胜利油田孤东原油超低界面张力驱油体系研究

2015-04-28赵方剑刘雄志

西安石油大学学报（自然科学版） 2015年1期

赵方剑，吕远，李超，刘雄志

(1.中国石化胜利油田分公司地质科学研究院，山东东营 257015； 2.中国石油大学(华东) 化学工程学院，山东青岛 266555； 3.中国石油勘探开发研究院西北分院，甘肃兰州 730020)

赵方剑1，吕远1，李超2，刘雄志3

采用旋转滴法测定了单一表面活性剂体系、复配表面活性剂体系与孤东原油的动态界面张力。实验结果表明，单一表面活性剂体系超低界面张力维持时间较短，将甜菜碱表面活性剂(C18BE)与α-烯烃磺酸盐(AOS)表面活性剂复配后，可以使油水界面张力降至10-4mN/m。在此基础上，对这一复配体系的最佳复配比例进行了研究，最终优选出适合孤东原油的超低界面张力驱油体系。

表面活性剂；复配；超低界面张力；提高采收率

原油采收率是由驱油体系的波及体积和洗油效率决定的，提高洗油效率一般通过增加毛管数来实现，而降低油水界面张力是增加毛管数的主要途径[1-4]。许多研究结果表明，驱替水驱后残余油，需要使油水界面张力降低到10-2～10-3mN/m，才能使毛管数大幅度增加，达到预期的提高采收率的效果[5-6]。因此，研制驱油用表面活性剂体系都以超低界面张力为主要指标。本文通过测定不同类型表面活性剂与孤东原油间的界面张力，筛选界面张力在10-2mN/m数量级的表面活性剂，同时考虑2种表面活性剂之间的复配，最终优选出适合孤东原油的超低界面张力驱油体系。

1 实验仪器与材料

实验仪器：旋滴界面张力仪，TEXA-500C；折光率仪；密度计；超级恒温水浴；红外线快速干燥器；电子天平等[7]。

实验材料：胜利石油磺酸盐(SLPS，平均相对分子质量425)、α-烯烃磺酸盐(α-AOS)、甜菜碱两性表面活性剂(C12BE、C18BE)。

实验用原油取自胜利油田孤东采油厂15-34井产出油，新鲜原油经过脱水脱气处理后，测定在地层温度60 ℃下原油密度0.916 g/cm3，原油黏度75 mPa·s，酸值1.24 mg/g，含胶质18.3%，沥青质0.735%。该区块地层水的离子组成见表1，实验中配制相应的模拟地层水。

表1 地层水离子组成

2 结果与讨论

2.1 单一表面活性剂浓度对油水界面张力的影响

为了研究单一表面活性剂与孤东原油的界面张力，首先测定了磺酸盐阴离子表面活性剂在不同浓度下的界面张力。图1和图2分别为胜利石油磺酸盐(SLPS)和α-烯烃磺酸盐(α-AOS)表面活性剂溶液与孤东原油界面张力的实验结果。

图1 SLPS/原油界面张力

图2 α-AOS/原油界面张力

由图1可见，随着胜利石油磺酸盐SLPS质量分数的上升，油水界面张力值出现先下降后上升趋势。当质量分数为0.10%时界面张力开始急剧降低，在5 min左右时界面张力达到0.015 mN/m左右，其他质量分数时界面张力都是随时间先降低后再基本保持不变。0.10%的SLPS与原油的界面张力在短时间内快速下降，达到最低值以后又以较快的速度上升至平衡值的原因是，开始时表面活性物质在油水界面上的吸附速率大于脱附速率，因而表面活性剂在油水界面上聚集，引起界面张力的下降，但随着界面上活性物质浓度的增大，其脱附速率增加，界面上的活性物质因脱附而减少，致使界面张力又变大，只有在吸附与脱附速率相等时，才会出现稳定的较低界面张力。

由图2可见，α-烯烃磺酸盐的界面张力明显高于胜利石油磺酸盐，随着α-AOS质量分数的增加，油水界面张力值出现先下降后上升趋势，但是上升下降幅度都不大，所有质量分数下界面张力基本处于0.1～1 mN/m数量级。当质量分数为0.10%时，最小平衡界面张力才能达到0.06 mN/m。

甜菜碱型表面活性剂是一类两性表面活性剂，夏惠芬等[8]研究发现，少量甜菜碱的加入就可使油水界面张力达到超低，取得良好的驱油效果。因此，本文测定了不同质量分数的短链烷基甜菜碱(C12BE)和长链烷基甜菜碱(C18BE)两性表面活性剂与原油的界面张力，结果如图3和图4所示。

图3 C12BE/原油界面张力

图4 C18BE/原油界面张力

由图3可见，当C12BE质量分数为0.01%时，界面张力值大于0.1 mN/m，但是当C12BE质量分数增加到0.025%时短时间内界面张力急剧降低，最小界面张力达到1.5×10-3mN/m，然后油滴被拉断，界面张力上升。对于C12BE在质量分数为0.05%、0.10%、0.15%时界面张力随时间的变化不大，只是短时间内略有上升，平衡界面张力值维持在0.01～0.10 mN/m之间。由图4可知，对于C18BE在质量分数为0.01%、0.025%、0.05%、0.10%、0.15%都能达到超低界面张力，其中当质量分数为0.10%时界面张力达到1×10-4mN/m，由于界面张力太低，油滴在短时间内就被拉长变细然后被拉断，导致测定时间较短。由以上研究可以看出，对于孤东原油来说，2种甜菜碱两性表面活性剂都能使得原油的界面张力达到超低水平，但是维持超低界面张力的时间均不长。

2.2 两种表面活性剂复配体系的油水界面张力

表面活性剂复配的目的是产生加合增效作用，也就是协同效应。即把不同类型的表面活性剂人为混合后，得到的混合物性能比原来单一组分的性能更加优良，即“1+1>2”的效果[9-10]。目前的研究工作主要集中在双组分复配体系，赵国玺等[11]认为增效的主要因素来源于表面活性剂在溶液表面相和胶束相的非理想性；如何使协同作用达到最佳，Rosen[12]提出了非理想二元表面活性剂复配增效条件。

由于单一的胜利石油磺酸盐溶液即可使油水界面张力降低到10-2mN/m，因此首先考虑将SLPS分别与α-AOS、C12BE、C18BE复配。复配的原则是体系的总质量分数为0.1%，两组分按照质量比分别为4∶1、3∶2、1∶1、2∶3、1∶4进行复配。结果见图5—图7。

图5 SLPS、α-AOS复配体系与原油界面张力曲线

图6 SLPS、C12BE复配体系与原油界面张力曲线

图7 SLPS、C18BE复配体系与原油界面张力曲线

由图5和图6可以看出，SLPS与α-AOS和C12BE都没有出现协同作用。SLPS与α-AOS复配后界面张力比单独SLPS的界面张力还要高，复配体系的界面张力值都在0.01 mN/m以上。当SLPS与C12BE质量比为1∶1复配时短时间内界面张力急剧降低，最低界面张力达到10-3mN/m，但很快界面张力随时间上升，最后稳定在2×10-2mN/m，其他比例时油水界面张力稳定在0.1 mN/m上下。由图7可见，SLPS与C18BE复配出现了明显的协同作用，复配体系的最小界面张力达到10-4mN/m。复配体系的油水界面张力随时间显示出一直在急剧地降低，直至出现了降到超低的特征。同时界面张力随复配比例的变化没有显示出明显的规律。

以上复配体系，只有SLPS与C18BE复配获得了超低界面张力，但是在复配体系中SLPS的作用效果不明显，低界面张力维持的时间仍然很短，基于此将SLPS替换为单独测量时效果稍差的阴离子表面活性剂α-AOS，再与C18BE复配。结果见图8。

图8 α-AOS、C18BE复配体系与原油界面张力曲线

由图8可以看出，α-AOS和C18BE复配同样获得了超低界面张力，10-3mN/m低界面张力体系维持的时间较长，有时还能达到10-4mN/m数量级。当α-AOS和C18BE质量比小于等于1∶1时最小界面张力达到10-3mN/m以下，当复配质量比大于1∶1 时界面张力在10-2mN/m以上。由此可见，这2种表面活性剂复配时出现了加合增效作用。这是由于甜菜碱两性表面活性剂分子中有正电荷存在，溶液中阴离子表面活性剂和甜菜碱两性表面活性剂之间存在着强烈的相互作用。C18BE极性基团所带的正电荷对α-AOS的阴离子基团产生静电吸引作用，而且C18BE和α-AOS的碳氢链还存在一定的疏水相互作用，因而表面活性剂分子在油水界面上排列得更紧密，故复配后界面张力更低[13-14]。

3 结论

(1)甜菜碱两性表面活性剂C12BE、C18BE溶液与孤东原油可获得超低界面张力，但是维持超低界面张力的时间较短；阴离子表面活性剂以SLPS效果最好，最低界面张力达到0.01 mN/m，而另一种阴离子表面活性剂α-AOS与原油的界面张力在0.1 mN/m以上。

(2)SLPS与α-AOS、C12BE复配没有明显的协同作用，复配体系的界面张力值反而升高。α-AOS与C18BE的复配存在协同作用，最小界面张力达到10-4mN/m，且这一体系存在最佳复配比例(m(α-AOS)∶m(C18BE)≤1∶1)，可以选为孤东原油超低界面张力驱油体系配方。

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责任编辑：董瑾

2013-11-05

国家科技重大专项“高温高盐油田化学驱提高采收率技术”(编号：2011ZX05011-004)

赵方剑(1985-)，男，硕士，主要从事三次采油油藏工程综合研究。E-mail：zfj19850701@163.com

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