环烷基石油磺酸盐与甜菜碱二元复配体系的性能研究

云庆庆，徐崇军，邵洪志，帕提古丽·麦麦提，焦秋菊

（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）

中国石油新疆油田分公司在探索复合驱技术应用的思路重点在二元复合驱，使用的表面活性剂主要来源于克拉玛依本地生产的环烷基石油磺酸盐（KPS），该表面活性剂具有较强的乳化性能，但在油水平衡界面张力方面很难达到超低值（<1×10-2mN/m）的要求［1-2］。为改善表面活性剂的性能，目前的方法是合成新型表面活性剂或将表面活性剂与其他化合物复配。由于新型表面活性剂研发难度大、成本高和周期长，难以满足矿场需求。所以，当前的研究以表面活性剂与其他化合物复配为主［3-6］。甜菜碱（TCJ）具有较强的界面活性，是少数能够用于高温高盐油藏的表面活性剂之一［7-8］。通过研究KPS与TCJ复配，掌握两种表面活性剂间的协同作用，解决界面张力难以达到超低值的难题。再者，清水资源在新疆地区较为紧缺，需要攻关污水配制聚表二元驱复配技术，但污水矿化度较高，钙镁离子含量高，影响聚表二元驱复配体系的稳定性［9］，需进一步对污水配制二元驱复配体系进行优化，解决污水带来的二元驱油体系稳定性差问题。

本工作通过KPS与TCJ进行复配，研究复配规律，并设计出适用于新疆油田B区污水配制的二元驱油体系。

1 实验部分

1.1 实验材料

KPS（有效含量20%（w））：工业品，克拉玛依金塔公司；TCJ（有效含量30%（w））：中国石油勘探开发研究院；抗盐聚丙烯酰胺（KYPAM，固含量91.16%，相对分子质量1 200×104）：工业品，北京恒聚化工集团有限责任公司；配液用水：新疆油田B区污水，水质分析结果见表1；实验用油：新疆油田B区脱水脱气原油；岩心为人造砾岩岩心。

表1 B区污水水质分析结果Table 1 Analysis results of sewage quality in zone B

1.2 实验方法

1.2.1 临界胶束浓度的测定

用蒸馏水配制1%（w）的KPS溶液，1%（w）TCJ溶液，1%（w）（m（KPS）∶m（TCJ）=7∶3）溶液，在25 ℃的条件下，用德国KRUSS公司K100型表面张力仪测定3种溶液的临界胶束浓度。

1.2.2 界面张力的测定

采用北京盛维基业科技有限公司TX500C型旋转滴界面张力仪，参照石油天然气行业标准SY/T 5370—2018［10］测定二元复配体系的界面张力。

配制不同Na+，Ca2+质量浓度下的二元驱油体系，通过测定与原油的界面张力评价驱油体系的抗盐性能。

1.2.4 抗吸附性能评价

将污水配制的溶液与净油砂按质量比9∶1进行混合，放置于恒温摇床，转速为90 r/min，温度为地层温度43 ℃，振荡12 h，取出清液进行界面张力的测定。继续按液砂质量比为9∶1进行二次吸附并测定界面张力，抗吸附实验进行5次，评价二元复配体系的抗吸附性能。

1.2.5 长期稳定性评价

将配制好的溶液用安瓿瓶装样并密封，放入烘箱中，温度为地层温度43 ℃，稳定性评价的时间分别为0，1，3，8，15，30，50，60 d。

1.2.6 驱油实验

对岩心进行前处理；用产出水驱至含水98%（φ），计算采收率；注入0.7 PV二元复配体系溶液，然后再用产出水水驱至含水98%（φ），计算化学驱采收率。实验温度43 ℃，驱替速率为0.5 mL/min。

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2 结果与讨论

2.1 复配规律的研究

2.1.1 表面活性剂的临界胶束浓度

分别测试了KPS溶液、TCJ溶液、m（KPS）∶m（TCJ）=7∶3复配溶液的表面张力，进而得到表面活性剂的临界胶束浓度，结果见图1。由图1可计算得出，KPS、TCJ、KPS/TCJ复配3种体系的临界胶束浓度分别为60.26，10.50，8.51 mg/L。

图1 不同体系表面活性剂的表面张力Fig.1 Surface tension of surfactants in different systems.

复配表面活性剂的临界胶束浓度要比单一的KPS或TCJ的临界胶束浓度要低，说明两种表面活性剂复配产生了正加和协同效应。这是由于TCJ与KPS复配后，混合表面活性剂分子极性头基正负离子之间的吸引促使表面活性剂分子间紧密结合，极性头基之间的间距变小，亲水基周围的定向水分子减少，自由水分子增多，混乱度变大，易于胶束的形成，且形成的胶束结构更加紧密（见图2），因此复配后的临界胶束浓度较低［11-13］。

图2 复配体系的胶束结构Fig.2 Micellar structure of compounding system.

2.1.2 界面性能

测试KPS溶液、m（KPS）∶m（TCJ）=7∶3、m（KPS）∶m（TCJ）=5∶5复配溶液分别与B区原油的界面张力，结果见图3。由图3可知，TCJ的加入，使得油水之间的界面张力降低，随着TCJ含量的增加，界面张力逐渐降低，界面性能较优。这是因为TCJ是两性离子表面活性剂，分子中有正电荷存在，与KPS的阴离子基团存在静电吸引作用，同时两种表面活性剂的碳氢链之间存在疏水相互作用，因而在界面层表面活性剂分子排列更致密，吸附量增大，复配后表面活性更高［14］。

图3 不同体系表面活性剂的界面性能Fig.3 Interfacial tension(IFT) under different compounding systems.

2.1.3 表面活性剂的抗盐性能评价

通过测定不同Na+，Ca2+下质量浓度KPS、m（KPS）∶m（TCJ）=7∶3复配体系的界面张力，评价表面活性剂的耐盐性能，结果见图4。

图4 不同体系的抗Na+（a）和抗Ca2+（b）性能Fig.4 Anti-Na+(a) and anti-Ca2+(b) properties of the different systems.

由图4a可知，随着Na+质量浓度的增加，界面张力逐渐降低，复配体系的界面性能明显优于单一体系。由图4b可知，随着Ca2+的增加，体系的界面张力先减小后增大，单一表面活性剂界面张力达到超低时，Ca2+浓度窗口较窄，且在Ca2+质量浓度为100 mg/L时界面张力达到超低；而复配体系的抗Ca2+质量浓度窗口明显变宽，增加到110～270 mg/L，界面张力达到超低时Ca2+质量浓度增加到200 mg/L。同时，Ca2+对KPS单一体系降低油水界面张力的影响非常大，主要是因为Ca2+与KPS生成的二价石油磺酸盐反应物在水溶液中有一定的溶解度，随质量浓度增加，界面张力降低，Ca2+质量浓度达到100 mg/L后，溶液中CaR2分子开始析出，界面张力又开始上升［15］。而TCJ的加入，降低了Ca2+对界面张力的变化程度，这是由于TCJ的特殊结构使得复配体系具有良好的亲水性，即使Ca2+络合了表面活性剂分子中亲水的磺酸基，表面活性剂仍可溶于水，并表现出较高的界面活性［16-17］。

2.2 二元复配体系配方研究

目前，新疆油田二元驱油体系多数使用工业污水进行配制，通过对表面活性剂复配规律的研究发现，复配体系表现出较好的界面性能和抗盐性能。因此，针对新疆油田B区的驱油体系采用石油KPS和TCJ两种表面活性剂与KYPAM用污水进行配制二元复配体系配方的研究。

2.2.1 二元复配体系的界面性能

配制不同表面活性剂（m（KPS）∶m（TCJ）=7∶3）含量的二元复配体系，界面性能结果见图5。

图5 二元复配体系的界面性能Fig.5 Interfacial tension of the binary compounding system.

由图5可知，在油滴拉断前，表面张力随表面活性剂含量增加逐渐降低，当含量高于0.3%（w）后，表面张力开始反弹，含量（w）增加到0.4%和0.5%时，界面张力几乎无变化，但仍维持界面张力超低状态。

2.2.2 二元复配体系的抗吸附性能

对不同表面活性剂（m（KPS）∶m（TCJ）=7∶3）含量的二元复配体系进行抗吸附性能评价，结果见图6。由图6可知，污水配制的二元驱油体系在吸附5次后，界面张力仍能达到10-3mN/m，说明复配后的体系耐吸附性较优。

图6 二元复配体系的抗吸附性能Fig.6 Adsorption resistance of the binary compounding system.

2.2.3 二元复配体系的长期稳定性性能

综合二元复配体系的界面性能和抗吸附性能实验，确定选用0.5%（w）（m（KPS）∶m（TCJ）=7∶3）表面活性剂与0.18%（w）KYPAM进行二元复配体系的长期稳定性性能评价，结果见图7。

图7 二元复配体系的长期稳定性能Fig.7 Long-term stability of the binary compounding system.

由图7可知，15 d内，二元复配体系的界面张力低于1×10-2mN/m，60 d后，界面张力仍能保持10-2mN/m，说明该体系的长期稳定性能符合配方所需要求。

2.3 二元复配体系的驱油实验

室内驱油实验采用人造砾岩岩心，在产出水水驱达到含水98%（φ）后，开始注入二元配方0.18%（w）KYPAM+0.5%（w）表面活性剂（m（KPS）∶m（TCJ）=7∶3），注入量为0.7 PV，结果见表2。由表2可知，此配方可进一步提高采收率达25%以上，这是由于水驱后仍有大量残余油附着在孔喉或盲端，加入复配表面活性剂-聚合物体系后，表面活性剂可有效降低界面张力，使残余油剥离岩石，从而提高采收率。

表2 KPS/TCJ-聚合物复配体系驱油效率Table 2 Oil displacement efficiency of the KPS/TCJ-polymer compounding system

3 结论

1）通过对比单一的KPS与KPS/TCJ复配体系的临界胶束浓度、界面性能和抗盐性能，发现复配体系性能优于单一体系，复配体系的临界胶束浓度比两种单一的表面活性剂的都要低，界面性能较优，表现出正加和协同效应；复配体系有较好的抗盐性能，界面张力达到超低时，抗Ca2+质量浓度窗口增加到110～270 mg/L。

2）针对新疆油田B区，筛选出了具有高界面性能、抗吸附性能和长期稳定性的污水配制二元复配驱油体系，且驱油效率在水驱基础上提高采收率可达25%以上，驱油效果良好。