纳米二氧化硅对表面活性剂溶液乳化性能的影响

2021-10-14曹广胜吴佳骏左继泽安宏鑫张紫航

化学工程师 2021年9期

曹广胜，吴佳骏，左继泽，安宏鑫，张紫航

（1.东北石油大学提高油气采收率教育部重点实验室，黑龙江大庆163318；2.海洋石油工程股份有限公司，天津300461）

由于我国原油对外依存度持续增长，国内新油田勘探开发存在难度，因此，国内各大油田将开采方向转向了低渗透、特低渗透油藏。针对低渗透油藏国内各大油田采用碱+表面活性剂+聚合物的三元复合驱技术进行开采，但碱对地层和管道损害严重，不符合环保要求，因此，三元复合驱目前已经转向了二元复合驱，而二元复合驱的驱油效果并没有达到三元复合驱的程度，因此，对于表面活性剂和聚合物的使用仍存在许多问题亟待攻克。Bai[1]等人通过室内实验和分子模拟的方法研究了不同原油组分对乳状液黏度的影响，曹广胜[2-4]等人研究基于不同乳化剂结构的油水乳化性能。纳米材料具有环保、无污染、高效、成本低等优点，并且被应用于医药、工程、化工等各个领域[5]。纳米SiO2的强疏水性，可以应用于油藏开发中，纳米SiO2与油相相互作用，使油相润湿性发生改变，界面张力降低，波及体积增大，各方面协同作用增加了毛细管数，从而提高原油采收率[6-8]。

将纳米材料与表面活性剂相配合使用成为未来提高采收率技术方向之一，纳米SiO2与表面活性剂的复配性能及温度对乳状液乳化性能的影响是本文的研究内容。本文通过将不同类型表面活性剂与SiO2进行复配，并测量出乳状液的粘温曲线来观察SiO2对表面活性剂溶液乳化性能的影响。

1 实验部分

1.1 实验药品

原油（大庆油田五厂）；十六烷基三甲基溴化铵（西陇科学化工）；PQ-10（天津科密欧）；十二烷基苯磺酸钠（国药集团化学试剂）；十二烷基二苯醚二磺酸钠（山东优索化工）；OP-10（美国陶氏）；司班-60（西陇科学化工）；十二烷基二甲基甜菜碱（亿群化工），以上药品均为分析纯；纳米SiO215~45nm（先丰纳米）。

1.2 实验所用仪器

FSH-2型可调高速匀浆器（金城硕华仪器厂）；BROOKFIELD黏度仪（美国博勒飞）；TC-150恒温水浴（美国博勒飞）；PM6000显微镜（乐迪仪器）。

1.3 实验步骤

首先，称取两份0.02g的表面活性剂，分别放入两个100mL的烧杯中；然后再称取0.02g纳米SiO2，加入1号烧杯中；分别向两个烧杯中加入20mL蒸馏水；使用玻璃棒进行搅拌，使表面活性剂与纳米SiO2充分溶解形成溶液；向两份配制好的表面活性剂溶液中加入80mL原油；使用FSH-2型可调高速匀浆器搅拌15min，完成乳化，形成乳状液；将乳状液倒入BROOKFIELD黏度仪，搭配TC-150恒温水浴测量不同温度下乳状液黏度；最后使用PM6000显微镜观察不同温度下乳状液微观结构。

2 结果与讨论

2.1 不同表面活性剂对原油乳状液黏度的影响

按照上述实验步骤进行操作，测量并记录在加入不同表面活性剂后，各温度下的各乳状液黏度，结果见图1。

图1 不同表面活性剂乳状液粘温曲线Fig.1 Viscosity temperature curve of different surfactant emulsions

由图1可知，加入表面活性剂后形成的乳状液黏度明显高于原油黏度，这说明实验所用的表面活性剂与原油和水的作用下有可能形成了油包水型乳状液，乳状液颗粒之间相互作用使整个体系黏度增加，35℃时原油黏度为2750mPa·s，乳状液黏度增幅最大的是十二烷基二苯醚二磺酸钠，增幅达到118.2%，增幅最小的是PQ-10，增幅为8.4%，由此可以看出，十二烷基二苯醚二磺酸钠乳化性能最好，PQ-10乳化效果最差。另外无论哪种表面能活性剂乳状液，黏度都随温度升高而降低，黏度差最大的是十二烷基二苯醚二磺酸钠5975mPa·s，黏度差最小的是PQ-10为2935mPa·s，乳状液黏度变化范围为10~6000mPa·s，原油黏度变化范围为15~2750mPa·s。

由图2可知，实验所用的表面活性剂与原油形成的油包水型乳状液，其中水相以小液滴的形式分散于油相中，水相是分散相，油相是分散介质。通过不同表面活性剂与原油形成的乳状液形态对比可以看出，十二烷基二苯醚二磺酸钠形成的油包水型乳状液中水相的液滴颗粒尺寸相对较小，且数量明显较多，说明十二烷基二苯醚二磺酸钠乳化效果更好，同时也意味着当乳状液中水相液滴的尺寸较小、数量较多时，乳状液的乳化强度越强，油包水型乳状液的黏度越大。

图2 不同表面活性剂与原油形成的乳状液形态Fig.2 Morphology of emulsion formed by different surfactants and crude oil

2.2 纳米SiO2对表面活性剂乳液的乳化性能影响

通过实验测得各乳状液加入SiO2后的黏度，结果见图3、4。

图3 加入纳米SiO2后不同表面活性剂乳状液粘温曲线Fig.3 Viscosity temperature curve of different surfactant emulsions after adding nano-SiO2

图4 加入纳米SiO2后不同表面活性剂乳状液黏度差Fig.4 Viscosity difference of different surfactant emulsions after adding nano-SiO2

由图3、4可知，35℃时加入纳米SiO2后，司班-60黏度增长最多，达到3833mPa·s，十二烷基二甲基甜菜碱加入纳米SiO2后黏度反而降低了84mPa·s。通过以上实验结果可以看出，加入纳米SiO2后对乳状液黏度的影响并不绝对。这说明纳米SiO2会与不同的表面活性剂相互作用使其乳状液的黏度发生改变，且这种改变与表面活性剂的类型并不存在一个特别明显的对应关系，因此，纳米SiO2对表面活性剂乳状液黏度的影响机制差异较大。

图5 乳状液的乳化形态微观特征Fig.5 Microscopic characteristics of emulsion morphology

通过观察司班-60和十二烷基二甲基甜菜碱加入纳米SiO2前后微观结构发现，加入纳米SiO2后，油包水型乳状液明显增多，而十二烷基二甲基甜菜碱中加入纳米SiO2后油包水型乳状液却有所减少，这是因为在纳米SiO2改性聚合物体系中，纳米颗粒可以通过氢键、静电作用等与不同聚合物分子产生很好的相互作用，从而促使分子间网络结构增强、溶液黏度提升更为明显，与不同类型表面活性剂搭配相互作用的强度也不相同，所以增粘效果也有所差异。进一步改变乳状液的温度，以司班-60为例，分析其在不同温度下形态的变化特征见图6。

图6 不同温度下乳状液的形态变化特征Fig.6 Morphological characteristics of emulsion at different temperatures

由图6可以看出，在不同温度下，司班-60乳状液的状态存在较大的差异，当温度较低时，乳状液中液相的尺寸较小，数量较多，乳化比较严重，而当乳状液的温度较高时，乳状液中的液相尺寸较大，数量较少，但原油在较高的温度下黏度较低，应该更容易形成较为复杂的乳状液体系，我们分析出现这种状况的原因是，由于在较高的温度下，乳状液稳定性较低，因此，在高温条件下，乳状液形成之后会迅速破乳，破乳后的水滴会逐渐的聚并，进而降低乳化程度。而加入纳米SiO2之后，乳状液中的液滴在较高的温度下仍然能够保持较好的乳化能力，因此，我们判断纳米SiO2能够大幅度的增加表面活性剂乳状液的稳定性。