YT油田A区块稠油理化特性及乳化调控的油水体系相变/稳定性研究

《Energies》：Physicochemical Properties of Heavy Oil and Emulsification-Controlled Phase Inversion/Stability of Oil–Water Systems

　　

由YT油田A区块稠油在生产和运输过程中形成的油水乳状液受该原油高黏度和高密度以及丰富的胶质和沥青质强烈影响。此类乳状液会增大剪切黏度和流动阻力，甚至可能发生相变。为阐明这些行为，研究人员测定了稠油的流变性、黏温特性、密度、含水率和SARA组成，随后考察了乳化温度、搅拌速率、矿化度和含水率对乳状液相变和稳定性的影响。该原油在0–10 °C表现为弱非牛顿流体，在20–60 °C表现为牛顿流体；50 °C时黏度为1323.4 mPa·s，20 °C时密度约为0.96 g/cm³；含水率为0.05%，胶质与沥青质总含量约为40%，其中胶质占主导。随着含水率增加，乳状液的剪切黏度先升高后降低，在相变点处达到最大值。较高的乳化温度使相变点向更高含水率方向移动，并增大相变时的剪切黏度。搅拌速率和矿化度不改变相变点的位置；然而，较高的搅拌速率增大相变时的剪切黏度，而较高的矿化度则降低相变时的剪切黏度。正交极差分析表明，影响剪切黏度的因素排序为：含水率 > 乳化温度 > 矿化度 > 搅拌速率。上述研究结果为YT油田的降黏、集输优化及相变控制提供了实验依据。

研究背景：稠油是一种非常规原油资源，具有高黏度、高密度及高胶质和沥青质含量的特征。随着全球能源需求持续增长和常规原油资源枯竭，稠油的高效开采与输送已成为石油工程领域的重要课题。近年来，国内外学者针对非常规油气资源开发开展了大量研究。Li等建立了增强型地热系统（EGS）的热-水-力（THM）耦合模型，揭示了多物理场耦合下储层渗流与采收率的演化规律；Wu等优化了CO₂置换开采天然气水合物的井底温压组合，为非常规资源开发参数设计提供了方法学启示；Feng等对油页岩储层中天然裂缝影响下的水力压裂扩展及敏感性因素进行了数值模拟。尽管这些研究针对不同类型的非常规资源，但其在储层性质评价、多因素耦合分析及开发参数优化方面的研究思路，为研究稠油乳状液体系的乳化行为与相变特征提供了重要方法学参考。

稠油在储层中常与地层水共存，在生产过程中不可避免受到泵、阀门和弯头等机械剪切作用，加之稠油本身含有胶质、沥青质、环烷酸和脂肪酸等天然表面活性物质，极易形成油水乳状液。Wang等采用灰色关联熵分析研究了稠油黏度与其极性四组分含量及偶极矩之间的相关性，发现随着胶质和沥青质含量增加及油水界面张力降低，乳状液的含水相变点和温度相变点逐渐升高。Tian等通过稠油物性测试和再乳化实验，阐明了辽河油田稠油热采过程中W/O型乳状液的形成机理，指出外部能量输入（高温蒸汽、剪切和超声）以及固体颗粒（以蒙脱石为主的黏土）和天然表面活性剂（高胶质/沥青质及高酸值组分）对油水界面膜的稳定作用是大量乳状液形成的主要原因。Ding等综述了稠油乳化降黏剂的研究进展，指出乳化降黏是利用降黏剂将稠油乳化为O/W型乳状液或将W/O结构转变为W/O/W结构，从而降低稠油黏度并改善油水流动比。

在低含水率下，油水体系主要形成W/O型乳状液，其剪切黏度远高于纯油，严重降低集输效率。当含水率增至临界值时，乳状液由W/O型转变为O/W型，剪切黏度急剧下降，该临界含水率定义为相变点。He等考察了胜利油田两种普通稠油和三种特稠油的含水相变点及增黏比随温度的变化，结果表明稠油含水相变点随温度升高而增大，且净化稠油黏度越低越易乳化。Tian等通过室内实验发现高黏原油的相变点低于低黏原油。Gong等开展稠油-水两相流动环道实验，发现油水混合物相变点随混合流速增大趋于提前。Wang等实验发现随稠油中沥青质和胶质含量增加及油水界面张力降低，乳状液含水相变点逐渐升高。此外，Lin等发现稠油HLB值与其相变点密切相关，稠油HLB值越高，极性官能团越多，聚集体间相互作用越强，相同条件下乳化时能包裹更多水滴，从而提高相变点。在乳状液形成条件方面，Wang等研究了搅拌时间和搅拌速率对含蜡稠油W/O型乳状液的影响，发现搅拌超过10 min后W/O乳状液趋于稳定。Chen等通过室内实验考察了搅拌速率和时间对油水乳状液液滴尺寸的影响，发现随搅拌速率增大，分散相液滴尺寸逐渐减小，稳定性提高。An等研究了乳化温度对W/O乳状液稳定性的影响，发现随温度升高，原油中表面活性剂分子热运动加剧，其在油水界面的有序排列减弱，分子趋于更不规则和松散排列，吸附/脱附平衡向脱附方向移动，油水界面膜吸附量减少，膜厚度、黏弹性和机械强度降低，水滴更易聚并，因而脱水率增大、乳状液稳定性降低。此外，矿化度作为水相化学环境的重要参数，显著影响油水界面膜性质和乳状液稳定性。

在乳状液稳定性理论方面，根据Ostwald提出的相体积分数理论，水相体积分数低于25.98%时油水体系趋于形成W/O型乳状液；水相体积分数在25.98%–74.02%之间时，油水混合物可能形成W/O型或O/W型乳状液；含水率高于74.02%时易形成O/W型乳状液。根据Stokes定律，乳状液相分离速率与油水密度差和液滴半径的平方成正比，与连续相黏度成反比；油水密度差和液滴半径越大，乳状液油水分离速率越高。

国际上，近年来对原油乳状液进行了广泛研究。Luo等综述了原油-水混合体系的乳化、黏度、相变特征及预测方法进展，强调相变点是油田生产和管道油水混输的关键参数。Al-Sakkaf和Onaizi系统综述了乳化方式、乳化剂类型与浓度、油品类型、油水比、矿化度、pH和温度等乳化因素对液滴尺寸、界面张力和稳定性等乳状液关键特性的影响。基于PRISMA方法的系统综述综合了石油乳状液中界面物质组成与稳定机制的研究现状，识别出磺酸盐、二元酸、酚类和含氧沥青质为关键界面活性物种。Tang等对油田原油破乳技术进行了批判性综述，对化学破乳剂进行了严格的分类和机理分析，并指出了重质原油处理中的现有技术差距。在分子层面，Ma等研究了沥青质亚组分在油水界面的吸附行为和分子相互作用，揭示界面活性沥青质形成保护膜从而稳定W/O乳状液。Mahmoudi Alemi和Mohammadi实验研究了常压和高压高温条件下稠油中沥青质胶体诱导的W/O乳状液稳定性，证明地层水可减少沥青质沉淀并增强乳状液稳定性。这些国际研究为本研究提供了更广阔的理论与方法学背景。

YT油田是我国重要的稠油生产基地之一，其A区块稠油以高胶质和沥青质含量为特征。现有研究多集中于单因素对稠油乳状液黏度的影响，缺乏物性与乳化相变行为之间的系统性关联分析；此外，针对YT油田A区块稠油在特定工况下乳化相变行为的研究鲜有报道。本研究以YT油田A区块稠油为研究对象，首先按照行业标准测定其流变曲线、本构方程、黏温曲线、密度、含水率和SARA组成，以明确其基本物性；随后在不添加表面活性剂的条件下，考察乳化温度、搅拌速率和矿化度对油水乳状液相变点的影响，并开展四因素三水平正交实验以确定各因素对乳状液剪切黏度的影响程度；最后对影响显著的因素开展单因素实验，并结合静置脱水率和微观结构分析，揭示油水乳状液相变与稳定性的控制机制。本研究可为YT油田稠油集输工艺参数优化提供理论支撑。

研究人员开展了什么研究，得出什么结论，有什么重要意义：本研究以YT油田A区块稠油为对象，系统开展了稠油物性测试及油水乳状液相变与稳定性实验。主要结论如下：（1）该稠油在0 °C和10 °C表现为弱非牛顿幂律流体，0 °C呈轻微膨胀性，10 °C呈假塑性；20–60 °C流动行为指数为1，为牛顿流体；本构方程中稠度系数随温度升高持续减小，拟合相关系数R²均高于0.9。（2）该稠油温度敏感性良好，黏度随温度升高单调下降；牛顿区（20–60 °C）Arrhenius拟合表观活化能约为91.0 kJ/mol；密度随温度升高线性下降，20 °C时约为0.96 g/cm³；含水率仅为0.05%，可视为无水纯油；四组分中胶质与沥青质总含量约40%，其中胶质24.94%、沥青质14.43%，是稠油高黏度和易乳化的重要内在原因。（3）相变点之前，乳状液剪切黏度随含水率增加而升高；相变点之后形成不稳定的"水浮油"型悬浮体系，含水率越高剪切黏度越低；乳化温度升高使相变点向更高含水率移动并增大相变点处剪切黏度；搅拌速率升高不改变相变点但增大相变点处剪切黏度；矿化度升高不改变相变点但降低相变点处剪切黏度。（4）正交极差分析表明各因素对乳状液剪切黏度的影响排序为含水率 > 乳化温度 > 矿化度 > 搅拌速率，含水率和乳化温度为影响油水乳化相变与稳定性的主控因素。（5）乳状液静置脱水率随含水率升高而增大、随乳化温度升高而减小；微观观察表明含水率升高使液滴尺寸增大、水相区域扩展，乳化温度升高使液滴数量增多、分布更密集且排列更紧凑。研究结果可为YT油田稠油乳化降黏、集输工艺优化及相变控制提供实验依据。其重要意义在于为稠油降黏、集输优化和相变控制提供了实验基础。

关键技术方法（不超过250字）：研究人员按照SY/T 0520—2008采用Viscotester iQ-Haake流变仪（Thermo Fisher Scientific，德国卡尔斯鲁厄）测定稠油在0–60 °C、剪切速率0.1–50 s^?1下的流变曲线并拟合本构方程；依据GB/T 2540—1981采用比重瓶法测定20–70 °C密度；依据GB/T 260—2016采用蒸馏法测定含水率；依据NB/SH/T 0509—2010采用四组分分析仪测定SARA组成。以YT油田A区块稠油与实验水（蒸馏水与YT油田产出水按体积比配制，矿化度50–200 g/L）在不同含水率、乳化温度和搅拌速率下乳化5 min制备乳状液，于50 °C测定剪切黏度并以剪切黏度峰值对应含水率定义相变点；采用比色管测定静置3 h脱水率（每0.5 h测量一次）；采用XPF-550偏光显微镜（上海蔡康光学仪器有限公司）观察微观结构。全部实验三次重复，采用单因素方差分析及Tukey检验（p < 0.05）。开展四因素三水平L9(3⁴)正交实验进行极差分析。样品来源为YT油田A区块稠油及YT油田产出水。

研究结果：

3.1 稠油物性

3.1.1 流变特性与本构方程：通过0–60 °C流变曲线测定与本构方程拟合得出，随温度由0 °C升至60 °C，流变曲线由陡变平，油样流变性质对温度较敏感；0–60 °C内剪切应力随剪切速率近似线性变化，但低温下非线性较明显。0–10 °C呈幂律流体特征但流动行为指数接近1，表现为弱非牛顿性；0 °C流动行为指数略大于1呈轻微膨胀性，10 °C略小于1呈假塑性；20–60 °C流动行为指数为1，为牛顿流体；稠度系数随温度升高持续减小，各温度拟合R²均高于0.9。低温下胶质与沥青质分子极性官能团形成分子间氢键和范德华相互作用，促进缔合导致弱非牛顿行为；温度升高热运动破坏这些相互作用，油样渐趋牛顿行为。

3.1.2 黏温特性：通过黏温数据测定与Arrhenius方程拟合得出，黏度随温度升高单调下降；0和10 °C弱非牛顿数据按固定剪切速率0.1 s^?1由拟合本构方程计算，仅作工程黏度值报告，未用于Arrhenius分析；牛顿区（20–60 °C）拟合结果为lnμ = 10,949/T ? 27.40，R² = 0.994，表观活化能Ea ≈ 91.0 kJ/mol，表征牛顿区黏性流动的整体温度敏感性。

3.1.3 密度-温度关系：通过20–70 °C密度测定与拟合得出，密度随温度升高而下降，拟合方程R² = 0.9794，可合理预测20–70 °C稠油密度；20 °C密度约0.96 g/cm³；除20 °C略低外整体呈合理线性，符合液体热膨胀一般规律；稠油密度较高与其重质组分含量高有关；线性密度-温度关系可用于集输过程中油品体积与质量换算及工艺计算。

3.1.4 含水率：通过三次蒸馏法测定得出，接收器中水体积分别为0.030、0.025和0.020 mL，计算含水率分别为0.06%、0.05%和0.04%，算术平均值为0.05%；含水率极低，可视为无水纯油；为后续油水乳化实验提供依据，即实验乳状液中的水相主要来自外加矿化水而非稠油本身携带水。

3.1.5 SARA组成及其对乳化的影响：通过SARA分析得出，稠油含芳香分29.83%、胶质24.94%、沥青质14.43%、饱和分30.32%；胶质与沥青质总含量约40%，胶质含量较高而沥青质含量较低。沥青质为含大量稠环芳烃的大分子物质，与胶质作用后以胶体颗粒形式分散于稠油轻组分中；胶质为黄褐色黏稠胶状大分子有机物，极性强，作为亲脂性较强的天然表面活性剂易使稠油形成W/O型乳状液；胶质分子含羧酸和醛/酮基团使原油黏度增大；胶质与沥青质相互作用可形成高强度氢键，大幅增大分子间力从而显著增强稠油黏度。因此A区块稠油高胶质和沥青质含量是其易形成稳定W/O乳状液及相变点较高的 important 内在原因。

3.2 油水乳状液相变与稳定性的影响因素

3.2.1 乳化温度对相变点的影响：通过在30、50、70 °C乳化温度下制备不同含水率乳状液并测定50 °C剪切黏度得出，随乳化温度升高，相变点向更高含水率移动，相变点处剪切黏度增大；30 °C时相变点为20%，相变点处剪切黏度为5000–6000 mPa·s；50 °C时相变点移至30%，相变点处剪切黏度显著增至10,000–14,000 mPa·s；70 °C时相变点移至50%，相变点处剪切黏度增至30,000–50,000 mPa·s。由于含水率以10%递增制备乳状液，所报道相变点分辨率为±10%，真实相变点位于相邻含水率之间。其原因在于温度升高显著降低稠油黏度，相同搅拌速率下稠油中表面活性物质更充分地分散于轻组分中且溶解度更高，活性组分形成的缔合物在油水界面膜上的吸附量增加，界面膜黏弹性和稳定性显著增强，给定机械搅拌条件下稠油能包裹更多小水滴聚集体，油水接触面积增大，因此乳化温度越高相变点越大且相变点处剪切黏度越高。

3.2.2 搅拌速率对相变点的影响：通过在250、500、750、1000、1250 r/min搅拌速率下制备乳状液并测定50 °C剪切黏度得出，不同搅拌速率下剪切黏度随含水率变化趋势相似，含水率10%–30%时剪切黏度随含水率增大而升高，超过30%后显著下降；各搅拌速率下相变点均为30%，表明搅拌速率不改变相变点位置；但相变点处剪切黏度随搅拌速率增大而升高，250–1250 r/min范围内由10,990.3 mPa·s增至12,776.8 mPa·s。其原因在于相变点处W/O乳状液已最大程度乳化，稠油包裹的小水滴数量达极限，搅拌速率增大使分散于稠油中的水滴被切得更细碎且分布更密集，油水界面膜接触面积增大，流动时液滴间范德华力增强；且较高搅拌速率产生更细水滴和更密集液滴群（显微镜观察），增大液滴间相互作用和界面面积，从而提高相变点处剪切黏度。

3.2.3 矿化度对相变点的影响：通过配制50、100、150、200 g/L矿化度实验水制备乳状液并测定50 °C剪切黏度得出，不同矿化度下剪切黏度随含水率变化趋势相似，含水率10%–30%时随含水率增大而升高，超过30%后显著下降；各矿化度下相变点均为30%，表明矿化度不改变相变点位置；矿化度由50 g/L增至200 g/L时相变点处剪切黏度呈逐渐降低趋势但整体变化不大。其原因可能为双电层压缩、离子干扰油水界面膜以及Na⁺/K⁺与天然酸性组分可能形成金属皂，这些效应削弱界面膜、促进聚并、利于自由水分离。

3.2.4 正交实验极差分析：通过四因素三水平L9(3⁴)正交实验极差分析得出，各因素极差排序为含水率 > 乳化温度 > 矿化度 > 搅拌速率；含水率和乳化温度对剪切黏度影响最显著，其次为矿化度，最后为搅拌速率；后续实验选取影响显著的含水率和乳化温度两因素开展单因素研究。

3.2.5 含水率对油水乳化的影响：通过在10%、20%、30%、40%、50%含水率下制备乳状液并测定50 °C剪切黏度得出，相同剪切速率下乳状液剪切黏度随含水率增大先升高后降低，含水率10%–30%时剪切黏度与含水率正相关，30%时达最大值，该含水率即为相变点；含水率30%–50%时含水率越高剪切黏度越低。相变点前水为W/O乳状液分散相，含水率增加使液滴浓度和液滴间相互作用增强，总油水界面面积增大，剪切黏度升高至相变点；相变点后油相由连续相变为分散相，油膜无法再包裹过量水滴，形成含自由水的悬浮体系，含水率增加使油滴分子间距增大、油水体系内力减弱，宏观表现为剪切黏度下降。静置3 h脱水率结果表明，含水率10%时乳状液很稳定，静置3 h无自由水析出；乳状液稳定性顺序为20% > 30% > 40% > 50%；含水率50%时0–0.5 h内脱水率达96.5%，0.5 h后几乎持平，3 h脱水率98.6%；含水率40%时0–1 h内脱水率增幅最大，1 h后减缓，3 h脱水率57.7%；含水率30%时脱水率变化趋势与40%相似，3 h为55.4%，0–1.5 h内脱水较快，1.5 h后趋于平稳；含水率20%时稳定性显著提高，3 h脱水率仅22.7%。低含水率下显微镜显示水滴细小且均匀分散，连续油相和界面膜抑制聚并，乳状液稳定、脱水率低；含水率增大使液滴变大且排列更紧密，促进重力下聚并和沉降，脱水率增大。微观结构观察表明，含水率10%时黑色油相占绝大部分，仅极少量小水滴分散于油中；20%时水相占据空间显著增大，小水滴粒径增大且分布更密集紧凑；30%时水相区域进一步扩大，小水滴微聚集并聚并为更大液滴且分布更分散；其原因为含水率越高，水滴聚集体在机械搅拌下越易在狭窄空间内碰撞聚并形成更大粒径液滴，稠油中天然表面活性物质在搅拌下趋于在油水接触面形成界面膜，界面膜破裂前增大乳化含水量使油膜能包裹更多水滴分子，从而增大微观结构中水相区域面积。

3.2.6 乳化温度对油水乳化的影响：通过将恒温水浴分别加热至40、50、60、70 °C并在设定温度下以含水率30%、搅拌速率750 r/min、乳化时间5 min制备乳状液并测定50 °C剪切黏度得出，相同剪切速率下乳状液剪切黏度随乳化温度升高持续增大，乳化温度由40 °C升至70 °C时剪切黏度约翻倍；其原因在于天然表面活性剂溶解和吸附增强、界面膜更强、乳化更完全。静置3 h脱水率排序为40 °C > 50 °C > 60 °C > 70 °C，表明油水乳状液脱水率随乳化温度升高而减小；其原因在于乳化温度升高使原油中天然表面活性物质在油水乳状液中溶解度增大，油水混合物在机械搅拌下分散为小液滴时吸附于油水界面膜的表面活性物质更充分，乳化效果改善，形成的油水界面膜更强，因此较高温度下乳状液稳定性增强、脱水率降低。微观结构观察表明40–70 °C乳化温度下乳状液均为W/O型；40 °C时液滴数量较少、分布稀疏、间距较大；随乳化温度升高，同一视野内W/O乳状液液滴数量持续增多，液滴在稠油相中分布更充分，液滴间距显著减小，排列更密集；胶质和沥青质的温度敏感性促进其在轻油馏分中溶解并吸附于油水界面，强化界面膜并增加液滴数量。

3.3 机理讨论：基于稠油物性和乳化实验得出，A区块稠油油水乳状液的相变与稳定性受内外因素共同控制。内因方面，稠油中胶质与沥青质总含量约40%，胶质作为天然表面活性剂可吸附于油水界面形成具有一定强度的界面膜，使W/O乳状液稳定存在；沥青质含大量稠环芳烃并与胶质形成高强度氢键，增大油相黏度同时增强界面膜强度。外因方面，含水率、乳化温度、搅拌速率和矿化度通过改变界面膜性质、液滴尺寸与分布及油水两相间相互作用力影响乳状液剪切黏度和相变点。含水率是影响相变的最直接因素：低含水率下油相为连续相、水滴分散于油中，含水率增大使水滴碰撞聚并概率增大、界面膜面积增大、剪切黏度升高；含水率超过相变点后油相无法再包裹水滴，体系转变为O/W乳状液或"水浮油"型悬浮体系，剪切黏度急剧下降。乳化温度升高改善天然表面活性剂溶解度和界面膜强度，使油相能包裹更多水滴、相变点向更高含水率移动；同时高温下液滴布朗运动增强、乳化更完全、剪切黏度升高、静置脱水率降低。搅拌速率主要影响液滴破碎程度和表面能积累，不改变相变点位置但增大相变点处剪切黏度。矿化度通过离子电性干扰和金属皂形成削弱界面膜，使乳状液更易分离自由水并降低相变点处剪切黏度，但实验条件下相变点位置不变。正交实验表明各因素影响排序为含水率 > 乳化温度 > 矿化度 > 搅拌速率，因此在稠油集输中控制含水率是避免形成高黏W/O乳状液的关键；适当提高乳化温度虽可增强乳状液稳定性但也增大剪切黏度，需在加热降黏与乳化增黏之间权衡；搅拌速率和矿化度可作为辅助调节参数。

讨论部分总结与结论翻译：本研究以YT油田A区块稠油为研究对象，系统开展了稠油物性测试及油水乳状液相变与稳定性实验，主要结论如下：（1）YT油田A区块稠油在0 °C和10 °C表现为弱非牛顿幂律流体，0 °C呈轻微膨胀特性，10 °C呈假塑性；20–60 °C流动行为指数为1，为牛顿流体；本构方程中稠度系数随温度升高持续减小，拟合相关系数R²均高于0.9。（2）该稠油温度敏感性良好，黏度随温度升高单调下降；牛顿区（20–60 °C）Arrhenius拟合表观活化能约为91.0 kJ/mol，表征黏性流动的整体温度敏感性；0–10 °C弱非牛顿行为单独报告，未从线性μ–T图推断热力学拐点或结构转变；密度随温度升高线性下降，20 °C时约为0.96 g/cm³；含水率仅为0.05%，可视为无水纯油；四组分中胶质与沥青质总含量约40%，其中胶质24.94%、沥青质14.43%，是稠油高黏度和易乳化的重要内在原因。（3）油水乳状液相变点前剪切黏度随含水率增加而升高；相变点后形成不稳定的"水浮油"型悬浮体系，含水率越高剪切黏度越低；乳化温度升高使相变点向更高含水率移动并增大相变点处剪切黏度；搅拌速率升高不改变相变点但增大相变点处剪切黏度；矿化度升高不改变相变点但降低相变点处剪切黏度。（4）正交实验极差分析表明各因素对乳状液剪切黏度的影响排序为含水率 > 乳化温度 > 矿化度 > 搅拌速率，含水率和乳化温度为影响油水乳化相变与稳定性的主控因素。（5）乳状液静置脱水率随含水率升高而增大、随乳化温度升高而减小；微观结构观察表明含水率升高使液滴尺寸增大、水相区域扩展，乳化温度升高使液滴数量增多、分布更密集且排列更紧凑。研究结果可为YT油田稠油乳化降黏、集输工艺优化及相变控制提供实验依据。