三元复合驱油体系的界面扩张性质与乳化性能和界面张力的关系

刘宏生

(大庆油田有限责任公司 勘探开发研究院, 黑龙江 大庆 163712)



三元复合驱油体系的界面扩张性质与乳化性能和界面张力的关系

刘宏生

(大庆油田有限责任公司 勘探开发研究院, 黑龙江 大庆 163712)

为完善三元复合驱油机理，利用界面扩张流变测量方法，研究了NaOH-HABS-HPAM三元体系的界面扩张性质，分析了该三元体系界面扩张性质与乳化、界面张力和驱油效率的相关性。结果表明，NaOH-HABS-HPAM三元体系的界面扩张模量随频率增大而增大，而相角随频率的增大而降低。在高频处，HABS-HPAM二元体系的界面扩张模量最大，三元体系的界面扩张模量低于二元体系的，但高于HABS的。HABS-HPAM二元体系的相角为负值，HABS的相角最大，三元体系的相角低于NaOH-HABS二元体系的，表明三元体系的界面膜弹性最强。NaOH-HABS-HPAM三元体系的乳化时间、乳化率、乳状液稳定性和界面张力平衡时间与界面扩张模量成正比例关系变化，但油-水界面张力、注入压力和驱油效率与界面扩张模量不具相关性。

三元复合驱油体系; 界面扩张模量; 乳化性能; 界面张力; 驱油效率

碱-表面活性剂-聚合物(ASP)三元复合驱是一种可以提高波及效率和驱油效率的三次采油方法，近年来得到了迅速发展，已逐渐成为油田可持续发展的关键技术之一[1]。大庆油田于20世纪90 年代采用ASP三元复合驱油技术开展先导性和扩大性矿场实验，获得了比水驱提高采收率20%的良好效果[1-2]。该体系的界面张力、乳化性能、稳定性、黏度、吸附性、驱油效率等是主要考察指标[2-3]。

随着实验方法及仪器的进步，已可以从界面扩张黏弹性角度研究表面活性剂分子在油-水界面及其附近分子扩散交换、取向变化、相互作用、构型转化、形成聚集形态等，从而可获得表面活性剂分子在界面上的相关信息及其相互作用机理，有助于了解发生在界面膜内和附近的主要弛豫过程，加深对界面膜微观性质的认识，为表面活性剂的泡沫和乳状液性能研究提供理论依据[4-6]。目前，界面扩张黏弹性研究工作主要集中在不同的表面活性剂、破乳剂、原油等体系，并取得了一致认识[4-11]。

ASP三元复合驱油体系界面扩张性质及其相互作用对探讨三元复合驱油体系的乳化和驱油机理有重要意义[4,6]，而关于三元复合驱油体系的界面扩张性质与乳化性能和驱油效率的相关性尚未见报道。笔者测定了大庆油田ASP三元复合驱油体系的界面扩张性质，考察了其与乳化性能、油-水界面张力、驱油效率的相关性。

1 实验部分

1.1 原料及试剂

重烷基苯磺酸盐(HABS)、相对分子质量16M的部分水解聚丙烯酰胺(HPAM)，大庆油田提供；NaOH，分析纯；去离子水，自制；原油，三元复合驱原油；三元复合驱注入污水，Na+含量1337.1 mg/L，(Ca+2+Mg+2)含量43.4 mg/L；人造三层非均质岩心(4.5 cm×4.5 cm×30 cm)，自制。

1.2 实验方法

1.2.1 界面扩张性质测定

采用法国IT-CONCEPT公司Tracker界面流变仪测量界面扩张黏弹性[5]，实验温度45℃。原油作为油相，计算机控制电机通过注射器将油相注入水相中，对电机施加一定频率的正弦扰动，通过计算机软件处理，得到待测液的界面扩张模量。

1.2.2 乳化性能测定

在45℃下，采用IKA公司T18B均化器在2000 r/min下均化油-水体系，测定形成一定体积的乳状液所需时间。将该时间定义为乳化时间，将在2000 r/min下均化2 min油-水体系所产生的乳状液体积占油-水总体积的百分比定义为乳化率[3]，将乳状液体积衰减到一半时所用的时间来评价乳状液稳定性。

1.2.3 界面张力测定

采用美国CN TX500C界面张力仪测量体系的油-水界面张力。实验温度45℃，转速4000 r/min，平衡2 h读取界面张力值。

1.2.4 驱油效率评价

采用江苏华安公司驱油装置进行驱油实验。①在 45℃下将岩心抽真空至-1.0 MPa，饱和水，测量孔隙体积；饱和模拟油，确定含油饱和度，老化12 h以上。②水驱至含水98%以上。③按照要求注入0.57 PV的NaOH-HABS-HPAM三元复合驱，后续水驱至含水98%以上。记录实验过程的注入压力，并计算三元复合驱油效率。NaOH-HABS-HPAM三元复合驱油实验参数如表1所示。

表1 NaOH-HABS-HPAM三元复合驱油实验参数Table 1 The oil displacement experiment parameters of NaOH-HABS-HPAM system

2 结果与讨论

2.1 NaOH-HABS-HPAM三元体系的界面扩张性质

NaOH-HABS-HPA三元体系的界面扩张性质示于图1。不同体系中HABS质量浓度均为100 mg/L，HPAM质量浓度均为100 mg/L，NaOH的质量浓度均为100 mg/L。由图1可知，4种不同体系的界面扩张模量随频率增大而增大，而相角随频率的增大而降低，且均小于45°，界面膜主要表现为弹性。Van Den Tempel-Lucassen模型[7]说明，随着频率增大，给予被扰动界面吸附膜的扩散交换和分子排布等驰豫过程恢复平衡的时间缩短，因此，界面扩张模量就增大；由于扩散交换和分子排布等驰豫过程作用的时间较短，界面扩张黏性部分所占的比例较小，因此，相角逐渐降低。

图1 NaOH-HABS-HPAM三元体系的界面扩张模量及相角Fig.1 Interfacial dilational modulus and phase angle of NaOH-HABS-HPAM system

由图1还可知，在高频处，HABS-HPAM二元体系的界面扩张模量最大，NaOH-HABS二元体系的界面扩张模量较低，NaOH-HABS-HPAM三元体系的界面扩张模量低于二元体系的，但明显高于HABS一元体系的界面扩张模量。HABS-HPAM二元体系的相角为负值，HABS一元体系的相角最大，NaOH-HABS-HPAM三元体系的相角低于NaOH-HABS二元体系的，表明NaOH-HABS-HPAM三元体系的界面膜弹性最强。

在油-水界面上，HABS-HPAM二元体系中的HPAM分子的疏水链通过疏水相互作用与HABS分子形成混合吸附膜，使得界面上的分子间的作用力明显增强；且HPAM与HABS分子间具有较强的范德华力，不易与体相中HABS分子发生交换作用，同样界面上HPAM分子也不易与体相中的分子发生交换作用[10]，因此，HABS-HPAM二元体系的界面扩张模量最大，且会出现负相角[11-12]。

NaOH-HABS二元体系中的NaOH可以与原油中的环烷酸、脂肪酸、沥青酸和酯类等物质发生反应，生成结构复杂的大分子皂类表面活性剂，与HABS具有较强的协同效应；油-水界面上排列的HABS与皂类分子的疏水基团相互残绕，使分子间的作用力增强，亲油作用增强，导致界面扩张弹性明显增强。但NaOH-HABS二元体系的界面扩张模量略低于HABS-HPAM二元体系的。

NaOH-HABS-HPAM三元体系中的HABS、HPAM以及NaOH所生成的皂类分子排列在油-水界面上，这些分子结构差别较大，界面排列不规则，且存在的碱使HPAM分子趋向于线团状，分子间作用力降低。这些因素共同导致分子间相互作用力低于二元体系的，因此，三元体系的界面扩张模量低于HPAM或NaOH-HABS二元体系的。

2.2 NaOH-HABS-HPAM三元体系界面扩张性质与乳化性能的相关性

由表1可知，NaOH-HABS-HPAM三元体系的界面扩张模量随HABS浓度增加出现极大值后降低，随NaOH浓度降低而降低，随HPAM浓度增加而降低。三元体系的界面扩张模量与乳化性能的相关性如图2所示。由图2可知，三元体系的乳化时间、乳化率和乳状液稳定性随界面扩张模量增加而增加，但在界面扩张模量为6.87 mN/m时，三元体系的乳化时间、乳化率和乳状液稳定性与界面扩张模量关系表现异常。这是由于此时HABS质量浓度仅为40 mg/L，三元体系与原油形成了W/O型乳状液，而当HABS质量浓度增加，三元体系与原油形成了O/W型乳状液。两种不同乳状液的性能差异导致界面扩张模量与乳化性能关系的异常[3]。

图2 NaOH-HABS-HPAM三元体系的界面扩张 模量与乳化性能的关系Fig.2 The dilational modulus vs emulsifying properties of NaOH-HABS-HPAM system

乳化时间是在同一剪切条件下，三元体系在油水界面膜形成快慢的宏观表现。而界面扩张模量是反映三元体系在界面面积变化和改变速度对界面性质的影响，是界面膜黏弹性的动态宏观性质。三元体系的界面扩张模量越大，即乳状液膜的黏弹性越强，形成乳状液需要的外加能量越大，因此在相同剪切条件下，所需时间增加，即乳化时间与界面扩张模量成正比例关系变化。三元体系的界面扩张模量增加，其与原油形成的乳状液膜黏弹性增强，乳状液抵抗外部扰动的能力及乳状液的稳定增强，使乳状液不易再聚集，导致乳化率和乳状液稳定性与界面扩张模量成正比关系变化。

2.3 NaOH-HABS-HPAM三元体系界面扩张性质与界面张力平衡时间的相关性

NaOH-HABS-HPAM三元体系的界面扩张模量与油-水界面张力的相关性如图3所示。由图3可知，油-水界面张力平衡时间随三元体系的界面扩张模量的增加而增加，即三元体系的界面扩张性质越好，油-水界面张力平衡时间越长；三元体系的油-水界面张力的最高值对应界面扩张模量的最低值，但随着界面扩张模量的增加，界面张力出现了不规则变化，这表明界面扩张模量与油-水界面张力相关性不好。

图3 NaOH-HABS-HPAM三元体系的界面扩张模量与 油-水界面张力的关系Fig.3 The dilational modulus vs interfacial tension of NaOH-HABS-HPAM system

油-水界面张力平衡时间反映了三元体系分子在油-水界面形成连续稳定界面膜的时间。采用旋转滴法测量油-水界面张力时，界面张力在达到平衡前，油滴在高速旋转时被逐渐横向拉伸，油-水界面膜面积随着增加。油-水界面张力平衡过程是界面膜逐渐扩大的动态过程；界面膜黏弹性越强，油-水界面张力平衡过程需要的时间越长，因此，界面张力平衡时间与界面扩张模量成正比例关系。油-水界面张力是三元体系中的分子在油-水界面排列的空间分布结构、紧密程度、亲油-亲水性能及界面膜黏弹性的综合表现，是界面张力平衡后的静态参数值。界面膜的黏弹性只是影响油-水界面张力的其中一个动态变化的因素。因此，油-水界面张力与界面扩张模量不具相关性。

2.4 NaOH-HABS-HPAM三元体系界面扩张性质与驱油效率的相关性

NaOH-HABS-HPAM三元体系的界面扩张模量与注入压力和驱油效率的相关性如图4所示。由图4可知，三元体系的岩心驱油实验的注入压力和驱油效率随界面扩张模量的增加呈现无规则变化，这表明三元体系的界面扩张模量与注入压力和驱油效率相关性不好。注入压力是驱油体系对岩心孔隙结构封堵能力的宏观表现。在岩心孔隙结构相似的情况下，三元体系的黏度、乳化性能、油-水界面膜黏弹性、抗稀释和吸附性能等影响其注入压力；界面膜黏弹性越大，有利于提高三元体系的注入压力，但不能决定其注入压力的高低，因此，界面扩张模量与注入压力不具相关性。驱油效率是驱油体系封堵能力和洗油效率的综合反映。三元体系的油-水界面张力、界面膜黏弹性、抗稀释和吸附性能等决定了洗油效率的好坏，同时结合封堵能力的影响因素，可以得出油-水界面膜黏弹性是影响三元体系的驱油效率的一个重要而有利的因素，界面扩张模量的大小不能单独决定驱油效率的高低，因此，界面扩张模量与驱油效率相关性不好。

图4 NaOH-HABS-HPAM三元体系的界面扩张模量与 注入压力和驱油效率的关系Fig.4 The dilational modulus vs injection pressure and enhancement of oil recovery of NaOH-HABS-HPAM system

3 结 论

(1)NaOH-HABS-HPAM三元体系的界面扩张模量随频率增大而增大，但相角降低；在高频处，其界面扩张模量低于HABS-HPAM二元体系的，但高于HABS一元体系的。NaOH-HABS-HPAM三元体系的相角低于NaOH-HABS二元体系的，HABS-HPAM二元体系的相角为负值。

(2)NaOH-HABS-HPAM三元体系的界面扩张模量与乳化时间、乳化率和乳状液稳定性以及油-水界面张力平衡时间成正比。其余参数未见与界面扩张模量相关。

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The Correlation of Interfacial Dilational Properties With Emulsion andInterfacial Tension Properties of ASP Flooding System

LIU Hongsheng

(ExplorationandDevelopmentResearchInstituteofDaqingOilFieldCompanyLtd.,Daqing163712,China)

In order to perfect the mechanism of alkaline-surfactant-polymer (ASP) flooding, the dilational properties of NaOH-HABS-HPAM system were studied by interfacial dilational rheology method. The relationship between interfacial dilational properties and emulsions, interfacial tension and oil displacement efficiency of NaOH-HABS-HPAM system were analyzed. The results showed that interfacial dilational modulus of the ASP system increased and its phase angle decreased with the increase of frequency. At high frequency, the interfacial dilational modulus of HABS-HPAM system was larger than that of NaOH-HABS-HPAM system, while which was higher than that of HABS. For the phase angle, HABS-HPAM system has a negative value, HABS has the largest value, while NaOH-HABS-HPAM system has the value lower than NaOH-HABS system, indicating that the elasticity of interface NaOH-HABS-HPAM system was better than other systems. The interface dilational modulus has direct proportion relationship with emulsification time, emulsification rate and emulsion stability, interfacial tension balance time of NaOH-HABS-HPAM, but there is no relevance between the interface dilational modulus and interfacial tension, injection pressure and enhancement of oil recovery.

alkaline-surfactant-polymer flooding system; interfacial dilational modulus; emulsions properties; interfacial tension; enhancement of oil recovery

2016-04-14

国家科技部重大专项(2011ZX05010-005)资助

刘宏生，男，高级工程师，硕士，从事化学驱机理研究；Tel：0459-5508215；E-mail：liuhs9902@163.com

1001-8719(2017)01-0177-05

TE353

A

10.3969/j.issn.1001-8719.2017.01.025