環烷基石油磺酸鹽與甜菜堿二元復配體系的性能研究

云慶慶，徐崇軍，邵洪志，帕提古麗·麥麥提，焦秋菊

（中國石油 新疆油田分公司 實驗檢測研究院，新疆 克拉瑪依 834000）

中國石油新疆油田分公司在探索復合驅技術應用的思路重點在二元復合驅，使用的表面活性劑主要來源于克拉瑪依本地生產的環烷基石油磺酸鹽（KPS），該表面活性劑具有較強的乳化性能，但在油水平衡界面張力方面很難達到超低值（<1×10-2mN/m）的要求［1-2］。為改善表面活性劑的性能，目前的方法是合成新型表面活性劑或將表面活性劑與其他化合物復配。由于新型表面活性劑研發難度大、成本高和周期長，難以滿足礦場需求。所以，當前的研究以表面活性劑與其他化合物復配為主［3-6］。甜菜堿（TCJ）具有較強的界面活性，是少數能夠用于高溫高鹽油藏的表面活性劑之一［7-8］。通過研究KPS與TCJ復配，掌握兩種表面活性劑間的協同作用，解決界面張力難以達到超低值的難題。再者，清水資源在新疆地區較為緊缺，需要攻關污水配制聚表二元驅復配技術，但污水礦化度較高，鈣鎂離子含量高，影響聚表二元驅復配體系的穩定性［9］，需進一步對污水配制二元驅復配體系進行優化，解決污水帶來的二元驅油體系穩定性差問題。

本工作通過KPS與TCJ進行復配，研究復配規律，并設計出適用于新疆油田B區污水配制的二元驅油體系。

1 實驗部分

1.1 實驗材料

KPS（有效含量20%（w））：工業品，克拉瑪依金塔公司；TCJ（有效含量30%（w））：中國石油勘探開發研究院；抗鹽聚丙烯酰胺（KYPAM，固含量91.16%，相對分子質量1 200×104）：工業品，北京恒聚化工集團有限責任公司；配液用水：新疆油田B區污水，水質分析結果見表1；實驗用油：新疆油田B區脫水脫氣原油；巖心為人造礫巖巖心。

表1 B區污水水質分析結果Table 1 Analysis results of sewage quality in zone B

1.2 實驗方法

1.2.1 臨界膠束濃度的測定

用蒸餾水配制1%（w）的KPS溶液，1%（w）TCJ溶液，1%（w）（m（KPS）∶m（TCJ）=7∶3）溶液，在25 ℃的條件下，用德國KRUSS公司K100型表面張力儀測定3種溶液的臨界膠束濃度。

1.2.2 界面張力的測定

采用北京盛維基業科技有限公司TX500C型旋轉滴界面張力儀，參照石油天然氣行業標準SY/T 5370—2018［10］測定二元復配體系的界面張力。

配制不同Na+，Ca2+質量濃度下的二元驅油體系，通過測定與原油的界面張力評價驅油體系的抗鹽性能。

1.2.4 抗吸附性能評價

將污水配制的溶液與凈油砂按質量比9∶1進行混合，放置于恒溫搖床，轉速為90 r/min，溫度為地層溫度43 ℃，振蕩12 h，取出清液進行界面張力的測定。繼續按液砂質量比為9∶1進行二次吸附并測定界面張力，抗吸附實驗進行5次，評價二元復配體系的抗吸附性能。

1.2.5 長期穩定性評價

將配制好的溶液用安瓿瓶裝樣并密封，放入烘箱中，溫度為地層溫度43 ℃，穩定性評價的時間分別為0，1，3，8，15，30，50，60 d。

1.2.6 驅油實驗

對巖心進行前處理；用產出水驅至含水98%（φ），計算采收率；注入0.7 PV二元復配體系溶液，然后再用產出水水驅至含水98%（φ），計算化學驅采收率。實驗溫度43 ℃，驅替速率為0.5 mL/min。

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2 結果與討論

2.1 復配規律的研究

2.1.1 表面活性劑的臨界膠束濃度

分別測試了KPS溶液、TCJ溶液、m（KPS）∶m（TCJ）=7∶3復配溶液的表面張力，進而得到表面活性劑的臨界膠束濃度，結果見圖1。由圖1可計算得出，KPS、TCJ、KPS/TCJ復配3種體系的臨界膠束濃度分別為60.26，10.50，8.51 mg/L。

圖1 不同體系表面活性劑的表面張力Fig.1 Surface tension of surfactants in different systems.

復配表面活性劑的臨界膠束濃度要比單一的KPS或TCJ的臨界膠束濃度要低，說明兩種表面活性劑復配產生了正加和協同效應。這是由于TCJ與KPS復配后，混合表面活性劑分子極性頭基正負離子之間的吸引促使表面活性劑分子間緊密結合，極性頭基之間的間距變小，親水基周圍的定向水分子減少，自由水分子增多，混亂度變大，易于膠束的形成，且形成的膠束結構更加緊密（見圖2），因此復配后的臨界膠束濃度較低［11-13］。

圖2 復配體系的膠束結構Fig.2 Micellar structure of compounding system.

2.1.2 界面性能

測試KPS溶液、m（KPS）∶m（TCJ）=7∶3、m（KPS）∶m（TCJ）=5∶5復配溶液分別與B區原油的界面張力，結果見圖3。由圖3可知，TCJ的加入，使得油水之間的界面張力降低，隨著TCJ含量的增加，界面張力逐漸降低，界面性能較優。這是因為TCJ是兩性離子表面活性劑，分子中有正電荷存在，與KPS的陰離子基團存在靜電吸引作用，同時兩種表面活性劑的碳氫鏈之間存在疏水相互作用，因而在界面層表面活性劑分子排列更致密，吸附量增大，復配后表面活性更高［14］。

圖3 不同體系表面活性劑的界面性能Fig.3 Interfacial tension(IFT) under different compounding systems.

2.1.3 表面活性劑的抗鹽性能評價

通過測定不同Na+，Ca2+下質量濃度KPS、m（KPS）∶m（TCJ）=7∶3復配體系的界面張力，評價表面活性劑的耐鹽性能，結果見圖4。

圖4 不同體系的抗Na+（a）和抗Ca2+（b）性能Fig.4 Anti-Na+(a) and anti-Ca2+(b) properties of the different systems.

由圖4a可知，隨著Na+質量濃度的增加，界面張力逐漸降低，復配體系的界面性能明顯優于單一體系。由圖4b可知，隨著Ca2+的增加，體系的界面張力先減小后增大，單一表面活性劑界面張力達到超低時，Ca2+濃度窗口較窄，且在Ca2+質量濃度為100 mg/L時界面張力達到超低；而復配體系的抗Ca2+質量濃度窗口明顯變寬，增加到110～270 mg/L，界面張力達到超低時Ca2+質量濃度增加到200 mg/L。同時，Ca2+對KPS單一體系降低油水界面張力的影響非常大，主要是因為Ca2+與KPS生成的二價石油磺酸鹽反應物在水溶液中有一定的溶解度，隨質量濃度增加，界面張力降低，Ca2+質量濃度達到100 mg/L后，溶液中CaR2分子開始析出，界面張力又開始上升［15］。而TCJ的加入，降低了Ca2+對界面張力的變化程度，這是由于TCJ的特殊結構使得復配體系具有良好的親水性，即使Ca2+絡合了表面活性劑分子中親水的磺酸基，表面活性劑仍可溶于水，并表現出較高的界面活性［16-17］。

2.2 二元復配體系配方研究

目前，新疆油田二元驅油體系多數使用工業污水進行配制，通過對表面活性劑復配規律的研究發現，復配體系表現出較好的界面性能和抗鹽性能。因此，針對新疆油田B區的驅油體系采用石油KPS和TCJ兩種表面活性劑與KYPAM用污水進行配制二元復配體系配方的研究。

2.2.1 二元復配體系的界面性能

配制不同表面活性劑（m（KPS）∶m（TCJ）=7∶3）含量的二元復配體系，界面性能結果見圖5。

圖5 二元復配體系的界面性能Fig.5 Interfacial tension of the binary compounding system.

由圖5可知，在油滴拉斷前，表面張力隨表面活性劑含量增加逐漸降低，當含量高于0.3%（w）后，表面張力開始反彈，含量（w）增加到0.4%和0.5%時，界面張力幾乎無變化，但仍維持界面張力超低狀態。

2.2.2 二元復配體系的抗吸附性能

對不同表面活性劑（m（KPS）∶m（TCJ）=7∶3）含量的二元復配體系進行抗吸附性能評價，結果見圖6。由圖6可知，污水配制的二元驅油體系在吸附5次后，界面張力仍能達到10-3mN/m，說明復配后的體系耐吸附性較優。

圖6 二元復配體系的抗吸附性能Fig.6 Adsorption resistance of the binary compounding system.

2.2.3 二元復配體系的長期穩定性性能

綜合二元復配體系的界面性能和抗吸附性能實驗，確定選用0.5%（w）（m（KPS）∶m（TCJ）=7∶3）表面活性劑與0.18%（w）KYPAM進行二元復配體系的長期穩定性性能評價，結果見圖7。

圖7 二元復配體系的長期穩定性能Fig.7 Long-term stability of the binary compounding system.

由圖7可知，15 d內，二元復配體系的界面張力低于1×10-2mN/m，60 d后，界面張力仍能保持10-2mN/m，說明該體系的長期穩定性能符合配方所需要求。

2.3 二元復配體系的驅油實驗

室內驅油實驗采用人造礫巖巖心，在產出水水驅達到含水98%（φ）后，開始注入二元配方0.18%（w）KYPAM+0.5%（w）表面活性劑（m（KPS）∶m（TCJ）=7∶3），注入量為0.7 PV，結果見表2。由表2可知，此配方可進一步提高采收率達25%以上，這是由于水驅后仍有大量殘余油附著在孔喉或盲端，加入復配表面活性劑-聚合物體系后，表面活性劑可有效降低界面張力，使殘余油剝離巖石，從而提高采收率。

表2 KPS/TCJ-聚合物復配體系驅油效率Table 2 Oil displacement efficiency of the KPS/TCJ-polymer compounding system

3 結論

1）通過對比單一的KPS與KPS/TCJ復配體系的臨界膠束濃度、界面性能和抗鹽性能，發現復配體系性能優于單一體系，復配體系的臨界膠束濃度比兩種單一的表面活性劑的都要低，界面性能較優，表現出正加和協同效應；復配體系有較好的抗鹽性能，界面張力達到超低時，抗Ca2+質量濃度窗口增加到110～270 mg/L。

2）針對新疆油田B區，篩選出了具有高界面性能、抗吸附性能和長期穩定性的污水配制二元復配驅油體系，且驅油效率在水驅基礎上提高采收率可達25%以上，驅油效果良好。