碱、聚合物对表面活性剂吸附影响分析

梅浩林，汤 军

（长江大学 地球科学学院， 湖北 荆州 434000）

碱、聚合物对表面活性剂吸附影响分析

梅浩林，汤 军

（长江大学 地球科学学院， 湖北 荆州 434000）

油藏对表面活性剂的吸附作用，是砂岩表面化学物质与表面活性剂间相互作用的结果。ASP复配体系溶液中，碱对表活剂的吸附影响较大，在表活剂溶液中加入碱后，砂岩对表活剂的吸附量下降，且吸附量下降幅度与碱浓度成正比。实验结果表明，碱可以使粘土矿物对阴离子表面活性剂吸附量降低70%～80%，而油藏砂岩对表活剂吸附量可降低10%～40%。聚合物对表活剂的吸附影响较小，数值模拟结果表明吸附量降低15%～30%。这是由于聚合物在表活剂溶液中水解后，部分分子团带有负电荷，这就抑制了砂岩对表活剂的吸附作用；另外，加入聚合物后，复配体系溶液变稠，使得溶液扩散速率降低，减小波及体积，进而削弱表活剂吸附效果。

表面活性剂；碱；聚合物；吸附；吸附等温线

三元复合驱ASP是上个世纪80年代逐渐发展并应用到油田的三次采油新技术，ASP的作用机理是利用表面活性剂和碱之间的协同作用，使复合体系溶液与原油形成超低界面张力[1]。碱(alkali)能够降低油藏对表面活性剂和聚合物的吸附损耗作用；聚合物(polymer)可以控制复配体系溶液的流度，减小体系溶液指进以及扩大波及体积[2]。经过十多年的科研技术攻关和现场试验，我国三元复合驱技术已处于世界领先水平。大庆油田多个区块已经应用ASP投产，并取得增产效果。室内试验和矿场研究表明：ASP采收率相对于水驱(含水达到98%)能够提高20%以上，展现了ASP技术广阔的应用前景[3,4]。

影响表面活性剂在岩石矿物上吸附损耗的主要因素有[5]：表面活性剂分子的性质；岩芯物性，岩石表面粘土覆盖程度；表面活性剂溶液pH值、碱、聚合物浓度、离子强度大小以及水相性质[6,7]。

1 表活剂在油藏中吸附机理

油藏砂岩对表面活性剂的吸附作用，是砂岩表面带正电荷化学物质与带负电荷表面活性剂间相互作用的结果，对表活剂吸附程度取决于砂岩表面化学物质的性质[8]。

砂岩表面从复配体系溶液中吸附表面活性剂分子的综合作用力，标准吸附自由能为，由Setrn层吸附导出的Stern- Grahame方程[9]：

式中：Γδ—引起吸附表面活性剂的stern层内吸附的表活剂离子密度，mol/cm3；

R—吸附的表面活性剂有效半径，cm；

C—表面活性剂离子在体相中的浓度，mol/mL。

砂岩从复配体系中吸附表活剂时，很多作用力单独或共同对表活剂起吸附作用。这些作用力主要包括：静电引力、共价键、表面活性剂和界面分子间氢键或非极性键、吸附分子间的范德瓦尔力或空间作用力以及吸附质和吸附剂分子的溶剂化或去溶剂化作用力[10]。

式中：ΔG0elec—静电相互作用自由能；

ΔG0cov—共价键自由能；

ΔG0c-c—吸附表面活性剂分子碳链侧向相互作用自由能；

ΔG0c-s—表活剂分子碳链同固体表活剂亲油部分间非极性相互作用自由能；

ΔG0h—氢键自由能；

ΔG0solv—吸附质或任何从表面相溶液中溶解的自由能。

2 表活剂在油藏中吸附模型

ASP中表活剂在砂岩矿物表面上的吸附等温线类型，主要分为Langmuir型、S型、H型和C型。表活剂在砂岩表面上的吸附模型，是建立在热力学平衡理论上的，其中应用最为广泛的Langmuir吸附模型，是假设砂岩表面均匀，固液两相，极限吸附情况下形成单层饱和吸附推导得出的[11]。

式中：Γ-吸附量，mg/g；

C-表面活性剂浓度，mol/mL；

N0-阿佛加德罗常数；

σ-吸附分子截面积cm2；

Asp-吸附剂表面积cm2；

k-热力学常数J·K-1；

C2-体相中溶剂浓度，mol/mL。

由于Langmuir模型形式简单，基本假设较为理想，因此应用较为广泛，常用于稀溶液中的吸附。但实际情况复杂，影响因素也较多，导致实验结果与理论相差较大。在使用数值模拟软件对化学驱进行模拟时，一般采用Langmuir吸附等温线模型来描述砂岩矿物表面对表活剂的吸附滞留作用。

3 碱对表活剂吸附影响

三元复合驱投产以来，很多研究人员在碱性条件下，对表活剂的吸附情况进行室内试验测定，实验结果表明[12]，碱可以使粘土矿物对阴离子表面活性剂吸附量降低70%～80%，而油藏砂岩对表活剂吸附量可降低20%～40%。

在保持表活剂和聚合物浓度不变的情况下，改变Na2CO3浓度，并测定表面活性剂石油磺酸盐溶液在砂岩中的吸附等温线。其中Na2CO3浓度为0.0%、0.6%、0.8%、1.0%(wt)，表活剂的吸附等温线如图1所示。

图1 不同Na2CO3浓度下表活剂吸附等温线Fig.1 Adsorption isotherms of surfactant at different Na2CO3concentrations

根据室内试验测定的表活剂吸附数据可知，在表活剂溶液中加入Na2CO3后，砂岩对表活剂的吸附量下降，且加入Na2CO3溶液的浓度越大，吸附量下降越大，但下降的幅度并不与Na2CO3溶液浓度成正比，当Na2CO3溶液浓度为0.8%(wt)时，吸附量下降幅度最大，此时实验效果最好。根据图1中测定的表活剂吸附等温线，建立9注16采数值模型，模拟不同Na2CO3浓度下砂岩对表活剂的吸附量，数值模拟结果如图2所示。

图2 不同Na2CO3浓度下表活剂吸附量Fig.2 Adsorption of surfactant at different Na2CO3concentrations

从图2(a)-图2(d)可以看出，后置段塞结束后，Na2CO3浓度为 0.0%(wt)时，砂岩对表活剂的吸附量较大，最大吸附量达到1 143×10-6，且砂岩的吸附面积较大，已经波及到生产井；随着Na2CO3浓度不断增大，砂岩对表活剂的吸附量逐渐减少，且吸附面积也在逐渐减小；当Na2CO3浓度为1.0%时，砂岩对表活剂吸附作用最小，其最大吸附量 622×10-6，较 Na2CO3浓度为 0.0%时的吸附量降低45.58%。

4 聚合物对表活剂吸附影响

在保持表活剂和Na2CO3浓度不变的情况下，改变聚合物浓度，并测定表面活性剂石油磺酸盐溶液在砂岩中的吸附等温线。其中聚合物浓度分别为0、1 000、1 200、1 400 mg/L，表活剂的吸附等温线如图3所示。

图3 不同聚合物浓浓度下表活剂吸附等温线Fig.3 Adsorption isotherms of surfactant at different polymer concentrations

从图3中可以看出，表面活性剂溶液中加入聚合物后，砂岩对表活剂的吸附量降低，且随着聚合物溶液浓度的不断增大，吸附量不断降低，但降低的幅度较小，相比于碱的作用，聚合物对表活剂的吸附影响作用显得稍微弱些。这是由于，聚合物在表活剂溶液中水解后[13]，部分分子团带有负电荷，这就抑制了砂岩对表活剂的吸附作用；另外，加入聚合物后，复配体系溶液变稠，使得溶液扩散速率降低，减小波及体积，进而削弱表活剂吸附效果。

根据图3中测定的表活剂吸附等温线，建立9注16采数值模型，模拟不同聚合物浓度下砂岩对表活剂的吸附量，数值模拟结果如图4所示。

从图4可以看出，后置段塞结束后，改变聚合物溶液浓度对表活剂的吸附作用影响较小。当聚合物浓度为0 mg/L时，砂岩对表活剂的吸附量为798 ×10-6；聚合物浓度为1 000 mg/L时，砂岩对表活剂的吸附量为 681×10-6，较聚合物浓度为 0 mg/L时吸附量下降14.66%；聚合物浓度为1 200 mg/L时，砂岩对表活剂的吸附量为 623×10-6，吸附量下降21.93%；聚合物浓度为1400 mg/L时，砂岩对表活剂的吸附量为574×10-6，吸附量下降28.07%。

图4 不同聚合物浓度表活剂吸附量Fig.4 Adsorption of surfactant at different polymer concentrations

5 结 论

（1）表活剂溶液中加入Na2CO3后，砂岩对表活剂的吸附量下降，且Na2CO3溶液浓度越大，吸附量下降越大；

（2）室内试验碱可以使油藏砂岩对表活剂吸附量可降低 20%～40%，数值模拟结果吸附量降低30%～46%；

（3）聚合物对表活剂的吸附作用影响较小，数值模拟结果吸附量降低15%～30%。

［1］ 张向宇. 无碱二元驱油体系配方及驱油效果影响因素研究[D]. 大庆石油学院, 2010-03.

［2］ 刘磊明. 神经网络建模方法在三元复合驱系统岩电关系研究中的应用[D]. 大庆石油学院, 2002-03.

［3］ 王淑娟. 三元复合体系驱油效果影响因素研究[D]. 大庆石油学院, 2004-03.

［4］ 徐建军. 基于 Ethernet网络控制的三元复合驱过程控制研究[D].大庆石油学院, 2006-08.

［5］ 周扬帆. 二元体系的相互作用[D]. 成都：西南石油学院, 2005-06.

［6］ 李道山, 廖广志等. 三元复合驱油液各组分在矿场试验中的滞留研究[J]. 油田化学, 2001, 18(4): 362-366.

［7］ 闫伟. 驱油体系对采收率和残余油饱和度的影响[D]. 大庆石油学院, 2007-02.

［8］ 刘春凤. 新型无碱表面活性剂体系界面特性研究[D]. 大庆石油学院, 2008-02.

［9］ 侯天江. 抗盐聚合物的合成及其新型二元复合体系驱油性质的研究[D]. 成都：西南石油学院, 2005-04.

［10］ 苑慧莹. 复合驱用表面活性剂在大庆油砂上的吸附滞留研究[D].大庆石油学院, 2007-03.

［11］ 苑慧莹. 表面活性剂在油砂表面的吸附滞留性研究进展[J]. 内蒙古石油化工, 2007(03): 196-197.

［12］ 褚奇. 新型双子（Gemini）表面活性剂的合成、性能测试及其在三次采油（EOR）中的应用研究[D]. 成都理工大学, 2009-04.

［13］ 韩杰. 高温油藏聚合物驱及复合驱技术研究[D]. 中国地质大学（北京）, 2010-05.

Influence of Alkali and Polymer on Adsorption of Surfactant

MEI Hao-lin，TANG Jun
（Yangtze University, Earth Sciences Institute, Hubei Jingzhou 434000，China）

The adsorption of surfactant on oil reservoir, is the interaction between surfactant and chemical substances on sandstone surface. In ASP compound system solution, effect of alkali on the adsorption of surfactant is great, after adding alkali, adsorbed surface active agent on sandstone surface decreases, and the adsorption capacity decline range is proportional to the concentration of alkali. The experimental results show that alkali addition can make the clay minerals' adsorption capacity for anionic surface active agent reduce by 70% to 80%, and sandstone reservoirs' adsorption capacity reduce by 10%～40%. Polymer has less effect on surfactant adsorption, numerical simulation results show that the adsorption quantity is reduced by 15%～30%. This is because the polymer hydrolysis in the surface active agent solution to form molecular group with negative charge, which inhibits the sandstone's adsorption effect for surface active agent; In addition, after adding polymer, the compound system thickens, resulting in lower solution diffusion rate to decrease the swept volume, thus weakening the effect of surface active agent adsorption.

surfactant; alkali; polymer; adsorption; adsorption isotherm

TE34

A

1671-0460（2016）11-2619-03

2016-04-19

梅浩林（1993-），男，在读研究生，研究方向沉积机制。E-m ail：2358719375@qq.com。

汤军（1964-），男，教授，硕士生导师，研究方向地质资源与地质工程、油气资源定量评价。