甜菜碱表活剂性能评价*

宋文玲，王玉星，王顺，孔祥义（东北石油大学提高采收率教育部重点实验室，黑龙江大庆163318）

科研与开发

甜菜碱表活剂性能评价*

宋文玲，王玉星，王顺，孔祥义
（东北石油大学提高采收率教育部重点实验室，黑龙江大庆163318）

通过界面张力仪、TURBISCANLAB稳定分析仪及微分干涉显微镜对甜菜碱表面活性剂及其聚表体系的稳定性进行研究。研究表明：原油乳状液稳定系数与聚合物浓度成反相关；多重光散射原理的基础上应用TURBISCANLAB稳定分析仪从动态上反映乳状液颗粒从稳定到失稳的过程；结合微分干涉显微及驱油实验提出了一种综合评价乳状液稳定性的方法。

表面活性剂；乳状液稳定性；乳状液粒径

提高采收率是油田开采的永恒话题,因而提高采收率方法的研究,目前备受国内外[1,2]重视。如今化学驱法已经成为提高原油采收率的一种十分重要的方式，特别是对我国大多数以注水为主要开采方式的油田，适应性很强，在三次采油提高采收率方面应用非常普遍。在化学驱油技术中表面活性剂驱油是一类提高采收率效果好，使用范围广，具有发展潜力的化学驱油技术[3]。表面活性剂应用于驱油对大幅度提高采收率起到了很大的作用[4]。甜菜碱两性表活剂在表面活性剂系列中有着很重要的地位，它具有良好的耐盐性、耐温性、配伍性、乳化性及较小吸附损失等性能，且由于其对金属离子有螯合作用，其在高温、高矿化度油层驱油方面应用前景十分广阔[5,6]。

1 实验部分

1.1 材料及仪器

实验用油为大庆原油，密度（20℃）0.8562g·cm-3，实验水样为大庆一厂模拟地层水，密度为1.039g·cm-3，聚合物（相对分子质量为1900万）饱和用水：模拟大庆原始地层水（矿化度6778mg·L-1）。

旋转滴超低界面张力仪；红外线快速干燥箱；电子分析天平；Turbiscan Lab稳定分析仪；ULTRATURRAX T18digital分散机；奥林巴斯微分干涉显微镜IX73；大庆三类油层天然油砂填砂管模型；电子天平；磁力搅拌器；高压恒压恒速泵；真空泵；计量泵。

2 实验方案

2.1 界面张力测定

为研究不同浓度甜菜碱表面活性剂界面张力变化，用甜菜碱表面活性剂与大庆模拟地层水分别稀释到总浓度为0.05%、0.15%、0.3%和0.4%，测得其与大庆一场原油界面张力变化情况。

2.2 乳状液乳化性能实验

2.2.1 析水率及稳定性实验使用浓度为0.3%的甜菜碱溶液分别与聚合物配制成聚合物浓度为0.3%、0.05%的聚表剂溶液。配制40mL油水比1∶1的溶液，使用ULTRA-TURRAX T18digital分散机将其打混。将打混好状液倒入25mL试管中，密闭试管，在45℃恒温箱中静置24h，观察并定时记录其析水情况。将打混好的乳状液装入样品瓶中，用Turbiscan Lab稳定分析仪测量乳状液的稳定性。TURBISCAN LAB稳定分析仪在45℃的恒温条件下进行测量，扫描频率为1次·min-1，共计扫描120min。2.2.2驱油实验

方案1:为了便于比较，水驱至不出油以后，驱替水的段塞为1PV，注入0.3PV甜菜碱二元体系（聚合物：1680mg·L-1+甜菜碱：0.3%），后续水驱至含水98%以上，停止实验。

方案2:为了便于比较，水驱至不出油以后，驱替水的段塞为1PV，注入0.3PV甜菜碱二元体系（聚合物：1680mg·L-1+甜菜碱：0.05%），后续水驱至含水98%以上，停止实验。

3 结果与讨论

3.1 甜菜碱表活剂浓度与动态界面张力关系

图1 界面张力随时间变化曲线Fig.1 Variationof interfacial tension with time

如图1所示，甜菜碱表面活性剂溶液浓度恒定时，跟随测试时间的变化，界面张力先迅速下降又逐渐提升，最终逐渐稳定；当甜菜碱浓度为0.3%时，初期界面张力值明显降低，后期界面张力值呈现不降反升的趋势。这是由于表面活性剂分子互相碰撞，大部分烃链相互吸引形成亲水基外露的分子聚集体。由于烃链及水的界面减少使得表面能降低故界面张力值先降低；又因为随着时间推移油溶性基团被增溶或分布在有相中，降低了甜菜碱活性剂的表面浓度，故使得界面张力有上升趋势。甜菜碱表面活性剂溶液浓度为0.3%时，油水界面张力值最低，说明在此浓度下，界面活性最好，因此确定甜菜碱溶液浓度为0.3%时用作驱油评价使用浓度。

3.2 沉降析水率实验

图2 析水率变化曲线Fig.2 Variation curve ofwater rate

式中V含水：原油乳状液中含水（二元体系）的体积；V：原油乳状液的体积。

析水率越高乳状液稳定性越差，从图2可以看出，随着时间推移，乳状液开始破乳，且开始时速度较快后来逐渐开始平稳。随着活性剂浓度增加开始时破乳速度逐渐减小且最终析水率亦越小。浓度较大的聚表二元体系最终析水率最小，故0.3%的甜菜碱聚表体系稳定性最好。

3.3 稳定性分析实验

图3 甜菜碱背散射光强曲线Fig.3 Intensity curves of betaine

图4 0.3%甜菜碱聚合物背散射光强曲线Fig.4 Back scattering intensity curve of betaine polymer 0.3%

图5 0.05%甜菜碱聚合物背散射光强曲线Fig.5 Back scattering intensity curve of betaine polymer 0.3%

表1 粒径值Tab.1 Particle size

背散射光强度在扫描图上左侧增加，颗粒浓度在底部（沉淀层）增加。这就是沉淀过程；背散射光强度在扫描图上右侧增加即颗粒浓度在顶部（上浮层）增加，这就是上浮过程；絮凝会导致整个样品高度的背散射光强度下降这时全瓶样品颗粒粒径增加。甜菜碱体系乳状液随着静置时间延长会发生分层现象，包括上浮、沉降、絮凝或聚并。絮凝时,油分子和水分子相互聚集形成三维堆聚体，质点间形成一层液膜，即两相仍存在界面。经过震荡,絮凝的液滴又可以被分开。分层和絮凝是液滴位置的变化过程。聚结时,絮凝的液珠之间的液膜破裂,最终多个液珠合并成单个液滴,使乳状液变成单纯的油相和水相[7-9]，聚结是一个不可以逆向进行的过程。从图5中可以得到乳状液液珠的变化过程。背散射光强值图中峰厚值与粒子迁移速度呈一阶导数关系，由背散射光强图可以求得粒子迁移速率，之后通过STOCKES-EINSTEIN定律，可以计算出液滴的平均粒径[10]。计算结果见表1。

乳状液液滴平均粒径越小越稳定，从表1可知，甜菜碱聚表体系浓度为0.3%时制的乳状液稳定性最好。

3.4 微分干涉显微镜实验

图6 甜菜碱体系粒径成像图Fig.6 Image of particle size of betaine system

聚合物的加入使得表活剂溶液浓度增加，随着聚合物浓度增加，乳状液越稳定。产生这种现象原因是根据斯托克斯公式液滴运动速度v可表示为：可见液滴布朗运动与分散介质粘度呈正相关关系，当布朗运动随介质粘度增大时就减少了液滴之间相互碰撞的概率有利于乳状液的稳定。原因：液滴布朗运动强度随着分散度增高（此时液滴变小），能与重力达到力相互平衡而不下沉，此时乳状液越稳定。从图中可以看出浓度为0.3%甜菜碱二元体系乳状液颗粒历经最小且分布均匀程度最好且原油乳状液稳定系数与聚合物浓度成反相关。

3.5 驱油实验

表2 不同型号的甜菜碱二元体系在浓度为0.3%驱油效果Tab.2 Effectof different types of betaine two system in the concentration of oil displacementof 0.3%

从驱油实验结果看，浓度为0.3%聚表体系驱油效果最好，驱油采收率提升了16%。甜菜碱体系随着聚合物浓度升高，驱油效果变好，这与上述实验结果相呼应，表明结果的可靠性。

4 结论

（1）甜菜碱在浓度为0.1%～0.3%范围内都可以达到超低界面张力，通过乳化性能分析得出最佳浓度甜菜碱聚表体系。

（2）Turbiscan Lab稳定分析仪可以从动态上反映乳状液颗粒从稳定到失稳的过程。乳状液分散度越大，粒径越小，乳状液越稳定。

（3）提出了以界面张力为基础分析析水率、乳状液稳定分析结合显微成像及驱油实验评价乳状液稳定性的新方法。

［1］韩显卿.提高采收率原理［M］.北京：石油工业出版社，1996．

［2］闫义田，王克亮，王娟，潘志勇.复配表面活性剂对三元复合体系界面张力影响研究［J］.石油与天然气化工，2006，（3）:224 -225+228+166-167.

［3］何艳青，张焕芝.CO2提高石油采收率技术的应用与发展［J］.石油科技论坛，2008，（3）：24-26．

［4］应丹丹.甜菜碱型表面活性剂驱油体系的研究［D］.西安：西安石油大学2012.8-9.

［5］隋智慧，曲景奎，卢寿慈，等.耐盐表面活性剂驱油体系的研究［J］.精细石油化工进展,2002,3（3）:35-38．

［6］Miiller H,MeeranPillaiN S,Al-Hajji A A,et al.Molecular Outlook ofWater-in-OilEmulsions from Two Saudi Arabian Oil Fields［J］. SaudiAramco Journalof Technology,2011．

［7］WangX.Crudeoilemulsionstabilitydeterminationand itsimplications in enhanced oil recovery［M］.UniversityofWyoming,2010.

［8］李奇.阴非离子表面活性剂油水界面性质研究［D］.成都：西南石油大学，2014.

［9］张文玲,徐冬梅,韩晓强,等.建立一种检测乳状液油滴粒径的方法［J］.新疆石油科技,2007,（3）:46-51.

Performance evaluation of betaine surfactant*

SONGWen-ling,WANG Yu-xing,WANG Shun,KONG Xiang-yi
（1.Key Laboratory of Enhanced Oil Recovery,Ministry of Education,Northeast Petroleum University，Daqing 163318,China）

In this paper,the stability of betaine surfactant and its polymerization system were studied by means of interfacial tensionmeter,TURBISCANLAB stability analyzer and differential interferencemicroscope.The research shows that the crude oil emulsion stability coefficient and polymer concentration is inversely related;multiple scattering based on the principle of application of TURBISCANLAB analyzer reflect the failure process of stability from stable to emulsion particles from dynamic;combined with differential interference microscope and oil displacementexperimentand puts forward themethod of emulsion stability of a comprehensive evaluation.

surfactant;emulsion stability；emulsion particle size

TE357

A

10.16247/j.cnki.23-1171/tq.20170701

2017-03-21

国家自然科学基金（51374073）

宋文玲（1963-），女，硕士，教授，研究生导师，从事提高原油采收率研究。

王玉星（1992-），男，硕士研究生，从事提高原油采收率方面研究。