孫娜娜，敬加強(qiáng)，蔣華義，齊紅媛，江璇濤

(1.西安石油大學(xué) 石油工程學(xué)院，陜西 西安 710065; 2.西南石油大學(xué) 石油與天然氣工程學(xué)院，四川 成都 610500; 3.油氣消防四川省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 成都 611731)

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稠油水包油型乳狀液表觀黏度的影響因素及預(yù)測(cè)模型

孫娜娜1,2，敬加強(qiáng)2,3，蔣華義1，齊紅媛2，江璇濤2

(1.西安石油大學(xué) 石油工程學(xué)院，陜西 西安 710065; 2.西南石油大學(xué) 石油與天然氣工程學(xué)院，四川 成都 610500; 3.油氣消防四川省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 成都 611731)

通過單因素實(shí)驗(yàn)，系統(tǒng)分析了兩性/非離子復(fù)配表面活性劑含量、無(wú)機(jī)/有機(jī)復(fù)配堿含量、含油率、攪拌速率、乳化溫度對(duì)稠油水包油(O/W)型乳狀液表觀黏度的影響。在單因素實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上，進(jìn)行了六因素三水平的正交實(shí)驗(yàn)，并應(yīng)用SPSS軟件進(jìn)行方差分析及非線性回歸，進(jìn)一步分析各因素對(duì)乳狀液表觀黏度影響的顯著程度，得到稠油O/W型乳狀液的表觀黏度預(yù)測(cè)模型，進(jìn)而從理論上分析了各因素對(duì)乳狀液表觀黏度的影響規(guī)律。結(jié)果表明，隨著復(fù)配表面活性劑含量的增加，乳狀液表觀黏度增大；復(fù)配堿對(duì)乳狀液表觀黏度的影響具有雙重性，既能促使界面上活性物質(zhì)發(fā)生電離，又能壓縮擴(kuò)散雙電層，結(jié)果取決于兩者的相互競(jìng)爭(zhēng)；隨著含油率的增加，乳狀液表觀黏度增大；攪拌速率在500～1000 r/min范圍內(nèi)，隨著攪拌速率的增加，乳狀液表觀黏度增大，在1000～1500 r/min范圍內(nèi)，表觀黏度變化不大；乳化溫度升高導(dǎo)致乳狀液表觀黏度降低。稠油O/W型乳狀液的表觀黏度預(yù)測(cè)模型預(yù)測(cè)的表觀黏度與實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合。

稠油水包油(O/W)型乳狀液；兩性表面活性劑；有機(jī)堿；含油率；攪拌速率；乳化溫度；正交實(shí)驗(yàn)；SPSS軟件；表觀黏度預(yù)測(cè)模型

稠油的表觀黏度高、流動(dòng)性差、組成復(fù)雜，給開采、輸送和煉制帶來(lái)了困難，限制了稠油的利用。如何合理有效地實(shí)現(xiàn)稠油資源的開采和輸送，已成為當(dāng)前稠油工業(yè)乃至世界石油工業(yè)可持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵。為了降低稠油管輸?shù)碾y度和成本，提出了多種降黏減阻技術(shù)，常見的有加熱降黏法[1]、摻稀降黏法[2]、改質(zhì)降黏法[3]、微生物降黏法等。加熱降黏法是稠油集輸最常用的方法之一，但該方法能耗高，且對(duì)部分高黏稠油經(jīng)濟(jì)適應(yīng)性較差；摻稀降黏法是通過向稠油中摻入凝析油、輕質(zhì)原油、石腦油和柴油等輕質(zhì)油品，依據(jù)“相似相溶”原理，達(dá)到降低稠油表觀黏度的目的，該方法降黏效果良好，但對(duì)于稀油資源不足的區(qū)塊，應(yīng)用受到了限制；改質(zhì)降黏法是對(duì)稠油進(jìn)行初加工，從根本上降低稠油的表觀黏度，使其滿足管道輸送的要求，但是設(shè)備投資大、成本高限制了其應(yīng)用的普遍性。

另一種較好的管輸降黏法即是將稠油乳化為水包油(O/W)型乳狀液。該方法將油相之間的摩擦轉(zhuǎn)換成水相之間的摩擦，并且表面活性劑能夠吸附在管道內(nèi)壁形成一層親水膜，使內(nèi)壁具有水潤(rùn)濕性，從而大幅度降低管輸壓力降，而管輸壓力降的一個(gè)重要影響因素是乳狀液的表觀黏度。

目前，對(duì)乳狀液表觀黏度影響因素的研究主要集中于表面活性劑類型及含量、油/水比、乳化溫度、pH值、水相礦化度、乳化強(qiáng)度等。Shigemoto等[4]通過乳狀液流變性實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)NP型非離子表面活性劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)超過濁點(diǎn)后，親水性減弱，表面活性劑以膠束形式存在，促使乳狀液的表觀黏度增大。Ahmed等[5]通過流變性測(cè)試，分別研究了非離子表面活性劑NPE、陰離子表面活性劑TDS及兩者復(fù)配體系對(duì)乳狀液表觀黏度的影響規(guī)律，結(jié)果表明，非離子表面活性劑與陰離子表面活性劑存在協(xié)同效應(yīng)，兩者復(fù)配減少了表面活性劑用量，形成的O/W型乳狀液表觀黏度更低。Ashrafizadeh等[6]研究了pH值對(duì)稠油O/W型乳狀液油-水界面張力、表觀黏度及Zeta電位的影響，結(jié)果表明，隨著pH值的增加，乳狀液的油-水界面張力先降低后增加、表觀黏度增大、Zeta電位絕對(duì)值增大。Azodi等[7]研究表明，在一定范圍內(nèi)，增加攪拌強(qiáng)度和時(shí)間，乳狀液體系的液滴平均粒徑下降，表觀黏度上升。Farah等[8]通過穩(wěn)定性分析發(fā)現(xiàn)，溫度升高能降低乳狀液表觀黏度，加快布朗運(yùn)動(dòng)。學(xué)者們[9-12]對(duì)O/W型乳狀液進(jìn)行油/水比優(yōu)選時(shí)，大多數(shù)的結(jié)果仍然為 7/3，即含油率為70%(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同)。孟江等[13]的研究表明，水相中含有Na+、Ca2+、Mg2+和Cl-等，離子的種類和質(zhì)量分?jǐn)?shù)將對(duì)乳狀液的流變性有顯著影響。宋杰等[14]總結(jié)了化學(xué)復(fù)合驅(qū)數(shù)值模擬中應(yīng)用的石油乳狀液表觀黏度模型，研究表明，乳狀液的表觀黏度受多種因素影響，其中最為重要的是含油率、剪切速率和乳化溫度。

綜合目前國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀，有關(guān)乳狀液表觀黏度影響因素的研究雖較多，但是所用表面活性劑主要集中于非離子和陰離子表面活性劑。兩性表面活性劑由于帶電情況復(fù)雜，不免存在研究不夠深入，對(duì)其與油-水界面相互作用機(jī)理的研究還較薄弱的問題。此外，稠油中含有較多的膠質(zhì)、瀝青質(zhì)、環(huán)烷酸、脂肪酸、芳香酸等極性成分，在堿性環(huán)境下能生成穩(wěn)定界面的皂類物質(zhì)，使得油滴表面帶有負(fù)電荷，進(jìn)而增強(qiáng)油珠間的靜電排斥。通常采用無(wú)機(jī)堿NaOH、Na2CO3作為驅(qū)油劑，與稠油反應(yīng)生成界面活性物質(zhì)，從而減少表面活性劑用量。但大量使用無(wú)機(jī)堿會(huì)導(dǎo)致注采系統(tǒng)結(jié)垢嚴(yán)重、儲(chǔ)層損害、管道設(shè)備腐蝕等問題。近年來(lái)，有學(xué)者提出使用有機(jī)堿代替無(wú)機(jī)堿，因其具有較強(qiáng)的抗硬水能力，能與高價(jià)金屬離子發(fā)生螯合或絡(luò)合作用，從而減弱腐蝕和結(jié)垢。但關(guān)于有機(jī)堿對(duì)乳狀液表觀黏度影響的研究較少，特別是有機(jī)堿與油-水界面的相互作用、與表面活性劑的協(xié)同作用等理論研究尚淺。除此之外，對(duì)乳狀液表觀黏度預(yù)測(cè)模型主要集中在W/O型乳狀液，這些模型用于O/W型乳狀液會(huì)存在一定的局限性。

針對(duì)以上問題，筆者將兩性/非離子表面活性劑及無(wú)機(jī)/有機(jī)堿復(fù)配，系統(tǒng)評(píng)價(jià)表面活性劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)、堿質(zhì)量分?jǐn)?shù)、含油率、攪拌速率、乳化溫度及礦化度對(duì)稠油O/W型乳狀液表觀黏度的影響規(guī)律，應(yīng)用SPSS軟件對(duì)正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行非線性回歸，得到適用于稠油O/W型乳狀液的表觀黏度預(yù)測(cè)模型，并通過驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)分析模型的適用性，以期對(duì)乳化降黏輸送技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用提供理論支持。

1　實(shí)驗(yàn)部分

1.1原料

新疆稠油，含水率<0.1%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))，30℃時(shí)密度0.973 g/cm3、表觀黏度3921.34 mPa·s。二次蒸餾水；非離子型表面活性劑OP-10、兩性表面活性劑十二烷基二甲基甜菜堿BS-12，平均相對(duì)分子質(zhì)量分別為646.86、356.54，相應(yīng)的活性組分質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為99.0% 和32.0%；有機(jī)堿TEOA(平均相對(duì)分子質(zhì)量149.19、活性組分質(zhì)量分?jǐn)?shù)99.0%)、NaOH、NaCl、KCl、MgCl2、CaCl2，分析純，成都市科龍化學(xué)試劑廠提供。

1.2實(shí)驗(yàn)儀器

奧豪斯儀器上海有限公司AR電子天平(精度1/10000 g)；瑞士Kinematich公司JB50-D型數(shù)顯增力電動(dòng)攪拌器；德國(guó)HAAKE公司HAAKENB數(shù)顯恒溫水?。粖W地利Anton Parr公司Rheolab QC流變儀及配套溫控設(shè)備，帶有索尼照相機(jī)的XP-300C偏光顯微鏡，10倍目鏡，分辨率設(shè)置為960×1280。

1.3實(shí)驗(yàn)方法

1.3.1單因素實(shí)驗(yàn)

(1)首先將稠油與含不同含量的堿和表面活性劑組成的活性水按質(zhì)量比7/3混合，置于30℃恒溫水浴中靜置30 min，然后采用電動(dòng)攪拌機(jī)1000 r/min下充分?jǐn)嚢? min，30℃下測(cè)定樣品的表觀黏度。

(2)基于上述乳化劑及堿含量對(duì)乳狀液表觀黏度影響的結(jié)果，優(yōu)選復(fù)配乳化劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.5%(復(fù)配質(zhì)量比為2/1)，復(fù)配堿質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.2%(復(fù)配質(zhì)量比為1/1)，按(1)所述方法進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，依次分析含油率、攪拌速率、乳化溫度(θ)對(duì)乳狀液表觀黏度的影響規(guī)律。

1.3.2正交實(shí)驗(yàn)

在單因素實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上，以乳化劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)、堿質(zhì)量分?jǐn)?shù)、含油率、攪拌速率、乳化溫度及礦化度為變量進(jìn)行六因素三水平正交設(shè)計(jì)，按1.3.1節(jié)中(1)所述方法進(jìn)行流變實(shí)驗(yàn)，進(jìn)一步分析各因素對(duì)乳狀液表觀黏度影響的顯著程度，并預(yù)測(cè)稠油O/W型乳狀液表觀黏度。

2　結(jié)果與討論

2.1影響稠油O/W型乳狀液表觀黏度的單因素實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.1.1復(fù)配表面活性劑含量的影響

非離子表面活性劑OP-10能獲得更低的油-水界面張力，且不受酸堿影響，兩性表面活性劑BS-12界面活性高、乳化能力強(qiáng)，將二者以質(zhì)量比2復(fù)配后，考察復(fù)配表面活性劑含量對(duì)稠油O/W型乳狀液表觀黏度的影響，實(shí)驗(yàn)結(jié)果示于圖1。

圖1　表面活性劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)(w(Surfactant))對(duì)稠油O/W型乳狀液表觀黏度(η)的影響

由圖1可知，隨著w(Surfactant)的增加，稠油O/W乳狀液表觀黏度先急劇增加后緩慢增大，且表現(xiàn)出剪切稀釋性。一方面，隨著表面活性劑含量的增加，更多活性劑分子將吸附到油-水界面上，使界面膜排列更加緊密，界面膜厚度增加，阻止了小液滴聚并成大液滴；另一方面，油-水界面張力隨著表面活性劑增多而降低[15-16]，促使更多油滴被乳化，進(jìn)而減小液滴粒徑，同時(shí)增大了油-水界面面積。這2種作用均可導(dǎo)致油滴在水相中分布更密集，液膜厚度變薄[17]，進(jìn)而增大了液滴間的相互摩擦，促使表觀黏度急劇增大。繼續(xù)增加表面活性劑的量，乳狀液的表觀黏度變化不大，這是因?yàn)楫?dāng)界面吸附飽和后，溶液中過剩的表面活性劑分子將形成膠束，不利于表面活性劑的吸附[18]，僅起到增加體相表觀黏度的作用，故此時(shí)乳狀液表觀黏度變化不大。

2.1.2復(fù)配堿含量的影響

NaOH的堿性比有機(jī)堿TEOA強(qiáng)，但易造成管線設(shè)備腐蝕，且與高價(jià)鹽反應(yīng)生成沉淀，而有機(jī)堿具有較強(qiáng)的抗硬水能力[19]，故將二者按質(zhì)量比1混合，考察復(fù)配堿含量對(duì)稠油O/W型乳狀液表觀黏度的影響，結(jié)果示于圖2。不同堿含量的稠油O/W型乳狀液的顯微照片示于圖3。

圖2　堿質(zhì)量分?jǐn)?shù)(w(Alkali))對(duì)稠油O/W型乳狀液表觀黏度(η)的影響

由圖2可知，隨著w(Alkali)的增加，乳狀液表觀黏度先增大后減小，且加堿后乳狀液的表觀黏度比單獨(dú)表面活性劑作用下的高。當(dāng)w(Alkali)≤0.2%時(shí)，隨著w(Alkali)增加，稠油中越來(lái)越多的酸性組分發(fā)生電離和水解反應(yīng)，生成更多帶有負(fù)電荷的界面活性物質(zhì)石油酸皂。一方面，這些生成的界面活性物質(zhì)與表面活性劑可以穩(wěn)定更大的油-水界面面積，促使更多、更小的油滴分布在水溶液中，導(dǎo)致液珠間距變小(見圖3(a)、(b))，相互作用力增強(qiáng)[20]；另一方面，石油酸皂的羧基負(fù)電荷與相鄰兩性表面活性劑分子的季胺基正電荷存在靜電引力，使界面分子排列更加緊密，與此同時(shí)，石油酸皂增加了油滴表面的負(fù)電荷密度，增大了液滴間的排斥勢(shì)能。除此之外，堿促使兩性表面活性劑BS-12的羧基電離，進(jìn)而增加了油滴間的靜電排斥；且TEOA作為一種界面活性小分子，其N原子上的孤電子對(duì)能與兩性表面活性劑和石油酸皂形成鑲嵌結(jié)構(gòu)和氫鍵。以上作用既增大了油-水界面面積，增大了液珠間的內(nèi)摩擦力，又增強(qiáng)了界面膜的機(jī)械強(qiáng)度，導(dǎo)致剪切過程中阻力增大，進(jìn)而表現(xiàn)為乳狀液表觀黏度增加。當(dāng)w(Alkali)>0.2%時(shí)，堿作為“鹽”的作用更顯著，對(duì)油滴表面的雙電層起到壓縮作用[21]，進(jìn)而減小了液滴間的靜電排斥，促使小液滴聚并成大液滴，導(dǎo)致液珠分布相對(duì)分散，液滴間空隙變大(見圖3(c)、(d))，相互作用力減弱，最終使得乳狀液表觀黏度降低。

圖3　不同堿質(zhì)量分?jǐn)?shù)稠油O/W型乳狀液的顯微照片

2.1.3含油率的影響

增加稠油O/W型乳狀液含油率，一方面能提高輸油量、節(jié)約水資源，另一方面，將導(dǎo)致表觀黏度上升，進(jìn)而致使管輸壓降增大。因此，有必要對(duì)含油率進(jìn)行優(yōu)選，達(dá)到節(jié)能降耗的目的。測(cè)定了含油率為50%～90%范圍的稠油在不同剪切速率(γ)下的剪切應(yīng)力(τ)，當(dāng)含油率為80%和90%時(shí)，不能形成O/W型乳狀液，其余結(jié)果示于圖4。表觀黏度為剪切應(yīng)力與剪切速率的比值，即圖4中曲線的斜率。

由圖4可知，隨著w(Oil)的增加，稠油O/W型乳狀液表觀黏度增大，且增長(zhǎng)幅度提高。當(dāng)表面活性劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.5%時(shí)，隨著內(nèi)相體積增加，能夠穩(wěn)定更大的油-水界面面積，促使生成更多、更小的液滴[22]，與此同時(shí)，油珠間距迅速減小，導(dǎo)致流動(dòng)過程中液滴的碰撞頻率增加、摩擦阻力增大，宏觀上表現(xiàn)為表觀黏度升高。但當(dāng)含油率超過80%后，因沒有足夠數(shù)量的乳化劑分子穩(wěn)定新生成的油-水界面，進(jìn)而造成乳狀液反相。

圖4　不同含油率(w(Oil))稠油O/W型乳狀液在不同剪切速率(γ)下的剪切應(yīng)力(τ)

當(dāng)含油率較低時(shí)，乳狀液表現(xiàn)出不明顯的剪切增稠性，近似于牛頓流體，繼續(xù)增加含油率，使乳狀液的剪切稀釋性增強(qiáng)。這緣于含油率升高，連續(xù)相中分散液滴急劇增多，剪切導(dǎo)致更多的液滴需要重新排列以減少流動(dòng)阻力，含油率越高，乳狀液液滴重新排列降低流動(dòng)阻力的幅度越大，宏觀上表現(xiàn)為剪切稀釋性增強(qiáng)。

2.1.4攪拌速率的影響

乳狀液在制備過程中，因攪拌速率不同而導(dǎo)致內(nèi)相分散度存在差異，宏觀上表現(xiàn)為表觀黏度各異。采用數(shù)顯電動(dòng)攪拌器，選取500～1500 r/min范圍內(nèi)的5個(gè)攪拌速率制備O/W型乳狀液，并測(cè)量對(duì)應(yīng)的表觀黏度，結(jié)果示于圖5。

圖5　不同攪拌速率(ω)下制備的稠油O/W型乳狀液在不同剪切速率(γ)下的剪切應(yīng)力(τ)

由圖5可見，隨著攪拌速率增加，乳狀液表觀黏度先急劇增大后趨于穩(wěn)定。當(dāng)乳化劑含量及含油率一定時(shí)，隨著攪拌速率增加，制備的乳狀液更加細(xì)密[23]，進(jìn)而促使表觀黏度增加；繼續(xù)增大攪拌速率，將形成更小的液滴，此時(shí)需要更多的乳化劑分子穩(wěn)定新生成的界面，而乳化劑含量有限，導(dǎo)致單位油-水界面上吸附的乳化劑分子數(shù)量減少，從而降低了界面膜機(jī)械強(qiáng)度，促進(jìn)液珠聚并。以上2種作用的相互競(jìng)爭(zhēng)，導(dǎo)致攪拌速率在1000～1500 r/min時(shí)，乳狀液表觀黏度變化不大。

2.1.5乳化溫度的影響

分別選取30、50和70℃作為乳化溫度，考察不同溫度下乳狀液的剪切應(yīng)力隨剪切速率的變化，即乳化溫度對(duì)表觀黏度的影響，結(jié)果示于圖6。

圖6　不同乳化溫度(θ)下制備的稠油O/W型乳狀液在不同剪切速率(γ)下的剪切應(yīng)力(τ)

圖6顯示，隨著乳化溫度升高，稠油O/W型乳狀液表觀黏度降低。乳化溫度越高，帶有極性官能團(tuán)的活性物質(zhì)膠質(zhì)、瀝青質(zhì)在油相中的溶解度越大，致使其在油-水界面上的吸附量減小，從而導(dǎo)致與堿反應(yīng)生成帶有負(fù)電荷的石油酸皂減少，最終促使油珠的負(fù)電荷密度降低，液滴間的靜電排斥力減弱；乳化溫度越高，表面活性劑分子的熱運(yùn)動(dòng)越強(qiáng)，其從油-水界面的脫附趨勢(shì)增加[24]，致使界面膜排列變得疏松，導(dǎo)致界面膜機(jī)械強(qiáng)度降低；乳化溫度越高，油珠的布朗運(yùn)動(dòng)越劇烈[25]，促使液滴的碰撞頻率增加。以上3種作用導(dǎo)致液滴的絮凝、聚并更快、更容易，從而促使生成更多尺寸較大的液滴，將包絡(luò)在“團(tuán)、簇”中的連續(xù)相釋放出來(lái)，使得連續(xù)相的有效質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加[26]，乳狀液表觀黏度減?。慌c此同時(shí)，乳化溫度升高，液膜間距變大(見式(1)[27])，促使剪切過程中摩擦阻力減小，進(jìn)而導(dǎo)致表觀黏度降低。

(1)

2.2稠油O/W型乳狀液表觀黏度的影響因素的正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果

通過單因素實(shí)驗(yàn)可知，表面活性劑含量、堿含量、含油率、攪拌速率及乳化溫度等都會(huì)影響乳狀液表觀黏度。為了進(jìn)一步分析各因素對(duì)表觀黏度影響的顯著程度，同時(shí)考慮到采出水中含有各種礦化離子，將常見的NaCl、KCl、MgCl2、CaCl2統(tǒng)一為礦化度的影響，進(jìn)行六因素三水平的正交實(shí)驗(yàn)，相應(yīng)的因素、水平以及實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分別列于表1、表2。

采用SPSS軟件對(duì)正交流變實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行方差分析，得知含油率及乳化溫度對(duì)乳狀液表觀黏度的影響最為顯著。采用進(jìn)入法對(duì)各影響因素進(jìn)行非線性回歸，得到稠油O/W型乳狀液的表觀黏度預(yù)測(cè)模型，如式(2)所示。

η=exp(A+B·w(Oil)+C·θ+D·θ·w(Alkali)+

E·w(Surfactant)·ρ(Salt)+F·ω·w(Oil)+

G·w(Alkali)·ρ(Salt))

(2)

進(jìn)一步使用SPSS軟件對(duì)上述模型及各相關(guān)系數(shù)作檢驗(yàn)，結(jié)果列于表3、表4。

表1　稠油O/W型乳狀液表觀黏度的影響因素正交實(shí)驗(yàn)的因素及水平

表2　稠油O/W型乳狀液表觀黏度的影響因素正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果

續(xù)表

表3　稠油O/W型乳狀液表觀黏度回歸模型檢驗(yàn)結(jié)果

1)The fitting accuracy of the emulsion apparent viscosity model; 2)The degree of freedom; 3)The probability value of F test

表4　稠油O/W型乳狀液表觀黏度回歸系數(shù)檢驗(yàn)結(jié)果

1)For the nonlinear regression model of emulsion apparent viscosity; 2)The probability value of t test; 3)The collinearity diagnosis value

由表3可知，3個(gè)剪切速率下，模型的調(diào)整精度R2均大于90%，并通過F檢驗(yàn)結(jié)果sig.F為0，可知模型中各系數(shù)不全為0，且擬合精度較高。由表4可知，對(duì)模型中的常量及各相關(guān)系數(shù)進(jìn)行t檢驗(yàn)的Sig.t <0.05，可知各因素影響顯著；通過共線性診斷得到VIF<10，即各個(gè)變量不存在共線性問題。綜上可知，回歸模型較為合理。

在各因素的取值滿足正交實(shí)驗(yàn)的范圍時(shí)，它們對(duì)稠油O/W型乳狀液理論表觀黏度的影響規(guī)律與單因素實(shí)驗(yàn)結(jié)果較符合，即隨著含油率的增加，表觀黏度增大；隨著乳化溫度的升高，表觀黏度降低；隨著乳化劑含量的增加，表觀黏度增大；與攪拌速率及鹽含量的相關(guān)程度較低?？紤]到方差分析中含油率和乳化溫度是影響乳狀液表觀黏度的主要因素，又進(jìn)行了驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)，分析稠油O/W型乳狀液表觀黏度預(yù)測(cè)模型的適用性。

當(dāng)ρ(Salt)=5000 mg/L、w(Surfactant)=1.2%、w(Alkali)=0.15%、ω=1000 r/min、θ=30℃時(shí)，式(2)可變型為式(3)～(5)。

當(dāng)γ=100 s-1時(shí)，

η=exp(0.095w(Oil)-2.390)

(3)

當(dāng)γ=200 s-1時(shí)，

η=exp(0.078w(Oil)-1.626)

(4)

當(dāng)γ=300 s-1時(shí)，

η=exp(0.073w(Oil)-1.335)

(5)

當(dāng)ρ(Salt)=5000 mg/L、w(Surfactant)=1.2%、w(Alkali)=0.15%、ω=1000 r/min、w(Oil)=70%時(shí)，式(2)可變型為式(6)～(8)。

當(dāng)γ=100 s-1時(shí)，

η=exp(4.94-0.0222θ)

(6)

當(dāng)γ=200 s-1時(shí)，

η=exp(4.39-0.0183θ)

(7)

當(dāng)γ=300 s-1時(shí)，

η=exp(4.18-0.0140θ)

(8)

由式(3)～(5)計(jì)算含油率為50%、55%、60%、65%、70%的稠油O/W型乳狀液的表觀黏度，并與實(shí)驗(yàn)值對(duì)比，結(jié)果列于表5。由式(6)～(8)計(jì)算乳化溫度為30～70℃的稠油O/W型乳狀液的理論表觀黏度，并與實(shí)驗(yàn)表觀黏度作對(duì)比，結(jié)果如表6所示。

表5　不同含油率的稠油O/W型乳狀液表觀黏度(η)的計(jì)算值與實(shí)驗(yàn)值對(duì)比

表6　不同乳化溫度(θ)的稠油O/W型乳狀液表觀黏度(η)的計(jì)算值與實(shí)驗(yàn)值對(duì)比

由表5可知，3種剪切速率條件下，稠油O/W型乳狀液的理論表觀黏度與實(shí)驗(yàn)表觀黏度最大相對(duì)誤差為17.53%，最小相對(duì)誤差為3.34%，平均相對(duì)誤差分別為9.59%、13.48%和8.09%，理論值與實(shí)驗(yàn)值較吻合。

由表6可知，3種剪切速率條件下，稠油O/W型乳狀液的理論表觀黏度與實(shí)驗(yàn)表觀黏度最大相對(duì)誤差為15.05%，最小相對(duì)誤差為4.81%，平均相對(duì)誤差分別為9.32%、10.20%和7.70%，理論值與實(shí)驗(yàn)值較吻合。

由此可知，采用式(2)可以預(yù)測(cè)正交實(shí)驗(yàn)范圍內(nèi)不同含油率和不同乳化溫度的稠油O/W型乳狀液的表觀黏度。該乳狀液表觀黏度預(yù)測(cè)模型有較好的適用性。

3　結(jié)　論

(1)當(dāng)表面活性劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.5%時(shí)，稠油O/W型乳狀液的含油率越大，生成的液滴越小、越多，表觀黏度越高；隨著乳化溫度的增加，液滴的布朗運(yùn)勢(shì)加劇，促進(jìn)小液滴絮凝、聚并成大液珠，稠油O/W型乳狀液的表觀黏度降低；隨著乳化劑含量的增加，穩(wěn)定的油-水界面越多，稠油O/W型乳狀液的表觀黏度越大。

(2)當(dāng)堿質(zhì)量分?jǐn)?shù)≤0.2%時(shí)，隨著堿質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，促進(jìn)更多界面活性物質(zhì)發(fā)生電離，從而增大油珠表面電荷密度，且有機(jī)堿TEOA小分子能夠穩(wěn)定更多油-水界面，導(dǎo)致稠油O/W型乳狀液表觀黏度增加；當(dāng)堿質(zhì)量分?jǐn)?shù)>0.2%時(shí)，堿充當(dāng)“鹽”的作用更加顯著，對(duì)油滴表面擴(kuò)散雙電層起壓縮作用，表觀黏度降低。

(3)當(dāng) 500≤ω≤1000 r/min時(shí)，隨著攪拌速率的增加，稠油O/W型乳狀液的表觀黏度增大，當(dāng)ω>1000 r/min，繼續(xù)增大攪拌速率，則需要更多的表面活性劑穩(wěn)定油-水界面，因此乳狀液表觀黏度變化不大。

(4)通過正交實(shí)驗(yàn)對(duì)比分析復(fù)配乳化劑含量、復(fù)配堿含量、含油率、攪拌速率、乳化溫度及礦化度對(duì)稠油O/W型乳狀液表觀黏度的影響，并用SPSS軟件進(jìn)行方差分析，結(jié)果表明，含油率和乳化溫度對(duì)稠油O/W型乳狀液表觀黏度的影響最為顯著，礦化度的影響最不明顯。

(5)應(yīng)用SPSS軟件對(duì)正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果作非線性回歸，得到稠油O/W型乳狀液的表觀黏度預(yù)測(cè)模型，實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證結(jié)果表明，該模型能較好地預(yù)測(cè)稠油O/W型乳狀液表觀黏度。

符號(hào)說(shuō)明：

A、B、C、D、E、F、G——黏度預(yù)測(cè)模型回歸系數(shù)；

ci——反離子摩爾濃度，mol/m3；

e——電荷量，1.602×10-19C；

H——液膜間距，nm；

k——波爾茲曼常量，1.358×10-12J/K；

NA——阿伏伽德羅常量，6.022×1023mol-1；

T——水的熱力學(xué)溫度，K；

w(Alkali)——堿質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%；

w(Oil)——含油率，%；

w(Surfactant)——乳化劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%；

zi——反離子價(jià)數(shù)；

ε——水介電常數(shù)，30℃時(shí)ε=77.34×(8.854×10-12)C2/mJ；

γ——剪切速率，s-1；

θ——乳化溫度，℃；

η——稠油O/W型乳狀液的表觀黏度，mPa·s；

ρ(Salt)——鹽質(zhì)量濃度，mg/L；

τ——剪切應(yīng)力，Pa；

ω——攪拌速率，r/min。

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Influencing Factors and Prediction Model of Apparent Viscosity of Heavy Oil O/W Emulsion

SUN Nana1,2,JING Jiaqiang2,3,JIANG Huayi1,QI Hongyuan2,JIANG Xuantao2

(1.Petroleum Engineering College,Xi’an Shiyou University,Xi’an 710065,China; 2.Oil and Gas Engineering College,Southwest Petroleum University,Chengdu 610500,China; 3.Oil and Gas Fire Protection Key Laboratory of Sichuan Province,Chengdu 611731,China)

The effects of the contents of nonionic/amphoteric surfactant and organic/inorganic alkali and oil,mixing speed and emulsifying temperature on the apparent viscosity of heavy oil O/W emulsion were studied by using the single factor experiments,based on which the orthogonal test of six factors with three levels was carried out and the results were nonlinearly fitted by using the SPSS software to get a model for apparent viscosity prediction to further theoretically discuss the importance degree of these factors.The experimental results showed that the apparent viscosity of heavy oil O/W emulsion increased with the increase of formulated surfactant content.The organic/inorganic alkali played a twofold role on the apparent viscosity of the O/W emulsion,that is,to promote the ionization of these interfacial active components and to compress the diffused double layer,the competition of both of which with each other determined that the apparent viscosity increased or decreased.With the increase of oil content,the apparent viscosity increased,while with the increase of emulsifying temperature the apparent viscosity decreased.When the mixing speed increased in the range of 500-1000 r/min,the apparent viscosity of emulsion increased.When the mixing speed increased in the range of 1000-1500 r/min,the apparent viscosity changed a little.The rise of emulsifying temperature resulted in a decrease of the apparent viscosity.The apparent viscosity predicted by the established model agreed with the experimental one.

heavy oil O/W emulsion; amphoteric surfactant; organic alkali; oil content; mixing speed; emulsifying temperature; orthogonal test; SPSS software; prediction mode for apparent viscosity

2015-07-21

孫娜娜，女，博士，從事稠油乳化及破乳的研究；E-mail:bingyuxuan6666@126.com

1001-8719(2016)05-0987-10

TE357.46

Adoi:10.3969/j.issn.1001-8719.2016.05.017