复合驱电脱水器绝缘部件易吸附杂质的内在因素分析

赵忠山 邵臣良 李学军

1大庆油田设计院有限公司

2大庆油田有限责任公司

在油田开采进入高含水阶段，三元复合驱是提高油田采收率的重要技术措施。三元复合驱是由表面活性剂、聚合物和碱组成的复合体系驱油方法。三元复合驱除了具有各组分的全部驱油机理外，还可以发挥表面活性剂、聚合物和碱三者的协同效应，与单一聚合物驱相比，由于表活剂和碱的存在，三元复合驱在增大波及系数的同时也有效降低了油水界面张力，与表面活性剂或碱水驱油技术相比，由于聚合物的存在使得三元复合体系波及范围更大，增大了表面活性剂体系的利用率，从而大幅提高了油田采收率[1-3]。

三元复合驱原油中含有来自于地层或者驱油过程中带入的无机和有机杂质颗粒[4-5]，采出液成分复杂，电脱水设备运行平稳性差。电脱水器极板的绝缘部件在三元复合驱采出液中使用周期短是影响三元复合驱电脱水器平稳运行的瓶颈之一。电脱水器绝缘部件主要由PTFE 制作，三元复合驱采出液黏度增大，携带杂质增多，绝缘组件易附着沉积物，绝缘强度降低，在高压电场的作用下，产生放电击穿，最终导致电脱水器因绝缘故障而无法送电运行，需要停产检修，更换损毁的绝缘组件。这个问题造成电脱水器运行平稳性差，运行时率低，绝缘组件频繁更换，生产维护成本高[6-10]。

三元复合驱生产中，不仅是吸附质的性质对吸附性能产生影响，而且吸附材料的性质对吸附也会产生影响。为了确定聚四氟乙烯（PTFE）绝缘部件污染的原始因素，从两个方面进行测试：一是测试亲水性不同的烷基苯磺酸钠表面活性剂在PTFE片上的吸附，利用Gibbs 吸附方程计算表面活性剂在PTFE 片上的吸附量数据；二是采用能够产生更强吸附性的PTFE 超滤膜来测试部分水解聚丙烯酰胺（HPAM）的吸附量，更直观地体现PTFE 对吸附质的影响。

1 采出液粒子吸附量的测试原理

1.1 测试界面张力和接触角，计算表面压

根据Young 润湿方程，处于一个平表面的静止液滴，其接触角可以用三个界面张力平衡来描述（图1），如式（1）所示。

图1 Young 方程各参量关系示意图Fig.1 Schematic diagram of the relation among parameters of Young equation

式中：γVL、γVS和γLS分别为气液、气固和液固之间的界面张力，mN·m-1。

根据表面压的定义，表面压是指在表面上铺展的膜对单位长度浮片所施加的力，常以π 表示，表面压在数值上等于铺膜前后表面张力之差，那么对于液固表面压πLS和气液表面压πVL的公式分别如式（2）、式（3）所示。

其中，上角标0 表示纯水的性质，π 的单位为mN·m-1，纯水的界面张力可以根据Harkins 的经验公式计算。

其中t为测试温度。

结合上面的公式，可以得到公式（4）

1.2 由表面压计算吸附量

根据Gibbs 方程，界面吸附量由表面压决定，如式（5）所示。

式中：ΓLS为液固界面吸附量，mol·m-2，lnCS为浓度的自然对数。

根据以上条件，可以在恒温条件下的πLS-lnCS曲线图上，利用直线部分的斜率求得饱和吸附量ΓLS（过剩吸附量），也可以利用曲线上某一点的切线斜率求得对应体相浓度下的吸附量Γ（表面浓度）。

2 烷基苯磺酸钠吸附性能测试

根据前面的测试原理，只要测出了表面活性剂水溶液在PTFE 片上的接触角和表面张力，就可以根据Gibbs 方程，计算出表面活性剂在PTFE 上的吸附量。试验测试介质包括p-S12-3、p-S14-3 和p-S16-3 三种烷基苯表面活性剂，其烷基链长度逐渐增加。

2.1 表面活性剂水溶液在PTFE 片上的接触角和表面张力测试

表1 是不同浓度烷基苯磺酸钠水溶液在PTFE片上的接触角和表面张力数据。

从表1 可以看出：随着表面活性剂浓度的增加，接触角和表面张力呈现相似的变化规律，随着浓度增加而降低。在PTFE 固体表面，烷基苯磺酸钠表面活性剂亲油基朝向低能的PTFE 表面，亲水基朝向水溶液，烷基苯磺酸钠通过物理吸附与PTFE 结合。

表1 不同烷基苯磺酸钠水溶液在PTFE片上的接触角和界面张力Tab.1 Contact angle and interfacial tention of different alkyl benzene sulfonate aqueous solution on PTFE sheets

2.2 表面活性剂在PTFE 在表面上的吸附量计算

表2 是通过公式计算得到的不同浓度烷基苯磺酸钠吸附在PTFE 表面的表面压与浓度的自然对数数据列表。图2 是表面压随浓度的自然对数变化曲线，可以更清晰地展现出表面压πLS随lnCS的变化规律。

表2 ln CS 和不同烷基苯磺酸钠水溶液在PTFE 片上的πLSTab.2 πSL of ln Cs and different alkylbenzene sulfonate aqueous solutions on PTFE sheets

根据图2 求得曲线上各浓度点的切线斜率，利用Gibbs 吸附公式计算得到不同浓度烷基苯磺酸钠表面活性剂在PTFE 表面的吸附量。图3 是不同烷基苯磺酸钠水溶液在PTFE 片上吸附量随浓度的变化关系图。

图2 πSL 随ln CS 变化曲线Fig.2 Evolution curve of πSL with ln CS

从图3 可以看出，随着烷基苯磺酸钠浓度增加，其在PTFE 表面的吸附量逐渐增加；随着烷基链长度增加，也就是随着烷基苯磺酸钠亲油性增加，p-S12-3、p-S14-3 和p-S16-3 在PTFE 表面饱和吸附量依次略有减小，分别为2.2×10-6mol/m2、2.2×10-6mol/m2和2.1×10-6mol/m2，说明烷基苯磺酸钠在PTFE 表面的饱和吸附量主要受体积较大的亲水基团控制，所以随着亲油基链长的增加，饱和吸附量变化不大。

图3 不同烷基苯磺酸钠水溶液在PTFE 片上吸附量随浓度的变化关系Fig.3 Relationship between the adsorption capcity of different alkyl benzene sulfonate aqueous solutions on PTFE sheets and its concentration

通过PTFE 对烷基苯磺酸钠表面活性剂的吸附性能测试表明：低能的PTFE 表面由于吸附极性的烷基苯磺酸钠，表面由亲油性向亲水性转变，表面更容易吸附离子和极性颗粒，造成PTFE 表面吸附物种复杂、产生污染。

3 PAM 在PTFE 上的吸附性能

为了更直观地体现PTFE 对吸附质的影响，采用能够产生更多吸附的PTFE 超滤膜来测试其对HPAM 的吸附性能。所采用的HPAM 是大庆炼化公司生产的2 500 万相对 分子质量聚合物。图4 为不同初始浓度HPAM 在PTFE 超滤膜上的吸附量随时间变化曲线。

图4 不同初始浓度HPAM 吸附量随时间变化曲线Fig.4 Curve of HPAM adsorption capacity with different initial concentrations varies with time

从图4可以看出，随着浓度的增加，HPAM在PTFE超滤膜上的吸附量增加，在20 h时，吸附基本达到平衡。HPAM 吸附在PTFE 表面，改变PTFE 表面性质，使极性离子和极性颗粒更容易在PTFE表面吸附，造成PTFE的表面污染。

理论研究表明，固体电介质除了本身可以导电之外，主要是其表面电导影响较大，PTFE 棒就可以看成固体电介质，其表面被污染之前，本身导电能力较差，但是其表面被污染之后，在其表面会产生表面电导。影响表面电导的因素主要是表面吸附的水膜以及表面清洁度对表面电导的影响。表面污染，特别是含有电解质的污染，将会引起固体电介质表面导电水膜的电阻率下降，从而使表面电导率上升。另外，固体电介质表面性质的改变也会对表面电导产生重要影响，当PTFE 表面吸附表面活性剂和PAM 时，使原本非极性表面变成极性表面，对水分子和杂质颗粒的吸引力增强，造成水在PTFE 表面的接触角减小，表面所吸附的水分子容易形成连续的水膜，使表面电导增加。

因此，由于PTFE 表面能够吸附表面活性剂和PAM，改变了其表面性质，更容易吸附极性的杂质颗粒和水分子，造成其表面电导增加，在一定电压下产生导电，甚至损毁。

4 结论

（1）烷基苯磺酸钠表面活性剂在PTFE 固体表面是物理吸附，低能的PTFE 表面由于吸附极性的烷基苯磺酸钠，表面由亲油性向亲水性转变，表面更容易吸附离子和极性颗粒，造成PTFE 表面吸附物种复杂、产生污染。

（2）HPAM 同样会通过氢键作用力吸附在PTFE表面，改变PTFE 表面性质，使极性离子和极性颗粒更容易在PTFE 表面吸附，造成PTFE 的表面污染。

（3）由于PTFE 表面能够吸附表面活性剂和PAM，改变了其表面性质，更容易吸附极性的杂质颗粒和水分子，造成其表面电导增加，在一定电压下产生导电，甚至损毁，是造成电脱水器绝缘部件导电烧损的内在因素。