环烷基石油磺酸盐复配体系微乳液性能评价*

阙庭丽 吴丛文 云庆庆 帕提古丽·麦麦提 邵洪志 常智勇 李凯 刘晓丽

1中国石油新疆油田分公司实验检测研究院

2新疆砾岩油藏实验室

3中国石油新疆油田分公司陆梁油田作业区

微乳液驱是化学驱的一种，是以微乳液作为驱油剂的驱油技术，该技术可使原油采收率提高到80%～90%[1-2]。中相微乳液是最理想的微乳液体系，具有较高的表界面活性和增溶能力[3]，通常是由表面活性剂、助剂、油和水或电解质水溶液在适当的比例下形成的外观为透明或半透明，具有热力学稳定的乳状液[4-5]。新疆油田驱油用表面活性剂环烷基石油磺酸盐（KPS）由环烷基原油经减二线馏分油磺化而成，与原油具有天然的相似相溶性，已应用在中国石油新疆油田分公司二元复合驱中[6]。但是KPS是一种成分复杂的混合物，并且经测试其亲水亲油平衡值（HLB）为6.08，需要与其他表活剂复配来满足中相微乳液的要求。脂肪醇聚氧乙烯醚羧酸钠(AEC-9)是一种温和、安全、易生物降解的多功能型阴离子和非离子复合型表面活性剂，由于其分子中含有乙氧基而具有良好的水溶性、抗硬水性、耐温耐盐性，近年来在油田的应用越来越广泛[7-10]。表面活性剂复配是提高微乳液性能、降低成本的有效手段，但目前关于KPS复配形成微乳液的报道较少。

本研究以KPS 与ACE-9 复配形成微乳液体系，考察了该体系的油水界面张力、复配比例、最佳盐浓度，在此基础上对助表面活性剂的种类进行优选，并确定了最佳醇浓度，研究了该体系的驱油性能。

1 实验

1.1 材料与仪器

KPS：活性物含量约为30.0%（质量分数，下同），未磺化油为8.9%，无机盐为4.6%，平均相对分子质量为452，新疆金塔集团有限公司；石蜡基油：饱和烃含量为67.7%，芳香烃含量为9.3%，胶质含量为8.9%，沥青质为2.2%，酸值为0.6 mg/g，中国石油新疆油田分公司B油井；AEC-9：活性物含量28.3%，上海楚星化工有限公司；正丙醇、异丙醇、正丁醇、正戊醇，NaCl 分析纯，天津市富宇精细化工有限公司；氯化钠：分析纯，天津市福晨化学试剂厂；人造砾岩岩心：尺寸3.8 cm×30 cm，渗透率为125.4 mD。

SDT 型旋转滴超低界面张力仪：德国KRUSSGmbH 公司；转盘式混匀器：德国IKA 公司；KS 4000i CS25 型控温摇床：德国IKA 公司；UE600烘箱：德国memmert公司。

1.2 实验方法

（1）制备微乳液。称取KPS、AEC-9、正丁醇和NaCl 于带刻度的试管中，油水体积比为5∶5，用转盘式混匀器混合均匀后，放入40 ℃恒温箱中静置，每隔一段时间读取各相体积数，直到每相体积稳定，并记录每相体积界面刻度。

（2）计算增溶参数。增溶参数定义为单位质量表面活性剂所增溶的油/水体积，公式为

式中：SPo、SPw分别表示增溶油和水的量，mL/g；Vo、Vw分别表示增溶油和水的体积，mL；m表示表面活性剂的质量，g。

（3）驱油实验测定步骤：将人造岩心抽空，用地层水饱和岩心，并在相同条件下使岩心饱和油，水驱至含水率98%，注入微乳液体系，后续水驱至含水率98%，计算微乳液体系提高采收率、含水率和剩余油饱和度。

2 结果与讨论

2.1 界面性能评价

表面活性剂KPS 和AEC-9 及其复配体系质量浓度对界面张力的影响见图1。从图1 可以看出，三种体系的界面张力性能都较好。当浓度大于0.5%（质量分数，下同）后，KPS界面张力上升较快，AEC-9界面张力低于KPS，这是由于KPS属于阴离子表面活性剂，在水溶液中会电离，盐度对其物理化学性质有所影响，而对阴-非离子表面活性剂的影响不大。此外，随着表活剂浓度的升高，KPS和AEC-9的界面张力都有所上升，而复配体系的界面张力则变化不大，在浓度为1%时界面张力最低，这是由于AEC-9 比较容易与水形成氢键，可以减少KPS分子在溶液内部发生自聚，同时，由于疏水相互作用使KPS 和AEC-9 复配体系中的胶束分子排列更紧密，形成稳定的混合胶束。

2.2 复配比例优选

在40 ℃条件下，将表面活性剂浓度为1%的KPS 和AEC-9 按一定比例（0∶1，2∶8，7∶3，5∶5，3∶7，1∶0）进行复配，分别测试其油水界面张力和最大中相微乳液的体积，测试结果见表1。KPS和AEC-9复配体系形成的中相微乳液体积均大于KPS、AEC-9 单独形成的中相微乳液。当KPS∶AEC-9 为5∶5 时，形成的中相微乳液体积最大，后续实验均按此配比进行。

表1 表面活性剂复配比对中相微乳液的影响Tab.1 Effect of surfactant compound ratio on mid-phase microemulsion

2.3 中相微乳液配方优选

KPS/AEC-9 复配体系微乳液正交实验设计见表2。其中KPS/AEC-9复配体系、NaCl和正丁醇的量均为质量分数。

表2 KPS/AEC-9复配体系微乳液正交实验设计Tab.2 Orthogonal experiment design of KPS/AEC-9 compounded system microemulsion

微乳液体系油相、水相、中相微乳液的体积见表3，正交实验结果见表4。从表3、表4 可以看出，三个因素对中相微乳液影响度程度顺序为：KPS/AEC-9 复配体系＞正丁醇＞NaCl。当KPS/AEC-9 复配体系、NaCl、正丁醇加量分别为1%、3.5%、1.25%时，微乳液接近最佳中相状态。

表3 正交实验结果Tab.3 Orthogonal experiment results

表4 正交实验结果分析Tab.4 Analysis of orthogonal experimental results

2.4 盐浓度对相态和增溶参数的影响

在40 ℃条件下，表面活性剂浓度为1%的KPS和AEC-9 按5∶5 的比例进行复配，对不同盐浓度下的复配体系进行盐度扫描，并通过公式（1）、公式（2）计算不同NaCl 浓度下的微乳液增溶参数SPo及SPw（图2）。由图2 可以看出，微乳液随着NaCl浓度的增加发生了从WinsorⅠ型到WinsorⅢ型再到WinsorⅡ型的转化过程。当NaCl 质量浓度低于22 300 mg/L 时，随着盐浓度的增加，部分氯化钠会中和界面膜中的电荷，使微乳液液滴的双电层发生压缩，同时降低表面活性剂的临界胶束浓度，使胶束聚集数增加，提高了对油的增溶量，形成WinsorⅠ型微乳液。当NaCl 质量浓度为22 300～50 000 mg/L时，表面活性剂亲油亲水性达到平衡状态，形成连续油相、连续水相同时存在的双连续型即WinsorⅢ型微乳液；当继续增加NaCl浓度大于50 000 mg/L 时，表面活性剂亲油性增强，双连续结构被打破，形成WinsorⅡ型微乳液[11-12]。同时，随着NaCl 浓度不断增加，SPo逐渐增大，SPw逐渐降低，复配的微乳液体系一边增溶油相，一边释放水相，SPw和SPo曲线的交点是最佳盐度，为36 000 mg/L。

图2 NaCl浓度对微乳液的影响Fig.2 Effect of NaCl concentration on microemulsion

2.5 助表面活性剂的筛选

在一定的盐浓度下，醇为调整中相微乳液HLB值的关键助剂。利用拟三元相图研究了KPS/AEC-9复配体系在40 ℃的条件下，正丙醇、异丙醇、正丁醇、正戊醇对微乳液的影响。由图3 可以看出，不同类型的醇作助表面活性剂时，形成的微乳液体系的拟三元相图有所不同，其中，正丁醇体系的微乳区面积最大，异丙醇的面积最小。这是由于在形成微乳液的过程中，作为助剂，醇通过调节油/水界面与表面活性剂形成吸附膜的HLB 值来降低界面张力、增加界面的柔性，从而促进微乳液的形成[13-15]。在这四种醇中，正丙醇、异丙醇的亲水性较强，而正戊醇的亲油性较强，它们在水相中或油相中的分布过多，降低界面膜的强度和稳定性使吸附膜变得松散，致使微乳液区域面积变小。

2.6 醇浓度对增溶参数的影响

在40 ℃条件下，表面活性剂浓度为1%的KPS和AEC-9 按5∶5 的比例进行复配，选择正丁醇为助剂，NaCl 浓度为36 000 mg/L，测试了醇浓度变化对微乳液的影响，并通过公式（1）、公式（2）计算不同醇浓度下的微乳液增溶参数SPo及SPw（图4）。可以看出，微乳液随着正丁醇浓度的增加发生了从WinsorⅠ型到WinsorⅢ型再到WinsorⅡ型的转化过程。随着正丁醇浓度增加，SPw降低、SPo增加。当正丁醇浓度低于0.8%时，形成WinsorⅠ型微乳液；随着盐浓度的增加，当正丁醇浓度为0.8%～1.6%时，形成WinsorⅢ型微乳液；当继续增加正丁浓度大于1.6%时，形成WinsorⅡ型微乳液。随着正丁醇浓度不断增加，SPo逐渐增大，SPw逐渐降低，SPw和SPo曲线的交点是最佳盐度，为1.25%。

图4 正丁醇浓度对微乳液的影响Fig.4 Effect of n-butanol concentration on microemulsion

2.7 驱油效率

在中国石油新疆油田分公司A 井区油藏条件下，采用人造砾岩岩心，测试了KPS/AEC-9 复配体系微乳液（表面活性剂浓度为1%，复配比例为5∶5，NaCl 质量浓度为36 000 mg/L，正丁醇浓度为1.25%）的驱油性能，结果见图5。加入KPS/AEC-9 复配微乳液体系驱后，提高采收率为33.0%、含水率最大降幅为64.0%，微乳液驱油体系显示出了良好的降水增油效果。

图5 驱油实验Fig.5 Oil displacement experiment

3 结论

（1）KPS、AEC-9以及复配体系KPS/AEC-9的界面张力性能都较好，在质量分数为0.3%～2.0%范围内可以达到超低界面张力（小于1×10-2mN/m）。在浓度为1% 时复配体系界面张力最低，KPS ∶AEC-9 复配比例为5∶5 时，形成的中相微乳液体积最大。

（2）不同类型的醇作助表面活性剂时，形成的微乳液体系的拟三元相图有所不同，其中，正丁醇体系的微乳区面积最大，异丙醇的面积最小。

（3）NaCl 和正丁醇的浓度对微乳液相态的影响较大。当正丁醇的浓度为1.25%，NaCl的质量浓度范围为22 300～50 000 mg/L时可形成WinsorⅢ型微乳液；当NaCl 的质量浓度为36 000 mg/L、正丁醇的浓度为1.25%时可形成WinsorⅢ型微乳液。

（4）当KPS/AEC-9 复配体系浓度为1%，复配比例为5∶5，NaCl 质量浓度为36 000 mg/L、正丁醇浓度为1.25%时形成的中相微乳液界面张力最低、相态最佳，增溶能力最强、驱油性能最好，提高采收率为33.0%，含水率最大降幅为64.0%，显示出了良好的降水增油效果。