三元复合体系界面黏弹性对残余油乳化作用研究

2014-03-25夏惠芬冯海潮丁玉敬吕江艳

实验技术与管理 2014年3期

夏惠芬，冯海潮，丁玉敬，吕江艳

(1.东北石油大学教育部提高油气采收率重点实验室，黑龙江大庆 163318；2.大庆油田第二采油厂，黑龙江大庆 163414)

碱-表面活性剂-聚合物三元复合体系驱替过程中的乳化等现象涉及界面的动态变化过程，仅仅用界面张力[1-3]或吸附之类的平衡状态描述它是不合理的。事实上，对于此类动态过程，界面对扰动的反应或趋向于平衡的途径比平衡本身更为重要，因此对非平衡情况下体系的界面性质和规律的研究显得更为重要[4]。界面扩张黏弹性反映的是界面膜阻滞和恢复形变的能力。张磊等[5]研究了不同结构三取代烷基苯磺酸钠的表/界面扩张性质，得出磺酸根间位的长链烷基对表面扩张模量贡献较大、表面活性剂分子大小对界面扩张模量影响较大的结论。彭勃等[6]研究了伊朗重质减渣馏分油/水界面膜的扩张黏弹性。孙涛垒等[7]研究了不同分子量原油活性组分的界面扩张黏弹性，认为不同原油活性组分的界面扩张黏弹性质可从其不同特征的微观弛豫过程得到解释。孙涛垒等[8]研究了伊朗重质原油中分离的2个不同平均分子量的原油界面活性组分在正癸烷/水界面的扩张黏弹性行为以及温度对体系扩张黏弹性的影响。罗澜等[9]采用小幅低频振荡方法，研究了复合驱体系化学剂对原油活性组分界面膜扩张黏弹性质的影响和界面扩张模量及相角的变化规律。司友华等[10]研究了大庆原油含氮组分的界面扩张黏弹性质。宋新旺等[11]研究了链长变化和疏水基支链化对烷基苯磺酸盐油水界面扩张黏弹性质的影响。靖波等[12]分析了界面扩张模量与界面膜强度的关系。窦立霞等[13]研究了油/水界面扩张模量的测量，考察了测量过程中的控制因素。

当前对界面扩张黏弹性的研究多为原油组分或体系中添加剂(表面活性剂、碱、聚合物等)对界面扩张模量的影响及振荡频率对界面扩张黏弹性的影响，缺少界面扩张黏弹性对水驱后残余油乳化作用的研究。本文通过微观驱替实验，研究了三元复合体系的界面扩张黏弹性对水驱后残余油的乳化作用。

1 实验材料及条件

表面活性剂为石油磺酸盐，有效含量41.2%；重烷基苯磺酸盐，有效含量50.23%。

(2) 实验仪器：TX500C界面张力仪，Tracker全自动液滴表面张力仪，哈克RS-150流变仪，微观可视化驱油装置。

(3) 实验温度： 45°C。

(4) 实验用三元复合体系的组成见表1，界面张力分布在3个数量级。

2 三元复合体系界面张力和界面扩张模量

使用TX500C界面张力仪测定表1中三元复合体系的油水界面张力，结果如图1所示。通过改变表活剂和碱的浓度、类型，使三元复合体系的界面张力分布在10-1、10-2、10-3mN/m 3个数量级(见图1)，界面张力稳定值见表1。

图1 三元复合体系的界面张力

表1 三元复合体系组成

利用Tracker全自动液滴表面张力仪测定油水的界面扩张模量，其大小反映界面扩张黏弹性的大小。界面扩张模量反映的是界面膜阻滞和恢复变形的能力[6]，界面扩张模量越小，界面扩张黏弹性越小，界面越容易发生形变，测量时难度越大。图2给出了4个三元复合体系的界面扩张模量曲线。表1中给出的体系4和体系6因为界面扩张模量太小无法测量(使用振荡液滴法测量界面扩张模量时，由于界面扩张模量太小，液滴在重力作用下迅速拉成油丝，无法测量)，体系1、体系2、体系3、体系5的界面扩张模量主要集中在5、10m N/m左右(见图2)。

图2 三元复合体系的界面扩张模量

碱能够溶蚀界面膜、与原油反应生成表面活性物质，协同表面活性剂降低界面张力，这是碱降低界面张力的原因[14]。加入碱后溶液中电解质浓度增大从而加强了表面活性剂分子在体相及界面间的扩散交换作用，会降低界面扩张模量。体系4与体系3相比仅增加了碱的浓度，界面张力和界面扩张模量都得到了降低。体系2和体系5只改变了表面活性剂的类型，2个体系降低界面张力和界面扩张模量的能力存在很大差别：表面活性剂为重烷基苯磺酸盐的体系2降低界面扩张模量能力强而降低界面张力作用弱；表面活性剂为石油磺酸盐的体系5降低界面张力作用强而降低界面扩张模量能力弱。这种差别与表面活性剂的结构及其在界面上的相互作用方式有关：表面活性剂分子在界面上被吸附的浓度高，则界面张力降低多；吸附在界面上的表面活性剂之间及表面活性剂与界面膜上其他物质之间的相互作用和弛豫过程决定了界面扩张模量的大小[9]。

在油水界面性质方面，6个三元复合体系具有以下特点：体系1界面张力高，界面扩张模量适中；体系2和体系3界面张力和界面扩张模量都适中；体系5界面张力低而界面扩张模量高，体系4和体系6的界面张力低，界面扩张模量太小。

体系1、体系2、体系3可以构成界面张力不同而界面扩张黏弹性相同的对比实验；体系4、体系5、体系6可以构成界面张力相同而界面扩张黏弹性不同的对比实验。

3 三元复合体系对残余油的乳化作用

微观实验过程中通过录像系统实时采集图片，根据实验结果，总结三元复合体系对残余油乳化的作用。

3.1 三元复合体系驱替时残余油启动运移

3.1.1 相同界面张力、不同界面扩张黏弹性的三元复合体系对残余油的作用

体系4、体系5、体系6的界面张力超低,体系5的界面扩张模量大，体系4和体系6的界面扩张模量小。图3给出了3个体系驱替时残余油的启动运移情况：体系5乳化油滴少且油滴较大;体系4和体系6乳化的油滴小且多，同时出现了乳化油丝现象。说明界面张力相同的情况下，降低界面扩张模量有利于残余油乳化。体系4和体系6使用了不同类型的表面活性剂与碱，而界面张力与界面扩张模量相近。体系4和体系6驱替过程中残余油的启动运移方式相近，说明改变碱型与表活剂类型后只要三元复合体系界面性质不变，其驱替残余油的机理不变。

图3 相同界面张力、不同界面扩张黏弹性的三元复合体系对残余油的作用

3.1.2 不同界面张力、相同界面扩张模量的三元复合体系对残余油的作用

图4给出了体系1—体系3在驱替过程中残余油启动运移的形式，体系1界面张力在10-1mN/m数量级，体系2和体系3界面张力在10-2mN/m数量级，3个体系的界面扩张模量相同。体系1驱替时残余油乳化作用最弱，体系2和体系3在驱替时都能将残余油大量的乳化成油滴。由此可以得到：在界面扩张模量相同的情况下，降低界面张力有利于乳化作用的发生。

3.1.3 界面张力、界面扩张模量均不同的三元复合体系对残余油的作用

图5给出了体系2、体系3、体系5驱替过程中残余油启动运移的形式，体系5使油水界面张力达到超低，界面扩张模量为10 mN/m，对残余油的乳化作用弱，只有少量的油滴形成；体系2和体系3降低油水界面张力到10-2mN/m数量级，界面扩张模量在5 mN/m左右，驱替过程中残余油乳化成大量小油滴，乳化作用强烈。界面张力达到超低的体系5乳化残余油的效果比界面张力10-2mN/m数量级的体系2和体系3乳化残余油的效果差，表明界面扩张黏弹性在残余油乳化过程中发挥重要作用。

图4 相同界面扩张模量、不同界面张力的三元复合体系对残余油的作用

图5 不同界面张力、不同界面扩张黏弹性的三元复合体系对残余油的作用

3.2 界面张力及界面扩张黏弹性与残余油乳化的关系

三元复合驱替时的显著现象是乳化，乳化油滴的过程是将残余油逐步采出的过程，由于这个过程是局部的，残余油受到的阻力要比整体启动时的阻力小很多，界面张力对乳化作用有影响，残余油受到的黏滞力等作用足够克服界面张力时残余油才有可能发生形变，界面扩张黏弹性决定了残余油形变大小和保持形变的难易程度。

微观驱替结果表明，三元复合体系对残余油的乳化作用随着界面张力和界面扩张黏弹性的改变而改变。界面张力为10-1mN/m数量级、界面扩张黏弹性为3～4 mN/m的情况下，由于界面张力较大导致界面膜稳定而不容易发生形变，残余油很难乳化(见图4(a))；界面张力超低，界面扩张黏弹性在10 mN/m以上的情况下，油水界面膜可以发生形变，在高界面扩张模量的作用下，形变很小并且形变后很容易恢复，残余油的乳化作用有微弱增强(见图3(b))；界面张力达到10-2mN/m数量级并且界面扩张模量在3～4 mN/m之间时有利于乳化发生，这时满足了界面膜发生形变的条件，形变的难度小，发生形变后恢复原状的作用弱，形变超过一定的程度，在界面张力的作用下残余油极易乳化出油滴(见图4(b)、4(c))；一种特殊的情况：界面张力超低，界面扩张模量小得无法测量时，这种情况下油水界面膜极易发生形变，形变后基本不会恢复，同时油水界面张力低界面膜的收缩作用很弱，形变很大时也不会发生界面膜的断裂，表现为乳化油丝(见图3(a)、3(c))。

从体系2(或体系3)与体系5的对比中可以得到：油水界面张力降低到10-2mN/m数量级后，继续降低界面张力(体系5)可以使乳化发生的可能性增大，但如果界面扩张模量较大，则界面膜形变的阻力强且界面膜在形变后恢复能力也强，导致乳化作用提高有限(见图5(c))。油水界面张力为10-2mN/m数量级时，不降低界面张力而考虑降低界面扩张模量(体系2或体系3)，低界面张力保证乳化可以发生，界面扩张模量降低使油水界面膜形变容易发生且形变发生后可以维持，最终乳化作用得到显著增强(见图5(a)或5(b))。超低界面张力的体系5的乳化作用比界面张力只有10-2mN/m数量级的体系2和体系3的乳化作用弱(见图5(c)与图5(a)、(b)比较)，说明界面张力超低的三元复合体系由于自身较高的界面扩张黏弹性，限制了驱油体系对残余油的乳化作用，而界面张力在10-2mN/m数量级的三元复合体系降低界面扩张黏弹性后也可以很好地乳化残余油。

综上，界面张力和界面扩张模量综合影响三元复合体系对残余油的乳化作用。界面张力达到10-2mN/m数量级后残余油可以大量乳化；且界面张力降低到10-2mN/m数量级后适当地降低三元复合体系的界面扩张黏弹性能够显著增强对残余油的乳化作用；界面张力和界面扩张模量越低，乳化作用越强；随着界面张力和界面扩张模量的降低，残余油的乳化作用从乳化油滴向乳化油丝转变。