摘要:為了探討油包水(W/O)型乳狀液的微觀特性及其對穩(wěn)定性及積液形成規(guī)律的影響,采用攪拌乳化實驗和顯微觀察實驗，系統(tǒng)研究了含水率、剪切速率及CO2過飽和處理等因素對乳狀液粒徑分布和穩(wěn)定性的影響，并基于實驗數(shù)據(jù)建立了符合MH油樣的積液形成速率模型。結(jié)果表明，剪切速率顯著影響乳狀液的粒徑分布及穩(wěn)定性:中等剪切速率(6000~9600s-1)可有效增強乳狀液的穩(wěn)定性,并實現(xiàn)液滴的均勻分布;當(dāng)含水率低于30%時，隨著含水率的增加，液滴粒徑減小，但過高的含水率可能導(dǎo)致分層速率下降;經(jīng)CO2飽和處理后，油水界面張力降低,乳狀液的穩(wěn)定性增強,但過量CO2溢散會破壞油水界面平衡,加劇液滴聚并;合理控制剪切速率、含水率及CO2濃度,可有效提高管道輸送性能,減少底部積液,提升油田集輸系統(tǒng)的運行穩(wěn)定性。該研究成果為含CO2驅(qū)替工藝下的集輸管道積液控制提供了理論依據(jù)，對油田生產(chǎn)管理具有重要的工程應(yīng)用價值。

乳狀液作為油田開發(fā)和集輸過程中普遍存在的復(fù)雜分散體系，其穩(wěn)定性直接影響原油的黏度特征、管道輸送效率以及系統(tǒng)安全性。按照分散相和連續(xù)相的差異，乳狀液可劃分為油包水(W/O)、水包油(O/W)及多重乳狀液(W/O/W、O/W/O等)等多種類型。在這些乳狀液類型中，W/O型乳狀液最為常見，而該類乳狀液的穩(wěn)定性主要受液滴粒徑分布、界面活性物質(zhì)種類以及外部流場條件的影響。穩(wěn)定的乳狀液不僅會使原油黏度增大、分離難度提升，還可能造成集輸管道積液積聚和流動受阻，對油田的生產(chǎn)安全構(gòu)成威脅。因此，系統(tǒng)研究乳狀液的穩(wěn)定性及其影響因素具有重要意義。

液滴粒徑是影響乳狀液穩(wěn)定性的關(guān)鍵因素之一。粒徑較小而均一的液滴通常具有較高的穩(wěn)定性，而粒徑較大的液滴則較易發(fā)生聚并和沉降。液滴粒徑的形成受界面活性劑吸附、油相黏度及攪拌條件的影響。近年來，光學(xué)顯微鏡與圖像處理技術(shù)被廣泛應(yīng)用于乳狀液粒徑的測量，有效克服了傳統(tǒng)方法存在主觀性強和精度不足的問題。A.J.KARABELAS通過高速攝影結(jié)合液滴捕集方法發(fā)現(xiàn)，對數(shù)正態(tài)分布模型可較好地描述液滴粒徑的分布特征，為乳狀液穩(wěn)定性分析提供有力的數(shù)學(xué)工具。

含水率是影響乳狀液結(jié)構(gòu)形態(tài)和分層速率的重要因素。在低含水率下，由于液滴碰撞頻率較低，乳狀液表現(xiàn)出高穩(wěn)定性;隨著含水率的增加，油水界面接觸面積增大，液滴更易發(fā)生碰撞并破碎，從而使粒徑減小。然而，當(dāng)含水率進(jìn)一步增加(通常超過40%~50%)時，水相開始逐漸形成連續(xù)相，此時液滴的沉降受到限制，分層速率下降。這一現(xiàn)象表明，含水率與乳狀液穩(wěn)定性的關(guān)系具有非線性特征。

外部剪切作用直接影響液滴的破碎和聚并行為。在低剪切速率下，液滴破碎受限，粒徑較大，穩(wěn)定性較差;當(dāng)施加中等剪切速率時，可有效促進(jìn)液滴細(xì)化并提高其均一性，進(jìn)而增強穩(wěn)定性。但是，過高的剪切速率會破壞界面膜結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致液滴聚并。此外，管道內(nèi)的流動條件(如湍流與溫度波動)也會顯著影響乳狀液的流變行為和分層速率。由此可見，實驗室靜態(tài)實驗條件與實際工況存在明顯差異。

在“雙碳”目標(biāo)背景下,CO2驅(qū)油與CO2利用成為油氣領(lǐng)域的重要方向。CO2對乳狀液穩(wěn)定性的影響受到學(xué)者的廣泛關(guān)注。適量溶解的CO2可降低油水界面張力，促使液滴細(xì)化與形態(tài)均一化，從而提高乳狀液的穩(wěn)定性。但是，在高含水率或高CO2分壓條件下，過量溢散的CO2可能引起界面失穩(wěn),加劇液滴的聚并和分層,表現(xiàn)出CO2對乳狀液作用的“雙重性”。如何準(zhǔn)確表征該雙重作用仍是當(dāng)前實驗設(shè)計與模型構(gòu)建領(lǐng)域亟待解決的問題。近年來，相關(guān)研究取得重要進(jìn)展。G.Y.SUN等研究結(jié)果表明，超臨界CO2處理能夠顯著提高乳狀液的儲能模量、屈服應(yīng)力和黏度，同時減小液滴粒徑,增強其穩(wěn)定性;J.Z.JIANG等構(gòu)建的CO2/N2響應(yīng)型可切換乳狀液體系實現(xiàn)了液滴粒徑與黏度的雙向調(diào)節(jié);T.LU等通過實驗測試與分子模擬相結(jié)合的方法，證實了二十二烷基三甲基溴化銨(AOT)穩(wěn)定的水包CO2(CO2-in-water)型乳狀液在提高原油采收率方面的顯著優(yōu)勢;同時，SPE(Society of Petroleum Engineers)會議報告也指出，在頁巖油藏條件下，超臨界CO2(scCO2)與微乳復(fù)合體系可產(chǎn)生協(xié)同增效作用，提升滲透油層的動用效率。上述研究成果為深入理解CO2環(huán)境下乳狀液的多因素耦合作用提供了新的實驗依據(jù)與理論支撐。

乳狀液積液的形成機理復(fù)雜，傳統(tǒng)Stokes定律主要適用于低含水率的情況，在高含水率中其適用性較差。近年來，研究者通過引入修正系數(shù)和建立經(jīng)驗?zāi)Ｐ偷确绞?，將液滴聚并、界面不穩(wěn)定性和黏度變化等因素納入考慮范圍。例如，溫江波等提出的修正模型可在高含水率條件下較為準(zhǔn)確地預(yù)測分層速率，但其適用范圍仍局限于特定的工況條件。總體而言，現(xiàn)有模型尚難以實現(xiàn)對剪切速率、含水率和CO2作用的全面耦合。

綜上所述，現(xiàn)有研究雖已揭示了含水率與剪切速率對乳狀液穩(wěn)定性的影響規(guī)律，但在CO2作用下的多因素耦合效應(yīng)仍缺乏系統(tǒng)研究。同時，現(xiàn)有模型在高含水率及復(fù)雜工況下的適用性有限。因此，本文通過實驗系統(tǒng)研究了含水率、剪切速率及CO2過飽和處理等因素對W/O型乳狀液穩(wěn)定性的影響，并構(gòu)建了修正后的積液形成速率模型，以期為CO2驅(qū)油工藝中集輸管道的積液預(yù)測與控制提供理論支持。

1實驗部分

1.1實驗材料

實驗所用原油樣品均取自新疆地區(qū),標(biāo)記為MH。MH的物理性質(zhì)及化學(xué)組分如表1所示,MH的黏溫關(guān)系曲線如圖1所示。MH的組分測定依據(jù)SY/T7549-2000進(jìn)行。實驗前，為消除剪切及熱歷史的影響，首先將油樣置于80℃的水浴中預(yù)熱2h,隨后在室溫條件下自然冷卻48h,以確保樣品均勻穩(wěn)定，滿足后續(xù)分析測試的要求。

1.2乳狀液的制備及其測試方法

1.2.1乳狀液的制備

乳狀液的制備采用RW20型數(shù)字?jǐn)嚢杵?德國艾卡集團),該設(shè)備配備直徑為30mm、傾角為45°的四葉螺旋槳，轉(zhuǎn)速為0~2000r/min。乳化操作在250mL玻璃燒杯中進(jìn)行，每次實驗油水混合乳狀液的總體積恒定為200mL;將全部水相一次性加入油相中攪拌10min;設(shè)定攪拌轉(zhuǎn)速分別為400、500、600、700、800r/min，同時控制乳狀液含水率分別為10%、20%、30%、40%、50%;攪拌結(jié)束后，將所得乳狀液樣品轉(zhuǎn)移至XP-62型顯微鏡(上海蒲柘光電儀器有限公司)載物臺上，用于后續(xù)微觀形貌的觀察與分析。

1.2.2 CO2過飽和處理

實驗所用CO2為克拉瑪依石化公司生產(chǎn)的高壓氣瓶裝氣體，氣瓶容積為10L,CO2氣體純度為99.999%。通過橡膠軟管,將高壓氣瓶中的CO2氣體引人乳狀液中,使CO2在液體中緩慢溶解,直至達(dá)到過飽和狀態(tài)。實驗過程中,使用流量計和壓力表精確控制CO2的流量,以調(diào)節(jié)乳狀液的界面張力和液滴穩(wěn)定性。

1.2.3粒徑觀測

將樣品在設(shè)定溫度下保持2~3 min,同時調(diào)整顯微鏡的目鏡、孔徑和亮度,直至水滴顆粒清晰可見,以便獲取其微觀形貌信息。通過顯微觀察,分析水滴聚集體的分布及其粒徑特征。實驗裝置的核心部件為顯微鏡,在其左右兩側(cè)分別獨立放置武漢重光科技有限公司生產(chǎn)的冷熱臺和計算機(見圖2)。實驗溫度設(shè)定為50℃,利用冷熱臺實現(xiàn)精確控制。采用ImageJ軟件對水滴的微觀形貌及分布進(jìn)行分析，并進(jìn)一步計算得到粒徑分布的數(shù)據(jù)。

1.2.4流變測試

W/O型乳狀液的凝點實驗依據(jù)SY/T0541-2009進(jìn)行,實驗儀器選用大連大唐科學(xué)儀器有限公司生產(chǎn)的DT-4003C型凝點測定儀。乳狀液黏溫關(guān)系測試依據(jù)SY/T0520-2008進(jìn)行，實驗儀器選用賽默飛公司生產(chǎn)的VTIQ系列流變儀。

1.2.5穩(wěn)定性分析

在研究乳狀液的穩(wěn)定性時，主要考察其在靜態(tài)條件下的穩(wěn)定性。將在不同含水率、攪拌轉(zhuǎn)速下制備(經(jīng)CO2處理前后)的乳狀液置于250mL具塞量筒中，并放入50℃的恒溫水浴中靜置并開始計時，連續(xù)觀測3h;記錄不同時間點的析出水體積,計算乳狀液的析水速率;在各時間點從具塞量筒底部蘸取乳狀液液滴，在顯微鏡下觀測其粒徑分布。