复合驱油体系油水界面张力测试条件优化*

栾和鑫，陈权生，彭 健，代学成，杨莲育，徐崇军，2，廖元淇

（1.中国石油新疆油田分公司实验检测研究院，新疆克拉玛依834000；2.新疆砾岩油藏实验室，新疆克拉玛依834000；3.中国石油天然气集团公司油田化学重点实验室，北京100083）

随着化学驱技术的发展，越来越多的陆上油田开始应用化学复合驱技术实现大幅度提高采收率［1-2］。表面活性剂性能的好坏是复合驱成败的关键，复合驱过程中油水界面张力随时间的变化曲线对表面活性剂的性能评价具有重要的参考价值［3-6］。目前复合驱表面活性剂的质量控制多采用行业标准SY/T 5370—2018《表面及界面张力方法》测定或SY/T 6424—2014《复合驱体系测试方法》对产品质检和入井流体质量检测［7-8］。虽然两个行业标准中都提到了不同体系的测试方法，但并未对非牛顿流体测试过程中具体条件进行规范性说明，这给质检带来了问题，例如：测定黏弹性体系的表界面张力时选取多大浓度的聚合物、多大相对分子质量的聚合物不会对驱油体系界面性能有影响、测试温度、测试时间、测试过程中会遇到油滴被拉断后界面张力值如何选取等问题。为了规范质检过程中遇到的问题，现将SY/T 5370—2018 涉及到的非牛顿流体油水界面张力测定方法进行了优化，以增加行业标准的可溯性、规范性、准确性和可操作性。

1 实验部分

1.1 材料与仪器

聚合物HPAM，相对分子质量分别为1000 万、1500 万和2500 万，固含量分别为91.8%、92%和91.6%，水解度分别为25.3%、27.1%、26.4%，北京恒聚公司；KPS表面活性剂），新疆金塔公司；碳酸钠；工业品，含量99%，乌鲁木齐广瑞源商贸有限公司；配液用水为三元注入站的现场水，矿化度9847.1 mg/L，主要离子质量浓度（单位mg/L）：16.92、K++Na+3300；实验原油：新疆三元复合驱试验现场的脱气、脱水原油，黏度16.5 mPa·s（油藏温度40℃）。

TX-500C型全量程旋转滴表界面张力仪，美国彪维公司；HAAKE MARSII流变仪，美国热电公司。

1.2 实验方法

参照中国石油天然气行业标准SY/T 5370—2018《表面及界面张力测定方法》和SY/T 6424—2014《复合驱体系测试方法》，用TX-500C 型全量程表界面张力仪，在温度45℃、转速5000数6000 r/min下测定表面活性剂体系与新疆典型区块原油间的界面张力。

2 结果与讨论

2.1 转速对界面张力测试结果的影响

旋转滴法测定界面张力其主要按照公式1测定和计算的，界面张力和转速呈正相关，即在一定范围内转速越高界面张力越低，但是仪器存在最佳成像转速，因此在确定最佳转速时应考虑仪器特性。

式中：γ—界面张力，单位mN/m；A—与仪器测量系统有关的常数，不同仪器型号赋值不同；ω—角速度，单位rad/s；D—液滴短轴直径，单位m；Δρ—两相密度差，单位kg/m3；f（l/D）—与油滴长宽比（l/D）有关的修正系数，由仪器操作软件自动给出或参见各仪器的说明书。

用三元注入站现场水分别配制二元驱油体系（0.3% KPS+0.15% 1500 万聚合物）和三元体系（1.2% 碳酸钠+0.3% KPS+0.15% 1500 万聚合物），考察了转速对二元和三元体系与新疆原油间界面张力的影响，结果见图1。转速对二元驱油体系、三元驱油体系与原油间的界面张力影响不具有一定的规律性，但转速与界面张力成像系统清晰度具有一定的关系，因此为了保证仪器测量结果准确性，建议选用仪器成像系统最清晰的转速5000数6000 r/min作为技术指标用于评价界面张力。

2.2 温度的影响

图1 转速对二元体系、三元体系与原油间界面张力的影响

图2 温度对二元体系、三元体系与原油间界面张力的影响

不同温度下，用三元注入站现场水分别配制的二元驱油体系（0.3%KPS+0.15%1500万聚合物）和三元体系（1.2% 碳酸钠+0.3% KPS+0.15% 1500 万聚合物）与新疆原油间的界面张力测试结果见图2。温度对二元体系、三元体系与原油间的界面张力的影响规律大致相同，随温度的升高，界面张力降低，但温度对三元体系的影响更大。随着温度的升高，分子热运动使得表面活性剂分子热运动更剧烈，体系黏度降低，界面上分布的表面活性剂分子更多，界面张力降低。为了规范测试温度对界面性能的影响，测定温度建议选用目标油藏温度。

2.3 聚合物浓度影响

用蒸馏水分别配制0.3%KPS+0.1%数0.4%聚合物（相对分子质量1000万或2500万）的二元体系和1.2%碳酸钠+0.3%KPS+0.1%数0.4%聚合物的（相对分子质量1000 万或2500 万）三元体系，不同聚合物浓度的二元体系的黏度见表1，不同聚合物浓度的二元体系、三元体系与原油间的界面张力测试结果见图3和图4。由表1可知，聚合物浓度越大，二元体系的黏度越高；相同浓度下，聚合物的相对分子质量越大，二元体系的黏度越大。

从图3和图4可知，聚合物浓度越大，二元体系、三元体系与原油间的界面张力越大。HPAM 的加入增加了体系的黏度，导致表面活性剂分子向界面扩散、运移的速度大幅度降低，延长了达到吸附饱和的时间；随着聚合物浓度增加，驱油体系的黏度增加，不利于表面活性剂分子向油水界面扩散，表面活性剂分子被聚合物阻隔在体相中。为了规范聚合物浓度对界面性能的影响，建议在评选二元、三元体系的界面性能时聚合物用量为0.1%。另外，为了使数据更具准确性，界面张力取值选用不同时间下的平衡界面张力（简称ITFt），质检时若遇到油滴被拉断的情况，应重复测量3 次看是否在相同时间被拉断，然后选取被拉断前3 次数据平均值作为评定指标。

表1 不同聚合物浓度的二元体系的黏度

2.4 聚合物相对分子质量影响

图3 聚合物浓度对二元体系与原油间界面张力的影响

图4 聚合物浓度对三元体系与原油间界面张力的影响

用蒸馏水分别配制0.3% KPS+0.15% 聚合物（相对分子质量1000 万、1500 万或2500 万）的二元体系和和1.2% 碳酸钠+0.3% KPS+ 0.15%聚合物（相对分子质量1000 万或2500 万）的三元体系，测定相同浓度条件下不同相对分子质量聚合物的二元、三元体系与原油间的界面张力，结果见图5。不同相对分子质量聚合物的三元体系的黏度及平衡界面张力测试结果见表2。在其他条件不变的情况下，聚合物的相对分子质量越大，二元体系、三元体系与原油间的界面张力增大。

在相同聚合物浓度条件下，随着聚合物相对分子质量增加，体系黏度增大，表面活性剂分子在界面上的定向排列受阻，油水界面张力上升。高相对分子质量聚合物会更加阻碍表面活性剂分子的传递和界面吸附，延长表面活性剂到达界面的时间，进而延长平衡时间，聚合物相对分子质量对界面张力的影响主要是在相同浓度下黏度对界面性能影响，但对平衡界面张力影响均不是数量级影响。因此，为了使标准具有规范性和可操作性，应根据目标油藏储层物性选择化学驱主段塞使用的聚合物进行评价，由于该标准主要针对驱油体系性能评价，在产品质检过程中对结果产生异议时建议使用相对质量为1000 万数1500 万的聚合物对二元、三元体系驱的界面性能进行评价，这样评价结果更真实可靠。

表2 不同相对分子质量聚合物的三元体系的黏度和界面张力

2.5 表面活性剂对界面性能影响

用三元注入站现场水配制的二元体系（0.1%数0.3% KPS+0.15%聚合物（相对分子质量1500 万或2500 万））、三元体系（1.2% 碳酸钠+ 0.1%数 0.3%KPS+ 0.15%聚合物（相对分子质量1500 万或2500万）与新疆原油间的界面张力测试结果见图6和图7。无论是含有1000 万聚合物还是2500 万聚合物的二元和三元体系，随着表面活性剂浓度增加，油水界面张力均逐渐降低。二元体系在表面活性剂用量0.2%数0.3%范围内的ITF120min相差不大，因此选用表面活性剂用量0.2%作为二元体系评价表面活性剂浓度。三元体系除受表面活性剂浓度影响外，还受碱浓度影响，因此在考察三元体系表面活性剂浓度影响时应考察表面活性剂影响和碱浓度影响。在表面活性剂用量为0.1%数0.3%范围内，碱用量为1.2%时，不同相对分子质量聚合物的三元体系与原油间的界面张力结果差异很大，可对比性很差。这是由于降低界面张力能力与表面活性剂分子的吸附速率有关，碱的加入对表面活性剂吸附速率产生了影响，当吸附速率高于脱附速率时，界面张力能在短时间内大幅度降低；而吸附速率等于脱附速率时，吸附达到平衡，界面张力值基本保持不变。在测试高浓度体系与原油间的界面张力时，仍然存在回缩和拉断现象，这是由于当表面活性剂浓度达到临界胶束浓度时溶液中大量的胶束会不断吸附原油中的某些活性组分［9-12］，从而增大油滴的溶解度，出现了油水比分配不均、界面张力一直处于动态变化过程。另外，碱可与原油中的活性组分石油酸反应生成皂类表面活性物质，不同表面活性剂之间存在协同作用，也使得界面张力一直处于动态变化过程。因此，为了使测试方法具有可操作性和同类标准可对比性，选用二元、三元复合驱用表面活性剂的已有评价标准（Q/SY 17583—2018［13］和Q/SY 17004—2017［14］）进行评价，本标准对表面活性剂浓度不另作要求，即选用已有标准执行：二元体系表面活性剂评价选用0.2%表面活性剂+0.1%聚合物；三元体系表面活性剂评价选用1.2%碱+0.1%表面活性剂+0.15%聚合物或0.6%碱+0.3%表面活性剂+0.15%聚合物评价。

图5 不同分子质量聚合物的二元体系、三元体系与原油间的界面张力

图6 表面活性剂浓度对二元体系与原油间界面张力的影响

图7 表面活性剂浓度对三元体系与原油间界面张力的影响

3 结论

规范行业标准SY/T 5370—2018《表面及界面张力方法》中非牛顿流体油水界面张力的测定条件：以目标油藏温度为评价温度；转速选用使仪器成像清晰的5000数6000 r/min 转速；聚合物用量选用0.1%，聚合物相对分子质量应根据目标油藏储层物性选择化学驱主段塞使用聚合物进行评价，驱油体系产品质检过程中对结果产生异议时，建议使用相对质量为1000 万数1500 万的聚合物对二元、三元体系驱的界面性能进行评价；配液用水使用实际油藏配液用水；界面张力选用不同时间下的平衡界面张力，拉断体系的界面张力选取重复测试3 次拉断前界面张力数据值；表面活性剂浓度按照Q/SY 17583—2018 和 Q/SY17004—2017：二元体系表面活性剂评价选用0.2%表面活性剂+0.1%聚合物，三元体系表面活性剂评价选用1.2%碱+0.1%表面活性剂+0.15%聚合物或0.6%碱+0.3%表面活性剂+0.15%聚合物进行测量取值。研究成果仅仅针对SY/T 5370—2018《表面及界面张力方法》中非牛顿流体界面张力的测量，其它界面张力测定方法和条件请参考相关标准执行。