据估计，全球的稠油储量大约有6×1012桶(1桶=115.6 L)，其数量是常规原油和天然气总量的3倍多[1]。我国陆上稠油产量主要来自辽河、新疆、胜利、河南4个油田，投入开发的地质储量超过8×108 t。高黏度是稠油区别于常规原油的主要特点，同时也是导致其开采成本高、能耗高、采收率低的根本原因[2]。
已有研究结果[3-4]表明，稠油的黏度随非烃组分含量的增加而升高，随饱和烃、芳香烃组分的增加而降低。但是，关于稠油组分偶极矩与其黏度的灰熵关联还没有文献报道。稠油因含有多种天然表面活性物质，易与水形成W/O型乳状液而使黏度大大增加，给稠油的开采和输送带来困难。
本文不仅从稠油化学组成的含量，而且还从组成的性质，考察其与稠油黏度的关联，探索造成稠油高黏度的各因素的作用机理，为稠油的降黏提供理论依据。同时，通过改变含水率、温度等外界条件使W/O型乳状液反相为O/W型，探究稠油的组成性质对其乳状液反相点的影响规律，对于稠油现场开采有一定的指导意义。
试剂：胜利油田典型区块的稠油油样(由胜利油田采油工艺研究院提供)，甲苯、正庚烷、石油醚、无水乙醇均为分析纯。中性氧化铝(层析用，马弗炉中500 ℃活化5 h)。试剂均由天津市利安龙隆博华医药化学有限公司生产。
实验仪器：Brookfield DV-Ⅱ+Pro型数显黏度计(美国BROOKFIELD公司)，DIS-Ⅱ型石油含水电脱分析仪(山东中石大石仪科技有限公司)，Kanuer-7000相对分子质量测定仪；Contr AA 700原子吸收光谱仪；VARIO EL Ⅲ元素分析仪；PCM-1A型介电常数测定仪(南京南大万和科技有限公司)，2W型阿贝折光仪(上海西光实业有限公司)。
用石油含水电脱分析仪将稠油乳状液脱水制得净化稠油。采用美国Brookfield公司的数显黏度计测定稠油的黏度，测试温度为75 ℃。
参考标准SH/T 0509-2010《石油沥青组分测定法》，但在原方法上有所改动。改动如下：称取的试样及所用的试剂均为标准的3倍；原标准中所用的苯改为毒性较小的甲苯。
采用Kanuer-7000相对分子质量测定仪，利用VPO法测定各组分的平均相对分子质量，溶剂为甲苯，测定温度为60 ℃。
采用VARIO EL Ⅲ元素分析仪测定各油样中C、H、O、N、S等元素的含量，测量精度C、H、N、S < 0.1%；O < 0.2%；采用Contr AA 700原子吸收光谱仪测定过渡金属Ni、Fe、V的含量。
采用阿贝折光仪测定组分溶液的折光率；采用介电常数测定仪测定组分的电容值，通过溶液电容计算得到溶液的介电常数。利用介电常数、折光率平方随溶液浓度的变化率计算组分的平均偶极矩。
依照文献[4]建立灰关联熵分析法，以稠油黏度为参考列，稠油各化学组分、油品性质为对比列，对数据进行处理。
在稠油胶体分散体系中，极性四组分的含量与稠油黏度有着密切的关系，一般研究认为：胶质和沥青质的含量越高，则稠油黏度越大[6]。胜利油田稠油极性四组分含量与其黏度的关联结果见表 1。
由表 1可知，稠油极性四组分含量与其黏度关联度的顺序是：沥青质>胶质>芳香分>饱和分。
在稠油体系中，沥青质作为极性最强的组分，形成胶核的中心，而和沥青质分子极性较为接近的部分胶质分子也可以和沥青质分子共同构成胶核形成分散相。脂肪烃、芳香烃则构成体系的分散介质。因此，稠油是动态稳定的胶体分散体系[5-6]。沥青质的强极性导致其即使在较低的浓度下也很容易发生缔合，并且沥青质的极性越强这种缔合作用越明显[7]。沥青质一旦缔合成大的团块而聚沉，则会大大增加稠油体系的黏度[8]。而极性稍小的胶质则会吸附在沥青质胶核外层构成溶剂化层，起到胶束对胶核保护作用。这种特殊的胶束结构阻止了沥青质的缔合聚沉，使沥青质中芳香结构平面的分子结构不至于太大而使稠油黏度明显增加。但是，如果胶质的含量不足或和沥青质的性质差异过大，稠油体系中的胶质不足以包覆沥青质分子，同样会导致沥青质的聚沉。因此，在极性四组分与稠油黏度的灰熵关联中，沥青质的含量与稠油黏度的灰熵关联度(0.989 0)最大，其次为胶质(0.988 5)。
油样3-12-182、KD52-25的沥青质含量尽管较少，但其稠油黏度却比较大，分析原因是因为二者的胶质含量较少而引起沥青质缔合成大的团块聚沉增大了稠油黏度。
稠油因含有有机杂原子O、N、S等及过渡金属Ni、Fe、V等，因此具有较高的极性。稠油极性组分因元素含量不同，故其极性大小也不同。本文用偶极矩定量衡量稠油组分的极性。饱和分的偶极矩太小，甚至为零[9]，在此不予讨论。稠油组分偶极矩与其黏度的关联结果见表 2。
由表 2可知，稠油极性组分偶极矩的大小顺序是：沥青质>胶质>芳香分。稠油极性组分偶极矩与其黏度的灰熵关联度顺序是：沥青质的偶极矩>胶质的偶极矩>芳香分的偶极矩。
杂原子的含量及存在状态和过渡金属的含量是影响偶极矩大小的关键因素[3, 10]。O、N、S等有机杂原子及过渡金属Ni、Fe、V的含量越高，则组分的偶极矩越大。因有机杂原子及过渡金属大部分集中于沥青质和胶质中，故沥青质和胶质的偶极矩较大，且沥青质的偶极矩大于胶质的。稠油组分的偶极矩越大，则表明极性分子的含量越高。而O、N、S等有机杂原子及Ni、Fe、V等过渡金属在沥青质分子的缔合过程中起着重要作用。因此，沥青质分子极易发生缔合形成大分子，从而影响稠油黏度。故在稠油黏度的灰熵关联分析中，沥青质的偶极矩与稠油黏度的关联度(0.984 7)最大。
2.1节的研究表明，胶质、沥青质是影响稠油黏度的最主要因素，与前人[2, 4]的研究结果一致。因此，对胶质、沥青质进行改质改性是稠油乳化降黏的理论指导。同时，胶质、沥青质作为稠油胶体体系重要的界面活性物质，在采油的物理作用过程中极易使稠油与水形成W/O乳状液而使黏度大大增加。若能找到稠油组成性质与反相点的关联，则能为稠油的开采提供参考。因此，研究稠油乳状液的反相点对于稠油降黏有一定的意义。从以上油样选取实验油样，通过考察含水率、温度对乳状液黏度的影响，探究稠油的组成性质与其反相点的关联研究。
实验油样在75 ℃的水浴锅中恒温10 min，用高剪切分散乳化机在8 000 r/min的转速下乳化5 min，配制一定含水率的乳状液，然后用黏度计在75 ℃下，选用Rv6转子测定不同含水率乳状液的黏度。含水率对稠油黏度的影响结果见图 1。
由图 1可知，随着含水率的增大，实验油样的黏度逐渐增大。当含水率增大到一定值时，乳状液黏度达到最大值，即是W/O型乳状液转变为O/W型乳状液的反相点。因为，随着含水率的增加，连续相(油)中的分散液滴(水)迅速增加，油水相界面作用增强，加之两相物性差异造成的相对滑动，使含水稠油的黏度迅速增大[11]。当含水率超过反相点后，乳状液的黏度明显下降，开始形成O/W型乳状液。当含水率继续增大，大部分的水处于外相，此时黏度才表现出较低的值。
实验油样辛6×6、GD2-25P530、3-12-182在反相点与含水率为70%时的降黏率分别为65.81%、79.34%、81.31%，表明一方面反相点后乳状液的黏度较反相点前大大降低；另一方面，结合表 1可知，油样的胶质、沥青质含量越高，降黏率越小，反相后乳状液的黏度则越大。
在不同的温度下，使油样在水浴锅中恒温10 min，用高剪切分散乳化机在8 000 r/min的转速下乳化5 min，配制含水率为50%的油水乳状液，然后选用Rv6转子测定油样不同温度的黏度，温度对稠油黏度的影响结果见图 2。
由图 2可知，随着温度的降低，代表性油样乳状液的黏度呈指数型增长。当温度升高到一定值时，黏度迅速下降，说明此温度即为乳状液在该含水率下温度的反相点。
结合表 1实验油样辛6×6、GD2-25P530、3-12-182的胶质、沥青质含量可知，随着胶质、沥青质含量的增加，实验油样到达反相点时的温度逐渐升高。油样辛6×6甚至在达到乳状液的沸点时还未反相。
在电场作用下，带电胶体颗粒的固液两相之间产生相对运动，使得相对于液相，固相界面处的水化层存在一个电位差，称为Zeta电位。界面张力、Zeta的大小是反映稠油界面性质的重要指标，其与乳状液反相点的关联结果见表 3。
由表 3可知，随着胶质、沥青质含量的增加，界面张力的降低，Zeta电位绝对值的升高，实验稠油到达反相点时的含水率和反相点的温度逐渐升高，油样辛6×6温度达到沸点时还未使W/O型乳状液反相为O/W型乳状液。
界面张力值越小，Zeta电位绝对值越大，则油样所含的界面活性组分越多。在稠油胶体体系中，主要的界面活性物质是胶质和沥青质。沥青质一般是由烷基支链和含氮[12]、硫、氧和微量金属元素的多环芳核或环烷形成的复杂结构，其芳香度和缩合程度最高，相对分子质量最大，所以沥青质作为界面活性物质容易在油水界面形成坚硬稳定的高强度膜，使油水界面张力降低，Zeta电位的绝对值增大。胶质分子是沥青质分子相对分子质量较低的同系物，胶质中芳香环上的侧链烷基数目和长度比沥青质中的多而且长，而其芳香度和缩合度比沥青质小。故胶质是沥青质的优良溶剂。随着胶质和沥青质含量的增加，实验油样到达反相点时的含水率和反相点的温度逐渐升高。
(1) 在稠油极性四组分含量与其黏度的灰熵关联分析中，沥青质含量与稠油黏度的关联度最大，是影响稠油黏度的重要因素。稠油极性组分偶极矩的顺序是沥青质>胶质>芳香分。并且沥青质的偶极矩与稠油黏度的关联度最大，是稠油性质中影响其黏度的关键因素。
(2) 随着实验油样3-12-182、GD2-25P530、辛6×6中胶质、沥青质含量的增加，稠油油水界面张力的降低，Zeta电位绝对值的增大，乳状液反相时的含水率分别为50%、55%、60%；温度分别为80 ℃、100 ℃，油样辛6×6在达到沸点时仍未反相。
2013, Vol. 42 Issue (6): 637-641
2013, Vol. 42 Issue (6): 637-641