李傳憲，李桐宇，楊 爽，由 佳，李曉騰，楊 飛，孫廣宇

（中國石油大學(xué)（華東）儲運與建筑工程學(xué)院，山東青島266555）

注氣驅(qū)由于具有適用范圍廣，成本較低等優(yōu)勢，已在國內(nèi)外多個油田得到應(yīng)用推廣[1-3]。按照使用氣體形式的不同，注氣驅(qū)可以分為：CO2驅(qū)、N2驅(qū)、烴類氣驅(qū)、空氣驅(qū)、煙道氣驅(qū)等。不同的氣驅(qū)方式，其驅(qū)油原理、注入方式及采油效率也存在一定差異[4]。

由于溶氣條件對注氣驅(qū)提高采收率的影響效果顯著，國內(nèi)外學(xué)者圍繞原油的溶氣特性開展了一定的研究工作。薛海濤等[5]通過 CH4、CO2、N2在原油中的溶解度實驗發(fā)現(xiàn)，原油中的烴液（飽和分+芳香分）在氣體溶解過程中起主要作用，而膠質(zhì)、瀝青質(zhì)等大分子對氣體溶解度的貢獻(xiàn)很小。李遵照等[6]開展了N2在油、水相中溶解度和模型研究，提出了惰性氣體在原油中具有間隙溶解和氣-烴液加合溶解兩種溶解機理，推導(dǎo)出了惰性氣體在原油中的溶解度理論方程。范泓澈等[7]根據(jù)不同溫度和壓力條件下測得的CH4和CO2兩種氣體在碳酸氫鈉型水中的溶解度數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，CH4溶解度與溫度之間的演變關(guān)系劃分為緩慢遞減（0～80℃）、快速遞增（80～150℃）和緩慢遞增（大于150℃）3個階段。李傳憲等[8]通過制備地面集輸工況（0～3.5 MPa）下飽和溶氣原油，發(fā)現(xiàn)CH4的存在可以促進(jìn)CO2對油品的溶脹作用，混合溶氣后原油凝點低于溶單一氣體。R.M.Pashley等[9]發(fā)現(xiàn)除去油、水中溶解的氣體，可顯著增強不含表面活性劑的水包油乳液的形成。

現(xiàn)有研究主要集中在對原油溶氣特性的討論，但在實際生產(chǎn)中，油田采出液多是以油氣水三相共存的方式被開采出地層，且由于天然表面活性物質(zhì)的存在，采出液在井筒舉升過程中形成W/O型乳狀液[10]。分析注氣驅(qū)采出液管輸流動特性需對溶解氣存在條件下W/O型乳狀液的溶氣特性、穩(wěn)定性等展開研究，但現(xiàn)有的研究工作較少[11-12]。本文利用帶壓溶氣乳化裝置在不同溶氣種類（CO2、CH4、N2）的條件下進(jìn)行油水乳化，通過分析不同氣體在乳狀液中的溶解度，不同溶氣原油乳狀液的表觀黏度以及油水界面膜強度，闡釋了溶解氣種類對溶氣原油乳狀液穩(wěn)定性的影響規(guī)律，為注氣驅(qū)采出液的集輸和脫水提供一定的理論支持。

1 實驗部分

1.1 油樣及實驗藥品

實驗油樣為長慶原油，其性質(zhì)如表1所示。

表1 實驗油樣基本物性Table1 Basic physical properties of crude oil

實驗水樣為油田水，其性質(zhì)如表2所示。

表2 油田水性質(zhì)Table2 The properties of oilfield water

氣源：CO2（純度99.8%）、CH4（純度98.0%）、N2（純度99.99%），以上氣體均由青島天源氣體制造有限公司提供。

1.2 實驗方法

1.2.1 溶氣原油乳狀液的制備 帶壓溶氣乳化裝置[13]如圖1所示。

圖1 帶壓溶氣乳化裝置Fig.1 Schematic of pressurized emulsification equipment

使用待測氣體進(jìn)行裝置掃線，通過手動計量泵加注體積比為6∶4共200 mL的油樣與水樣，使用待測氣體將釜體壓力提升至1 MPa，直至溫度、壓力維持穩(wěn)定，之后以800 r/min的攪拌速率進(jìn)行油水混合，攪拌15 min得到W/O乳狀液。

1.2.2 溶解度測試 以微小壓差將制備好的溶氣的液相轉(zhuǎn)移到溶氣特性測試裝置中，并讀取液相刻度，然后以0.1 MPa/min的速率降壓，通過集氣法得到脫出氣體體積，從而得到溶解度Rs（測試溶解度時，為使單一的油相、水相的溶氣條件與油/水乳狀液溶氣條件相同，在對油相、水相進(jìn)行溶氣時執(zhí)行與制備溶氣原油乳狀液相同的實驗方法）。

1.2.3 帶壓瓶試法測乳狀液穩(wěn)定性 以微小壓差將通過帶壓溶氣乳化裝置制備好的溶氣原油乳狀液轉(zhuǎn)移到溶氣原油穩(wěn)定性測試裝置中，記乳狀液中水的總體積V，及不同時間內(nèi)測試裝置中游離水相體積Vt，根據(jù)式（1）計算分水率ft隨時間的變化：

1.2.4 溶氣原油、溶氣原油乳狀液黏度測試 以微小壓差將制備好的溶氣原油、溶氣原油乳狀液轉(zhuǎn)移到美國TA公司生產(chǎn)的DHR-1流變儀中，以200 s-1為剪切速率，測量50℃下溶氣原油黏度μ、溶氣原油乳狀液表觀黏度μap。

1.2.5 界面特性測試 使用法國TECLIS公司生產(chǎn)的TRACKER H界面擴(kuò)張流變儀，在50℃、1 MPa條件下，測量氣/液的表面張力、溶氣油/水界面張力，測量油滴在0.05 Hz震蕩頻率下產(chǎn)生總面積為10%的變化過程中的彈性模量值。

2 結(jié)果與討論

2.1 油水界面對溶氣效果的影響

2.1.1 氣液表面張力 在50℃、1 MPa的條件下，測量不同溶解氣油/氣表面張力、水/氣表面張力，結(jié)果見表3。

由表3可知，不同氣相與液相表面張力大小關(guān)系為：γ（O-CO2）＜γ（O-CH4）＜γ（O-N2）＜γ（WCO2）＜γ（W-CH4）＜γ（W-N2）。油/氣表面張力反映的是油-氣兩種分子相界面處相互作用的強弱，表面張力越小說明兩種分子間作用力越強，可以很明顯地發(fā)現(xiàn)，油品分子與氣體分子間的作用強于水分子與氣體分子間的作用，其中原油與CO2分子間的作用最強，而這種分子間作用的強弱關(guān)系，也必然會在氣體的溶解特性中有所體現(xiàn)。

2.1.2 溶解氣在液相中的溶解度 在50℃、1 MPa的條件下對液相進(jìn)行溶氣，測量不同溶解氣在原油、水、油水乳狀液中的溶解度，結(jié)果見表4。

定義溶解度比S1、S2：

式中，Rs，E為氣體在原油乳狀液中的溶解度；Rs，O為氣體在原油中的溶解度；Rs，W為氣體在水中的溶解度；φo為油相體積分?jǐn)?shù)；φw為水相體積分?jǐn)?shù)。計算結(jié)果見表5。

表3 不同氣液兩相之間的表面張力Table3 Surface tension between gas-liquid phases

表4 不同溶解氣在液相中的溶解度Table4 Solubility of different dissolved gas in the liquid phase

表5 不同溶氣種類下的溶解度比Table5 Solubility ratio under different dissolved gas

油相中膠質(zhì)瀝青質(zhì)等極性物質(zhì)在油水界面膜上的吸附[17]，會在油水界面處形成由瀝青質(zhì)膠粒組成的剛性膜，對氣體分子由油相向水相中的擴(kuò)散起阻礙作用。由于CO2氣體在油水兩相間的溶解度差異較小，其乳狀液的形成對氣體的溶解度受到的影響也較顯著。N2在油水兩相間的溶解度差異適中，且在油、水中的溶解度均較小，乳狀液的形成對氣體在內(nèi)相中溶解的阻礙作用稍弱，因而S1（CO2）＜S1（N2）＜1。而CH4自身在油水兩相間的溶解度差異較大，水中溶解的CH4的減少，對CH4在W/O型乳狀液中的溶解度影響較小，且由于膠質(zhì)瀝青質(zhì)等極性物質(zhì)于界面膜上的吸附，使油相的極性減弱，促進(jìn)了CH4氣在油相中的溶解，因此S1（CH4）＞1。

2.2 溶氣對原油乳狀液穩(wěn)定性的影響

2.2.1 溶氣原油乳狀液分水率 不同溶氣原油乳狀液分水率隨時間的變化見圖2。

圖2 不同溶氣原油乳狀液分水率隨時間的變化Fig.2 Change of water separation rate of different dissolved gas crude oil emulsions with time

由圖2可知，不同溶氣原油乳狀液同一時間分水率大小關(guān)系為：ft（N2）＞ft（CH4）＞ft（CO2），溶CO2乳狀液穩(wěn)定性最好，溶CH4乳狀液穩(wěn)定性次之，溶N2乳狀液穩(wěn)定性最差。同一時間脫出游離水的量與乳狀液乳化程度、油水界面膜強度相關(guān)，乳狀液乳化效果越好，油水界面膜強度越大，同一時間脫出游離水的量越少[18-19]。

2.2.2 溶氣原油乳狀液乳化效果 在1 MPa、50℃的條件下進(jìn)行乳化實驗，不同溶氣乳化效果見圖3。由圖3可知，在溶CO2環(huán)境下乳化形成的乳狀液乳滴較為細(xì)密均一，乳液體系整體呈現(xiàn)出土黃色，乳狀液乳化效果較好；溶CH4環(huán)境下形成的乳狀液乳液仍較為均勻，乳滴尺寸卻相對增大，使乳液體系整體呈現(xiàn)出外相即油相的黑色；溶N2環(huán)境下形成的乳狀液乳化效果較差，乳滴空間尺寸較大，且乳滴大小不均勻。

圖3 不同溶氣種類下的W/O型乳狀液乳化效果Fig.3 Photograph of emulsification effect of W/O emulsion under different dissolved gas

2.2.3 溶氣原油與溶氣原油乳狀液黏度 利用高壓流變儀測得溶氣原油及溶氣原油乳狀液體系在200 s-1下平衡1 min時的表觀黏度，并計算溶氣原油乳狀液體系較溶氣原油體系的增黏率，結(jié)果見表6。其中，增黏率按照式（4）計算。

氣體溶于油品后，由于溶脹效應(yīng)與稀釋效應(yīng)，會使油品的黏度降低[20]。由于Rs（CO2）＞Rs（CH4）＞Rs（N2），且CO2對于油品的溶脹降黏效果較為顯著[21-23]，所以μ（N2）＞μ（CH4）＞μ（CO2）。由表 6 可知，溶氣原油乳狀液表觀黏度的大小關(guān)系為：μap（N2）＞μap（CH4）＞μap（CO2）。但從表6中反應(yīng)出的黏度變化趨勢中可以看出，溶CO2原油乳狀液的黏度較溶CO2原油黏度增長最為明顯，而溶N2乳狀液的增黏幅度最小，反映了溶CO2原油乳狀液的乳化效果較好，形成的液滴更加細(xì)小，乳狀液體系增黏更為明顯，增強了乳狀液體系的穩(wěn)定性[24]。

表6 溶氣原油與溶氣原油乳狀液黏度Table6 Dissolved gas crude oil and dissolved gas oil emulsion viscosity

2.3 溶氣對油/水界面特性的影響

2.3.1 溶氣原油/水體系界面張力 不同溶氣油/水界面張力隨時間的變化見圖4。

由圖4可知，由于瀝青質(zhì)等表面活性物質(zhì)逐漸向油水界面進(jìn)行吸附，界面張力隨時間變化逐漸降低。同一時間，不同溶氣油/水界面張力大小符合：γ（CO2）＜γ（CH4）＜γ（N2），3 種溶氣油/水體系中，溶CO2體系油相黏度最小，并促使瀝青質(zhì)進(jìn)一步締結(jié)，促進(jìn)了瀝青質(zhì)向油水界面的遷移吸附，界面張力最為明顯，油水越易于乳化。

圖4 不同溶氣油/水界面張力隨時間的變化Fig.4 Change of interfacial tension of different dissolved gas oil/water interfaces with time

2.3.2 溶氣油/水界面彈性模量 不同溶氣油/水界面彈性模量隨時間的變化見圖5。

圖5 不同溶氣油/水界面的彈性模量隨時間的變化Fig.5 Change of elastic modulus of different dissolved gas oil/water interfaces with time

由圖5可知，不同溶氣油/水界面彈性模量大小規(guī) 律 符 合 ：εd（CO2）＞εd（CH4）＞εd（N2）。 同 等 條 件下，隨著外相黏度降低，瀝青質(zhì)等天然表面活性物質(zhì)更易于由油相向油-水界面的吸附，同時界面膜強度增大。界面膜的彈性模量可以表征界面膜的結(jié)構(gòu)強度，其值越大，界面膜發(fā)生一定彈性形變時所需要的應(yīng)力越大，即膜強度越大，表明在一定應(yīng)力作用下，發(fā)生彈性形變越小，界面膜不易破裂[25-26]。分水率大小關(guān)系與彈性模量所決定的膜強度規(guī)律相符合。

2.4 溶氣對乳狀液穩(wěn)定性影響的機理討論

原油乳狀液溶氣后，所溶氣體削弱了分子間的作用力，體系內(nèi)摩擦力減小，氣體在油相中的溶解度越大，油相黏度減小越明顯，形成的內(nèi)相液滴更細(xì)小，如圖6所示。原油乳狀液溶氣后，同時促進(jìn)了原油中瀝青質(zhì)等表面活性物質(zhì)向油/水界面膜的吸附，降低了油水界面張力，促使油水乳化效果增強。在3種氣體中，CO2在原油中的溶解度最大，降低油水間界面張力的效果顯著，形成的液滴更加細(xì)小，乳化效果最好，并且CO2在原油中的溶解進(jìn)一步促進(jìn)了瀝青質(zhì)的締合與在油水界面膜上的吸附，顯著增強了油水界面膜的強度，使乳狀液穩(wěn)定性顯著提升。CH4在原油中的溶解度僅次于CO2，乳化效果次之，CH4溶于原油后體系極性減弱，促進(jìn)了瀝青質(zhì)由油相向油、水界面的吸附，與溶N2乳狀液相比乳狀液穩(wěn)定性增強。

圖6 溶氣對乳狀液穩(wěn)定性影響機理Fig.6 Mechanism diagram of the effect of dissolved gas on emulsion stability

3 結(jié) 論

（1）油水界面膜的存在抑制了CO2氣體分子由W/O型乳狀液體系外相向內(nèi)相的遷移，并因此降低了乳狀液對CO2氣體的溶解度，而對CH4這類在內(nèi)外兩相間溶解度差異較大的氣體，這種抑制并不一定導(dǎo)致氣體在乳狀液體系內(nèi)溶解度的降低。

（2）3種溶氣原油乳狀液中，溶CO2原油乳狀液的黏度較溶CO2原油黏度增長最為明顯，乳化效果最好，乳狀液穩(wěn)定性最好；溶N2乳狀液的增黏幅度最小，乳化效果最差，乳狀液穩(wěn)定性最差。

（3）CO2在原油中的溶解進(jìn)一步促進(jìn)了瀝青質(zhì)的締合與在油水界面膜上的吸附，顯著增強了油水界面膜的強度，油/水界面膜彈性模量最大。CH4溶于原油后體系極性減弱，促進(jìn)了瀝青質(zhì)由油相向油、水界面的吸附，與溶N2相比，油水界面彈性模量有所增強。