石油磺酸鹽復(fù)合體系界面張力影響因素研究

趙鵬飛

(大慶煉化公司研究院，黑龍江 大慶 163000)

在三次采油中聚合物、堿、表面活性劑復(fù)合驅(qū)是一種能有效提高原油采收率的驅(qū)油技術(shù)，該體系不但可以提高驅(qū)替相粘度還可以降低油水間的界面張力[1-4]。研究表明，低界面張力有利于剩余油的啟動和殘余油的運(yùn)移，因此提高采油收率的關(guān)鍵取決于體系界面張力降低的程度[5-7]。依據(jù)毛細(xì)管原理，毛細(xì)管準(zhǔn)數(shù)與界面張力的關(guān)系為Nc=ην/δ，其中Nc為毛管數(shù)，δ為驅(qū)替相與被驅(qū)替相之間的界面張力。Nc值越大，驅(qū)油效率越好，其中降低界面張力δ是表面活性劑驅(qū)的主要根據(jù)[8]。一般情況下油水界面張力為20～30 mN/m，理想的表面活性劑可使界面張力降到 10-4～10-3mN/m，減少或消除地層的毛細(xì)管作用，降低剝離原油所需的粘附力，提高洗油效率[9-10]。由于石油磺酸鹽復(fù)合體系中組分多樣且相互影響，所以如何保證復(fù)合驅(qū)體系的超低界面張力和工業(yè)推廣的經(jīng)濟(jì)性是提高原油采收率的關(guān)鍵[11]。

本文采用石油磺酸鹽、聚丙烯酰胺和碳酸鈉組成三元復(fù)合體系，從不同組分濃度、配制污水水礦化度和金屬離子濃度等方面著手，研究了各因素對石油磺酸鹽復(fù)合體系超低界面張力的影響及影響規(guī)律，為大慶油田石油磺酸鹽三元復(fù)合驅(qū)的現(xiàn)場應(yīng)用提供可靠的理論指導(dǎo)。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)藥品

部分水解聚丙烯酰胺2500萬、石油磺酸鹽，大慶煉化公司。模擬污水，實(shí)驗(yàn)室自配。無水碳酸鈉、氯化鈉、氯化鈣，分析純，國藥集團(tuán)。現(xiàn)場污水，大慶油田采油廠聯(lián)合站外出污水。

1.2 實(shí)驗(yàn)儀器

TX500界面張力儀，北京盛維基業(yè)。RW20立式攪拌器，IKA公司。WH-610D磁力攪拌器，德國Julabo公司。MS603S電子天平，梅特勒托利多公司。

1.3 界面張力的測定

界面張力由TX500型旋轉(zhuǎn)滴界面張力儀測得,將毛細(xì)管放入界面張力儀中，調(diào)整溫度55℃，轉(zhuǎn)速5000 r/min。隔一定時間記錄下油滴直徑，一般情況下2 h就達(dá)到動態(tài)平衡，界面張力值不再發(fā)生變化，最后由電腦軟件計(jì)算出界面張力的大小。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及討論

2.1 石油磺酸鹽濃度對界面張力的影響

圖1 不同石油磺酸鹽濃度下體系界面張力隨時間變化規(guī)律

將復(fù)合體系中聚丙烯酰胺濃度設(shè)定為1000 ppm、碳酸鈉濃度設(shè)定為0.6%，模擬污水礦化度4200 mg/L時，考察了不同石油磺酸鹽濃度下復(fù)合體系界面張力隨時間的變化規(guī)律，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖1所示。

可以看出，當(dāng)石油磺酸鹽總質(zhì)量濃度較低時，初始界面張力值較大，當(dāng)濃度較高時，初始界面張力值較低，但平衡后界面張力值變化不大。該復(fù)合體系與原油間的油水界面張力在90 min衡，120 min力穩(wěn)定不變。可以確定，在0.025%～0.4%濃度范圍內(nèi)石油磺酸鹽對最低界面張力值影響不大，都能形成10-3mN/m數(shù)量級的超低界面張力，且到達(dá)最低界面張力的時間基本相同，表現(xiàn)出較寬濃度范圍下的超低界面張力。

2.2 聚丙烯酰胺濃度對界面張力的影響

在石油磺酸鹽濃度為0.1%，模擬污水礦化度4200 mg/L，碳酸鈉濃度0.6%條件下，分別測定聚丙烯酰胺濃度為500、1000和2000 mg/L 的復(fù)合體系隨時間變化的界面張力值，結(jié)果如圖2所示。

圖2 不同聚丙烯酰胺濃度復(fù)合體系界面張力隨時間變化規(guī)律

可以看出，聚丙烯酰胺濃度越低，復(fù)合體系界面張力達(dá)到最低界面張力值的時間越短。聚丙烯酰胺濃度越高，復(fù)合體系越不容易達(dá)到最低界面張力值，相同時間下的界面張力值顯著升高。這是因?yàn)榫郾０穼儆谒苄愿叻肿泳酆衔铮瑵舛仍礁撸獜?fù)合體系的粘度越大，越不利于體系中分子的擴(kuò)散，容易形成石油磺酸鹽分子的聚集，導(dǎo)致油水界面上石油磺酸鹽分子吸附量減小，復(fù)合體系界面張力升高。所以，選擇較低的聚丙烯酰胺濃度500～1000 ppm時，該復(fù)合體系能形成10-3mN/m數(shù)量級的超低界面張力值，同時根據(jù)井口注入濃度要求確定聚丙烯酰胺濃度，有利于經(jīng)濟(jì)效益的提高。

2.3 礦化度大小對界面張力的影響

在石油磺酸鹽濃度為0.1%，碳酸鈉濃度0.6%，聚丙烯酰胺濃度1000 mg/L條件下，研究了不同礦化度的大慶油田采油廠污水對復(fù)合體系界面張力的影響，結(jié)果如表1所示。

表1 不同采油廠污水礦化度對復(fù)合體系界面張力的影響

可以看出，大慶采油廠現(xiàn)場配置污水對復(fù)合體系界面張力值影響不大，最低界面張力均能達(dá)到10-3mN/m數(shù)量級，但較高的礦化度可縮短復(fù)合體系達(dá)到超低界面張力的時間。這是因?yàn)樗薪饘匐x子增大了表面活性劑分子向油水界面分散速度，且陽離子可以進(jìn)入雙電層使界面層中表面活性分子分布更為密集。另一方面，金屬陽離子使復(fù)合體系中的聚丙烯酰胺分子發(fā)生蜷曲，降低了聚丙烯酰胺與石油磺酸鹽分子在界面的位置競爭，也間接加快了復(fù)合體系達(dá)到超低界面張力速度。

2.4 金屬離子濃度對界面張力的影響

在石油磺酸鹽濃度為0.1%，碳酸鈉濃度0.6%，聚丙烯酰胺濃度1000 mg/L條件下，研究了不同濃度氯化鈣、氯化鈉的模擬污水對復(fù)合體系界面張力的影響，結(jié)果如表2所示。

表2 不同金屬離子濃度對復(fù)合體系界面張力的影響

隨著Ca2+含量的增加，該復(fù)合體系的界面張力值變化不大，直到模擬污水中Ca2+濃度達(dá)到1500 mg/L時，界面張力仍可保持在10-3mN/m數(shù)量級，說明石油磺酸鹽復(fù)合體系的抗Ca2+性能較好。一般情況下，大慶油田地層水中二價陽離子Ca2+總含量小于50 mg/L，所以不會對復(fù)合體系最低界面張力產(chǎn)生影響。同樣，隨著鈉離子濃度升高，三元復(fù)合體系的界面張力值變化也不大，直到模擬污水中鈉離子含量達(dá)到6000 mg/L時，界面張力仍可保持在10-3mN/m數(shù)量級，說明復(fù)合體系的抗氯化鈉性較好，具有較強(qiáng)的抗鹽性能。

2.5 碳酸鈉濃度對界面張力的影響

石油磺酸鹽濃度為0.1%，聚丙烯酰胺濃度1000 mg/L，模擬污水礦化度4200 mg/L，改變復(fù)合體系中的碳酸鈉濃度，檢測界面張力隨時間的變化規(guī)律，考察復(fù)合體系中碳酸鈉濃度對界面張力的影響，結(jié)果如圖3所示。

圖3 石油磺酸鹽復(fù)合體系界面張力隨碳酸鈉濃度變化規(guī)律

可以看出,復(fù)合體系中碳酸鈉含量越高，體系的初始界面張力越小，界面張力隨時間變化曲線越平緩，達(dá)到最低界面張力的時間也較短。碳酸鈉含量為0.4%、0.6%的復(fù)合體系在100 min時界面張力達(dá)到平衡，而碳酸鈉含量0.8%、1.0%的復(fù)合體系界面張力在60 min時便可達(dá)到平衡值。這是因?yàn)樘妓徕c水溶液呈堿性，可與原油中的酸性物質(zhì)反應(yīng)生成一種表面活性劑，這種表面活性劑可與石油磺酸鹽復(fù)合體系產(chǎn)生協(xié)同作用，可大幅度降低油水界面張力。另一方面，碳酸鈉還可以起到增強(qiáng)復(fù)合體系離子強(qiáng)度的作用，使表面活性劑以更好的形態(tài)在油水界面分布和吸附，從而達(dá)到進(jìn)一步降低油水界面張力的效果。

3 結(jié)論

(1)該三元復(fù)合體系與大慶原油可形成穩(wěn)定的超低界面張力，最佳組成為石油磺酸鹽濃度0.025%，聚丙烯酰胺濃度500～1000 mg/L，碳酸鈉濃度0.8%；

(2)該三元復(fù)合體系具有較好的抗鹽性，適用于大慶油田現(xiàn)場污水配置。