最佳中相微乳液驅油體系研究

周冰靈，楊　儉，張　靜，李新發(fā)，楊　震

（1.東北石油大學提高采收率教育部重點實驗室，黑龍江大慶163318；2.中石油煤層氣有限責任公司臨汾分公司，山西臨汾042200；3.中石油玉門油田公司，甘肅酒泉735019）

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最佳中相微乳液驅油體系研究

周冰靈1，楊儉2，張靜3，李新發(fā)3，楊震3

（1.東北石油大學提高采收率教育部重點實驗室，黑龍江大慶163318；2.中石油煤層氣有限責任公司臨汾分公司，山西臨汾042200；3.中石油玉門油田公司，甘肅酒泉735019）

摘要：微乳液驅油是提高油藏采收率的有效方法，關鍵因素在于微乳液可以使原油驅替液的界面張力降低到10(-3)～10(-4)mN·m(-1)的超低水平，并使原油在鹽水中的增溶量達到最大值。采用擬三元相圖法，篩選出了SDS表面活性劑、正丁醇、Km=1.5，其增溶性較好，試劑消耗量最少；應用正交實驗獲得了制備最佳中相微乳液驅油體系配方，并分別對SDS濃度、正丁醇濃度和Na2CO3濃度進行了掃描，得到的體積相圖和增溶參數圖，得出：Vo=Vw，SPo=SPw，體系達到了最佳中相。該體系可作為“三采”中的驅油劑，用于提高油藏采收率。

關鍵詞：微乳液；采收率；增溶性；界面張力

微乳液驅油是以微乳液作為驅油劑的驅油法[ 1-3 ]，提高原油采收率所用的微乳液由表面活性劑、低碳醇、鹽水及油相（或不含油）組成，注液量一般為巖層孔體積的3%～20%。注入微乳液后，油藏中殘留在巖石孔隙中的原油界面張力急劇降低至10-3～10-4mN·m-1數量級，從而使油滴容易變形流動，隨后聯合聚并形成油墻而被采出。因此，微乳液驅油是一種很有發(fā)展前途的三次采油技術。當中相微乳液和油水的界面張力σmo=σmw時，體系界面張力σc達到最小，對應于油水增溶參數SPo=SPw，體系增溶參數Sp也最大[4，5]。微乳液驅油的機理很復雜，但關鍵因素還在于微乳液可以使原油驅替液的界面張力降低到10-3～10-4mN·m-1的超低水平，并使原油在鹽水中的增溶量達到最大值[6]。開展最佳中相微乳液驅油體系研究，主要目的是篩選形成微乳液需要表面活性劑量少且增溶量較大的微乳液組分，并且確定其最佳中相微乳液配方，為微乳液驅油研究提供理論基礎。

1　實驗部分

1.1試劑與儀器

油相（煤油）；地層水（礦化度為3700mg·L-1）；Na2CO3；正丙醇、正丁醇、正戊醇；十二烷基硫酸鈉（SDS）、十二烷基磺酸鈉（AS）、甜菜堿。

恒溫箱；ALC-210.4電子天平；EMS-3A型加熱定時磁力攪拌器；25mL具塞比色管若干；堿式滴定管等。

1.2微乳液組分篩選

采用水滴定法，優(yōu)選微乳液體系組分。選用表面活性劑分別為SDS、AS、甜菜堿，改變表面活性劑和油相的比例，利用磁力攪拌器充分混合后，使用堿式滴定管逐滴滴加地層水，滴定至溶液剛好渾濁，分別記錄各自滴加水體積，利用Origin8.0繪制擬三元相圖。

同樣方法，選用醇分別為正丙醇、正丁醇、正戊醇，km值（助表面活性劑與表面活性劑質量比）分別為1、1.5、2、3、4，繪制擬三相相圖，即可優(yōu)選出微乳液最佳組分。

1.3最佳中相微乳液體系確定

1.3.1正交實驗設計體系包括5種組分：煤油、地層水、SDS、正丁醇、Na2CO3。固定油水體積比為1∶1，調節(jié)SDS、正丁醇和Na2CO3三因素的濃度水平，記錄微乳液相和剩余油水相體積，分析正交實驗結果，從而優(yōu)選出最佳中相微乳液體系配方。

1.3.2 Winsor相圖和增溶參數圖的繪制固定油水體積比為1∶1，取規(guī)定量正丁醇和Na2CO3，表面活性劑為一系列不同濃度的SDS溶液。利用磁力攪拌器充分混合后，在45℃恒溫箱中靜置10h，到各相達到相平衡，記錄各相體積，繪制相體積表活劑濃度圖。同樣方法，在其他組分不變條件下，繪制相體積鹽度圖和相體積醇濃度圖。

為便于研究，定義增溶參數為單位質量表面活性劑所增溶的油/水體積：

式中SPW：增溶的水和油的量，g·mL-1；VW、VO：增溶的水和油的體積，mL；ms：表面活性劑質量。

2　結果與分析

2.1組分篩選實驗

為了獲得好的微乳液驅油體系，以便延長體系的混相驅替過程，要求形成微乳液需要最小的表面活性劑用量，同時增溶能力也很好，即將擬三元相圖的雙結點曲線位置壓低。因此，利用擬三元相圖進行優(yōu)化選擇表活劑類型、助表面活性劑和助/表面活性劑的質量比。實驗結果見圖1～3。

圖1　表面活性劑種類對微乳液的影響Fig.1　Effect of types of surfactant on microemulsion

圖2　醇種類對微乳液的影響Fig.2　Effect of types of alcohol on microemulsion

圖3　Km對微乳液的影響Fig.3　Effect of Kmon microemulsion

由圖1～3可知，選擇SDS、正丁醇和Km為1.5時，擬三元相圖的雙結點曲線都較低，從而確定了微乳液組分。

2.2最佳中相微乳液驅油體系的確定

2.2.1正交實驗結果分析在篩選出表面活性劑、醇和Km值的基礎上，設計了正交實驗，以微乳液體系中剩余油相和剩余水相體積差|Vo-Vw|=△V為評判指標，△V越小，體系越接近最佳中相微乳液體系。

表1　正交實驗結果Tab.1　Experimental results of the orthogonal test

從表1中可知，以△V為評判指標，影響因素從主到次依次為正丁醇濃度、SDS濃度、Na2CO3濃度，最佳中相的最佳條件是CSDS=4%、C正丁醇=7%、CNa2CO3=3%。

2.2.2體系組成對相態(tài)和增溶參數的影響45℃條件下，在SDS/正丁醇/Na2CO3/煤油/地層水體系中，固定油水體積比為1∶1，分別改變SDS、正丁醇和Na2CO3的濃度，得到相態(tài)圖和增溶參數圖。

圖4　SDS濃度對微乳液的影響Fig.4　Effect of SDS on microemulsion

在表面活性劑濃度低于臨界膠束濃度時，活性劑主要濃集在油水界面上，用來降低界面張力。隨表面活性劑濃度增加，開始在水中形成膠束，會使一部分油增溶到非極性的膠束核心中。

圖5　正丁醇濃度對微乳液的影響Fig.5　Effect of n-butanol on microemulsion

從圖5a、b可以看出，在SDS濃度高于0.4%時，隨微乳液聚集數增加，SPw和SPo都開始快速增加。當濃度達到3%時，SPw=SPo，△V=0，達到最佳中相。

微乳液形成過程中，醇一部分參與形成界面復合膜，一部分在油相和水相中使得兩相性質得到改善。從圖5a、b可以看出，正丁醇濃度達到6%時，開始形成中相微乳液。這是由于隨正丁醇濃度的增加，復合膜電荷密度下降，液滴間易于接近和聚結，使得復合膜的強度增加，SPo增加，微乳液富集相從下相中分離出來形成了中相。當濃度大于7.8%時，正丁醇和SDS開始大量進入油相中，中相微乳液被破壞，形成上相微乳液。SPw=SPo的交點處的最佳醇濃度和正交實驗的分析結果基本一致。

圖6　Na2CO3濃度對微乳液的影響Fig.6　Effect of Na2CO3on microemulsion

由圖6a可知，在Na2CO3濃度低于1.7%時，微乳液為下相。隨濃度增加，微乳液聚集數增大，對油的增溶能力增大，液滴間的斥力降低，更有利于微乳液液滴聚集，使得微乳液富集相從下相中分離出來，形成了中相微乳液。當濃度高于3%時，微乳液中表面活性劑析出進入油相的量增加，由中相微乳液變成了上相。圖6b表示，油水相的增溶參數在中相區(qū)相交，交點處有SPw=SPo=SP*，△V=0，對應的最佳鹽度為3%，與正交實驗分析結果相一致。

3　結論

（1）以形成微乳液需要最小表面活性劑和最大增溶量為目標，通過繪制擬三元相圖獲得了最優(yōu)微乳液組分：十二烷基硫酸鈉（SDS）、正丁醇、Km=1.5；

（2）以微乳液體系中剩余油相和剩余水相體積差|Vo-Vw|=△V為評判指標，采用正交實驗獲得了最佳微乳液體系配方為：CSDS=4%、C正丁醇=7%、CNa2CO3=3%；

（3）采用Winsor相圖法，分別對SDS、正丁醇和Na2CO3濃度掃描，隨SDS濃度增加，中相體積越來越大，最后形成單相；隨正丁醇和Na2CO3濃度增加，微乳液經歷下相、中相和上相轉變，增溶參數SPw和SPo在最佳醇/鹽濃度相交；掃描得到的最佳SDS、正丁醇和Na2CO3濃度和正交實驗優(yōu)選的最佳濃度相一致。

參考文獻

［1］王軍,楊許召.微乳液的制備及其應用［M］.北京:中國紡織出版社, 2011.12.

［2］李干佐,郭榮.微乳液理論及其應用［M］.北京:石油工業(yè)出版社, 1995.10.

［3］陳詠梅,王涵惹,俞稼鋪.石油磺酸鹽體系中相微乳液研究［J］.物理化學學報, 2000, 16（8）: 724-728.

［4］Rong Guo, Xun Wei, Tianqing Liu, Investigations of Capacitance for SodiumDodecyl Sulfate/Benzyl alcohol/H2OMicroemulsion, Colloids and Surfaces A, 2006, 277：59-62.

［5］Tianqing Liu, Jianxin Xu, Rong Guo, Determination of the Electrochemical Diffusion Coefficient of Methylene Blue in SDS/n-C5H11OH/H2O Systemby Non-probe Microelectrode Voltammetry, Colloid Polym. Sci., 2006, 284：788-794.

［6］郝京誠,汪漢卿,魯潤華.微乳液相行為和微觀結構的研究［J］.中國科學（B輯）, 1997, 27（2）: 131-132.

Research on middle phase microemulsion system for flooding

ZHOU Bing-ling1，YANG Jian2，ZHANG Jing3，LI Xin-fa3，YANG Zhen3
（1.MOE Key Laboratory of EOR Technology of Northeast Petroleum University, Daqing 163318, China；2.Linfen Branch, Coal Bed Gas Company limited, PetroChina, Linfen 042200，China；3.PetroChina Yumen Oilfield, Jiuquan 735019, China）

Abstract：Microemulsion flooding is an effective approach to improve reservoir recovery, and the key factor lies that microemulsion can lower the interfacial tension of crude oil and displacing fluid to 10(-3)～10(-4)mN·m(-1), and make the maximum solubilization of crude oil in the salt water. Using the pseudo ternary phase diagram method to Select the surfactant SDS, n-butyl alcohol, Km=1.5, its good solubility, reagent consumption minimum; Using orthogonal experiment, we obtain the preparation of middle phase microemulsion formula of oil displacement system. Scanning respectively SDS concentration, concentration of n-butyl alcohol and Na2CO3, we get the volume of the phase diagram and dissolve parameters figure. It can be seen: Vo=Vw, SPo=SPw, and achieved the best phase system. The system can be used as oil displacement agent, used to improve reservoir recovery efficiency.

Key words：microemulsion；oil recovery；solubilization；interfacial tension

作者簡介：周冰靈（1989-），男，碩士，主要從事油藏工程的提高采收率方面的研究。

收稿日期：2015-00-00

DOI：10.16247/j.cnki.23-1171/tq. 20160356

中圖分類號：TE357

文獻標識碼：A