乳狀液-聚合物復合體系基本性能研究

唐登宇，蔣平

(1.中國石油化工股份有限公司上海海洋油氣分公司，上海 200120；2.中國石油大學(華東) 石油工程學院，山東 青島 266580)

乳狀液和聚合物都具有降低驅油體系流度、增大波及系數的能力[1-6]，但是兩者的作用機理卻有本質的不同[7-13]，乳狀液主要通過賈敏效應起到流度調整的作用，而聚合物主要通過增加體系黏度發揮作用[14-15]。

相比于聚合物體系，乳狀液對于中低滲儲層傷害較小，同時具有一定的流度控制和驅油的雙重作用。因此本文研究了乳狀液-聚合物復合驅油體系中各組分對流變性的影響規律和提高采收率的能力[16-18]，研究表明該體系可作為水驅后油藏提高采收率的重要手段。

1 實驗部分

1.1 試劑與儀器

W/O乳狀液聚合物、白油、聚丙烯酰胺(分子量為841萬)均取自勝利化工；蒸餾水。

PA200精密電子天平；JJ-1精密數顯電動攪拌器；YL-100BD實驗室超純水機；MCR 92流變儀；游標卡尺；自組裝的物理模擬實驗裝置。

1.2 實驗方法

1.2.1 流變性能的測量 利用MCR 92流變儀，使用CC39轉子及CC39-XL轉筒，測定不同剪切速率下乳狀液黏度的變化規律。

實驗結果根據Einstein黏度定律對體系進行黏度擬合，對體系有如下假設：①介質(溶劑)的密度(ρ)和黏度(η0)是常數；②流速很低；③分散質點為剛性球，球面與介質之間沒有滑動；④分散相質點之間的距離很大(濃度很稀)，質點間無相互作用；⑤質點(剛性球)比溶劑分子大得多，溶劑可看作連續介質。

于是，稀分散體的黏度可表示為：

其中，φ為分散質點的體積分數(表示濃度大小)，%；η0為溶劑(連續相)的黏度，mPa·s；η為分散體系的黏度，mPa·s。

對于高體積分數的乳狀液，黏度定律公式一般都可以還原為下列冪級形式：

其中，φ為分散質點的體積分數(表示濃度大小)，%；η0為溶劑(連續相)的黏度，mPa·s；η為分散體系的黏度，mPa·s；a、b、c為常數。

1.2.2 驅油效率測定方法 采用低滲巖心研究了乳狀液-聚合物復合體系在巖心中提高采收率的效果，實驗中首先水驅至含水98%后注入驅油劑直至含水率再次達到98%，計量不同階段的采收率。

2 結果與討論

乳狀液-聚合物復合體系中既存在白油與水相形成的水包油乳狀液體系，同時連續相中也有具有增黏作用的聚合物體系，相比于單一體系，二者具有更為復雜的相互作用，聚合物的增黏作用提高了連續相的黏度，可以有效地增加乳狀液的長期穩定性，而乳狀液中分散相與連續相的內摩擦力又提高了體系的黏度。因此研究了各組分對復合體系流變性的影響機制以及復合體系的驅油效果。

2.1 乳狀液-聚合物體系的流變性能研究

2.1.1 單一聚合物的流變性能 配制不同質量分數的聚合物溶液，使用流變儀測量其流變性能。圖1為不同質量分數的聚合物溶液在50 ℃時的流變性。

圖1 聚合物溶液在50 ℃時的流變性Fig.1 Rheology of polymer solution at 50 ℃

對于聚合物溶液，由于其溶劑化的影響，對Einstein定律的偏離較大，需要對模型進行適當的改變。設質點為球形，溶劑化限于質點的表面，設未溶劑化時質點的體積分數為φ干，則溶劑化后質點體積分數變為：

其中，φ干為未溶劑化時質點的體積分數，%；φ溶劑化為溶劑化后質點的體積分數，%；R為質點的半徑，nm；ΔR為溶劑化層厚度，nm。

0.000 6τ2+0.132 8τ-5.411 1

式中φ——聚合物的體積分數，%；

η0——水相的黏度，mPa·s；

τ——剪切速率，s-1；

η——分散體系的黏度，mPa·s。

2.1.2 乳狀液的流變性 分別配制含油量為0.1%，1%，5%，10%的水包油乳狀液，其中乳化劑的質量分數均為0.1%。圖2是50 ℃時不同含油量水包油的流變性能。

圖2 不同含油量乳狀液的流變性Fig.2 Rheological properties of emulsions with different oil content

由圖2可知，水包油乳狀液的含油量在 0.1%～10%的低含油量區間時，乳狀液的黏度趨向于外相水的黏度，說明低含油量下油相含量對乳狀液的黏度影響不大。

2.1.3 乳狀液-聚合物復合體系的流變性 固定乳狀液中白油質量分數為1%，分別改變水相中聚合物的質量分數為0.02%，0.1%，0.3%，0.5%，獲得聚合物的乳狀液-聚合物復合體系，圖3a表示 50 ℃ 下不同質量分數聚合物的乳狀液-聚合物的流變性能，圖3b計算了不同剪切速率下，乳液-聚合物復合體系相比同濃度干粉聚合物的黏度提高幅度。

圖3 50 ℃下不同質量分數乳液聚合物的流變性能Fig.3 Rheological properties of emulsion-polymers with different mass fractions at 50 ℃

由圖3可知，復合體系在同等濃度與同等溫度條件下，其黏度值比單一聚合物溶液黏度高。首先是復合體系中有均勻分散的油滴，流動過程中油滴會發生碰撞，摩擦阻力增大，宏觀上表現為表觀黏度升高。其次是復合體系中存在油水界面，聚合物分子擴散到油水界面上參與形成界面膜，因此形成的界面膜的結構強度就較大，液滴間的環流受到阻礙，宏觀上就表現出一定的增黏作用。

固定水相中聚合物的質量分數為0.02%，改變乳液中的含油量，測定了油相含量對乳狀液-聚合物的流變性能影響。圖4a表示乳狀液-聚合物不同含油量的流變性，圖4b計算了乳液-聚合物復合體系相比于單純聚合物溶液的增黏幅度。

由圖4a可知，含油量越高，增黏效果越明顯，含油量提高到10%時黏度提高幅度達23.58%～28.39%。由圖4b可知，由于乳液的存在，在高剪切速率下乳狀液對體系的增黏能力略有提高，這說明在高剪切速率下分散相內摩擦力的變化彌補了聚合物溶液剪切變稀的影響。

圖4 不同含油量乳狀液-聚合物復合體系的流變性能Fig.4 Rheological properties of emulsion-polymer composite system with different oil content

綜上，可以擬合出乳狀液-聚合物復合體系在50 ℃下關于剪切速率和體積分數的黏度擬合方程。

0.000 3τ-0.003 6)×φ+3.972 6τ-0.696

式中φ——油相體積分數，%；

η0——0.1%聚合物溶液的黏度，mPa·s；

τ——剪切速率，s-1；

η——復合體系的黏度，mPa·s。

2.2 驅油效果評價

通過低滲巖心物模實驗分別評價各體系的驅油效率。體系①為0.02%聚合物溶液，體系②為1%含油量水包油乳狀液體系，體系③為0.02%聚合物、1%含油量乳狀液-聚合物復合體系。巖心滲透率為50×10-3μm2，實驗溫度為50 ℃，驅替速度為0.1 mL/min。表1為各體系的提高采收率效果。

表1 各體系的提高采收率效果Table 1 EOR effect of each system

由表1可知，在低滲地層條件下，乳狀液-聚合物相比較聚合物體系和水包油體系提高采收率的幅度更高，達到10.93%，因此乳狀液-聚合物復合體系提高采收率的效果更好。

3 結論

(1)乳狀液-聚合物復合體系較單一的聚合物體系含油量越高，黏度提升幅度越大，10%含油量時，增黏幅度達到23.58%～28.39%。

(2)根據Einstein黏度定律擬合了乳狀液-聚合物復合體系的黏度表征方程，從而能預測不同含油量和剪切速率下復合體系的黏度。

(3)室內低滲巖心驅替實驗表明乳狀液-聚合物復合體系提高采收率的效果優于聚合物體系和水包油體系，提高采收率的幅度達到10.93%。