OP-15、十二烷基苯磺酸鈉的質(zhì)量分數(shù)分別為4.0%、4.0%、1.4%、1.4%時，復配乳化劑的效果最佳，此體系有利于提高乳狀液的穩(wěn)定性。對于該復配體系，乳狀液的平均粒徑與體系的分散度存在正協(xié)同關系，而與黏度呈反比。

（2）當溫度、油水體積比增加時，會增大乳狀液的平均粒徑，同時增大體系的分散度，降低乳狀液的穩(wěn)定性；當攪拌速率增大時，會降低乳狀液的平均粒徑及分散度，提升乳狀液的穩(wěn)定性。

（3）加入NaCl會增加乳狀液的穩(wěn)定性。當NaCl質(zhì)量分數(shù)為0.2%～1.0%時，能較大程度地提升乳狀液穩(wěn)定性，繼續(xù)增加NaCl質(zhì)量分數(shù)時，乳狀液的穩(wěn)定性提升效果不明顯。