微乳液粘度數(shù)學(xué)模型的建立

1、第十四屆全國(guó)水動(dòng)力學(xué)研討會(huì)暨第二十八屆全國(guó)水動(dòng)力學(xué)研討會(huì)文集- - -微乳液粘度數(shù)學(xué)模型的建立殷代印，王東琪（東北石油大學(xué)石油工程學(xué)院，黑龍江大慶163318Email:）摘要：微乳液粘度與其相態(tài)及粒徑分布相關(guān)，為研究微乳液體系在驅(qū)油過程中的相態(tài)變化及由此引起的驅(qū)替液體系粘度差異，本文應(yīng)用SDS/正丁醇/NaCl/輕質(zhì)油和水配制不同水-油體積比條件下的微乳液并測(cè)定其粘度及粒徑分布。研究結(jié)果表明：不同相態(tài)微乳液體系其粘度遵循不同的變化規(guī)律，且相態(tài)發(fā)生變化時(shí)其粘度變化幅度較大；微乳液粒徑分布與其相態(tài)具有較好的相關(guān)性?？紤]微乳液粒子表面溶劑化層厚度及粒徑分布規(guī)律，對(duì)Einstein粘度模型中分散相體

2、積分?jǐn)?shù)進(jìn)行修正并引入其高次冪項(xiàng)用于描述上相微乳液體系粘度變化規(guī)律。本文研究結(jié)果能夠大幅度提高微乳液粘度擬合精度，可為低滲透油藏微乳液數(shù)值模擬技術(shù)的發(fā)展奠定基礎(chǔ)。關(guān)鍵詞：微乳液相態(tài)、微乳液粘度、粒徑分布、Einstein粘度模型1引言表面活性劑具有兩親結(jié)構(gòu)，能夠吸附在油水界面降低界面張力。在不同濃度范圍內(nèi)，表面活性劑體系存在兩個(gè)超低界面區(qū)間，分別發(fā)展成為活性水驅(qū)油體系及微乳液驅(qū)油體系1-2。由于微乳液體系具有超低界面張力3-4、大量增容油和水5、體系粘度大、良好的流度控制等優(yōu)點(diǎn)成為改善低滲透油藏水驅(qū)后開發(fā)效果的研究熱點(diǎn)6-10。由于微乳液體系組成成分較多，性質(zhì)變化復(fù)雜，精確描述微乳液體系在驅(qū)油過

3、程中提高采收率物化機(jī)理成為其理論研究的重點(diǎn)。目前，較為成熟的表面活性劑驅(qū)油數(shù)值模擬軟件大致分為兩類：一是以黑油模型基礎(chǔ)，簡(jiǎn)化處理（線性差值）驅(qū)油過程中相關(guān)物化參數(shù)（吸附量、界面張力等）而得到的模擬軟件；二是以物質(zhì)守恒定律為基礎(chǔ)，充分考慮各組分在驅(qū)油過程中的物化現(xiàn)象而建立的模擬軟件。美國(guó)德克薩斯大學(xué)在化學(xué)驅(qū)數(shù)值模擬研究領(lǐng)域一直處于世界領(lǐng)先水平，所編譯的UTCHEMW數(shù)值模擬軟件也被廣泛應(yīng)用于室內(nèi)研究及礦場(chǎng)實(shí)踐。該模型在描述微乳液體系粘度時(shí)始終認(rèn)為驅(qū)油體系為中相微乳液（即不考慮其相態(tài)變化），模擬計(jì)算時(shí)粘度較高，這將導(dǎo)致模型計(jì)算的相關(guān)動(dòng)態(tài)參數(shù)與室內(nèi)試驗(yàn)研究存在較大差異。本文應(yīng)用SDS/正丁醇/NaC

4、l/油和水配置中相微乳液，通過改變體系中水-油體積比來(lái)模擬驅(qū)油過程中微乳液體系相態(tài)變化，并測(cè)得不同相態(tài)下主要物化參數(shù)（粘度、粒徑分布）。微乳液體系由中相變?yōu)樯舷嗟倪^程中，微乳液粘度大幅度降低，同時(shí)粒徑較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較高擬合精度，計(jì)算上相微乳液粘度則存在較大誤差。為此，本文從上相微乳液結(jié)構(gòu)特征出發(fā)，考慮微乳液粒子表面溶劑化層及粒徑分布規(guī)律，對(duì)Einstein粘度模型中分散相體積分?jǐn)?shù)進(jìn)行修正，使該模型由線性變?yōu)榉蔷€性。另外，由于微乳液離子半徑與溶劑化層厚度尺寸相當(dāng)，應(yīng)用體積分?jǐn)?shù)計(jì)算體系粘度時(shí)不能忽略其高次冪項(xiàng)。對(duì)Einstein粘度模型進(jìn)行

5、修正后，使得上相微乳液體系粘度的描述精度大大提高。研究結(jié)果對(duì)于進(jìn)一步發(fā)展低滲透油藏表面活性劑微乳液驅(qū)數(shù)值模擬奠定基礎(chǔ)2實(shí)驗(yàn)原理廖廣志等人12的研究表明：采用表面活性劑段塞后進(jìn)行后續(xù)水驅(qū)的注入方案進(jìn)行原油驅(qū)替時(shí)的最佳段塞組成為油包水型微乳液體系+中相微乳液體系，并分別對(duì)應(yīng)高含鹽量和低含鹽量。雖然該體系能夠取得較好的開發(fā)效果，但其成本較高，在礦場(chǎng)實(shí)踐當(dāng)中存在一定的局限性。為了能夠兼顧油田的開發(fā)效果及其經(jīng)濟(jì)效益，使得驅(qū)替體系在油藏內(nèi)接近中相微乳液并保持相對(duì)穩(wěn)定至關(guān)重要。當(dāng)微乳液體系進(jìn)入地層后，優(yōu)先進(jìn)入含水飽和度較高的孔道，增溶水及其內(nèi)部的殘余油。由于低滲透油藏的滲流阻力較大，滲流速度較低，可以認(rèn)為增

6、溶油和水的驅(qū)油體系處于平衡狀態(tài)。因此，在本文實(shí)驗(yàn)研究中，逐漸增大試管內(nèi)中相微乳液體系水-油體積比能夠近似模擬微乳液體系在地層內(nèi)的驅(qū)油過程。增加微乳液體系中水-油體積比，其相態(tài)變化如圖1所示。a.Vw/Vo=1b.Vw/Vo=5圖1不同相態(tài)微乳液體系第十四屆全國(guó)水動(dòng)力學(xué)研討會(huì)暨第二十八屆全國(guó)水動(dòng)力學(xué)研討會(huì)文集第十四屆全國(guó)水動(dòng)力學(xué)研討會(huì)暨第二十八屆全國(guó)水動(dòng)力學(xué)研討會(huì)文集0- -0- #-3實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析實(shí)驗(yàn)過程中逐漸增大微乳液體系內(nèi)水-油體積比，測(cè)量并記錄不同水-油體積比條件下各相體積分?jǐn)?shù)如圖2所示。012Vw/Vo345圖2不同水-油體積比條件下各相體積分?jǐn)?shù)實(shí)驗(yàn)測(cè)得不同相態(tài)條件下微乳液體系粘度及

7、粒徑分布如圖3-圖5所示%率頻布分11.522.533.544.555.5Vw/Vo圖3不同水-油體積比條件下微乳液體系粘度Vw/Vo=5Vw/Vo=4.5Vw/Vo=4Vw/Vo=3.5Vw/Vo=300.050.1粒徑.15“m)20.250.3圖4液粒子結(jié)構(gòu)第十四屆全國(guó)水動(dòng)力學(xué)研討會(huì)暨第二十八屆全國(guó)水動(dòng)力學(xué)研討會(huì)文集第十四屆全國(guó)水動(dòng)力學(xué)研討會(huì)暨第二十八屆全國(guó)水動(dòng)力學(xué)研討會(huì)文集- - -水-油體積比由1增加至3的過程中，油相體積逐漸減小，水相體積逐漸增加，微乳液體系始終保持中相；水-油體積比大于3后，油相消失，微乳液由中相變?yōu)樯舷?。微乳液相態(tài)發(fā)生變化時(shí)（Vw/Vo=3附近），其粘度迅速降低

8、，且不同相態(tài)微乳液體系的粘度遵循不同的變化規(guī)律。UTCHEM軟件模擬微乳液體系始終處于中相，其體系粘度表達(dá)式13如公式1所示。應(yīng)用實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)測(cè)量相關(guān)參數(shù)后得到擬合曲線如圖3所示。該曲線對(duì)于中相微乳液粘度描述精度較高，但對(duì)于上相微乳液粘度的描述則存在較大誤差，其主要原因是該模型無(wú)法刻畫由于相態(tài)變化而引起的微乳液存在形式的差異。中相微乳液以雙連續(xù)結(jié)構(gòu)為主，其中存在部分晶片結(jié)構(gòu)，其性質(zhì)與聚合物體系存在相似性，由于各相分布及性質(zhì)相對(duì)穩(wěn)定，應(yīng)用加權(quán)方法進(jìn)行描述精度較高；上相微乳液中粒子以球形（或近似球形）的形式存在，其粒徑大小及分布頻率受體系組成影響，應(yīng)用公式（1）進(jìn)行計(jì)算會(huì)產(chǎn)生較大誤差。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變學(xué)中，對(duì)于球形質(zhì)點(diǎn)分子在稀分散體系內(nèi)的粘度描述能夠用Einstein粘度公式表示14，即：卩二即+2.50）（2）應(yīng)用上述公式進(jìn)行上相微乳液粘度描述會(huì)產(chǎn)生較大誤差，其原因如下：一是分散相體積分?jǐn)?shù)小于0.1時(shí)，上述公式計(jì)算精度較高，但上相微乳液體系內(nèi)的質(zhì)點(diǎn)體積分?jǐn)?shù)較大；二是上述公式在推導(dǎo)簡(jiǎn)化過程中沒有考慮溶劑化層的影響，且質(zhì)點(diǎn)分子遠(yuǎn)大于溶劑分子，而微乳液粒子大多分布在1至100nm之間，與水分子（分子直徑為0.4nm）處于同一數(shù)量級(jí)，因此，溶劑化層引起的體積變化不能忽略15。設(shè)上相微乳液體系內(nèi)，溶劑化層厚度為r，存在n種不同半徑的

10、微乳液粒子，且半徑為Ri的離子體積分?jǐn)?shù)為f（R）那么，對(duì)半徑為Ri的離子有：不考慮溶劑化層的粒子體積：4V=兀R3（3）Ri3i考慮溶劑化層的粒子體積：4)4V=n(R+r)3Ri+r3i其體積分?jǐn)?shù)變化倍數(shù)：VR+rR+r”RRii4n(R+r)33ir3r3r2r3(1+)31+-RRR2R3iiii5)由公式5可知：當(dāng)質(zhì)點(diǎn)粒子尺寸遠(yuǎn)大于溶劑化層厚度時(shí)，公式中的后兩項(xiàng)趨于無(wú)窮小，可以忽略不計(jì)。由于微乳液粒子溶劑化層厚度r與微乳液粒子半徑R.相當(dāng)，后兩項(xiàng)不可忽i略。綜合考慮上相微乳液的粒度組成，其體系內(nèi)溶劑化變化引起的分散相體積分?jǐn)?shù)：-2f(R)(6)iRi+ri1i由于分散相體積分?jǐn)?shù)非線性變

11、化，不能忽略其高次幕項(xiàng)，則上相微乳液體系粘度可表示為：11+2卩牛卩(7)(1)20應(yīng)用公式57對(duì)Einstein粘度模型進(jìn)行修正，其計(jì)算結(jié)果如圖3所示。當(dāng)V/V接近3wo時(shí)，微乳液粒子較大，分散相體積分?jǐn)?shù)減小幅度較大，導(dǎo)致體相粘度明顯增加，曲線“上翹”；當(dāng)V/V接近5時(shí)，微乳液粒子較小，分散相體積分?jǐn)?shù)增加幅度較大，導(dǎo)致體相粘wo度明顯降低，曲線“下跌”。應(yīng)用修正的Einstein粘度模型對(duì)上相微乳液粘度進(jìn)行描述能夠保證較高精度。5結(jié)論1、微乳液粘度與其相態(tài)相關(guān)，不同相態(tài)內(nèi)其粘度變化規(guī)律不同，且在相態(tài)發(fā)生變化時(shí)其粘度變化幅度較大。2、考慮溶劑化層及微乳液粒徑分布規(guī)律對(duì)Einstein粘度模型中

12、分散相體積分?jǐn)?shù)進(jìn)行修正，使得該模型由線性變?yōu)榉蔷€性。3、由于微乳液分子粒徑與溶劑化層尺寸接近，分散相體積分?jǐn)?shù)取值變化范圍較大,引進(jìn)Einstein粘度模型中高次幕項(xiàng)描述上相微乳液粘度精度較高。參考文獻(xiàn)1李超,王輝,劉瀟冰,李懷科,羅健生,孫德軍.納米乳液與微乳液在油氣生產(chǎn)中的應(yīng)用進(jìn)展J.鉆井液與完井液,2014,(02):79-84+101-102.鄧伶俐,余立意,買爾哈巴塔西帕拉提,張輝納米乳液與微乳液的研究進(jìn)展J.中國(guó)食品學(xué)報(bào),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

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17、sion第十四屆全國(guó)水動(dòng)力學(xué)研討會(huì)暨第二十八屆全國(guó)水動(dòng)力學(xué)研討會(huì)文集第十四屆全國(guó)水動(dòng)力學(xué)研討會(huì)暨第二十八屆全國(guó)水動(dòng)力學(xué)研討會(huì)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