稠油乳状液稳定性实验研究

张卓见，李小玲，吴玉国

（辽宁石油化工大学石油天然气工程学院，辽宁抚顺 113001）

随着社会的发展，石油产品的开发已经进入第三阶段，乳化剂在原油的开采运输中发挥越来越重要的作用。单一乳化剂对稠油的降黏以及降黏后的稳定性很难起决定性作用，乳化剂的复配起不可忽视的作用。乳状液是一种不稳定的体系，乳化条件、液滴大小、乳状液的分散度等因素对其稳定性均有影响[1-3]。很多学者针对外部因素对原油稳定性的影响进行了大量研究[4-6]。但是，从分散相微观粒径的角度探究乳状液的稳定性，尤其是复配体系下乳状液分散度方面进行的研究并不多[7-8]。聚焦光束反射测量仪（FBRM）目前应用于各个领域，包括医学药品的开发[9]、农药的制备等，FBRM可用于液滴的静动态检测。采用复配乳化剂制备了辽河油田稠油乳状液，通过FBRM监测了外部因素对乳状液粒径及其分布的影响；通过计算分散度，探究各因素对乳状液稳定性的影响。

1 实验部分

1.1 材料与仪器

油样：辽河油田欢喜岭采油厂脱气脱水原油，其含水率为10%（质量分数，下同）。

试剂：重烷基苯磺酸钠（OBS-50，质量分数为99%）、脂肪醇聚氧乙烯醚15（AEO15/OS-15，质量分数为99%）、辛基芬聚氧乙烯15（OP-15，质量分数为99%）、十二烷基苯磺酸钠（质量分数为30%），山东优索化工科技有限公司。

仪器：聚焦光束反射测量仪，梅特勒-托利多国际贸易（上海）有限公司；RW20数显型顶置式搅拌器，上海沪粤明科学仪器有限公司；DV3 TLVBrookfield流变仪，美国Brookfield公司；EP114C分析天平，上海佑科公司。

1.2 实验方法及步骤

（1）预处理原油。将油样放入恒温水浴箱中，水浴温度为80℃，水浴时间2 h。室温下冷却48 h以上。

（2）选择乳化剂。油水混合物的油水体积比为7∶3。OBS-50、AEO15/OS-15、OP-15及十二烷基苯磺酸钠的质量分数对乳状液的粒径与分布有重要影响。将4个试剂的质量分数作为研究对象，设计四因素三水平的正交实验[10-11]，综合考虑粒径、乳状液分散度、降黏率，选取最优组合。采用恒温水浴，在50℃的条件下分别将油样与试剂加热30 min，以250 r/min的转速搅拌3 min，得到原油乳状液。

（3）测定原油乳状液的液滴大小及其分布。利用聚焦光束反射测量仪，测定原油乳状液的液滴大小及其分布。FBRM的转子转速设定为200、250、300 r/min，将配制好的乳状液置于50～70℃的恒温水浴中30 min，15 min后监测乳状液液滴分布与尺寸的变化情况。

2 结果与讨论

乳状液中液滴粒径与分散相中的液滴分布均匀程度，是影响原油乳状液稳定性的两个重要因素。液滴大小可由FBRM直接测量得出。分散度是表征体系均匀程度的参数，其值越大，表明体系的粒径分布越不均匀。分散度可由式（1）[12]计算：

式中，PDI为分散度；i为不同粒径尺寸区间；n为乳状液液滴总数；xi为第i个粒径尺寸区间的液滴个数；D50为粒径中值，μm；Di为第i个粒径尺寸区间液滴的平均粒径，μm。

2.1 各试剂质量分数对乳状液的影响

乳化剂排列在油水两相界面的紧密程度，影响乳状液的黏度；乳化剂的介电结构对乳状液的稳定性也有影响。设计四因素三水平的正交实验，正交实验的因素水平见表1，正交实验结果见表2，各指标的极差见表3。

表1 正交实验的因素水平

表2 四因素三水平的正交实验结果

表3 各指标的极差

由表3可以看出，对乳状液平均粒径影响因素从大到小的顺序为A＞C＞B＞D，最优组合为A1B1C3D3；对乳状液分散度的影响因素从大到小的顺序为D＞C＞B＞A，最优组合为A1B1C2D3；对原油降黏率的影响因素从大到小的顺序为C＞D＞A＞B，最优组合为A1B2C1D3。其中，A1、B1、D3的影响因素对平均粒径、分散度、黏度的影响较大；对于因素C，C1、C2、C3分别为各指标的主要影响因素，但次要因素中C3的影响最大。综合考虑，选取最优组合为A1B1C3D3。平均粒径与分散度呈正比，与降黏率呈反比，这是由于平均粒径越小，乳状液粒径大的颗粒所占比例越小，原油乳状液分布越均匀，原油稳定性得到提高；平均粒径减小，液滴数量变大，液滴之间的接触面积增加，液滴之间流动需要克服黏滞力的能量增加，使乳状液不易流动，导致黏度增大。

2.2 乳化条件对原油稳定性的影响

2.2.1 温度对乳状液稳定性的影响 在油水体积比为7∶3、搅拌速率为250 r/min、搅拌时间为30 min的条件下，考察了温度对乳状液平均粒径及分散度的影响，结果如图1所示。

图1 温度对乳状液平均粒径及分散度的影响

由图1可以看出，温度对平均粒径及分散度的影响较大，温度越高平均粒径及分散度越大。其原因是：一方面，当温度升高时，沥青质、胶质等天然乳化剂在乳状液中的溶解度增大，降低界面膜的张力，界面膜强度降低，加速小液滴形成大液滴，大小液滴数量差距增加，乳状液分散度增大；另一方面，温度升高，加速乳状液体系的布朗运动，乳状液黏度降低，使O/W乳状液分子碰撞形成大液滴，大液滴数量明显提升，大液滴之间也会继续相融，液滴粒径得到增大，乳状液分散度变大[13]。

2.2.2 搅拌速率对乳状稳定性的影响 在油水体积比为7∶3、温度为50℃、搅拌时间为30 min的条件下，考察了搅拌速率对乳状液平均粒径及分散度的影响，结果如图2所示。由图2可以看出，随着搅拌速率的增大，乳状液的平均粒径及分散度均呈减小的趋势。这是由于高搅拌速率能增加乳状液体系能量，所形成的O/W乳状液粒径更小，分散更加均匀，液滴之间排列更紧密，液滴的单位界面能更高，乳状液黏度增加，乳状液分布更均匀，体系更稳定[14]。

图2 搅拌速率对乳状液平均粒径及分散度的影响

2.2.3 油水体积比对乳状液稳定性的影响 在搅拌速率为250 r/min、温度为50℃、搅拌时间为30 min的条件下，考察油水体积比为5∶5、6∶4、7∶3时乳状液液滴分布规律，结果如图3所示。

图3 油水体积比对乳状液平均粒径及分散度的影响

由图3可以看出，随着油水体积比的增加，乳状液的平均粒径及分散度均呈增大趋势，乳状液的稳定性降低。其原因是：当油含量增加时，O/W液滴中油相所占比例变大，导致乳状液中液滴的平均粒径增加；随着油相所占比例的增加，总界面面积也随之增大，导致表面活性剂不足以紧密排列在界面膜上，不利于维持界面膜的稳定。当油水体积比达到7∶3时，界面膜稳定性较差，乳状液中液滴不断相溶或分解，乳状液的分散度上下波动，经过一段时间后趋于动态平衡，乳状液分散度较为稳定[15]。

2.3 矿化度对乳状液稳定性的影响

在乳化温度为50℃、油水体积比为7∶3、搅拌速率为250 r/min、搅拌时间为30 min的条件下，考察矿化度（NaCl质量分数）对乳状液稳定性的影响，结果如图4所示。

图4 不同矿化度下的平均粒径及分散度

由图4可以看出，随着NaCl质量分数的增大，在一定范围内能减小乳状液平均粒径，降低乳状液的分散度。这是由于无机盐能够压缩液滴界面的双电层，电层排列更紧密，界面张力降低，大分子液滴更易溶解成小液滴，降低乳状液平均粒径，液滴分布更均匀，体系分散度降低，乳状液更稳定[16]。在NaCl质量分数超过1.0%时，乳状液的平均粒径及其分散度变化不明显，乳状液稳定性提升幅度不大。

3 结论

（1）通过四因素三水平的正交实验可知，OBS-50、AEO15/OS-15、OP-15、十二烷基苯磺酸钠的质量分数分别为4.0%、4.0%、1.4%、1.4%时，复配乳化剂的效果最佳，此体系有利于提高乳状液的稳定性。对于该复配体系，乳状液的平均粒径与体系的分散度存在正协同关系，而与黏度呈反比。

（2）当温度、油水体积比增加时，会增大乳状液的平均粒径，同时增大体系的分散度，降低乳状液的稳定性；当搅拌速率增大时，会降低乳状液的平均粒径及分散度，提升乳状液的稳定性。

（3）加入NaCl会增加乳状液的稳定性。当NaCl质量分数为0.2%～1.0%时，能较大程度地提升乳状液稳定性，继续增加NaCl质量分数时，乳状液的稳定性提升效果不明显。