驅油過程中的油水乳化對波及效率的影響①②

摘 要：利用物理模擬手段研究了乳狀液本身的波及效率、對驅油劑波及效率的影響及其原因。結果表明，驅油過程中發生乳化而生成的乳狀液不僅自身具有較高的波及效率，而且可以提高驅油劑的波及效率，出現這種情況的原因是一方面乳狀液的液滴可以封堵孔隙而降低高滲介質的滲透率，另一方面乳狀液在多孔介質中運移時粒徑的減小可以降低其進入低滲介質的阻力。

關鍵詞：乳狀液 波及效率 粒徑變化

中圖分類號：TE357.45文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2013）04（b）-0028-03

化學驅是我國注水開發油田（其儲量和產量均占全國的80%以上）進一步提高采收率的主要方法和主要研究方向，在我國陸上及海上油田均有巨大的應用潛力，可增加可采儲量在10億t以上[1-7]。因為化學劑的加入，化學驅過程中不可避免地生成油水乳狀液，一些學者研究表明，這些乳狀液可以提高原油采收率，并將其機理歸結為：乳狀液液滴滯留而降低高滲層位的滲透率，油水乳化而增強原油流動性并把部分原油攜帶而出，通過液滴側向推擠而減少孔隙角隅的殘余油等[8-12]，前人的這些研究成果從不同角度證實了驅油過程中油水乳化形成乳狀液對提高采收率的影響。為進一步加深對相關機理的認識，提升化學驅效果，該文從一個新的角度，即驅油過程中乳狀液粒徑變化角度研究了乳狀液對提高采收率的影響規律。

1 實驗介紹

1.1 實驗用品

十八烷基三甲基氯化銨（1831，天津市浩元精細化工有限公司生產，用于制備乳狀液），失水山梨醇單油酸酯（Span80，北京益利精細化學品有限公司，用于制備乳狀液），煤油餾分油（燕山石化，用于制備乳狀液），石英砂（北京三八石英砂廠，用于制作填砂管，模擬油藏多孔介質）。

1.2 實驗儀器

FLUKO-FA25型實驗室高剪切分散乳化機（上海弗魯克流體機械制造有限公司，用于制備乳狀液），Zetasizer Nano ZS型激光納米粒度及Zeta電位測定儀（英國馬爾文（Marlvern）儀器公司，用于測試乳狀液粒徑），DK-98-1型電熱恒溫水浴鍋（天津市泰斯特儀器有限公司，用于乳狀液制備過程中溫度恒定），HW-ⅢA型雙聯恒溫箱（江蘇海安華達石油儀器廠，用于維持實驗溫度恒定）；填砂管（Φ0.8 cm×50 cm），2PB00C系列平流泵（北京衛星制造廠，用于注入乳狀液、蒸餾水等），壓力采集系統（北京昆侖通態自動化軟件科技有限公司，用于定時采集實驗過程中壓力數據），BSZ系列自動部份收集器（上海青浦滬西儀器廠，用于定時采集實驗過程中多孔介質出口流體的樣品）、帶活塞的中間容器（用于盛放并注入乳狀液、蒸餾水等）等。

1.3 實驗裝置

圖1所示實驗裝置為研究波及體積的實驗裝置，利用合注分采的方式可以研究乳狀液本身在多孔介質中運移時的波及效率；在實驗中僅注入一定體積的乳狀液，之后進行后續水驅，則可以研究乳狀液對驅油劑波及體積的影響；去掉其中一根填砂管，則可以用來研究乳狀液在多孔介質中的運移規律。

2 結果與討論

2.1 乳狀液的波及效率

以圖1所示實驗裝置來研究乳狀液的波及效率，其中高滲介質滲透率為4.1 μm2、低滲介質的滲透率為1.9 μm2，乳狀液平均粒徑為6.3 μm（液滴密度為100%）。實驗過程中，以0.4 mL/min的速度持續注入乳狀液。實驗結果見圖2，其中分流率是指低滲介質出口流量與兩介質出口總流量之比，其值越大，說明進入低滲介質的流體越多，波及效率越高；如不特殊注明，下面各圖中的分流率均指流體在低滲介質中的分流率。作為對比，利用該裝置研究了蒸餾水和乳狀液兩種流體在多孔介質中的波及效率。

由圖2可以看出，與蒸餾水的分流率（19%）相比，乳狀液的分流率較大（30%），這說明，在實驗條件下，乳狀液進入低滲介質的能力大于蒸餾水進入低滲介質的能力，即乳狀液的波及效率高于蒸餾水的波及效率。實驗中蒸餾水的粘度與制備乳狀液的水相粘度相等，所以，在一定程度上可以認為，蒸餾水發生乳化生成乳狀液后波及效率開始變大，從這個角度理解，驅油過程中發生乳化有利于提高驅油劑的波及效率。考察乳狀液分流率及注入壓力梯度隨注入量的變化曲線，乳狀液的分流率隨著乳狀液注入量的增加而呈波動變化，且與壓力梯度隨注入量的變化趨勢有較強的一致性：注入壓力梯度增加，乳狀液的分流率也增加，注入壓力梯度減小，乳狀液的分流率也相應減小，這說明注入過程中乳狀液對多孔介質的封堵而引起的壓力增加將促使更多的乳狀液進入低滲介質。

2.2 乳狀液對驅油劑波及效率的影響

在研究乳狀液對驅油劑波及效率的影響時，可以將乳狀液看作一個封堵段塞，實驗步驟是：首先，向多孔介質中注入驅油劑（此處為蒸餾水），測試其波及效率（低滲分流率）；之后，注入一定量的乳狀液段塞；最后，再次注入驅油劑，考察注入乳狀液段塞之后的波及效率（低滲分流率）。實驗中高低滲透率介質的滲透率級差為2.16，實驗結果如圖3所示。

由圖3可見，注入乳狀液段塞前，蒸餾水的平均分流率為19%，而注入乳狀液段塞后，蒸餾水的平均分流率增加為25%，這表明注入的乳狀液段塞能夠提高蒸餾水的波及效率。

考察注入乳狀液段塞后蒸餾水分流率隨注入量的變化可見圖3，隨著蒸餾水注入量的增加，其分流率先增加后降低并逐漸趨于平緩，存在一個明顯峰值，最高可達45%，而在注入乳狀液段塞之前，這個值僅為20%，所以，乳狀液在提高驅油劑波及效率方面具有極大的潛力，在其封堵強度最大時可以成倍地提高驅油劑的波及效率。在該實驗中注入的乳狀液段塞體積有限，而在實際驅油過程中會有乳狀液源源不斷地生成并運移到該處再次發生封堵，這種分流率峰值就可以重復出現，從而可將驅油劑的分流率在較長時間內維持在一個較高水平上，所以，驅油過程中形成的乳狀液可持續、大幅提高驅油劑的波及效率，這對提高原油采收率具有積極的意義。

綜合圖2和圖3可見，在多孔介質中，乳狀液本身就具有較大的波及體積，即乳狀液可以更多地進入低滲層位提高其中的原油采收率，同時，乳狀液又可以增加后續驅油劑的波及效率，進而提高驅油劑的波及效率，這兩種效應的協同將可更大幅度地提高原油采收率。

2.3 原因探究

為了更深刻認識乳狀液提高波及效率的原因，考察了乳狀液在不同滲透率介質中的運移規律，實驗裝置如圖所示1，只不過實驗中只使用1根填砂管。實驗中乳狀液的平均粒徑為2.9 μm（液滴密度為100%，為了匹配填砂管的滲透率而選擇該平均粒徑的乳狀液），填砂管的滲透率分別為0.38 μm2及1.59 μm2。實驗結果如圖4所示，其中μe為乳狀液在多孔介質中的視粘度，其值越大，運移阻力越大（如圖4）。

從圖4可以看出，在注入量較小的時候，乳狀液在低滲介質中的運阻力大于在高滲介質中的運阻力；此時如果將兩個多孔介質并聯，乳狀液不可能進入低滲介質，其波及效率相對較低。

隨著注入量的增加，乳狀液在兩種滲透率的多孔介質中的運移阻力均增加，但是，在高滲介質中運移阻力的增加幅度明顯高于在低滲介質中的增幅，且在注入量大于4.5PV時，乳狀液在高滲介質中的運移阻力超過在低滲介質中的運移阻力，此時如果將兩個多孔介質并聯，乳狀液將開始進入低滲介質，能夠提高宏觀波及效率（如圖5）。

乳狀液視粘度隨注入量變化的整體趨勢如圖5所示，可以看出，在高滲透率的多孔介質中，乳狀液的流動阻力較大，而在低滲透率的多孔介質中，乳狀液的流動阻力較小，因此，乳狀液本身具有較高的波及效率并可提高驅油劑波及效率的主要原因是乳狀液在高滲透率的多孔介質中運移時具有較大的運移阻力，促使乳狀液或驅油劑進入低滲介質。

為了進一步探究乳狀液在高滲透率介質中運移阻力高而在低滲透率介質中運移阻力低的深層原因，利用激光納米粒度儀測試了多孔介質出口流體（其中部分是乳狀液）的粒徑，實驗結果如圖6所示，其中Rs是注入多孔介質后乳狀液平均粒徑與注入多孔介質前乳狀液平均粒徑之比，其值越大，越接近于1，說明經過多孔介質后乳狀液的粒徑與注入前越接近，變化越小。

由圖6可見，運移經過兩種滲透率的多孔介質后，乳狀液的粒徑均減小，且滲透率越低，其出口乳狀液的粒徑越小，僅為注入多孔介質前粒徑的1/3。根據Laplace方程，在粒徑一定的條件下，乳狀液液滴進入孔徑相對較小的孔隙所需要克服的阻力與孔徑成反比關系，即：孔徑越小，液滴進入該孔隙所需克服的阻力越大；孔徑越大，液滴進入該孔隙所需克服的阻力越小，換句話說，乳狀液粒徑越小，在多孔介質中運移時的阻力越小。

因此，乳狀液能夠提高波及效率的因素有兩個方面：其一是依靠乳狀液液滴大的粒徑封堵多孔介質的細小孔喉，阻擋其他乳狀液或驅油劑進入高滲層；其二是在一定的注入條件下乳狀液液滴被擠壓破碎成更小的液滴或者發生破乳分離成油水兩相而進入低滲層。

3 結語

（1）驅油過程中發生乳化而生成的乳狀液不僅自身具有較高的波及效率，而且可以提高驅油劑的波及效率；

（2）乳狀液可提高波及效率的原因有兩個方面，其一是乳狀液的液滴可以封堵大的孔隙而降低高滲介質的滲透率，其二乳狀液在多孔介質中運移時粒徑的減小可以降低其進入低滲介質的阻力。

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