陳小龍, 李宜強(qiáng), 陳 誠(chéng), 李 輝

(1. 油氣資源與探測(cè)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(中國(guó)石油大學(xué)(北京)), 北京 102249;2. 中國(guó)石油大學(xué)(北京)石油工程學(xué)院, 北京102249; 3. 中國(guó)石油大港油田采油工藝研究院, 天津300280)

1 前 言

與水驅(qū)相比，聚合物驅(qū)具有3 種特殊的驅(qū)油機(jī)理：良好的流動(dòng)性控制、降低主流滲流通道滲透率的能力和較強(qiáng)的黏彈性[1-4]。這些優(yōu)點(diǎn)使得聚合物驅(qū)油技術(shù)為大慶和勝利等油田的生產(chǎn)帶來(lái)了巨大的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益[5-6]。聚合物驅(qū)進(jìn)行提高采收率的主要缺點(diǎn)是其分子量過(guò)高，容易引起聚合物沉淀、降解和孔隙堵塞等不良現(xiàn)象，對(duì)儲(chǔ)層產(chǎn)生極大傷害[7-8]。并且聚合物對(duì)惡劣儲(chǔ)層(高溫高鹽儲(chǔ)層)的適應(yīng)性非常差[9-10]。為了解決這一問(wèn)題，一些學(xué)者研發(fā)出一種新型的驅(qū)替劑—聚表劑[11]。聚表劑是以柔性丙烯酰胺、柔性丙烯酸鈉碳?xì)滏湠橹饕姆肿庸羌埽敫黝惞δ苄詥误w，包括樹(shù)狀疏水單體、非離子型活性硫化物單元、烷基磺酸鹽表面活性劑單元、陽(yáng)離子型Gemini 表面活性劑單元和陽(yáng)離子型季胺鹽表面活性劑單元等活性功能基團(tuán)[12]。許多研究證實(shí)，與聚合物相比，聚表劑分子量小，耐溫、耐鹽性強(qiáng)，具有一定的界面活性，且增黏效應(yīng)、降低水油流度比能力、擴(kuò)大波及體積能力以及對(duì)原油的增溶乳化能力均優(yōu)于聚合物[13-14]。因此，聚表劑被認(rèn)為是一種很有前途的油田驅(qū)替劑。

目前對(duì)聚表劑驅(qū)油過(guò)程中與原油乳化作用的研究較少，且大多數(shù)聚表劑的乳化研究中，乳狀液的獲取采用機(jī)械攪拌的方法獲得[15]，這與多孔介質(zhì)中生成乳狀液的性質(zhì)差別很大，且缺少對(duì)于確定聚表劑乳狀液生成及穩(wěn)定的定量表征研究。為此，本文通過(guò)油聚同注和單一注聚兩種實(shí)驗(yàn)方式模擬油藏中聚表劑與原油在多孔介質(zhì)中的乳化過(guò)程，分析不同運(yùn)移距離、油水比、聚表劑濃度等因素對(duì)多孔介質(zhì)中乳狀液生成與穩(wěn)定性的影響規(guī)律。在此基礎(chǔ)上，綜合考慮了各種乳化影響因素，提出了聚表劑乳狀液在多孔介質(zhì)中形成與穩(wěn)定的表征參數(shù)，并以此表征參數(shù)為媒介，對(duì)不同實(shí)驗(yàn)條件下聚表劑在多孔介質(zhì)中的乳化穩(wěn)定動(dòng)態(tài)過(guò)程進(jìn)行了還原。

2 實(shí)驗(yàn)(材料與方法)

表1 實(shí)驗(yàn)用油及用水性質(zhì)參數(shù)表Table 1 Properties of experimental oil and water

2.1 實(shí)驗(yàn)材料和儀器

模擬油黏度 50.1 mPa?s(54 ℃)，密度0.662 g?cm-3，模擬油組成見(jiàn)表1。注入水礦化度為6 150 mg?L-1，離子組成見(jiàn)表1，w 為質(zhì)量分?jǐn)?shù)。實(shí)驗(yàn)柱狀巖心外觀尺寸為φ2.5 cm×30 cm，氣測(cè)滲透率1 000×10-3μm2，水測(cè)滲透率 550×10-3μm2。

主要儀器：DV-II 型布氏黏度計(jì)(美國(guó)Brookfield 公司)；HW-4A 雙聯(lián)自控恒溫箱；ISCO 高精度柱塞泵(美國(guó) Teledyne ISCO公司)、SMZ25 研究級(jí)體式顯微鏡，放大倍數(shù) 28～350 倍；傅里葉變換紅外光譜測(cè)試儀。

圖1 實(shí)驗(yàn)裝置圖Fig.1 Schematic diagram of the experimental setup

2.2 實(shí)驗(yàn)方法

2.2.1 油聚同注驅(qū)替實(shí)驗(yàn)

常規(guī)的巖心驅(qū)替實(shí)驗(yàn)無(wú)法保證精確控制油水比，為了實(shí)現(xiàn)精確控制，采用油聚同注方法進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，即先將巖心飽和水后直接以不同的注入速度同時(shí)注入模擬油和聚表劑，以便對(duì)不同油水比的情況進(jìn)行研究。實(shí)驗(yàn)中采用了3 種油水比1:1、1:3、1:5。每一種情況都保證總的注入速度為0.8 mL?min-1。各方案均為壓力穩(wěn)定之后收集采出液，采集時(shí)間一致。實(shí)驗(yàn)裝置見(jiàn)圖1。

2.2.2 單一注聚巖心驅(qū)替實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)方案為先水驅(qū)至采出端含水率 98%，再進(jìn)行后續(xù)注聚實(shí)驗(yàn)，研究濃度、運(yùn)移距離對(duì)乳狀液生成及穩(wěn)定性的影響。聚表劑濃度選取500、1 000 和1 500 mg?L-1，注入速率為0.8 mL?min-1。具體實(shí)驗(yàn)步驟如下：(1)在室溫下，巖心抽真空飽和地層水，計(jì)算巖心孔隙度；(2)在 54 ℃下，首先水驅(qū)至壓力平穩(wěn)，然后注入聚表劑，記錄各測(cè)點(diǎn)壓力，待壓力平穩(wěn)后，對(duì)各測(cè)點(diǎn)取樣，分析乳化情況?？倢?shí)驗(yàn)方案見(jiàn)表2。

2.2.3 乳狀液粒徑分析

使用體式顯微鏡對(duì)實(shí)驗(yàn)收集到的乳狀液進(jìn)行觀察拍照，對(duì)圖像二值化完成后，對(duì)乳狀液滴進(jìn)行識(shí)別。將識(shí)別后的乳狀液進(jìn)行標(biāo)記，計(jì)算標(biāo)記區(qū)域的像素?cái)?shù)目，將單個(gè)像素視為完美圓形，計(jì)算單個(gè)像素面積，得到標(biāo)記區(qū)乳狀液的面積，反算出該標(biāo)記乳狀液粒徑。

3 結(jié)果與討論

3.1 聚表劑的組成和分子聚集特征

聚表劑的紅外光譜圖(見(jiàn)圖 2)中同時(shí)出現(xiàn)了酰胺基、醚鍵、甲基和亞甲基的特征吸收峰。表明該種聚表劑以柔性酰胺為主要分子骨架，具有親水基團(tuán)與親油基團(tuán)同時(shí)存在的兩親結(jié)構(gòu)。從圖3可以看出，聚合物分子聚集構(gòu)型呈現(xiàn)為長(zhǎng)鏈連接結(jié)構(gòu)，具有細(xì)的網(wǎng)狀主干與分支，整體呈現(xiàn)為網(wǎng)格無(wú)規(guī)則但分布較為均勻的空間立體網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)；聚表劑分子聚集構(gòu)型相比聚合物要復(fù)雜得多，主要表現(xiàn)為結(jié)構(gòu)骨架呈片狀交叉重疊聚集，其空間結(jié)構(gòu)比空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)更加致密，結(jié)構(gòu)更加雜亂無(wú)規(guī)則。其空間結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性強(qiáng)，分子線團(tuán)尺寸較大，包裹水分子能力強(qiáng)，可以產(chǎn)生較大的形變阻力，增黏性好。

3.2 油水比差異對(duì)聚表劑乳狀液的影響

各組實(shí)驗(yàn)在壓力穩(wěn)定時(shí)刻收集到的乳狀液粒徑測(cè)量實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖4。將乳狀液樣品放置1 d，測(cè)量乳狀液的析水率變化，分析乳狀液的穩(wěn)定性。

由圖4 可知，隨著油水比的增加乳狀液的粒徑變??；油水比越小，形成的乳狀液粒徑差異變化就越小。油水比1:5 與 1:3 形成的乳狀液粒徑主要集中在 14～20 μm。兩者間的差異很小；油水比1:1 形成的乳狀液粒徑分布主要集中在5～8 μm，明顯小于其余兩種情況，其本質(zhì)原因是注入體系的黏度隨油水比變化引起。在總注入速度相同條件下，油水比越高，體系黏度也越大，壓力平穩(wěn)時(shí)刻的壓力梯度也越大。圖5 的結(jié)果很好地證明了這一點(diǎn)。圖中0～6 cm、6～14 cm 等代表這一段巖心的平均壓力梯度隨驅(qū)替時(shí)間的變化關(guān)系，不難看出相同油水比條件下，越靠近注入端，壓力平穩(wěn)時(shí)刻的平均壓力梯度越大；不同油水比情況下，油水比越大，巖心相同位置的平均壓力梯度越大，這樣油珠與油珠，油珠與聚表劑以及油珠與孔隙介質(zhì)之間的剪切作用也越大，形成的油滴粒徑要小得多，油水比越小，體系黏度差異就越小，形成乳液的粒徑差異就越小。

表2 實(shí)驗(yàn)方案匯總Table 2 Summary of experimental methods

圖2 樣品的FTIR 譜圖Fig.2 FTIR spectra of the sample

圖3 聚合物與聚表劑SEM 圖片F(xiàn)ig.3 SEM micrographs of the samples (1 500 mg?L-1, 1 000×)

圖4 不同油水比形成乳狀液粒徑分布Fig.4 Particle size distribution of emulsions formed with different oil water ratios

乳狀液的破壞過(guò)程主要是液滴的接觸聚并和內(nèi)相析出。其中內(nèi)相析出速率可以很好地表征乳狀液的穩(wěn)定程度。圖6 是不同油水比形成的乳狀液析水率與時(shí)間的關(guān)系曲線?？芍S著油水比的增加，聚表劑乳狀液的析水半衰期逐漸增大，即相同時(shí)間內(nèi)乳狀液的析水量變少，代表破乳聚并的乳狀液變少，即乳狀液穩(wěn)定性變強(qiáng)。這是因?yàn)楹试黾?，總的界面面積增加，且液滴在擠壓油水界面時(shí)也使界面面積增加,單位界面面積上乳化劑的吸附量變小，界面膜強(qiáng)度減弱，水滴聚并阻力減小，更易聚并，導(dǎo)致原油乳狀液穩(wěn)定性降低[17-18]。此外注入體系的黏度增大會(huì)削弱乳珠間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，抑制由于重力作用導(dǎo)致的油珠間的剪切排液作用，使乳狀液能夠更加穩(wěn)定存在[19]。

圖6 不同油水比形成乳狀液析水率曲線Fig.6 Profiles of emulsion water evolution rates with different oil-water ratios

3.3 濃度差異對(duì)聚表劑乳狀液的影響

通過(guò)對(duì)實(shí)驗(yàn) 1(500 mg?L-1)、2(1 000 mg?L-1)、3(1 500 mg?L-1)采出液的觀察發(fā)現(xiàn)，除實(shí)驗(yàn) 3 外，實(shí)驗(yàn)1 和2 采出端均未發(fā)現(xiàn)明顯的乳狀液。而其余采液點(diǎn)采出液取樣分析結(jié)果顯示實(shí)驗(yàn)1 仍未發(fā)現(xiàn)明顯的乳狀液，實(shí)驗(yàn) 2 和 3 均發(fā)現(xiàn)采出液中存在乳狀液。上述現(xiàn)象表明聚表劑的濃度對(duì)其乳化能力的影響非常明顯。

圖7 聚表劑黏濃曲線與界面張力曲線Fig.7 Profiles of viscosity and interfacial tension of polymeric surfactants

為了闡明聚表劑濃度對(duì)其乳化生成及穩(wěn)定的影響機(jī)制，作者對(duì)其界面張力及黏濃曲線進(jìn)行測(cè)定，結(jié)果見(jiàn)圖7。不難看出不同濃度聚表劑的界面張力都較大，為101mN?m-1級(jí)別，該級(jí)別的界面張力對(duì)乳化作用影響的差異不大[20]。由黏濃曲線可知，1 000 mg?L-1為所述實(shí)驗(yàn)條件下該聚表劑的臨界締合濃度。當(dāng)濃度小于1 000 mg?L-1時(shí)，聚表劑的締合作用主要為分子內(nèi)締合，這種結(jié)構(gòu)對(duì)油滴的捕集束縛能力較差，難以形成有效乳狀液，即使可以形成乳狀液，其穩(wěn)定性也較差，在運(yùn)移過(guò)程中容易破乳，這與實(shí)驗(yàn)1、2 的結(jié)果一致；而濃度在1 000 mg?L-1以上時(shí)，溶液存在高度有序、龐大的網(wǎng)絡(luò)超分子結(jié)構(gòu)聚集體，其空間的每一個(gè)基本結(jié)構(gòu)微小單分子或若干大分子形成網(wǎng)絡(luò)狀多空間、大空間、結(jié)構(gòu)強(qiáng)度大的非極性腔，對(duì)油滴的捕集能力強(qiáng)[21]，易于形成穩(wěn)定乳狀液。實(shí)驗(yàn)3 的結(jié)果與此相符，該過(guò)程的示意圖見(jiàn)圖8。當(dāng)聚表劑以分子間締合時(shí)，捕集在非極性腔體內(nèi)部的油滴被疏水基團(tuán)固定，聚表劑交聯(lián)的分子鏈可認(rèn)為是界面膜，該聚表劑乳狀液的穩(wěn)定性取決于分子鏈的交聯(lián)締合程度；當(dāng)聚表劑以分子內(nèi)締合時(shí)，形成的乳狀液失去了締合結(jié)構(gòu)的支撐與保護(hù)，其穩(wěn)定性與界面膜吸附的疏水集團(tuán)數(shù)量有關(guān)，由此可見(jiàn)締合結(jié)構(gòu)對(duì)殘余油的捕集作用是聚表劑乳狀液產(chǎn)生與穩(wěn)定的重要作用機(jī)制。這并不是說(shuō)聚表劑的界面張力對(duì)其乳狀液的形成及穩(wěn)定性沒(méi)有影響，只是界面張力對(duì)乳化的影響較弱，在高界面張力的情況下，依靠疏水基團(tuán)吸附形成的界面膜強(qiáng)度低，很難維持乳狀液的穩(wěn)定性。

圖8 聚表劑乳狀液示意圖Fig.8 Schematic diagram of polymeric surfactants emulsions

圖9 不同濃度聚表劑近采出端乳狀液粒徑分布Fig.9 Outlet particle size distribution of polymeric surfactants emulsions with different concentrations

圖9 為不同濃度聚表劑生成乳狀液粒徑分布圖。圖10 為不同濃度聚表劑生成乳狀液初始樣品與放置1 d 后的對(duì)比圖。可以發(fā)現(xiàn)，聚表劑濃度越高，形成乳狀液粒徑中值越小，放置1 d 后粒徑中值增幅也越小，穩(wěn)定性越好。原因在于聚表劑濃度越高，黏度越大，在多孔介質(zhì)中運(yùn)移時(shí)產(chǎn)生的壓力梯度越大，剪切作用就越強(qiáng)，這樣有利于將大塊殘余油滴分散成小油滴。其次當(dāng)聚表劑濃度較高時(shí)，相比于低濃度聚表劑的界面張力有所降低，導(dǎo)致殘余油受到的毛細(xì)管阻力減小，大塊的殘余油更容易卡斷形成小油滴。相比于大油滴，小油滴更容易被聚表劑締合結(jié)構(gòu)捕集從而形成粒徑小且穩(wěn)定的乳狀液。

圖10 不同濃度聚表劑乳狀液初始樣品和放置1 d 后樣品粒徑分布對(duì)比Fig.10 Comparison of particle size distribution between initial and 1day samples(emulsions prepared with different surfactant concentrations)

圖11 1 500 mg?L-1 不同測(cè)點(diǎn)處乳狀液粒徑分布Fig.11 Particle size distribution of emulsions at different measuring points (1500 mg?L-1)

3.4 運(yùn)移距離對(duì)聚表劑乳狀液的影響

為保證各取樣點(diǎn)可以取得較為穩(wěn)定的乳狀液，選擇濃度 1 500 mg?L-1作為研究對(duì)象。圖 11 是 1 500 mg?L-1不同測(cè)點(diǎn)乳狀液粒徑分布。圖12 是1 500 mg?L-1不同測(cè)壓點(diǎn)的壓力梯度分布。不難看出，隨著運(yùn)移距離的增加，生成乳狀液的粒徑分布整體向右偏移，粒徑中值增大。

上述結(jié)果是隨著運(yùn)移距離的增加，不同位置處壓力平穩(wěn)階段的壓力梯度差別較大，見(jiàn)圖12，位置越靠后壓力梯度越低，體系在多孔介質(zhì)中所受到的剪切作用變?nèi)?，?dǎo)致在前端被打散的小油滴在此聚并的可能性增強(qiáng)，粒徑增大，同時(shí)運(yùn)移至此的大油塊也難以被分散成小油滴，這些原因的共同作用使得最終生成的乳狀液粒徑變大。除此之外，巖心前端生成的乳狀液在向后運(yùn)移的過(guò)程中，由于乳液之間的相互擠壓、碰撞、摩擦作用以及多孔介質(zhì)的剪切作用，小粒徑的乳液不斷聚并，也會(huì)導(dǎo)致乳狀液的粒徑增大。

圖12 1 500 mg?L-1 不同測(cè)壓點(diǎn)的壓力梯度分布Fig.12 Pressure gradient distribution of samples at different pressure points (1500 mg?L-1)

圖13 不同運(yùn)移距離形成乳狀液初始樣品和放置1 d 后樣品粒徑分布對(duì)比Fig.13 Comparison of particle size distribution between initial and 1day samples with different migration distances

圖13 為不同運(yùn)移距離形成乳狀液初始樣品和放置1 d 后樣品粒徑分布對(duì)比圖。放置1 d 后，6 cm 處乳狀液粒徑中值幾乎沒(méi)有變化，14、23、30 cm 處乳液粒徑中值增幅明顯，運(yùn)移距離越遠(yuǎn)，粒徑中值增幅越大，表明隨著運(yùn)移距離的增加，乳液的聚并變多，穩(wěn)定性逐漸降低，這與表面活性劑體系產(chǎn)生乳液的穩(wěn)定性隨運(yùn)移距離變化的規(guī)律相反[22]，作者認(rèn)為這是兩者乳化機(jī)理不同導(dǎo)致的。表面活性劑與原油之間具有超低界面張力，表面活性劑分子在油水界面吸附形成界面膜，產(chǎn)生乳液，在運(yùn)移過(guò)程中乳狀液界面膜與殘余油接觸不斷吸附殘余油界面上膠質(zhì)、瀝青質(zhì)等重?zé)N組分，乳狀液的界面膜強(qiáng)度增大，穩(wěn)定性增強(qiáng)；而聚表劑與原油之間的界面張力較大，為101mN?m-1級(jí)別，所以其形成乳液主要依靠分子間締合形成疏水微域[23]，油滴可以被捕獲在聚合物溶液的黏彈性網(wǎng)絡(luò)中，形成乳液。其穩(wěn)定性取決于分子締合作用形成的空間立體網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，這種穩(wěn)定是由疏水力維持的。隨著運(yùn)移距離的增加，在多孔介質(zhì)內(nèi)的剪切作用以及固液間作用(主要是氫鍵和靜電作用)的沖擊下，疏水力受到一定程度破壞，大而有序的空間結(jié)構(gòu)被分散成較小的聚集結(jié)構(gòu)，乳液易發(fā)生聚并，穩(wěn)定性下降。此外，運(yùn)移距離越長(zhǎng)，乳狀液與原油接觸的機(jī)會(huì)和時(shí)間就越長(zhǎng)，原油中的極性組分分子就越有機(jī)會(huì)與聚表劑分子的疏水嵌段相互作用，大大降低了界面膜的擴(kuò)張彈性和擴(kuò)張黏性，削弱了聚合物分子空間網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，使乳液穩(wěn)定性下降[24]。

3.5 聚表劑乳狀液形成表征參數(shù)與沿程乳化過(guò)程的表征

3.5.1 聚表劑乳狀液生成的表征參數(shù)

聚表劑在多孔介質(zhì)中運(yùn)移時(shí)影響乳狀液生成的因素眾多，包括內(nèi)外相黏度、密度、界面張力和剪切作用力等。表征乳狀液生成的理想?yún)?shù)需要將這些因素考慮在一起，但目前關(guān)于乳狀液在多孔介質(zhì)中形成的表征參數(shù)很少，比較有代表性的就是臨界韋伯?dāng)?shù)和毛細(xì)管數(shù)。Batchelor 認(rèn)為，影響液滴生成與破裂的主要控制力為黏性力、界面張力和湍流擴(kuò)散力，可以借助韋伯?dāng)?shù)Nwe來(lái)體現(xiàn)[25]，Nwe為慣性力與表面張力之比。

式中：G 為剪切速率，m?s-2；a 為液滴的半徑，μm；σ 為兩相界面張力，mN?m-1。研究表明，當(dāng)Nwe超過(guò)破裂臨界值時(shí)，液滴會(huì)發(fā)生破裂，這一臨界數(shù)并不是固定值，而是與液體物理性質(zhì)和流場(chǎng)屬性有關(guān)。為了將液滴破裂與乳化過(guò)程建立聯(lián)系，郭英[26]借助毛細(xì)管束模型建立了微觀Nwe與多孔介質(zhì)中宏觀毛細(xì)管數(shù)之間的聯(lián)系。假設(shè)在一束平行且相同的毛細(xì)管中，毛細(xì)管半徑為R，假設(shè)壓力梯度?p 均勻分布在介質(zhì)中，油相黏度為μ0，管內(nèi)流體的平均速率為

考慮多孔介質(zhì)的孔隙度φ、V 與微觀達(dá)西速率V0的關(guān)系為

毛細(xì)管內(nèi)壁的剪切速率為

為了簡(jiǎn)化模型，認(rèn)為懸浮的液滴半徑與毛細(xì)管的半徑相同時(shí)會(huì)發(fā)生液滴破裂，Nwe可以寫(xiě)為

上述模型的推導(dǎo)基礎(chǔ)是理想毛細(xì)管束模型，將其推廣到實(shí)際多孔介質(zhì)中：

f 為反映多孔介質(zhì)特性的特征參數(shù)，一般是變值。Nc為毛細(xì)管數(shù)，是黏滯力與表面張力之比。當(dāng)流體在多孔介質(zhì)中Nwe小于臨界Nwe時(shí)，乳狀液滴即可形成，因此可以認(rèn)為Nwe對(duì)應(yīng)的毛細(xì)管數(shù)可以表征乳狀液液滴的形成。從毛管數(shù)的構(gòu)成來(lái)看，考慮了注入速度、黏度以及界面張力，但根據(jù)上文研究結(jié)果可知，除這些因素之外，運(yùn)移距離也是影響乳狀液生成的重要原因。隨著運(yùn)移距離的增加，驅(qū)替相的性能例如黏度、濃度會(huì)發(fā)生一定的變化，而且驅(qū)替相與原油的接觸關(guān)系以及接觸的難易程度也會(huì)與注入端有較大差異，這些差異的綜合作用反映在實(shí)際參數(shù)上可以認(rèn)為是壓力梯度的變化，因此將壓力梯度引入毛細(xì)管數(shù)，組成新的無(wú)量綱數(shù)Ne，表示聚表劑在多孔介質(zhì)中聚表劑乳狀液生成的難易程度。考慮到聚表劑乳狀液隨著運(yùn)移距離的增加，乳液穩(wěn)定性下降，生成困難。因此選擇壓力平穩(wěn)時(shí)刻的最大壓力梯度作為參考值，將壓力梯度無(wú)因次化。Ne的表達(dá)式為

式中：pig為壓力平穩(wěn)時(shí)刻的最大壓力梯度，MPa?cm-1；pg為巖心某位置的壓力梯度，MPa?cm-1。

根據(jù)單一注聚實(shí)驗(yàn)采液端是否有乳狀液生成，得到符合本文實(shí)驗(yàn)條件下聚表劑乳狀液生成的界定圖，結(jié)果見(jiàn)圖14。油水比、注入聚表劑濃度越高，乳化能力越強(qiáng)；運(yùn)移距離越遠(yuǎn)，乳化能力越弱。隨油水比的增加，Ne的增幅明顯小于其隨聚表劑濃度增加帶來(lái)的增幅，說(shuō)明聚表劑濃度對(duì)聚表劑的乳化能力影響更大，這與上一節(jié)關(guān)于聚表劑乳狀液生成與穩(wěn)定影響機(jī)制的分析結(jié)果相一致。整體上看，乳化界定圖中乳化區(qū)要遠(yuǎn)大于兩相區(qū)，說(shuō)明該種聚表劑的乳化能力較強(qiáng)，在多孔介質(zhì)中易發(fā)生乳化作用。圖中出現(xiàn)的異常值代表油聚同注實(shí)驗(yàn)的巖心末端即使Ne小于閾值，仍有乳狀液生成，分析原因筆者認(rèn)為是相比于單一注聚的實(shí)驗(yàn)方法，油水同注增大了油水的接觸機(jī)會(huì)與油水混合程度，相當(dāng)于為乳液的生成提供了額外的助力，聚表劑溶液需要較少的能量與殘余油滴充分混合接觸，即可生成乳狀液。這里的能量就可以理解為其他因素共同作用產(chǎn)生的閾值 Ne，因此使得其乳液生成的 Ne閾值要小于單一注聚。另外一種原因可能是前端生成的乳狀液穩(wěn)定性較好，運(yùn)移至末端時(shí)仍未破乳，導(dǎo)致該異常值出現(xiàn)。

3.5.2 聚表劑乳狀液在多孔介質(zhì)中沿程的乳化過(guò)程表征

為了更加直觀地表示聚表劑在多孔介質(zhì)中的乳化過(guò)程，根據(jù)Ne值的變化過(guò)程，繪制了可以代表完整驅(qū)替過(guò)程中乳化情況的灰度動(dòng)態(tài)示意圖，結(jié)果見(jiàn)圖15。

該灰度圖的繪制過(guò)程是，以圖 14 中的最大Ne值為基準(zhǔn)值，將該值認(rèn)為是最大乳化程度，其在灰度圖上標(biāo)定為黑色。實(shí)驗(yàn)所用巖心為均質(zhì)巖心，因此可將壓力梯度的分布認(rèn)為是均勻分布，結(jié)合圖 14 給出的 Ne與距離的關(guān)系，可將Ne值隨距離的變化關(guān)系近似為直線關(guān)系，從而可以計(jì)算得到巖心任意位置的Ne值。該值與前述Ne基準(zhǔn)值的比值即為該時(shí)刻該位置的乳化像素系數(shù)。利用 Matlab進(jìn)行批量處理，得到最終的乳化動(dòng)態(tài)灰度圖。圖中水平方向代表巖心長(zhǎng)度 0～30 cm，豎直方向代表驅(qū)替時(shí)間，從上到下時(shí)間逐漸增大。圖中每一條水平線代表對(duì)應(yīng)時(shí)刻巖心各處的乳化情況。將各時(shí)刻對(duì)應(yīng)的水平線堆疊起來(lái)，得到表征整個(gè)驅(qū)替過(guò)程中巖心內(nèi)乳化情況的動(dòng)態(tài)灰度圖。

圖14 Ne 標(biāo)定的乳化圖版Fig.14 Emulsion plates of polymeric surfactants obtained from Ne calculation

圖15 聚表劑在多孔介質(zhì)中乳化動(dòng)態(tài)灰度圖Fig.15 Dynamic grayscale of emulsification processes in porous media

由圖15 的繪制過(guò)程可知，沿水平線的灰度值不變，表示巖心聚表劑在多孔介質(zhì)中流動(dòng)時(shí)，乳化作用沒(méi)有發(fā)生明顯變化，當(dāng)左右灰度值差異較大時(shí)，表明聚表劑在巖心內(nèi)部乳化作用差距明顯。對(duì)于油聚同注實(shí)驗(yàn)，注入時(shí)間小于突破時(shí)間時(shí)，乳化前緣帶(圖中亮暗交界處)隨著時(shí)間的推移向右移動(dòng)，反映出油水運(yùn)移前緣與乳化幾乎是同步的，原因是由于在注入前油水已充分混合，相當(dāng)于提前為乳液的形成提供了一定助力，間接減小了乳液生成所需的外在動(dòng)力，使其在注入過(guò)程中，即使是在油水比對(duì)乳化發(fā)生不利的情況下，也可形成乳狀液，但穩(wěn)定性較差。灰度圖顏色的深淺同樣也可以代表形成乳液的穩(wěn)定性強(qiáng)弱，顏色越深，代表形成的乳狀液越穩(wěn)定。突破后，從入口端至出口端，顏色由深變淺，表明乳液穩(wěn)定性隨著運(yùn)移距離的增加而變?nèi)?，這與上節(jié)實(shí)驗(yàn)中不同運(yùn)移距離所形成乳狀液穩(wěn)定性的結(jié)果分析是一致的。對(duì)于單一注聚實(shí)驗(yàn)，聚表劑驅(qū)替濃度為500 mg?L-1時(shí)，實(shí)驗(yàn)全程沒(méi)有發(fā)生乳化，隨著聚表劑濃度的增加，灰度圖各部分顏色逐漸加深，乳化開(kāi)始，且聚表劑濃度越大，乳化作用越強(qiáng)，這與實(shí)驗(yàn)結(jié)果也是相符的。

4 結(jié) 論

(1) 締合結(jié)構(gòu)形成的腔體對(duì)殘余油的捕集作用是聚表劑乳狀液產(chǎn)生與穩(wěn)定的重要作用機(jī)制。

(2) 油水比、聚表劑濃度、運(yùn)移距離影響形成乳狀液的粒徑大小及穩(wěn)定性強(qiáng)弱。聚表劑在多孔介質(zhì)中運(yùn)移距離越遠(yuǎn)，生成的乳狀液粒徑越大，穩(wěn)定性越弱；與運(yùn)移距離相反，油水比與聚表劑濃度越大，越容易生成乳狀液，且所生成乳狀液的粒徑越小，穩(wěn)定性越好。

(3) 將無(wú)因次壓力梯度與毛細(xì)管數(shù)相結(jié)合得到聚表劑乳狀液的表征參數(shù)，以此參數(shù)為基礎(chǔ)，得到表征驅(qū)替過(guò)程乳化情況的灰度示意圖，該圖與實(shí)驗(yàn)得到的聚表劑在多孔介質(zhì)中乳化過(guò)程有較好一致性，說(shuō)明這種表示乳化方式有效，這對(duì)于聚表劑數(shù)值模擬過(guò)程中乳化作用表征有一定的指導(dǎo)作用。