超低界面张力表面活性剂的驱油性能研究

赖小娟，张育超，郭 亮，姚百胜，刘建英，杨 虎，罗庆梅

(1.陕西科技大学化学与化工学院，陕西 西安 710021；2.中国石油长庆油田分公司第一采油厂，陕西 西安 710021)

原油作为一种不可再生资源一直受到广泛关注。一次采油和二次采油的采收率只能达到30%～50%[1]，因此发展三次采油技术具有十分重要的意义。三次采油技术主要包括碱驱、聚合物驱、表面活性剂驱及复合驱。其中表面活性剂是提高采收率幅度较大、适用面较广的一种化学驱油剂[2-3],以表面活性剂为基础出现的碱/表面活性剂二元驱(AS)、表面活性剂/聚合物二元驱(SP)和碱/表面活性剂/聚合物三元驱(ASP)技术得到了广泛应用[4-6]。大量室内及现场试验表明：以表面活性剂为基础的一元、二元、三元驱可提高采收率10%～20%。表面活性剂驱的驱油机理主要如下：降低油水界面张力、将原油乳化成为乳状液、聚并形成油带、改变岩石表面润湿性、提高岩石表面电荷密度和改变原油流动性[2,7-9]。笔者通过一系列室内合成的表面活性剂VESBET-4的使用，来提高室内驱油的效果。与以往的表面活性剂复合驱比较，本研究仅采用室内合成的VESBET-4进行实验。复合驱在驱油过程中容易产生碱、表面活性剂和聚合物之间的差速运移现象(色谱分离)，稳定性较差，而仅采用单组份表面活性剂VESBET-4完全可以避免复合驱的不利影响，且其驱油效果与复合驱体系基本相当。虽然驱油机理基本明确，但在实际应用中条件的变化对使用性能的影响很大，笔者旨在通过测试不同条件下表面活性剂溶液的油水界面张力、其对原油的乳化能力及其在人造岩心中的吸附量以及室内驱油试验等研究确定室内合成的表面活性剂VESBET-4的使用条件。

1 实验部分

1.1 实验原料

VESBET-4表面活性剂，实验室自制[10]；NaCl，分析纯，郑州派尼化学试剂厂；无水CaCl2、无水MgCl2，分析纯，天津市博迪化工有限公司；Na2CO3，分析纯，天津市天力化学试剂有限公司；原油，长庆原油，20 ℃时密度为842.8 kg/m3，50 ℃时运动黏度为9.85 mPa·s，酸值为0.1；蒸馏水。

1.2 性能测试

1.2.1界面张力的测定

利用TX-500型悬滴界面张力仪测量不同浓度的VESBET-4表面活性剂溶液与原油间的界面张力，测试过程中转速为5 000 r/min。矿化水的配方为：130 g NaCl、10 g CaCl2、10 g MgCl2、3 000 g H2O，矿化度为50 000 mg/L。使用时取一定量的矿化水将其稀释至所需矿化度，实验用水为蒸馏水。

1.2.2乳化效果的测定

取6个10 mL具塞且带刻度的试管分两组，编号、备用。组一中加入原油和矿化度为0而浓度不同的表面活性剂溶液，组二中加入原油和浓度相同而矿化度不同的表面活性剂溶液，油水体积比均为2∶3。以2次/s的速率振荡各个试管，振荡30次后将其置于试管架上，观察乳状液随时间的变化情况，纪录下不同时间段分出的水相的体积。

1.2.3吸附损失量的测定

岩心吸附试验在室温下进行，使用的岩心为人造岩心，直径为2.5 cm，长度为10 cm，各项参数如下：孔隙度22.92%，气测渗透率62.84×10-3μm2。所用表面活性剂质量分数为0.09%。先将岩心用一定量的表面活性剂溶液饱和，再进行表面活性剂驱，收集驱替出的水溶液，确定表面活性剂的有效浓度，计算表面活性剂的损失量。

1.3 室内驱油试验

室内驱油试验所用的人造岩心直径为5 cm，长度为30 cm。气测岩心渗透率，测得渗透率为65.68×10-3μm2；饱和蒸馏水测得孔隙度为22.16%。驱油试验在岩心水平的条件下进行，并将人造岩心用原油饱和，直至驱出的油的体积为一倍孔隙体积，计算原始含油饱和度为74.65%。饱和后进行驱替试验，先进行水驱，再用质量分数为0.09%的表面活性剂溶液进行表面活性剂驱，然后测定原油采收率随注入孔隙体积倍数的变化关系。水驱和表面活性剂驱过程均在驱出的液体含油量小于1%后停止。

2 结果与讨论

2.1 各因素对界面张力的影响

2.1.1表面活性剂质量分数对界面张力的影响

图1为无任何添加剂条件下，不同质量分数的表面活性剂溶液作用于油水界面所引起的界面张力随时间的变化曲线。由图1可看出：在质量分数为0.06%、0.09%、0.15%时，界面张力最低值分别为0.005 4、0.002 9和0.008 8 mN/m，均低至10-3数量级，说明该表面活性剂不需添加任何助剂即可使界面张力值达到超低。由图1还可发现：该表面活性剂溶液在18 min内即可迅速使油水界面张力降到最低值，并在之后保持不变。另外，在测量过程中还发现，随着测试时间的继续延长，油滴不断被拉长并断裂成为更小的油滴。因此，无论从其降低油水界面张力的能力还是从将油滴乳化并拉成微小液滴方面来看，该表面活性剂都是一种性能优良的驱油剂。

图1 界面张力与表面活性剂质量分数的关系

2.1.2矿化度对界面张力的影响

图2为不同矿化度条件下，界面张力随时间的变化曲线，测试所用的表面活性剂质量分数为0.09%。由图2可看出：在不同的矿化度条件下，油水界面张力均可在极短的时间内达到较低值，且在矿化度为10 000 mg/L时界面张力仍可低至8.768 0×10-2mN/m，说明该表面活性剂在矿化度较高的条件下仍可使用。在高矿化度条件下，表面活性剂溶液降低油水界面张力的能力下降，这是因为体系中无机离子的量增大，致使表面活性剂和无机离子在油水界面的吸附竞争加强，从而导致表面活性剂在油水界面的吸附量减少。

2.1.3温度对界面张力的影响

图3为不同温度下，界面张力随时间的变化曲线，表面活性剂质量分数为0.09%。从图3可看出：在60 ℃和70 ℃时，油水界面张力值可在较短的时间里降低至10-3数量级。而当温度升高至80 ℃时，其降低界面张力的能力明显下降，但仍能低至2.418×10-2mN/m，说明其具有良好的耐温性能。高温时，表面活性剂降低界面张力的能力下降，主要是由于温度升高会导致表面活性剂在两相中的热运动加快，能稳定吸附到油水界面的表面活性剂的量减少，油水之间质量传递加快。

图2 界面张力与矿化度的关系

图3 界面张力与温度的关系

2.1.4碱加入量对界面张力的影响

碳酸钠是一种缓冲碱，能够与原油中的酸性组分生成有机酸皂，与溶液中的表面活性剂产生协同作用。此外碳酸钠作为一种电解质，具有能够调整体系的离子强度，可改善表面活性剂分子在油水相的平衡分布，还能够增大表面活性剂分子从溶液内部扩散到界面层的速率以及压缩双电层，从而显著降低体系的界面张力，因此，将表面活性剂与Na2CO3进行复配。图4为界面张力随Na2CO3质量分数的变化曲线，各界面张力值均为测量20 min后得到的平衡界面张力。从图4可看出：在Na2CO3质量分数为0.2%～1.2%时，界面张力最低值由10-3数量级升至10-2数量级。虽然碱的加入对界面张力的影响较大，但其仍能达到较低的界面张力值。在该表面活性剂的使用过程中应注意，不宜加入过多的Na2CO3，以免降低其使用性能。

图4 界面张力与Na2CO3质量分数的关系

2.2 乳化效果

表1为乳状液稳定性的比较。比较组一(1#、2#、3#)中3个试管的效果可以看出:在一定范围内，随着表面活性剂质量分数的增大，体系的稳定性增强，乳化效果变好；超出该范围，表面活性剂质量分数的增大，并不能提高体系的稳定性。比较组二(4#、5#、6#)3个体系看出：随着矿化度的增大，乳状液的稳定性增强，当矿化度达到6 000和10 000 mg/L时，放置24 h后体系仍稳定。综上可以发现，在适宜浓度的表面活性剂溶液中加入无机离子具有稳定乳状液的作用。这是由于原油和水相的表面活性剂浓度和离子浓度不同，产生的化学势不同，导致原油能够被乳化，一旦化学势差消失，质量传递即刻终止，形成了稳定的乳状液。形成乳状液后，一方面使乳化的油不易再粘附回岩石表面，从而提高驱油效率；另一方面乳化的油滴可提高流体的黏度，降低黏性指进现象，迫使注入水进入中、低渗透层，提高波及系数，从而实现提高采收率。因此，良好的乳化效果，是提高采收率的重要因素。

2.3 地层吸附损失

表面活性剂在地层中的吸附量对原油采收率至关重要，一方面是因为表面活性剂吸附在地层的岩石表面影响基质的渗透性，另一方面活性物质的减少降低了其降低油水界面张力的能力。从经济和采收率两个方面考虑，表面活性剂的吸附量都应控制在一定范围内。静态吸附实验得到该表面活性剂的吸附量为0.45 mg/g，小于通常规定的1 mg/g，可满足实际应用要求。

2.4 室内驱油评价

图5为注入孔隙体积倍数与原油采收率的关系曲线，图中标示位置之前为水驱过程，之后为表面活性剂驱过程。从图5可看出：水驱后原油采收率略低于51%，而进行表面活性剂驱后原油采收率达63.26%，使采收率提高12%以上。

表1 乳液的稳定性

图5 注入孔隙体积倍数和原油采收率的关系

3 结 论

a.VESBET-4表面活性剂能显著降低油水界面张力，且具有良好的耐盐抗温性能。在表面活性剂质量分数为0.06%～0.15%时，矿化度小于10 000 mg/L，温度低于80 ℃条件下可使界面张力降低至10-2mN/m，甚至10-3mN/m。

b.岩心吸附实验表明：VESBET-4表面活性剂在地层中的吸附损失较小，不会导致其降低油水界面张力的能力显著下降；室内驱油试验结果表明：水段塞后进行表面活性剂驱可使原油采收率提高12%以上。

参 考 文 献

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