不同结构木质素聚醚磺酸盐与石油磺酸盐复配体系界面张力研究

陈淑艳,李学良,路 蕴，陈本寿

(1．重庆化工职业学院，重庆 401228；2．北京生泰尔科技股份有限公司，北京 102600)

1 引言

在石油工业领域，基于超低界面张力机理的碱-表面活性剂-聚合物(ASP)三元复合驱是一项可以大幅度提高原油采收率的三次采油技术[1]，该技术具有良好的经济性和普适性。其中复合驱中的碱与原油中的有机酸物质作用生成类表面活性物质，和表面活性剂间形成良好的协同增效作用[2]。然而近年来矿场试验表明，三元复合驱中使用强碱会产生一些负面效应，如：碱和地层中的粘土矿物形成的硅铝垢结晶对地下油层造成伤害；强碱体系使原油产生的强乳化作用使产出液破乳脱水困难，同时腐蚀管道设备和影响油井的采液能力等，从而使该技术的实际应用受到很大的限制[3,4]。为避免这一问题，许多研究者考虑用弱碱(如：Na2CO3)取代强碱[5]，或者用无碱的表面活性剂-聚合物(SP)二元复合驱[6]取代三元复合驱。此外，在油田矿场的实际应用中，为降低驱油剂成本使用的多为有多种成分的表面活性剂复配体系。聚醚磺酸盐型表面活性剂是一类阴-非离子型表面活性剂，该类型表面活性剂不仅可以克服非离子型表面活性剂界面活性低的特点，还可以弥补阴离子型表面活性剂耐盐性差的缺陷[7]。因此，阴-非离子型表面活性剂在提高采收率领域有着广阔的应用前景。目前油田上使用的驱油剂配方中的表面活性剂成分多数是为达到某种应用目的而复配不同种类表面活性剂的混合物，因此本试验探究木质素聚醚磺酸盐与石油磺酸盐复配体系的界面张力行为。

2 材料与方法

2.1 实验材料

采用木质素聚醚磺酸盐和石油磺酸盐(PS)进行复配，评价该复配体系对华北京-11原油的界面张力性能。木质素聚醚磺酸盐表面活性剂为实验室合成的LPO6SO3Na、LPO8SO3Na和LPO10SO3Na；石油磺酸盐(PS)为中国石油勘探开发研究院提供，浓度为40%。

华北京-11原油的性质和模拟水的离子组成分别如表1和表2所示。

表1 华北京-11原油的性质

表2 华北京-11原油油田模拟水的离子组成

2.2 界面张力测试方法

采用XZD-SP视频旋转滴超低界面张力仪测定界面张力，测定转速为12 ms/rev；测定温度为华北原油的矿藏温度54 ℃；每隔5 min读数1次，共测定1 h左右，直至连续3次读数相差不多，即可认定体系已达平衡，测定结束。

3 结果与分析

目前三次采油中矿场应用最多的阴离子表面活性剂是石油磺酸盐，石油磺酸盐界面活性较高，但是易与高价金属阳离子形成沉淀从而导致性能不稳定。由于地层水中多含有Ca2+、Mg2+等高价金属离子，为改善石油磺酸盐与地层水的配伍性以及提高驱油剂配方中表面活性剂的界面活性，本实验将木质素聚醚磺酸盐与石油磺酸盐PS进行复配研究。在三元复合驱驱油过程中，最重要的要数油水界面特性，超低油-水界面张力(<10-2mN/m)是表面活性剂驱油的最基本要求。因此，主要考查木质素聚醚磺酸盐和石油磺酸盐PS之间的复配体系在不同碱浓度下对于华北京-11原油的油-水界面张力随时间的变化情况。选用Na2CO3调节体系的酸碱度；复配比为木质素聚醚磺酸盐的质量与PS质量之比，体系中总活性剂浓度为0.4%，Na2CO3浓度为0%～1.6%。

油田模拟水的离子组成、矿化度是影响油田采收率的重要因素。由表1和表2可以看出，试验用华北京-11原油中胶质含量和蜡含量较高，属于高蜡基原油。此外，模拟水的矿化度高达10789 mg/L，钙镁离子含量较高，属于高矿化度油藏，对表面活性剂的要求较高。

3.1 LPO6SO3Na/PS复配体系与原油间的界面张力研究

图1是不同复配比的LPO6SO3Na/PS体系在弱碱Na2CO3的条件下其油-水界面张力随时间的变化情况。从图中可以看出，木质素聚醚磺酸盐和石油磺酸盐的复配体系能有效地改善石油磺酸盐的抗盐能力。复配比为2∶8时，体系中Na2CO3浓度达到1.2%后LPO6SO3Na/PS体系可以使华北原油的油-水界面张力达到10-3mN/m超低水平；复配比为5∶5时，体系中Na2CO3浓度达到1.6%后LPO6SO3Na/PS体系可以使华北原油的油-水界面张力达到10-3mN/m水平；虽然在Na2CO3浓度相等的情况下，复配比为8∶2的LPO6SO3Na/PS体系与华北原油间的油-水界面张力较高，但当体系中Na2CO3浓度达到1.2%后LPO6SO3Na/PS体系仍可使华北原油的油-水界面张力达到10-2mN/m水平。说明随着复配体系中石油磺酸盐含量的增加，其降低油-水界面张力的能力越强。这是因为，石油磺酸盐的亲油基团上包含多种不同尺寸和长度的疏水碳链，当增加石油磺酸盐含量时，该复配体系具有更大的亲油基团，从而能够在油水界面上紧密排列，更易形成超低界面张力。此外，木质素聚醚磺酸盐中的非离子链段，在复配体系中可以减弱石油磺酸盐中磺酸基团之间的电性斥力，使表面活性剂分子在油水界面上排列更加紧密，从而大幅度降低油-水界面张力，与石油磺酸盐间形成更好的协同效应。

图1 弱碱Na2CO3对华北原油与LPO6SO3Na/PS复配体系动态界面张力的影响

3.2 LPO8SO3Na/PS复配体系与原油间的界面张力研究

图2是不同复配比的LPO8SO3Na/PS体系在弱碱Na2CO3的条件下其油-水界面张力随时间变化的情况。从图中可以看出，在体系中Na2CO3浓度达到1.2%后，复配比为2∶8和5∶5的LPO8SO3Na/PS体系与华北原油间的界面张力均可达到10-3mN/m超低水平。与LPO6SO3Na/PS体系相比，所有LPO8SO3Na/PS体系的不同复配比的最低界面张力都有所降低，表明该复配体系可以产生更好的降低油-水界面张力的效果。其可能的原因是复配体系中的两种表面活性剂的烷基链长度比较接近引起的“链长匹配效应”，从而使两种表面活性剂分子间的相互作用增大，在油水界面上形成致密的吸附膜，因此界面张力值降低。此外，复配体系中PS比例高时有较宽的低界面张力范围，说明PS可以有效拓宽木质素聚醚磺酸盐的适应范围，从而增强了体系的界面活性。

图2 弱碱Na2CO3对华北原油与LPO8SO3Na/PS复配体系动态界面张力的影响

3.3 LPO10SO3Na与PS复配体系与原油间的界面张力研究

图3是不同复配比的LPO10SO3Na/PS体系在弱碱Na2CO3的条件下其油-水界面张力随时间的变化情况。可以看出，不同复配比的LPO10SO3Na/PS体系在弱碱Na2CO3的条件下和华北原油间的界面张力平衡值均可降至10-3mN/m的超低水平，并且复配比为2∶8的LPO10SO3Na/PS体系其最低界面张力可达到10-4mN/m数量级；该复配体系与华北原油超低界面张力的碱浓度范围明显扩宽。LPO10SO3Na和PS的协同效应及其明显，复配后对华北原油的界面性质明显得到了提升，可用作石蜡基原油的驱油剂。

4 结论

木质素聚醚磺酸盐与石油磺酸盐之间存在良好的协同效应，可以有效地改善石油磺酸盐的耐盐性能。在体系中加入弱碱Na2CO3后，该复配体系与华北原油间的界面张力均有所降低。且复配体系中两种表面活性剂间存在“链长匹配效应”，烷基链长度越接近，其与原油间的油水界面张力越低。三种木质素聚醚磺酸盐与石油磺酸盐的复配体系在一定的Na2CO3浓度下与华北原油间的界面张力平衡值均可以达到10-3mN/m超低水平，其中LPO10SO3Na/PS体系与华北原油间超低界面张力的碱浓度范围明显拓宽，说明该复配体系对华北原油的界面活性优良，可用作石蜡基原油的驱油剂。此外，木质素聚醚磺酸盐的价格较为低廉，因此该复配体系可有效地降低驱油剂配方中表面活性剂的驱油成本，在三次采油矿场应用中具有一定的可能性。