影响原位燃烧原油乳液稳定性的因素及机制

《Chinese Journal of Chemical Engineering》：Influencing factors and mechanisms of in-situ combustion crude oil emulsion stability

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摘要

原位燃烧（ISC）显著降低了重质原油的粘度，并提高了回收率。然而，极稳定的水包油（W/O）ISC原油乳状液的形成给地面集输和治疗过程中的脱水带来了巨大挑战，其稳定机制比传统的水驱（WF）原油复杂得多。本研究以孟古林油田的ISC和WF原油为研究对象，通过元素分析、傅里叶变换红外光谱和X射线衍射等方法，系统地研究了高温ISC对沥青质、树脂和固体颗粒结构特性的影响。通过单因素实验和响应面法，首次量化并排列了影响ISC乳状液稳定性的关键因素，其贡献顺序为：树脂含量 > 沥青质含量 > 剪切强度 > 固体颗粒含量。成分间的耦合效应分析表明，树脂不仅作为分散剂促进沥青质向界面的迁移，还与沥青质共同构建高粘弹性的界面膜。同时，固体颗粒与沥青质和树脂形成框架-填充结构。这些多尺度机制解释了ISC乳状液较低的金油界面张力、更强的界面膜以及更强的抗聚结、沉降和奥斯特瓦尔德熟化能力。研究结果为ISC生产中的流动保障提供了从分子到过程的基础，包括针对性除乳剂的设计、剪切场控制、固体管理、停留时间分配以及地面集输站中加热、化学加药、分离和静电脱水的优化。

引言

全球经济的迅速扩张推动了石油需求的激增，导致传统易采轻质原油储备的严重枯竭[1]、[2]、[3]。然而，重质原油的高粘度、高密度和低流动性严重阻碍了其开发。鉴于重质原油对温度的敏感性，原位燃烧（ISC）已被广泛作为有效的热采技术在全球范围内应用[4]。尽管如此，ISC原油的集输、运输和处理仍面临比传统水驱或聚合物驱更大的脱水挑战。这种增加的复杂性本质上与ISC过程中形成的乳状液显著增强的稳定性有关。

ISC技术涉及一系列连续反应，包括低温氧化和高温燃烧[5]、[6]、[7]。虽然这些过程有效提高了原油在储层内的原位流动性，但同时也引发了沥青质、树脂和固体颗粒的深刻结构变化，这些变化被认为是乳状液稳定性变化的根本驱动力[8]、[9]、[10]、[11]。普遍认为，原油中的界面活性组分（包括沥青质、树脂和两亲性（亲水性和疏水性）固体颗粒）具有不同的界面性质，从而对原油乳状液的总体稳定性产生不同的影响[12]、[13]。

具体来说，沥青质是指在甲苯中可溶但在烷烃中不溶的原油溶解类[14]。其典型的分子结构是由脂肪链取代的多环芳烃核心组成[15]。沥青质能够通过形成刚性界面膜来降低油水界面张力并稳定乳状液，这一过程通过多环芳烃核心间的π–π堆积和极性官能团间的氢键作用实现[16]、[17]。相比之下，由于化学不稳定性和分子结构不明确，树脂缺乏严格的定义[18]。然而，研究表明树脂可以通过溶解效应增强沥青质在原油基质中的分散，从而与沥青质协同作用稳定乳状液系统[19]、[20]。此外，由固体颗粒稳定的乳状液被归类为Pickering乳状液。其稳定机制涉及具有两亲性的固体颗粒在油水界面上的吸附，形成阻止液滴聚结的坚固机械屏障[21]、[22]。

最近的研究进一步阐明了沥青质、树脂和固体颗粒稳定原油乳状液的复杂机制，特别是不同界面活性组分之间的相互作用。研究表明，沥青质和树脂之间的协同效应是一种动态平衡，其中树脂含量调节沥青质聚集体?大小和界面活性[17]、[24]。然而，当树脂浓度过高时，树脂会与沥青质竞争油水界面的吸附位点，占据沥青质的吸附位点，从而降低原油乳状液的稳定性[18]。许多学者利用分子动力学模拟了沥青质的结构特性，得出结论：融合芳香环的数量和含氧官能团的特定位置直接决定了它们的界面结合能以及通过氢键形成的交联网络的密度[25]、[26]。沥青质和固体颗粒在油水界面经历动态共吸附过程，其中沥青质分子吸附在固体颗粒表面，改变其润湿性。对于W/O（水包油）乳状液，当沥青质浓度较低时，对固体颗粒的改性效果不明显，颗粒仍保持高度亲水性。当它们在界面吸附时，这些颗粒充当水滴之间的桥梁，促进聚结。随着沥青质浓度的增加，固体颗粒的改性效果显著增强；改性颗粒表现出强烈的疏水性，不仅阻碍了液滴聚结，还增强了油水界面膜的强度[27]、[28]。原油乳状液的稳定性最终取决于各组分的协同作用、界面处的竞争吸附动态以及分子结构的复杂作用。因此，ISC过程中沥青质、树脂和固体颗粒的结构变化可能是ISC原油乳状液稳定性显著增强的根本原因。

此外，在高温气流的强烈剪切作用下，ISC产生的液体倾向于形成直径更小、尺寸分布更窄的水滴[29]。这有利于形成极稳定的W/O乳状液，使得脱水难度大大增加，相比传统水驱原油更为复杂。

尽管之前的研究已经探讨了各种原油组分对乳状液稳定性的影响，但在ISC过程中多个乳化因素的相对贡献的定量排序仍缺失，这些因素之间的潜在耦合效应也尚未得到系统澄清。本研究通过单因素实验，在各自条件下系统比较了ISC原油和水驱原油制备的乳状液的油水界面张力、界面膜强度和表观粘度。这一比较有助于识别提高ISC原油乳状液稳定性的关键因素。响应面法（RSM）被用于设计实验，以量化每个因素对乳状液稳定性的影响，并揭示它们之间的耦合效应。通过整合原油组分的结构分析，阐明了稳定性提高的根本原因和控制油水界面稳定性的微观机制。通过将分子结构、界面膜力学、液滴尺度稳定性和宏观流变响应联系起来，本研究为 ISC地面集输和处理系统中的针对性除乳剂开发、剪切场控制、固体管理和脱水过程优化提供了机理基础。

章节摘录

材料与试剂

实验用的流体，包括ISC原油、水驱（WF）原油及其产生的水，均来自中国孟古林油田。两个油样在分析前均进行了完全脱水。它们在50°C下的物理性质总结在表1中。分析级石油醚、中性氧化铝、无水乙醇、甲苯和庚烷由成都科隆化工有限公司（中国）提供。所有化学试剂均按原样使用。

沥青质、树脂和固体颗粒的结构特性

大量研究表明，沥青质、树脂和固体颗粒的结构特性对ISC等热采过程非常敏感。这些过程通过引入氢键和杂原子以及改变芳香性来控制原油组分的分子间相互作用和界面活性。这种结构演变被广泛认为是影响乳状液稳定性和流动行为的关键因素。

结论

基于对ISC和WF原油中沥青质、树脂和固体颗粒的结构特性及其相应乳状液稳定性的比较分析，得出以下结论：

• (1)
  元素分析、FTIR和XRD分析表明，ISC原油中的沥青质和固体颗粒浓度增加。分子氢键结合显著增强，芳香性增加，堆积尺寸减小。ISC固体颗粒含有

作者贡献声明

Hao Xiong：研究。Chuanhao Huang：软件。Jie Sun：撰写 – 审稿与编辑，方法论。Senyang Deng：撰写 – 审稿与编辑，初稿撰写，数据管理。Ran Yin：正式分析。Yu Feng：数据管理。Rinat Karimov：方法论。Xu Jiang：资源，方法论。Sitong Chen：项目管理。Haoya Ning：概念化。Guo Yu：资源。

利益冲突声明

? 作者声明他们没有已知的可能导致影响本文工作的财务利益或个人关系。

致谢

本工作得到了中央政府引导的地方科学和技术发展基金项目（2024ZYD0123）以及国家自然科学基金（52106208）的支持。

Senyang Deng|Jie Sun|Yu Feng|Ran Yin|Xu Jiang|Rinat Karimov|Haoya Ning|Sitong Chen|Guo Yu|Chuanhao Huang|Hao Xiong

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