表面活性劑對驅油聚合物界面剪切流變性質的影響

曹緒龍 李 靜 楊 勇 張繼超 張 磊,* 張 路,* 趙 濉

(1中國石化勝利油田分公司地質科學研究院,山東東營257015;2中國科學院理化技術研究所,北京100190)

表面活性劑對驅油聚合物界面剪切流變性質的影響

曹緒龍1李 靜2楊 勇1張繼超1張 磊2,*張 路2,*趙 濉2

(1中國石化勝利油田分公司地質科學研究院,山東東營257015;2中國科學院理化技術研究所,北京100190)

利用雙錐法研究了表面活性劑十二烷基苯磺酸鈉(SDBS)和十六烷基三甲基溴化銨(CTAB)對油田現場用部分水解聚丙烯酰胺(PHPAM)和疏水改性聚丙烯酰胺(HMPAM)溶液的界面剪切流變性質的影響,實驗結果表明:HMPAM分子通過疏水作用形成界面網絡結構,界面剪切復合模量明顯高于PHPAM.SDBS和CTAB通過疏水相互作用與HMPAM分子中的疏水嵌段形成聚集體,破壞界面網絡結構,剪切模量隨表面活性劑濃度增大明顯降低.同時,界面膜從粘性膜向彈性膜轉變.低SDBS濃度時,少量SDBS分子與PHPAM形成混合吸附膜,界面膜強度略有升高;SDBS濃度較高時,界面層中PHPAM分子被頂替,吸附膜強度開始減弱.陽離子表面活性劑CTAB通過靜電相互作用中和PHPAM分子的負電性,造成聚合物鏈的部分卷曲,從而降低界面膜強度.弛豫實驗結果證實了表面活性劑破壞HMPAM網絡結構的機理.

部分水解聚丙烯酰胺;疏水改性聚丙烯酰胺;十二烷基苯磺酸鈉;十六烷基三甲基溴化銨;界面剪切流變

Abstract: The effects ofsurfactants,namely sodium dodecylbenzenesulfonate (SDBS)and hexadecyltrimethylammonium bromide(CTAB),on the interfacial shear rheological properties of partially hydrolyzed polyacrylamide(PHPAM)and hydrophobically modified polyacrylamide(HMPAM)solutions,which are used in oilfields,were studied using a biconical method.The experimental results show that the interfacial shear complex modulus of HMPAM is significantly higher than that of PHPAM,because an interfacial net structure can be formed by HMPAM molecules through hydrophobic interactions.The SDBS and CTAB molecules can form interfacial aggregates with hydrophobic blocks of HMPAM and destroy the interfacial net structure,which results in a significant decrease in the shear modulus with increasing surfactant concentration.At the same time,the properties of the interfacial film change from viscous to elastic.At low SDBS concentrations,the mixed adsorption film formed by PHPAM and a few SDBS molecules has enhanced strength.However,SDBS molecules can displace PHPAM molecules at the interface and weaken the film at higher surfactant concentrations.The cationic surfactant CTAB neutralizes the negative charge on PHPAM,leading to partial curling of the polymer chain,which decreases the film strength.Relaxation measurements confirmed our mechanism involving destruction of the interfacial netstructure of HMPAM by the surfactant.

Key Words:Partial hydrolysis polyacrylamide;Hydrophobically modified polyacrylamide;Sodium dodecyl benzene sulfonate;Hexadecyl trimethyl ammonium bromide;Interfacial shear rheology

1 引言

提高石油采收率過程中,聚合物的使用能夠增大水相粘度,從而提高驅替溶液的波及效率;表面活性劑則通過降低油水界面張力,提高微觀洗油效率.化學復合驅兼具聚合物與表面活性劑的優勢,能夠達到良好的驅油效果.因此,驅油聚合物與表面活性劑間的相互作用研究,對大幅度提高石油采收率具有較高的理論價值和實踐意義.

目前,油田現場應用的驅油聚合物主要為兩種類型:部分水解聚丙烯酰胺(PHPAM)以其較好的增粘能力和低廉的成本,在油田得到了廣泛應用,是化學驅提高石油采收率的重要化學劑;疏水改性聚丙烯酰胺(HMPAM)通過分子間的疏水作用形成網絡結構,因此能夠在高溫高鹽油藏條件下使用,顯示了廣闊的應用前景.1,2

驅油聚合物不僅改變了溶液的性質,也會強烈改變油水界面的性質,從而影響提高石油采收率生產實踐中的乳化、油墻形成、采出液處理等過程,3,4而表面活性劑與聚合物的相互作用強烈影響體系的應用性能.文獻中關于驅油聚合物與表面活性劑間相互作用對體相粘度、油水界面張力等的影響報道較多,而對于界面流變性質關注相對較少.5陽離子表面活性劑與PHPAM間存在靜電相互作用,其它類型表面活性劑則與PHPAM間相互作用較弱;而除靜電相互作用外,各類型表面活性劑與HMPAM間存在明顯的疏水相互作用,這種疏水相互作用強烈影響溶液中聚合物分子的網絡結構,從而影響體相粘度.

界面流變參數是界面膜特性的重要表征參數,根據形變的不同,可分為界面擴張流變和界面剪切流變.界面擴張流變反映的是界面及其附近微觀弛豫過程的信息;界面剪切流變研究則通過施加使界面形狀發生改變而面積不發生變化的外力,考察剪切應力的響應,從而獲得界面層結構和界面膜機械強度的信息,是研究流體界面的有力手段.6-9界面擴張流變監測的是界面張力的變化,對界面膜性質的變化更敏感,但容易被少量高界面活性的物質干擾,其優勢在于對界面弛豫過程的研究,但難以直接描述界面膜的強度;而界面剪切流變監測的是力的變化,直接與界面膜的機械強度相關,與生產實踐的結合更為緊密.10近年來,利用界面擴張流變的研究手段,對于不同結構驅油聚合物與表面活性劑的界面相互作用的認識日益加深,證實了疏水改性聚合物與表面活性劑界面聚集體的形成.5,11-16然而,針對驅油聚合物的界面剪切流變研究十分缺乏,17僅有少量測量界面剪切粘度的文獻.18,19

在本文中,我們系統研究了勝利油田現場用PHPAM和HMPAM與代表性表面活性劑十二烷基苯磺酸鈉(SDBS)和十六烷基三甲基溴化銨(CTAB)間相互作用對航空煤油-水界面剪切流變性質的影響,研究結果有助于闡明聚合物與表面活性劑界面相互作用以及優化化學復合驅配方.

2 實驗部分

2.1 實驗樣品及試劑

超高分子量部分水解聚丙烯酰胺,北京恒聚化工集團有限責任公司生產,相對分子質量為3.67×107,水解度約為21.4%,固含量為88.4%,勝利油田提供;疏水改性聚丙烯酰胺,北京恒聚化工集團有限責任公司生產的II型干粉,分子結構為疏水單體改性的丙烯酰胺和丙烯酸的共聚物,含量約5%,相對分子質量在2.0×107-2.2×107之間,水解度為23%,固含量為90%,勝利油田提供;十二烷基苯磺酸鈉,十六烷基三甲基溴化銨,分析純,天津津科精細化工研究所;航空煤油,北京化學試劑公司,經過柱提純,室溫下與重蒸后的去離子水的界面張力約為42 mN·m-1;實驗用水為經重蒸后的去離子水,電阻率為18 MΩ·cm.

2.2 界面剪切流變性質原理

本文實驗采用控制應變的實驗方法.如圖1所示,通過對位于界面上的轉子施加一個正弦周期的剪切擾動,從而在樣品中產生阻抗應力.對于一個粘彈性的界面膜,施加的應變γ由振幅γ0和角頻率ω給定,則:

圖1 雙錐法界面剪切流變儀示意圖Fig.1 Schematic diagram of interfacial shear rheometer based on bicone methodρ:liquid density;η:liquid viscosity;R1:cylinder radius;R2:bicone radius

而測定的相應的應力變化為:

式中τ為剪切應力,τ0為應力振幅,δ為應變與應力的相位差,亦稱相角.

通常引入界面剪切復合模量來定量表征界面膜反抗施加應變的總阻力.其定義式為:

真實的界面同時具有彈性和粘性,復合模量可表示為:

其中為界面剪切彈性模量,又稱儲能模量,可表示為:

為界面剪切粘性模量,又稱損耗模量,可表示為:

本文利用奧地利安東帕公司的MCR501界面剪切流變儀進行實驗.先測定下相聚合物水溶液的流變性能,然后將轉子固定在界面上,再小心地加入上層油相.通過下相剪切流變數據、界面+體相剪切流變數據以及上相牛頓流體的粘度數據,MCR501界面剪切流變儀應用軟件分析得出界面剪切流變參數.

2.3 界面剪切流變實驗

監測動態界面剪切流變參數隨時間的變化,當界面達到平衡時,開始實驗.首先固定剪切頻率,改變應變幅度,進行線性粘彈區域掃描;然后,在線性區域范圍內選擇應變幅度,進行剪切頻率掃描;最后,進行應變弛豫實驗,在1 s內對應變做50%的改變,記錄應力的衰減曲線.本文中所有實驗溫度均控制在(30.0±0.1)°C.

3 結果與討論

3.1 驅油聚合物-表面活性劑二元復合體系界面剪切流變的線性粘彈區域

當應變變化的幅度在某一范圍時,其對界面膜的擾動效果趨于平衡,因此,界面剪切復合模量的數值不隨應變幅度變化而變化,這段區域稱為線性粘彈區域.為確保實驗數據的可靠性和可比性,最終得到的界面剪切流變數據應在線性范圍內測定.20以油田現場濃度為依據,本文實驗的聚合物濃度均為2000 mg·L-1.圖2和圖3分別表示了HMPAM和PHPAM與SDBS及CTAB復合體系界面剪切流變的線性區域,從圖中可以看出,對于2000 mg·L-1的HMPAM和PHPAM,復合體系應變的線性范圍均在1%-100%之間.因此,本文頻率掃描實驗選取的應變幅度為10%.

圖2 應變(γ)對HMPAM與不同濃度(w)SDBS(A)和CTAB(B)溶液界面剪切復合模量的影響Fig.2 Effect of strain(γ)on the interfacial shear complex moduli of HMPAM and different concentrations(w)of SDBS(A)and CTAB(B)solutions

圖3 應變對PHPAM與不同濃度SDBS(A)和CTAB(B)溶液界面剪切復合模量的影響Fig.3 Effect of strain on the interfacial shear complex moduli of PHPAM and different concentrations of SDBS(A)and CTAB(B)solutions

3.2 剪切頻率對驅油聚合物-表面活性劑二元復合體系界面剪切流變的影響

界面流變學研究的是體系的動態性質,對界面膜的擾動幅度和擾動快慢是影響界面流變參數的重要條件.在線性粘彈區域內進行實驗,擾動幅度的影響不變;擾動快慢則通過對剪切頻率的控制來實現.通過考察不同剪切頻率下的應力響應,可以得到界面剪切復合模量、彈性模量、粘性模量的頻率譜,從而獲得界面膜結構和強度的信息.一般而言,隨著剪切頻率增加,界面通過各種弛豫過程耗散外力作用的程度不斷減弱,界面對抗剪切形變的阻力增大,因此,界面剪切復合模量和彈性模量隨頻率增大而增大,而粘性模量由于與弛豫過程的特征頻率相關,可能在特征頻率處出現局部極大值.21,22

不同濃度陰離子表面活性劑SDBS和陽離子表面活性劑CTAB對2000 mg·L-1HMPAM的界面剪切復合模量頻率譜的影響見圖4.從圖中可以看出,對于單獨的HMPAM溶液,其界面剪切復合模量的頻率譜可分為三個區域:當剪切頻率較低時(＜0.07 Hz),由于施加的剪切擾動太慢,界面上的分子有足夠的時間回復到平衡狀態,外力做的功大部分損耗在環境中,無法有效探測界面膜的性質,復合模量的數值在0.1 mN·m-1數量級;當剪切頻率在0.07-3 Hz范圍內,復合模量隨剪切頻率增大而升高,主要體現為界面上聚合物形成的有序結構的貢獻;當剪切頻率較高時(>3 Hz),聚合物分子間形成的結構被破壞,界面對抗剪切形成的阻力主要來自溶劑分子的貢獻,因此,所有體系的溶液界面均表現出相同的復合模量和同樣的隨頻率變化趨勢.

圖4 頻率對HMPAM與不同濃度SDBS(A)和CTAB(B)溶液界面剪切復合模量的影響Fig.4 Effect of frequency on the interfacial shear complex moduli of HMPAM and different concentrations of SDBS(A)and CTAB(B)solutions

當溶液中加入不同濃度SDBS和CTAB時,在高頻范圍內,模量與頻率雙對數曲線的斜率均為1.82,這充分說明此時由于界面擾動過于劇烈,實驗過程破壞界面層結構,測得的是界面層中溶劑分子相互作用的影響;在與界面聚集結構相關的中頻范圍內,表面活性劑的加入導致復合模量有所降低.

不同濃度表面活性劑SDBS和CTAB對2000 mg·L-1PHPAM的界面剪切復合模量頻率譜的影響見圖5.從圖中可以看出,不同濃度表面活性劑與PHPAM復合體系的界面剪切復合模量隨頻率的變化趨勢與HMPAM相似,其高頻條件下線性關系的斜率為1.83,幾乎與HMPAM復合體系相同.另外,測量了煤油-水界面的剪切復合模量作為空白,發現其在整個頻率范圍內均呈線性關系,雙對數曲線的斜率約為1.79.這充分證明前面關于高頻下的模量主要反映溶劑分子的貢獻的討論是合理的.在中頻范圍內,表面活性劑對PHPAM體系復合模量的影響明顯小于HMPAM體系.為具體比較SDBS和CTAB對不同類型驅油聚合物界面剪切模量的影響,將兩種聚合物體系在1 Hz條件下的界面剪切復合模量與濃度的關系顯示在圖6中.

圖5 頻率對PHPAM與不同濃度SDBS(A)和CTAB(B)溶液界面剪切復合模量的影響Fig.5 Effect of frequency on the interfacial shear complex moduli of PHPAM and different concentrations of SDBS(A)and CTAB(B)solutions

從圖6可以明顯看出,2000 mg·L-1HMPAM界面膜的剪切復合模量明顯高于PHPAM,同時,兩種表面活性劑對HMPAM和PHPAM剪切模量的影響趨勢也完全不同,這是兩種驅油聚合物截然不同的結構造成的.相關機理示意圖如圖7所示.

結合圖4-圖6的界面剪切流變實驗結果和示意圖7,有助于深入理解驅油聚合物與表面活性劑間的界面相互作用.PHPAM是沒有界面活性的水溶性高分子,而HMPAM分子中存在疏水嵌段,是一種高分子表面活性物質,能在界面上富集,將煤油-水的界面張力從42 mN·m-1降低至35 mN·m-1;另外,HMPAM分子間能夠通過疏水嵌段間的相互作用形成二維的網絡結構,增大界面膜的強度.23-25因此,HMPAM界面膜的剪切復合模量明顯高于PHPAM.

圖6 表面活性劑對不同驅油聚合物溶液界面剪切復合模量的影響Fig.6 Effect of surfactants on the interfacial shear complex moduli of different enhanced oil recovery polymer solutions

對HMPAM而言,當體系中加入低分子量的表面活性劑時,由于其界面活性強,會大量吸附到界面上.SDBS和CTAB分子也可以通過疏水相互作用與HMPAM分子中的疏水嵌段形成聚集體,從而削弱二維界面網絡結構;隨著表面活性劑濃度增大,甚至有可能出現表面活性劑分子以疏水嵌段為內核的類似膠束的界面聚集體,完全破壞界面結構.因此,隨著表面活性濃度增大,HMPAM的界面剪切復合模量一直明顯降低,如圖7A所示.需要說明的是,聚丙烯酰胺類聚合物在溶液中部分水解,帶有一定的負電中心,CTAB分子也會通過靜電作用與負電中心結合,但由于HMPAM界面膜的強度主要來源于界面網絡結構,因此,這種靜電作用相對而言并不重要.

如圖7B所示,對PHPAM而言,當加入少量SDBS時,形成了混合吸附膜,界面膜強度反而略有升高;SDBS濃度較高時,界面上以低分子量的表面活性劑為主,此時吸附膜強度開始減弱.如圖7C所示,當加入帶反電荷的CTAB時,陽離子表面活性劑通過靜電相互作用中和了PHPAM的部分負電性,造成分子的部分卷曲,從而降低界面膜強度.

還需要指出的是,對于HMPAM界面膜,表面活性劑既可以吸附在界面上,也可以通過疏水作用與HMPAM的疏水部分相互締合.從PHPAM體系的實驗結果可以看出,表面活性劑直接吸附對聚合物界面層剪切流變的影響總體來說不大,因此,HMPAM界面剪切模量的明顯降低只能是表面活性劑分子與HMPAM的疏水部分相互作用造成的.相反電性的表面活性劑SDBS和CTAB對HMPAM界面剪切模量的影響趨勢幾乎相同,也充分證明了此時疏水相互作用決定了混合體系界面膜的性質.

圖7 表面活性劑與驅油聚合物界面相互作用示意圖Fig.7 Schematic diagrams of interfacial interactions between surfactants and enhanced oil recovery polymers(A)HMPAM+CTAB,(B)PHPAM+SDBS,(C)PHPAM+CTAB

為了進一步理解SDBS和CTAB對兩種驅油聚合物界面膜性質影響的差異,將復合體系彈性模量和粘性模量隨頻率的變化趨勢顯示于圖8和圖9中.

從圖8和圖9的結果可以看出,復合體系界面膜的彈性模量均隨頻率增加而增大,而其粘性模量則在特征頻率下出現局部極大值.PHPAM溶液界面膜的粘性模量隨頻率增大緩慢增加,一直低于對應的彈性模量,界面膜以彈性為主,說明其界面膜的強度主要來源于分子的流體動力學尺寸;而HMPAM溶液界面膜的粘性模量在中頻時高于彈性模量,反映了界面特殊弛豫過程的貢獻,說明界面上HMPAM分子間形成的聚集體結構造成界面膜以粘性為主.隨著表面活性劑濃度增大,雖然界面剪切復合模量降低,且其中彈性模量變得高于粘性模量,充分證實了表面活性劑參與界面聚集體的形成,進而破壞界面網絡結構的過程.

圖8 頻率對HMPAM與不同濃度SDBS(A)和CTAB(B)溶液界面剪切彈性和粘性模量的影響Fig.8 Effect of frequency on the interfacial shear elastic and viscous moduli of HMPAM and different concentrations of SDBS(A)and CTAB(B)solutions

圖9 頻率對PHPAM與不同濃度SDBS(A)和CTAB(B)溶液界面剪切彈性和粘性模量的影響Fig.9 Effect of frequency on the interfacial shear elastic and viscous moduli of PHPAM and different concentrations of SDBS(A)and CTAB(B)solutions

3.3 不同結構驅油聚合物界面膜的弛豫實驗

除了周期擾動方法外,還可以通過界面弛豫和回復實驗研究界面膜抗剪切的能力.如圖10和圖11所示,在極短時間內對兩種聚合物復合體系的界面膜施加一個50%的形變,剪切應力在瞬時發生突躍,然后逐漸恢復到形變前的數值.

圖10SDBS(A)和CTAB(B)對HMPAM剪切應力(τ)衰減曲線的影響Fig.10 Effect of SDBS(A)and CTAB(B)on the decay curves of shear stress(τ)for HMPAM

從圖10和圖11的實驗結果可以看出,弛豫實驗后的應力突躍值以指數形式衰減,可以用式(7)對衰減曲線進行擬合:

式中Δτ為應力突躍值,Δτi為不同弛豫過程的貢獻,Ti為弛豫過程的特征周期.擬合的結果見表1.

圖11SDBS(A)和CTAB(B)對PHPAM剪切應力衰減曲線的影響Fig.11 Effect of SDBS(A)and CTAB(B)on the decay curves of shear stress for PHPAM

從表1中數據可以看出,PHPAM的應力突躍衰減很快,且躍遷值較小,可以用兩個弛豫過程擬合,其弛豫過程特征周期較小;而HMPAM衰減慢,躍遷值較高,需要用三個弛豫過程擬合,最慢的弛豫過程的特征周期接近100 s.文獻中曾經用界面擴張流變的手段研究了不同類型驅油聚合物的界面弛豫過程,發現大分子在界面與體相間的擴散-交換過程可以忽略,聚合物分子中的鏈節在界面與亞層中的交換、聚合物分子在界面上排列方式的變化以及界面上聚集體的變化等過程才是決定聚合物界面膜流變特性的關鍵過程.4PHPAM的快弛豫過程可能對應于聚合物分子鏈節的交換過程,而較慢的弛豫過程則可能對應于界面層分子排列的變化;而對于HMPAM而言,這兩個過程的特征周期均比PHPAM長,暗示著分子間較強的相互作用.同時,HMPAM獨有的第三個慢弛豫過程的特征周期在100 s數量級,可能對應于二維網絡結構在剪切形變作用下的破壞與重組.這與文獻14中報道的界面擴張流變結果一致.隨著表面活性劑濃度增大,HMPAM復合體系應力躍遷值明顯降低,弛豫過程數目減少.這與前面討論的HMPAM在界面上通過疏水作用形成界面網絡結構,而表面活性劑破壞網絡結構是一致的.

表1 不同結構驅油聚合物復合體系界面弛豫的特征參數Table 1 Characteristic parameters of interfacial relaxation for mixed systems of enhanced oil recovery polymers with different structures

4 結論

利用雙錐法研究了表面活性劑十二烷基苯磺酸鈉和十六烷基三甲基溴化銨對部分水解聚丙烯酰胺和疏水改性聚丙烯酰胺溶液的界面剪切流變性質的影響,本文的研究結果對闡明化學驅油機理以及原油乳狀液破乳具有一定的借鑒意義.研究發現:

(1)頻率是影響界面膜剪切流變數據的關鍵因素,高頻條件下流變數據主要反映溶劑分子的影響,只有適宜的剪切頻率條件下,流變數據才能反映界面膜的結構信息.

(2)HMPAM分子吸附到油水界面上,通過疏水作用形成界面網絡結構,界面膜的剪切復合模量明顯高于PHPAM界面層.

(3)表面活性劑SDBS和CTAB通過疏水相互作用與HMPAM分子中的疏水嵌段形成聚集體,破壞界面網絡結構,剪切模量隨表面活性劑濃度增大明顯降低,同時,界面膜從粘性膜向彈性膜轉變.

(4)少量SDBS分子與PHPAM形成混合吸附膜,界面膜強度略有升高;SDBS濃度較高時,界面層中PHPAM分子被頂替,吸附膜強度開始減弱;陽離子表面活性劑CTAB通過靜電相互作用中和PHPAM分子的負電性,造成界面上PHPAM分子的部分卷曲,從而降低界面膜強度.

(5)弛豫實驗結果表明,隨著表面活性劑濃度增大,HMPAM復合體系應力躍遷值明顯降低,界面弛豫過程數目減少,證實了表面活性劑破壞HMPAM網絡結構的機理.

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Effects of Surfactants on Interfacial Shear Rheological Properties of Polymers for Enhanced Oil Recovery

CAO Xu-Long1LI Jing2YANG Yong1ZHANG Ji-Chao1ZHANG Lei2,*ZHANG Lu2,*ZHAO Sui2
(1Geological and Scientific Research Institute of Shengli Oilfield Co.Ltd.,SINOPEC,Dongying 257015,Shandong Province,P.R.China;2Technical Institute of Physics and Chemistry,Chinese Academy of Sciences,Beijing 100190,P.R.China)

O647

Received:December 16,2013;Revised:March 6,2014;Published on Web:March 7,2014.

?Corresponding authors.ZHANG Lei,Email:zl2558@163.com.ZHANG Lu,Email:luyiqiao@hotmail.com;Tel:+86-10-82543589.

The project was supported by the Important National Science&Technology Specific Projects of China(2011ZX05011-004)and National Natural Science Foundation of China(51373192).

國家科技重大專項(2011ZX05011-004)和國家自然科學基金(51373192)資助項目