利用TURBISCAN LAB稳定性分析仪研究稠油乳状液稳定性的实践

作者：张毅

   在诸多稠油采输方法中，乳化降黏法以其节能、乳化效果显著和破乳相对容易等优点在石油开采工业中得到广泛使用。如果处在管流状态下的乳状液在输送过程中不具备足够的稳定性，则在一定温度条件下发生反相，从而破坏管输的稳定性。在乳化剂价格高昂的情况下，通过研究得出一个令稠油乳状液达到稳定的合适乳化剂添加量，使其既能符合开采和运输过程中的流动性需要，又能满足脱水工艺要求显得尤为重要。

    基于多重光散射技术的Turbiscan Lab型分散稳定性分析仪通过对发射到测试样品上的透射光和背散射光强度变化的测量，利用相关软件分析分散相粒子的运动以及各体系稳定性参量的变化，并通过对比各试样的分散稳定性参数，给出直观的液体体系稳定性评价结果。OP -10作为一种广谱高效的非离子型乳化剂，其对稠油乳化所形成的乳液相对稳定，且具有适应各类水质、耐高温和酸碱盐等优良性能，笔者以该乳化剂质量分数0. 5%~2. 0%为参考，利用Turbiscan Lab稳定性分析仪研究了不同质量分数乳化剂OP -10对稠油乳状液常温(25℃)静态稳定性变化的影响，分析了油水比为7:3时不同乳化剂添加量下O/W型乳状液中分散相液滴常温时的运动行为，得出了稠油乳化时最经济的添加质量分数。

1实验部分

1.1主要试剂与仪器

主要试剂：S236—1采出油，其物理性质如表1所示；OP-10，非离子型烷基酚聚氧乙烯醚类乳化剂，物理性质如表2所示，市售；蒸馏水，自制。

    主要仪器：Turbiscan Lab分散稳定性分析仪，法国Formulaction公司生产；FR423CN型电子分析天平，奥斯豪（上海）有限公司生产；78—1型磁力加热搅拌器，上海双捷实验设备有限公司生产。

1.2  实验方法

    在实验当天用蒸馏水配制OP -10质量分数分别为0. 5%、1.0%、1.5%和2.0%的活性水，待搅拌机搅拌均匀后，用高纯氮气驱氧2~4 h，之后在100 mL烧杯中按油水体积比7:3将原油与活性水混合。将混合液置于25℃恒温水浴中20 min后，放入搅拌机中以2 500 r/min的转速搅拌20 min，得到均匀的油水两相乳状液体系，采用滤纸润湿法测得各试样均为O/W型乳状液。

    取4只25 mL具塞试管，分别标示为a、b、c和d，各试管中分别对应加入已配制好的OP -10质量分数分别为0.5%、1. 0%、1.5%和2%的油水乳状液各20 mL后，将4只试管塞好塞子后置于设定温度为25℃的水浴锅中备用。实验中，Turbiscan Lab参数设置为：间隔15 min扫描1次，测试时间为2h，每隔40 um获取一组透射光和散射光强度数据，测试高度为40 mm，温度为25℃。在各试样达到所要求温度后，依次将试管上下震动200次后，放入设定参数并预热好的稳定性分析仪中。测量得出相关数据后，分析4组试样20 min时的油水界面分层情况，油相和水相乳化程度以及120 min时的出水量，并作相应的比较分析。乳化倾向的大小根据油水界面分层情况、乳化层厚度及出水量等指标加以判定。标准为：如出水多、分层快，表明乳状液不稳定，体系的乳化倾向就越小；反之，则乳状液越稳定，乳化倾向越大。

2结果与讨论

2.1  背散射光谱分析乳状液稳定性

添加不同体积分数表面活性剂的试样分别扫描2h，得到不同扫描时间背散射光沿盛放试样用玻璃测试室高度的变化曲线，如图1所示。

鉴于所测油水两相乳状液均为不透明体系，故主要从测量所得背散射光着手分析各乳状液中油水两相在运动中的聚集沉降过程。按照不同类型液相体系背散射光的移动特点，将分散相的沉降方式归为“受阻沉降”和“差异沉降”2种类型。由扫描图谱所得单位时间内背散射光变化量与各乳化剂质量分数的关系如图2所示。

    由图2可以发现，在乳化剂质量分数为1. 0%时，背散射光变化量ABS约为0.6%。依据多重光散射原理，单位时间内的背散射光变化量ABS的绝对值决定着乳状液的稳定性。ABS的绝对值越小，乳状液越稳定，乳化倾向越大；反之，乳化倾向就越小。因此，相较其他各组而言，乳化剂质量分数为1. 0%时的ABS变化最小，稳定性相对最好。当乳化剂质量分数为0. 5%时，背散射光强度由7.0%下降至约4. 0%，而在乳化剂质量分数大于1.0%时，随着乳化剂质量分数的增加，ABS的值进一步增大，表明体系中乳化剂的增加对乳状液的稳定性造成了破坏。

    按照所提供OP -10的临界胶束浓度CMC，换算成乳化剂的质量分数约为1. 28 %，考虑到稠油乳化液体系中广泛存在的金属离子和极性有机物，乳化剂的CMC会有所降低。经计算，OP -10在本实验乳状液体系中的CMC约为1.0%。当乳化剂浓度超过CMC时，其结构会发生转变，从而造成乳状液稳定性的下降。

2.2油水界面分层情况

    记录空白对照组与添加不同质量分数表面活性剂乳状液静置120 min时的油水界面分层情况，观察油相、水相乳化程度。

    实验显示，120 min时，乳化剂质量分数为1. 0%的试样与其他各组相比出水量约为7 mm，低于其他各组，均接近于9 mm的出水量，乳化层均匀一致，稳定性最好。

2.3分散相液滴的运动速率

取2h内各试样中分散相液滴平均运动速率作为各组试样稳定性分析的参考，计算结果如图3所示。

    由图3可得，乳化剂质量分数为0.5 %、1.0%、1.5%和2.0%时，所对应的分散相液滴在所选时间内的平均运动速率分别为125.9、117.2、131.7 um/min和244.5um/min。由此可见，当乳化剂质量分数低于1. 0%时，加量越低，分散相液滴的平均运动速率越大，聚并现象越显著，体系不稳定性增加；而随着乳化剂质量分数的进一步增加，超过临界胶束浓度时．体系中会迅速形成大量形态各异的胶束，分散相运动速率迅速增加，体系稳定性随之下降；当乳化剂质量分数为1.0 %时，乳状液体系中油相聚集上浮和水相下沉的平均速率最小，同时也说明水相不易脱出，混合体系的稳定性最好。

2.4稳定性动力学参数计算

分散相粒子的平均直径和体积分数直接决定着被散射光强度的变化程度，反映体系的稳定程度。为直观地比较相关试样的稳定性差异，所测时间内的平均背散射光变化率可由ABS经微积分处理后得出，并以稳定性动力学参数( StabilityIndex，S/)表示。经数据处理后，表征体系稳定性大小的稳定性动力学指数由设备所附软件TurbiscanEasySoft处理得出，指数越小表示样品体系越稳定。处理结果如图4所示。

    研究表明，SI曲线斜率越低，对应的试样稳定性越好，反之越差。由图4可得，在60 min后，各乳状液体系的分散相液滴平均运动速率下降，稳定性趋于平稳。当添加质量分数为1.0 %的乳化剂时，对应的曲线斜率最小，乳化液体系的稳定性最佳。当质量分数小于1. 0%时，随着乳化剂质量的增加，S曲线斜率逐渐降低，质量分数大于1. 0%时，SI曲线斜率逐渐增大，乳状液稳定性变差，整个过程与前述分析基本契合，所作结论得到了进一步证实。

3结论

Turbiscan Lab稳定性分析仪可以从定性和定量等多角度分析稠油乳状液内部水相的沉淀及油相的絮集上浮过程，在稠油乳状液稳定性评价方面，是目前较为准确、快捷的评价设备之一。该设备除了可以从微观角度对乳状液各部分的变化速率、内部液滴的粒径大小等进行定量分析外，还能直观得出乳状液的稳定性，并据此判断其乳化倾向，有助于深层次地剖析体系不稳定性发生的机理。通过Tur-biscan Lab稳定性分析仪对稠油乳状液常温稳定性的研究，得出了该油水体积比为7:3乳状液，常温下达到稳定所需最经济OP -10乳化剂质量分数为1. 0%，为相关单位工程实践中的乳化剂使用提供了科学合理的依据。

4摘要：传统的稠油乳液稳定性分析方法不能定量地分析稠油乳液的稳定性，为了解决这一问题，提出了利用基于多重光散射技术的Turbiscan Lab稳定性分析仪定量研究稠油／乳化剂水溶液混合体系稳定性的新技术。将不同质量分数的OP -10表面活性剂应用于稠油／表面活性剂水溶液体积比为7:3的混合体系中，通过测量体系的透射光71和背散射光BS强度随时间变化的曲线，进一步定量分析了混合体系中连续相和分散相的聚集沉降过程和稠油加入乳化剂降黏后稳定性发生改变的原因。结果表明，当乳化剂质量分数由0. 5%增加到1.0%时，背散射光在单位时间的变化量ABS值由3.0%降至0.5%，乳状液稳定性随着添加量的增加稳定性增强。当乳化剂质量分数由1. 0%增加到2.0%时，ABS值由0.5%升至约2.1%，液稳定性降低。