石油磺酸盐复合体系界面张力影响因素研究

2020-07-13赵鹏飞

山东化工 2020年11期

赵鹏飞

(大庆炼化公司研究院，黑龙江大庆 163000)

在三次采油中聚合物、碱、表面活性剂复合驱是一种能有效提高原油采收率的驱油技术，该体系不但可以提高驱替相粘度还可以降低油水间的界面张力[1-4]。研究表明，低界面张力有利于剩余油的启动和残余油的运移，因此提高采油收率的关键取决于体系界面张力降低的程度[5-7]。依据毛细管原理，毛细管准数与界面张力的关系为Nc=ην/δ，其中Nc为毛管数，δ为驱替相与被驱替相之间的界面张力。Nc值越大，驱油效率越好，其中降低界面张力δ是表面活性剂驱的主要根据[8]。一般情况下油水界面张力为20～30 mN/m，理想的表面活性剂可使界面张力降到 10-4～10-3mN/m，减少或消除地层的毛细管作用，降低剥离原油所需的粘附力，提高洗油效率[9-10]。由于石油磺酸盐复合体系中组分多样且相互影响，所以如何保证复合驱体系的超低界面张力和工业推广的经济性是提高原油采收率的关键[11]。

本文采用石油磺酸盐、聚丙烯酰胺和碳酸钠组成三元复合体系，从不同组分浓度、配制污水水矿化度和金属离子浓度等方面着手，研究了各因素对石油磺酸盐复合体系超低界面张力的影响及影响规律，为大庆油田石油磺酸盐三元复合驱的现场应用提供可靠的理论指导。

1 实验部分

1.1 实验药品

部分水解聚丙烯酰胺2500万、石油磺酸盐，大庆炼化公司。模拟污水，实验室自配。无水碳酸钠、氯化钠、氯化钙，分析纯，国药集团。现场污水，大庆油田采油厂联合站外出污水。

1.2 实验仪器

TX500界面张力仪，北京盛维基业。RW20立式搅拌器，IKA公司。WH-610D磁力搅拌器，德国Julabo公司。MS603S电子天平，梅特勒托利多公司。

1.3 界面张力的测定

界面张力由TX500型旋转滴界面张力仪测得,将毛细管放入界面张力仪中，调整温度55℃，转速5000 r/min。隔一定时间记录下油滴直径，一般情况下2 h就达到动态平衡，界面张力值不再发生变化，最后由电脑软件计算出界面张力的大小。

2 实验结果及讨论

2.1 石油磺酸盐浓度对界面张力的影响

图1 不同石油磺酸盐浓度下体系界面张力随时间变化规律

将复合体系中聚丙烯酰胺浓度设定为1000 ppm、碳酸钠浓度设定为0.6%，模拟污水矿化度4200 mg/L时，考察了不同石油磺酸盐浓度下复合体系界面张力随时间的变化规律，实验结果如图1所示。

可以看出，当石油磺酸盐总质量浓度较低时，初始界面张力值较大，当浓度较高时，初始界面张力值较低，但平衡后界面张力值变化不大。该复合体系与原油间的油水界面张力在90 min衡，120 min力稳定不变。可以确定，在0.025%～0.4%浓度范围内石油磺酸盐对最低界面张力值影响不大，都能形成10-3mN/m数量级的超低界面张力，且到达最低界面张力的时间基本相同，表现出较宽浓度范围下的超低界面张力。

2.2 聚丙烯酰胺浓度对界面张力的影响

在石油磺酸盐浓度为0.1%，模拟污水矿化度4200 mg/L，碳酸钠浓度0.6%条件下，分别测定聚丙烯酰胺浓度为500、1000和2000 mg/L 的复合体系随时间变化的界面张力值，结果如图2所示。

图2 不同聚丙烯酰胺浓度复合体系界面张力随时间变化规律

可以看出，聚丙烯酰胺浓度越低，复合体系界面张力达到最低界面张力值的时间越短。聚丙烯酰胺浓度越高，复合体系越不容易达到最低界面张力值，相同时间下的界面张力值显著升高。这是因为聚丙烯酰胺属于水溶性高分子聚合物，浓度越高，三元复合体系的粘度越大，越不利于体系中分子的扩散，容易形成石油磺酸盐分子的聚集，导致油水界面上石油磺酸盐分子吸附量减小，复合体系界面张力升高。所以，选择较低的聚丙烯酰胺浓度500～1000 ppm时，该复合体系能形成10-3mN/m数量级的超低界面张力值，同时根据井口注入浓度要求确定聚丙烯酰胺浓度，有利于经济效益的提高。

2.3 矿化度大小对界面张力的影响

在石油磺酸盐浓度为0.1%，碳酸钠浓度0.6%，聚丙烯酰胺浓度1000 mg/L条件下，研究了不同矿化度的大庆油田采油厂污水对复合体系界面张力的影响，结果如表1所示。

表1 不同采油厂污水矿化度对复合体系界面张力的影响

可以看出，大庆采油厂现场配置污水对复合体系界面张力值影响不大，最低界面张力均能达到10-3mN/m数量级，但较高的矿化度可缩短复合体系达到超低界面张力的时间。这是因为水中金属离子增大了表面活性剂分子向油水界面分散速度，且阳离子可以进入双电层使界面层中表面活性分子分布更为密集。另一方面，金属阳离子使复合体系中的聚丙烯酰胺分子发生蜷曲，降低了聚丙烯酰胺与石油磺酸盐分子在界面的位置竞争，也间接加快了复合体系达到超低界面张力速度。

2.4 金属离子浓度对界面张力的影响

在石油磺酸盐浓度为0.1%，碳酸钠浓度0.6%，聚丙烯酰胺浓度1000 mg/L条件下，研究了不同浓度氯化钙、氯化钠的模拟污水对复合体系界面张力的影响，结果如表2所示。

表2 不同金属离子浓度对复合体系界面张力的影响

随着Ca2+含量的增加，该复合体系的界面张力值变化不大，直到模拟污水中Ca2+浓度达到1500 mg/L时，界面张力仍可保持在10-3mN/m数量级，说明石油磺酸盐复合体系的抗Ca2+性能较好。一般情况下，大庆油田地层水中二价阳离子Ca2+总含量小于50 mg/L，所以不会对复合体系最低界面张力产生影响。同样，随着钠离子浓度升高，三元复合体系的界面张力值变化也不大，直到模拟污水中钠离子含量达到6000 mg/L时，界面张力仍可保持在10-3mN/m数量级，说明复合体系的抗氯化钠性较好，具有较强的抗盐性能。

2.5 碳酸钠浓度对界面张力的影响

石油磺酸盐浓度为0.1%，聚丙烯酰胺浓度1000 mg/L，模拟污水矿化度4200 mg/L，改变复合体系中的碳酸钠浓度，检测界面张力随时间的变化规律，考察复合体系中碳酸钠浓度对界面张力的影响，结果如图3所示。

图3 石油磺酸盐复合体系界面张力随碳酸钠浓度变化规律

可以看出,复合体系中碳酸钠含量越高，体系的初始界面张力越小，界面张力随时间变化曲线越平缓，达到最低界面张力的时间也较短。碳酸钠含量为0.4%、0.6%的复合体系在100 min时界面张力达到平衡，而碳酸钠含量0.8%、1.0%的复合体系界面张力在60 min时便可达到平衡值。这是因为碳酸钠水溶液呈碱性，可与原油中的酸性物质反应生成一种表面活性剂，这种表面活性剂可与石油磺酸盐复合体系产生协同作用，可大幅度降低油水界面张力。另一方面，碳酸钠还可以起到增强复合体系离子强度的作用，使表面活性剂以更好的形态在油水界面分布和吸附，从而达到进一步降低油水界面张力的效果。