二元体系超低界面张力影响因素及组分用量界限研究

张 栋，吴文祥

(东北石油大学提高油气采收率教育部重点实验室，黑龙江 大庆 163318)

二元体系超低界面张力影响因素及组分用量界限研究

张 栋，吴文祥

(东北石油大学提高油气采收率教育部重点实验室，黑龙江 大庆 163318)

为了更好的揭示BS无碱二元复合体系形成10-3数量级界面张力的组分用量界限，在大庆油田油藏温度、配制水矿化度等油藏条件下，利用Texas-500型旋滴界面张力仪对二元体系界面张力的影响因素进行表征。对聚合物分子量、浓度以及活性剂浓度进行正交实验研究。结果表明：聚合物相对分子质量及浓度对界面张力影响较大；活性剂用量影响较小，质量浓度低至0.05%亦可形成10-3数量级；随着配置水矿化度及剪切作用强度增加界面张力均呈现凹槽式变化。

聚合物 二元体系 超低界面张力 影响因素 组分用量界限

经典毛管数理论认为在水驱基础上，要想进一步提高油气采收率需要提高驱替体系粘度，同时降低油水间界面张力至毛管数值在水驱基础上再增高102～104个数量级[1,2]，目前国内外大量学者发表的有关于此的优秀成果已经满足此理论[3-6]。由于复合体系中各组分用量及油藏条件对二元体系界面张力影响较大，且复合体系中活性剂在地层渗流过程中存在吸附现象而导致活性剂失效，所以有必要对形成二元复合体系形成超低界面张力的各项参数进行表征。笔者通过对多参数的正交实验评价了一种BS阴-非离子表面活性剂二元体系形成超低界面张力的组分界限。

1 实验条件

1.1实验材料

聚合物：HPAM，四种相对分子质量分别为900×104，1 400×104，1 900×104，2 500×104，固含量均为90%。

活性剂：BS阴-非离子表面活性剂(自主合成)。

模拟水：大庆油田模拟污水，矿化度500，3 700，7 000，10 000 mg/L。

剪切标准：室内模拟剪切条件使体系粘度保持为原来的2/3，1/2，1/3，1/4，1/5，1/10。

1.2实验仪器

磁力搅拌器；电子分析天平；恒温振荡水浴；数显搅拌器；高速剪切仪，Texas-500型旋滴界面张力仪。

1.3界面张力测定方法及原理

按照二元体系各组分设计的质量浓度配制目的液，经熟化后利用Texas-500型旋滴界面张力仪测定初始油水界面张力。

其测定原理是通过高速旋转油滴及二元体系处于离心场中。在离心力及界面张力的作用下油滴的形状会发生改变形成一长椭球形或圆柱形油滴。由此可以通过油滴被拉伸的形状及尺寸表征界面张力。

式中：IFT为界面张力，mN/m；Δρ为油水密度差；D为油滴无因次最大直径；T为每转的时间，ms。

2 实验结果分析

2.1二元复合体系界面张力影响因素

2.1.1 聚合物浓度及相对分子质量影响

为了研究聚合物对二元体系界面张力的影响，固定聚合物相对分子质量为2 500×104，通过改变聚合物浓度以及活性剂浓度进行正交试验。并通过固定聚合物浓度1500 mg/L，改变聚合物分子量以及活性剂浓度进行正交试验，以此研究聚合物分子量对二元体系界面张力影响，实验结果分别如图1、图2所示。

图1 界面张力随聚合物浓度变化

图2 界面张力随聚合物相对分子质量变化

实验结果表明：随着聚合物相对分子质量以及聚合物浓度增加，界面张力升高[7]。一方面，HPAM的加入增加了体系粘度，导致活性剂分子向界面扩散、运移的速度大幅度降低，延长了达到吸附饱和的时间[8-10]；另一方面，HPAM水溶性极好，大分子基团与争夺界面层的活性剂小分子一起形成聚集体，从而导致活性剂分子吸附在界面层的数量减少，最终油水界面张力升高。

2.1.2 活性剂浓度影响

复合体系中各组分的相互协同作用，会使得油水界面张力的变化情况变得更加复杂。固定聚合物相对分子质量为2 500×104，活性剂浓度对油水界面张力的影响绘制于图3。

图3 二元体系界面张力随活性剂浓度变化

图3显示，随着表面活性剂浓度的增加，界面张力迅速降至超低；当表面活性剂浓度为0.2%后，界面张力下降幅度不大。在表面活性剂质量浓度较低的情况下，表面活性剂分子在复合体系中保持单个分子的状态，且这些单个分子较少的吸附、扩散、定向排列在油水间的界面上，界面张力较高；随着活性剂浓度增加，界面上吸附的表面活性剂分子增加，界面张力迅速达到超低。

2.1.3 矿化度影响

为了研究矿化度单一因素对二元体系界面张力的影响，固定二元体系中聚合物分子量为2 500×104，聚合物浓度为1 500 mg/L，表面活性剂浓度为0.3%。通过改变配置二元体系用水的矿化度分别为500，3 700，7 000，10 000 mg/L以此对体系界面张力的影响进行研究(图4)。

实验结果表明：随着矿化度的增加，界面张力呈现先下降后上升的凹槽形态。在高矿化度条件下、非离子表面活性剂的表面活性仍然能够使油水间界面张力达到超低，这说明非离子表面活性剂的抗盐能力很强，是用在高矿化度油田的理想表面活性剂。

图4 不同矿化度条件下二元体系界面张力

产生这一实验规律的主要原因是，由于NaCl增大了表面活性剂分子向油水界面扩散的速率并且阳离子可以进入双电层使界面层中活性剂分子排列更紧密，在油水界面上表面活性剂在聚集过程中产生“吸附脱附位垒”，可能是油水界面张力呈现出凹槽形态的原因。另一方面，金属阳离子使二元体系聚合物分子发生蜷曲，间接影响二元体系界面张力。

2.1.4 剪切影响

二元复合体系流经注入管线、炮眼以及在地层的过程中，会产生剪切用作导致体系粘度损失。以下研究剪切作用是否对二元体系界面张力存在影响。

固定二元体系中聚合物分子量为2 500×104，浓度为1 500 mg/表面活性剂浓度为0.3%。利用二元体系粘度降低幅度代表剪切强度。室内模拟剪切条件使体系粘度保持为原来的2/3、1/2、1/3、1/4、1/5、1/10。

图5实验结果表明：二元体系界面张力值受到剪切强度的增加先减小，后在某一点上达到最小界面张力值后会表现出回升现象。剪切作用会破坏聚合物分子结构，效果等同于降低聚合物分子质量使得体系界面张力降低。进一步增加剪切强度将导致表面活性剂在界面上吸附受到影响，界面张力将再次回升。但该二元体系剪切前后均能维持在10-3mN/m数量级的超低界面张力，表现出了良好的抗剪切能力。

图5 不同剪切条件下二元体系界面张力

图6 不同相对分子质量聚合物二元体系界面张力图版

2.2形成超低界面张力二元体系单个组分用量界限

实验结果表明聚合物相对分子质量、浓度、活性剂浓度均对二元体系界面张力存在影响。选取大庆油田具有代表意义的油藏条件(油藏温度45 ℃、配置水矿化度3 700 mg/L)，对四种不同相对分子质量的聚丙烯酰胺及BS阴-非离子表面活性剂组成的二元体系形成超低界面张力时，各组分浓度界限进行表征(图6)。

对于相对分子质量为900×104聚合物，二元体系与大庆原油间的界面张力值在聚合物浓度500～2 000 mg/L时，界面张力能达到10-4mN/m，而当聚合物浓度为2 500 mg/L时，界面张力能达到10-3mN/m。而相对分子质量为14 900×104聚合物，浓度为500 mg/L时，界面张力能达到10-4mN/m，在聚合物浓度为1 000 mg/L时，仅在活性剂浓度0.2%和0.3%时，界面张力能达到10-4mN/m。其他聚合物浓度及活性剂浓度条件下，界面张力能达到10-3mN/m数量级。相对分子质量为1 900×104聚合物，浓度为500～1 500 mg/L时，活性剂浓度从0.05%～0.3%时，二元体系与大庆原油间的界面张力值保持在10-3mN/m数量级内。最后对于相对分子质量为2 500×104聚合物，浓度为500～1 500 mg/L，界面张力能达到10-3mN/m数量级，而聚合物浓度从2 000～2 500 mg/L时，活性剂浓度仅在0.3%时，二元体系与大庆原油间的界面张力值持在10-3mN/m数量级内。

3 结论

(1)聚合物相对分子质量、浓度以及活性剂浓度对二元体系与原油间的界面张力影响较大。

(2)本次二元体系配方试验完成了形成超低界面张力各组分浓度的用量界限研究。

(3)随着配置水矿化度及剪切强度增加界面张力均呈现凹槽式变化。

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(编辑 王建年)

Influencing factors of ultra-low IFT and dosage limits of component for surfactant-polymer flooding system

Zhang Dong,Wu Wenxiang

(KeyLaboratoryofEnhancedOilRecovery，NortheastPetroleumUniversity，Daqing163318，China)

To better reveal dosage limit of each component in non-alkali surfactant-polymer (SP) flooding system with ultra-low IFT，under the condition of Daqing Oilfield reservoir temperature and water salinity，influencing factors of IFT were studied by using Texas 500 type interfacial tensiometer.The orthogonal experiment results showed that relative molecular weight and solution concentration of polymer both are bigger impacts on IFT；concentration of surfactant solution is smaller one，low to 0.05% having a 10-3magnitude of IFT；with the increase in water salinity and shear action，IFT showed a concave change.

polymer；surfactant-polymer system；ultra-low IFT；influencing factor；dosage limit of component

10.16181/j.cnki.fzyqc.2015.04.013

TE357.6

A

2015-06-13；改回日期2015-08-12。

张栋(1988—)，博士生在读，研究方向为化学驱提高采收率。E-mail：zhangdong084@163.com，电话：15004593766。

国家重大专项课题“油田开采后期提高采收率新技术”(2011ZX05009-004)。