三元復(fù)合驅(qū)體系各組分靜態(tài)吸附規(guī)律

張麗波，蔡紅巖，王 強(qiáng)，范洪富，唐 蒙，陳海匯

（1.中國地質(zhì)大學(xué)（北京）能源學(xué)院，北京100083；2.中國石油勘探開發(fā)研究院提高石油采收率國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100083）

三元復(fù)合驅(qū)體系各組分靜態(tài)吸附規(guī)律

張麗波1，蔡紅巖2，王 強(qiáng)2，范洪富1，唐 蒙1，陳海匯1

（1.中國地質(zhì)大學(xué)（北京）能源學(xué)院，北京100083；2.中國石油勘探開發(fā)研究院提高石油采收率國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100083）

當(dāng)三元復(fù)合驅(qū)體系各組分流經(jīng)地下多孔性油藏時，與巖石基質(zhì)長時間作用會引起各組分吸附損失，甚至使各組分脫離最佳配比，影響驅(qū)油效率。為了盡量減少吸附損失，提高驅(qū)油效率，研究了一元、二元、三元體系中各組分在蘇丹油田油砂上的吸附量，比較了同一化學(xué)劑在不同體系中吸附量的差別，并分析了各組分間相互作用對吸附量的影響。結(jié)果表明：對于一元體系，石油磺酸鹽和碳酸鈉在砂粒表面的最大吸附量分別為4.82和1.50 mg/g；而在石油磺酸鹽質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.1%的表面活性劑—聚合物二元體系中，石油磺酸鹽在砂粒表面的吸附量降至3.55 mg/g；在三元體系中，碳酸鈉在砂粒表面的吸附量增至1.70 mg/g，且當(dāng)堿的質(zhì)量分?jǐn)?shù)超過1.0%后，表面活性劑和聚合物的吸附量均持續(xù)上升。在各組分之間的綜合作用中，當(dāng)堿的質(zhì)量分?jǐn)?shù)小于1.0%時，聚合物降低擴(kuò)散速率居于主導(dǎo)地位，而大于1.0%后，聚合物的水解作用占主導(dǎo)地位。

三元復(fù)合驅(qū)表面活性劑堿聚合物靜態(tài)吸附蘇丹油田

三元復(fù)合驅(qū)在油田的實(shí)驗(yàn)研究中取得了良好的效果，逐漸成為三次采油研究的重點(diǎn)。它發(fā)揮了表面活性劑、堿、聚合物的協(xié)同效應(yīng)，通過提高驅(qū)油效率和波及系數(shù)，使原油采收率大幅度提高［1-5］。當(dāng)三元復(fù)合驅(qū)體系各組分通過多孔性油藏時，由于與巖石基質(zhì)的長時間作用，如巖石的吸附、熱作用和細(xì)菌作用等，使各組分的濃度相應(yīng)降低，甚至?xí)?dǎo)致各組分偏離最佳配方［6-9］，從而影響驅(qū)油效果和經(jīng)濟(jì)成本。了解各組分綜合作用引起的吸附規(guī)律可用以指導(dǎo)并調(diào)節(jié)配方體系各組分比例，從而提高驅(qū)油效率。目前對表面活性劑、聚合物等單組分的吸附規(guī)律研究較多，而對于三元復(fù)合驅(qū)體系中表面活性劑、堿、聚合物綜合作用造成的吸附規(guī)律研究較少。為此，筆者研究了蘇丹油田三元復(fù)合驅(qū)體系中各組分綜合作用造成的靜態(tài)吸附量變化規(guī)律。

1 實(shí)驗(yàn)器材與實(shí)驗(yàn)步驟

實(shí)驗(yàn)試劑包括：石油磺酸鹽A2；聚丙烯酰胺，平均相對分子質(zhì)量約為3 500×104；碳酸鈉，分析純；油砂，由蘇丹油田地層巖心粉碎后，篩選出80～100目的供使用；蘇丹油田地層模擬水，組分包括CaCl2，MgCl2·6H2O，KCl，NaHCO3和NaCl，各組分質(zhì)量濃度分別為13.3，6.5，18.3，779.1和433.5 mg/L。實(shí)驗(yàn)儀器包括：PL403-1 C電子天平、UFE500烘箱、巖心粉碎機(jī)、ZD-85A氣浴恒溫振蕩器、HJ-6A多頭磁力加熱攪拌器、P/SPLUS-CC粘度儀、酸堿滴定器和TU-1901紫外可見分光光度計(jì)。

實(shí)驗(yàn)步驟為：①用蘇丹油田地層模擬水配制一元、二元、三元體系溶液，其中石油磺酸鹽質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.05%～0.3%，碳酸鈉質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.60%～1.20%，聚丙烯酰胺質(zhì)量濃度為600～1 400 mg/L；②將油砂與溶液按質(zhì)量比為1∶9混合均勻后放入ZD-85A氣浴恒溫振蕩器中（實(shí)驗(yàn)溫度為80℃），振蕩12 h使其充分接觸［10］；③采用海明1622［5］兩相滴定法繪制石油磺酸鹽標(biāo)準(zhǔn)曲線備用，測定吸附前后分別消耗的海明1622溶液體積，在標(biāo)準(zhǔn)曲線上查出其質(zhì)量，從而計(jì)算吸附量，確定石油磺酸鹽在不同條件下的吸附量變化規(guī)律；④采用酸堿滴定法測定吸附前后碳酸鈉在不同條件下的吸附量變化規(guī)律；⑤采用淀粉—碘化鎘光度法［11］繪制聚丙烯酰胺的標(biāo)準(zhǔn)曲線備用，分別測定吸附前后溶液的吸光度，在標(biāo)準(zhǔn)曲線上查出其質(zhì)量濃度，從而計(jì)算聚丙烯酰胺的吸附量，確定聚合物在不同條件下吸附量變化規(guī)律。

石油磺酸鹽標(biāo)準(zhǔn)曲線繪制方法：①分別量取1，2，5，10和15 mL石油磺酸鹽參比樣品溶液倒入100mL具塞量筒中；②加入5 mL混合指示劑（由450 mL百里香酚藍(lán)和60 mL亞甲基藍(lán)溶液混合，用蒸餾水稀釋至1 000 mL配制而成），5 mL硫酸鈉酸性溶液，加入蒸餾水使水相保持30 mL，加入15 mL三氯甲烷，搖勻；③用海明1622溶液滴定，下層由無色變成淡綠色為滴定終點(diǎn)，上層（參考）由粉紅色變?yōu)闊o色或淡綠色，記錄消耗海明1622溶液的體積（V1），以該值為橫坐標(biāo)，石油磺酸鹽參比樣品質(zhì)量為縱坐標(biāo)，繪制標(biāo)準(zhǔn)曲線，計(jì)算斜率，將其作為所測樣品的計(jì)算因子（A1）；④用相同的方法滴定待測樣品，記錄消耗的海明1622溶液的體積（V2），在標(biāo)準(zhǔn)曲線上查出樣品的質(zhì)量。

聚丙烯酰胺標(biāo)準(zhǔn)曲線繪制方法：①用蘇丹油田地層模擬水配制質(zhì)量濃度為1 000 mg/L的聚丙烯酰胺溶液備用；②用蘇丹油田地層模擬水稀釋成質(zhì)量濃度分別為10，20，30，40，50，60，70，80，90和100 mg/L的標(biāo)準(zhǔn)溶液；③在最佳實(shí)驗(yàn)條件（最佳波長為590 nm）下，分別取2 mL不同質(zhì)量濃度的標(biāo)準(zhǔn)溶液，采用淀粉—碘化鎘法測其吸光度，以該值為橫坐標(biāo)，聚丙烯酰胺質(zhì)量濃度為縱坐標(biāo)，繪制標(biāo)準(zhǔn)曲線，計(jì)算斜率，將其作為所測樣品的計(jì)算因子（A2）；④測定樣品的吸光度，在標(biāo)準(zhǔn)曲線上查出其質(zhì)量濃度。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 標(biāo)準(zhǔn)曲線

由實(shí)驗(yàn)結(jié)果（圖1）可見，滴定消耗的海明1622溶液的體積與石油磺酸鹽的質(zhì)量呈線性相關(guān)關(guān)系，A1為0.991；聚丙烯酰胺的質(zhì)量濃度與其吸光度亦呈線性相關(guān)關(guān)系，A2為221.3。

圖1 石油磺酸鹽和聚丙烯酰胺標(biāo)準(zhǔn)曲線

2.2 石油磺酸鹽靜態(tài)吸附量變化規(guī)律

在一元體系中，石油磺酸鹽的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為0.05%，0.1%，0.2%和0.3%，其在砂粒表面的吸附量分別為0.80，2.32，4.82和4.64 mg/g。結(jié)果表明，石油磺酸鹽的吸附規(guī)律可以分為2段：隨著石油磺酸鹽質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增大，吸附量快速增加；達(dá)到一定質(zhì)量分?jǐn)?shù)后，吸附量緩慢減小，其在砂粒表面的最大吸附量為4.82 mg/g。Ⅰ段符合Henry定律，表面活性劑的吸附量與其質(zhì)量分?jǐn)?shù)成正比，吸附主要由靜電引力引起且烷烴鏈與礦物表面有較強(qiáng)的作用，以單層吸附狀態(tài)存在；Ⅱ段吸附量隨質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加而減小，固體表面的最佳吸附位已被完全占據(jù)形成雙層吸附，由于第2吸附層表面負(fù)電荷的存在開始出現(xiàn)表面排斥作用，造成少量吸附顆粒脫落，因此有緩慢降低趨勢［9］。

在石油磺酸鹽質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.1%的表面活性劑—聚合物二元體系中，聚丙烯酰胺質(zhì)量濃度從600 mg/L增大到1 400 mg/L時，石油磺酸鹽在砂粒表面的吸附量從4.05 mg/g逐漸降低到3.55 mg/g；在聚丙烯酰胺質(zhì)量濃度為1 200 mg/L時，其吸附量達(dá)到穩(wěn)定，為3.55 mg/g，其原因是聚合物一方面與表面活性劑發(fā)生競爭吸附，另一方面會增大體系粘度，降低體系的擴(kuò)散速度，從而在一定程度上降低了表面活性劑的吸附量［12］。而在石油磺酸鹽質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.1%的堿—表面活性劑二元體系中，當(dāng)碳酸鈉的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為0.6%，0.8%，1.0%和1.2%時，石油磺酸鹽在砂粒表面的吸附量分別為1.34，2.50，2.57和3.94 mg/g。結(jié)果表明，隨著堿質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加，表面活性劑的吸附量持續(xù)增加，其原因是雖然堿與地層作用消耗一部分正電荷，降低了表面活性劑的吸附量，但是隨著堿質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增大，巖石表面的擴(kuò)散雙電層被壓縮，減少了電荷斥力，使表面活性劑吸附量增大［13-14］，且該作用處于主導(dǎo)地位。

當(dāng)聚丙烯酰胺的質(zhì)量濃度為1 000 mg/L時，在三元體系中石油磺酸鹽的吸附量隨碳酸鈉質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加逐漸降低，當(dāng)碳酸鈉的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.8%時達(dá)到最低值，石油磺酸鹽的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.05%～0.3%時，其在砂粒表面的吸附量為0.80～3.92 mg/g，之后隨著碳酸鈉質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加吸附量持續(xù)上升（圖2）。在三元體系中各組分間的相互作用比較復(fù)雜，比較一元、二元及三元體系中石油磺酸鹽的吸附量可以看出，當(dāng)堿質(zhì)量分?jǐn)?shù)小于0.8%時，聚合物的作用比較明顯，一定程度上可以降低表面活性劑的吸附量；而當(dāng)堿的質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于0.8%時，堿的作用居于主導(dǎo)地位，堿一方面與聚合物發(fā)生水解降低聚合物在體系中的作用，另一方面壓縮雙電子層降低靜電斥力，而造成表面活性劑吸附量持續(xù)上升。

圖2 三元體系中石油磺酸鹽吸附量的變化

2.3 碳酸鈉靜態(tài)吸附量變化規(guī)律

在一元體系中碳酸鈉的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為0.6%，0.8%，1.0%，1.2%時，其在砂粒表面吸附量分別為0.95，1.42，1.50，1.50 mg/g。結(jié)果表明，隨著堿質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加其吸附量先逐漸增加后趨于穩(wěn)定，其最終吸附量穩(wěn)定為1.50 mg/g。由于堿一方面會與地層巖石發(fā)生離子交換，另一方面與地層中的酸性物質(zhì)發(fā)生化學(xué)溶蝕反應(yīng)［15-17］，造成堿的吸附量逐漸增加，隨著各種反應(yīng)的平衡其損耗量逐漸趨于穩(wěn)定。

在碳酸鈉的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.8%的堿—表面活性劑二元體系中，石油磺酸鹽的質(zhì)量分?jǐn)?shù)從0.05%增大到0.3%時，碳酸鈉在砂粒表面的吸附量從1.41 mg/g逐漸降低到1.24 mg/g。在石油磺酸鹽質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到0.2%以后，碳酸鈉的吸附量趨于穩(wěn)定，其穩(wěn)定吸附量為1.24 mg/g。這主要是由于表面活性劑與堿存在競爭吸附，使得二元體系堿的吸附量小于一元體系堿的吸附量。在碳酸鈉的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.8%的堿—聚合物二元體系中，碳酸鈉的吸附規(guī)律可分為3個階段：Ⅰ段隨著聚丙烯酰胺質(zhì)量濃度的增加碳酸鈉的吸附量逐漸降低，在聚丙烯酰胺的質(zhì)量濃度為800 mg/L時達(dá)到最低值，其吸附量為1.35 mg/g；Ⅱ段隨著聚丙烯酰胺質(zhì)量濃度的增加碳酸鈉的吸附量持續(xù)增加，在聚丙烯酰胺質(zhì)量濃度為1 100 mg/L時達(dá)到最大吸附量，為1.60 mg/g；Ⅲ段隨著聚丙烯酰胺質(zhì)量濃度的增加，碳酸鈉的吸附量基本不再發(fā)生變化。Ⅰ段由于聚合物對體系擴(kuò)散速度的降低使得組分的吸附量降低；Ⅱ段隨著聚合物質(zhì)量濃度的升高，堿與聚合物之間的水解作用居于主導(dǎo)地位，使得堿的吸附量持續(xù)增加；Ⅲ段隨著各種作用的平衡，使得堿的吸附量也趨于穩(wěn)定。

在聚丙烯酰胺質(zhì)量濃度為1 000 mg/L的三元體系中，隨著碳酸鈉質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，碳酸鈉在砂粒表面的吸附量先逐漸增加后達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，其最終穩(wěn)定值為1.7 mg/g（圖3）。由此可見，在三元體系中表面活性劑對堿損耗量的影響很小，當(dāng)堿質(zhì)量分?jǐn)?shù)小于1.0%時，隨堿質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加堿的吸附量快速增加，這主要是堿與聚合物的水解作用引起的；而當(dāng)堿質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于1.0%后，堿與聚合物之間的反應(yīng)達(dá)到平衡，堿的吸附量不再變化。在各組分間的作用中，堿與聚合物之間的水解作用居于主導(dǎo)作用。

圖3 三元體系中碳酸鈉吸附量的變化

2.4 聚丙烯酰胺靜態(tài)吸附量變化規(guī)律

在聚丙烯酰胺質(zhì)量濃度為1 000 mg/L的三元體系中，當(dāng)碳酸鈉的質(zhì)量分?jǐn)?shù)小于1.0%時，隨著碳酸鈉質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，聚丙烯酰胺的損耗量基本保持不變，但當(dāng)碳酸鈉的質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到1.0%后，隨著碳酸鈉質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，聚丙烯酰胺的損耗量持續(xù)上升（圖4），這主要是堿與聚合物的水解作用導(dǎo)致的，在三元體系中表面活性劑對聚合物的影響較小。

圖4 三元體系中聚丙烯酰胺吸附量的變化

3 結(jié)論

以蘇丹油田三元復(fù)合驅(qū)體系為例，進(jìn)行了各組分綜合作用造成靜態(tài)吸附量變化的研究，結(jié)果表明，聚合物可以有效降低表面活性劑的吸附量，加入聚合物后，表面活性劑在砂粒表面的吸附量從4.82 mg/g降低到3.55 mg/g。聚合物和堿之間的相互作用較明顯，隨著堿質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，聚合物和堿之間的作用逐漸占據(jù)主導(dǎo)地位，可以使堿在砂粒表面的吸附量從1.50 mg/g增大到1.70 mg/g。當(dāng)堿質(zhì)量分?jǐn)?shù)小于1.0%時，聚合物質(zhì)量濃度基本不變，當(dāng)堿質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于1.0%時，聚合物與堿作用加強(qiáng)，聚合物的吸附量快速增加。

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編輯劉北羿

TE357.43<文獻(xiàn)標(biāo)識碼：a class="emphasis_bold"> 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文章編號：10文獻(xiàn)標(biāo)識碼：a

10

A文章編號：1009-9603（2014）02-0032-03

2014-01-15。

張麗波，女，在讀碩士研究生，從事油氣田開發(fā)研究。聯(lián)系電話：18810547808，E-mail：314991649@qq.com。

中國石油天然氣股份有限公司重大科技專項(xiàng)課題“蘇丹油砂油藏穩(wěn)油控水及提高采收率技術(shù)研究與應(yīng)用”（2011E-2507）。