表面活性剂作用后的固体润湿性

孙 琳，蒲万芬，吴雅丽，辛 军

(1.西南石油大学石油工程学院，四川成都 610500;2.中海油能源发展采油技术服务公司，天津 300452; 3.中石油川庆钻探公司地质勘探开发研究院，四川成都 610051)

表面活性剂作用后的固体润湿性

孙 琳1，蒲万芬1，吴雅丽2，辛 军3

(1.西南石油大学石油工程学院，四川成都 610500;2.中海油能源发展采油技术服务公司，天津 300452; 3.中石油川庆钻探公司地质勘探开发研究院，四川成都 610051)

通过考察经石油磺酸盐(PS)浸泡后的载玻片与油、水的接触角以及经石油磺酸盐浸泡后的云母片的表面形貌，研究表面活性剂作用后的固体润湿性。结果表明:对于亲水固体，经低质量浓度的石油磺酸盐作用后，其上因石油磺酸盐单分子层吸附而发生润湿性反转，而经高质量浓度的石油磺酸盐作用后，其上因石油磺酸盐双分子层吸附而保持水湿性，同时其润湿性达到稳定的时间随石油磺酸盐温度的升高而缩短;对于亲油固体，经低温高质量浓度的石油磺酸盐作用后，其润湿性难以改善，而经高温低质量浓度的石油磺酸盐作用后，其润湿性易因油湿性物质脱附而反转，但若此后该溶液继续作用，石油磺酸盐则会在新固体表面发生单层吸附，令其再次亲油;要高效利用表面活性剂改善润湿性，需要综合考虑表面活性剂浓度、温度以及作用时间的影响。

表面活性剂;润湿性反转;吸附;脱附;表面形貌

润湿性是影响驱油效率的关键因素［1-6］，利用表面活性剂将亲油油藏转变为(偏)亲水油藏可以提高采收率［7-9］。润湿性的测定方法［10-12］以接触角法最为简单直观。接触角法一般是测量固体-油-表面活性剂溶液的三相接触角［13-14］。由于以改善润湿性为目的的表面活性剂通常以小剂量段塞注入，所以考察后续水驱时的润湿性具有重要意义。笔者以载玻片、云母于表面活性剂溶液中浸泡模拟砂岩与表面活性剂的接触，通过测量浸泡后的固体与油、水的接触角，并结合固体表面的原子力显微镜形貌扫描，研究固体经表面活性剂作用后的润湿性。

1实验

1.1 实验材料和仪器

实验材料有石油磺酸盐(PS)、高30原油与煤油混合而成的模拟油(黏度为490.5 mPa·s)、模拟盐水(矿化度为11.438 g/L，其中Na++K+质量浓度为4.008 g/L，Ca2++Mg2+质量浓度为0.063 g/L)、载玻片、云母、HCl、二甲基硅油。

实验仪器包括 DSA100光学接触角测量仪、Multimode Nanoscope IIIa原子力显微镜、恒温箱、西林瓶。

1.2 实验方法

1.2.1 接触角测定方法

(1)将载玻片或用HCl处理为亲水，或用二甲基硅油处理为亲油。

(2)将亲水/亲油载玻片浸泡于PS溶液中，并于一定温度下放置。

(3)将与PS作用不同时间的载玻片取出，并用DSA100在25℃下测定载玻片-模拟油-模拟水的三相接触角。

1.2.2 表面形貌测定方法

(1)将新鲜剥离或用二甲基硅油处理后的云母片浸入PS溶液中，并于一定温度下放置20 h。

(2)取出云母片并用高纯氮气吹干，然后使用Multimode Nanoscope IIIa在轻敲模式下进行扫描(共振频率为300 kHz，力常数为35 N/m)。

2 实验结果分析

2.1 不同质量浓度表面活性剂作用后的润湿性

表1为载玻片在114℃条件下经不同质量浓度PS溶液浸泡后与模拟油、模拟水间的接触角。由表1可知，亲水载玻片的润湿性在PS溶液作用46 h后均达到稳定。但当PS质量浓度为0.1 g/L时，PS分子在亲水载玻片上以疏水基朝外的方式单层吸附，且吸附量随浸泡时间的延长逐渐增加，导致润湿性发生反转。而当PS质量浓度达到0.5 g/L后，PS分子在浸泡过程中由单层吸附向双层吸附转变，使得载玻片的水湿性先减弱后增强。

亲油载玻片在PS溶液中浸泡5 h后，润湿性均发生了反转，并在随后的浸泡过程中经历了与亲水载玻片相似的润湿性变化:在低质量浓度PS溶液中浸泡的载玻片再次亲油，而在高质量浓度PS溶液中浸泡的载玻片保持亲水。可见，PS分子不是通过疏水基吸附在亲油载玻片来改善其润湿性(否则各接触角会随浸泡时间的延长而减小)，而是通过先将硅油分子从载玻片上拉拽下来，接着自身在载玻片上发生吸附来实现对其润湿性的改变。

表1 不同质量浓度PS溶液作用后载玻片－油－水的接触角Table 1 Contact angle of glass slide-oil-water after different concentration PSacting

2.2 不同温度表面活性剂作用后的润湿性

表2为载玻片经不同温度下的2 g/LPS溶液浸泡后与模拟油、模拟水间的接触角。表2表明，亲水载玻片的最终润湿性受PS温度的影响不大，但温度升高，PS分子的热运动加剧，在载玻片上的吸附速率加快，润湿性容易达到稳定。而亲油载玻片的润湿性则受到PS温度的显著影响，PS温度越高，亲油载玻片越易向水湿转变。其原因在于:低温下硅油分子与载玻片间的氢键作用强烈，而PS活性较弱，难以使两者分离;高温下硅油分子与载玻片间的氢键作用减弱，而PS活性增强，能够通过胶束对硅油分子的增溶作用使其从载玻片上脱附，从而恢复载玻片的亲水本性。

表2 不同温度下PS溶液作用后载玻片－油－水的接触角Table 2 Contact angle of glass slide-oil-water after different temperature PSacting

2.3 表面形貌的印证

使用原子力显微镜直接观察固体的表面形貌，可以从分子水平对表面活性剂作用后的润湿性进行更为深刻的认识［15-16］。图1为新鲜剥离的云母片在114℃PS溶液中浸泡20 h后的表面形貌(10 μm ×10 μm)。从图1看出:当质量浓度为0.1 g/L时，PS在亲水云母片上呈不规则针状吸附，高度为2～3 nm，呈单分子特征;当质量浓度为2 g/L时，PS在亲水云母片上的吸附密度明显增大，且立体结构呈半径为150～200 nm、高度为16～18 nm的圆锥状，表现出双层吸附的特征。

图1 亲水云母经114℃PS溶液浸泡后的表面形貌Fig.1 Surface topography of hydrophilic mica after 114℃PSsolution soaking

图2 亲油云母经2 g/LPS溶液浸泡后的表面形貌Fig.2 Surface topography of hydrophobic mica after 2 g/LPSsolution soaking

图2为不同温度条件下亲油云母片在2 g/LPS溶液中浸泡20 h后的表面形貌。由图2可知:当PS温度为25℃时，云母片上存在大量高度在5～9 nm之间形状各一的吸附物，以及另一种密集程度较小、高度在21～30 nm之间的圆锥状吸附物，前者为处理云母片时不均匀吸附的硅油分子，后者为以双层吸附的PS分子;当PS温度为114℃时，云母片上的吸附物急剧减少，仅可观察到高度约24 nm的圆锥状吸附物，即硅油分子已从云母片上完全脱落。可见，固体的表面形貌与接触角的测量结果存在良好的一致性。

3 结论

(1)表面活性剂与固体间需存在足够的作用时间才能使固体的润湿性达到稳定，而作用时间的长短以及最终的润湿性与表面活性剂的质量浓度、温度密切相关。

(2)经表面活性剂作用后，亲水固体的润湿性取决于其上表面活性剂分子的吸附模式和吸附数量，而亲油固体(因油湿性物质吸附而亲油)的润湿性先取决于其上油湿性物质的脱附，然后取决于其上表面活性剂分子的吸附。

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Solid wettability after surfactant acting

SUNLin1，PU Wan-fen1，WU Ya-li2，XINJun3

(1.School of Petroleum Engineering in Southwest Petroleum University，Chengdu610500，China; 2.CNOOCEnergy Development Oil Technical Services Company，Tianjin300452，China; 3.Geological Exploration and Development Research Institute，CNPCChuanqing Drilling Engineering Company，Chengdu610051，China)

By measuring the contact angle of oil/water/glass slide that has been soaked in petroleum sulfonate(PS)，as well as examining the surface topography of mica which also has been soaked by petroleum sulfonate，the solid wettability after surfactant acting was researched.The results show that，for hydrophilic solid，after being soaked in low concentration PSsolution，its wettability alternates due to the adsorption of PSmonomolecule layer on its surface.However，after being soaked in high concentration PSsolution，its wettability keeps water-wet due to the adsorption of PSbilayer on its surface.Meanwhile，the time for hydrophilic solid reaching stable wettability shortens with elevated PStemperature.For hydrophobic solid，after being soaked in low temperature high concentration PSsolution，its wettability rarely improves.However，after being soaked in high temperature low concentration PSsolution，its wettability improves easily due to the desorption of oil-wet materials from its surface.But if the solid is soaked any more，its wettability will alternate again due to the adsorption of PSmonomolecule layer on the new solid surface.Consequently，it demands comprehensive consideration about the surfactant concentration，temperature and action time to effectively use surfactant improving wettability.

surfactant;wettability alteration;adsorption;desorption;surface topography

TE 357

A

10.3969/j.issn.1673-5005.2012.01.029

1673-5005(2012)01-0162-03

2011-09-23

国家科技重大专项课题(2008ZX05049-005-007HZ)

孙琳(1982-)，女(汉族)，四川南充人，讲师，博士，研究方向为提高采收率原理与技术。

(编辑 刘为清)