趙健，卓澤文，董航，高文健

（1 東北石油大學(xué)石油工程學(xué)院，黑龍江 大慶 163711；2 長慶油田第六采油廠，陜西 西安 710014）

目前，石油在世界能源消費(fèi)中仍高居首位。2021 年，中國原油產(chǎn)量達(dá)1.99 億噸，與2020 年相比增長2.4%[1]。隨常規(guī)石油資源儲量降低，含蠟原油的高效開發(fā)和安全經(jīng)濟(jì)儲運(yùn)對保障我國能源穩(wěn)定供應(yīng)具有重要意義。但對于含蠟原油而言，隨溫度降低，蠟結(jié)晶析出，并進(jìn)一步形成聚集甚至絮凝結(jié)構(gòu)，顯著惡化體系的流動性[2]，使含蠟原油集輸、儲存和管道運(yùn)輸成本顯著升高。含蠟原油流變性規(guī)律和機(jī)理研究不但可以為實(shí)際工程上含蠟原油集輸和管輸工藝方案制定提供參考依據(jù)，也可為進(jìn)一步高效降凝技術(shù)研發(fā)奠定理論基礎(chǔ)。

隨溫度降低，原油中析出蠟晶及其進(jìn)一步發(fā)展的結(jié)構(gòu)是導(dǎo)致含蠟原油流動性惡化的根本原因[3-4]。近年來，大量學(xué)者采用不同方法對含蠟原油中的蠟晶結(jié)構(gòu)進(jìn)行了系統(tǒng)研究。差示掃描量熱法是根據(jù)結(jié)晶過程的熱效應(yīng)來研究石蠟結(jié)晶特性的一種方法[5-9]，基于此方法可以獲得原油的析蠟點(diǎn)（WAT）和含蠟量等數(shù)據(jù)。此外，流變測量方法[10-11]、小角中子散射、X 射線散射[12-13]、動態(tài)光散射[14]和核磁共振技術(shù)[15]也是研究原油中石蠟結(jié)晶的有效實(shí)驗(yàn)技術(shù)。但相對而言，利用偏光顯微鏡[16-19]進(jìn)行觀察是研究蠟晶微觀形態(tài)和結(jié)構(gòu)的最經(jīng)濟(jì)、有效方法。Yi等[20]對加入降凝劑前后的蠟晶形態(tài)變化進(jìn)行了顯微觀察，根據(jù)蠟晶的微觀圖像，確定了蠟晶分形維數(shù)。Bai 等[21]研究了蠟晶的碳數(shù)分布對含蠟原油屈服應(yīng)力的影響，并利用偏光顯微鏡觀察了蠟晶的形態(tài)和結(jié)構(gòu)。孟凡怡等[22]通過用偏光顯微鏡觀察了加入復(fù)配菌株前后蠟晶微觀形貌的改變及聚集趨勢。姚博等[23-25]制備了多種類型的納米復(fù)合型降凝劑，研究了其對含蠟原油的形態(tài)結(jié)構(gòu)和流變性的影響，并通過差示掃描量熱儀（DSC）和偏光顯微鏡等實(shí)驗(yàn)裝置考察加劑前后原油的結(jié)晶特性和蠟晶形貌的變化，得到了不同類型降凝劑對蠟晶的作用機(jī)理。針對剪切對蠟晶微觀結(jié)構(gòu)的影響規(guī)律問題。Petter[26]認(rèn)為含蠟原油具有弱結(jié)構(gòu)和強(qiáng)結(jié)構(gòu)，弱結(jié)構(gòu)在低剪切作用下被破壞，構(gòu)造恢復(fù)差，并且剪切速率越高，含蠟原油結(jié)構(gòu)的恢復(fù)率越高。Webber[27]認(rèn)為，剪切主要影響蠟晶的整體結(jié)構(gòu)，但不影響蠟晶的形態(tài)和尺寸分布。夏惠芳等[28]研究了低速剪切影響原油降凝劑（PPD）處理含蠟原油低溫流動性的機(jī)理，并利用偏光顯微鏡觀察了施加剪切后蠟晶的微觀形態(tài)。出于實(shí)際工程需要和理論研究價值，部分學(xué)者以W/O型含蠟原油乳狀液的微觀結(jié)構(gòu)作為研究對象，仍舊以顯微觀測技術(shù)對體系的微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，同樣獲得了豐富的發(fā)現(xiàn)[29-35]。黃啟玉等[29]通過顯微鏡觀察并拍攝原油乳狀液的微觀結(jié)構(gòu)圖像，研究了乳狀液體系分散相液滴大小及分布規(guī)律，以及微觀液滴分布對乳狀液體系流變性的影響機(jī)理。孫廣宇等[31]采用偏光顯微鏡拍攝乳狀液圖片，通過統(tǒng)計(jì)分析獲得不同含水率條件下平均粒徑大致相同的乳狀液。Fan 等[33]和劉揚(yáng)等[34]利用偏光和透射光相結(jié)合的方法分別獲得液滴和蠟晶的顯微圖像，通過對圖像進(jìn)行分割、拼接等操作實(shí)現(xiàn)了對蠟晶和液滴的同步研究，以此建立微觀與宏觀之間的聯(lián)系。

盡管已有關(guān)于蠟晶微觀形貌和結(jié)構(gòu)的研究獲得了豐富的成果，但目前關(guān)于蠟晶微觀形貌的認(rèn)識并不一致，無法完全解釋含蠟原油及其乳狀液體系復(fù)雜流變性的微觀機(jī)制。其中，顯微觀測儀器和方法的差異可能是造成這一問題的主要原因。因此，本文采用MCR 702模塊化流變儀（奧地利，Anton Paar），并基于該儀器的流變-顯微同步測量技術(shù)，通過對光源進(jìn)行改造，構(gòu)建集成偏光和透射光的復(fù)合型光源，對含蠟原油及其乳狀液體系在靜態(tài)和動態(tài)剪切條件下的微觀結(jié)構(gòu)變化進(jìn)行觀測，為了說明本文采用的顯微觀測方法的觀測特點(diǎn)，以不同初冷溫度下含蠟原油微觀結(jié)構(gòu)的觀測結(jié)果、動態(tài)剪切條件下蠟晶的微觀形貌變化，以及W/O 型含蠟原油乳狀液膠凝過程的微觀結(jié)構(gòu)變化為例，對新構(gòu)建的顯微觀測方法的優(yōu)缺點(diǎn)和技術(shù)優(yōu)勢進(jìn)行了分析，以期為含蠟原油及其乳狀液體系復(fù)雜流變性規(guī)律的微觀機(jī)制研究提供新的技術(shù)手段。

1 材料和方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

實(shí)驗(yàn)油樣選用大慶原油、塔木察格原油、呼倫貝爾原油，均為典型的含蠟原油，表1 展示了3 種原油基本物理屬性。其中，原油析蠟點(diǎn)是按照SY/T 0545—2012，以差示掃描量熱法測量得到。凝點(diǎn)是按照規(guī)范ASTM D5853—11，以凝點(diǎn)測試儀測量得到。飽和烴、芳香烴、膠質(zhì)和瀝青質(zhì)含量是按照規(guī)范SY/T 5119—2016，以柱分離法測量得到。

表1 3種原油基本物性

1.2 流變-原位顯微同步測量系統(tǒng)

實(shí)驗(yàn)所用儀器為MCR 702模塊化流變儀（奧地利，Anton Paar），其配備了原位的顯微觀測模塊，可對原油樣品的宏觀流變性和微觀結(jié)構(gòu)變化進(jìn)行同步觀測，該實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。實(shí)驗(yàn)儀器采用43mm平行板測量系統(tǒng)，測量轉(zhuǎn)子（上平板）和載物臺（下平板）均為透明石英玻璃材質(zhì)，以便于顯微觀測。測量間隙可調(diào)，通過實(shí)驗(yàn)嘗試后可以獲得最佳的流變測量和顯微觀測結(jié)果。偏光顯微模塊位于載物臺下方，其采用20倍物鏡、30.9mm焦距，具備光學(xué)補(bǔ)償功能，可達(dá)到0.7μm的分辨率和1.6μm的景深。配備了加拿大Lumenera公司的2/3英寸CCD相機(jī)，視野范圍440μm×330μm。光源采用150W無影冷光源，其和顯微鏡集成，從載物臺底部垂直照亮樣品，經(jīng)過反射后被顯微鏡捕獲并拍攝顯微圖像。由于含蠟原油本身透光性較差，為了提高觀測質(zhì)量，在樣品上部額外增加一光源照射樣品，使其和儀器配套光源一起構(gòu)成多角度復(fù)合型光源。進(jìn)而通過將反射和投射光結(jié)合、偏光和自然光相復(fù)合，獲取更佳的顯微拍攝質(zhì)量。由于顯微模塊可移動，從而可以觀測樣品內(nèi)不同位置的微觀結(jié)構(gòu)，擴(kuò)大觀測視域范圍。雖然測量系統(tǒng)直接獲得的是二維顯微圖像，但通過對蠟晶運(yùn)動過程視頻的拍攝和序列圖像處理，可以識別出剪切流場中蠟晶在三維空間內(nèi)的動態(tài)運(yùn)動行為和排列結(jié)構(gòu)變化，其承受剪切作用時的結(jié)構(gòu)和形態(tài)演變也可以被原位識別到。

圖1 實(shí)驗(yàn)裝置

測量系統(tǒng)的溫控單元包括兩部分，均采用帕爾貼溫控原理，一部分集成在載物臺從油樣底部控制其溫度（P-PTD 200/GL），另一部分集成在保護(hù)頂蓋用于罩住樣品（H-PTD 200/GL）。兩設(shè)備均可獨(dú)立控制，以消除油樣內(nèi)部的溫度梯度，提高控溫精度。溫控單元的控制范圍為-20～200℃。最大加熱速率和冷卻速率分別為30℃/min 和20℃/min。此外，保護(hù)頂蓋可將實(shí)驗(yàn)油樣與外部大氣隔離，從而防止輕烴揮發(fā)。

1.3 實(shí)驗(yàn)步驟和分析方法

針對經(jīng)過預(yù)處理的實(shí)驗(yàn)油樣，本文涉及的實(shí)驗(yàn)過程包括三部分。

（1）不同初始冷卻溫度下含蠟原油的微觀結(jié)構(gòu)研究。在實(shí)驗(yàn)前，已經(jīng)明確3種實(shí)驗(yàn)油樣的惡化初冷溫度和較優(yōu)初冷溫度，具體結(jié)果見表2。

表2 不同實(shí)驗(yàn)油樣的惡化和較優(yōu)初冷溫度

為了展示不同初始冷溫度下含蠟原油的微觀結(jié)構(gòu)變化，設(shè)定了如下實(shí)驗(yàn)步驟。① 將實(shí)驗(yàn)油樣加熱至惡化或較優(yōu)初冷溫度，而后恒溫靜置10min。② 將流變儀預(yù)熱至實(shí)驗(yàn)的初始冷卻溫度，并保持恒溫狀態(tài)。③ 快速選取少量實(shí)驗(yàn)油樣加入至流變儀的下平板（載物臺），而后恒溫10min。④ 按照0.5℃/min 的降溫速率將油樣降至終冷溫度。對于大慶原油，選擇30℃作為終冷溫度，呼倫貝爾原油，選擇20℃作為終冷溫度，對于塔木察格原油，選擇30℃作為終冷溫度。⑤ 降溫同時，以原位顯微的觀測系統(tǒng)對油樣的內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行觀測，并通過CCD相機(jī)記錄蠟晶微觀形貌的變化過程。⑥ 根據(jù)獲得的顯微視頻，按照研究對象需要，采用Adobe Premiere等視頻處理軟件在實(shí)驗(yàn)拍攝的視頻中截取關(guān)鍵幀，得到原始顯微圖像采用自適應(yīng)色階去霧法對圖像三類像素點(diǎn)（R,G,B）進(jìn)行調(diào)整，提高圖像的色彩豐滿度和精細(xì)度，再利用像素點(diǎn)線性處理法調(diào)整整體的亮度和對比度；隨后對圖像進(jìn)行中值濾波處理，從而提高對蠟晶的識別準(zhǔn)確度；完成對蠟晶顯微圖像的優(yōu)化后，對圖像進(jìn)行閾值分割，利用高反差保留法對圖像中蠟晶的微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行刻畫，將高反差保留圖與優(yōu)化圖像進(jìn)行疊加后，利用最大熵閾值分割法對圖像進(jìn)行閾值分割。

此外，為了與常用的偏光顯微鏡觀測結(jié)果進(jìn)行對比，針對相同的實(shí)驗(yàn)油樣，同時采用尼康ECLIPSELV-100NPOL 型偏光顯微成像系統(tǒng)對蠟晶的微觀形貌進(jìn)行觀測，以Image J 軟件對拍攝的顯微圖像進(jìn)行閾值分割，并通過軟件對蠟晶進(jìn)行定量識別，得到數(shù)據(jù)以進(jìn)行對比分析。

（2）剪切作用下蠟晶微觀形貌的顯微觀測。選取呼倫貝爾原油作為實(shí)驗(yàn)樣品，以初始冷卻溫度70℃，按照0.5℃/min 的降溫速率令油樣降低至測量溫度40℃和30℃，而后以剪切速率0.5s-1、2s-1和5s-1對油樣依次施加逐漸剪切作用，每一剪切作用恒定30min，當(dāng)油樣的流變數(shù)據(jù)達(dá)到穩(wěn)定后，拍攝其承受剪切作用時的顯微圖像，以代表原位拍攝剪切作用下的蠟晶顯微結(jié)果。與此同時，按相同實(shí)驗(yàn)條件進(jìn)行一組對照實(shí)驗(yàn)，但在對油樣施加每一剪切作用至流變數(shù)據(jù)達(dá)到穩(wěn)定后，瞬時令剪切速率降低至0.5s-1，快速拍攝剪切速率突降后的顯微圖像，以代表離線觀測剪切作用下的蠟晶顯微結(jié)果，而后恢復(fù)既定的剪切速率進(jìn)行后續(xù)實(shí)驗(yàn)。

（3）W/O型含蠟原油乳狀液膠凝體系的顯微觀測結(jié)果。采用機(jī)械攪拌的方式制備乳狀液，攪拌器為德國IKA 公司生產(chǎn)的IKA RW20 Digital 型攪拌器，選用四葉片斜槳，轉(zhuǎn)速精度為0.01r/min；采用美國賽默飛世爾公司的SC/AC-S型恒溫水浴，溫控精度為0.01℃。本文在配制原油乳狀液過程中沒有添加額外的乳化劑，依靠原油內(nèi)部的天然乳化劑成分來保持乳狀液的穩(wěn)定性。具體做法是：將經(jīng)過預(yù)處理的呼倫貝爾原油與純凈水放置于恒溫箱內(nèi)，令其溫度升高至70℃并恒溫靜置2h，以保證原油中的蠟晶充分溶解，體系流動性恢復(fù)。待樣品內(nèi)溫度均勻穩(wěn)定后，按預(yù)定體積比例量取原油和純凈水，分別置于不同燒杯中，將燒杯密封后放置于50℃的恒溫水浴內(nèi)，待油水溫度均達(dá)到50℃后將純凈水一次性倒入原油燒杯中。選用機(jī)械攪拌的方式對油水混合體系進(jìn)行攪拌，經(jīng)過多次實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，選擇攪拌速率為1000r/min，攪拌時間為15min。制備好乳狀液后，選取少量將其迅速轉(zhuǎn)移至經(jīng)過相同溫度預(yù)熱的流變儀載物臺上，而后令流變儀以0.5℃/min 的速率對實(shí)驗(yàn)樣品進(jìn)行靜態(tài)冷卻，同步以顯微鏡獲得乳狀液體系的微觀結(jié)構(gòu)變化圖像。

2 結(jié)果與討論

2.1 不同初冷溫度下的蠟晶微觀形貌

對于初始冷卻溫度影響含蠟原油流變性和蠟晶微觀形貌的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，已有學(xué)者進(jìn)行了較為系統(tǒng)的研究[36-38]，一般認(rèn)為，含蠟原油存在惡化初始冷卻溫度和較優(yōu)初始冷卻溫度，顯微觀測結(jié)果可以對該流變性表現(xiàn)的微觀機(jī)理加以說明。圖2為采用本文新構(gòu)建的顯微觀測方法獲得的惡化初冷溫度下的蠟晶顯微圖像；圖3為采用偏光顯微鏡觀測的相同條件下的顯微圖像。

圖2 流變-顯微同步測量技術(shù)獲得的惡化初冷溫度下結(jié)果

圖3 常規(guī)偏光顯微鏡獲得的惡化初冷溫度下結(jié)果

為了消除圖像中噪聲對定量分析結(jié)果的干擾，上組圖的定量識別中只保留了大于10個像素（1μm2）的顆粒[39]。此外，對于圖上蠟晶的定量分析，考慮到兩種觀測方法的視域大小不同，所以需要對蠟晶數(shù)量進(jìn)行換算，以保證能夠?qū)ο嗤曈蚍秶鷥?nèi)的蠟晶結(jié)果進(jìn)行對比分析，換算后的蠟晶數(shù)量識別結(jié)果具體如圖4、圖5所示。

圖4 兩種觀測方法下蠟晶數(shù)量及粒徑分布的對比

圖5 呼倫貝爾原油兩種觀測方法下1～2μm蠟晶的分形維數(shù)

圖4(a)展示的是兩種觀測方法下，隨溫度降低視域內(nèi)蠟晶數(shù)量的變化情況。從圖中可以發(fā)現(xiàn)，采用本文方法拍攝的3種原油的蠟晶數(shù)量明顯高于偏光顯微鏡結(jié)果，兩者相差近70%。通過顯微觀測出的蠟晶數(shù)量越多，越能真實(shí)體現(xiàn)原油的微觀結(jié)構(gòu)特征，這是獲得準(zhǔn)確顯微結(jié)果的基礎(chǔ)。進(jìn)一步，通過對不同溫度下，蠟晶粒徑分布數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)，造成兩種觀測方法蠟晶數(shù)量差異的原因主要在于對粒徑在1～3μm 蠟晶的識別精度上。本文觀測方法識別出的該范圍內(nèi)的小尺寸蠟晶數(shù)量明顯更多。但對于粒徑大于6μm 的大尺寸蠟晶，偏光顯微鏡的觀測結(jié)果要更多。綜合這一情況可知：一方面對于分散的小尺寸蠟晶，采用本文觀測方法獲得的識別結(jié)果更佳；另一方面，對于部分間距較小的蠟晶，當(dāng)采用常規(guī)偏光顯微鏡觀測時，有可能將其看作一個整體的蠟晶，而增加大尺寸蠟晶的觀測數(shù)量，減少小尺寸的蠟晶數(shù)量，這也是造成該數(shù)據(jù)結(jié)果的原因。為了進(jìn)一步探究流變-顯微同步測量技術(shù)對較小粒徑的蠟晶的觀測優(yōu)勢，通過MATLAB 軟件篩選出兩種觀測方法下1～2μm 的蠟晶顆粒，并對其進(jìn)行分形維數(shù)的分析。通過分析結(jié)果（圖5）可以看出，在各個觀測溫度下，流變-顯微同步測量技術(shù)觀測下呼倫貝爾原油中粒徑為1～2μm蠟晶的分形維數(shù)均大于偏光顯微鏡觀測得到的，這表明在較小尺寸蠟晶的觀測中，通過流變-顯微同步測量技術(shù)可以獲得更為全面的蠟晶結(jié)構(gòu)信息。由于本文的顯微觀測方法采用了改進(jìn)的復(fù)合光源，并從多個不同角度照射蠟晶，再加之顯微鏡本身更好的景深，使得對蠟晶的識別精度有所提高，其邊界輪廓的刻畫更為精確，最終使得識別出的蠟晶數(shù)量和個體特征更為準(zhǔn)確。而對于惡化初始冷卻溫度下降溫形成的蠟晶，其尺寸小、數(shù)量多、反光性能差，不易于被觀測，新的觀測方法對于該種條件下形成蠟晶的觀測優(yōu)勢更為明顯。同時，也將較優(yōu)初始冷卻溫度下觀測結(jié)果展示如圖6所示。

圖6 在較優(yōu)初冷溫度下呼倫貝爾原油在降溫過程中蠟晶顯微序列圖像

如圖6所示，此溫度下，蠟晶對光源的反射效果最好，使得蠟晶的識別效果顯著提高。隨溫度降低單體蠟晶尺寸最大，形態(tài)最規(guī)則，從空間分布來看，此時相鄰的蠟晶間距最大，分散度最高，這都有利于提高對蠟晶形態(tài)結(jié)構(gòu)的顯微觀測質(zhì)量。

從圖7中可以發(fā)現(xiàn)，采用本文方法觀測到的呼倫貝爾原油在較優(yōu)初冷溫度下的蠟晶數(shù)量仍高于偏光顯微鏡的觀測結(jié)果，兩者相差近100%。進(jìn)一步，對不同溫度下蠟晶粒徑分布數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)，造成兩種觀測方法蠟晶數(shù)量差異的原因仍主要在于對粒徑在1～3μm蠟晶的識別精度上，這與在惡化加熱溫度下蠟晶粒徑分布數(shù)據(jù)規(guī)律一致。但在11～15μm較大粒徑分布數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)中發(fā)現(xiàn)，采用偏光顯微鏡觀測到的蠟晶數(shù)量要遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于流變-顯微同步測量技術(shù)觀測到的，平均為流變-顯微同步測量技術(shù)觀測到蠟晶數(shù)量的6.8 倍，偏光顯微鏡識別出了更多的大尺寸顆粒，而流變-顯微同步測量技術(shù)識別出的小尺寸顆粒更多?？紤]到兩種顯微觀測方法的差異，這種差別主要是對蠟晶邊緣輪廓的識別精度不同造成的，經(jīng)過改進(jìn)光源和圖像優(yōu)化處理后，流變-顯微同步測量技術(shù)能夠更為準(zhǔn)確地識別出蠟晶的邊緣輪廓，尤其對于距離很近的蠟晶，可以將其識別為不同的小顆粒，而不是作為一個整體被看作是一個大顆粒，從而降低了大顆粒的識別數(shù)量，增加了小顆粒的識別數(shù)量，這也體現(xiàn)了流變-顯微同步測量技術(shù)對于聚集蠟晶識別的優(yōu)勢。

圖7 較優(yōu)初冷溫度時兩種觀測方法下蠟晶數(shù)量及粒徑分布的對比

根據(jù)文獻(xiàn)[38]的研究，蠟晶邊緣間距對其相互作用力和結(jié)構(gòu)性質(zhì)具有重要影響，因此對不同觀測方法下，不同初冷溫度時獲得的蠟晶邊緣間距數(shù)值進(jìn)行對比，結(jié)果如圖8～圖10所示。

圖8 惡化初冷溫度下結(jié)果

由圖8 和圖9 中數(shù)據(jù)可知，兩種觀測方法下獲得的較優(yōu)初冷溫度下蠟晶邊緣間距均大于惡化初冷溫度下的蠟晶邊緣間距，這說明蠟晶邊緣間距與體系宏觀流變性間存在顯著的關(guān)聯(lián)性。結(jié)合理論分析可知，蠟晶邊緣間距越大，蠟晶間相互作用越弱，且其在剪切作用下相互接觸和黏附的頻率越低，更不易于形成空間網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，從而可以改善體系的流變性，反之亦然。此外，圖8表明，在惡化初始冷卻溫度下，新觀測方法獲得的蠟晶邊緣間距更小，更能體現(xiàn)體系內(nèi)致密的蠟晶結(jié)構(gòu)。而圖9中，新觀測方法獲得的蠟晶邊緣間距更大，則與較優(yōu)冷卻溫度下蠟晶間具有相對更弱的相互作用，進(jìn)而導(dǎo)致體系流變性改善的分析結(jié)論相符。圖10 展示的是兩種初冷溫度下觀測的蠟晶邊緣間距差值。由圖可知，在不同測量溫度下，新觀測方法識別出的蠟晶邊緣間距差值都更大，更能體現(xiàn)惡化和較優(yōu)初冷溫度下的蠟晶微觀結(jié)構(gòu)差異，這與兩種初冷溫度下原油流變性具有較大的差異更相符。

圖9 較優(yōu)初冷溫度下結(jié)果

圖10 惡化和較優(yōu)初冷溫度下的蠟晶邊緣距差值隨觀測溫度的變化

2.2 剪切作用下蠟晶微觀形貌的顯微觀測

目前，已有學(xué)者對剪切作用下的蠟晶微觀形貌進(jìn)行了研究，但所采用方法多是離線觀測，即首先對實(shí)驗(yàn)油樣施加剪切作用，而后取樣制片在顯微鏡中進(jìn)行觀測。該種方法在制片過程中不可避免地引入了額外的剪切和熱歷史影響，導(dǎo)致觀測結(jié)果存在一定的誤差，且顯微觀測的是經(jīng)歷剪切后的蠟晶形貌，無法體現(xiàn)蠟晶承受剪切作用時的微觀形貌變化。本文所采用的實(shí)驗(yàn)方法可以在對油樣施加剪切作用同時，原位觀測其內(nèi)部蠟晶的微觀形貌，并可有效規(guī)避制片帶來的誤差。為了對比說明剪切作用下的原位觀測和剪切后觀測結(jié)果的差異，針對同一油樣，采用了兩種實(shí)驗(yàn)方法。一種是在剪切同時，原位拍攝蠟晶運(yùn)動時的顯微圖像（結(jié)果如圖11）；另一種是在剪切達(dá)到穩(wěn)定后，迅速降低剪切速率，拍攝承受剪切作用后的顯微圖像（結(jié)果如圖12）。

圖11 不同剪切速率下呼倫貝爾原油中原位蠟晶顯微圖像（圖中紅色箭頭為流場方向）

圖12 突降至0.5s-1剪切速率時的顯微圖像（圖中紅色箭頭為流場方向）

由上兩組顯微圖像可見，承受剪切時和剪切后的蠟晶微觀形貌、排列狀態(tài)和空間分布都存在顯著差異。承受剪切作用時，視域內(nèi)觀察到的蠟晶結(jié)構(gòu)較為規(guī)則，多為圓棒狀，蠟晶聚集體數(shù)量較少，蠟晶具有較強(qiáng)的隨流場運(yùn)動方向的取向性。剪切作用后，蠟晶分支結(jié)構(gòu)較為明顯，結(jié)構(gòu)復(fù)雜度較高，蠟晶聚集體數(shù)量明顯增多，且排列較為隨機(jī)。

由于含蠟原油的流變性是通過其在承受剪切作用時的形變量予以體現(xiàn)，因此，經(jīng)受剪切時的蠟晶微觀形貌與體系的流變性應(yīng)具有更為直接的關(guān)聯(lián)。為此，對上述圖像進(jìn)行了定量分析，得到不同條件下蠟晶與流場方向夾角、分形維數(shù)和總數(shù)量等微觀形貌參數(shù)隨剪切速率的變化曲線（圖13），并同時將不同剪切速率下的黏度數(shù)據(jù)也一并在圖中列出。此外，為了對蠟晶微觀參數(shù)和體系黏度數(shù)據(jù)的關(guān)聯(lián)性進(jìn)行定量分析，以灰色關(guān)聯(lián)方法對兩種實(shí)驗(yàn)條件下獲得的微觀數(shù)據(jù)與體系宏觀流變性的關(guān)聯(lián)性進(jìn)行了對比，結(jié)果見表3。

圖13 動態(tài)剪切下和剪切突降至0.5s-1時蠟晶微觀參數(shù)和黏度的變化

表3 不同溫度下蠟晶微觀特征參數(shù)與原油流變性的灰色關(guān)聯(lián)度

由以上結(jié)果可知，蠟晶微觀特征參數(shù)與原油黏度數(shù)據(jù)間存在顯著關(guān)聯(lián)，相比于剪切后的蠟晶定量參數(shù)，剪切時的蠟晶微觀參數(shù)與體系黏度數(shù)據(jù)的變化規(guī)律更趨向一致。隨剪切速率增大，蠟晶及其聚集體的運(yùn)動速度加快，向流場的取向性增強(qiáng)。反映在定量數(shù)據(jù)上看，剪切作用時得到的蠟晶與流場方向的夾角隨剪切速率顯著下降，分形維數(shù)顯著降低，數(shù)量減少。這些都是蠟晶及其聚集體受到流場作用的體現(xiàn)。流場剪切作用一方面驅(qū)動蠟晶向其取向性增強(qiáng)，同時令蠟晶在垂直于流場方向的截面積減小，以降低其對流場的阻力，這樣就導(dǎo)致了蠟晶分形維數(shù)的減小，形態(tài)的復(fù)雜度降低。同時，流場的剪切作用也會促使蠟晶更為分散，規(guī)則排列。相對而言，剪切作用停止后，蠟晶微觀形貌發(fā)生很大變化。從定量數(shù)據(jù)上看，蠟晶與流場的取向性明顯減弱，導(dǎo)致蠟晶與流場方向夾角、分形維數(shù)和數(shù)量隨剪切速率增加都不再呈現(xiàn)規(guī)律性變化。因此，當(dāng)剪切作用停止后，蠟晶微觀參數(shù)與原油流變性的關(guān)聯(lián)性明顯減弱。表3的灰色關(guān)聯(lián)分析結(jié)果也證明了這一點(diǎn)，由表中結(jié)果可知，剪切作用時的蠟晶微觀參數(shù)與原油流變性的關(guān)聯(lián)性明顯更強(qiáng)，關(guān)聯(lián)度要更高。綜合以上分析可以確定，剪切作用下蠟晶微觀形貌的原位觀測結(jié)果對于揭示體系的流變性機(jī)制更有意義，有望獲得對含蠟原油復(fù)雜流變行為的更加深入認(rèn)識。

2.3 W/O 型含蠟原油乳狀液膠凝體系的顯微觀測結(jié)果

目前，已有較多對W/O 型含蠟原油乳狀液膠凝體系的微觀結(jié)構(gòu)研究成果。其中，仍主要以偏光顯微鏡的觀測結(jié)果居多，但由于蠟晶和乳化水滴具有不同的光學(xué)性質(zhì)，需要調(diào)整光照類型，以獲得蠟晶和乳化水滴的獨(dú)立觀測結(jié)果。此外，也有學(xué)者采用顆粒錄影顯微觀測系統(tǒng)（PVM）對乳狀液體系的微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行觀測，也獲得了一定的研究發(fā)現(xiàn)。在本文中，針對同一實(shí)驗(yàn)油樣（呼倫貝爾原油），分別采用偏光顯微鏡、PVM 和流變儀的同步測量系統(tǒng)對W/O 型含蠟原油乳狀液膠凝體系的微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行了顯微觀測，以對比分析不同實(shí)驗(yàn)技術(shù)的觀測結(jié)果，如圖14所示。

圖14 不同實(shí)驗(yàn)儀器對20%含水率的W/O型含蠟原油乳狀液觀測結(jié)果對比

如圖14所示，不同觀測技術(shù)都可以觀察到乳化液滴，且觀測到的液滴形態(tài)基本相似，但不同觀測技術(shù)得到的液滴空間分布和觀測效果相差較為明顯。偏光顯微鏡的觀測結(jié)果中，乳化液滴更為離散，且因制片原因，不少液滴被壓破致使形態(tài)有所改變，并且從圖像上能夠分辨出液滴分布在不同液層。

由于原油透光性較差，PVM 觀測視場較暗，觀測結(jié)果不夠清晰，但仍可以從圖像上中分辨出大量緊密分布的液滴。同時由于原位觀測，沒有液滴被破壞的情況出現(xiàn)，觀測到的液滴結(jié)構(gòu)也都較為完整，且具有一定的立體感。

流變-顯微同步測量技術(shù)觀測的結(jié)果中，乳化液滴結(jié)構(gòu)較為完整，沒有被壓破的情況出現(xiàn)。雖然在該項(xiàng)觀測技術(shù)中，當(dāng)將樣品加入載物臺后，需降低上平板高度對樣品施加一定的壓力，以形成一個較薄的液層。但由于此操作由儀器控制上平板下降高度及速率，以極為緩慢的速率改變樣品厚度，且樣品四周沒有約束，有充分的空間和時間向四周延展，避免了內(nèi)部結(jié)構(gòu)的破壞，可基本保持樣品的微觀形貌。此時乳化液滴的立體效果與PVM 觀測效果有一定的相似性，但視場更為明亮，觀測結(jié)果更清楚，這與額外增加光源有關(guān)。

從蠟晶的觀測效果來看，偏光顯微鏡通過改變偏光角度可以清楚觀測到蠟晶，且觀測效果較好，質(zhì)量較高，但不能在得到蠟晶圖像的同時，獲得乳化液滴的微觀形貌，從而無法確定兩種微觀單元間的相互作用、空間位置上的相對關(guān)系等。PVM由于沒有配套的偏光系統(tǒng)，所以不能從圖像上分辨出蠟晶的存在。流變-顯微同步測量技術(shù)增加了額外的光源，實(shí)現(xiàn)了不同類型光源的復(fù)合，并可以從不同角度同時照射樣品，從而可以同時識別到蠟晶和乳化液滴的存在，兩者的形態(tài)結(jié)構(gòu)、空間分布、相互作用和聚集表現(xiàn)都可以在圖像中被直觀地觀察到。由圖14可知，溫度降低至膠凝溫度以下后，含蠟原油乳狀液體系內(nèi)會形成一定的絮凝結(jié)構(gòu)。降溫初期，蠟晶和乳化水滴主要是以單體形式存在，隨溫度降低，乳化水滴聚集趨勢增強(qiáng)，水滴聚集體逐漸取代單個水滴，蠟晶數(shù)量增多且容易聚集，并傾向于與水滴聚集形成共聚體。逐漸地，水滴重疊堆積，三維結(jié)構(gòu)更加明顯，蠟晶隨著水滴的進(jìn)一步聚集，一些嵌入在相鄰水滴之間的間隙中，一些包圍在水滴的外部，并隨著溫度的下降繼續(xù)生長。隨溫度進(jìn)一步降低，共聚體內(nèi)蠟晶的繼續(xù)生長增強(qiáng)了共聚體結(jié)構(gòu)，由于外部蠟晶的不斷生長和周圍蠟晶的加入，共聚體的體積不斷增大，導(dǎo)致不同的共聚體相互連接形成尺寸更大的絮凝結(jié)構(gòu)，最終完成了體系的膠凝。

綜合以上觀測結(jié)果，對于W/O 型含蠟原油乳狀液微觀結(jié)構(gòu)的觀測，本文所采用方法具有更為突出的優(yōu)勢，能夠獲得關(guān)于乳狀液體系內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)更為準(zhǔn)確、豐富的信息，這對于揭示體系的流變性機(jī)制具有重要意義，有望獲得對含蠟原油乳狀液復(fù)雜流變行為的更加深入認(rèn)識。

3 結(jié)論

（1）相比于常規(guī)偏光顯微鏡，采用流變-顯微同步測量技術(shù)在惡化初冷溫度時對蠟晶具有顯著的觀測優(yōu)勢，其識別出的蠟晶數(shù)量和個體特征更為準(zhǔn)確，采用流變-顯微同步測量技術(shù)觀測到的蠟晶數(shù)量比偏光顯微鏡觀測到的蠟晶數(shù)量高出70%，識別出的1～3μm范圍內(nèi)的蠟晶數(shù)量要多150%，對細(xì)小蠟晶展現(xiàn)出更好的觀測效果；對兩種初冷溫度下蠟晶邊緣距的分析中，發(fā)現(xiàn)此方法能夠更加顯著地區(qū)分在較優(yōu)初冷溫度和惡化初冷溫度時蠟晶邊緣距上的差異，新觀測方法識別出的較優(yōu)初冷溫度和惡化初冷溫度下的蠟晶邊緣間距差值約是常規(guī)顯微觀測結(jié)果的2倍，更能體現(xiàn)惡化和較優(yōu)初冷溫度下的蠟晶微觀結(jié)構(gòu)差異。

（2）應(yīng)用該實(shí)驗(yàn)技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)對蠟晶的流變-原位顯微同步觀測，研究發(fā)現(xiàn)在剪切過程中，蠟晶形態(tài)和排列與流場的協(xié)同性增強(qiáng)，且蠟晶微觀特征參數(shù)與原油黏度數(shù)據(jù)間存在顯著關(guān)聯(lián)。相比于剪切后的蠟晶微觀特征參數(shù)，剪切時的蠟晶微觀參數(shù)與體系黏度數(shù)據(jù)的變化規(guī)律更趨向一致，蠟晶微觀特征參數(shù)與原油黏度的關(guān)聯(lián)度相比剪切速率突降后平均高出6%以上，剪切作用下蠟晶微觀形貌的原位觀測結(jié)果對于揭示體系的流變性機(jī)制更有意義。

（3）通過流變-顯微同步測量技術(shù)可以同時識別到蠟晶和乳化液滴的存在，同時觀測到兩者的形態(tài)結(jié)構(gòu)、空間分布、相互作用和聚集表現(xiàn)，可以獲得更為準(zhǔn)確、豐富的含蠟原油乳狀液體系微觀結(jié)構(gòu)演變信息。