新疆油田三元复合驱油体系油水界面Zeta电位的影响因素

侯军伟，廖元淇，孙 腾，焦秋菊，聂小斌，韩增玖

（1. 中国石油 新疆油田公司 实验检测研究院，新疆 克拉玛依 834000；2. 中国石油 新疆油田公司采油一厂，新疆 克拉玛依 834000；3. 中国石油大学（北京） 理学院，北京 102249）

新疆油田三元复合驱油体系油水界面Zeta电位的影响因素

侯军伟1，廖元淇1，孙 腾2，焦秋菊1，聂小斌1，韩增玖3

（1. 中国石油 新疆油田公司 实验检测研究院，新疆 克拉玛依 834000；2. 中国石油 新疆油田公司采油一厂，新疆 克拉玛依 834000；3. 中国石油大学（北京） 理学院，北京 102249）

针对新疆油田，利用表面活性剂、部分水解聚丙烯酰胺（HPAM）以及不同的碱复配得到碱-表面活性剂-聚合物（ASP）三元复合驱，并分别配制成乳状液。利用Zeta 电位分析仪和界面张力仪等考察了不同乳状液的Zeta电位和油水界面张力。实验结果表明，含石油磺酸盐阴离子表面活性剂（KPS）的乳状液的Zeta电位绝对值最大，含甜菜碱型表面活性剂（APS）的乳状液的Zeta电位绝对值最小。随表面活性剂含量的增大，乳状液的Zeta电位绝对值呈不同的增大趋势。对于LPS/KPS（LPS为烷醇酰胺类非离子型表面活性剂）复配表面活性剂，其乳状液的Zeta电位主要由KPS控制。LPS/KPS复配表面活性剂降低原油界面张力的效果明显。采用ASP三元复合驱时，表面活性剂对界面电位的影响变弱；随碱含量的增大，Zeta电位降低；随HPAM含量的增大，Zeta电位绝对值相应增大。

复合驱油体系；Zeta电位；乳状液；碱；聚丙烯酰胺；表面活性剂；界面张力

近年来我国的能源消费呈快速增长的趋势，但大部分油田的开发目前已处于高含水和高采出阶段，急需三次采油提高采收率以保持原油产量的增长和稳定［1-2］。碱-表面活性剂-聚合物（ASP） 三元复合驱技术可提高原油采收率达20%以上，因此备受关注［3］。三元复合驱过程中产生的原油乳化作用是提高驱油效率和扩大波及体积的关键因素［4-9］。新疆油田三元复合驱先导试验发现，乳化性能好的表面活性剂，即使界面张力达不到超低，采出程度仍较高；反之，如果没有明显的乳化作用，则体系提高采收率的效果相对较差。因此，越来越多的科技人员开始重视乳状液稳定性的研究工作［6］。Zeta电位也称电动电位，是表征乳状液稳定性的一个重要参数。它的大小反映了油珠带电的情况，与乳状液的稳定性密切相关，Zeta电位的绝对值越大，乳状液越稳定［10］。

本工作针对新疆油田，利用表面活性剂、部分水解聚丙烯酰胺（HPAM）以及不同的碱复配得到ASP三元复合驱，并将表面活性剂、HPAM、碱以及ASP分别配制成乳状液。利用Zeta 电位分析仪和界面张力仪等分析了各乳状液的Zeta 电位和油水界面张力，考察了不同试样对Zeta电位和界面张力的影响。

1 实验部分

1.1 仪器与试剂

石油磺酸盐阴离子表面活性剂（KPS）、烷醇酰胺类非离子型表面活性剂（LPS）、甜菜碱型表面活性剂（APS）：工业品，新疆克拉玛依金塔公司；Na2CO3和NaOH：分析纯，天津风船化学试剂厂；HPAM：相对分子质量为2.5×107（固含量91.38%（w）），北京恒聚化工集团有限责任公司。

实验用油为新疆油田七东1区脱水脱气原油，34 ℃时原油黏度为13 mPa·s，相对密度0.857 g/ cm3，离心机脱水（转速10 000 r/min）10 min。实验用水的矿化度为400 mg/L，Ca2+和Mg2+含量分别为30 mg/L和14 mg/L，水型为NaHCO3型。

Fluke公司Fluke FA25型高剪切分散乳化机、科诺公司TX500C型界面张力仪、马尔文公司Zetasizer Nano ZS 纳米粒度及Zeta 电位分析仪、上海安亭科学仪器厂LXJ-2B型离心机、蔡司AXIOSKOP 40 型光学显微镜。

1.2 实验方法

1.2.1 乳状液的制备及界面Zeta 电位的测定

表面活性剂试样：分别配制含量（w）为0.05%，0.1%，0.2%，0.3%，0.5%的KPS溶液、LPS溶液，APS溶液以及LPS/KPS（质量比1:1）复配表面活性剂溶液。聚合物试样：分别配制HPAM含量（w）为0.05%，0.1%，0.2%，0.3%的HPAM溶液。碱试样：取NaOH和Na2CO3，分别配制成含量（w）为0.5%，0.8%，1.0%，1.2%，1.4%，2.0%的碱溶液。

将碱、表面活性剂及聚合物按不同含量进行复配，得到ASP三元复合驱。

将上述各试样分别与原油按照质量比为10:1，用高剪切分散乳化机在3 000 r/min的转速下搅拌2 min，制备成水包油（O/W）型乳状液。之后在室温下放置24 h，采用纳米粒度及Zeta 电位分析仪在30 ℃下测定下层浑浊水相的界面Zeta电位［5］。

1.2.2 界面张力的测定

使用界面张力仪在30 ℃下测定不同试样与原油的界面张力。

2 结果与讨论

2.1 含表面活性剂乳状液的Zeta 电位

不同表面活性剂的临界胶束浓度（CMC）见表1。从表1可看出，KPS的CMC最低，LPS的CMC最高。

表1 不同表面活性剂的CMCTable 1 Critical micelle concentrations(CMC) of diferent surfactants

含不同表面活性剂的乳状液的pH见表2。从表2可看出，APS的pH最低，LPS的pH次之，KPS由于在其磺化过程中加入了过量的碱进行中和，故pH最高。

表2 含不同表面活性剂的乳状液的pHTable 2 pH of emulsions with the surfactants

含不同表面活性剂的乳状液的照片见图1。从图1可看出，含APS的乳状液中的颗粒很小且数目较多；含KPS的乳状液中的颗粒较大且数目很少；含LPS的乳状液中的颗粒以不规则的形态存在。

图1 含不同表面活性剂的乳状液的照片Fig.1 Images of emulsions with diferent surfactants.(a) Emulsions with diferent surfactants；(b) Emulsion with APS；(c) Emulsion with KPS；(d) Emulsion with LPS

含不同表面活性剂的乳状液的Zeta电位见图2。从图2可看出，含KPS的乳状液的Zeta电位绝对值最大，含APS的乳状液的Zeta电位绝对值最小。KPS在水中溶解后，由于大量带负电荷的离子吸附在油滴表面，使得油珠负电荷密度显著增大，其Zeta电位的绝对值随其含量的增大而增大；当含量增至0.3%（w）以后，油水界面吸附达到饱和，Zeta电位不再发生变化。LPS在水中溶解后，头基与水分子之间以及头基与头基之间通过氢键形成了一个相对稳定、密集且有一定阻挡性的亲水基层［11-13］，Zeta电位主要由氢键产生，因此表面活性剂的含量对Zeta电位的影响较小。APS的配置水型为NaHCO3型，呈弱碱性，因此在水溶液中体现出阴离子的特点，Zeta电位显负值，但绝对值很低，随表面活性剂含量的增大，Zeta电位绝对值呈缓慢增长趋势［14-15］。使用LPS/KPS复配表面活性剂时，KPS与LPS在油水界面上出现竞争吸附，由于LPS的吸附力较弱，因此主要是KPS对Zeta电位进行控制。

表面活性剂与原油的界面张力见图3。从图3可看出，KPS虽然Zeta电位值较高，但降低原油界面张力的效果较差；KPS与LPS复配后，Zeta电位值只降低少许，但原油界面张力降低的效果明显。因此，选用KPS/LPS复配表面活性剂有利于降低原油界面张力。

图2 含不同表面活性剂的乳状液的Zeta电位Fig.2 Zeta potentials of emulsions with the surfactants.■ KPS；● LPS；▲ APS ；▼ KPS+LPS

图3 表面活性剂对界面张力的影响Fig.3 Efects of the surfactants on the interfacial tension(IFT).■ KPS+LPS；● KPS

2.2 含聚合物乳状液的Zeta 电位

新疆油田三元复合驱矿场试验所用聚合物为一种抗盐型HPAM，HPAM含量对Zeta电位的影响见图4。

从图4可看出，聚合物含量越高，油水分相越慢，当聚合物含量为3 000 mg/L时，静置24 h后的油水界面仍未出现分层。随HPAM含量的增大，含HPAM乳状液的黏度和Zeta电位绝对值均增大。这是因为，HPAM在水中只发生溶胀，且溶胀后带负电荷，随含量的增大，其溶液黏度增大，HPAM颗粒在油水界面处的吸附量增多，Zeta 电位绝对值随之增大。随Zeta 电位绝对值的增大，油珠间的静电斥力增大，则油珠间发生聚并而导致油水分离的几率变小，乳状液稳定性相应增加。

图4 HPAM对Zeta电位的影响Fig.4 Efects of hydrolyzed polyacrylamide(HPAM) on the Zeta potential.

2.3 含碱乳状液的Zeta 电位

含碱乳状液的Zeta电位和油水界面张力见图5。从图5a可看出，随碱含量的增大，Zeta电位的绝对值不断降低，NaOH的Zeta电位绝对值小于Na2CO3的Zeta电位绝对值。该实验结果与李明远等［16］的研究结果相反。他们认为，原油中的有机酸与碱发生皂化反应，以及钙皂向钠皂的转化均可增加界面活性物质的电离度，导致Zeta电位值绝对值增大。本课题组认为，导致此异常现象的出现主要有2个原因：1）新疆油田七东1区的原油酸值偏低，约为0.15 mg/g（基于KOH），主要成分为饱和烃70.7%（w）、芳香烃10%（w）和胶质5.3%（w），沥青质仅0.9%（w），总收率86.9%。由于酸值偏低，少量的碱即可完成与油中的有机酸反应，继续增加碱含量，相当于变相增大乳状液的矿化度，因此Zeta电位降低。2）含量为2%（w）的Na2CO3的pH只有11.6，而含量0.2%（w）的NaOH的pH已达12.7，含量2%（w）的NaOH的pH为13.6。

从图5b可看出，NaOH溶液与原油的界面张力很高，主要因为碱与原油中的钙皂基团发生了反应：钙皂基团与NaOH反应，平衡向钠皂基及Ca（OH）2方向移动；钙皂基团与Na2CO3反应，平衡向钠皂基及CaCO3方向移动；在水溶液中，CaCO3的溶度积为3.36×10-9，比Ca（OH）2（溶度积为5.5×10-6）小，因此反应生成的钠皂更多，导致界面活性增强，同时Zeta电位绝对值升高。

图5 含碱乳状液的Zeta电位（a）和油水界面张力（b）Fig.5 Zeta potentials(a) and IFT(b) of emulsions with alkali.■ Na2CO3；● NaOH

2.4 含ASP乳状液的Zeta 电位

含ASP乳状液的Zeta电位见图6。从图6可看出，当表面活性剂、HPAM、碱三者共存时，表面活性剂对界面电位的影响变弱；随碱含量的增大，Zeta电位降低；随HPAM含量的增大，Zeta电位绝对值相应增大。这可能是由于三者共存时，HPAM为一种负电性固体颗粒的溶涨分散体系，这种分散体系的憎水性强，因而更易吸附在油珠表面形成稳定的乳状液；过量的碱增强了离子强度，应当是反离子浓度（或电解质浓度增加），双电层受到压缩，Zeta电位降低，油珠间斥力减小；由于HPAM及原油与碱生成的活性物与表面活性剂在油水界面产生竞争吸附［17-18］，故表面活性剂对界面Zeta 电位的影响大幅减弱。

图6 含ASP乳状液的Zeta电位性能Fig.6 Zeta potentials of emulsions with alkaline-surfactant-polymer.

3 结论

1）含不同表面活性剂的乳状液的Zeta电位不同，含KPS的乳状液的Zeta电位绝对值最大，含APS的乳状液的Zeta电位绝对值最小。随表面活性剂含量的增大，乳状液的Zeta电位绝对值呈不同的增大趋势。对于LPS/KPS复配表面活性剂，其乳状液的Zeta电位主要由KPS控制。

2）KPS虽然Zeta电位值较高，但降低原油界面张力的效果较差；LPS/KPS复配表面活性剂降低原油界面张力的效果明显。

3）随HPAM含量的增大，含HPAM乳状液的黏度和Zeta电位绝对值均增大。随碱含量的增大，Zeta电位的绝对值不断降低，NaOH的Zeta电位绝对值小于Na2CO3的Zeta电位绝对值。

4）采用ASP三元复合驱时，表面活性剂对界面电位的影响变弱；随碱含量的增大，Zeta电位降低；随HPAM含量的增大，Zeta电位绝对值相应增大。

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（编辑 邓晓音）

南化集团攻克含氯有机尾气治理难题

中国石化南化公司研制成功的处理含氯有机尾气的蓄热燃烧炉完成安装调试。含氯有机尾气治理项目将对油田表面活性剂、氯化苯、硝基氯苯生产装置的精馏真空系统、储罐及原氯化苯尾气吸收吸附系统产生的含氯尾气进行集中治理，实现达标排放。

南化公司经过较长时间的研究论证，决定将无组织排放的有机尾气分为含氯和非氯气体进行治理。治理含氯有机尾气的难点在于解决系统性腐蚀问题。该公司在抚顺石油化工研究院提供蓄热燃烧技术工艺包的基础上，与南京工程公司联手进行技术攻关，对关键设备蓄热燃烧炉进行了重大改进，增加了蓄热体数量、降低了排气温度，不仅可提高热利用率，还能更好地实现盐酸介质下的防腐。同时，该公司还研制成功了可用于含氯尾气处理系统的重要部件提升阀。

碳纤维复合材料汽车零部件开发与前景

汽车工业的快速发展在给人们带来交通便利的同时，也面临着环境污染和能源紧缺等问题，为了应对这些问题，使汽车工业可持续发展，节能减排已成为汽车工业的重要研究课题。研究显示，若汽车整车质量降低10%，燃油效率可提高6%～8%；汽车整备质量每减少100 kg，百公里油耗可降低0.3～0.6 L，二氧化碳排放可减少约10 g/ km。因此，汽车轻量化是节能减排的重要手段，在保证汽车的强度和安全性能的前提下，尽可能地减轻汽车的整备质量，从而提高汽车的动力性，减少燃料消耗，降放排气污染。

目前汽车轻量化主要有2种途径，一是结构设计优化，对车身的结构及骨架进行优化设计，优化结构形式，以达到减重目的。二是通过轻质高强材料替换传统材料，从而达到减重目标。自从1953年世界上第一台FRP汽车—GM Corvette制造成功以后，随着复合材料技术的不断进步，复合材料作为汽车轻量化中应用得到了快速发展，欧美日等汽车发达国家，都已在汽车中大量采用复合材料，碳纤维复合材料也在逐步进入汽车领域，这必将成为汽车复合材料的发展趋势。碳纤维复合材料具有高强度、高模量、低密度的特点，是汽车轻量化最理想的材料。

沈阳材料科学国家实验室纳米碳材料负载金属催化剂研究取得新进展

沈阳材料科学国家（联合）实验室催化材料研究部利用石墨烯和纳米金刚石复合的核壳结构材料（ND@G）为载体制备一种高性能的钯/碳（Pd/C）催化剂。将这种Pd/C催化剂用于催化氧化CO时发现，与传统sp2杂化的洋葱碳（OLC）上负载的Pd纳米催化剂相比，ND@G负载的钯纳米催化剂（Pd/ND@G）表现出了更加优异的催化剂性能。

利用高分辨透射电子显微镜、球差分辨的高角度环形暗场-扫描透射电子显微镜以及同步辐射X-射线吸收精细结构谱等手段对催化剂进行了详细的表征。研究发现，与传统的碳载体相比，由于ND@G载体表面具有丰富石墨烯缺陷能够增强Pd纳米粒子与纳米碳载体之间的相互作用，进而改变了Pd纳米颗粒的几何形貌和结构，并且能够显著提升Pd纳米粒子在碳载体表面的抗烧结能力。同时研究还发现，这种Pd/ND@G催化剂中强的金属-载体相互作用以及Pd 纳米粒子特殊的几何结构能够明显减弱CO分子在Pd纳米粒子表面的吸附，进而促进了O2分子在Pd 纳米粒子的吸附解离，提高了催化剂低温催化氧化CO的能力。

印度需大规模增加乙烯产能

Plast News，December 1，2015

印度石化行业的一位高管在最近的一次会议上称，基于预测的每年7%的经济增长，印度需要建立一个世界级乙烯生产综合设施，产能达1.2 Mt/a，这样才能满足不断增长的塑料需求。印度石油公司（IOC）的执行董事Siddharta Mitra称，印度国内人均塑料需求仍低于世界平均水平，每增加1 kg就需要再建一个这样的生产设施。他还表示，2015—2022年，IOC制定了50亿美元的石油产品投资计划，打算在Baroni建立一家炼油能力达 3 Mt/a的炼油厂，其中包括一套350 kt/a的聚丙烯（PP）装置。该公司还计划在2019年前，将其位于Panipat的裂解装置产能提升至1.2 Mt/a，并在Paradeep建立一套PP装置。该公司近年来一直在扩大聚合物的产能，试图从其裂解装置中获取更多利润。

印度最大塑料制造商Reliance 工业公司的副主席和芳香剂负责人Vikram Sampat称，从整体看来，印度仍是塑料的纯进口国家，据估计每年的需求达12 Mt/a，而国内的总产能只有9 Mt/a。2015年11月在新加波举办了亚洲化工会议。Vikram Sampat在会议上称，印度石化成品需求的年平均增长率为8%～10%。即使在如今不确定的经济环境下，由于政府“印度制造”的精神，对于该国长期的塑料需求还是很有信心的。此次会议的数据显示，目前印度每年的人均塑料消费量为8 kg，相比之下，全球每年的人均塑料消费量为25 kg，约占世界化工产品需求的3%。

Factors influencing Zeta potential of O/W emulsion interface with ternary composite flooding system

Hou Junwei1，Liao Yuanqi1，Sun Teng2，Jiao Qiuju1，Nie Xiaobin1，Han Zengjiu3
（1. Research Institute of Experiment and Detection，Karamay Xinjiang 834000，China；2. No.1 Oil Production Plant，Xinjiang Oilfled Company，PetroChina，Karamay Xinjiang 834000，China；3. Department of Science，China University of Petroleum Beijing，Beijing 102249，China）

Surfactant solutions，partially hydrolyzed polyacrylamide(HPAM) solutions and alkali solutions were prepared separately，and then the ternary composite alkali-surfactant-polymer(ASP) fooding systems with diferent formula ratio were prepared. The fooding systems were mixed with crude oil from the Xinjiang oilfeld and were emulsifed to form the O/W emulsions. The Zeta potential and interfacial tension of the emulsion samples were measured by means of Zeta potential analyzer and interfacial tension meter. The results showed that the Zeta potential absolute value of the emulsion with petroleum sulfonate anionic surfactant(KPS) was the maximum and the one with betaine type surfactant(APS) was minimum. With increasing the surfactant content，the Zeta potential absolute value increased with different tendency. For the mixed nonionic alkanolamide surfactant(LPS)/KPS system，the Zeta potential of the emulsion was controlled by KPS. The mixed LPS/KPS system could strongly reduce the interfacial tension of the emulsions. When the ASP fooding systems was used，the infuence of surfactants on the interfacial potential became weakened，and with increasing the contents of alkali and HPAM，the Zeta potential absolute value decreased and increased，respectively.

compound flooding system；Zeta potential；emulsion；alkali；polyacrylamide；surfactant；interfacial tension

1000 - 8144（2016）03 - 0319 - 06

TE 357.43

A

10.3969/j.issn.1000-8144.2016.03.011

2015 - 10 - 31；［修改稿日期］2015 - 12 - 30。

侯军伟（1981—）， 男，新疆维吾尔自治区克拉玛依市人，博士，工程师，电话 0990 - 6880265，电邮 Junweihou@petrochian. com.cn。

国家科技重大专项（2011ZX05003-005）。