最佳中相微乳液驱油体系研究

周冰灵，杨　俭，张　静，李新发，杨　震

（1.东北石油大学提高采收率教育部重点实验室，黑龙江大庆163318；2.中石油煤层气有限责任公司临汾分公司，山西临汾042200；3.中石油玉门油田公司，甘肃酒泉735019）



最佳中相微乳液驱油体系研究

周冰灵1，杨俭2，张静3，李新发3，杨震3

（1.东北石油大学提高采收率教育部重点实验室，黑龙江大庆163318；2.中石油煤层气有限责任公司临汾分公司，山西临汾042200；3.中石油玉门油田公司，甘肃酒泉735019）

摘要：微乳液驱油是提高油藏采收率的有效方法，关键因素在于微乳液可以使原油驱替液的界面张力降低到10(-3)～10(-4)mN·m(-1)的超低水平，并使原油在盐水中的增溶量达到最大值。采用拟三元相图法，筛选出了SDS表面活性剂、正丁醇、Km=1.5，其增溶性较好，试剂消耗量最少；应用正交实验获得了制备最佳中相微乳液驱油体系配方，并分别对SDS浓度、正丁醇浓度和Na2CO3浓度进行了扫描，得到的体积相图和增溶参数图，得出：Vo=Vw，SPo=SPw，体系达到了最佳中相。该体系可作为“三采”中的驱油剂，用于提高油藏采收率。

关键词：微乳液；采收率；增溶性；界面张力

微乳液驱油是以微乳液作为驱油剂的驱油法[ 1-3 ]，提高原油采收率所用的微乳液由表面活性剂、低碳醇、盐水及油相（或不含油）组成，注液量一般为岩层孔体积的3%～20%。注入微乳液后，油藏中残留在岩石孔隙中的原油界面张力急剧降低至10-3～10-4mN·m-1数量级，从而使油滴容易变形流动，随后联合聚并形成油墙而被采出。因此，微乳液驱油是一种很有发展前途的三次采油技术。当中相微乳液和油水的界面张力σmo=σmw时，体系界面张力σc达到最小，对应于油水增溶参数SPo=SPw，体系增溶参数Sp也最大[4，5]。微乳液驱油的机理很复杂，但关键因素还在于微乳液可以使原油驱替液的界面张力降低到10-3～10-4mN·m-1的超低水平，并使原油在盐水中的增溶量达到最大值[6]。开展最佳中相微乳液驱油体系研究，主要目的是筛选形成微乳液需要表面活性剂量少且增溶量较大的微乳液组分，并且确定其最佳中相微乳液配方，为微乳液驱油研究提供理论基础。

1　实验部分

1.1试剂与仪器

油相（煤油）；地层水（矿化度为3700mg·L-1）；Na2CO3；正丙醇、正丁醇、正戊醇；十二烷基硫酸钠（SDS）、十二烷基磺酸钠（AS）、甜菜碱。

恒温箱；ALC-210.4电子天平；EMS-3A型加热定时磁力搅拌器；25mL具塞比色管若干；碱式滴定管等。

1.2微乳液组分筛选

采用水滴定法，优选微乳液体系组分。选用表面活性剂分别为SDS、AS、甜菜碱，改变表面活性剂和油相的比例，利用磁力搅拌器充分混合后，使用碱式滴定管逐滴滴加地层水，滴定至溶液刚好浑浊，分别记录各自滴加水体积，利用Origin8.0绘制拟三元相图。

同样方法，选用醇分别为正丙醇、正丁醇、正戊醇，km值（助表面活性剂与表面活性剂质量比）分别为1、1.5、2、3、4，绘制拟三相相图，即可优选出微乳液最佳组分。

1.3最佳中相微乳液体系确定

1.3.1正交实验设计体系包括5种组分：煤油、地层水、SDS、正丁醇、Na2CO3。固定油水体积比为1∶1，调节SDS、正丁醇和Na2CO3三因素的浓度水平，记录微乳液相和剩余油水相体积，分析正交实验结果，从而优选出最佳中相微乳液体系配方。

1.3.2 Winsor相图和增溶参数图的绘制固定油水体积比为1∶1，取规定量正丁醇和Na2CO3，表面活性剂为一系列不同浓度的SDS溶液。利用磁力搅拌器充分混合后，在45℃恒温箱中静置10h，到各相达到相平衡，记录各相体积，绘制相体积表活剂浓度图。同样方法，在其他组分不变条件下，绘制相体积盐度图和相体积醇浓度图。

为便于研究，定义增溶参数为单位质量表面活性剂所增溶的油/水体积：

式中SPW：增溶的水和油的量，g·mL-1；VW、VO：增溶的水和油的体积，mL；ms：表面活性剂质量。

2　结果与分析

2.1组分筛选实验

为了获得好的微乳液驱油体系，以便延长体系的混相驱替过程，要求形成微乳液需要最小的表面活性剂用量，同时增溶能力也很好，即将拟三元相图的双结点曲线位置压低。因此，利用拟三元相图进行优化选择表活剂类型、助表面活性剂和助/表面活性剂的质量比。实验结果见图1～3。

图1　表面活性剂种类对微乳液的影响Fig.1　Effect of types of surfactant on microemulsion

图2　醇种类对微乳液的影响Fig.2　Effect of types of alcohol on microemulsion

图3　Km对微乳液的影响Fig.3　Effect of Kmon microemulsion

由图1～3可知，选择SDS、正丁醇和Km为1.5时，拟三元相图的双结点曲线都较低，从而确定了微乳液组分。

2.2最佳中相微乳液驱油体系的确定

2.2.1正交实验结果分析在筛选出表面活性剂、醇和Km值的基础上，设计了正交实验，以微乳液体系中剩余油相和剩余水相体积差|Vo-Vw|=△V为评判指标，△V越小，体系越接近最佳中相微乳液体系。

表1　正交实验结果Tab.1　Experimental results of the orthogonal test

从表1中可知，以△V为评判指标，影响因素从主到次依次为正丁醇浓度、SDS浓度、Na2CO3浓度，最佳中相的最佳条件是CSDS=4%、C正丁醇=7%、CNa2CO3=3%。

2.2.2体系组成对相态和增溶参数的影响45℃条件下，在SDS/正丁醇/Na2CO3/煤油/地层水体系中，固定油水体积比为1∶1，分别改变SDS、正丁醇和Na2CO3的浓度，得到相态图和增溶参数图。

图4　SDS浓度对微乳液的影响Fig.4　Effect of SDS on microemulsion

在表面活性剂浓度低于临界胶束浓度时，活性剂主要浓集在油水界面上，用来降低界面张力。随表面活性剂浓度增加，开始在水中形成胶束，会使一部分油增溶到非极性的胶束核心中。

图5　正丁醇浓度对微乳液的影响Fig.5　Effect of n-butanol on microemulsion

从图5a、b可以看出，在SDS浓度高于0.4%时，随微乳液聚集数增加，SPw和SPo都开始快速增加。当浓度达到3%时，SPw=SPo，△V=0，达到最佳中相。

微乳液形成过程中，醇一部分参与形成界面复合膜，一部分在油相和水相中使得两相性质得到改善。从图5a、b可以看出，正丁醇浓度达到6%时，开始形成中相微乳液。这是由于随正丁醇浓度的增加，复合膜电荷密度下降，液滴间易于接近和聚结，使得复合膜的强度增加，SPo增加，微乳液富集相从下相中分离出来形成了中相。当浓度大于7.8%时，正丁醇和SDS开始大量进入油相中，中相微乳液被破坏，形成上相微乳液。SPw=SPo的交点处的最佳醇浓度和正交实验的分析结果基本一致。

图6　Na2CO3浓度对微乳液的影响Fig.6　Effect of Na2CO3on microemulsion

由图6a可知，在Na2CO3浓度低于1.7%时，微乳液为下相。随浓度增加，微乳液聚集数增大，对油的增溶能力增大，液滴间的斥力降低，更有利于微乳液液滴聚集，使得微乳液富集相从下相中分离出来，形成了中相微乳液。当浓度高于3%时，微乳液中表面活性剂析出进入油相的量增加，由中相微乳液变成了上相。图6b表示，油水相的增溶参数在中相区相交，交点处有SPw=SPo=SP*，△V=0，对应的最佳盐度为3%，与正交实验分析结果相一致。

3　结论

（1）以形成微乳液需要最小表面活性剂和最大增溶量为目标，通过绘制拟三元相图获得了最优微乳液组分：十二烷基硫酸钠（SDS）、正丁醇、Km=1.5；

（2）以微乳液体系中剩余油相和剩余水相体积差|Vo-Vw|=△V为评判指标，采用正交实验获得了最佳微乳液体系配方为：CSDS=4%、C正丁醇=7%、CNa2CO3=3%；

（3）采用Winsor相图法，分别对SDS、正丁醇和Na2CO3浓度扫描，随SDS浓度增加，中相体积越来越大，最后形成单相；随正丁醇和Na2CO3浓度增加，微乳液经历下相、中相和上相转变，增溶参数SPw和SPo在最佳醇/盐浓度相交；扫描得到的最佳SDS、正丁醇和Na2CO3浓度和正交实验优选的最佳浓度相一致。

参考文献

［1］王军,杨许召.微乳液的制备及其应用［M］.北京:中国纺织出版社, 2011.12.

［2］李干佐,郭荣.微乳液理论及其应用［M］.北京:石油工业出版社, 1995.10.

［3］陈咏梅,王涵惹,俞稼铺.石油磺酸盐体系中相微乳液研究［J］.物理化学学报, 2000, 16（8）: 724-728.

［4］Rong Guo, Xun Wei, Tianqing Liu, Investigations of Capacitance for SodiumDodecyl Sulfate/Benzyl alcohol/H2OMicroemulsion, Colloids and Surfaces A, 2006, 277：59-62.

［5］Tianqing Liu, Jianxin Xu, Rong Guo, Determination of the Electrochemical Diffusion Coefficient of Methylene Blue in SDS/n-C5H11OH/H2O Systemby Non-probe Microelectrode Voltammetry, Colloid Polym. Sci., 2006, 284：788-794.

［6］郝京诚,汪汉卿,鲁润华.微乳液相行为和微观结构的研究［J］.中国科学（B辑）, 1997, 27（2）: 131-132.

Research on middle phase microemulsion system for flooding

ZHOU Bing-ling1，YANG Jian2，ZHANG Jing3，LI Xin-fa3，YANG Zhen3
（1.MOE Key Laboratory of EOR Technology of Northeast Petroleum University, Daqing 163318, China；2.Linfen Branch, Coal Bed Gas Company limited, PetroChina, Linfen 042200，China；3.PetroChina Yumen Oilfield, Jiuquan 735019, China）

Abstract：Microemulsion flooding is an effective approach to improve reservoir recovery, and the key factor lies that microemulsion can lower the interfacial tension of crude oil and displacing fluid to 10(-3)～10(-4)mN·m(-1), and make the maximum solubilization of crude oil in the salt water. Using the pseudo ternary phase diagram method to Select the surfactant SDS, n-butyl alcohol, Km=1.5, its good solubility, reagent consumption minimum; Using orthogonal experiment, we obtain the preparation of middle phase microemulsion formula of oil displacement system. Scanning respectively SDS concentration, concentration of n-butyl alcohol and Na2CO3, we get the volume of the phase diagram and dissolve parameters figure. It can be seen: Vo=Vw, SPo=SPw, and achieved the best phase system. The system can be used as oil displacement agent, used to improve reservoir recovery efficiency.

Key words：microemulsion；oil recovery；solubilization；interfacial tension

作者简介：周冰灵（1989-），男，硕士，主要从事油藏工程的提高采收率方面的研究。

收稿日期：2015-00-00

DOI：10.16247/j.cnki.23-1171/tq. 20160356

中图分类号：TE357

文献标识码：A