不同結(jié)構(gòu)木質(zhì)素聚醚磺酸鹽與石油磺酸鹽復(fù)配體系界面張力研究

陳淑艷,李學(xué)良,路 蘊(yùn)，陳本壽

(1．重慶化工職業(yè)學(xué)院，重慶 401228；2．北京生泰爾科技股份有限公司，北京 102600)

1 引言

在石油工業(yè)領(lǐng)域，基于超低界面張力機(jī)理的堿-表面活性劑-聚合物(ASP)三元復(fù)合驅(qū)是一項可以大幅度提高原油采收率的三次采油技術(shù)[1]，該技術(shù)具有良好的經(jīng)濟(jì)性和普適性。其中復(fù)合驅(qū)中的堿與原油中的有機(jī)酸物質(zhì)作用生成類表面活性物質(zhì)，和表面活性劑間形成良好的協(xié)同增效作用[2]。然而近年來礦場試驗表明，三元復(fù)合驅(qū)中使用強(qiáng)堿會產(chǎn)生一些負(fù)面效應(yīng)，如：堿和地層中的粘土礦物形成的硅鋁垢結(jié)晶對地下油層造成傷害；強(qiáng)堿體系使原油產(chǎn)生的強(qiáng)乳化作用使產(chǎn)出液破乳脫水困難，同時腐蝕管道設(shè)備和影響油井的采液能力等，從而使該技術(shù)的實際應(yīng)用受到很大的限制[3,4]。為避免這一問題，許多研究者考慮用弱堿(如：Na2CO3)取代強(qiáng)堿[5]，或者用無堿的表面活性劑-聚合物(SP)二元復(fù)合驅(qū)[6]取代三元復(fù)合驅(qū)。此外，在油田礦場的實際應(yīng)用中，為降低驅(qū)油劑成本使用的多為有多種成分的表面活性劑復(fù)配體系。聚醚磺酸鹽型表面活性劑是一類陰-非離子型表面活性劑，該類型表面活性劑不僅可以克服非離子型表面活性劑界面活性低的特點(diǎn)，還可以彌補(bǔ)陰離子型表面活性劑耐鹽性差的缺陷[7]。因此，陰-非離子型表面活性劑在提高采收率領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景。目前油田上使用的驅(qū)油劑配方中的表面活性劑成分多數(shù)是為達(dá)到某種應(yīng)用目的而復(fù)配不同種類表面活性劑的混合物，因此本試驗探究木質(zhì)素聚醚磺酸鹽與石油磺酸鹽復(fù)配體系的界面張力行為。

2 材料與方法

2.1 實驗材料

采用木質(zhì)素聚醚磺酸鹽和石油磺酸鹽(PS)進(jìn)行復(fù)配，評價該復(fù)配體系對華北京-11原油的界面張力性能。木質(zhì)素聚醚磺酸鹽表面活性劑為實驗室合成的LPO6SO3Na、LPO8SO3Na和LPO10SO3Na；石油磺酸鹽(PS)為中國石油勘探開發(fā)研究院提供，濃度為40%。

華北京-11原油的性質(zhì)和模擬水的離子組成分別如表1和表2所示。

表1 華北京-11原油的性質(zhì)

表2 華北京-11原油油田模擬水的離子組成

2.2 界面張力測試方法

采用XZD-SP視頻旋轉(zhuǎn)滴超低界面張力儀測定界面張力，測定轉(zhuǎn)速為12 ms/rev；測定溫度為華北原油的礦藏溫度54 ℃；每隔5 min讀數(shù)1次，共測定1 h左右，直至連續(xù)3次讀數(shù)相差不多，即可認(rèn)定體系已達(dá)平衡，測定結(jié)束。

3 結(jié)果與分析

目前三次采油中礦場應(yīng)用最多的陰離子表面活性劑是石油磺酸鹽，石油磺酸鹽界面活性較高，但是易與高價金屬陽離子形成沉淀從而導(dǎo)致性能不穩(wěn)定。由于地層水中多含有Ca2+、Mg2+等高價金屬離子，為改善石油磺酸鹽與地層水的配伍性以及提高驅(qū)油劑配方中表面活性劑的界面活性，本實驗將木質(zhì)素聚醚磺酸鹽與石油磺酸鹽PS進(jìn)行復(fù)配研究。在三元復(fù)合驅(qū)驅(qū)油過程中，最重要的要數(shù)油水界面特性，超低油-水界面張力(<10-2mN/m)是表面活性劑驅(qū)油的最基本要求。因此，主要考查木質(zhì)素聚醚磺酸鹽和石油磺酸鹽PS之間的復(fù)配體系在不同堿濃度下對于華北京-11原油的油-水界面張力隨時間的變化情況。選用Na2CO3調(diào)節(jié)體系的酸堿度；復(fù)配比為木質(zhì)素聚醚磺酸鹽的質(zhì)量與PS質(zhì)量之比，體系中總活性劑濃度為0.4%，Na2CO3濃度為0%～1.6%。

油田模擬水的離子組成、礦化度是影響油田采收率的重要因素。由表1和表2可以看出，試驗用華北京-11原油中膠質(zhì)含量和蠟含量較高，屬于高蠟基原油。此外，模擬水的礦化度高達(dá)10789 mg/L，鈣鎂離子含量較高，屬于高礦化度油藏，對表面活性劑的要求較高。

3.1 LPO6SO3Na/PS復(fù)配體系與原油間的界面張力研究

圖1是不同復(fù)配比的LPO6SO3Na/PS體系在弱堿Na2CO3的條件下其油-水界面張力隨時間的變化情況。從圖中可以看出，木質(zhì)素聚醚磺酸鹽和石油磺酸鹽的復(fù)配體系能有效地改善石油磺酸鹽的抗鹽能力。復(fù)配比為2∶8時，體系中Na2CO3濃度達(dá)到1.2%后LPO6SO3Na/PS體系可以使華北原油的油-水界面張力達(dá)到10-3mN/m超低水平；復(fù)配比為5∶5時，體系中Na2CO3濃度達(dá)到1.6%后LPO6SO3Na/PS體系可以使華北原油的油-水界面張力達(dá)到10-3mN/m水平；雖然在Na2CO3濃度相等的情況下，復(fù)配比為8∶2的LPO6SO3Na/PS體系與華北原油間的油-水界面張力較高，但當(dāng)體系中Na2CO3濃度達(dá)到1.2%后LPO6SO3Na/PS體系仍可使華北原油的油-水界面張力達(dá)到10-2mN/m水平。說明隨著復(fù)配體系中石油磺酸鹽含量的增加，其降低油-水界面張力的能力越強(qiáng)。這是因為，石油磺酸鹽的親油基團(tuán)上包含多種不同尺寸和長度的疏水碳鏈，當(dāng)增加石油磺酸鹽含量時，該復(fù)配體系具有更大的親油基團(tuán)，從而能夠在油水界面上緊密排列，更易形成超低界面張力。此外，木質(zhì)素聚醚磺酸鹽中的非離子鏈段，在復(fù)配體系中可以減弱石油磺酸鹽中磺酸基團(tuán)之間的電性斥力，使表面活性劑分子在油水界面上排列更加緊密，從而大幅度降低油-水界面張力，與石油磺酸鹽間形成更好的協(xié)同效應(yīng)。

圖1 弱堿Na2CO3對華北原油與LPO6SO3Na/PS復(fù)配體系動態(tài)界面張力的影響

3.2 LPO8SO3Na/PS復(fù)配體系與原油間的界面張力研究

圖2是不同復(fù)配比的LPO8SO3Na/PS體系在弱堿Na2CO3的條件下其油-水界面張力隨時間變化的情況。從圖中可以看出，在體系中Na2CO3濃度達(dá)到1.2%后，復(fù)配比為2∶8和5∶5的LPO8SO3Na/PS體系與華北原油間的界面張力均可達(dá)到10-3mN/m超低水平。與LPO6SO3Na/PS體系相比，所有LPO8SO3Na/PS體系的不同復(fù)配比的最低界面張力都有所降低，表明該復(fù)配體系可以產(chǎn)生更好的降低油-水界面張力的效果。其可能的原因是復(fù)配體系中的兩種表面活性劑的烷基鏈長度比較接近引起的“鏈長匹配效應(yīng)”，從而使兩種表面活性劑分子間的相互作用增大，在油水界面上形成致密的吸附膜，因此界面張力值降低。此外，復(fù)配體系中PS比例高時有較寬的低界面張力范圍，說明PS可以有效拓寬木質(zhì)素聚醚磺酸鹽的適應(yīng)范圍，從而增強(qiáng)了體系的界面活性。

圖2 弱堿Na2CO3對華北原油與LPO8SO3Na/PS復(fù)配體系動態(tài)界面張力的影響

3.3 LPO10SO3Na與PS復(fù)配體系與原油間的界面張力研究

圖3是不同復(fù)配比的LPO10SO3Na/PS體系在弱堿Na2CO3的條件下其油-水界面張力隨時間的變化情況。可以看出，不同復(fù)配比的LPO10SO3Na/PS體系在弱堿Na2CO3的條件下和華北原油間的界面張力平衡值均可降至10-3mN/m的超低水平，并且復(fù)配比為2∶8的LPO10SO3Na/PS體系其最低界面張力可達(dá)到10-4mN/m數(shù)量級；該復(fù)配體系與華北原油超低界面張力的堿濃度范圍明顯擴(kuò)寬。LPO10SO3Na和PS的協(xié)同效應(yīng)及其明顯，復(fù)配后對華北原油的界面性質(zhì)明顯得到了提升，可用作石蠟基原油的驅(qū)油劑。

4 結(jié)論

木質(zhì)素聚醚磺酸鹽與石油磺酸鹽之間存在良好的協(xié)同效應(yīng)，可以有效地改善石油磺酸鹽的耐鹽性能。在體系中加入弱堿Na2CO3后，該復(fù)配體系與華北原油間的界面張力均有所降低。且復(fù)配體系中兩種表面活性劑間存在“鏈長匹配效應(yīng)”，烷基鏈長度越接近，其與原油間的油水界面張力越低。三種木質(zhì)素聚醚磺酸鹽與石油磺酸鹽的復(fù)配體系在一定的Na2CO3濃度下與華北原油間的界面張力平衡值均可以達(dá)到10-3mN/m超低水平，其中LPO10SO3Na/PS體系與華北原油間超低界面張力的堿濃度范圍明顯拓寬，說明該復(fù)配體系對華北原油的界面活性優(yōu)良，可用作石蠟基原油的驅(qū)油劑。此外，木質(zhì)素聚醚磺酸鹽的價格較為低廉，因此該復(fù)配體系可有效地降低驅(qū)油劑配方中表面活性劑的驅(qū)油成本，在三次采油礦場應(yīng)用中具有一定的可能性。