張嘉　羅浩勇

摘????? 要：以國內(nèi)某油田稠油及其乳狀液為研究對(duì)象，采用Anton Paar MCR 302可視化流變儀對(duì)其黏溫特性和流變性進(jìn)行研究。測(cè)量了稠油在不同溫度下的黏度，以及不同含水率、溫度及剪切速率下該稠油乳狀液的表觀黏度，根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)其關(guān)系進(jìn)行綜合分析，并觀察反相點(diǎn)附近的稠油乳狀液微觀形態(tài)。結(jié)果表明，該稠油的黏溫特性在測(cè)量范圍內(nèi)能較好的符合Arrhenius方程，稠油乳狀液黏度與含水率、溫度的綜合關(guān)系能夠符合對(duì)數(shù)關(guān)系模型，在不同的含水率下，稠油乳狀液黏度公式Richardson公式中的k值是關(guān)于溫度的函數(shù)，從微觀上可以證明該稠油樣品的反相點(diǎn)在40%～50%之間，另外，剪切速率對(duì)稠油乳狀液黏度的影響隨溫度的變化而變化。因此，對(duì)稠油乳化降黏輸送時(shí)需考慮溫度、含水率及剪切速率等多種因素的影響。

關(guān)? 鍵? 詞：稠油;稠油乳狀液;黏溫特性;流變性;Arrhenius方程;Richardson公式

中圖分類號(hào)：TE832.3⁺33??? ???文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A?????? 文章編號(hào)： 1671-0460（2020）06-1150-05

Study on Rheological Properties of Heavy Oil and Its Emulsion

ZHANG Jia， LUO Hao-yong

（CNOOC Ningbo Daxie Petrochemical Co.， Ltd.， Ningbo Zhejiang 315812， China）

Abstract： The viscosity-temperature characteristics and rheological characteristics of heavy oil and its emulsion in a domestic oilfield were researched by using Anton Paar MCR 302 rotary viscometer.The viscosity of heavy oil at different temperatures and the apparent viscosity of heavy oil emulsion at different temperatures， rates of water content and shear rates were measured， the relationships of them were analyzed. In addition， the microcosmic morphology of heavy oil emulsion with the water content being close to the inverting point of heavy oil was observed. The results showed that viscosity-temperature characteristics of heavy oil conformed to Arrhenius equation well in measuring range. The relationship of the viscosity of heavy oil emulsion， water content and temperature could fit the logarithmic model. The k of Richardson equation which is the viscosity formula of heavy oil emulsion is a function of temperature at different rates of water content. The result that the inverting point of the heavy oil sample was between 40% and 50% was confirmed from the microscopic point. In addition， the influence of the shear rate on the viscosity of heavy oil emulsion varied with temperature. Therefore， various factors such as temperature， rate of water content and shear rate should be considered when transporting heavy oil which was emulsified to reduce its viscosity.

Key words： Heavy oil; Heavy oil emulsion; Viscosity-temperature characteristics; Rheological characteristics; Arrhenius equation; Richardson equation

稠油亦稱重質(zhì)原油，是一種富含膠質(zhì)和瀝青質(zhì)的多烴類復(fù)雜混合物，通常指黏度大于1×10² mPa·s（50 ℃）和密度大于0.92 g·cm^-3（20 ℃）的原油^[1]。世界上稠油能源相當(dāng)豐富，儲(chǔ)量很高，而我國的稠油資源正在被日趨廣泛的開發(fā)利用，顯示出良好的前景^[2]，因此，稠油資源的儲(chǔ)存和運(yùn)輸問題正越來越受到廣泛的關(guān)注。然而稠油中的膠質(zhì)和瀝青質(zhì)造成其具有很大的黏度，這給稠油的運(yùn)輸造成了極大的困難，國內(nèi)外許多學(xué)者針對(duì)此問題也做了許多不同的研究^[3-5]。目前，對(duì)稠油摻活性水乳化是國內(nèi)外稠油輸送過程中常用的降黏方法之一^[6]。因此，對(duì)稠油及其乳狀液黏溫特性及流變性的研究是具有實(shí)際意義的。

本次研究中，利用奧地利Anton Paar MCR 302可視化流變儀等對(duì)國內(nèi)某油田的稠油及其乳狀液的黏溫特性、流變性進(jìn)行了測(cè)量和研究。

1 ?實(shí)驗(yàn)部分

1.1? 實(shí)驗(yàn)原料

實(shí)驗(yàn)中所用的油樣來自國內(nèi)某油田，該稠油樣品的物性參數(shù)見表1，配制乳狀液用水為該油田聯(lián)合站的清水。

1.2 ?實(shí)驗(yàn)器材

奧地利Anton Paar MCR 302可視化流變儀;AR2140電子天平，等級(jí)I，精度1/10 000;IKA數(shù)顯可控轉(zhuǎn)速攪拌器等。

2? 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1? 稠油樣品的黏溫特性

將收集自國內(nèi)某油田的稠油樣品加熱到30 ℃，恒溫60 min，然后以1 ℃·min^-1的速度連續(xù)升溫到75 ℃，在剪切速率為60 s^-1的條件下，采用Anton Paar MCR 302可視化流變儀測(cè)量其不同溫度下的黏度值，其結(jié)果如圖1所示。

對(duì)該稠油樣品的黏溫曲線進(jìn)行進(jìn)一步研究，對(duì)Arrhenius方程進(jìn)行變換得^[7]

lnμ = A+B/T。???????????? （1）

式中： μ —?jiǎng)恿︷ざ?，mPa·s;

A、B —常數(shù);

T —熱力學(xué)溫度，K。

將圖1中稠油黏溫曲線轉(zhuǎn)化為lnμ～1/T曲線圖，其結(jié)果如圖2所示。

對(duì)圖2中的曲線進(jìn)行線性回歸分析，得到方程lnμ=-18.931+8 803.7/T，其相關(guān)度為0.993，可以認(rèn)為該稠油樣品的黏溫特性能夠很好的符合（1），即Arrhenius方程，這與文獻(xiàn)[8﹣9]的報(bào)道是一致的。另外，從圖2中可以看到這條曲線不是嚴(yán)格意義上的直線，而是發(fā)生了部分的偏離，這說明該稠油樣品在溫升過程中內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)發(fā)生了變化，其內(nèi)部粒子間不僅僅是范德華力在起作用，很可能氫鍵等非分子間作用力也在該稠油樣品的溫升過程中起著作用。

2.2 ?稠油乳狀液的流變特性

2.2.1 ?稠油乳狀液的黏度

為了能把非牛頓流體的黏稠程度與牛頓流體的動(dòng)力黏度作比較，往往引入表觀黏度的概念。表觀黏度即流體剪切應(yīng)力與相對(duì)應(yīng)的剪切速率的比值。例如，表示假塑型流體流變性的冪律方程為

式中： τ —剪切應(yīng)力，Pa;

K —稠度系數(shù);

n —流變行為指數(shù)。

則根據(jù)表觀黏度的概念

式中： μ_ap —表觀黏度，Pa·s;

τ —剪切應(yīng)力，Pa;

K —稠度系數(shù);

γ ? ?—剪切速率， ;

n —流變行為指數(shù)。

2.2.2 ?溫度及含水率對(duì)稠油乳狀液黏度的影響

為了研究溫度及含水率對(duì)稠油乳狀液黏度的影響，配制含水率為10%、20%、30%、40%、50%的5種乳狀液^[10]。文獻(xiàn)[11]認(rèn)為稠油乳狀液的表觀黏度與含水率、溫度之間均呈對(duì)數(shù)關(guān)系。其中表觀黏度與溫度的關(guān)系為：

式中： μ —乳狀液黏度，mPa·s;

A、B —常數(shù);

T —熱力學(xué)溫度，K。

而表觀黏度與含水率的關(guān)系為：

式中： μ —乳狀液黏度，mPa·s;

A、B —常數(shù);

Φ —含水率，%。

圖3為不同含水率下稠油乳狀液的黏溫曲線。

對(duì)不同溫度下稠油樣品乳狀液黏度與含水率的關(guān)系式用公式（5）進(jìn)行擬合，得到的結(jié)果如表2。

對(duì)不同含水率下的稠油樣品乳狀液的黏溫關(guān)系式用公式（4）進(jìn)行擬合，得到的結(jié)果如表3。

對(duì)稠油樣品乳狀液黏度與溫度、含水率的關(guān)系進(jìn)行綜合分析，并基于式（4）、式（5）的對(duì)數(shù)關(guān)系提出如下的回歸模型

lgμ =A+B lgΦ+CT +DT lgΦ。? ?????（6）

式中：μ—乳狀液黏度，mPa·s;

A、B、C、D —常數(shù);

Φ —含水率，%;

T —熱力學(xué)溫度，K。

對(duì)此進(jìn)行回歸分析，得到如下結(jié)果：

lgμ =15.492 69-2.518 48lgΦ-0.037 89T+0.009 754TlgΦ。（7）

式（7）相關(guān)度為0.979。以上分析表明對(duì)于溫度在30～75 ℃，含水率在10%～40%范圍內(nèi)的該稠油樣品乳狀液，公式（7）所表示的回歸模型能夠符合。

在實(shí)際中，較多地使用Richardson公式來計(jì)算稠油乳狀液的表觀黏度

μ = μ₀ exp（kΦ）。 ????????（8）

式中： μ —乳狀液黏度，mPa·s;

μ₀ —外相黏度，mPa·s;

k —常數(shù);

Φ —內(nèi)相體積分?jǐn)?shù)。

而由于乳狀液特性復(fù)雜，受許多變量的影響，并且實(shí)驗(yàn)的條件性很強(qiáng)^[12]，所以不同的研究者、不同的體系得出的k值有很大差別，如表4所示。

運(yùn)用Richardson公式對(duì)稠油乳狀液的黏溫曲線進(jìn)行擬合，計(jì)算得出k的值如圖4所示。

由圖4可以看出，在不同含水率和溫度下得出的k值差異較大。含水率為10%～30%的乳狀液在40～60 ℃時(shí)k值隨溫度增加而增加且變化較大，而當(dāng)溫度較高或較低時(shí)，k值變化較小;含水率為40%的乳狀液在測(cè)量范圍內(nèi)其黏度呈現(xiàn)出先減小后增大的趨勢(shì)。根據(jù)不同含水率下k值隨溫度變化的關(guān)系，對(duì)其進(jìn)行回歸分析，將k表示成溫度T（℃）的函數(shù)，結(jié)果見表5。

從表5中可以看出擬合公式的相關(guān)度都比較高，說明可以利用這些公式對(duì)含水率為10%、20%、30%、40%稠油樣品乳狀液的k值進(jìn)行計(jì)算。對(duì)于含水率在10%～40%的乳狀液，可以利用插值法對(duì)回歸方程的系數(shù)進(jìn)行計(jì)算，具體方法參見文獻(xiàn)[15]。

由圖3可以看出，當(dāng)稠油樣品乳狀液的含水率在10%～40%范圍內(nèi)時(shí)，在同一溫度下乳狀液黏度隨含水率的升高而升高，而相同溫度下含水率為50%的乳狀液表觀黏度要低于含水率為40%的乳狀液表觀黏度。這說明該稠油樣品的反相點(diǎn)位于40%～50%之間。為了對(duì)其反相點(diǎn)的范圍進(jìn)行進(jìn)一步地驗(yàn)證，利用Anton Paar MCR302可視化流變儀光學(xué)模塊測(cè)試了稠油轉(zhuǎn)相點(diǎn)附近乳狀液的微觀形態(tài)，該模塊含有一個(gè)強(qiáng)光源和一個(gè)高分辨率顯微鏡，觀察結(jié)果如圖5和圖6。

由圖5、圖6可知，在含水率為40%時(shí)，乳狀液油相和水相分布均勻，而當(dāng)含水率達(dá)到50%時(shí)，乳狀液中油滴分散于水滴中，此時(shí)水滴為外相而油滴為內(nèi)相。因此，圖5、圖6從微觀形態(tài)方面進(jìn)一步證明了該稠油樣品的反相點(diǎn)位于40%～50%之間。

2.2.3 ?剪切速率對(duì)稠油乳狀液黏度的影響

為了研究該稠油樣品乳狀液黏度與剪切速率之間的關(guān)系，對(duì)含水率為10%的稠油樣品乳狀液分別在30和50 ℃時(shí)的情況進(jìn)行了測(cè)試，其結(jié)果如圖7和圖8所示。從圖7可以看出，含水率為10%的稠油樣品乳狀液在30 ℃時(shí)，其黏度隨著剪切速率的增大而減小，呈現(xiàn)出剪切稀釋性，并且當(dāng)剪切速率接近于零時(shí)，乳狀液的剪切應(yīng)力也接近于零，因此，含水率為10%的乳狀液在30 ℃時(shí)呈現(xiàn)出假塑型流體（非牛頓流體）的特征。從圖8中可以看出，含水率為10%的稠油樣品乳狀液在50 ℃時(shí)，其黏度基本不隨剪切速率的變化而變化，呈現(xiàn)出牛頓流體的特性。以上分析表明剪切速率對(duì)稠油樣品乳狀液黏度的影響隨溫度的變化而變化。

3? 結(jié)論

1）稠油樣品本身的黏溫特性在測(cè)量范圍內(nèi)能夠很好地符合Arrhenius方程。

2）對(duì)稠油樣品乳狀液黏度與含水率、溫度的關(guān)系進(jìn)行綜合分析，發(fā)現(xiàn)其關(guān)系能夠符合基于對(duì)數(shù)關(guān)系而提出的模型。

3）對(duì)該稠油樣品的乳狀液的黏溫關(guān)系運(yùn)用Richardson公式擬合，并對(duì)公式中的k值進(jìn)行了修正，提出在不同含水率下，k是關(guān)于溫度T（℃）的不同的函數(shù)。

4）此次研究從微觀的角度驗(yàn)證了該稠油樣品的反相點(diǎn)在40%～50%之間。這對(duì)該油田今后的生產(chǎn)運(yùn)營具有一定的參考價(jià)值。但是正是由于該稠油樣品反相點(diǎn)在40%～50%之間，因此文中進(jìn)行的關(guān)于乳狀液的回歸擬合計(jì)算只涉及到了油包水型乳狀液，今后可以對(duì)含水率更高的水包油型乳狀液進(jìn)行更深入的研究。

5）剪切速率對(duì)該稠油樣品乳狀液黏度的影響隨溫度的變化而變化。

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