聚合物及固体颗粒对原油乳状液稳定性影响机制研究.pdf

1156第 53 卷第 10 期2023 年 10 月Vol.53 No.10Oct.2023日 用 化 学 工 业（中英文）China Surfactant Detergent&Cosmetics Received:October 1,2022;Revised:September 25,2023.*Corresponding author.E-mail:.中海油田服务股份有限公司天津分公司资助项目（G2217B-0620T135，G1915B-0620T208）；中国石油天然气集团有限公司“十四五”科技项目“绿色油气田污染防治及生态保护研究”子课题（2021DJ6606）DOI：10.3969/j.issn.2097-2806.2023.10.006Study on the influence mechanisms of polymers and solid particles on the stability of crude oil emulsionChaoYang1,2,ZhimingTong3,ZhanshengWang4,WuChen1,2,*（1.School of Chemical and Environmental Engineering,Yangtze University,Jingzhou,Hubei 434023,China;2.Key HSE Laboratory of PetroChina（Yangtze University）,Jingzhou,Hubei 434023,China;3.Oilfield Chemical Division of China National Offshore Oilfield Services Corporation,Tianjin 300450,China;4.Safety and Environmental Protection Technology Research Institute of CNPC,Beijing 102206,China）Abstract:To clarify the reasons why the backflow residue of oilfield operation affects the dehydration of produced crude oil,the mechanisms for single polymers,single solid particles and the coexistence of a polymer and particles affecting the stability of crude oil emulsion were studied,in which NPAM and guar gum,which are the most common backflow residues,were taken as the representatives of polymers,and quartz sand as the representative of solid particles.The results showed that single polymers could influence the stability of the emulsion.When the mass concentration of the polymer was increased to 1 000 mg/L,the dehydration rate of the emulsion was decreased to 0%,and the peak of particle size distribution was less than 10 m.The viscosity was significantly increased,i.e.,the viscosity of the emulsion containing guar gum was increased to 3.80 times,and the viscosity of the emulsion containing NPAM was increased to 2.82 times.The equilibrium interfacial tension was decreased,the viscoelasticity of the oil-water interface was increased,and the elastic modulus was 4-5 times that of the viscous modulus.In this case,the boundary film was mainly elastic,the strength of the boundary film was increased,and thus the stability of the emulsion was increased.The influence of single solid particles on the emulsion was that,when the solid content was increased to 1%,the dehydration rate of the emulsion was decreased by 9.90%,the viscosity was increased by 46.36%,and the interfacial tension between oil and water was decreased by approximately 9.10%.The coexistence of a polymer and solid particles had superposition effect on the stability of the emulsion.The increase of the polymer and solid particles in emulsion would increase the difficulty of dehydration and the stability of the emulsion.When the solid particle content was fixed at 1%and the polymer concentration was increased,the dehydration rate was decreased from 54.50%to 0%,the viscosity was increased to 3.58 times,and the peak of particle size distribution was significantly decreased.Key words:polymers and particles;crude oil emulsion;stability;influence mechanismStudyonthemechanismofstabilitychangeofcrudeoilemulsionsCrude oil emulsionNon-ionic polyacrylamide Guar gum Solid particles Guar gum+solid particlesDehydration rate Viscosity Particle size Interfacial tension Interfacial viscoelasticityChanges in crude oil emulsionstability1157第 10 期开发与应用杨 超，等：聚合物及固体颗粒对原油乳状液稳定性影响机制研究 油田酸化、压裂、聚合物驱等增产稳产作业措施在提高原油采收率方面发挥了重要的作用。但在实际生产中人们发现这些作业的返排残液难以避免进入油水集输系统，并对采出液的脱水造成不利影响，导致原油乳状液稳定性增加，破乳难度加大，油水分离困难，分离出来的油含水高、水含油高，影响后续处 理1,2。如华北油田在60 时，添加质量浓度为 1 000 mg/L破乳剂对含聚乳状液破乳90 min，脱水率仅有30%3；临盘采油厂的酸化返排液混入原油乳状液中后，可使其脱水率由84.72%降至12.10%4；塔河油田因压裂液中的瓜胶、酸化液中的盐酸及采出液中的固体颗粒等多种因素的协同作用导致酸化油难以破乳，不得不实行水洗/中和、超声波、高频电脱、升温、高剂量破乳剂及长时间沉降相结合的采出液脱水工艺5,6。这不仅影响后续处理，且大大增加了采出液脱水的成本。由于压裂返排液、聚合物驱产出液中都含有聚合物及来自地层的固体颗粒（黏土、石英砂等），聚合物及颗粒物的影响较为常见。因此多位研究者均以聚合物HPAM（部分水解聚丙烯酰胺）为代表，研究了HPAM的分子量、质量浓度对原油脱水率、界面张力、Zeta电位等单个或多个指标的影响，研究结果近乎一致表明，聚合物HPAM质量浓度越高，原油乳状液乳化程度越高、稳定性越高，脱水率越低，稳定性系数减小、平均粒径越小，破乳后脱出水澄清度（透光率）越小1,7-9。而关于固体颗粒对于乳状液稳定性研究表明，固体颗粒吸附于油水界面膜上，形成“固体网”阻碍液滴的聚并，对液滴起到了阻隔作用，使乳状液更加稳定10，Alvarado等11发现固体颗粒尤其是颗粒粒径对乳液的稳定性有显著影响。Luo等12研究发现固体颗粒增加了油水界面张力和界面剪切黏度，使得O/W型乳状液稳定性增加；且固体颗粒质量浓度增加，乳状液更稳定。Kang等13研究指出固体颗粒的润湿性、大小及质量浓度都对乳状液滴大小及稳定性产生影响，乳状液的稳定性随着固体颗粒粒径的变小而变大。Wang等14研究发现固体颗粒可以吸附在油水界面形成具有一定机械强度的界面膜，使原油乳状液体系油水界面张力、油水界面剪切黏度值增加和Zeta电位负值增加，导致乳状液稳定性增加。Dong 等15发现固体颗粒与HPAM共同作用下油滴表面Zeta电位绝对值增大明显。综上所述，虽然通过这些研究得到了一些关于作业返排液中聚合物、固体颗粒影响原油乳状液稳定性的有益结果，但总体来看，目前关于这方面的研究较少且不系统、不深入，尤其是关于聚合物与固体颗粒共存对原油乳状液稳定性的影响研究非常少见，因此很有必要对聚合物尤其是聚合物和固体颗粒共存对原油乳状液稳定性影响开展系统研究，以便全面系统地探明其影响规律及机理。本文选择非离子型聚丙烯酰胺（NPAM）、瓜胶为聚合物代表，石英砂为颗粒物代表，以原油乳状液脱水率、黏度、乳状液粒径、界面张力、黏弹性为乳状液稳定性考察指标，研究单一聚合物、单一颗粒物以及聚合物聚合物及固体颗粒对原油乳状液稳定性影响机制研究杨 超 1,2，童志明 3，王占生 4，陈 武 1,2,*（1.长江大学 化学与环境工程学院，湖北 荆州 434023；2.中石油HSE重点实验室（长江大学），湖北 荆州 434023；3.中海油田服务股份有限公司油田化学事业部，天津 300450；4.中国石油集团安全环保技术研究院，北京 102206）摘要：为了探明油田作业返排残液影响原油采出液脱水的原因，以返排残液中最常见的非离子型聚丙烯酰胺（NPAM）及瓜胶为聚合物代表，以石英砂为颗粒物代表，研究了单一聚合物、单一颗粒物及聚合物与颗粒物共存影响原油乳状液稳定性的机理。结果表明，单一聚合物对乳状液稳定性影响中，聚合物质量浓度增加至1 000 mg/L，乳状液脱水率降低至0%，粒径分布峰值均小于10 m，黏度成倍增长，含瓜胶乳状液黏度增加了2.80倍，含NPAM黏度增加了1.82倍，平衡界面张力下降，油水界面黏弹性增加且弹性模量是黏性模量的45倍，此时界面膜以弹性膜为主，界面膜强度增加，乳状液稳定性增加。单一颗粒物对乳状液影响为含固量增加至1%，乳状液脱水率降低了9.90%，黏度增加了46.36%，油水界面张力降低了9.10%左右。聚合物和固体颗粒叠加影响作用于乳状液，含固量1%且聚合物质量浓度增加时，脱水率从54.50%降低至0%，黏度增加了2.58倍，粒径分布峰值降低了74.97%；这些现象说明乳状液中聚合物和固体颗粒增多，脱水难度增加，乳状液稳定性增加。关键词：聚合物及颗粒物；原油乳状液；稳定性；影响机制中图分类号：TQ423 文献标识码：A 文章编号：2097-2806（2023）10-1156-101158第 53 卷开发与应用日 用 化 学 工 业（中英文）与颗粒物共存三种情况对乳状液的脱水及稳定性影响规律，对比分析以探明其对原油乳状液稳定性影响的机理，为解决油田实际生产中原油乳状液因含聚合物、含固脱水困难的问题提供理论参考。1 实验部分1.1 试剂及仪器石油醚，AR，天津市福晨化学试剂厂；二甲苯，AR，天津市北辰方正化学试剂厂；无水乙醇、NPAM，均为AR，天津市福晨化学试剂厂；石英砂（d=25 m），AR，天津市科密欧化学试剂开发中心；煤油，工业级，中国石油化工集团公司；瓜胶粉，工业级，取自临盘油田。TGL-185M型离心机，长沙平凡仪器仪表有限公司；S3500型激光粒度分析仪，美国麦克奇有限公司；FA25D型高剪切分散乳化机，上海弗鲁克机电设备有限公司；DV-+Pro数显黏度计，美国Brookfield公司；Leica DMS1000型数字显微镜，德国徕卡公司；Tracker型界面流变仪，法国TECLIS-IT Concept公司。1.2 实验方法1.2.1 原油物性分析参照岩石中可溶有机物及原油族组分分析（SY/T 51192008）、原油水含量的测定（GB/T 89292006）、石油产品酸值测定法（GB/T 2641983）、石油和液体石油产品密度测定法密度计法（GB/T 18841998），对原油的族组分、含水率、酸值、密度分别进行测定。1.2.2 采出水物性分析按照油气田水分析方法（SY/T 55232000）采用ICS2100离子色谱仪对现场取回的采出水水样进行离子全分析。1.2.3 含聚合物原油乳状液配制选用天然瓜胶和NPAM进行实验（瓜胶重均分子量233.60万，NPAM重均分子量250万）。首先用过滤后的临盘油田采出水将两种聚合物配制成一定质量浓度的聚合物溶液，再根据实际生产中含聚类药剂在乳状液中的质量浓度分别配制出01 000 mg/L的6种不同含聚量的原油乳状液。1.2.4 含固体颗粒原油乳状液配制将油田采出水过滤，再将临盘油田原油加热离心沉降去除固体颗粒物质，取上层油样作为空白油样待用。取过滤后的采出水，用石英砂（d=25 m）配制含固量不同的水溶液，然后与空白油样进行乳化制成不同含固量的原油乳状液。根据实验所使用原油的原始固体含量确定配制质量分数为0%，0.1%，0.25%，0.5%，0.75%，1%的含固体颗粒原油乳 状液。1.2.5 含聚合物、固体颗粒乳状液配制过滤油田采出水，将原油加热离心沉降，取上层油样作为空白油样待用。取过滤后的采出水，取相同体积的水溶液配制成2001 000 mg/L的6种不同质量浓度瓜胶液，再加入0%，0.50%，1%质量分数的石英砂（d=25 m），配制成含固水溶液，然后与空白油样进行乳化制成含水率为40%的乳状液。1.2.6 乳状液脱水率及黏度测定乳状液恒温静置30 min后，用离心机将不同乳状液同时离心脱水（4 000 r/min，15 min），并计算脱水率。在43 （现场生产实际温度）条件下测定不同质量浓度乳状液的黏度。1.2.7 乳状液粒径分布测量配制不同质量浓度的含聚、含固原油乳状液，分别取乳状液滴在载玻片上，用Leica DMS1000型数字显微镜观察乳状液形态并记录照片，再将采集的乳状液微观图片用Nano Measurer软件统计分析液滴尺寸 分布。1.2.8 乳状液油水界面张力测定用去活煤油将原油稀释配制成质量分数为1%的模拟油，在温度（301）下，分别测定不同质量浓度下NPAM溶液和瓜胶溶液与模拟油之间的油水动态界面张力。1.2.9 乳状液油水界面黏弹性测定首先用去活煤油将原油稀释配制成质量分数为1%的模拟油，之后在温度（301）下，将不同质量浓度的NPAM溶液、瓜胶溶液倒入Tracker界面流变仪样品池中作为水相，将模拟油用弯头注射器在待测溶液中注入一个5 L的油相液滴，达到吸附平衡后，对马达施加正弦扰动，振幅为0.5 L，分别测定油水界面弹性模量（d）、黏性模量（d）。2 结果与讨论2.1 原油、采出水物性分析2.1.1 原油物性分析从表1可以看出，临盘原油主要以饱和烃为主，胶质含量高，沥青质含量相对较少；原油酸值为0.80 mg KOH/g，说明临盘原油属于含酸原油。1159第 10 期开发与应用杨 超，等：聚合物及固体颗粒对原油乳状液稳定性影响机制研究 2.1.2 采出水物性分析现场采出水水样主要离子成分分析如表2所示。从表2数据可知，临盘油田采出水的矿化度较高，阳离子中以钠离子、钾离子居多，同时还含有少量钙、镁离子；阴离子以氯离子为主，还有少量碳酸根、硫酸根离子；水样的pH值为7.2，水样为氯化钙型。表1 原油物性参数Tab.1 Physical parameters of the crude oilw（饱和烃）/%w（芳烃）/%w（胶质）/%w（沥青质）/%闭合度/%含水率/%含固量/%密度/（g/cm3）酸值/（mg KOH/g）54.8926.448.911.1591.382.192.050.897 30.80表2 现场采出水水样离子成分Tab.2 Ion composition of the field water sample/（mg/L）Na+、K+Ca2+Mg2+SO42-Cl-CO32-HCO3-可溶性SiO2矿化度pH水型15 533.81 708.6364.06.027 355.80356.433.2345 046.837.2CaCl22.2 聚合物对原油乳状液影响2.2.1 聚合物对乳状液脱水率及黏度影响探究了聚合物瓜胶、NPAM对乳状液脱水率及黏度的影响，结果如图1所示。由图1可知，随着瓜胶和NPAM质量浓度的增加，乳状液脱水率逐渐降低。不添加聚合物时，乳状液脱水率高达75%左右；聚合物质量浓度处于200400 mg/L时，含瓜胶的乳状液脱水率略高于含NPAM的乳状液脱水率；聚合物质量浓度达到800 mg/L后，含瓜胶的乳状液脱水率降至3.10%，而含NPAM的乳状液脱水率降为0%；聚合物质量浓度达到1 000 mg/L时，两者的脱水率均为0%。乳状液黏度随聚合物质量浓度的增加迅速增加，虽然瓜胶分子量略小于NPAM的分子量，但在同一质量浓度下，含瓜胶乳状液黏度高于含NPAM乳状液黏度。不含聚合物时，乳状液黏度为685.50 mPa s；当NPAM质量浓度为1 000 mg/L时，乳状液黏度为1 860 mPa s，增加了1.82倍；当瓜胶质量浓度为1 000 mg/L时，乳状液黏度为2 499 mPa s，增加了2.80倍。由图1来看，添加瓜胶的乳状液比添加NPAM的乳状液的黏度高、脱水率也高，一是因为瓜胶、NPAM的增黏机制不同，NPAM与PAM类似，NPAM分子链含有酰胺基，可以各种比例完全溶解于水中，因其自身及分子间的缠结使乳状液黏度增加，且黏度与其分子量及含量有关，分子量越低，其分子间的缠绕作用越小16；而瓜胶粉在常温下的水合物可分为水溶性和水不溶性两部分17，因此其分散于水形成的是溶胶，其黏度与其不溶物的含量及粒度大小有关18；二是本实验对比的是离心脱水率，离心时添加瓜胶的乳状液中的不溶物在离心作用下分离，故含瓜胶的乳状液脱水率较高，而添加NPAM的乳状液中分子间的缠结结构的稳定性受离心作用影响小，因此，其脱水率要低一些。2.2.2 聚合物对乳状液粒径影响探究了聚合物瓜胶、NPAM对乳状液粒径分布的影响，结果如图2所示。由图2可知，含聚乳状液的液滴粒径主要分布在40 m以下，并且聚合物质量浓度越大，粒径分布峰值越小，粒径分布越集中，当聚合物质量浓度超过800 mg/L后，乳状液粒径分布峰值低于10 m；其中瓜胶质量浓度变化对乳状液粒径影响显著，在瓜胶质量浓度超过400 mg/L时，粒径分布峰值逐渐低于10 m。结合图1两种聚合物对乳状液黏度的影响可知，瓜胶液质量浓度对乳状液黏度影响更大，随着乳状液黏度的增加，乳状液分散相的粒径分布峰值更小，分布更集中，乳状液更稳定。图1 聚合物质量浓度对原油乳状液脱水率及黏度影响Fig.1 Ef fects of polymer mass concentration on the dehydration rate and viscosity of the crude oil emulsion02004006008001 000-1001020304050607080?NPAM NPAM /(mg/L)6008001 0001 2001 4001 6001 8002 0002 2002 4002 600?/(mPas)?/%1160第 53 卷开发与应用日 用 化 学 工 业（中英文）2.2.3 聚合物对乳状液界面张力影响针对聚合物瓜胶、NPAM对乳状液油水界面张力变化的影响进行了研究，结果如图3所示。由图3可知，NPAM质量浓度变化对油水界面张力随时间变化的影响较小，而瓜胶质量浓度对油水界面张力随时间的变化影响较大，当瓜胶质量浓度为200 mg/L时，诱导区间和快速下降区间较短，界面张力迅速下降至平衡区间，此时平衡界面张力较大为23.29 mN/m；当瓜胶质量浓度为1 000 mg/L时，界面张力快速下降区间较大，此时平衡界面张力减小为16.40 mN/m，平衡界面张力降低了29.58%。这是由于瓜胶分子中含有大量活性基团（伯羟基、仲羟基、醇羟基等），这些基团置换了油水界面上原有的活性物质，对油水界面膜强度的影响更大；由图4a可知，瓜胶分子结构单元中含有大量羟基，其中羟基可与水分子形成氢键，在油水界面上定向排列后增加了油水界面膜强度，导致油水界面张力下降。而实验中的NPAM属于非离子型，由图4b可知，NPAM只含有活性酰胺基团，酰胺基可图2 NPAM（a）、瓜胶（b）质量浓度对原油乳状液粒径分布的影响Fig.2 Effects of the mass concentrations of NPAM（a）and guar gum（b）on the particle size distribution of crude oil emulsion0102030405060708001020304050 0 mg/L 200 mg/L 400 mg/L 600 mg/L 800 mg/L 1 000 mg/Ld/md/m0102030405060708001020304050 0 mg/L 200 mg/L 400 mg/L 600 mg/L 800 mg/L 1 000 mg/L(b)(a)?/%?/%图3 不同NPAM（a）和瓜胶（b）质量浓度下油水动态界面张力Fig.3 Dynamic interfacial tension at the oil-water interfaces at different mass concentrations of NPAM（a）and guar gum（b）01 000 2 000 3 000 4 000 5 000 6 00018212427303336?/s01 000 2 000 3 000 4 000 5 000 6 000?/s 200 mg/L 400 mg/L 600 mg/L 800 mg/L1 000 mg/L(a)162024283236 200 mg/L 400 mg/L 600 mg/L 800 mg/L1 000 mg/L(b)/(mN/m)/(mN/m)图4 瓜胶（a）及NPAM（b）的结构Fig.4 Molecular structures of guar gum（a）and NPAM（b）OHOHOHOHOHnOHHOHOHOOOOOOH2NH2HC*CCOn(a)(b)1161第 10 期开发与应用杨 超，等：聚合物及固体颗粒对原油乳状液稳定性影响机制研究 作为吸附基团在油水界面上形成多点吸附19，同时NPAM的存在也增加了界面膜间的排斥力及空间阻力，进而增加了油水界面膜强度20，致使油水界面张力下降。2.2.4 聚合物对乳状液界面黏弹性影响探究了两种聚合物对乳状液黏弹性的影响，结果如图5所示。由图5可知，油水界面弹性模量（d）、黏性模量（d）均随聚合物质量浓度的增加而增加，且瓜胶和NPAM在质量浓度相同时，d大小几乎相同，两种含聚合物乳状液的油水界面d是对应d的45倍，表明油水界面膜主要以弹性膜为主。在瓜胶质量浓度为1 000 mg/L，油水界面d为23.13 mN/m，d为5.10 mN/m，此时d是d的4.5倍。当聚合物质量浓度超过400 mg/L时，含瓜胶乳状液的油水界面d始终大于含NPAM乳状液的油水界面d。这些现象均说明随着聚合物质量浓度增加油水界面膜的黏弹性增加，界面膜的强度增加，乳状液稳定性增加。这说明在聚合物中存在亲、疏水基团，疏水基链伸入油相中，亲水基链伸入水相中，降低油水界面张力，同时聚合物疏水基以及形成的网状结构所带来的位阻效应也能增强油水界面膜强度21。而瓜胶中含有大量可以影响界面膜强度的活性基团（伯羟基、仲羟基、醇羟基等），因此瓜胶质量浓度对d影响更大，这与界面张力的结论基本一致。2.3 固体颗粒对原油乳状液稳定性的影响2.3.1 固体颗粒对乳状液脱水率及黏度影响探究了固体颗粒对乳状液脱水率及黏度的影响，结果如图6所示。由图6可知，原油乳状液脱水率随着石英砂质量分数的增加而下降，当乳状液未添加石英图5 聚 合物质量浓度对界面膜弹性模量（d）及黏性模量（d）影响Fig.5 Ef fects of polymer mass concentration on the elastic modulus（d）and viscous modulus（d）of interface film2004006008001 000182021222324?NPAMNPAM/(mg/L)d/(mN/m)4.04.24.44.64.85.05.2d/(mN/m)19砂时，乳状液脱水率可达75.30%；当石英砂质量分数为1%时，乳状液脱水率为65.40%，降低了9.90%。这说明固体颗粒的加入增加了乳状液脱水的难度，使得乳状液稳定性增加。随着石英砂质量分数的增加，乳状液黏度逐渐增大。不含石英砂时，乳状液黏度为591 mPa s，当石英砂质量分数为1%时，乳状液黏度增加至865 mPa s，黏度增加了46.36%。这表明固体颗粒吸附填充在油水界面上的聚合物网状结构中充当了骨架的作用，进而提高了油水界面膜结构强度，使得乳状液黏度提高，最终使得乳状液更加稳定。2.3.2 固体颗粒对乳状液粒径影响针对固体颗粒对乳状液粒径分布影响进行探究，结果如图7所示。由图7可知，当石英砂质量分数为0%时，乳状液粒径分布峰值为25 m，而含石英砂的乳状液粒径分布峰值均处于2030 m之间。当石英砂质量分数增加时，乳状液粒径分布更加集中，且在峰值附近的占比更高。加入乳状液中的石英砂粒径为图6 石英砂质量分数对原油乳状液脱水率和黏度影响Fig.6 Ef fects of quartz sand content on the dehydration rate and viscosity of the crude oil emulsion00.20.40.60.81.064666870727476?/%550600650700750800850900?/(mPas)?/%图7 石英砂质量分数对原油乳状液粒径分布影响Fig.7 Ef fect of quartz sand content on the particle size distribution of crude oil emulsion015304560750816243240d/m 0%0.1%0.25%0.5%0.75%1%?/%1162第 53 卷开发与应用日 用 化 学 工 业（中英文）25 m，与乳状液液滴粒径分布峰值基本一致，这说明固体颗粒对乳状液粒径分布几乎没有影响。2.3.3 固体颗粒对乳状液界面张力影响探究了固体颗粒对乳状液油水界面张力的影响，结果如图8所示。由图8可知，添加0.10%石英砂颗粒的过滤后采出水与模拟油的界面张力低于不添加石英砂的过滤后采出水与模拟油的界面张力；但在石英砂颗粒质量分数继续增加至0.25%后，油水界面张力高于不添加石英砂的过滤后采出水与模拟油的界面张力。含固量增加至1%时，乳状液的平衡界面张力增加了9.10%左右。这是由于固体颗粒较少时，其吸附在油水界面膜上会减弱活性物质的相互作用，增加活性物质的交换，因此降低油水界面张力；当采出水中含有的颗粒质量浓度过高时，颗粒在油水界面上与界面活性物质竞争吸附，使得油水界面上的活性物质减少，从而导致含有固体颗粒的采出水与模拟油的界面张力升高。另外，固体颗粒可能也会吸附模拟油中通过油水界面分配到水相一侧的界面活性物质，使得油水界面处吸附的模拟油中的界面活性物质浓度降低，这同样会使含固体颗粒的采出水与原油模拟油的界面张力升高1。2.3.4 固体颗粒对乳状液界面黏弹性影响针对固体颗粒对乳状液油水界面黏弹性的影响进行探究，结果如图9所示。由图9可知，油水界面弹性模量（d）随石英砂质量分数的增加先增加后减小，在石英砂质量分数为0.50%时达到最大为25.40 mN/m；油水界面黏性模量（d）则随石英砂质量分数的增加而增加。这是由于固体颗粒可以吸附在油水界面膜上，固体颗粒质量分数较小时，可能会导致颗粒与颗粒之间出现横向的毛细引力，使得界面膜弹性模量增大；当乳状液中固体颗粒质量分数较大时，大量颗粒图8 不同石英砂质量分数时油水动态界面张力曲线Fig.8 Dy namic interfacial tension curves at different quartz sand content01 000 2 000 3 000 4 0006 000202428323640 /(mN/m)?/s 0%0.1%0.25%0.5%0.75%1%5 000吸附在界面膜上，在界面膜上形成一个紧密的单层颗粒层，此时颗粒之间相互接触，导致界面膜弹性减小同时黏性增加，因此油水界面膜的弹性模量呈下降的趋势22。2.4 聚合物与固体颗粒共存对原油乳状液稳定性的影响在2.2节探究聚合物对原油乳状液稳定性影响的过程中，发现瓜胶比NPAM对乳状液的影响更大，因此以下实验采用瓜胶作为聚合物代表，探究聚合物与固体颗粒共存对原油乳状液稳定性的影响。2.4.1 聚合物对含固原油乳状液脱水率及黏度影响探究了聚合物对含固原油乳状液脱水率及黏度影响，结果如图10所示。由图10可知，在固体颗粒石英砂的质量分数一定时，随着瓜胶质量浓度的增加，脱水率快速下降；在瓜胶质量浓度一定时，固体颗粒石英砂的质量分数越高，原油乳状液脱水率越低。瓜胶图9 石英砂质量分数对油水界面黏弹性影响Fig.9 In fluence of quartz sand content on viscoelasticity of oil-water interface00.20.40.60.81.021.622.423.224.024.825.6d d?/%3.03.54.04.55.05.5d/(mN/m)d/(mN/m)图10 聚合物对不同含固量原油乳状液脱水率及黏度影响Fig.10 Ef fects of polymer concentration on the dehydration rate and viscosity of the crude oil emulsions with different solid particle content02004006008001 000020406080?0%0.5%0%0.5%1%1%/(mg/L)5001 0001 5002 0002 500?/(mPas)?/%1163第 10 期开发与应用杨 超，等：聚合物及固体颗粒对原油乳状液稳定性影响机制研究 和固体颗粒石英砂叠加影响作用于乳状液，含固量为0%，0.50%和1%时，随瓜胶质量浓度增加，脱水率分别从62.20%，60%，54.50%降低至0%，说明乳状液中同时含有聚合物和固体颗粒时，聚合物质量浓度及固体颗粒石英砂质量分数越大，脱水难度越大，乳状液越稳定。由图10还可知，瓜胶质量浓度和颗粒物质量分数为0%时，黏度为658.50 mPa s，石英砂质量分数为0%，0.50%，1%时，随瓜胶质量浓度增加，黏度各增大至2 499，2 396，2 356 mPa s，分别增加了2.80，2.64和2.58倍。对比单一固体颗粒对乳状液黏度影响，黏度只增加了46.36%，说明当乳状液体系同时含聚合物瓜胶和固体颗粒时，聚合物瓜胶质量浓度对体系的黏度影响比较大，乳状液黏度随聚合物瓜胶质量浓度的增加而增加，含固量对体系黏度影响较小。其原因是由于聚合物瓜胶质量浓度增加，其分子链之间的缠绕程度增加，形成的三维拟网络结构更强，导致乳状液的黏度增加23。2.4.2 聚合物对含固原油乳状液粒径影响针对聚合物对含固原油乳状液粒径影响进行探究，结果如图11、图12所示。图11a为未加瓜胶和固体颗粒的乳状液，可以看出乳状液界面膜上基本没有其他物质；图11b为加入瓜胶后的乳状液，在显微镜下可观察到油水界面膜上有阴影及少量黑色颗粒物质，这可能是瓜胶分子吸附在界面膜造成的，黑色颗粒可能是瓜胶中的不溶物质吸附在界面膜上所导致的；图11c为同时加入瓜胶和石英砂的乳状液，显微图显示油水界面膜上有阴影部分和大量固体颗粒。这表明当瓜胶和固体颗粒同时存在于乳状液体系中时，二者可以同时吸附在油水界面膜上，从而使油水界面膜的强度增加，乳状液稳定性增强。由图12可知，当瓜胶质量浓度为200 mg/L时，含固量为0%，0.50%和1%时的乳状液粒径分布峰值为30.75，25.75和24.13 m；当瓜胶质量浓度增加上升至400 mg/L时，三种不同含固量的原油乳状液粒径分布峰值均迅速下降至10 m以下，且三种乳状液粒径分布峰值差距减小；且随着瓜胶质量浓度继续增加，乳状液粒径分布峰值继续下降，但是下降幅度减小；瓜胶质量浓度为400 mg/L时，不同含固量对应乳状液粒径分布峰值下降了66.67%，66.73%和67.43%，瓜胶质量浓度为1 000 mg/L时粒径分布峰值分别降低了77.40%，75.81%和74.97%。这些变化说明添加少量聚合物，原油乳状液粒径分布峰值即可大幅度 降低。2.4.3 聚合物对含固乳状液界面张力影响探究了聚合物对含固乳状液界面张力影响，结果如图13所示。由图13可知，随着瓜胶质量浓度的增加，三种不同含固量的油水平衡界面张力逐渐下降；当含固量相同时，聚合物质量浓度越高，平衡界面张力越小。石英砂质量分数为0%，0.50%和1%时，随瓜胶质量浓度增加，平衡界面张力从19.46，18.63，18.59 mN/m降低至18.06，16.93，18.10 mN/m，这与单(a)(b)(c)未加瓜胶及石英砂加瓜胶加瓜胶及石英砂图11 聚合物对含固原油乳状液影响的显微图Fig.11 Mi crographs of the effect of polymers on solid crude oil emulsions 图12 聚合物对不同含固量原油乳状液粒径分布影响Fig.12 Ef fects of polymer on the particle size distribution of the crude oil emulsions with different s