乳状液-聚合物复合体系基本性能研究

唐登宇，蒋平

(1.中国石油化工股份有限公司上海海洋油气分公司，上海 200120；2.中国石油大学(华东) 石油工程学院，山东 青岛 266580)

乳状液和聚合物都具有降低驱油体系流度、增大波及系数的能力[1-6]，但是两者的作用机理却有本质的不同[7-13]，乳状液主要通过贾敏效应起到流度调整的作用，而聚合物主要通过增加体系黏度发挥作用[14-15]。

相比于聚合物体系，乳状液对于中低渗储层伤害较小，同时具有一定的流度控制和驱油的双重作用。因此本文研究了乳状液-聚合物复合驱油体系中各组分对流变性的影响规律和提高采收率的能力[16-18]，研究表明该体系可作为水驱后油藏提高采收率的重要手段。

1 实验部分

1.1 试剂与仪器

W/O乳状液聚合物、白油、聚丙烯酰胺(分子量为841万)均取自胜利化工；蒸馏水。

PA200精密电子天平；JJ-1精密数显电动搅拌器；YL-100BD实验室超纯水机；MCR 92流变仪；游标卡尺；自组装的物理模拟实验装置。

1.2 实验方法

1.2.1 流变性能的测量 利用MCR 92流变仪，使用CC39转子及CC39-XL转筒，测定不同剪切速率下乳状液黏度的变化规律。

实验结果根据Einstein黏度定律对体系进行黏度拟合，对体系有如下假设：①介质(溶剂)的密度(ρ)和黏度(η0)是常数；②流速很低；③分散质点为刚性球，球面与介质之间没有滑动；④分散相质点之间的距离很大(浓度很稀)，质点间无相互作用；⑤质点(刚性球)比溶剂分子大得多，溶剂可看作连续介质。

于是，稀分散体的黏度可表示为：

其中，φ为分散质点的体积分数(表示浓度大小)，%；η0为溶剂(连续相)的黏度，mPa·s；η为分散体系的黏度，mPa·s。

对于高体积分数的乳状液，黏度定律公式一般都可以还原为下列幂级形式：

其中，φ为分散质点的体积分数(表示浓度大小)，%；η0为溶剂(连续相)的黏度，mPa·s；η为分散体系的黏度，mPa·s；a、b、c为常数。

1.2.2 驱油效率测定方法 采用低渗岩心研究了乳状液-聚合物复合体系在岩心中提高采收率的效果，实验中首先水驱至含水98%后注入驱油剂直至含水率再次达到98%，计量不同阶段的采收率。

2 结果与讨论

乳状液-聚合物复合体系中既存在白油与水相形成的水包油乳状液体系，同时连续相中也有具有增黏作用的聚合物体系，相比于单一体系，二者具有更为复杂的相互作用，聚合物的增黏作用提高了连续相的黏度，可以有效地增加乳状液的长期稳定性，而乳状液中分散相与连续相的内摩擦力又提高了体系的黏度。因此研究了各组分对复合体系流变性的影响机制以及复合体系的驱油效果。

2.1 乳状液-聚合物体系的流变性能研究

2.1.1 单一聚合物的流变性能 配制不同质量分数的聚合物溶液，使用流变仪测量其流变性能。图1为不同质量分数的聚合物溶液在50 ℃时的流变性。

图1 聚合物溶液在50 ℃时的流变性Fig.1 Rheology of polymer solution at 50 ℃

对于聚合物溶液，由于其溶剂化的影响，对Einstein定律的偏离较大，需要对模型进行适当的改变。设质点为球形，溶剂化限于质点的表面，设未溶剂化时质点的体积分数为φ干，则溶剂化后质点体积分数变为：

其中，φ干为未溶剂化时质点的体积分数，%；φ溶剂化为溶剂化后质点的体积分数，%；R为质点的半径，nm；ΔR为溶剂化层厚度，nm。

0.000 6τ2+0.132 8τ-5.411 1

式中φ——聚合物的体积分数，%；

η0——水相的黏度，mPa·s；

τ——剪切速率，s-1；

η——分散体系的黏度，mPa·s。

2.1.2 乳状液的流变性 分别配制含油量为0.1%，1%，5%，10%的水包油乳状液，其中乳化剂的质量分数均为0.1%。图2是50 ℃时不同含油量水包油的流变性能。

图2 不同含油量乳状液的流变性Fig.2 Rheological properties of emulsions with different oil content

由图2可知，水包油乳状液的含油量在 0.1%～10%的低含油量区间时，乳状液的黏度趋向于外相水的黏度，说明低含油量下油相含量对乳状液的黏度影响不大。

2.1.3 乳状液-聚合物复合体系的流变性 固定乳状液中白油质量分数为1%，分别改变水相中聚合物的质量分数为0.02%，0.1%，0.3%，0.5%，获得聚合物的乳状液-聚合物复合体系，图3a表示 50 ℃ 下不同质量分数聚合物的乳状液-聚合物的流变性能，图3b计算了不同剪切速率下，乳液-聚合物复合体系相比同浓度干粉聚合物的黏度提高幅度。

图3 50 ℃下不同质量分数乳液聚合物的流变性能Fig.3 Rheological properties of emulsion-polymers with different mass fractions at 50 ℃

由图3可知，复合体系在同等浓度与同等温度条件下，其黏度值比单一聚合物溶液黏度高。首先是复合体系中有均匀分散的油滴，流动过程中油滴会发生碰撞，摩擦阻力增大，宏观上表现为表观黏度升高。其次是复合体系中存在油水界面，聚合物分子扩散到油水界面上参与形成界面膜，因此形成的界面膜的结构强度就较大，液滴间的环流受到阻碍，宏观上就表现出一定的增黏作用。

固定水相中聚合物的质量分数为0.02%，改变乳液中的含油量，测定了油相含量对乳状液-聚合物的流变性能影响。图4a表示乳状液-聚合物不同含油量的流变性，图4b计算了乳液-聚合物复合体系相比于单纯聚合物溶液的增黏幅度。

由图4a可知，含油量越高，增黏效果越明显，含油量提高到10%时黏度提高幅度达23.58%～28.39%。由图4b可知，由于乳液的存在，在高剪切速率下乳状液对体系的增黏能力略有提高，这说明在高剪切速率下分散相内摩擦力的变化弥补了聚合物溶液剪切变稀的影响。

图4 不同含油量乳状液-聚合物复合体系的流变性能Fig.4 Rheological properties of emulsion-polymer composite system with different oil content

综上，可以拟合出乳状液-聚合物复合体系在50 ℃下关于剪切速率和体积分数的黏度拟合方程。

0.000 3τ-0.003 6)×φ+3.972 6τ-0.696

式中φ——油相体积分数，%；

η0——0.1%聚合物溶液的黏度，mPa·s；

τ——剪切速率，s-1；

η——复合体系的黏度，mPa·s。

2.2 驱油效果评价

通过低渗岩心物模实验分别评价各体系的驱油效率。体系①为0.02%聚合物溶液，体系②为1%含油量水包油乳状液体系，体系③为0.02%聚合物、1%含油量乳状液-聚合物复合体系。岩心渗透率为50×10-3μm2，实验温度为50 ℃，驱替速度为0.1 mL/min。表1为各体系的提高采收率效果。

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

由表1可知，在低渗地层条件下，乳状液-聚合物相比较聚合物体系和水包油体系提高采收率的幅度更高，达到10.93%，因此乳状液-聚合物复合体系提高采收率的效果更好。

3 结论

(1)乳状液-聚合物复合体系较单一的聚合物体系含油量越高，黏度提升幅度越大，10%含油量时，增黏幅度达到23.58%～28.39%。

(2)根据Einstein黏度定律拟合了乳状液-聚合物复合体系的黏度表征方程，从而能预测不同含油量和剪切速率下复合体系的黏度。

(3)室内低渗岩心驱替实验表明乳状液-聚合物复合体系提高采收率的效果优于聚合物体系和水包油体系，提高采收率的幅度达到10.93%。