碱在原油乳化中的作用

中国石油大学 油田化学 实验报告
实验日期：2014.3.26 成绩：
班级： 学号： 姓名： 教师： 同组者：
碱在原油乳化中的作用
一、实验目的
1. 观察碱与原油混合后的乳化现象。

2. 学会用不稳定系数法确定使原油乳化的最佳碱度范围。

二、实验原理
碱（例如NaOH ）可与原油中的酸性成分（例如环烷酸）反应，生成表面活性物质：
这些表面活性物质可使原油乳化形成水包油（O/W ）乳状液。

水包油乳状液的形成与稳定性对于碱驱和稠油乳化降粘是重要的，例如碱驱中乳化—携带、乳化—捕集、自发乳化等机理的发生，稠油乳化降粘中原油乳化分散机理的发生都是以水包油乳状油液的形成为前提条件的。

碱浓度是影响碱对原油乳化作用的重要因素。

碱浓度低时，碱与原油反应生成的活性物质少，不利于乳状液的稳定。

若碱浓度过高，一方面，碱可使原油中碳链较长的弱酸反应生成亲油的活性物质，这些亲油的活性物质可抵消亲水活性物质的作用，不利于水包油乳状液的稳定。

同时，过量的碱具有盐的作用，也不利于水包油乳状液的稳定。

因此，只有合适的碱浓度范围，碱才能与原油作用形成稳定的水包油乳状液。

乳状液的稳定性可用不稳定系数（USI ）表示。

不稳定系数按式4-1定义：
()d t
V t t USI t
=
⎰ （4-1） 式中：USI —不稳定系数，ml ；
()V t —乳化体系分出水体积与时间的变化函数；
t —乳化体系静止分离的时间，min 。

从定义式可以看出，不稳定系数越小，乳状液的稳定性越好。

三、仪器与药品
1. 仪器
电子天平（感量0.001g ）、10mL 具塞刻度试管、秒表、滴管、试管架。

2. 药品
氢氧化钠、原油、蒸馏水。

四、实验步骤
1. 取10mL 具塞刻度试管10支，加入质量分数为0.0、1.0×10－4、
2.5×10－4、5×10－
4、
1.0×10－3、5.0×10－3、1.0×10－
2的氢氧化钠溶液各5mL ，分别用滴管准确加入原油5mL ，盖上试管塞子，每支试管上下震荡30次。

2. 将震荡后的试管立即垂直放在试管架上，同时开始计时，每3mL 记录一次试管中分出水体积（若分出水的速度较快，可每隔1min 记录一次），共记录30min 。

五、结果处理
1. 求出碱在不同质量分数下乳化原油的不稳定系数。

（1）在坐标纸上绘制分出水的体积与时间的关系（V -t ）曲线，注意每个碱的质量分数下的V-t 曲线都应在同一规格坐标中绘出。

（2）将V-t 曲线与时间轴所包围面积剪下，在电子天平上称取其质量W 1 。

（3）在坐标纸上剪下已知面积（A 0，单位为mL·min ）的方框称取其质量W 0。

（4）不稳定系数按式4-2求出：
1
0()d t
V t t W A USI t
W t
⋅==
⋅⎰ （4-2）
实验记录数据如表1所示：
表1 不同ω(NaOH)下分出水体积与时间变化记录表
由以上数据分别作出下列的图：
（一）
通过软件拟合可得到ω(NaOH)=0.01时，其表达式为：
432() 4.2(6)0.00020.02460.60210.2704V t E x x x x =-+-+-
则4
320
30
()d 4.2(6)0.00020.02460.60210.2704| 2.20830
t
t V t t E x x x x USI t
=-+-+-==
=⎰
（二）
通过软件拟合可得到ω(NaOH)=0.005时，其表达式为： ()0.10720.1803V t t =-
则0
30
()d 0.10720.1803| 1.42530
t
t V t t t USI t =-==
=⎰
（三）
通过软件拟合可得到ω(NaOH)=0.001时，其表达式为： ()0.00860.0861V t t =+
则30
()d 0.00860.0861|0.206t
t
t V t t t USI t
t
=+=
=
=⎰⎰
（四）
通过软件拟合可得到ω(NaOH)=0.000 5时，其表达式为：
()0.07510.0868V t t =- 则0
30
()d 0.07510.0868|
1.03930
t
t V t t t USI t =-=
==⎰
通过软件拟合可得到ω(NaOH)=0.000 25时，其表达式为：
2()0.00130.13790.0419V t t t =-+-
则2
30
()d 0.00130.13790.0419| 1.71430
t
t V t t t
t USI t
=-+-=
==⎰
（六）
通过软件拟合可得到ω(NaOH)=0.000 1且17.41t ≤ 时，其表达式为：
32()0.00260.07160.18150.1016V t t t t =-+-+
则
3
20
30()d (0.00260.07160.18150.1016|)(3017.41)*4.8
3.7930
t
t V t t t t t USI t
=-+-++-==
=⎰
通过软件拟合可得到ω(NaOH)=0.0且 4.43t ≤ 时，其表达式为：
32()0.01370.0373 1.56220.0026V t t t t =--+-
则
3
20
30()d (0.01370.0373 1.56220.0026|)(30 4.43)*5
4.69330
t
t V t t t t t USI t
=--+++-==
=⎰
2. 绘制USI -ω(NaOH)的关系曲线，找出使原油乳化的最佳碱质量分数范围，并解释曲线的变化规律。

USI -ω(NaOH)数据对应表格如表2所示：
表2 USI -ω(NaOH)对应关系
由以上数据得图8：
由图可以看到：使原油乳化的最佳碱质量分数范围为：5.0×10－4~2.0×10－3。

曲线的趋势为：先极速降低，然后升高。

可知加入少量碱后便可取得很好的乳化效果，但是NaOH的浓度应该控制在一定的范围内，超出了这个范围不利于乳状液的稳定。

解释：刚在原油中加入碱时，由于碱浓度低，与原油反应生成的活性物质少，乳状液不稳定，USI值偏大；随着碱的浓度升高，活性物质增多，亲水活性物质与亲油活性物质达到平衡，形成稳定的乳状液，USI开始降低；当碱的浓度达到临界值时，乳状液最稳定，USI 最小；继续增加碱的浓度，由于碱过量，可使原油中碳链较长的弱酸反应生成亲油的活性物质，抵消了亲水活性物质的作用，不利于水包油乳状液的稳定。

同时，过量的碱可以起到盐的作用，发生盐敏效应，也降低了水包油乳状液的稳定性。

USI值升高。

所以，只有选择合适的碱的浓度，才能制得稳定的水包油乳状液。

六、思考题
1. 为什么碱质量分数过高或过低都不能形成稳定的水包油乳状液？
答：碱的质量分数低时，与原油反应生成的活性物质少，乳状液不稳定；
碱的质量分数过高，可使原油中碳链较长的弱酸反应生成亲油的活性物质，抵消了亲水活性物质的作用，不利于水包油乳状液的稳定。

同时，过量的碱可以起到盐的作用，发生盐敏效应，也降低了水包油乳状液的稳定性。

所以，只有选择合适的碱的质量分数范围，才能制得稳定的水包油乳状液。

2. 原油酸值的高低对碱与原油的乳化作用有何影响？
答：由于碱驱进行的必要条件是原油中的酸可以与碱反应生成表面活性剂，因此要求碱驱油层有一定的酸值。

有表面活性剂的情况下才能将原油很好的乳化并有较好的稳定性。

原油酸值大于0.2mg/g是石油酸可以与碱反应生成足量表面活性物质的前提，当原油的酸值小0.2mg/g时，油层不适宜进行碱驱。

3. 综述水包油乳状液的形成与稳定性在碱驱中的作用。

答：原油中的石油酸与碱反应生成了表面活性物质，这些表面活性物质大量吸附在石油小液滴表面，而这些小液滴分散于水中便会形成了水包油的乳状液。

水包油的乳状液越稳定则碱驱的效果会越好。

水包油乳状液的形成与稳定性对于碱驱和稠油降粘是重要的，它直接决定了碱驱的作用效果。

作用机理如下：
乳化—携带机理：在碱含量和盐含量都低的情况下，有碱与石油酸反应生成的表面活性剂可使地层中的剩余油乳化，并被碱水携带着通过地面。

乳化—捕集机理：在碱含量和盐含量都低的情况下，由于低界面张力使油乳化在碱水相，但油珠直径较大，因此当它向前移动时，就被捕集，增加了水的流动阻力，即降低了水的流速，从而改善了流度比，增加了波及系数，提高了原油采收率。

七、实验心得
通过本次实验，我们观察了碱与原油混合后的乳化现象，并学会了用不稳定系数法确定使原油乳化的最佳碱度范围。

在实验中，应注意：当加入的碱浓度很小或者较大时，乳状液很不稳定，且乳状液破坏的速度很快，所以计时应取较小间隔。

实验完成后，应仔细清理实验仪器。

实验由三人合作完成，需要分工明确，团结协作。

锻炼了我们的动手能力及合作能力。

最后感谢老师的悉心指导。