摘要:為了探討油包水(W/O)型乳狀液的微觀特性及其對穩定性及積液形成規律的影響,采用攪拌乳化實驗和顯微觀察實驗，系統研究了含水率、剪切速率及CO2過飽和處理等因素對乳狀液粒徑分布和穩定性的影響，并基于實驗數據建立了符合MH油樣的積液形成速率模型。結果表明，剪切速率顯著影響乳狀液的粒徑分布及穩定性:中等剪切速率(6000~9600s-1)可有效增強乳狀液的穩定性,并實現液滴的均勻分布;當含水率低于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致分層速率下降;經CO2飽和處理后，油水界面張力降低,乳狀液的穩定性增強,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,提升油田集輸系統的運行穩定性。該研究成果為含CO2驅替工藝下的集輸管道積液控制提供了理論依據，對油田生產管理具有重要的工程應用價值。

乳狀液作為油田開發和集輸過程中普遍存在的復雜分散體系，其穩定性直接影響原油的黏度特征、管道輸送效率以及系統安全性。按照分散相和連續相的差異，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，而該類乳狀液的穩定性主要受液滴粒徑分布、界面活性物質種類以及外部流場條件的影響。穩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，對油田的生產安全構成威脅。因此，系統研究乳狀液的穩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定性的關鍵因素之一。粒徑較小而均一的液滴通常具有較高的穩定性，而粒徑較大的液滴則較易發生聚并和沉降。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，光學顯微鏡與圖像處理技術被廣泛應用于乳狀液粒徑的測量，有效克服了傳統方法存在主觀性強和精度不足的問題。A.J.KARABELAS通過高速攝影結合液滴捕集方法發現，對數正態分布模型可較好地描述液滴粒徑的分布特征，為乳狀液穩定性分析提供有力的數學工具。

含水率是影響乳狀液結構形態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，乳狀液表現出高穩定性;隨著含水率的增加，油水界面接觸面積增大，液滴更易發生碰撞并破碎，從而使粒徑減小。然而，當含水率進一步增加(通常超過40%~50%)時，水相開始逐漸形成連續相，此時液滴的沉降受到限制，分層速率下降。這一現象表明，含水率與乳狀液穩定性的關系具有非線性特征。

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，穩定性較差;當施加中等剪切速率時，可有效促進液滴細化并提高其均一性，進而增強穩定性。但是，過高的剪切速率會破壞界面膜結構，導致液滴聚并。此外，管道內的流動條件(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，實驗室靜態實驗條件與實際工況存在明顯差異。

在“雙碳”目標背景下,CO2驅油與CO2利用成為油氣領域的重要方向。CO2對乳狀液穩定性的影響受到學者的廣泛關注。適量溶解的CO2可降低油水界面張力，促使液滴細化與形態均一化，從而提高乳狀液的穩定性。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,加劇液滴的聚并和分層,表現出CO2對乳狀液作用的“雙重性”。如何準確表征該雙重作用仍是當前實驗設計與模型構建領域亟待解決的問題。近年來，相關研究取得重要進展。G.Y.SUN等研究結果表明，超臨界CO2處理能夠顯著提高乳狀液的儲能模量、屈服應力和黏度，同時減小液滴粒徑,增強其穩定性;J.Z.JIANG等構建的CO2/N2響應型可切換乳狀液體系實現了液滴粒徑與黏度的雙向調節;T.LU等通過實驗測試與分子模擬相結合的方法，證實了二十二烷基三甲基溴化銨(AOT)穩定的水包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)與微乳復合體系可產生協同增效作用，提升滲透油層的動用效率。上述研究成果為深入理解CO2環境下乳狀液的多因素耦合作用提供了新的實驗依據與理論支撐。

乳狀液積液的形成機理復雜，傳統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和建立經驗模型等方式，將液滴聚并、界面不穩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確地預測分層速率，但其適用范圍仍局限于特定的工況條件。總體而言，現有模型尚難以實現對剪切速率、含水率和CO2作用的全面耦合。

綜上所述，現有研究雖已揭示了含水率與剪切速率對乳狀液穩定性的影響規律，但在CO2作用下的多因素耦合效應仍缺乏系統研究。同時，現有模型在高含水率及復雜工況下的適用性有限。因此，本文通過實驗系統研究了含水率、剪切速率及CO2過飽和處理等因素對W/O型乳狀液穩定性的影響，并構建了修正后的積液形成速率模型，以期為CO2驅油工藝中集輸管道的積液預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,標記為MH。MH的物理性質及化學組分如表1所示,MH的黏溫關系曲線如圖1所示。MH的組分測定依據SY/T7549-2000進行。實驗前，為消除剪切及熱歷史的影響，首先將油樣置于80℃的水浴中預熱2h,隨后在室溫條件下自然冷卻48h,以確保樣品均勻穩定，滿足后續分析測試的要求。

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型數字攪拌器(德國艾卡集團),該設備配備直徑為30mm、傾角為45°的四葉螺旋槳，轉速為0~2000r/min。乳化操作在250mL玻璃燒杯中進行，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;設定攪拌轉速分別為400、500、600、700、800r/min，同時控制乳狀液含水率分別為10%、20%、30%、40%、50%;攪拌結束后，將所得乳狀液樣品轉移至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,直至達到過飽和狀態。實驗過程中,使用流量計和壓力表精確控制CO2的流量,以調節乳狀液的界面張力和液滴穩定性。

1.2.3粒徑觀測

將樣品在設定溫度下保持2~3 min,同時調整顯微鏡的目鏡、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,在其左右兩側分別獨立放置武漢重光科技有限公司生產的冷熱臺和計算機(見圖2)。實驗溫度設定為50℃,利用冷熱臺實現精確控制。采用ImageJ軟件對水滴的微觀形貌及分布進行分析，并進一步計算得到粒徑分布的數據。

1.2.4流變測試

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

1.2.5穩定性分析

在研究乳狀液的穩定性時，主要考察其在靜態條件下的穩定性。將在不同含水率、攪拌轉速下制備(經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。