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摘 要：利用物理模拟手段研究了乳状液本身的波及效率、对驱油剂波及效率的影响及其原因。结果表明，驱油过程中发生乳化而生成的乳状液不仅自身具有较高的波及效率，而且可以提高驱油剂的波及效率，出现这种情况的原因是一方面乳状液的液滴可以封堵孔隙而降低高渗介质的渗透率，另一方面乳状液在多孔介质中运移时粒径的减小可以降低其进入低渗介质的阻力。
关键词：乳状液 波及效率 粒径变化
中图分类号：TE357.45 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2013）04（b）-0028-03
化学驱是我国注水开发油田（其储量和产量均占全国的80%以上）进一步提高采收率的主要方法和主要研究方向，在我国陆上及海上油田均有巨大的应用潜力，可增加可采储量在10亿t以上[1-7]。因为化学剂的加入，化学驱过程中不可避免地生成油水乳状液，一些学者研究表明，这些乳状液可以提高原油采收率，并将其机理归结为：乳状液液滴滞留而降低高渗层位的渗透率，油水乳化而增强原油流动性并把部分原油携带而出，通过液滴侧向推挤而减少孔隙角隅的残余油等[8-12]，前人的这些研究成果从不同角度证实了驱油过程中油水乳化形成乳状液对提高采收率的影响。为进一步加深对相关机理的认识，提升化学驱效果，该文从一个新的角度，即驱油过程中乳状液粒径变化角度研究了乳状液对提高采收率的影响规律。
1 实验介绍
1.1 实验用品
十八烷基三甲基氯化铵（1831，天津市浩元精细化工有限公司生产，用于制备乳状液），失水山梨醇单油酸酯（Span80，北京益利精细化学品有限公司，用于制备乳状液），煤油馏分油（燕山石化，用于制备乳状液），石英砂（北京三八石英砂厂，用于制作填砂管，模拟油藏多孔介质）。
1.2 实验仪器
FLUKO-FA25型实验室高剪切分散乳化机（上海弗鲁克流体机械制造有限公司，用于制备乳状液），Zetasizer Nano ZS型激光纳米粒度及Zeta电位测定仪（英国马尔文（Marlvern）仪器公司，用于测试乳状液粒径），DK-98-1型电热恒温水浴锅（天津市泰斯特仪器有限公司，用于乳状液制备过程中温度恒定），HW-ⅢA型双联恒温箱（江苏海安华达石油仪器厂，用于维持实验温度恒定）；填砂管（Φ0.8 cm×50 cm），2PB00C系列平流泵（北京卫星制造厂，用于注入乳状液、蒸馏水等），压力采集系统（北京昆仑通态自动化软件科技有限公司，用于定时采集实验过程中压力数据），BSZ系列自动部份收集器（上海青浦沪西仪器厂，用于定时采集实验过程中多孔介质出口流体的样品）、带活塞的中间容器（用于盛放并注入乳状液、蒸馏水等）等。
1.3 实验装置
图1所示实验装置为研究波及体积的实验装置，利用合注分采的方式可以研究乳状液本身在多孔介质中运移时的波及效率；在实验中仅注入一定体积的乳状液，之后进行后续水驱，则可以研究乳状液对驱油剂波及体积的影响；去掉其中一根填砂管，则可以用来研究乳状液在多孔介质中的运移规律。
2 结果与讨论
2.1 乳状液的波及效率
以图1所示实验装置来研究乳状液的波及效率，其中高渗介质渗透率为4.1 μm2、低渗介质的渗透率为1.9 μm2，乳状液平均粒径为6.3 μm（液滴密度为100%）。实验过程中，以0.4 mL/min的速度持续注入乳状液。实验结果见图2，其中分流率是指低渗介质出口流量与两介质出口总流量之比，其值越大，说明进入低渗介质的流体越多，波及效率越高；如不特殊注明，下面各图中的分流率均指流体在低渗介质中的分流率。作为对比，利用该装置研究了蒸馏水和乳状液两种流体在多孔介质中的波及效率。
由图2可以看出，与蒸馏水的分流率（19%）相比，乳状液的分流率较大（30%），这说明，在实验条件下，乳状液进入低渗介质的能力大于蒸馏水进入低渗介质的能力，即乳状液的波及效率高于蒸馏水的波及效率。实验中蒸馏水的粘度与制备乳状液的水相粘度相等，所以，在一定程度上可以认为，蒸馏水发生乳化生成乳状液后波及效率开始变大，从这个角度理解，驱油过程中发生乳化有利于提高驱油剂的波及效率。考察乳状液分流率及注入压力梯度随注入量的变化曲线，乳状液的分流率随着乳状液注入量的增加而呈波动变化，且与压力梯度随注入量的变化趋势有较强的一致性：注入压力梯度增加，乳状液的分流率也增加，注入压力梯度减小，乳状液的分流率也相应减小，这说明注入过程中乳状液对多孔介质的封堵而引起的压力增加将促使更多的乳状液进入低渗介质。
2.2 乳状液对驱油剂波及效率的影响
在研究乳状液对驱油剂波及效率的影响时，可以将乳状液看作一个封堵段塞，实验步骤是：首先，向多孔介质中注入驱油剂（此处为蒸馏水），测试其波及效率（低渗分流率）；之后，注入一定量的乳状液段塞；最后，再次注入驱油剂，考察注入乳状液段塞之后的波及效率（低渗分流率）。实验中高低渗透率介质的渗透率级差为2.16，实验结果如图3所示。
由图3可见，注入乳状液段塞前，蒸馏水的平均分流率为19%，而注入乳状液段塞后，蒸馏水的平均分流率增加为25%，这表明注入的乳状液段塞能够提高蒸馏水的波及效率。
考察注入乳状液段塞后蒸馏水分流率随注入量的变化可见图3，随着蒸馏水注入量的增加，其分流率先增加后降低并逐渐趋于平缓，存在一个明显峰值，最高可达45%，而在注入乳状液段塞之前，这个值仅为20%，所以，乳状液在提高驱油剂波及效率方面具有极大的潜力，在其封堵强度最大时可以成倍地提高驱油剂的波及效率。在该实验中注入的乳状液段塞体积有限，而在实际驱油过程中会有乳状液源源不断地生成并运移到该处再次发生封堵，这种分流率峰值就可以重复出现，从而可将驱油剂的分流率在较长时间内维持在一个较高水平上，所以，驱油过程中形成的乳状液可持续、大幅提高驱油剂的波及效率，这对提高原油采收率具有积极的意义。 综合图2和图3可见，在多孔介质中，乳状液本身就具有较大的波及体积，即乳状液可以更多地进入低渗层位提高其中的原油采收率，同时，乳状液又可以增加后续驱油剂的波及效率，进而提高驱油剂的波及效率，这两种效应的协同将可更大幅度地提高原油采收率。
2.3 原因探究
为了更深刻认识乳状液提高波及效率的原因，考察了乳状液在不同渗透率介质中的运移规律，实验装置如图所示1，只不过实验中只使用1根填砂管。实验中乳状液的平均粒径为2.9 μm（液滴密度为100%，为了匹配填砂管的渗透率而选择该平均粒径的乳状液），填砂管的渗透率分别为0.38 μm2及1.59 μm2。实验结果如图4所示，其中μe为乳状液在多孔介质中的视粘度，其值越大，运移阻力越大（如图4）。
从图4可以看出，在注入量较小的时候，乳状液在低渗介质中的运阻力大于在高渗介质中的运阻力；此时如果将两个多孔介质并联，乳状液不可能进入低渗介质，其波及效率相对较低。
随着注入量的增加，乳状液在两种渗透率的多孔介质中的运移阻力均增加，但是，在高渗介质中运移阻力的增加幅度明显高于在低渗介质中的增幅，且在注入量大于4.5PV时，乳状液在高渗介质中的运移阻力超过在低渗介质中的运移阻力，此时如果将两个多孔介质并联，乳状液将开始进入低渗介质，能够提高宏观波及效率（如图5）。
乳状液视粘度随注入量变化的整体趋势如图5所示，可以看出，在高渗透率的多孔介质中，乳状液的流动阻力较大，而在低渗透率的多孔介质中，乳状液的流动阻力较小，因此，乳状液本身具有较高的波及效率并可提高驱油剂波及效率的主要原因是乳状液在高渗透率的多孔介质中运移时具有较大的运移阻力，促使乳状液或驱油剂进入低渗介质。
为了进一步探究乳状液在高渗透率介质中运移阻力高而在低渗透率介质中运移阻力低的深层原因，利用激光纳米粒度仪测试了多孔介质出口流体（其中部分是乳状液）的粒径，实验结果如图6所示，其中Rs是注入多孔介质后乳状液平均粒径与注入多孔介质前乳状液平均粒径之比，其值越大，越接近于1，说明经过多孔介质后乳状液的粒径与注入前越接近，变化越小。
由图6可见，运移经过两种渗透率的多孔介质后，乳状液的粒径均减小，且渗透率越低，其出口乳状液的粒径越小，仅为注入多孔介质前粒径的1/3。根据Laplace方程，在粒径一定的条件下，乳状液液滴进入孔径相对较小的孔隙所需要克服的阻力与孔径成反比关系，即：孔径越小，液滴进入该孔隙所需克服的阻力越大；孔径越大，液滴进入该孔隙所需克服的阻力越小，换句话说，乳状液粒径越小，在多孔介质中运移时的阻力越小。
因此，乳状液能够提高波及效率的因素有两个方面：其一是依靠乳状液液滴大的粒径封堵多孔介质的细小孔喉，阻挡其他乳状液或驱油剂进入高渗层；其二是在一定的注入条件下乳状液液滴被挤压破碎成更小的液滴或者发生破乳分离成油水两相而进入低渗层。
3 结语
（1）驱油过程中发生乳化而生成的乳状液不仅自身具有较高的波及效率，而且可以提高驱油剂的波及效率；
（2）乳状液可提高波及效率的原因有两个方面，其一是乳状液的液滴可以封堵大的孔隙而降低高渗介质的渗透率，其二乳状液在多孔介质中运移时粒径的减小可以降低其进入低渗介质的阻力。
参考文献
[1] 沈平平，袁士义，韩冬，等.中国陆上油田提高采收率潜力评价及发展战略研究[J].石油学报，2001，22（1）：45-48.
[2] 沈平平.中国提高采收率技术研究现状与展望[J].世界石油工业（中国油气论坛-提高石油采收率专题论坛），2007（3）：3-9.
[3] 周守为.海上油田高效开发技术探索与实践[J].中国工程科学，2009，11（10）： 55-59.
[4] 张凤久，姜伟，孙福街，等.海上稠油聚合物驱关键技术研究与矿场试验[J].中国工程科学，2011，13（5）：28-33.
[5] 张贤松，王海江，唐恩高，等.渤海油区提高采收率技术油藏适应性及聚合物驱可行性研究[J].油气地质与采收率，2009，16（5）：56-59.
[6] 李建江，赵玲莉.三次采油技术的发展[J].油气田地面工程，1999，18（2）：8-9.
[7] 韩大匡，杨普华.发展三次采油为主的提高采收率新技术[J].油气采收率技术，1994，1（1）：12-20.
[8] 陈民锋，孙璐，余振亭，等.稠油热力-表面活性剂复合驱对提高采收率的作用[J].断块油气田，2012，19（增刊1）：57-60，67.
[9] 张永刚，葛际江，李瑞冬，等.乳化稠油堵水技术在高温高盐油藏中的应用[J].精细石油化工进展，2012，13（6）：12-16.
[10] 李世军，杨振宇，宋考平，等.三元复合驱中乳化作用对提高采收率的影响[J].石油学报，2003，24（5）：71-73.
[11] 王凤琴.乳状液在多孔介质中渗流规律研究——微观渗流机理研究[D].西安：西北大学，2005.
[12] 周浩.大庆油田三元复合驱乳化作用对提高采收率影响探索研究[D].北京：中国石油勘探开发科学研究院，2001.
关键词：乳状液 波及效率 粒径变化
中图分类号：TE357.45 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2013）04（b）-0028-03
化学驱是我国注水开发油田（其储量和产量均占全国的80%以上）进一步提高采收率的主要方法和主要研究方向，在我国陆上及海上油田均有巨大的应用潜力，可增加可采储量在10亿t以上[1-7]。因为化学剂的加入，化学驱过程中不可避免地生成油水乳状液，一些学者研究表明，这些乳状液可以提高原油采收率，并将其机理归结为：乳状液液滴滞留而降低高渗层位的渗透率，油水乳化而增强原油流动性并把部分原油携带而出，通过液滴侧向推挤而减少孔隙角隅的残余油等[8-12]，前人的这些研究成果从不同角度证实了驱油过程中油水乳化形成乳状液对提高采收率的影响。为进一步加深对相关机理的认识，提升化学驱效果，该文从一个新的角度，即驱油过程中乳状液粒径变化角度研究了乳状液对提高采收率的影响规律。
1 实验介绍
1.1 实验用品
十八烷基三甲基氯化铵（1831，天津市浩元精细化工有限公司生产，用于制备乳状液），失水山梨醇单油酸酯（Span80，北京益利精细化学品有限公司，用于制备乳状液），煤油馏分油（燕山石化，用于制备乳状液），石英砂（北京三八石英砂厂，用于制作填砂管，模拟油藏多孔介质）。
1.2 实验仪器
FLUKO-FA25型实验室高剪切分散乳化机（上海弗鲁克流体机械制造有限公司，用于制备乳状液），Zetasizer Nano ZS型激光纳米粒度及Zeta电位测定仪（英国马尔文（Marlvern）仪器公司，用于测试乳状液粒径），DK-98-1型电热恒温水浴锅（天津市泰斯特仪器有限公司，用于乳状液制备过程中温度恒定），HW-ⅢA型双联恒温箱（江苏海安华达石油仪器厂，用于维持实验温度恒定）；填砂管（Φ0.8 cm×50 cm），2PB00C系列平流泵（北京卫星制造厂，用于注入乳状液、蒸馏水等），压力采集系统（北京昆仑通态自动化软件科技有限公司，用于定时采集实验过程中压力数据），BSZ系列自动部份收集器（上海青浦沪西仪器厂，用于定时采集实验过程中多孔介质出口流体的样品）、带活塞的中间容器（用于盛放并注入乳状液、蒸馏水等）等。
1.3 实验装置
图1所示实验装置为研究波及体积的实验装置，利用合注分采的方式可以研究乳状液本身在多孔介质中运移时的波及效率；在实验中仅注入一定体积的乳状液，之后进行后续水驱，则可以研究乳状液对驱油剂波及体积的影响；去掉其中一根填砂管，则可以用来研究乳状液在多孔介质中的运移规律。
2 结果与讨论
2.1 乳状液的波及效率
以图1所示实验装置来研究乳状液的波及效率，其中高渗介质渗透率为4.1 μm2、低渗介质的渗透率为1.9 μm2，乳状液平均粒径为6.3 μm（液滴密度为100%）。实验过程中，以0.4 mL/min的速度持续注入乳状液。实验结果见图2，其中分流率是指低渗介质出口流量与两介质出口总流量之比，其值越大，说明进入低渗介质的流体越多，波及效率越高；如不特殊注明，下面各图中的分流率均指流体在低渗介质中的分流率。作为对比，利用该装置研究了蒸馏水和乳状液两种流体在多孔介质中的波及效率。
由图2可以看出，与蒸馏水的分流率（19%）相比，乳状液的分流率较大（30%），这说明，在实验条件下，乳状液进入低渗介质的能力大于蒸馏水进入低渗介质的能力，即乳状液的波及效率高于蒸馏水的波及效率。实验中蒸馏水的粘度与制备乳状液的水相粘度相等，所以，在一定程度上可以认为，蒸馏水发生乳化生成乳状液后波及效率开始变大，从这个角度理解，驱油过程中发生乳化有利于提高驱油剂的波及效率。考察乳状液分流率及注入压力梯度随注入量的变化曲线，乳状液的分流率随着乳状液注入量的增加而呈波动变化，且与压力梯度随注入量的变化趋势有较强的一致性：注入压力梯度增加，乳状液的分流率也增加，注入压力梯度减小，乳状液的分流率也相应减小，这说明注入过程中乳状液对多孔介质的封堵而引起的压力增加将促使更多的乳状液进入低渗介质。
2.2 乳状液对驱油剂波及效率的影响
在研究乳状液对驱油剂波及效率的影响时，可以将乳状液看作一个封堵段塞，实验步骤是：首先，向多孔介质中注入驱油剂（此处为蒸馏水），测试其波及效率（低渗分流率）；之后，注入一定量的乳状液段塞；最后，再次注入驱油剂，考察注入乳状液段塞之后的波及效率（低渗分流率）。实验中高低渗透率介质的渗透率级差为2.16，实验结果如图3所示。
由图3可见，注入乳状液段塞前，蒸馏水的平均分流率为19%，而注入乳状液段塞后，蒸馏水的平均分流率增加为25%，这表明注入的乳状液段塞能够提高蒸馏水的波及效率。
考察注入乳状液段塞后蒸馏水分流率随注入量的变化可见图3，随着蒸馏水注入量的增加，其分流率先增加后降低并逐渐趋于平缓，存在一个明显峰值，最高可达45%，而在注入乳状液段塞之前，这个值仅为20%，所以，乳状液在提高驱油剂波及效率方面具有极大的潜力，在其封堵强度最大时可以成倍地提高驱油剂的波及效率。在该实验中注入的乳状液段塞体积有限，而在实际驱油过程中会有乳状液源源不断地生成并运移到该处再次发生封堵，这种分流率峰值就可以重复出现，从而可将驱油剂的分流率在较长时间内维持在一个较高水平上，所以，驱油过程中形成的乳状液可持续、大幅提高驱油剂的波及效率，这对提高原油采收率具有积极的意义。 综合图2和图3可见，在多孔介质中，乳状液本身就具有较大的波及体积，即乳状液可以更多地进入低渗层位提高其中的原油采收率，同时，乳状液又可以增加后续驱油剂的波及效率，进而提高驱油剂的波及效率，这两种效应的协同将可更大幅度地提高原油采收率。
2.3 原因探究
为了更深刻认识乳状液提高波及效率的原因，考察了乳状液在不同渗透率介质中的运移规律，实验装置如图所示1，只不过实验中只使用1根填砂管。实验中乳状液的平均粒径为2.9 μm（液滴密度为100%，为了匹配填砂管的渗透率而选择该平均粒径的乳状液），填砂管的渗透率分别为0.38 μm2及1.59 μm2。实验结果如图4所示，其中μe为乳状液在多孔介质中的视粘度，其值越大，运移阻力越大（如图4）。
从图4可以看出，在注入量较小的时候，乳状液在低渗介质中的运阻力大于在高渗介质中的运阻力；此时如果将两个多孔介质并联，乳状液不可能进入低渗介质，其波及效率相对较低。
随着注入量的增加，乳状液在两种渗透率的多孔介质中的运移阻力均增加，但是，在高渗介质中运移阻力的增加幅度明显高于在低渗介质中的增幅，且在注入量大于4.5PV时，乳状液在高渗介质中的运移阻力超过在低渗介质中的运移阻力，此时如果将两个多孔介质并联，乳状液将开始进入低渗介质，能够提高宏观波及效率（如图5）。
乳状液视粘度随注入量变化的整体趋势如图5所示，可以看出，在高渗透率的多孔介质中，乳状液的流动阻力较大，而在低渗透率的多孔介质中，乳状液的流动阻力较小，因此，乳状液本身具有较高的波及效率并可提高驱油剂波及效率的主要原因是乳状液在高渗透率的多孔介质中运移时具有较大的运移阻力，促使乳状液或驱油剂进入低渗介质。
为了进一步探究乳状液在高渗透率介质中运移阻力高而在低渗透率介质中运移阻力低的深层原因，利用激光纳米粒度仪测试了多孔介质出口流体（其中部分是乳状液）的粒径，实验结果如图6所示，其中Rs是注入多孔介质后乳状液平均粒径与注入多孔介质前乳状液平均粒径之比，其值越大，越接近于1，说明经过多孔介质后乳状液的粒径与注入前越接近，变化越小。
由图6可见，运移经过两种渗透率的多孔介质后，乳状液的粒径均减小，且渗透率越低，其出口乳状液的粒径越小，仅为注入多孔介质前粒径的1/3。根据Laplace方程，在粒径一定的条件下，乳状液液滴进入孔径相对较小的孔隙所需要克服的阻力与孔径成反比关系，即：孔径越小，液滴进入该孔隙所需克服的阻力越大；孔径越大，液滴进入该孔隙所需克服的阻力越小，换句话说，乳状液粒径越小，在多孔介质中运移时的阻力越小。
因此，乳状液能够提高波及效率的因素有两个方面：其一是依靠乳状液液滴大的粒径封堵多孔介质的细小孔喉，阻挡其他乳状液或驱油剂进入高渗层；其二是在一定的注入条件下乳状液液滴被挤压破碎成更小的液滴或者发生破乳分离成油水两相而进入低渗层。
3 结语
（1）驱油过程中发生乳化而生成的乳状液不仅自身具有较高的波及效率，而且可以提高驱油剂的波及效率；
（2）乳状液可提高波及效率的原因有两个方面，其一是乳状液的液滴可以封堵大的孔隙而降低高渗介质的渗透率，其二乳状液在多孔介质中运移时粒径的减小可以降低其进入低渗介质的阻力。
参考文献
[1] 沈平平，袁士义，韩冬，等.中国陆上油田提高采收率潜力评价及发展战略研究[J].石油学报，2001，22（1）：45-48.
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[5] 张贤松，王海江，唐恩高，等.渤海油区提高采收率技术油藏适应性及聚合物驱可行性研究[J].油气地质与采收率，2009，16（5）：56-59.
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[10] 李世军，杨振宇，宋考平，等.三元复合驱中乳化作用对提高采收率的影响[J].石油学报，2003，24（5）：71-73.
[11] 王凤琴.乳状液在多孔介质中渗流规律研究——微观渗流机理研究[D].西安：西北大学，2005.
[12] 周浩.大庆油田三元复合驱乳化作用对提高采收率影响探索研究[D].北京：中国石油勘探开发科学研究院，2001.