海上油田化學(xué)驅(qū)體系界面擴(kuò)張黏彈性研究

摘 """""要：化學(xué)驅(qū)及復(fù)合化學(xué)驅(qū)提高采收率的機(jī)理研究涉及驅(qū)油體系的體相流變性、界面特性等方面。在油藏開發(fā)過程中，界面特性是驅(qū)替機(jī)理的基礎(chǔ)，在二次和三次采油中，都要以界面性質(zhì)向有利的方向轉(zhuǎn)變?yōu)榛A(chǔ)。選取海上J油田三種具有代表性的化學(xué)驅(qū)體系，利用懸掛滴法，采用正弦周期振蕩的方式，研究了表面活性劑濃度和振蕩頻率對界面擴(kuò)張黏彈性的影響。結(jié)果顯示：低頻（0.2 Hz）內(nèi)，隨著頻率的增加，界面膜的擴(kuò)張黏彈模量增加明顯，超過0.2 Hz后，J油田驅(qū)油體系與油相界面特性變化不顯著。表面活性劑濃度的增加會降低界面膜的黏彈性。復(fù)合驅(qū)體系與油相形成的界面膜是以彈性為主的黏彈性膜。

關(guān) "鍵 "詞：聚合物；表面活性劑；聚表二元體系；界面擴(kuò)張黏彈性黏

中圖分類號："TE39 """"""""文獻(xiàn)標(biāo)志碼："A """""文章編號："1004-0935（2024）12-1815-05

化學(xué)驅(qū)提高采收率技術(shù)是海上油田增儲上產(chǎn)和穩(wěn)油控水的重要技術(shù)之一。目前，普遍認(rèn)為化學(xué)驅(qū)提高采收率的機(jī)理是化學(xué)驅(qū)體系增大了驅(qū)替液的黏度和降低 了油水界面張力。近年來，研究人員意識到驅(qū)油過程和驅(qū)油效率還與油水界面特性有關(guān)。表面活性物質(zhì)在界面上的吸附強(qiáng)烈影響界面性質(zhì)，通過分析界面流變性 數(shù)據(jù)可以研究界面層微觀性質(zhì)，從而闡明化學(xué)驅(qū)體系的相互作用機(jī)理及其與化學(xué)驅(qū)提高采收率的關(guān)系^"[1-4]。表面活性物質(zhì)在油水界面和體相中存在的多種相互作用和過程造成了不同的界面特性。當(dāng)表面活性物質(zhì)形成的界面膜受到壓縮或擴(kuò)張形變時，局部界面面積的變化將導(dǎo)致局部界面張力的變化，從而形成界面張力梯度，來對抗所受到的形變。表面活性物質(zhì)的這種對抗形變的能力可以用界面擴(kuò)張模來描述，其微觀作用機(jī)理是發(fā)生在界面附近和界面上的多種弛豫過程，如界面與體相間的擴(kuò)散弛豫、分子內(nèi)弛豫、膠團(tuán)破裂的弛豫等，這些弛豫過程導(dǎo)致了界面膜具有一定的黏性^[5-7]。

表面活性物質(zhì)的鋪展膜（不溶膜）以彈性為主，而吸附膜（可溶膜）由于至少存在表面活性物質(zhì)在體相與界面間的擴(kuò)散交換這一微觀弛豫過程，則表現(xiàn)出黏彈特性。界面擴(kuò)張模量主要由界面膜遭受形變時產(chǎn)生的界面張力梯度大小決定，而界面張力梯度的大小與表面活性物質(zhì)在體相和界面間的交換速度直接相關(guān)，交換速度越快，界面張力梯度越小，模量越小；界面擴(kuò)張黏性則與界面附近即界面上各種微觀弛豫過程的特征時間密切相關(guān)^[5-11]。

本文研究了海上 J 油田的表面活性劑體系、聚合物體系以及聚表二元驅(qū)體系與油相在不同表面活性劑濃度及頻率下的界面擴(kuò)張黏彈性模量的變化規(guī)律。

1 "實驗部分

1.1 "材料和儀器

實驗用油：100# 白油，工業(yè)級，密度是 0.86 g·cm^-3，40 ℃運(yùn)動黏度是100（cSt），中國石化集團(tuán)荊門石油化工總廠。

實驗用藥劑：海上J油田聚合物 P，線性聚合物，平均相對分子質(zhì)量約1 000萬，固含量90.48%，華鼎鴻基石油工程技術(shù)（北京）有限公司；海上J 油田表面活性劑 S，固含量 32%，華鼎鴻基石油工程技術(shù)（北京）有限公司；無機(jī)鹽，固含量100%，國藥集團(tuán)化學(xué)試劑北京有限公司。

實驗用水：礦化度為1 678.83 mg·L^-1的海上J油田模擬地層水。

實驗儀器：Tracker 界面流變儀，法國泰克利斯 （TECLIS）界面技術(shù)有限公司。

1.2 "實驗方法

擴(kuò)張模量包括彈性部分和黏性部分，Gibbs和Boussinesq分別給出了界面彈性和界面黏度的定義^[12-13]：

式中： ε ′ 彈性模量， ε \" 為黏性模量 ，為擴(kuò)張模量的相角擴(kuò)張模量包括彈性部分和粘性部分，其中彈性部分又稱儲能模量，其來源時界面分子因擾動偏離平衡狀態(tài)導(dǎo)致的能量改變，與分子間相互作用密切相關(guān)；粘性部分又稱耗損模量，與表面活性劑分子在界面與體相間的交換、界面分子排布方式的改變等弛豫過程相關(guān)。

使用DSA100界面流變儀或Tracker界面流變儀，通過對懸掛液滴的振蕩，利用滴外形分析方法測定界面擴(kuò)張流變性質(zhì)。實驗頻率為0.02 Hz，溫度控制在27，設(shè)置面積振幅為10%，設(shè)置表面活性劑體系與二元油體系的懸滴體積為2 μL，聚合物體系的懸滴體積為30 μL，面積振幅為10%，油相為100#白油，水相為表面活性劑體系、聚合物體系以及二元油體系，將光源、注射器和攝像機(jī)排成一排，調(diào)節(jié)注射器形成懸滴，從懸滴形成即開始在0.02 Hz工作頻率下測定動態(tài)的擴(kuò)張性質(zhì)；當(dāng)界面膜達(dá)到平衡狀態(tài)時，再進(jìn)行張力弛豫實驗。通過實驗獲得動態(tài)界面擴(kuò)張模量、彈性模量和黏性模量；實驗裝置如圖1所示。

2 "結(jié)果與討論

2.1 "表面活性劑質(zhì)量濃度對界面擴(kuò)張黏彈性的影響研究

采用模擬地層水配制的濃度依次為0、500、750、1 000、1 500、2 000 mg·L^-1的表面活性劑體系和1 200 mg·L^-1的聚合物體系；再依次配制1 200 mg·L^-1聚合物+500 mg·L^-1表面活性劑二元復(fù)合驅(qū)體系、1 200 mg·L^-1聚合物+750 mg·L^-1表面活性劑二元復(fù)合驅(qū)體系、1 200 mg·L^-1聚合物+1 000 mg·L^-1表面活性劑二元復(fù)合驅(qū)體系、1 200 mg·L^-1聚合物+1 500 mg·L^-1表面活性劑二元復(fù)合驅(qū)體系、1 200 mg·L^-1聚合物+2 000 mg·L^-1表面活性劑二元復(fù)合驅(qū)體系；分別測定不同驅(qū)油體系的界面擴(kuò)張黏彈性，測量結(jié)果如表1所示。

由表1、圖2-圖4可知，J油田表面活性劑體系以及二元復(fù)合驅(qū)體系的界面擴(kuò)張模量與彈性模量隨表面活性劑濃度的增加而降低，并且降低逐漸減慢。在表面活性劑濃度超過1 000 mg·L^-1時，隨著表面活性劑濃度的增加，溶液和表面的分子交換也加快了，正因為這種快速交換，在高濃度時，表面張力梯度會立即被擴(kuò)散抵消，擴(kuò)張彈性大大降低。而擴(kuò)張黏性模量當(dāng)表面活性劑濃度超過500 mg·L^-1時，隨表面活性劑濃度的變化則不明顯。

2.2 "頻率對界面黏彈性的影響研究

采用模擬地層水體系配制的1 200 mg·L^-1聚合物體系（P）、2 000 mg·L^-1表面活性劑體系（S）以及1 200 mg·L^-1聚合物+2 000 mg·L^-1表面活性劑二元復(fù)合驅(qū)體系，測定頻率分別為0.02、0.04、0.06、0.08、0.1、0.12、0.14、0.16、0.18、0.2、0.4、0.6、0.8、1 Hz下的界面擴(kuò)張黏彈性。測量結(jié)果如表2-表4所示。

由表2、圖5-圖6可知，隨著頻率的增加，1 200 mg·L^-1J油田聚合物體系（1 200 mg·L^-1"P）的界面擴(kuò)張模量增加，而2 000 mg·L^-1J油田表面活性劑體系（2 000 mg·L^-1 S）與1 200 mg·L^-1J油田聚合物+2 000 mg·L^-1J油田表面活性劑二元復(fù)合驅(qū)體系（1 200 mg·L^-1"P+2 000 mg·L^-1"S）在0.2 Hz頻率內(nèi)增加較快，當(dāng)頻率大于0.2 Hz后，增幅減小。

由表3、圖7-圖8可知，隨著頻率的增加，1 200 mg·L^-1 J油田聚合物體系（P）的界面擴(kuò)張彈性模量增加，而2 000 mg·L^-1 J油田表面活性劑體系（S）與2 000 mg·L^-1 J油田表面活性劑+ 1 200 mg·L^-1"J油田聚合物二元復(fù)合驅(qū)體系（SP）在0.2 Hz頻率內(nèi)增加較快，當(dāng)頻率大于0.2 Hz后，增幅減小。

由表4、圖9-圖10可知，隨著頻率的增加，1 200 mg·L^-1J油田聚合物體系（1 200 mg·L^-1"P）的黏性模量在頻率為0.8 Hz時出現(xiàn)極大值，而2 000 "mg·L^-1 J油田表面活性劑體系（2 000 mg·L^-1"S）的黏性模量在頻率為0.12 Hz時出現(xiàn)極大值，1 200 mg·L^-1 J油田聚合物+2 000 mg·L^-1 J油田表面活性劑二元復(fù)合驅(qū)體系（1 200 mg·L^-1"P+2 000 mg·L^-1"S）在頻率為0.16 Hz出現(xiàn)極大值。

3 "結(jié)論

表面活性劑濃度增加會降低界面膜的強(qiáng)度和黏彈性，其中，表面活性劑濃度在1 000 mg·L^-1以內(nèi)時影響效果更顯著。頻率對J油田復(fù)合驅(qū)油體系與油相界面特性有一定影響，低頻（0.2 Hz）內(nèi)，隨著頻率的增加界面張力降低明顯，界面膜的擴(kuò)張黏彈模量增加明顯。超過0.2 Hz后，J油田驅(qū)油體系與油相界面特性變化不顯著。 復(fù)合驅(qū)體系的界面特性表現(xiàn)出的是表面活性劑的界面特性；且復(fù)合驅(qū)體系與油相形成的界面膜是以彈性為主的黏彈性膜。

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Research on Interface Expansion Viscoelasticity of

Chemical Flooding System in Offshore Oilfield

WANG Dingyang¹"， ， FANG Yueyue¹， ， ZHENG Jinding²，"WANG Jinlin¹， ， KAN Liang¹， "，"AO Wenjun¹， "LI Qi¹

（1. CNOOC EnerTech-Drilling amp; Production CompanyTianjin Branch of CNOOC （China） Limited， Tianjin 300459， China;

2. CNOOC （China） Tianjin Branch，"Tianjin 300459， China）

Abstract："The research on the mechanism of enhanced oil recovery by chemical flooding and composite chemical flooding involves the rheological properties and interfacial properties of the oil recovery system. In the process of reservoir development， interface properties are the basis of displacement mechanisms. In both secondary and tertiary oil recovery， the transition of interface properties towards favorable directions should be the basis. In this article，"selects three representative chemical flooding systems from offshore J oilfield"were selected， and"uses"the hanging drop method was used to study the effects of surfactant mass concentration and oscillation frequency on interfacial expansion viscoelasticity using sinusoidal periodic oscillation. The results showed"that with the increase of frequency， the dilatational viscoelastic modulus of the interfacial facial mask increases increased"significantly in the low frequency （0.2"Hz）. When the frequency exceeds exceeded"0.2"Hz， the characteristics of the oil displacement system and the oil phase interface in J oilfield do did"not change significantly. The increase of surfactant mass concentration will could"reduce the viscoelasticity of the interfacial facial mask. The interfacial facial mask formed between the composite flooding system and the oil phase is was"a viscoelastic film dominated by elasticity.

Key words："Polymer; Surfactants; Polymer binary system; Interface expansion viscoelasticity