納米二氧化硅對表面活性劑溶液乳化性能的影響

曹廣勝，吳佳駿，左繼澤，安宏鑫，張紫航

（1.東北石油大學 提高油氣采收率教育部重點實驗室，黑龍江 大慶163318；2.海洋石油工程股份有限公司，天津300461）

由于我國原油對外依存度持續增長，國內新油田勘探開發存在難度，因此，國內各大油田將開采方向轉向了低滲透、特低滲透油藏。針對低滲透油藏國內各大油田采用堿+表面活性劑+聚合物的三元復合驅技術進行開采，但堿對地層和管道損害嚴重，不符合環保要求，因此，三元復合驅目前已經轉向了二元復合驅，而二元復合驅的驅油效果并沒有達到三元復合驅的程度，因此，對于表面活性劑和聚合物的使用仍存在許多問題亟待攻克。Bai[1]等人通過室內實驗和分子模擬的方法研究了不同原油組分對乳狀液黏度的影響，曹廣勝[2-4]等人研究基于不同乳化劑結構的油水乳化性能。納米材料具有環保、無污染、高效、成本低等優點，并且被應用于醫藥、工程、化工等各個領域[5]。納米SiO2的強疏水性，可以應用于油藏開發中，納米SiO2與油相相互作用，使油相潤濕性發生改變，界面張力降低，波及體積增大，各方面協同作用增加了毛細管數，從而提高原油采收率[6-8]。

將納米材料與表面活性劑相配合使用成為未來提高采收率技術方向之一，納米SiO2與表面活性劑的復配性能及溫度對乳狀液乳化性能的影響是本文的研究內容。本文通過將不同類型表面活性劑與SiO2進行復配，并測量出乳狀液的粘溫曲線來觀察SiO2對表面活性劑溶液乳化性能的影響。

1 實驗部分

1.1 實驗藥品

原油（大慶油田五廠）；十六烷基三甲基溴化銨（西隴科學化工）；PQ-10（天津科密歐）；十二烷基苯磺酸鈉（國藥集團化學試劑）；十二烷基二苯醚二磺酸鈉（山東優索化工）；OP-10（美國陶氏）；司班-60（西隴科學化工）；十二烷基二甲基甜菜堿（億群化工），以上藥品均為分析純；納米SiO215~45nm（先豐納米）。

1.2 實驗所用儀器

FSH-2型可調高速勻漿器（金城碩華儀器廠）；BROOKFIELD黏度儀（美國博勒飛）；TC-150恒溫水浴（美國博勒飛）；PM6000顯微鏡（樂迪儀器）。

1.3 實驗步驟

首先，稱取兩份0.02g的表面活性劑，分別放入兩個100mL的燒杯中；然后再稱取0.02g納米SiO2，加入1號燒杯中；分別向兩個燒杯中加入20mL蒸餾水；使用玻璃棒進行攪拌，使表面活性劑與納米SiO2充分溶解形成溶液；向兩份配制好的表面活性劑溶液中加入80mL原油；使用FSH-2型可調高速勻漿器攪拌15min，完成乳化，形成乳狀液；將乳狀液倒入BROOKFIELD黏度儀，搭配TC-150恒溫水浴測量不同溫度下乳狀液黏度；最后使用PM6000顯微鏡觀察不同溫度下乳狀液微觀結構。

2 結果與討論

2.1 不同表面活性劑對原油乳狀液黏度的影響

按照上述實驗步驟進行操作，測量并記錄在加入不同表面活性劑后，各溫度下的各乳狀液黏度，結果見圖1。

圖1 不同表面活性劑乳狀液粘溫曲線Fig.1 Viscosity temperature curve of different surfactant emulsions

由圖1可知，加入表面活性劑后形成的乳狀液黏度明顯高于原油黏度，這說明實驗所用的表面活性劑與原油和水的作用下有可能形成了油包水型乳狀液，乳狀液顆粒之間相互作用使整個體系黏度增加，35℃時原油黏度為2750mPa·s，乳狀液黏度增幅最大的是十二烷基二苯醚二磺酸鈉，增幅達到118.2%，增幅最小的是PQ-10，增幅為8.4%，由此可以看出，十二烷基二苯醚二磺酸鈉乳化性能最好，PQ-10乳化效果最差。另外無論哪種表面能活性劑乳狀液，黏度都隨溫度升高而降低，黏度差最大的是十二烷基二苯醚二磺酸鈉5975mPa·s，黏度差最小的是PQ-10為2935mPa·s，乳狀液黏度變化范圍為10~6000mPa·s，原油黏度變化范圍為15~2750mPa·s。

由圖2可知，實驗所用的表面活性劑與原油形成的油包水型乳狀液，其中水相以小液滴的形式分散于油相中，水相是分散相，油相是分散介質。通過不同表面活性劑與原油形成的乳狀液形態對比可以看出，十二烷基二苯醚二磺酸鈉形成的油包水型乳狀液中水相的液滴顆粒尺寸相對較小，且數量明顯較多，說明十二烷基二苯醚二磺酸鈉乳化效果更好，同時也意味著當乳狀液中水相液滴的尺寸較小、數量較多時，乳狀液的乳化強度越強，油包水型乳狀液的黏度越大。

圖2 不同表面活性劑與原油形成的乳狀液形態Fig.2 Morphology of emulsion formed by different surfactants and crude oil

2.2 納米SiO2對表面活性劑乳液的乳化性能影響

通過實驗測得各乳狀液加入SiO2后的黏度，結果見圖3、4。

圖3 加入納米SiO2后不同表面活性劑乳狀液粘溫曲線Fig.3 Viscosity temperature curve of different surfactant emulsions after adding nano-SiO2

圖4 加入納米SiO2后不同表面活性劑乳狀液黏度差Fig.4 Viscosity difference of different surfactant emulsions after adding nano-SiO2

由圖3、4可知，35℃時加入納米SiO2后，司班-60黏度增長最多，達到3833mPa·s，十二烷基二甲基甜菜堿加入納米SiO2后黏度反而降低了84mPa·s。通過以上實驗結果可以看出，加入納米SiO2后對乳狀液黏度的影響并不絕對。這說明納米SiO2會與不同的表面活性劑相互作用使其乳狀液的黏度發生改變，且這種改變與表面活性劑的類型并不存在一個特別明顯的對應關系，因此，納米SiO2對表面活性劑乳狀液黏度的影響機制差異較大。

圖5 乳狀液的乳化形態微觀特征Fig.5 Microscopic characteristics of emulsion morphology

通過觀察司班-60和十二烷基二甲基甜菜堿加入納米SiO2前后微觀結構發現，加入納米SiO2后，油包水型乳狀液明顯增多，而十二烷基二甲基甜菜堿中加入納米SiO2后油包水型乳狀液卻有所減少，這是因為在納米SiO2改性聚合物體系中，納米顆粒可以通過氫鍵、靜電作用等與不同聚合物分子產生很好的相互作用，從而促使分子間網絡結構增強、溶液黏度提升更為明顯，與不同類型表面活性劑搭配相互作用的強度也不相同，所以增粘效果也有所差異。進一步改變乳狀液的溫度，以司班-60為例，分析其在不同溫度下形態的變化特征見圖6。

圖6 不同溫度下乳狀液的形態變化特征Fig.6 Morphological characteristics of emulsion at different temperatures

由圖6可以看出，在不同溫度下，司班-60乳狀液的狀態存在較大的差異，當溫度較低時，乳狀液中液相的尺寸較小，數量較多，乳化比較嚴重，而當乳狀液的溫度較高時，乳狀液中的液相尺寸較大，數量較少，但原油在較高的溫度下黏度較低，應該更容易形成較為復雜的乳狀液體系，我們分析出現這種狀況的原因是，由于在較高的溫度下，乳狀液穩定性較低，因此，在高溫條件下，乳狀液形成之后會迅速破乳，破乳后的水滴會逐漸的聚并，進而降低乳化程度。而加入納米SiO2之后，乳狀液中的液滴在較高的溫度下仍然能夠保持較好的乳化能力，因此，我們判斷納米SiO2能夠大幅度的增加表面活性劑乳狀液的穩定性。

3 結論

（1）原油中加入表面活性劑形成乳狀液后，黏度會隨之增大，不同類型表面活性劑對黏度的影響存在差異。實驗所用表面活性劑中黏度增幅最大的是十二烷基二苯醚二磺酸鈉，黏度增幅最小的是PQ-10。

（2）納米SiO2會與不同的表面活性劑相互作用使其乳狀液的黏度發生改變，且這種改變與表面活性劑的類型并不存在一個特別明顯的對應關系，因此，納米SiO2對表面活性劑乳狀液黏度的影響機制差異較大。

（3）高溫條件下，納米SiO2能夠大幅度增加表面活性劑乳狀液的穩定性。