驱油用石油磺酸盐复配体系的表面和界面性能研究

杨 浩，王 明，孟祖超，刘 祥

(西安石油大学，陕西 西安 710065)

目前，我国的多数开采油田已处于开采的中后期阶段。采用常规采油工艺，约30%～50%的原油得到开采，仍有大部分原油未能得到有效开发，并以剩余油的形式残留在油藏中[1-2]。在增强采油技术（EOR）的研究中，表面活性剂增强采油技术已被证明是一种经济、有效的采油方法。表面活性剂增强采油技术是指向水中注入既具有表面活性，又具有起泡、乳化、润湿等能力的物质，以降低油-水界面的张力或改变润湿性，从而提高原油采收率的方法[3-4]。EOR用表面活性剂应满足以下要求：超低的油水界面张力(IFT)、低吸附量、良好的相容性和低成本[5]。油和水(表面活性剂水溶液)之间的IFT值 在EOR过程中非常重要。Trabelsi[6]提出，寻找超低IFT值的表面活性剂时，应注意反应性原油中所含的本土表面活性剂。

石油磺酸盐是一种以石油馏分油或原油为原料合成的阴离子型表面活性剂，具有与原油相似的分子当量分布[7]，被认为是最适合EOR的表面活性剂[8-9]。但是石油磺酸盐在应用中存在性能稳定性差、耐盐性差、易与黏土发生吸附等缺点，需要与其他物质复配来满足应用要求[10]。本文将石油磺酸盐与阴离子、阳离子、非离子、两性等21种油田常用的表面活性剂进行复配，通过评价体系的表、界面张力等指标，筛选出具有驱油潜力的复配体系。

1 实验药品与仪器

1.1 主要实验药品

烷醇酰胺，木质素磺酸钙，木质素磺酸钠，烷基糖苷，十四烷基羟丙基磺基甜菜碱，石油磺酸盐(45%)。

1.2 实验仪器

全自动表面张力仪，旋滴界面张力仪。

2 实验结果与讨论

2.1 PS的表、界面性能研究

配制质量浓度为0.05%～0.9%的PS溶液，通过测定不同质量浓度的PS的表、界面张力，来确定PS的最佳质量浓度。图1是表面张力随质量浓度变化的曲线，由图可知，PS质量浓度为0.30%时，表面张力能降至最低值28.181mN·m-1。图2是界面张力随质量浓度分数变化的曲线，由图可知PS质量浓度为0.30%时，界面张力能降至最低值0.02965mN·m-1，因此质量浓度0.30%是最佳加入量。当界面张力达到最低后，随着浓度的增大，体系的界面张力有增大的趋势。这是由于PS并非单一纯组分，溶液浓度超过临界胶束浓度后，会形成较为复杂的胶束结构，溶液中活性剂浓度的增大，反而降低了油/水界面的表面活性剂浓度，使得油/水界面的张力反而增大[11]。实验结果也表明，单一的PS溶液只能使油/水界面的张力降至10-2数量级，难以降至更低。

图1 不同质量百分浓度PS的表面张力图

图2 不同质量百分浓度PS的界面张力图

2.2 复配体系的表、界面性能研究

将PS与其他21种表面活性剂，按照1∶1的比例（21种表面活性剂若为液体，按照有效成分含量与固体表活剂确定统一比例标准)、总质量百分浓度为0.3%进行复配。由图3可知，各复配体系的表面张力均能降至35mN·m-1以下，说明复配后的体系形成的混合胶束均具有较好的表面活性。由图4可知，PS与木质素磺酸钠、木质素磺酸钙、烷醇酰胺、烷基糖苷、十四烷基羟丙基磺基甜菜碱的复配体系，能将界面张力降低至10-2数量级，达到驱油标准，有较好的驱油潜力。其中木素磺酸盐以非极性的芳环侧链和极性的磺酸基相结合的形式存在，所以它的油溶性很弱，亲水性很强，疏水骨架呈球状，不能像一般的低分子表面活性剂那样具有整齐的相界面排列状态，因此它降低表、界面张力的作用不大[12]。但是木质素磺酸盐与PS之间存在着协同效应，能生成表面活性较高的复合物[13-15]，所以PS与木质素磺酸钠和木质素磺酸钙的复配体系，其界面张力均能达到驱油标准，PS/木质素磺酸钠体系更是能达到10-3数量级的低界面张力，具有较好的应用前景。

图3 PS与其他表面活性剂复配的表面张力

图4 PS与其他表面活性剂复配的界面张力

2.3 复配体系的耐温抗盐性能研究

对界面张力达到驱油标准的复配体系进行耐温抗盐测试，结果见表1。耐温测试结果显示，PS与木质素磺酸钠、烷醇酰胺、烷基糖苷的复配体系耐温效果较好，溶液未发生浑浊。表2结果说明，PS与木质素磺酸钙、烷基糖苷在抗盐测试实验中产生了浑浊沉淀，在矿物水中的抗盐效果较差。综上所述，PS/木质素磺酸钠、PS/烷醇酰胺体系的耐温效果较好，有一定的抗盐能力。综合表、界面张力测试结果，最终确定PS/木质素磺酸钠和PS/烷醇酰胺为优选复配体系，并进行配比研究。

表1 复配体系耐温性能测试

表2 复配体系抗盐性能测试

2.4 优选复配体系的配比研究

将PS/木质素磺酸钠、PS/烷醇酰胺按照1∶1、1∶2、2∶1、2∶3、3∶2的不同比例进行配制，并测试不同配比下体系的表、界面张力。图5结果表明，PS/木质素磺酸钠复配体系在配比为2∶1时，能比较稳定地将表面张力降低至29mN·m-1左右。由图6可知，该体系在配比为1∶1和2∶1的条件下，可在较大的质量浓度范围内使界面张力降低至10-2数量级，且在配比为2∶1、质量浓度在0.3%时，界面张力达到最低值0.006997mN·m-1，表明PS/木质素磺酸钠复配体系在2∶1的配比下，降低表、界面张力的整体效果最好。

图5 PS与木质素磺酸钠的不同配比下体系的表面张力

图6 PS与木质素磺酸钠的不同配比下体系的界面张力

图7结果说明，PS/烷醇酰胺复配体系在配比分别为1∶1、2∶1、3∶2时，降低表面张力的效果均较好。各不同配比的体系，均随着浓度的增加，界面张力有不断降低的趋势，且都在质量浓度为0.3%时降到最低（图8）。虽然体系在配比为2∶3时，界面张力最低能达到0.006875 mN·m-1，但配比为1∶1时，降低各浓度范围的界面张力的效果较好，且在质量百分浓度为0.3%时能达到0.008853mN·m-1的低界面张力。因此PS/烷醇酰胺复配体系在1∶1的配比下，降低表、界面张力的整体效果最好。

图7 PS与烷醇酰胺在不同配比下的体系表面张力

图8 PS与烷醇酰胺在不同配比下的体系界面张力

3 结论

1）大部分油田常用的表面活性剂在单一使用时，其界面张力往往很难达到驱油标准。通过复配形成的混合体系，由于混合单层和混合胶束的相互作用，表面活性剂的混合物在降低IFT方面优于单独的任何一种组分。

2）通过实验，筛选出了5种具有驱油潜力、适合与石油磺酸盐进行复配的表面活性剂：木质素磺酸钠、木质素磺酸钙、烷醇酰胺、烷基糖苷、十四烷基羟丙基磺基甜菜碱。

3）PS/木质素磺酸盐复配体系在比例为2∶1、质量总浓度为0.15%～0.3%时的效果最好，能达到10-3数量级的低界面张力。PS/烷醇酰胺复配体系在比例为1∶1、质量总浓度为0.2%～0.3%时的效果最好，能达到10-3数量级的低界面张力。