表面活性剂/聚合物二元复合体系超低界面张力的影响因素研究

成梦可，仲笑君

（东北石油大学，黑龙江大庆163318）

表面活性剂/聚合物二元复合体系超低界面张力的影响因素研究

成梦可，仲笑君

（东北石油大学，黑龙江大庆163318）

为了研究二元复合体系超低界面张力的影响因素，通过物理实验方法分别测得不同条件下界面张力的变化规律。结果表明，石油磺酸盐阴离子表面活性剂在一定的浓度范围内可以达到超低界面张力；加入聚合物的表面活性剂所形成的二元复合体系可以有效地延长表面活性剂到达平衡界面张力值所需的时间；分子吸附理论可以解释同浓度表面活性剂的界面张力先降低到最低再升高的原因，同时也可以解释高浓度表面活性剂能够在较短时间内达到超低界面张力值的原因。

表面活性剂；聚合物；二元复合驱油体系；超低界面张力

随着油田开发的不断深入，大多数油田已进入油田开采的中后期，一次采油、二次采油技术已不能满足人们的需求，然而还有剩余油、残余油未被采出，所以需要找到一种合适的技术，最大限度地采出地下原油，解决现今人们所遇困境[1]。近年来提出的复合驱可以有效地提高原油采收率，其中由碱、表面活性剂和聚合物组成的三元复合驱是现今较为成熟的一种驱油技术，但却因为碱的加入使三元体系的黏度下降、产生结垢并伤害了地层，造成了严重的后果[2]。而表面活性剂/聚合物二元复合驱既可以避免上述缺点，又可以弥补单独使用中的不足，表面活性剂降低界面张力，聚合物增加体系黏度，扩大波及体积，从而更好地提高驱油效率，是目前较为有效的技术。本文主要研究二元体系中超低界面张力的影响因素，希望对今后二元复合驱的应用提供一些帮助。

1 实验部分

1.1 实验试剂

表面活性剂：石油磺酸盐（阴离子表面活性剂）；双子型（阳离子表面活性剂）；十二烷基酚甜菜碱型（两性离子表面活性剂）；脱水山梨醇单硬脂酸脂（非离子表面活性剂）。

聚合物：聚丙烯酰胺。

实验用水：大庆油田模拟地层水（矿化度3 700 mg/L）。

实验用油：大庆油田采油三厂脱水原油。实验温度：45℃。

1.2 实验仪器

Texas-500型旋滴界面张力仪、恒温空气振荡器。

2 实验结果分析

2.1 不同类型表面活性剂的吸附量

表面活性剂可以降低油水界面张力，但它在油层中的吸附损耗将会减弱这种作用的效果[3]，严重影响到油田化学驱油生产中的经济效益。尤其是在表面活性剂/聚合物二元复合驱油实验研究中，由于没有碱等作为牺牲剂与表面活性剂分子竞争吸附位置，因此必须考虑表活剂在地层岩石中吸附作用的影响。

将以上四种不同类型的表面活性剂分别配制成初始浓度为0.3%的表面活性剂溶液，测定吸附油砂前的界面张力值，经过油砂吸附后，再测定流出液的界面张力值，最后计算出界面张力降幅值，即吸附前界面张力和吸附后界面张力的差值与吸附前界面张力值之比（表1）。

表1 油砂吸附前后界面张力值Table1 Interfacial tension values before and after oil sand adsorption

表1反映了不同类型的表面活性剂在油砂中的室内实验吸附量和滞留损失量。实验表明，脱水山梨醇单硬脂酸脂表面活性剂在岩心中的吸附损失最小，其界面张力降幅为10.99%，石油磺酸盐的吸附损失量次之，双子型阳离子表面活性剂的界面张力降幅程度最大。这一现象可以用离子配对吸附原则进行解释，由于油砂的主要矿物质成分是石英，而石英表面又具有负电性，因此很少吸附或不吸附阴离子型表面活性剂，因而石油磺酸盐的吸附损失主要是由于吸附在油砂表面的反离子被同电性的表面活性离子所取代，损失量较少，然而，双子型阳离子表面活性剂则更易于吸附在带相反电荷的固体表面位置，对表面活性剂的吸附损失起主要作用的是只占岩石矿物很少部分的黏土、碳酸盐等胶结物。由于地层表面通常带负电性，因此为了减少表面活性剂在驱油过程中的吸附损耗，将阴离子型表面活性剂和两性离子型表面活性剂作为主要研究对象。

2.2 表面活性剂类型对瞬时界面张力的影响

图1是石油磺酸盐阴离子表面活性剂、双子型阳离子表面活性剂、十二烷基酚甜菜碱型两性离子表面活性剂、脱水山梨醇单硬脂酸脂非离子表面活性剂在不同浓度下界面张力的变化曲线。由图1可见，开始时，四种表面活性剂的浓度均有明显的下降趋势，其中，石油磺酸盐的界面张力值始终保持最高，0.08 mmol/L时十二烷基酚甜菜碱型表活剂的界面张力值最早达到最低，但下降到浓度为0.3 mmol/L时，石油磺酸盐的油水界面张力值达到最低，而后四种表面活性剂界面张力值随表活剂浓度的增加均趋于平稳。

图1 不同类型的表面活性剂与界面张力的关系Fig.1 Relationship between different concentration of surfactant and interfacial tension

从实验结果可以看出，开始时配制的表面活性剂溶液的浓度都很低，此时是以分子离子分散状态的真溶液存在于水中，继续加入表面活性剂，浓度逐渐升高，导致界面张力急速下降；持续加入，界面张力的下降趋势越来越慢，此时表面活性剂浓度达到临界胶束浓度，在水中有一部分表面活性剂分子聚集成了胶束的状态。接着，从某一表面活性剂浓度开始，界面张力值会逐渐趋于平稳，界面吸附将达到饱和[4]。再者，石油磺酸盐阴离子表面活性剂是一种效果相对来说好的表面活性剂，具有较高的活性，在一定浓度范围内可以达到一定的超低界面张力值。

2.3 聚合物浓度对界面张力的影响

在表面活性剂浓度为0.05%的条件下，分别测定浓度在500、1000、1 500和2 000 ppm时的部分水解聚丙烯酰胺溶液随时间变化的界面张力值，关系曲线如图2所示。当体系中没有聚合物时，界面张力在约在75 min时达到最低值0.0153 mN/m，而后逐渐趋于平稳；而当聚合物浓度较高如2 000 ppm时，达到最低界面张力的时间约在80～100 min，其界面张力值约在0.06 mN/m左右。

由图2可见，低浓度聚合物的界面张力随时间变化先大幅度下降至较低的界面张力值后保持平稳，而在高浓度时的界面张力值只是稍有降低，产生这种现象的主要原因是实验中选用的聚丙烯酰胺是水溶性的高分子聚合物，浓度越高，活性组分越集中于水相，使得分配系数发生改变，并且体系的界面张力值始终高于低浓度的界面张力值；而且，由石油磺酸盐和聚丙烯酰胺组成的缔合结构会使油水界面剪切粘度增大，导致界面上磺酸盐的吸附减少和排列不够紧密[5]。

图2 聚合物浓度对界面张力的影响Fig.2 Effect of polymer concentration on interfacial tension

除此之外还可以看出，高浓度聚合物到达平衡界面张力的时间长于低浓度聚合物到达平衡界面张力的时间，这主要是由于聚丙烯酰胺可以增加驱油体系粘度，浓度越高其体系黏度越大，会阻碍物质的传递和界面的吸附，延长表面活性物质到达界面的时间，也延长了平衡界面张力的时间[6]。

2.4 表面活性剂浓度对界面张力的影响

由于聚合物浓度在1 500 ppm时可以更好地延长平衡界面张力的时间，所以采用此浓度的聚合物和浓度分别为0.05%、0.1%、0.3%的表面活性剂进行实验，图3即为其二元复合体系界面张力随时间的变化关系曲线。

图3 表面活性剂浓度对界面张力的影响Fig.3 Effect of surfactant concentration on interfacial tension

三种体系均呈现出界面张力先大幅度的减小，而后略有上升，再次下降后最后趋于平稳的规律；值得注意的是，浓度0.3%的表面活性剂的体系界面张力在前20 min下降幅度最大，在20 min时达最低值，其用时最短。

根据分子的吸附速率规律，开始时，吸附速率高于脱附速率，此时溶解在具有两相界面上的物质会自发地聚集到两相界面层上，大大降低表面活性剂的界面张力[7]，浓度大的表面活性剂，吸附速率快，界面张力能在短时间内大幅度下降，在吸附量达到饱和时形成超低界面张力值；当表面活性剂浓度很高时，会有一部分表面活性剂分子形成胶束，胶束有增溶作用，降低界面表面能，界面张力再次升高[8]；吸附速率等于脱附速率，此时达到了吸附平衡，吸附质在溶液中的浓度和吸附剂表面上的浓度都不再发生改变时，界面张力值基本保持不变。

3 结论

（1）同等条件下，石油磺酸盐阴离子表面活性剂在吸附量效果上优于双子型阳离子表面活性剂和脱水山梨醇单硬脂酸脂非离子表面活性剂，同时可以在更长的浓度范围内达到超低界面张力值；

（2）加入聚合物的表面活性剂可以有效地延长表面活性剂达到平衡界面张力值所需的时间，可见，二元复合驱的效果优于单独的表面活性剂驱和聚合物驱；

（3）分子吸附理论可以解释同浓度表面活性剂的界面张力先降低到最低再升高的原因，同时也可以解释高浓度表面活性剂到达最低界面张力时间最短的原因。

［1］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].西南石油大学，2005．

［2］康万利，孟令伟，高慧梅．二元复合驱表面活性剂界面张力研究[J].胶体与聚合物，2005，23：23-25．

［3］倪洪涛．双河油田S/P二元复合体系驱室内实验研究[D].大庆石油学院，2009．

［4］苏克松，王东增，常启新，廖刚.双子表面活性剂NNMB的合成及表征[J].精细石油化工进展，2008，99（4）：37-40.

［5］张武．驱油体系对中性润湿性油藏驱油效果室内研究[D].大庆石油大学，2007．

［6］高慧梅．二元复合驱用表面活性剂选择及作用机理研究[D].大庆石油学院，2004．

［7］Rudin.J，Wasan D T．Mechanisms for lowering of interfacial tension in alkali/acidic oil systems.part 1:effect of added surfactant[J].Ind.Eng. Chem.res，1992，5：1988．

［8］王荣健，卢祥国，牛丽伟，高尔双，车鑫晖．大庆油田萨北开发区二类油层二元复合驱技术研究[J].海洋石油，2009，29（3）：57-62．

Study on Influencing Factors of the Ultra-low Interfacial Tension of Polymer-surfactant Binary Composite System

CHENG Meng-ke,ZHONG Xiao-jun
（Northeast Petroleum University,Heilongjiang Daqing 163311，China）

In order to study influence factors of the ultra-low interfacial tension of polymer-surfactant(PS)binary composite system,the change law of interfacial tension under different conditions was measured by physical experiment method.The results show that,the ultra-low interfacial tension can be reduced in a certain concentration range of petroleum sulfonate anionic surfactant;Adding polymer to surfactant can effectively prolong the time required to reach the equilibrium interfacial tension value;Molecular adsorption theory can explain the reason that interfacial tension of the same concentration of surfactant reduces to the minimum level and then increases,it can also explain that high concentration of surfactant can reach the ultra-low interfacial tension in the shortest time.

Surfactant;Polymer;Polymer-surfactant(PS)flooding;Ultra-low interfacial tension

TQ 423

A

1671-0460（2017）03-0435-03

2016-10-30

成梦可（1993-），女，辽宁省盘锦市人，研究生在读，研究方向：油气田开发方向。E-mail：cmk73095@qq.com。