总结概括。重点介绍了HLB法乳化剂筛选，HLB值判断，以及HLB计算方法。并从乳化降粘率、乳化剂的稳定性、乳化剂的流变性和乳化剂的破乳性能等方面进行评价O/W型乳状液，选择适配的乳化剂。
关 键 词：稠油；乳化降粘；HLB值；乳化剂
中图分类号：TE 832 文献标识码： A 文章编号： 1671-0460（2017）06-1225-03
Selection of Emulsifying Viscosity Reducers for Heavy Oil Pipelines
AN Yi， ZHAO Fa-jun， LIU Hao-liang， ZHANG Xin-yu
（Northeast Petroleum University， Heilongjiang Daqing 163318，China）
Abstract： The mechanism of emulsifying viscosity reduction of heavy oil for pipeline transportation was introduced， selection methods of emulsifying viscosity reducers were summarized. HLB method of emulsifier screening， HLB value judgment， and HLB calculation method were introduced. The O/W emulsions were evaluated from the aspects of emulsification viscosity reduction rate， stability of emulsifier， rheological property of emulsifier and demulsibility of emulsifier， and suitable emulsifiers were selected.
Key words： Heavy oil； Emulsion and viscosity reduction； HLB value； Emulsifier
我国稠油资源丰富，现已探明的地质储量约占总储量的15%到20%。稠油是一种复杂的多组分有机混合物，其胶质与沥青含量高，轻质馏分很少，造成具有密度大、粘度高、流动性差等特点。由于稠油的特点，给稠油开采以及输送带来了巨大的困难。目前国内外常用的稠油采输降粘的方法主要有加热集输、掺稀集输、稠油乳化降黏和稠油改制输送等[1]。
1 乳化降粘输送
乳化降粘是化学降粘的一种，因其具有降粘效果好，经济适用性强等优势，深受石油工业的重视。乳化降粘的机理，向稠油中加入适量的水和乳化剂，加热和搅拌使稠油均匀分散在水溶液中，形成原油为分散相，水为连续相的乳状液。致使在管输过程中，油相与油相以及油相与管壁间的摩擦，转变为水相与水相和水相与管壁的摩擦。因此，管输的流动阻力大大地降低，节约稠油输送的动力消耗[2]。稠油乳化降黏是一种较经济的输送方式，具有良好的开发前景。
目前，国内外常用的乳化降粘剂分为四大类，阳离子型、阴离子型、复合离子型和非离子型。通常油田实验主要在这四种类型中进行选择与复配。乳化剂因乳化剂对原油的选择性很强，市场上乳化剂种类繁杂，功能各异，固根据所选稠油的性质，通过大量的实验来确定适用的乳化剂。一般特定稠油只适合于某种特定的降粘剂[1]，本文针对稠油乳化降粘剂的选择进行研究。
2 乳化剂筛选方法
2.1 HLB法乳化剂筛选
乳化剂的选择对乳状液的性质是及其重要的，目前没有完整又准确的选择方法。主要还是一些经验半经验的选择方法[3]，包括亲水亲油平衡（HLB）法、相转变温度（PIT）法和CER（内聚能比）法，这里笔者重点介紹室内实验常用的HLB法。Griffin通过大量实验提出了HLB（Hydrophile-Lipophile Balance Number）值的概念，其值作为经验指标衡量乳化剂分子中亲水基和亲油基大小及力量平衡程度[4]。HLB值处于1～40，其值越低，分子亲油性越强，容易形成W/O型乳状液，反之分子亲水性强。因此不同HLB 值的乳化剂用途也不同，如表1所示。
稠油降粘剂一般HLB值选择8～18之间，通过大量经验得到油溶性降粘剂HLB一般在3～6，水溶性降粘剂在8～18。如表2所示，乳化剂的HLB值，可以通过观察在水中的溶解度，得到一个大约的值[5]。
大致观察判断得到的HLB值误差较大，不能很好作为筛选乳化剂的条件。1957年Davies提出分子中基团对HLB值均有影响，乳化剂分子中各结构单元之间作用的总和就是HLB的值。根据前人实验结果，可以查询到各种基团的HLB数值。
常用的公式[6]：
（1）质量分数法：聚氧乙烯基的非离子型
（2）基数法：阴离子型和非离子型
2.2 乳状液的降粘率
对稠油的降粘效果，主要通过降粘率来表示：
式中：η — 降粘率；
μo — 稠油（分散相）粘度；
μo/w — 乳状液的粘度。
对于不同的乳化剂，在相同的实验条件下（油水比，乳化温度，乳化浓度，乳化时间，水相的矿物浓度）通过流变仪测定其降粘率，降粘率越大，降粘效果越好。孙娜娜[7]等研究稠油水包油型乳状液表观粘度的影响因素，通过单因素实验，考察复配碱含量、含油率、搅拌速率。乳化温度对其表观粘度的影响，在其基础上通过正交实验，spss软件对结果进行非线性回归，得到了稠油水包油型乳状液表观粘度的预测模型。
2.3 乳状液的稳定性
乳化降粘剂与稠油形成的O/W型乳状液要具有一定的稳定性。乳状液不仅是热力学不稳定体系，还是动力学不稳定体系，其中热力学稳定性没有实际工程意义。现场实际中主要考察乳状液的动力学稳定性，按照动力学的角度主要分静态稳定性和动态稳定性。静态稳定性是指乳状液在静置的条件下，既不絮凝，分层，也不發生油水分离的性质。动态稳定性是指乳状液在动态剪切条件下既不絮凝、不聚结、不分层、不发生转相的性质。
对于O/W型乳状液，在管输中要有一定性稳定性，且在终端处理时，要求具有良好的破乳脱水性能。稠油在管输的时候要求具有一定的稳定性，若其静态稳定性不好，则在现场采输操作中遇到设备停止运行时，乳状液处于静止状态，就会分层、絮凝、粘度上升，给现场带来不可想象的困难。如果形成的乳状液太过稳定，则会给后续破乳处理带来巨大的挑战。因此，最好静止24 h后乳状液可以自动脱水[8]。
静态稳定性实验，主要考察24 h内乳状液分水率的情况。应用较为广泛的就是在比色管中放入新制备的乳状液，调节水浴的温度，观察不同时间析出水的情况。
式中： V1 — 析出水的体积；
V2 — 水相的总体积。
分水率小，则乳状液稳定性好。主要考察油水比、浓度、温度、盐度对乳状液静态稳定性的影响。通过设置正交实验，探究各因素对乳状液稳定性的影响。
相比O/W 型乳状液静态稳定性，其动态稳定性能更准确的反映出管输的实际情况，动态稳定性主要研究形成O/W型乳状液在管道运输中不发生分层、聚集以及过泵时反相，而研究静态稳定性则是研究时管道停输再启动的问题[9]。
沈晓燕[10]等针对准东油田乳化降粘剂进行室内筛选实验，根据对其形成的O/W型乳状液表观粘度及静态稳定性的好坏来选择，确定优选出OP-10乳化剂最佳使用条件（加剂量0.75%、温度50 ℃、掺水量30%）。另通过PIPEPHASE软件计算其管输压降情况，得出op-10形成的乳状液可以延长输送距离，又可以保持良好的流动性。
现阶段，常用评价动态稳定性的方法为环道装置与搅拌模拟装置。通常实验室现有条件，控制变量的设置实验条件，使用电动搅拌器持续搅拌乳状液，采用流变仪测量其表观粘度，乳状液的表观粘度随时间变化情况来分析乳状液动态稳定性[11]。
2.4 乳状液流变性
乳化降粘管输，主要在管道中输送O/W型乳状液，室内实验通过流变仪测定流变参数，考察各因素对管输压降的影响。使用Origin等软件拟合乳状液的流变方程，采用适配流变模型对其进行评价，研究O/W型乳状液的流变性对管输设计与管理具有重大的意义[11]。
文献[12，13]等指出稠油O/W型乳状液大多呈现出牛顿流体特性，随着其内相浓度的增加，转变为非牛顿流体。Camy等研究表明[13]，形成的O/W型乳状液大多数符合牛顿流体的特性，少数表现出非牛顿流体的特性，其中均符合假塑性流体的特性。其低温O/W型乳状液在层流状态下，可以用幂律公式表示。
式中：μ — 表观粘度；
k — 稠度系数；
n — 流型指数；
D — 剪切速率。
范维玉[14]等针对GL系列的稠油乳化降粘剂进行评价，探究辽河与胜利孤岛特稠油适配的最佳温度在30～70 ℃，乳化剂最佳0.05%～0.5%范围。又分析形成的乳状液的流变性，得出两种稠油形成的乳状液流变性具有很大的不同，剪切速率在50～800 s-1范围内，辽河稠油表现为胀流型流体，而孤岛稠油呈假塑性流体，剪切速率增大，两种乳状液都符合牛顿流体特性。且其粘度与内相浓度均不满足Richardson方程。
2.5 乳状液的破乳性
稠油乳化降粘输送运行到终端时，需要进行破乳脱水的处理，从而形成的O/W型乳状液在管输中既要求有一定稳定性维持运行到终端，又要求后续加入破乳剂可以高效破乳。破乳脱水后的原油含水率低，满足外输的要求[15]。脱出的水含油率低，符合回注标准。乳状液的破乳性能的好坏是衡量是否满足管输要求的关键。
室内试验主要考察乳状液的温度、浓度、静置时间和搅拌强度等方面对破乳脱水性能的影响。设计实验，主要考察单位时间脱水量，以及脱出水的清澈度。
脱水率表达式[16]：
式中：B — 脱水率
H1 — 乳状液总脱水量
H2 — 乳状液总含水量
脱水率越大，终端乳状液破乳越容易。当脱水率达到一定值时，才可以满足管输及后续处理的要求。
3 结论与建议
针对稠油的类型，组分不同的原因，适配的乳化剂各异不同，选择适配的乳化降粘剂仍是解决稠油管输问题的关键。优选的乳化剂保证稠油管输O/W型乳状液稳定性的同时，还需具备用量少，配伍性好，价格低，后期脱水性好等优点。从而怎样筛选出降粘剂仍是石油行业的研究的重点。
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