文江波，羅海軍，梁文龍，李 洋，楊靜怡

(廣東石油化工學(xué)院石油工程學(xué)院，茂名 525000)

油水兩相或油氣水多相流動(dòng)的情形在原油開(kāi)采、集輸過(guò)程中普遍存在。由于原油中一般含有較多的天然界面活性物質(zhì)，在管道共同流動(dòng)過(guò)程中，原油、水很容易發(fā)生乳化，形成乳狀液。原油乳狀液的形成，將導(dǎo)致油水體系的有效黏度發(fā)生改變，進(jìn)而會(huì)對(duì)多相流的流動(dòng)規(guī)律產(chǎn)生顯著的影響[1-2]。

總而言之，從外部混合條件、原油物性、水相物性、乳狀液液滴粒徑及分布等方面開(kāi)展研究，才能全面了解掌握原油-水混合體系的黏度特性?，F(xiàn)從上述幾方面影響因素出發(fā)，系統(tǒng)總結(jié)、闡述原油-水混合體系的黏度特性研究進(jìn)展，并對(duì)現(xiàn)有黏度預(yù)測(cè)方法進(jìn)行梳理和總結(jié)。進(jìn)一步地，對(duì)原油-水混合體系黏度特性及預(yù)測(cè)方法的下一步研究方向進(jìn)行分析和展望。

1 原油-水混合體系的黏度特性

原油與水在共同流動(dòng)過(guò)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，即形成乳狀液(圖1)。很顯然，原油-水混合體系的黏度特性與原油乳狀液的形成條件及分散狀態(tài)直接相關(guān)。

圖1 原油乳狀液顯微圖Fig.1 Micrograph of crude oil emulsion

1.1 外部混合條件對(duì)原油-水混合體系黏度特性的影響

在外部混合條件對(duì)油水混合體系黏度特性的影響方面，主要集中在對(duì)剪切強(qiáng)度、含水率、溫度等因素的影響研究。

剪切強(qiáng)度是影響油水混合體系黏度特性的重要因素。研究表明[10-12]，提高乳化過(guò)程的剪切強(qiáng)度，將使油水體系摻混得更加劇烈，乳狀液液滴粒徑變得更小，數(shù)量大幅增加，微小的液滴更難以聚并、沉降，這使得乳狀液的穩(wěn)定性增強(qiáng)，黏度增大。有一些研究[13-14]則發(fā)現(xiàn)，乳狀液的穩(wěn)定性及黏度剛開(kāi)始隨著剪切強(qiáng)度的增加而增強(qiáng)，當(dāng)剪切強(qiáng)度超過(guò)某一臨界值后，體系的穩(wěn)定性開(kāi)始下降，黏度也隨之減小。很顯然，剪切強(qiáng)度對(duì)油水混合體系的黏度特性影響顯著，不同的學(xué)者得出的研究結(jié)論也有所不同。

關(guān)于含水率φw對(duì)油水混合體系黏度特性的影響，研究顯示，在其他實(shí)驗(yàn)條件不變的情況下，在原油乳狀液反相點(diǎn)之前，低含水率的油水混合體系形成的是穩(wěn)定乳狀液，隨著體系中含水率的增加，體系的黏度逐漸增大；而當(dāng)含水率超過(guò)反相點(diǎn)之后，高含水油水混合體系的黏度將急劇減小(圖2)[15-17]。

溫度對(duì)油水混合體系黏度特性的影響包括兩個(gè)方面：油水乳狀液制備溫度的影響、制備好的乳狀液自身溫度對(duì)其穩(wěn)定性的影響。一般而言，升高溫度可使乳狀液的穩(wěn)定性下降，進(jìn)而導(dǎo)致黏度下降[18-19](圖3)；而在某些條件下，適當(dāng)提高油水體系的乳化溫度，可得到更加穩(wěn)定的乳狀液，其黏度也更高[20]。

圖2 某高含水原油-水混合體系有效黏度隨含水率的變化關(guān)系[16]Fig.2 Viscosity of crude oil-water system with high water fraction vs. water fraction[16]

圖3 某原油-水混合體系有效黏度隨溫度的變化關(guān)系[16]Fig.3 Viscosity of crude oil-water system vs. temperature[16]

1.2 原油物性對(duì)原油-水混合體系黏度特性的影響

原油的組成很復(fù)雜，其中的界面活性物質(zhì)對(duì)原油乳狀液的形成和穩(wěn)定起決定作用，進(jìn)而對(duì)油水乳狀液的黏度產(chǎn)生影響。這些物質(zhì)主要包括瀝青質(zhì)、膠質(zhì)、蠟晶、固體顆粒、酸性化合物等。

瀝青質(zhì)的界面活性很強(qiáng)，其在油水界面上吸附，能夠形成具有一定結(jié)構(gòu)和強(qiáng)度的界面膜，使得乳狀液穩(wěn)定[21-22]。Khan等[23]、Chang等[24]、趙一潞等[25]的研究指出，原油中瀝青質(zhì)的濃度及聚集形態(tài)對(duì)原油乳狀液的形成及穩(wěn)定性有顯著影響，原油的瀝青質(zhì)含量越高，其乳化能力越強(qiáng)，與水相形成的乳狀液越穩(wěn)定，黏度越大。不同碳數(shù)的烴類(lèi)對(duì)瀝青質(zhì)聚集形態(tài)的影響程度不同，從而會(huì)影響乳狀液的穩(wěn)定性及黏度[26]。膠質(zhì)也是原油乳狀液形成及穩(wěn)定的重要因素，其與瀝青質(zhì)屬于同一類(lèi)物質(zhì)，但是相對(duì)分子質(zhì)量和極性比瀝青質(zhì)小一些。Alvarez等[27]、Pradilla等[28]的研究指出，通常由膠質(zhì)形成的油水界面膜強(qiáng)度比瀝青質(zhì)小，因而膠質(zhì)對(duì)乳狀液的穩(wěn)定能力要弱于瀝青質(zhì)，形成的乳狀液黏度也相對(duì)較小。原油中的蠟晶也是一種重要的界面活性物質(zhì)，研究[29-31]均表明，原油中析出的蠟晶顆粒吸附在油水界面，可以改變界面膜的流變性，增強(qiáng)界面膜的強(qiáng)度，原油中蠟含量越高，可使油水乳狀液更加穩(wěn)定，黏度也越大。原油中的固體小顆粒等機(jī)械雜質(zhì)，與蠟晶一樣，也可以吸附在油水界面上，增強(qiáng)界面膜的強(qiáng)度，從而提高原油乳狀液的穩(wěn)定性，增大黏度[32-33]。原油中的酸性物質(zhì)可與堿反應(yīng)生成新的界面活性物質(zhì)，對(duì)油水界面性質(zhì)、乳狀液的穩(wěn)定及黏度特性起重要作用[34]。酸性物質(zhì)多種多樣，不同類(lèi)型的酸性物質(zhì)在穩(wěn)定乳狀液時(shí)所起的作用也不盡相同，其界面活性與酸性化合物本身的分子結(jié)構(gòu)、相對(duì)分子質(zhì)量等性質(zhì)密切相關(guān)[35]。

1.3 水相物性對(duì)原油-水混合體系黏度特性的影響

油田地層水一般礦化度較高，含有大量的無(wú)機(jī)鹽類(lèi)。文江波等[5]使用油田地層中常見(jiàn)的鹽類(lèi)溶于水相，開(kāi)展乳化實(shí)驗(yàn)，研究顯示在初始含水率0.70、溫度40 ℃、轉(zhuǎn)速600 r/min條件下，不同鹽溶液與原油形成的混合體系的乳化含水率明顯不同(圖4)，進(jìn)而影響到乳狀液的黏度特性。研究[36-37]均表明，水相中鹽類(lèi)的存在能夠有效降低界面張力，促進(jìn)油水體系的乳化。此外，另一些研究[38-39]則顯示，油水體系的乳化特性與水相離子的種類(lèi)存在很大關(guān)系，不同的離子(如Na+、Ca2+、Mg2+)對(duì)界面張力的影響程度存在差異，由含不同離子種類(lèi)的礦化水所形成的乳狀液，黏度差異也較大。水相pH對(duì)原油-水混合體系的乳化及黏度特性也有顯著影響。當(dāng)水相pH較高時(shí)，原油中的酸性化合物可以與堿發(fā)生反應(yīng)，生成新的界面活性物質(zhì)，從而提高原油與水的乳化程度，增大乳狀液黏度[37,40]。

圖4 某原油-水混合體系的乳化含水率隨不同鹽類(lèi)水相礦化度的變化關(guān)系[5]Fig.4 Emulsified water fraction of crude oil-water system vs.salinity for different inorganic salts[5]

1.4 乳狀液液滴粒徑及分布對(duì)原油-水混合體系黏度特性的影響

在原油-水混合體系中，微米級(jí)或納米級(jí)的乳狀液液滴構(gòu)成了原油乳狀液的微觀結(jié)構(gòu)體系，其粒徑大小及分散狀態(tài)是影響原油-水混合體系黏度特性的一項(xiàng)重要因素。對(duì)于液滴粒徑、分布規(guī)律的研究，有利于準(zhǔn)確計(jì)算原油-水混合體系的黏度。

研究[41]指出，在原油、水乳化過(guò)程中，混合液受到的剪切強(qiáng)度越大，會(huì)加劇乳狀液液滴的變形和破裂，從而使得形成的液滴粒徑越小(圖5)。另外，溫度則會(huì)影響乳狀液液滴的微觀運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，溫度升高，導(dǎo)致液滴運(yùn)動(dòng)加劇，碰撞和聚并的機(jī)會(huì)增加，使得液滴平均粒徑增大[42]。在液滴粒徑及分布對(duì)乳狀液的黏度影響方面，研究[43-45]均表明，對(duì)于原油-水混合體系，乳狀液液滴數(shù)量越多，尺寸越小，則體系的黏度越大。為了探明液滴粒徑大小、分散狀態(tài)對(duì)原油-水混合體系黏度特性的影響規(guī)律，建立相應(yīng)的液滴粒徑預(yù)測(cè)模型十分必要。迄今，已有不少關(guān)于乳狀液液滴粒徑的模型發(fā)表，如Kolmogorov[46]、Hinze[47]、Angeli等[48]、Brauner等[49]的液滴粒徑模型。

圖5 某原油乳狀液液滴Sauter平均粒徑隨攪拌轉(zhuǎn)速的變化關(guān)系[41]Fig.5 Sauter average size of crude oil emulsion droplets vs.stirring speed[41]

2 原油-水混合體系的黏度預(yù)測(cè)方法

2.1 穩(wěn)定態(tài)油水乳狀液黏度計(jì)算模型

對(duì)于穩(wěn)定乳狀液的黏度計(jì)算，前人已經(jīng)提出了較多模型。最初Einstein[50]認(rèn)為乳狀液的黏度與油相的黏度、含水率相關(guān)，提出了一個(gè)適用于極低含水率的黏度計(jì)算模型。Taylor[7]假設(shè)分散相液滴為嚴(yán)格的球形且粒徑很小，并引入分散相黏度，建立了乳狀液黏度計(jì)算模型，適用于稀乳狀液。Brinkman[8]也在考慮乳狀液液滴為球形的基礎(chǔ)上，主要考慮分散相體系分?jǐn)?shù)的影響，提出了改進(jìn)模型。后來(lái)的研究人員逐漸改變多項(xiàng)式的項(xiàng)次和系數(shù)，以提高Einstein相關(guān)公式的適用范圍[51]。基于對(duì)高含水率乳狀液相對(duì)黏度實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的總結(jié)，Richardson[9]發(fā)現(xiàn)乳狀液相對(duì)黏度與分散相體積分?jǐn)?shù)之間的關(guān)系可采用指數(shù)函數(shù)進(jìn)行描述，以此為基礎(chǔ)，提出了一種乳狀液黏度計(jì)算模型。對(duì)于不同的油水乳狀液體系，Broughton等[52]、Mooney[53]、Marsden[54]等研究者相繼提出了改進(jìn)的Richardson相關(guān)式。Phan-Thien等[55]采用連續(xù)介質(zhì)理論，并基于Taylor模型的研究思路，推導(dǎo)建立了乳狀液黏度計(jì)算模型。Pal[56]考慮了乳狀液中表面活性劑的影響，在Phan-Thien模型的基礎(chǔ)上，提出了新的乳狀液黏度計(jì)算模型。

以上的黏度計(jì)算模型中，主要考慮了連續(xù)相黏度、分散相體積分?jǐn)?shù)、分散相黏度等因素的影響。而事實(shí)上，乳狀液的黏度還受到剪切率、液滴粒徑的影響，呈現(xiàn)出非牛頓流體性質(zhì)。Pal等[57]對(duì)Brinkman模型進(jìn)行改進(jìn)，在模型中引入了與剪切率有關(guān)的“水合因子”及“絮凝因子”，推導(dǎo)建立了新的乳狀液黏度計(jì)算模型。R?nningsen等[58]在Richardson模型的基礎(chǔ)上，同時(shí)考慮剪切率和溫度對(duì)乳狀液黏度的影響，建立了改進(jìn)的黏度計(jì)算模型。竇丹[59]對(duì)稠油乳狀液的黏度特性進(jìn)行研究，在Pal-Rhodes模型的基礎(chǔ)上，考慮乳狀液的非牛頓流體性質(zhì)，在模型中引入反映非牛頓性的“含水率系數(shù)”，建立了適用于稠油乳狀液的黏度計(jì)算模型。王瑋[60]在竇丹模型的基礎(chǔ)上，引入了“液滴雷諾數(shù)因子”，建立了考慮液滴粒徑影響的乳狀液黏度計(jì)算模型。Pal[61]考慮界面流變性的影響，建立了新的乳狀液黏度預(yù)測(cè)模型。在考慮剪切率、含油率、乳化劑濃度、溫度等因素對(duì)乳狀液黏度影響的基礎(chǔ)上，Azodi等[62]建立了用于預(yù)測(cè)水包油(oil-in-water,O/W)乳狀液黏度的模型。

上述穩(wěn)定態(tài)油水乳狀液的黏度計(jì)算模型[7-9,50-62]，如表1所示。

2.2 非穩(wěn)定態(tài)油水混合液黏度計(jì)算方法

對(duì)于高含水率的情況，在一定剪切強(qiáng)度作用下，原油-水兩相體系往往不能形成穩(wěn)定均勻的單一乳狀液，而是原油將其中一部分水乳化，形成了油包水(water-in-oil，W/O)乳狀液液滴和游離水摻混在一起的體系。此時(shí)，包含乳化水的油滴為分散相，游離水則是連續(xù)相。在這種體系中，既含有乳化水又含有游離水，是一種不穩(wěn)定的油水混合液體系。其顯著特點(diǎn)是，當(dāng)一定的外界剪切強(qiáng)度持續(xù)作用時(shí)，體系能夠保持一定的動(dòng)態(tài)均勻性，但是一旦外界剪切作用撤銷(xiāo)，體系將馬上分層，變成上部是W/O乳狀液、下部是游離水的狀態(tài)。對(duì)于這種非穩(wěn)定態(tài)的油水混合液，其有效黏度的確定是一大難題。一方面，根據(jù)測(cè)量原理，傳統(tǒng)黏度計(jì)(比如同軸圓筒、椎板等)難以測(cè)量其有效黏度；另一方面，前人提出的乳狀液黏度模型均只適用于穩(wěn)定的乳狀液體系，無(wú)法在這里進(jìn)行應(yīng)用。目前，一些學(xué)者針對(duì)這類(lèi)非穩(wěn)定態(tài)的油水混合液，提出了為數(shù)不多的有效黏度計(jì)算方法。

工程應(yīng)用中最早采用加權(quán)平均法來(lái)計(jì)算油水混合液的黏度[63]，但是，加權(quán)平均法計(jì)算得到的混合液黏度往往誤差較大，應(yīng)用效果較差。后來(lái)的研究者多采用環(huán)道進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，利用環(huán)道的壓降數(shù)據(jù)，反算得到油水混合液的有效黏度。Pan[64]研究了環(huán)道內(nèi)油水分層流動(dòng)及分散流動(dòng)的情況，考慮了摻混程度的影響，提出了油水混合液的黏度計(jì)算關(guān)系式。蔡繼勇等[65]研究了垂直管道內(nèi)的油水兩相流，利用壓降數(shù)據(jù)反算得到了混合液黏度的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系式。Wen等[16]對(duì)高含水油水混合體系(含水率范圍為0.70～0.90)的黏度特性進(jìn)行研究，指出高含水原油-水混合體系的黏度隨剪切率的增加而減小，具有較強(qiáng)的剪切稀釋性(圖6)；同時(shí)，在Taylor模型的基礎(chǔ)上，在轉(zhuǎn)速300 r/min、溫度30 ℃下，考慮流動(dòng)條件下原油乳化含水率的影響，建立了適用于高含水非穩(wěn)定乳化油水混合液的有效黏度預(yù)測(cè)模型，并將模型的預(yù)測(cè)結(jié)果與經(jīng)典乳狀液黏度模型的預(yù)測(cè)結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比，預(yù)測(cè)效果良好(圖7)。

上述非穩(wěn)定態(tài)油水混合液的黏度計(jì)算方法[16,63-65]如表2所示。

表1 穩(wěn)定態(tài)油水乳狀液黏度計(jì)算模型Table 1 Viscosity calculation models of stable oil-water emulsion

圖6 某高含水原油-水混合體系有效黏度隨剪切率的變化關(guān)系[16]Fig.6 Viscosity of crude oil-water system with high water fraction vs. shear rate[16]

圖7 Wen黏度模型的預(yù)測(cè)結(jié)果與經(jīng)典乳狀液黏度模型預(yù)測(cè)結(jié)果對(duì)比[16]Fig.7 Comparison between Wen viscosity model and classical emulsion viscosity models[16]

表2 非穩(wěn)定態(tài)油水混合液黏度計(jì)算方法Table 2 Calculation methods for viscosity of unstable oil-water mixture

3 研究展望及建議

關(guān)于原油-水混合體系黏度特性的研究方面，目前中外的研究只側(cè)重于某些特定的因素或某一方面的影響因素，缺乏對(duì)影響因素的全面、綜合性研究；另外，前人主要針對(duì)穩(wěn)定乳狀液進(jìn)行研究，缺乏對(duì)非穩(wěn)定態(tài)油水混合體系黏度特性的系統(tǒng)研究。這使得當(dāng)前對(duì)原油-水混合體系黏度特性的認(rèn)識(shí)具有一定的局限性，阻礙了多相流動(dòng)規(guī)律研究的深入進(jìn)行。因此，從外部混合條件、原油物性、水相物性、乳狀液液滴粒徑及分布等方面開(kāi)展深入研究，是全面掌握原油-水混合體系黏度特性的必由之路，也是建立油水混合體系黏度預(yù)測(cè)模型的根基所在。

關(guān)于原油-水混合體系黏度預(yù)測(cè)方法的研究方面，目前對(duì)于乳狀液的黏度預(yù)測(cè)模型已經(jīng)有很多，有些模型在乳狀液的黏度計(jì)算中也得到了廣泛的應(yīng)用(如Taylor 模型、Brinkman模型、Richardson模型、Pal模型等)。但是，上述黏度模型存在兩方面的局限性：一方面，這些模型均只適用于穩(wěn)定的乳狀液體系，對(duì)于非穩(wěn)定乳化的油水混合液體系則不適用。在高含水率的油水體系中，往往不能形成穩(wěn)定的乳狀液，若是利用上述乳狀液黏度模型來(lái)計(jì)算油水混合液的黏度，顯然不夠準(zhǔn)確。另一方面，其中一些模型中含有與油水體系物性相關(guān)的待定參數(shù)(如Richardson模型、Pal模型、Ronningsen模型、Azodi模型等)，但卻沒(méi)能給出這些參數(shù)與油水物性之間的定量關(guān)系式，導(dǎo)致每次將這些模型應(yīng)用到不同的乳狀液體系時(shí)，還必須通過(guò)實(shí)驗(yàn)來(lái)確定相關(guān)的待定參數(shù)，這無(wú)疑削弱了這些模型應(yīng)用的便利性。另外，對(duì)于非穩(wěn)定態(tài)油水混合體系黏度的預(yù)測(cè)和研究方面，目前常見(jiàn)采用加權(quán)平均、環(huán)道實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)反算等方法，在實(shí)際應(yīng)用中存在預(yù)測(cè)偏差較大的問(wèn)題。文獻(xiàn)[16]前期專(zhuān)門(mén)針對(duì)高含水油水混合液的流動(dòng)特性進(jìn)行研究，建立了適用于高含水非穩(wěn)定乳化油水混合液的有效黏度預(yù)測(cè)模型?？偟膩?lái)說(shuō)，當(dāng)前中外對(duì)于非穩(wěn)定態(tài)油水混合體系黏度特性的研究成果較少，還未成體系。

對(duì)于確定的原油和水相摻混所形成的混合體系，在反相點(diǎn)之前，一般形成的是穩(wěn)定態(tài)的W/O乳狀液體系；而在含水率超過(guò)反相點(diǎn)之后的高含水條件下，原油只能將其中一部分水乳化，形成的是W/O乳狀液液滴和游離水摻混在一起的體系，是一種非穩(wěn)定態(tài)體系。對(duì)于穩(wěn)定態(tài)的油水乳狀液體系，目前已經(jīng)有較多且成熟的黏度預(yù)測(cè)模型；而對(duì)于非穩(wěn)定態(tài)的油水混合液體系，其黏度預(yù)測(cè)問(wèn)題的研究還較薄弱，需要后續(xù)重點(diǎn)研究。在實(shí)際應(yīng)用中，無(wú)一例外的需要先判斷管道中油水混合體系的具體形態(tài)(是穩(wěn)定態(tài)的乳狀液，還是非穩(wěn)定態(tài)的油水混合液)，再選擇相應(yīng)的黏度模型進(jìn)行計(jì)算。而目前在大多數(shù)情況下，都是將混輸管道中的油水混合體系按照穩(wěn)定乳狀液來(lái)處理，進(jìn)而選擇穩(wěn)定乳狀液的黏度模型計(jì)算其黏度。這種近似處理對(duì)于低含水的穩(wěn)定乳狀液體系而言是基本可行的(即使是低含水的情況下，當(dāng)剪切強(qiáng)度不夠時(shí)，也難以形成穩(wěn)定乳狀液)，但是對(duì)于高含水的非穩(wěn)定態(tài)油水混合體系而言，是有失妥當(dāng)?shù)模彩怯?jì)算失準(zhǔn)、誤差大的重要原因。事實(shí)上，對(duì)于陸上或海底實(shí)際油水混輸管道，由于現(xiàn)場(chǎng)條件的限制，很難精準(zhǔn)斷定原油-水兩相在流動(dòng)過(guò)程中所處的具體形態(tài)，這就客觀上要求建立一種在不需要判斷原油-水混合體系具體形態(tài)的前提下，也能準(zhǔn)確計(jì)算其黏度的模型。

綜上所述，通過(guò)對(duì)原油-水混合體系黏度特性及預(yù)測(cè)方法研究現(xiàn)狀的梳理及對(duì)存在問(wèn)題的分析，對(duì)本領(lǐng)域下一步的研究建議如下：一方面，要加強(qiáng)、深化對(duì)非穩(wěn)定態(tài)油水混合液體系黏度特性及預(yù)測(cè)方法的研究；另一方面，針對(duì)客觀存在的工程問(wèn)題，要將穩(wěn)定態(tài)、非穩(wěn)定態(tài)油水混合體系黏度特性的研究進(jìn)行有機(jī)整合，以期能建立整合穩(wěn)定/非穩(wěn)定態(tài)油水混合體系的統(tǒng)一黏度預(yù)測(cè)模型。