微乳液粘度数学模型的建立

1、第十四届全国水动力学研讨会暨第二十八届全国水动力学研讨会文集- - -微乳液粘度数学模型的建立殷代印，王东琪（东北石油大学石油工程学院，黑龙江大庆163318Email:）摘要：微乳液粘度与其相态及粒径分布相关，为研究微乳液体系在驱油过程中的相态变化及由此引起的驱替液体系粘度差异，本文应用SDS/正丁醇/NaCl/轻质油和水配制不同水-油体积比条件下的微乳液并测定其粘度及粒径分布。研究结果表明：不同相态微乳液体系其粘度遵循不同的变化规律，且相态发生变化时其粘度变化幅度较大；微乳液粒径分布与其相态具有较好的相关性。考虑微乳液粒子表面溶剂化层厚度及粒径分布规律，对Einstein粘度模型中分散相体

2、积分数进行修正并引入其高次幂项用于描述上相微乳液体系粘度变化规律。本文研究结果能够大幅度提高微乳液粘度拟合精度，可为低渗透油藏微乳液数值模拟技术的发展奠定基础。关键词：微乳液相态、微乳液粘度、粒径分布、Einstein粘度模型1引言表面活性剂具有两亲结构，能够吸附在油水界面降低界面张力。在不同浓度范围内，表面活性剂体系存在两个超低界面区间，分别发展成为活性水驱油体系及微乳液驱油体系1-2。由于微乳液体系具有超低界面张力3-4、大量增容油和水5、体系粘度大、良好的流度控制等优点成为改善低渗透油藏水驱后开发效果的研究热点6-10。由于微乳液体系组成成分较多，性质变化复杂，精确描述微乳液体系在驱油过

3、程中提高采收率物化机理成为其理论研究的重点。目前，较为成熟的表面活性剂驱油数值模拟软件大致分为两类：一是以黑油模型基础，简化处理（线性差值）驱油过程中相关物化参数（吸附量、界面张力等）而得到的模拟软件；二是以物质守恒定律为基础，充分考虑各组分在驱油过程中的物化现象而建立的模拟软件。美国德克萨斯大学在化学驱数值模拟研究领域一直处于世界领先水平，所编译的UTCHEMW数值模拟软件也被广泛应用于室内研究及矿场实践。该模型在描述微乳液体系粘度时始终认为驱油体系为中相微乳液（即不考虑其相态变化），模拟计算时粘度较高，这将导致模型计算的相关动态参数与室内试验研究存在较大差异。本文应用SDS/正丁醇/NaC

4、l/油和水配置中相微乳液，通过改变体系中水-油体积比来模拟驱油过程中微乳液体系相态变化，并测得不同相态下主要物化参数（粘度、粒径分布）。微乳液体系由中相变为上相的过程中，微乳液粘度大幅度降低，同时粒径较小的微乳液粒子所占比例增加。UTCHEM粘度模型描述中相微乳液粘度具有较高拟合精度，计算上相微乳液粘度则存在较大误差。为此，本文从上相微乳液结构特征出发，考虑微乳液粒子表面溶剂化层及粒径分布规律，对Einstein粘度模型中分散相体积分数进行修正，使该模型由线性变为非线性。另外，由于微乳液离子半径与溶剂化层厚度尺寸相当，应用体积分数计算体系粘度时不能忽略其高次幂项。对Einstein粘度模型进行

5、修正后，使得上相微乳液体系粘度的描述精度大大提高。研究结果对于进一步发展低渗透油藏表面活性剂微乳液驱数值模拟奠定基础2实验原理廖广志等人12的研究表明：采用表面活性剂段塞后进行后续水驱的注入方案进行原油驱替时的最佳段塞组成为油包水型微乳液体系+中相微乳液体系，并分别对应高含盐量和低含盐量。虽然该体系能够取得较好的开发效果，但其成本较高，在矿场实践当中存在一定的局限性。为了能够兼顾油田的开发效果及其经济效益，使得驱替体系在油藏内接近中相微乳液并保持相对稳定至关重要。当微乳液体系进入地层后，优先进入含水饱和度较高的孔道，增溶水及其内部的残余油。由于低渗透油藏的渗流阻力较大，渗流速度较低，可以认为增

6、溶油和水的驱油体系处于平衡状态。因此，在本文实验研究中，逐渐增大试管内中相微乳液体系水-油体积比能够近似模拟微乳液体系在地层内的驱油过程。增加微乳液体系中水-油体积比，其相态变化如图1所示。a.Vw/Vo=1b.Vw/Vo=5图1不同相态微乳液体系第十四届全国水动力学研讨会暨第二十八届全国水动力学研讨会文集第十四届全国水动力学研讨会暨第二十八届全国水动力学研讨会文集0- -0- #-3实验结果与分析实验过程中逐渐增大微乳液体系内水-油体积比，测量并记录不同水-油体积比条件下各相体积分数如图2所示。012Vw/Vo345图2不同水-油体积比条件下各相体积分数实验测得不同相态条件下微乳液体系粘度及

7、粒径分布如图3-图5所示%率频布分11.522.533.544.555.5Vw/Vo图3不同水-油体积比条件下微乳液体系粘度Vw/Vo=5Vw/Vo=4.5Vw/Vo=4Vw/Vo=3.5Vw/Vo=300.050.1粒径.15“m)20.250.3图4液粒子结构第十四届全国水动力学研讨会暨第二十八届全国水动力学研讨会文集第十四届全国水动力学研讨会暨第二十八届全国水动力学研讨会文集- - -水-油体积比由1增加至3的过程中，油相体积逐渐减小，水相体积逐渐增加，微乳液体系始终保持中相；水-油体积比大于3后，油相消失，微乳液由中相变为上相。微乳液相态发生变化时（Vw/Vo=3附近），其粘度迅速降低

8、，且不同相态微乳液体系的粘度遵循不同的变化规律。UTCHEM软件模拟微乳液体系始终处于中相，其体系粘度表达式13如公式1所示。应用实验数据测量相关参数后得到拟合曲线如图3所示。该曲线对于中相微乳液粘度描述精度较高，但对于上相微乳液粘度的描述则存在较大误差，其主要原因是该模型无法刻画由于相态变化而引起的微乳液存在形式的差异。中相微乳液以双连续结构为主，其中存在部分晶片结构，其性质与聚合物体系存在相似性，由于各相分布及性质相对稳定，应用加权方法进行描述精度较高；上相微乳液中粒子以球形（或近似球形）的形式存在，其粒径大小及分布频率受体系组成影响，应用公式（1）进行计算会产生较大误差。1）片二C/we

9、aiCd+C/Oea2Cd+卞3心皿）4上相微乳液粘度模型建立流变学中，对于球形质点分子在稀分散体系内的粘度描述能够用Einstein粘度公式表示14，即：卩二即+2.50）（2）应用上述公式进行上相微乳液粘度描述会产生较大误差，其原因如下：一是分散相体积分数小于0.1时，上述公式计算精度较高，但上相微乳液体系内的质点体积分数较大；二是上述公式在推导简化过程中没有考虑溶剂化层的影响，且质点分子远大于溶剂分子，而微乳液粒子大多分布在1至100nm之间，与水分子（分子直径为0.4nm）处于同一数量级，因此，溶剂化层引起的体积变化不能忽略15。设上相微乳液体系内，溶剂化层厚度为r，存在n种不同半径的

10、微乳液粒子，且半径为Ri的离子体积分数为f（R）那么，对半径为Ri的离子有：不考虑溶剂化层的粒子体积：4V=兀R3（3）Ri3i考虑溶剂化层的粒子体积：4)4V=n(R+r)3Ri+r3i其体积分数变化倍数：VR+rR+r”RRii4n(R+r)33ir3r3r2r3(1+)31+-RRR2R3iiii5)由公式5可知：当质点粒子尺寸远大于溶剂化层厚度时，公式中的后两项趋于无穷小，可以忽略不计。由于微乳液粒子溶剂化层厚度r与微乳液粒子半径R.相当，后两项不可忽i略。综合考虑上相微乳液的粒度组成，其体系内溶剂化变化引起的分散相体积分数：-2f(R)(6)iRi+ri1i由于分散相体积分数非线性变

11、化，不能忽略其高次幕项，则上相微乳液体系粘度可表示为：11+2卩牛卩(7)(1)20应用公式57对Einstein粘度模型进行修正，其计算结果如图3所示。当V/V接近3wo时，微乳液粒子较大，分散相体积分数减小幅度较大，导致体相粘度明显增加，曲线“上翘”；当V/V接近5时，微乳液粒子较小，分散相体积分数增加幅度较大，导致体相粘wo度明显降低，曲线“下跌”。应用修正的Einstein粘度模型对上相微乳液粘度进行描述能够保证较高精度。5结论1、微乳液粘度与其相态相关，不同相态内其粘度变化规律不同，且在相态发生变化时其粘度变化幅度较大。2、考虑溶剂化层及微乳液粒径分布规律对Einstein粘度模型中

12、分散相体积分数进行修正，使得该模型由线性变为非线性。3、由于微乳液分子粒径与溶剂化层尺寸接近，分散相体积分数取值变化范围较大,引进Einstein粘度模型中高次幕项描述上相微乳液粘度精度较高。参考文献1李超,王辉,刘潇冰,李怀科,罗健生,孙德军.纳米乳液与微乳液在油气生产中的应用进展J.钻井液与完井液,2014,(02):79-84+101-102.邓伶俐,余立意,买尔哈巴塔西帕拉提,张辉纳米乳液与微乳液的研究进展J.中国食品学报,2013,(08):173-180.S.Z.Mahdavi,J.Aalaie,T.Miri,S.M.R.Razavi,M.R.Rahmani.Studyofpoly

13、acrylamide-surfactantsystemonthewater-ilinterfacepropertiesandrheologicalpropertiesforEORJ.ArabianJournalofChemistry,2016.HiroakiShirai,Yu-YuanHuang,TetsuYonezawa,TomoharuTokunaga,Wei-ChenChang,SaadM.Alshehri,BoJiang,YusukeYamauchi,KevinC.-W.Wu.Hard-templatingsynthesisofmacroporousplatinummicroballs

14、(MPtM)J.MaterialsLetters,2016,164.XiaoyuMa,YayingChen,JiangchaoQian,YuanYuan,ChangshengLiu.ControllablesynthesisofsphericalhydroxyapatitenanoparticlesusinginversemicroemulsionmethodJ.MaterialsChemistryandPhysics,2016.刘鹏,王业飞，张国萍,王桂杰，郭茂雷,陈庆国，程利民.表面活性剂驱乳化作用对提高采收率的影响J.油气地质与采收率,2014,(01):99-102+117-118.赵

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17、sion第十四届全国水动力学研讨会暨第二十八届全国水动力学研讨会文集第十四届全国水动力学研讨会暨第二十八届全国水动力学研讨会文集- #- #-ViscosityYINDai-yin,WANGDong-qi(NortheastPetroleumUniversity,Heilongjiang,Daqing163318Email: HYPERLINK mailto: )Abstract：Theviscosityofmicroemulsionsystemisrelatedtoitsphaseandtheparticlesizedistribution.Inordertostudythephasecha

18、ngeofthemicroemulsionsystemduringtheoildisplacedprocessandtheviscosityvarietyoffloodingsystem,theSDS/butanol/NaCl/lightoilandwaterwereusedtocompoundmicroemulsionsystemunderdifferentwater-oilvolumeratio,further,thevarietyandtheparticlesizedistributionweremeasuredindifferentconditions,inthispaper.Theresearchresultsshowthat:theviscosityofdifferentphasemicroemulsionsystemfollowsdifferentlaws,thereisahugechangeoftheviscositywhenthephasechanging,an