刘琴 冷冬梅 赵忠山 史天琦 罗能强

大庆油田设计院有限公司

油田开发过程中，原油多以油包水或水包油型乳状液形式被采出。乳状液是一种热力学不稳定体系，主要由乳状液滴足够小时通过分散液介质的分子碰撞吸收的动能，使分散液滴处于激烈运动中的布朗运动、分子间的弱相互作用力即范德华力、两种不同类型乳状液结构密度差而产生的絮凝力或聚沉力所致[1]。在乳化过程中，油和水逐渐形成乳状液膜，这些膜决定了乳状液具有一定的稳定性[2]。影响乳状液稳定性的因素很多，主要有温度、界面膜强度、黏度、流变性、界面张力等。研究乳状液稳定性常用的方法有目测或显微镜观察法、冷冻熔化试验法、离心法、比色法、电导法、低剪切力速度鉴定法、老化法、浊度法、黏度法、粒度测量法、瓶试法、动态法等[3-5]。其中应用最多的通常为观察法，原油乳状液的稳定性测试都基于肉眼观察，此方法直接、简单、易行，但对于短时间内静置的不透明乳状液，不出现油水分层情况，却存在液滴聚并，在宏观上只是乳状液的颜色发生细微的变化，此时若采用肉眼观察很难精确描述，需要等到样品分相足以达到肉眼可以观测时，再进行描述。其他的测试方法具有测试周期长、工作量大、精确性差等缺点，部分测试方法还会破坏乳状液的原有状态，难以客观地研究乳状液的稳定性。

多重光散射法是一种评价样品稳定性的测试方法，具有直观、快速、精确、灵敏度高等优点。通过红外光源照射并接收样品的透射光强和背散射光强，得到光强随时间变化曲线，来判断样品的沉降、迁移、聚并的过程[6]，实现不破坏乳液样品的原始状态，在微观动态条件下检测样品颗粒变化的过程、沉淀的速度，并以此评价体系的稳定性，从而对体系不稳定变化的机理进行探讨[7-8]，同时也可以研究悬浮液的物理稳定性，以及高密度颜料水性色浆的分散及稳定机理[9]。

1 实验

1.1 实验样品与仪器

样品采用大庆油田某聚合物驱试验区块采出原油，原油的基本性质见表1。采出水中平均聚合物质量浓度（以下简称浓度）285 mg/L，悬浮固体质量浓度18.27 mg/L，水中含油质量浓度748.36 mg/L。实验仪器主要采用Turbiscan LAB 稳定性分析仪，原油含水自动测定仪、电加热套、天平。

表1 原油基本性质检测数据Tab.1 Test data of basic properties of crude oil

1.2 测量原理

多重光散射仪采用近红外光作为光源，由一个透射光器和一个反向散射光（也称为背散射光）检测器组成测量探头（图1）。测量探头从样品池的底部到顶部每20 μm测量一次，完成样品池从底到顶的测量为一次扫描，同时获取透射光和背散射光信号。仪器根据设定的扫描周期重复扫描样品，获得透射光和背散射光随时间变化的多条扫描线。

图1 Turbiscan LAB稳定性分析仪测量原理Fig.1 Measurement principle of Turbiscan LAB stability analyzer

光子平均自由程是分子相邻两次碰撞之间的平均距离，用来描述光的散射和传输，如公式（1）所示：

式中：l为光子平均自由程，μm；d为颗粒直径，μm；φ为颗粒体积比；Q为散射效率，可由米氏光散射理论求出，与颗粒的大小、折射率有关。

光子平均传输自由程可反映散射过程中各向异性介质的平均自由程与光子平均自由程的关系，如公式（2）所示：

式中：l*为光子传输平均自由程，μm；g为不对称因子，可由米氏光散射理论求出，与颗粒的大小、折射率有关。

透射光强度TI与光子平均自由程的关系如公式（3）所示：

背散射强度BSI与光子传输平均自由程的关系如公式（4）所示：

不稳定性系数（TSI）值是通过计算得到的数值，是随时间增加的变化值，反映了样品在一定的旋转时间内浓度与颗粒粒径变化幅度的综合，如公式（5）、公式（6）所示：

当TI＞0.2%时

当TI＜0.2%时

式中：TIref(h)为检测器测试开始时，样品h高度上接收到的透射光强度，%；TI(h)为检测器测试结束时，样品h高度接收到的透射光强度，%；H为样品的整体高度，mm；BSIref(h)为检测器参比测试开始时，样品h高度上接收到的后向散射光强度，%；BSI(h)为检测器参比测试结束时，样品h高度接收到的后向散射光强度，%。

1.3 测量方法

将乳状液样品取乳化油至烧杯，放置在电加热套上并调整温度至测试温度50 ℃，取15 mL 左右样品进行油中含水的测定，并将样品按照正确的操作方法装在专用样瓶中，放置在单色光强度已恒温稳定的50 ℃Turbiscan LAB 稳定性分析仪测量池内。采用波长880 nm 脉冲近红外光源，两个同步光学探测头，沿40 μm样品高度，每分钟扫描采集一次透射光和背散射光数据，共扫描160 min。再通过专用软件分析透射光强度、反向散射光强度、不稳定性系数等各项参数随时间的变化。

2 结果与讨论

2.1 参比模式下光强随时间的变化关系

以第一次扫描的光强数据为基点，用再次扫描的数据与基点数据相比较，得到PAM500原油乳状液透射光和背散射光强变化曲线（图2）。其中：ΔT是第二次以后不同时间扫描的透射光强度TI与第一次扫描的透射光强度TI的差值；ΔBS是第二次以后不同时间扫描的背散射光强度BSI与第一次扫描的背散射光强度BSI的差值。

图2 参比模式下透射光和背散射光强的变化Fig.2 Variation of transmitted light and backscattered light intensity in reference comparison mode

在一定温度条件下的光强扫描，实际上反映了原油乳状液静置沉降的过程。从曲线上可以看出，该样品测试初期，颜色呈现黑棕色，肉眼看不到水滴，样品外观上看比较均匀，透光率极低。随着时间的增加，油滴上浮，水滴聚并下沉，样品底部的水层逐渐显现，与初期相比ΔT也随之增加，在1 mm左右的范围内透射光强达到7%左右，基本完成油水分离，且初期分离的程度大于后期。从背散射光强差值的变化也能反映油水分离的过程，对该样品而言，主要集中在底部0～4 mm 的范围内（取第一个峰）。随着扫描时间的增加，样品开始发生油水分离，油滴上浮、水滴聚并，相当于油相增多，ΔBS也逐渐增大。在样品瓶6～25 mm 的范围内ΔBS出现了负值，说明在这个范围内油水开始分离，水滴逐渐聚并下沉。ΔT和ΔBS增加的幅度由高到低，说明样品的油水分离越到后期越缓慢。透射光强和背散射光强在较小的范围内变化且逐渐趋于稳定。

2.2 不稳定性系数随时间的变化关系

不稳定性系数反映了样品的不稳定程度，相同时间样品的变化幅度越大，稳定性动力学指数即不稳定指数就越大，体系就越不稳定。通过计算得到了不稳定性系数随时间的变化曲线见图3。

图3 不同含聚合物乳状液不稳定性系数随时间变化Fig.3 Variation of instability coefficient of different polymercontaining emulsions with time

由图3可以知，随着时间的增加，不稳定性系数呈现逐渐趋于平稳的形态。底部曲线反映了分离出水的稳定性，中部曲线反映了中间层的稳定性，顶部曲线反映了样品油层的稳定性。通过样品不同位置不稳定性系数随时间变化对比可以看出，底层的不稳定性系数曲线变化相对较大，反映了在不加任何破乳剂的条件下，仅通过加热就能够达到油水分离的情况，发生概率最大的是水滴的聚并。

不同含聚合物乳状液不稳定性系数测试数据见表2。通过对比可以看出，随着聚合物含量的增大，不稳定系数的变化呈现降低的趋势，反映出乳状液逐渐趋于稳定，油水处理的难度逐渐增加。

表2 不同含聚乳状液不稳定性系数测试数据Tab.2 Test data of instability coefficient of different polymercontaining emulsions

2.3 分层厚度随时间的变化关系

通过扫描的透射光强和背散射光强曲线，得到了分层厚度随时间的变化曲线。不同含聚合物乳状液背散射光分层厚度随时间变化见图4。由图4 可知，含聚合物浓度越低则分水量也越多，反之，含聚合物浓度越高则分水量也相对较少。从而证明了含聚合物浓度高的乳状液油水分离难度大。

图4 不同含聚合物乳状液背散射光分层厚度随时间变化Fig.4 Variation of backscattered light layer thickness with time in different polymer-containing emulsions

3 结论

多重光散射法能够研究含聚合物原油乳状液稳定性，具有样品量少、检测周期短、操作简单、直观、精确度高且不直接破坏乳状液自身结构的特点，是一种非常好的测试评价方法。不同含聚合物浓度原油乳状液的多参数稳定性测试结果表明，随着含聚合物浓度的增加，乳状液油水分离难度也增大，与现场试验中所取得的聚合物浓度对油水分离特性的影响规律是一致的，从而证明了多重光散射法研究含聚合物原油乳状液稳定性是可行的。