模糊综合评判法在表面活性剂与聚合物配伍性研究中的应用

赵兰兰

(大庆油田有限责任公司 第九采油厂，黑龙江 大庆 163000)

0 引言

碱/表面活性剂/聚合物(ASP)三元复合驱是继聚合物驱之后又一大幅度提高原油采收率的方法，矿场应用取得了较好的增油效果。尽管碱的加入大大降低了复合体系与原油间的界面张力，但同时也带来采出液乳化和结垢等技术难题[1-5]。近年来，在三元复合体系中采用弱碱Na2CO3代替强碱NaOH，以及采用表面活性剂/聚合物(SP)二元复合体系的研究愈来愈受到石油科技工作者的重视，已经成为化学驱油技术的发展方向。为适应这一发展需求，国内外厂家先后研制出“羧酸盐”、“非离子型”和“石油磺酸盐”等多种类型表面活性剂产品。与此同时，为改善复合体系的流度控制能力，一批诸如“缔合型”、“功能型”和“梳型”等新型聚合物产品也先后出现。因此，出现了聚合物与表面活性剂之间配伍性问题。

在现实生活中，一些模糊属性的问题难以用经典数学表示。自1965 年美国Zadeh 教授提出模糊集合以来，上述问题得到合理解决。聚合物与表面活性剂之间配伍性问题属于模糊问题，一些科技人员尝试用模糊数学方法来解决聚合物优选问题[6-8]，获得了令人满意的效果。依据辽河油田锦16块化学驱工业性试验化学驱油剂选择的实际需求，笔者选择三元复合体系的黏度、界面张力以及它们大小排序的位置作为评价指标，通过采用适当隶属函数并计算相应评价指标的分值，利用模糊综合评判法得到聚合物与表面活性剂配伍性的相对优劣程度排序。

1 实验

1.1 实验条件

筛选7种聚合物，代号依次是“1”(相对分子质量为2930×104，固含量为89.3%)、“M”(相对分子质量为3183×104，固含量为88.5%)、“A”(相对分子质量为3555×104，固含量为90.1%)、“A3”(相对分子质量为2903×104，固含量为88.5%)、“A7”(相对分子质量为2506×104，固含量为88.4%)、“O7”(相对分子质量为3010×104，固含量为91.6%)和“H7”(相对分子质量为3540×104，固含量为89.5%)。

筛选5种表面活性剂，代号分别是“A”(羧酸盐类，淡黄色粉末，有效含量28%)、“11”(非离子型，白色液体，有效含量50%)、“X”(非离子型，黄色液体，有效含量99%)、 “018”(非离子型，石油状液体，有效含量50%)和“035”(改性羧酸盐类，石油状液体，有效含量99%)。碱为Na2CO3，有效含量99.8%。实验用油为辽河锦16块脱气脱水原油。实验用水为辽河油田锦16块欢三联深度处理污水(软化水)，矿化度为2713.8mg/L，NaHCO3水型。

实验仪器包括STX-500H型界面张力测量仪、HJ-6型多头磁力搅拌器、DV-Ⅱ+型布氏黏度计、ES120-4型电子天平、烧杯和试管等。实验温度为55℃。

1.2 黏度和界面张力测试结果

7种聚合物与5种表面活性剂按照不同组合方式进行复合，复合体系中聚合物浓度为0.16%；表面活性剂浓度为0.2%；碱(Na2CO3)浓度为0.9%。体系黏度及界面张力数据分别见表1和表2。

表1 三元复合体系黏度数据(mPa·s)

表2 三元复合体系界面张力数据(×10-3mN/m)

2 模糊综合评判

2.1 分值确定

为了便于综合评判不同三元复合体系，选择主要特性参数黏度和界面张力作为评价指标。从三元复合体系黏度对流度控制能力影响角度考虑，黏度越大越好，选择升半Г形模糊隶属度函数作为评价方程[9]，即

f(μ)=1-exp(-αμ)

(1)

从三元复合体系提高洗油效率角度考虑，界面张力越小越好，选择降半Г形模糊隶属度函数作为评价方程，即

f(σ)= exp(-βσ)

(2)

式中，μ为黏度；σ为界面张力；f(μ)和f(σ)为相应分值；α、β为定量常数，α=0.01，β=100。

为了保证评判结果能选择到黏度最大和界面张力最小的复合体系，对黏度进行升序排序，对界面张力进行降序排序，对复合体系黏度和界面张力在整个体系中的位置进行函数分值计算。由于黏度越大越好，则黏度越靠后越好，界面张力越小越好，则是界面张力越靠后越好，采用选择升半Г形模糊隶属度函数作为评价方程，即

f(b)=1-exp(-αb)

(3)

式中，b为黏度和界面张力位置；f(b)为相应分值；α为定量常数，α=0.03。

模糊综合评判三元复合体系步骤如下：

1)在指定条件下配制不同“聚合物+表面活性剂”组成的复合体系溶液，测量黏度和界面张力值，并确定黏度位置和界面张力位置，计算其相应分值。

2)利用评分方程计算相应分值，并进行归一化处理同一特性中各分值所占百分数(归一化分值)。

3)模糊综合评判。

2.1.1 黏度

35种复合体系黏度、分值及归一化分值见表3。复合体系用“表面活性剂(代号)+聚合物(代号)”来表示。

表3 黏度分值

从表3可以看出：

1)表面活性剂类型对体系黏度存在影响，表面活性剂“A”与7种聚合物组成的复合体系黏度损失严重，其中“A+A3”体系黏度最低；

2)聚合物分子量越大，体系黏度值越大，聚合物“A”与5种表面活性剂的复合体系黏度相对较高。

2.1.2 界面张力

35种复合体系界面张力、分值及归一化分值见表4。

表4 界面张力分值

由表4可知，不同“表面活性剂+聚合物”复合体系的界面张力性质差异很大，表面活性剂“X”与7种聚合物组成的复合体系界面张力相对较低，其中“X+A7”体系界面张力最低，配伍性较好。

2.1.3 黏度位置

35种复合体系黏度位置、分值及归一化分值见表5。

表5 黏度位置分值

2.1.4 界面张力位置

35种复合体系界面张力位置、分值及归一化分值见表6。

2.2 模糊综合评判

2.2.1 数学原理[10-11]

模糊综合评判是应用模糊变换原理和最大隶属度原则，考虑与被评价事物相关的各个要素，对其所作的评价。综合评判步骤：

1)确定评判对象的因素集U={U1,U2,…Un}

2)确定判断集V，使V={V1,V2,…Vn}

3)建立单因素评断矩阵R，使R=(rij)n×m，其中rij表示Ui隶属于Vj的程度或称Ui在Vj上的特征指标；

4)进行综合评判，首先将各评判要素分值进行纵向归一化处理得到单因素Ui权重，令A=(a1,a2,…an)，ai为因素Ui的权重，然后按模糊变换原理，进行合成运算。合成运算中算子可选择下面4种中的任一种：M(ε,∨)，M(ε,⊕)，M(∧,∨)，M(∧,⊕)

算子中相应的符号表示：

A(x)·B(x)=A(x)B(x)，为矩阵相乘；

A(x)∨B(x)=max{A(x),B(x)}，取大；

A(x)∧B(x)=min{A(x),B(x)}，取小；

A(x)⊕B(x)=min{1,A(x)+B(x)}，与1比较，取和之小。

本文选第一种算子，即，再利用最大隶属度原则选用最大的B′j对应的Vj作为综合评判结果。

2.2.2 综合评判

1)U={U1,U2,…Un}={黏度，界面张力，黏度位置，界面张力位置}；

2)V={V1,V2,…Vn}={1级，2级，3级，4级}；

3)根据经验建立单因素归一化评判矩阵R，见表7；

4)给出单因素归一化评判矩阵，并计算各因素单独作用时各复合体系溶液平均分值，见表8。

表7 单因素归一化评判矩阵

表8 权重系数

5)模糊综合评判

对复合体系进行模糊综合评判，

“A+1”A1×R=(0.613 0.0286 0.0123 0.0029)

设复合体系各因素影响分值V=(1级，2级，3级，4级)=(20，40，60，80)，评分得

评价分值见表9。

表9 评判分值

实验结果表明，在35种复合体系中，分值居前三位的是“X+H7”5.558、“A+A”5.460和“X+A7”5.229，该分值大小也反映了复合体系配伍性的相对优劣程度。

3 结语

1)三元复合体系黏度、界面张力和它们大小排序位置可以作为反映聚合物与表面活性剂配伍性的评价指标。

2)模糊综合评判可以消除人们在决策过程中的主观性，可以实现对不同聚合物与表面活性剂配伍性相对优劣程度的定量评价。

3)在由7种聚合物与5种表面活性剂组成的35种三元复合体系中，配伍性位居前三位的是“X+H7”、“A+A”和“X+A7”。

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