复合驱油体系质量检测评价新方法探讨

崔长玉

■质量

复合驱油体系质量检测评价新方法探讨

崔长玉

中国石油大庆油田有限责任公司勘探开发研究院（黑龙江大庆163712）

界面流变是描述油水界面膜性质的重要参数，其通过改变油滴在油藏中的启动和聚并，最终影响三元复合体系的驱油效率。通过探讨三元复合驱油体系的界面流变性质量检测评价方法，并分别考察了聚合物、碱、表面活性剂对复合体系的界面流变性的影响。指出烷基苯磺酸盐的表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。烷基苯磺酸盐的表面扩张模量随浓度增大出现极大值，而后逐渐降低；相角随浓度增大出现极小值，而后逐渐增大。为使三元复合体系性能评价更加全面、准确，建议选用表面扩张模量和相角2个参数作为评价三元复合体系的界面流变性能指标。实验工作频率选0.1～0.2Hz作为质量检测技术指标；表面扩张相角小于45°。

三元复合驱油体系；质量检测；新方法；界面流变性；表面扩张性质

表面活性剂、碱、聚合物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，该项技术已逐渐成为油田可持续发展的关键技术之一[1-3]。目前国内三元复合驱的主要考察指标包括：界面张力、黏度、稳定性、吸附性能、pH值、乳化性能、驱油效率等，很少有测量其界面流变性的，而国外对界面流变的研究比较多[4-6]。界面流变在三次采油中发挥着非常重要的作用，但一直得不到应有的重视。流体在油层中渗流时，界面现象起着控制作用。其中，界面张力和界面流变关系密切，对残余油滴的启动和运移往往起着相反的作用。Slattery J.C.详细研究了界面流变对毛管驱替的影响，发现界面流变能极大地降低界面驱替速度。界面在不规则的毛管中运移并不是均匀推进的，而是以跳跃的形式向前移动[4]。因此，界面流变是描述油水界面膜性质的重要参数，其通过改变油滴在油藏中的启动和聚并，最终影响三元复合体系的驱油效率。笔者研究了三元复合体系的表面扩张黏弹性量检测评价方法，并分别考察了聚合物、碱、表面活性剂对复合体系的表面扩张黏弹性的影响，为三元复合体系性能评价方法提供了新的质量检测评价指标，使复合体系性能评价更加全面、准确。

1 实验部分

1.1实验药品及仪器

烷基苯磺酸盐（HABS大庆东昊公司生产）、部分水解聚丙烯酰胺（HPAM大庆炼化公司生产、相对分子质量为1 600万）、氢氧化钠（分析纯）、去离子水（实验室自制）、污水（大庆三元复合试验区注入污水）、原油（大庆复合试验区脱水原油）、界面流变仪Tracker（法国IT-CONCEPT公司生产）。

1.2测量方法

表面活性剂溶液的起泡、乳化或破乳等有关界面的动态过程，不能仅用表面张力和吸附等平衡状态参数描述。在上述过程中，比平衡值更为重要的是界面对扰动其平衡的反应及趋向平衡的过程。因此，研究表面活性剂在非平衡情况下的界面性质更为重要。扩张流变性是界面重要的动态性质，它的微观基础是发生在界面及其附近的微观弛豫过程，研究扩张流变性可以了解表面活性剂在界面的微观动态行为，而且对洗涤、萃取、抽提等过程也有重要意义。

目前根据界面的获得和面积改变方法的不同，界面扩张流变性的测量可分为朗缪尔槽法和液滴（气泡）扩张法两大类。

朗缪尔槽法：由电机控制置于朗缪尔槽中的一对滑障做相向运动，使界面面积产生规律性变化。界面张力的变化采用Wilhelmy吊片法测量。

液滴（气泡）扩张法：是通过对悬挂气泡与液滴的振荡，利用滴外形分析方法测定表面与界面扩张流变性质。

朗缪尔槽法适合分析平展界面的动态特征，而液滴（气泡）扩张法的气泡或液滴界面是完全新生成的，而后者则更接近于乳状液或气泡的实际情况，因此更适合于分析乳状液或泡沫界面的动态特征。且它具有朗缪尔槽法另一个不可比拟的优势：可以同时测量动态界面张力和动态扩张性质。二者的基本原理相同，对于一般体系，在相同条件下，测量结果是相近的。选用气泡扩张和振荡法测量发泡剂表面扩张流变性。

气泡扩张和振荡界面流变仪示意图如图1，实验测量温度为45℃。样品池装入6mL待测液，注射器中吸入空气，然后预热20min。计算机控制电机通过注射器将空气注入待测液中形成气泡，气泡平衡5min后，使电机以一定频率的正弦扰动，拍摄油滴面积的瞬间变化和界面张力变化，可以得到待测液的表面扩张黏弹性[7]。

图1 界面流变仪(Tracker法)示意图

2 结果与讨论

2.1烷基苯磺酸盐的表面扩张性质

表面活性剂分子在气液界面形成单层膜，当界面发生扰动时，界面上和界面附近存在多种驰豫过程[8]，这些驰豫过程需要有一定的时间才能发生。因此，工作频率是影响界面扩张性质的重要因素之一。图2给出烷基苯磺酸盐的表面扩张模量及相角随工作频率的关系。由图2可知，烷基苯磺酸盐的表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。T-L模型说明[9]，当工作频率增大，留给被扰动表面膜上的分子的扩散交换和分子排布等驰豫过程恢复平衡的时间越短，因此，表面扩张模量就越大；由于扩散交换和分子排布等驰豫过程作用的时间较短，表面扩张黏性部分所占的比例较小，因此，相角逐渐降低。

图2 烷基苯磺酸盐的表面扩张性能

烷基苯磺酸盐的表面扩张模量随浓度增大出现极大值，而后逐渐降低；相角随浓度增大出现极小值，而后逐渐增大。同样T-L模型说明，在烷基苯磺酸盐浓度较低时，体相浓度的增加主要体现为对其界面吸附量的影响，因此，烷基苯磺酸盐的表面扩张模量随浓度增大而增大；而随着烷基苯磺酸盐浓度进一步增大，从体相向新生界面扩散补充烷基苯磺酸盐分子的作用占主导地位，表面扩张模量开始降低。以上这些因素共同导致烷基苯磺酸盐的扩张模量随浓度增大会出现极值现象。同时，随着浓度增大，烷基苯磺酸盐的扩散交换等驰豫过程加快，表面扩张黏性部分所占的比例增大，因此，相角逐渐增大。但在浓度较低时，相角出现了反常，这可能由于浓度过低，扩散交换可以忽略，扩张参数由表面吸附膜内过程决定，此时T-L模型不再适用[10]。

2.2烷基苯磺酸盐和部分水解聚丙烯酰胺体系的界面扩张性质

部分水解聚丙烯酰胺在三元复合体系中增加了体系黏度，使其在地下油层中具有扩大波及体积的作用。部分水解聚丙烯酰胺可以显著的改变烷基苯磺酸盐的界面扩张性质，如图3所示。由图3可知，随着部分水解聚丙烯酰胺的加入，在质量浓度为20mg/L时，烷基苯磺酸盐和部分水解聚丙烯酰胺二元体系的表面扩张模量出现极值；而后随部分水解聚丙烯酰胺质量浓度增加，二元体系表面扩张模量降低。而二元体系相角随部分水解聚丙烯酰胺质量浓度增加而降低，二元体系相角在低频时快速降低，而后趋于平缓。且在低频时二元体系相角大于烷基苯磺酸盐的，随频率增加，出现了相反的结果。

部分水解聚丙烯酰胺对烷基苯磺酸盐的表面吸附膜的影响主要有：烷基苯磺酸盐与部分水解聚丙烯酰胺分子在界面上产生竞争吸附、相互作用，形成混合吸附膜；另外烷基苯磺酸盐与部分水解聚丙烯酰胺分子的疏水链段发生相互作用。这都会改变体系的表面扩张模量。在部分水解聚丙烯酰胺浓度较低时，表面上的烷基苯磺酸盐分子与表面膜附近的部分水解聚丙烯酰胺分子相互作用，同时阻碍了体相中的烷基苯磺酸盐分子进入表面膜，在表面发生形变时，产生的表面张力梯度会有一定程度的增加，因此，二元体系的表面扩张弹性增大。同时由于部分水解聚丙烯酰胺分子的阻碍作用，二元体系的扩散交换等驰豫过程的时间增大，使得二元体系的表面扩张黏性增加。因此，二元体系的表面扩张模量增加，低频时二元体系相角较大，在一定频率范围内高于单独烷基苯磺酸盐的。当部分水解聚丙烯酰胺浓度过大时，进入烷基苯磺酸盐表面膜的部分水解聚丙烯酰胺分子过多，破坏了烷基苯磺酸盐分子间原来的强相互作用，降低了表面张力梯度，使得二元体系的表面扩张弹性减小。而高浓度部分水解聚丙烯酰胺形成空间网络结构，使二元体系的扩散交换等驰豫过程更加困难，使得二元体系的表面扩张黏性降低。因此二元体系的表面扩张模量出现降低，且部分水解聚丙烯酰胺浓度越大，频率越低，二元体系的相角降低越快。

图3 部分水解聚丙烯酰胺和烷基苯磺酸盐的表面扩张性能

2.3烷基苯磺酸盐和碱体系的表面扩张性质

碱可以与原油中的酸性活性组分发生反应生成表面活性物质，这些表面活性物质与烷基苯磺酸盐具有协同效应可以使三元体系与原油在较宽的表面活性剂浓度和碱浓度范围内产生超低界面张力。碱对烷基苯磺酸盐的表面扩张性质及相角影响如图4所示。由图4可知，碱使烷基苯磺酸盐的表面扩张模量和相角降低，且碱浓度越大降低越明显。在低频时，碱使烷基苯磺酸盐的表面扩张相角快速降低，而高频时趋于平稳。

烷基苯磺酸盐溶液中，碱加入相当于增加了溶液的钠离子含量，无机盐压缩表面活性剂离子基的双电层，降低分子间排斥力，使烷基苯磺酸盐的临界胶束浓度和表面张力降低，导致烷基苯磺酸盐的表面扩张模量降低。且表面上排列的烷基苯磺酸盐与体相的扩散交换及表面分子排布等驰豫过程变得容易、快速，损失的能量较小，表面扩张黏性模量降低。因此，在低频时，烷基苯磺酸盐的表面扩张相角快速降低，而高频时趋于平稳。

图4 碱和烷基苯磺酸盐的表面扩张性能

2.4复合体系的表面扩张性质

研究烷基苯磺酸盐-碱-部分水解聚丙烯酰胺三元复合体系的表面扩张黏弹性，可以获得不同分子在界面上的相关信息及其相互作用机理[6-8]。图5为三元复合体系的表面扩张模量和相角。由图5可知，三元复合体系在污水中的表面扩张模量明显低于去离子水中的。三元复合体系的表面扩张模量介于部分水解聚丙烯酰胺和烷基苯磺酸盐二元体系与碱和烷基苯磺酸盐二元体系之间。复合体系的表面扩张相角小于45°，表面膜主要表现为弹性膜。由于污水中钠、钙离子作用，导致三元复合体系的表面扩张模量降低。部分水解聚丙烯酰胺使烷基苯磺酸盐的表面扩张模量增加，而碱使烷基苯磺酸盐的表面扩张模量降低，部分水解聚丙烯酰胺和碱共同作用使三元复合体系表面膜的扩张性质低于部分水解聚丙烯酰胺和烷基苯磺酸盐二元体系的，但高于碱和烷基苯磺酸盐二元体系的。

三元复合体系的表面扩张模量是界面张力变化与相对界面面积变化的比值，相角是界面张力的周期性变化与界面面积周期性变化之间存在的相位差，反映了扩张黏性和扩张弹性的比值。用表面扩张模量和相角两个参数可以计算得到扩张黏性和扩张弹性。因此，建议选用表面扩张模量和相角两个参数作为评价三元复合体系的界面流变性能指标。另外结合图1～图5可知，一元、二元、三元复合体系的表面扩张模量随着工作频率增加而增加，当工作频率大于0.1Hz时，表面扩张模量增加幅度减弱，且表面扩张模量值较大。在实际应用时为了使三元复合体系的表面扩模量值便于比较和应用，建议实验工作频率选0.1～0.2Hz作为质量检测技术指标。

图5 三元复合体系的表面扩张模量及相角

3 结论

1）烷基苯磺酸盐的表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。烷基苯磺酸盐的表面扩张模量随浓度增大出现极大值，而后逐渐降低；相角随浓度增大出现极小值，而后逐渐增大。

2）随着部分水解聚丙烯酰胺质量浓度增加，烷基苯磺酸盐的表面扩张模量出现极值，而后降低，相角逐渐降低。在污水中，烷基苯磺酸盐和部分水解聚丙烯酰胺二元体系的表面扩张模量高于烷基苯磺酸盐的。碱使烷基苯磺酸盐的表面扩张模量和相角降低，且碱浓度越大降低越明显。

3）三元复合体系在污水中的表面扩张模量明显低于去离子水中的，表面扩张相角小于45°，表面膜主要表现为弹性膜。

4）建议选用表面扩张模量和相角两个参数作为评价三元复合体系的界面流变性能指标，实验工作频率选0.1～0.2Hz作为质量检测技术指标。

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The interfacial rheology is an important parameter to describe the interfacial film properties,which can change the initiation and coalescence of oil droplets in the reservoir,and ultimately affects the oil displacement efficiency of ASP flooding system.Based on the study of the interfacial rheology evaluation method of ASP flooding system,the effects of polymer,alkali and surfactant on the interfa⁃cial rheological properties of the ASP flooding system were investigated.It is pointed out that,the surface dilational modulus of alkylben⁃zene sulfonate increases while the phase angle decreases with the increase of frequency;the surface dilational modulus of alkylbenzene sulfonate increases and then decreases gradually with the increase of the concentration,while the phase angle decreases and then in⁃creases gradually with the increase of its concentration.In order to make the performance evaluation of ASP system more comprehensive and accurate,it is suggested that the surface dilational modulus and the phase angle should be used to evaluate the interfacial rheologi⁃cal properties of the composite system.The experimental frequency of 0.1～0.2 Hz is as the technical index of quality detection,and the surface expansion phase angle is less than 45°.

ASP flooding system;quality detection;new method;interfacial rheology;surface dilational property

强

2016-11-07

国家科技部重大专项“聚合物驱后进一步提高采收率技术”（编号：2011ZX05010-005）。

崔长玉(1972-)，男，工程师，现从事三次采油研究。