模拟二元复合驱采出液稳定性影响因素研究

王振威 白剑锋 王智 朱国承 柳英明

1中国石油大学（北京）油气管道输送安全国家工程实验室·石油工程教育部重点实验室/城市油气输配技术北京市重点实验室

2西安长庆科技工程有限责任公司

目前二元复合驱油技术已成为一项重要的三次采油技术，主要是在水中加入聚合物和表面活性剂，利用聚合物的流度控制能力和黏弹性作用及表面活性剂大幅度降低油水界面张力的特性，凭借其出色的提高采收率能力，广泛应用于中大型油田。聚表二元复合驱的作用原理是将聚合物和表面活性剂按一定比例溶于水中，形成具有高黏、低表面张力特性的驱替体系，在油藏中发挥调剖堵水及促进油滴乳化等功能，进而增大脱离油藏束缚的原有体积，提高波及系数和洗油效率。二元复合驱经过多年的应用，原油采收率平均提高30%以上，有效地保证了油田的采收效益。但二元复合驱中存在大量的聚合物及表面活性剂等成分，为原油采出液的集输和处理带来很大困难：高矿化度水质影响聚合物黏度，聚合物黏度控制难度大；高含水乳化油脱水困难，需要高效药剂和设备；采出水处理更加复杂，需要建立低成本处理技术；地面集输处理工艺流程较长，需要进一步优化完善。聚合物和表面活性剂相互作用的机理是二元复合驱研究的重要部分，是探清二元复合驱采出液中聚表成分影响的基础。目前学术界关于聚表相互作用的研究主要围绕表面活性剂的加入对聚合物溶液交联结构[1]的影响，进而影响流变学性质[2]，这些聚合物多为疏水缔合聚合物[3]。

除此之外，也有学者对表面活性剂、聚合物等界面活性物质对油水界面稳定性进行了研究。在国外，CRISTINA Delgado 等[4]利用羧基甜菜碱，建立了平衡界面张力及动态界面张力同表面活性剂浓度间的函数关系式，并采用Langmuir吸附模型评价了不同离子浓度对动态界面张力的影响规律。SAFWAT Abdel-Azeim 等[5]采用分子动力学模拟研究了HPAM的聚集及界面性质，指出当表面活性剂不存在时，HPAM 对界面张力几乎没有作用。在国内，LIANG Yan[6]研究了带电表面活性剂与疏水缔合聚合物共存对乳状液黏度、Zeta 电位的影响。刘艳敏[7]指出，聚合物浓度对乳状液脱水影响不大，表面活性剂浓度的提升使乳状液破乳难度增大。李杰训[8]指出，聚合物主要通过影响乳状液的体相黏度提升乳状液稳定性，表面活性剂则主要通过改变界面膜力学性质及Zeta电位影响乳状液聚并过程。

不过，学术界在聚表二元驱共存对界面张力影响的研究较少，涉及两者“协同作用”的报道比较缺乏，尤其是两者浓度对界面膜强度的影响规律研究不足。本文针对二元复合驱中非疏水缔合聚合物HPAM 及两性表面活性剂甜菜碱对界面性质的影响，结合稳定性实验，研究聚表二元驱对油水乳状液稳定性的影响。

1 实验

1.1 实验备品

实验所用聚合物为1 200 万相对分子质量的HPAM，表面活性剂为甜菜碱表面活性剂，由长庆油田提供。实验所用模拟油为溶剂油，溶剂油为D80 模拟油，密度为0.795 kg/m3（15 ℃），黏度为2.09 mm2/s（25 ℃）；实验用去离子水为超纯水，阻抗为18 MΩ/cm。含水油试样的综合含水率为80%。

1.2 实验方法

1.2.1 界面张力测试

本研究中界面张力的测量采用旋转滴法，该方法的优点是操作简便、测量精度高。通过摄像机记录液滴的形貌，将相关尺寸参数代入Young-Laplace 方程，从而可以得到界面张力。本文实验中油水界面性质的测量使用的是德国Dataphysics生产的SVT20N 旋转液滴界面张力仪，其结构装置如图1 所示。此仪器的界面张力测量范围为1×10-6～2×103mN/m，电动机转速范围为0～20 000 r/min，振荡频率为0.01～100 Hz。

图1 SVT20N界面张力仪Fig.1 SVT20N interface tension meter

1.2.2 乳状液剪切黏度测试

界面剪切黏度采用德国TA公司的DHR-2流变仪测量。测量的方法为铂金双臂金属环接触油水界面，根据扭矩的差异测量微小的界面剪切黏度。将油水界面在设定的温度下保持15 min，使油水界面成熟。进行界面剪切实验，采用的模式为变剪切率，剪切率范围为0.01～10 rad/s。

1.2.3 稳定性测试

乳状液制备方法遵循QSH0236—2008 标准。准备一定容积烧杯，按目标含水率加入水相和油相。将烧杯置于水浴中，调整到制备温度50 ℃，恒温放置15 min，后使用搅拌桨在1 000 r/min 条件下搅拌20 min，保证乳状液充分乳化。将乳状液转移至50 mL 比色管内（图2），并将比色管置于40 ℃水浴中。15 min后记为时刻0，取上层油样测定含水率，之后重新将比色管置于恒温水浴中，使乳状液静止沉降。静置时长30 min，再测量一次上层油相含水率。采用北京时代新维微量含水率仪测量油相含水率。

图2 比色管（本实验所用为50 mL比色管）Fig.2 Colorimetric tube(50 mL colorimetric tube used in this experiment)

2 结果与分析

2.1 界面张力

选取模拟油，与去离子水及含不同浓度聚合物、表面活性剂的水相配制成油水体系，在温度40 ℃下，测量油水界面张力。测量结果如表1及图3、图4所示。

表1 含不同浓度聚合物及表面活性剂的油水乳状液界面张力降低率Tab.1 Decrease rate of interfacial tension of oil-water emulsion containing polymers and surfactants of different concentrations%

图3 含不同浓度聚合物及表面活性剂水相与模拟油界面张力随表面活性剂浓度变化曲线Fig.3 Changing curve of interfacial tension of water phase and simulated oil containing polymers and surfactonts with different concentration of surfactant concentration

图4 含不同浓度聚合物及表面活性剂水相与模拟油界面张力随聚合物变化曲线Fig.4 Changing curve of interfacial tension of water phase and simulated oil containing polymers and surfactonts with different concentration of polymer

结果发现：在表面活性剂浓度相同时，界面张力随聚合物浓度的上升而下降；在聚合物浓度相同时，界面张力随表面活性剂浓度的上升而下降。但两者相比，表面活性剂的界面活性显著大于聚合物。聚合物界面活性较低的可能原因为该HPAM的水解程度较低，水解产生COO-较少，HPAM 分子的亲水性较弱。

2.2 界面剪切黏度

为进一步分析聚表二元驱成分对界面剪切黏度的影响，使用模拟油及添加了不同浓度聚表成分的水，配制成油水乳状液体系，在温度为40 ℃的条件下测量界面剪切黏度。不同聚表浓度下的测量结果如表2 及图5、图6 所示。测试结果表明：油水界面剪切黏度随表面活性剂及聚合物浓度上升而上升，随表面活性剂浓度变化较弱，随聚合物浓度变化影响较明显；脱水率随表面活性剂及聚合物浓度上升而下降。聚合物的存在使水相的黏度明显上升，同时一部分水解后的聚合物附着在油水界面上，增大了界面黏弹性。相比之下，表面活性剂通过改变界面黏弹性来影响界面剪切黏度的作用要小得多。

图5 含不同浓度聚合物及表面活性剂水相与模拟油界面剪切黏度随表面活性剂浓度变化曲线Fig.5 Changing curve of interface shear viscosity of water phase and simulated oil containing polymers and surfactants with different concentrations of surfactant concentration

图6 含不同浓度聚合物及表面活性剂水相与模拟油界面剪切黏度随聚合物浓度变化曲线Fig.6 Changing curve of interface shear viscosity of water phase and simulated oil containing polymers and surfactants with different concentrations of polymer concentration

表2 含不同浓度聚合物及表面活性剂的油水乳状液界面剪切黏度增长率Tab.2 Growth rate of shear viscosity at the interface of oil-water emulsions containing polymers and surfactants of different concentration %

2.3 聚表成分吸附分析

关于聚合物及表面活性剂在油水界面的吸附行为，NAMBAM[9]指出：当聚合物表面活性剂浓度低于一定值时，模拟采出液的脱水率很高且基本维持不变；当聚合物表面活性剂浓度高于一定值时，随着浓度的提高，模拟采出液的脱水率下降明显，远低于只加聚合物及只加表面活性剂的情况，这表明聚合物和表面活性剂同时加入后，有协同作用产生，如图7 所示。HPAM 上具有亲水性较强的-COO-和亲水性较弱的-CONH2，一般把-CONH2看作HPAM上的疏水侧链。加入表面活性剂后，聚合物侧链成为吸附核心，表面活性剂优先吸附，和聚合物侧链形成类似胶束的聚集体，聚合物—表面活性剂复合物的结构可以认为是在一个聚合物链上联结或包绕着几个类似胶束的簇。不加表面活性剂的聚合物在溶液中发生卷曲呈球状，而加入表面活性剂后，聚合物与表面活性剂形成聚集体，表面活性剂结合在聚合物的疏水支链上，在极性排斥作用下使聚合物链更加伸展，进一步造成乳状液黏度增大，稳定性增强，破乳难度加大；另外聚集体的形成也改善了表面活性剂的性能，使得体系表面活性提高，加强了表面活性剂的分散、乳化等性能。

图7 随着表面活性剂及聚合物浓度上升油水乳状液体系示意图Fig.7 Schematic diagram of oil-water emulsion system increasing with surfactant and polymer concentration

2.4 聚表二元复合驱对油水乳状液稳定性的影响

含聚表油水乳状液的静置脱水实验结果如表3所示。从表3可以发现，脱水效率随表面活性剂及聚合物浓度升高均呈下降趋势，并且可以看出，在相同的浓度变化幅度下，脱水效率降低幅度受表面活性剂浓度影响较明显，受聚合物浓度变化影响较小。该结果说明，油水乳状液稳定性更多地受到表面活性剂的影响。聚合物虽然更多地起到增大界面黏度的效果，但黏度的提高并未能有效抑制界面膜的破坏，可推测表面活性剂的加入必然与聚合物之间产生协同作用，即使对黏度的贡献较小，界面流变性也显著提升，使界面膜抵抗扰动及扰动后的恢复能力提高，共同促进了油水界面的稳定。

表3 含不同浓度聚合物及表面活性剂的油水乳状液上层油相残存水率Tab.3 Residual water rate of the upper oil phase of the oil-water emulsion containing different concentrations of polymer and surfactant %

残存水率关于聚合物及表面活性剂浓度模型拟合值与实验值如图8所示。在对油水乳状液的稳定性的贡献中，表面活性剂主要起到吸附在界面、降低界面张力的作用，聚合物主要起到提升体相及界面黏度的作用。虽然有学者指出[10]界面膜稳定性的关键源于界面剪切黏度，但本研究结果表明，聚合物的存在可一定程度上提高界面剪切黏度，但并非乳状液稳定性的主导因素。同时，聚合物及表面活性剂在界面竞争吸附带来的协同作用也可能是产生这种现象的原因。

图8 残存水率关于聚合物及表面活性剂浓度模型拟合值与实验值对比Fig.8 Comparison of residual water rate on the fitting value and experimental value of the concentration model

3 结论

针对聚表二元复合驱模拟采出液的油水界面稳定性，不同聚合物及表面活性剂浓度下的界面张力实验结果表明，聚合物和表面活性剂都具有界面活性，但由于聚合物的水解程度低，聚合物与表面活性剂的界面活性存在较大差距，对界面剪切黏度的主要影响来源聚合物的增黏作用。稳定性的测试结果表明，表面活性剂对乳状液稳定性的影响较聚合物更显著，这表明稳定性的决定因素更多地来源于表面活性剂作用下的界面性质，而非界面黏度，同时不排除聚合物及表面活性剂在界面的协同作用。