石油磺酸鹽／烷醇酰胺復配體系吸附損耗及色譜分離研究

于 群，郭淑鳳，李青華，劉 煜

（中國石化勝利油田地質(zhì)科學研究院，山東 東營257015）

隨著表面活性劑在三次采油中的廣泛應用，出現(xiàn)了許多性能較優(yōu)的新型表面活性劑［1-3］。大量研究發(fā)現(xiàn)，復合驅(qū)中單一驅(qū)油劑體系通常存在一些不足，很難滿足現(xiàn)場實際需求［4］；將不同類型驅(qū)油劑進行復配，復配體系可表現(xiàn)出比單一驅(qū)油劑更為優(yōu)越的性能［5-9］，表明驅(qū)油劑復配體系在三次采油技術(shù)中有著巨大的應用前景。這種復配驅(qū)油劑表現(xiàn)出的比單一驅(qū)油劑更為優(yōu)越的性能現(xiàn)象，被稱為驅(qū)油劑協(xié)同增效作用［10］。

由于不同驅(qū)油劑組成和結(jié)構(gòu)不同，它們與巖層接觸后會表現(xiàn)出不同的吸附性能。如果復配體系中兩種驅(qū)油劑在巖石上吸附損失不能按其復配比例同等減少的話，就會出現(xiàn)嚴重的驅(qū)油劑色譜分離現(xiàn)象，從而影響驅(qū)油劑復配體系的驅(qū)油性能［11］。為避免此類現(xiàn)象發(fā)生，在復配體系性能評價時，必須將其吸附性能和抗色譜分離能力作為重要技術(shù)指標進行考察。復合驅(qū)的特點是選擇性強，作用機理復雜［12-15］，研究復合驅(qū)中驅(qū)油劑的吸附損耗和色譜分離對驅(qū)油性能和效果評價具有深刻意義。

本文針對石油磺酸鹽／烷醇酰胺復配體系，進行吸附損耗和色譜分離規(guī)律研究，獲得石油磺酸鹽和烷醇酰胺的吸附量及它們之間的色譜分離模型，實驗結(jié)果對三次采油復配體系配方的篩選和優(yōu)化具有重要的指導意義。

1 實驗部分

1.1 原料與儀器

石油磺酸鹽、烷醇酰胺，工業(yè)品，自制；Agilent 1100型高效液相色譜儀，美國Agilent公司。

1.2 濃度測定

分別建立石油磺酸鹽和烷醇酰胺的高效液相色譜分析方法，方法檢測限10mg／L。

1.3 吸附損耗

吸附實驗條件為：溫度70℃，石油磺酸鹽和烷醇酰胺的質(zhì)量濃度0.4%，溶液體積（mL）和油砂質(zhì)量（g）比3∶1，礦化度19 334mg／L，鈣鎂離子濃度514mg／L（礦化度和鈣鎂離子濃度參考勝利油田勝二區(qū)地層水條件）。

1.4 色譜分離

石油磺酸鹽和烷醇酰胺在油砂中的運移速度不同，導致它們在油砂中存在色譜分離現(xiàn)象。雖然兩者之間可能發(fā)生色譜分離，但同時可能會存在部分重疊交錯現(xiàn)象，為了表達它們之間色譜峰重疊程度，引入色譜分離度指標Rs進行評價，計算如下：

式中：V1和V2分別代表流出液中石油磺酸鹽和烷醇酰胺最大濃度點對應的洗脫體積，mL；W1和W2分別代表石油磺酸鹽和烷醇酰胺洗脫完全所用的洗脫體積，mL。

Rs越大，表明兩者之間色譜分離程度越明顯，石油磺酸鹽和烷醇酰胺之間相互接觸的部分越少；Rs越小，兩者之間重疊部分越明顯，此時，有一定濃度的石油磺酸鹽和烷醇酰胺相互混合在一起。

復配體系中石油磺酸鹽和烷醇酰胺的濃度均為0.2%，溫度為70℃，進樣量為1.0PV，流速為0.23mL／min，油砂管長度為10cm、內(nèi)徑為1cm，礦化度為19 334mg／L，鈣鎂離子濃度為514mg／L。

1.5 數(shù)值分析

SPSS軟件是一個組合式軟件包，它集數(shù)據(jù)錄入、整理、分析功能于一身。本文采用SPSS11.5軟件進行數(shù)值分析，建立色譜分離模型。當計算洗脫體積時，以濃度為50mg／L為閾值進行計算，洗脫液濃度小于50mg／L時，表面活性劑的量已較低，忽略不計。

2 結(jié)果與討論

2.1 吸附量

石油磺酸鹽來源廣，配伍性、水溶性好，應用十分廣泛。但單一石油磺酸鹽難以獲得較優(yōu)界面活性，與其他類型表面活性劑進行復配，可達到較優(yōu)驅(qū)油效果，石油磺酸鹽／烷醇酰胺體系即是其中一種配方體系，該配方在油田現(xiàn)場也獲得一定應用。

根據(jù)圖1～圖3可知：石油磺酸鹽和烷醇酰胺均可在較短時間內(nèi)達到吸附平衡（＜6h），由于油砂表面具有電負性，因此陰離子表面活性劑石油磺酸鹽的吸附量較非離子表面活性劑烷醇酰胺的低，兩者的平衡吸附分別為1.2mg／g和6.9 mg／g，最大吸附分別為7.0mg／g和10.3mg／g。

圖1 石油磺酸鹽吸附時間與吸附量的關(guān)系

圖2 石油磺酸鹽質(zhì)量濃度的吸附量的關(guān)系

圖3 烷醇酰胺平衡吸附量和最大吸附量

礦化度對吸附量的影響見表1。由表1可以看出：鈣鎂離子濃度固定的條件下，石油磺酸鹽的吸附量不受礦化度高低的影響；而烷醇酰胺受其影響較為明顯。

表1 礦化度對吸附量的影響

油砂表面的電負性導致陰離子表面活性劑石油磺酸鹽的吸附量相對較低，礦化度對鹽水體系雙電層的影響不足以改變其靜電斥力，因此石油磺酸鹽的吸附量幾乎不發(fā)生變化。對于非離子表面活性劑烷醇酰胺而言，在電負性油砂表面的吸附主要包括物理吸附和化學吸附，范德華引力以及親水基與油砂表面極性基團之間的氫鍵相互作用力。隨著礦化度的增大，親水基與油砂表面極性基團之間的氫鍵相互作用力減弱，導致吸附量降低；隨著礦化度的進一步增大，鹽析作用增強，使其脫離水相的趨勢增大，吸附量稍有增加。

鈣鎂離子濃度對吸附量的影響見表2。由表2可以看出：鈣鎂離子濃度對石油磺酸鹽的吸附量無影響，對烷醇酰胺的吸附量在一定范圍內(nèi)隨其濃度增加而增大。在濃度相同的情況下，電解質(zhì)鹽析作用的大小順序是CaCl2＞ MgCl2＞NaCl，鈣鎂離子鹽析作用較強。隨著鈣鎂離子濃度的增大，鹽析作用增強，使表面活性劑脫離水相的趨勢增大，導致烷醇酰胺的吸附量有增大的趨勢。

表2 鈣鎂離子濃度對吸附量的影響

溫度對吸附量的影響見表3。由表3可以看出：在礦化度和鈣鎂離子濃度固定的條件下，石油磺酸鹽的吸附量隨著溫度的增加而增加，這是因為隨著溫度的增加，油砂吸附位點增多，有利于表面活性劑的吸附。但對于烷醇酰胺而言，一方面隨著溫度的增加，吸附位點增加，吸附量增加；另一方面隨著溫度的增加，分子熱運動加劇，同時會導致氫鍵的斷裂，親水基與油砂表面極性基團之間的氫鍵相互作用力減弱，吸附量降低；兩種作用共同作用，導致烷醇酰胺吸附量出現(xiàn)先降低后增大的趨勢。

表3 溫度對吸附量的影響

2.2 色譜分離模型

根據(jù)吸附實驗結(jié)果可知，石油磺酸鹽和烷醇酰胺吸附量差別較大，吸附損耗不能按其復配比例同等減少，因此會導致色譜分離現(xiàn)象的發(fā)生，結(jié)果見圖4。

石油磺酸鹽和烷醇酰胺復配體系是否可以起到協(xié)同作用，取決于兩者之間是否有效的混合在一起。如果發(fā)生色譜分離現(xiàn)象，且色譜分離程度較為嚴重，則復配體系經(jīng)過地層運移后會使其成為兩個單獨體系，顯然起不到協(xié)同作用。如果雖然發(fā)生色譜分離現(xiàn)象，但依然有相當部分石油磺酸鹽和烷醇酰胺之間存在交叉、重疊，則重疊部分可能對驅(qū)油結(jié)果會起到協(xié)同效果。為此，本文建立色譜分離模型，考察兩者之間的色譜重疊程度，以此為標準對該體系是否起到協(xié)同效果進行評價。

圖4 石油磺酸鹽／烷醇酰胺體系色譜分離

由圖4可見，Rs≥1.5時，色譜完全分離，Rs＜1.5時，色譜發(fā)生重疊；Rs數(shù)值越小，色譜重疊越嚴重。以進樣量X1和溫度X2為變量，進行模型的建立，如下：

由該數(shù)值模型可知，溫度越高、進樣量越大，Rs越小，即色譜重疊越明顯。

以洗脫液濃度50mg／L為閾值進行統(tǒng)計分析時，發(fā)現(xiàn)：在進樣量較低時，如0.2PV、0.5PV條件下，Rs＞1.5，表明石油磺酸鹽和烷醇酰胺達到完全分離，不存在色譜重疊現(xiàn)象；增大進樣量為1.0PV時，Rs有小于1.5的趨勢，但此時溫度需高于85℃。如果在礦場溫度85℃條件下，進樣量小于1.0PV時，石油磺酸鹽和烷醇酰胺不發(fā)生色譜重疊。

3 結(jié) 論

a.石油磺酸鹽的吸附量低于烷醇酰胺，兩者平衡吸附量分別為1.2mg／g和6.9mg／g，最大吸附分別為7.0mg／g和10.3mg／g；

b.礦化度、鈣鎂離子濃度和溫度對石油磺酸鹽和烷醇酰胺的吸附量影響趨勢不同；

c.進樣量越大、溫度越高，石油磺酸鹽和烷醇酰胺之間的色譜重疊程度越大；

d.在礦場條件溫度不高于85℃、注入量小于1.0PV的情況下，以洗脫液濃度50mg／L為評價標準，石油磺酸鹽和烷醇酰胺達到了完全色譜分離。

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