新疆油田三元復合驅油體系油水界面Zeta電位的影響因素

侯軍偉，廖元淇，孫 騰，焦秋菊，聶小斌，韓增玖

（1. 中國石油 新疆油田公司 實驗檢測研究院，新疆 克拉瑪依 834000；2. 中國石油 新疆油田公司采油一廠，新疆 克拉瑪依 834000；3. 中國石油大學（北京） 理學院，北京 102249）

新疆油田三元復合驅油體系油水界面Zeta電位的影響因素

侯軍偉1，廖元淇1，孫 騰2，焦秋菊1，聶小斌1，韓增玖3

（1. 中國石油 新疆油田公司 實驗檢測研究院，新疆 克拉瑪依 834000；2. 中國石油 新疆油田公司采油一廠，新疆 克拉瑪依 834000；3. 中國石油大學（北京） 理學院，北京 102249）

針對新疆油田，利用表面活性劑、部分水解聚丙烯酰胺（HPAM）以及不同的堿復配得到堿-表面活性劑-聚合物（ASP）三元復合驅，并分別配制成乳狀液。利用Zeta 電位分析儀和界面張力儀等考察了不同乳狀液的Zeta電位和油水界面張力。實驗結果表明，含石油磺酸鹽陰離子表面活性劑（KPS）的乳狀液的Zeta電位絕對值最大，含甜菜堿型表面活性劑（APS）的乳狀液的Zeta電位絕對值最小。隨表面活性劑含量的增大，乳狀液的Zeta電位絕對值呈不同的增大趨勢。對于LPS/KPS（LPS為烷醇酰胺類非離子型表面活性劑）復配表面活性劑，其乳狀液的Zeta電位主要由KPS控制。LPS/KPS復配表面活性劑降低原油界面張力的效果明顯。采用ASP三元復合驅時，表面活性劑對界面電位的影響變弱；隨堿含量的增大，Zeta電位降低；隨HPAM含量的增大，Zeta電位絕對值相應增大。

復合驅油體系；Zeta電位；乳狀液；堿；聚丙烯酰胺；表面活性劑；界面張力

近年來我國的能源消費呈快速增長的趨勢，但大部分油田的開發(fā)目前已處于高含水和高采出階段，急需三次采油提高采收率以保持原油產量的增長和穩(wěn)定［1-2］。堿-表面活性劑-聚合物（ASP） 三元復合驅技術可提高原油采收率達20%以上，因此備受關注［3］。三元復合驅過程中產生的原油乳化作用是提高驅油效率和擴大波及體積的關鍵因素［4-9］。新疆油田三元復合驅先導試驗發(fā)現，乳化性能好的表面活性劑，即使界面張力達不到超低，采出程度仍較高；反之，如果沒有明顯的乳化作用，則體系提高采收率的效果相對較差。因此，越來越多的科技人員開始重視乳狀液穩(wěn)定性的研究工作［6］。Zeta電位也稱電動電位，是表征乳狀液穩(wěn)定性的一個重要參數。它的大小反映了油珠帶電的情況，與乳狀液的穩(wěn)定性密切相關，Zeta電位的絕對值越大，乳狀液越穩(wěn)定［10］。

本工作針對新疆油田，利用表面活性劑、部分水解聚丙烯酰胺（HPAM）以及不同的堿復配得到ASP三元復合驅，并將表面活性劑、HPAM、堿以及ASP分別配制成乳狀液。利用Zeta 電位分析儀和界面張力儀等分析了各乳狀液的Zeta 電位和油水界面張力，考察了不同試樣對Zeta電位和界面張力的影響。

1 實驗部分

1.1 儀器與試劑

石油磺酸鹽陰離子表面活性劑（KPS）、烷醇酰胺類非離子型表面活性劑（LPS）、甜菜堿型表面活性劑（APS）：工業(yè)品，新疆克拉瑪依金塔公司；Na2CO3和NaOH：分析純，天津風船化學試劑廠；HPAM：相對分子質量為2.5×107（固含量91.38%（w）），北京恒聚化工集團有限責任公司。

實驗用油為新疆油田七東1區(qū)脫水脫氣原油，34 ℃時原油黏度為13 mPa·s，相對密度0.857 g/ cm3，離心機脫水（轉速10 000 r/min）10 min。實驗用水的礦化度為400 mg/L，Ca2+和Mg2+含量分別為30 mg/L和14 mg/L，水型為NaHCO3型。

Fluke公司Fluke FA25型高剪切分散乳化機、科諾公司TX500C型界面張力儀、馬爾文公司Zetasizer Nano ZS 納米粒度及Zeta 電位分析儀、上海安亭科學儀器廠LXJ-2B型離心機、蔡司AXIOSKOP 40 型光學顯微鏡。

1.2 實驗方法

1.2.1 乳狀液的制備及界面Zeta 電位的測定

表面活性劑試樣：分別配制含量（w）為0.05%，0.1%，0.2%，0.3%，0.5%的KPS溶液、LPS溶液，APS溶液以及LPS/KPS（質量比1:1）復配表面活性劑溶液。聚合物試樣：分別配制HPAM含量（w）為0.05%，0.1%，0.2%，0.3%的HPAM溶液。堿試樣：取NaOH和Na2CO3，分別配制成含量（w）為0.5%，0.8%，1.0%，1.2%，1.4%，2.0%的堿溶液。

將堿、表面活性劑及聚合物按不同含量進行復配，得到ASP三元復合驅。

將上述各試樣分別與原油按照質量比為10:1，用高剪切分散乳化機在3 000 r/min的轉速下攪拌2 min，制備成水包油（O/W）型乳狀液。之后在室溫下放置24 h，采用納米粒度及Zeta 電位分析儀在30 ℃下測定下層渾濁水相的界面Zeta電位［5］。

1.2.2 界面張力的測定

使用界面張力儀在30 ℃下測定不同試樣與原油的界面張力。

2 結果與討論

2.1 含表面活性劑乳狀液的Zeta 電位

不同表面活性劑的臨界膠束濃度（CMC）見表1。從表1可看出，KPS的CMC最低，LPS的CMC最高。

表1 不同表面活性劑的CMCTable 1 Critical micelle concentrations(CMC) of diferent surfactants

含不同表面活性劑的乳狀液的pH見表2。從表2可看出，APS的pH最低，LPS的pH次之，KPS由于在其磺化過程中加入了過量的堿進行中和，故pH最高。

表2 含不同表面活性劑的乳狀液的pHTable 2 pH of emulsions with the surfactants

含不同表面活性劑的乳狀液的照片見圖1。從圖1可看出，含APS的乳狀液中的顆粒很小且數目較多；含KPS的乳狀液中的顆粒較大且數目很少；含LPS的乳狀液中的顆粒以不規(guī)則的形態(tài)存在。

圖1 含不同表面活性劑的乳狀液的照片Fig.1 Images of emulsions with diferent surfactants.(a) Emulsions with diferent surfactants；(b) Emulsion with APS；(c) Emulsion with KPS；(d) Emulsion with LPS

含不同表面活性劑的乳狀液的Zeta電位見圖2。從圖2可看出，含KPS的乳狀液的Zeta電位絕對值最大，含APS的乳狀液的Zeta電位絕對值最小。KPS在水中溶解后，由于大量帶負電荷的離子吸附在油滴表面，使得油珠負電荷密度顯著增大，其Zeta電位的絕對值隨其含量的增大而增大；當含量增至0.3%（w）以后，油水界面吸附達到飽和，Zeta電位不再發(fā)生變化。LPS在水中溶解后，頭基與水分子之間以及頭基與頭基之間通過氫鍵形成了一個相對穩(wěn)定、密集且有一定阻擋性的親水基層［11-13］，Zeta電位主要由氫鍵產生，因此表面活性劑的含量對Zeta電位的影響較小。APS的配置水型為NaHCO3型，呈弱堿性，因此在水溶液中體現出陰離子的特點，Zeta電位顯負值，但絕對值很低，隨表面活性劑含量的增大，Zeta電位絕對值呈緩慢增長趨勢［14-15］。使用LPS/KPS復配表面活性劑時，KPS與LPS在油水界面上出現競爭吸附，由于LPS的吸附力較弱，因此主要是KPS對Zeta電位進行控制。

表面活性劑與原油的界面張力見圖3。從圖3可看出，KPS雖然Zeta電位值較高，但降低原油界面張力的效果較差；KPS與LPS復配后，Zeta電位值只降低少許，但原油界面張力降低的效果明顯。因此，選用KPS/LPS復配表面活性劑有利于降低原油界面張力。

圖2 含不同表面活性劑的乳狀液的Zeta電位Fig.2 Zeta potentials of emulsions with the surfactants.■ KPS；● LPS；▲ APS ；▼ KPS+LPS

圖3 表面活性劑對界面張力的影響Fig.3 Efects of the surfactants on the interfacial tension(IFT).■ KPS+LPS；● KPS

2.2 含聚合物乳狀液的Zeta 電位

新疆油田三元復合驅礦場試驗所用聚合物為一種抗鹽型HPAM，HPAM含量對Zeta電位的影響見圖4。

從圖4可看出，聚合物含量越高，油水分相越慢，當聚合物含量為3 000 mg/L時，靜置24 h后的油水界面仍未出現分層。隨HPAM含量的增大，含HPAM乳狀液的黏度和Zeta電位絕對值均增大。這是因為，HPAM在水中只發(fā)生溶脹，且溶脹后帶負電荷，隨含量的增大，其溶液黏度增大，HPAM顆粒在油水界面處的吸附量增多，Zeta 電位絕對值隨之增大。隨Zeta 電位絕對值的增大，油珠間的靜電斥力增大，則油珠間發(fā)生聚并而導致油水分離的幾率變小，乳狀液穩(wěn)定性相應增加。

圖4 HPAM對Zeta電位的影響Fig.4 Efects of hydrolyzed polyacrylamide(HPAM) on the Zeta potential.

2.3 含堿乳狀液的Zeta 電位

含堿乳狀液的Zeta電位和油水界面張力見圖5。從圖5a可看出，隨堿含量的增大，Zeta電位的絕對值不斷降低，NaOH的Zeta電位絕對值小于Na2CO3的Zeta電位絕對值。該實驗結果與李明遠等［16］的研究結果相反。他們認為，原油中的有機酸與堿發(fā)生皂化反應，以及鈣皂向鈉皂的轉化均可增加界面活性物質的電離度，導致Zeta電位值絕對值增大。本課題組認為，導致此異?，F象的出現主要有2個原因：1）新疆油田七東1區(qū)的原油酸值偏低，約為0.15 mg/g（基于KOH），主要成分為飽和烴70.7%（w）、芳香烴10%（w）和膠質5.3%（w），瀝青質僅0.9%（w），總收率86.9%。由于酸值偏低，少量的堿即可完成與油中的有機酸反應，繼續(xù)增加堿含量，相當于變相增大乳狀液的礦化度，因此Zeta電位降低。2）含量為2%（w）的Na2CO3的pH只有11.6，而含量0.2%（w）的NaOH的pH已達12.7，含量2%（w）的NaOH的pH為13.6。

從圖5b可看出，NaOH溶液與原油的界面張力很高，主要因為堿與原油中的鈣皂基團發(fā)生了反應：鈣皂基團與NaOH反應，平衡向鈉皂基及Ca（OH）2方向移動；鈣皂基團與Na2CO3反應，平衡向鈉皂基及CaCO3方向移動；在水溶液中，CaCO3的溶度積為3.36×10-9，比Ca（OH）2（溶度積為5.5×10-6）小，因此反應生成的鈉皂更多，導致界面活性增強，同時Zeta電位絕對值升高。

圖5 含堿乳狀液的Zeta電位（a）和油水界面張力（b）Fig.5 Zeta potentials(a) and IFT(b) of emulsions with alkali.■ Na2CO3；● NaOH

2.4 含ASP乳狀液的Zeta 電位

含ASP乳狀液的Zeta電位見圖6。從圖6可看出，當表面活性劑、HPAM、堿三者共存時，表面活性劑對界面電位的影響變弱；隨堿含量的增大，Zeta電位降低；隨HPAM含量的增大，Zeta電位絕對值相應增大。這可能是由于三者共存時，HPAM為一種負電性固體顆粒的溶漲分散體系，這種分散體系的憎水性強，因而更易吸附在油珠表面形成穩(wěn)定的乳狀液；過量的堿增強了離子強度，應當是反離子濃度（或電解質濃度增加），雙電層受到壓縮，Zeta電位降低，油珠間斥力減?。挥捎贖PAM及原油與堿生成的活性物與表面活性劑在油水界面產生競爭吸附［17-18］，故表面活性劑對界面Zeta 電位的影響大幅減弱。

圖6 含ASP乳狀液的Zeta電位性能Fig.6 Zeta potentials of emulsions with alkaline-surfactant-polymer.

3 結論

1）含不同表面活性劑的乳狀液的Zeta電位不同，含KPS的乳狀液的Zeta電位絕對值最大，含APS的乳狀液的Zeta電位絕對值最小。隨表面活性劑含量的增大，乳狀液的Zeta電位絕對值呈不同的增大趨勢。對于LPS/KPS復配表面活性劑，其乳狀液的Zeta電位主要由KPS控制。

2）KPS雖然Zeta電位值較高，但降低原油界面張力的效果較差；LPS/KPS復配表面活性劑降低原油界面張力的效果明顯。

3）隨HPAM含量的增大，含HPAM乳狀液的黏度和Zeta電位絕對值均增大。隨堿含量的增大，Zeta電位的絕對值不斷降低，NaOH的Zeta電位絕對值小于Na2CO3的Zeta電位絕對值。

4）采用ASP三元復合驅時，表面活性劑對界面電位的影響變弱；隨堿含量的增大，Zeta電位降低；隨HPAM含量的增大，Zeta電位絕對值相應增大。

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（編輯 鄧曉音）

南化集團攻克含氯有機尾氣治理難題

中國石化南化公司研制成功的處理含氯有機尾氣的蓄熱燃燒爐完成安裝調試。含氯有機尾氣治理項目將對油田表面活性劑、氯化苯、硝基氯苯生產裝置的精餾真空系統(tǒng)、儲罐及原氯化苯尾氣吸收吸附系統(tǒng)產生的含氯尾氣進行集中治理，實現達標排放。

南化公司經過較長時間的研究論證，決定將無組織排放的有機尾氣分為含氯和非氯氣體進行治理。治理含氯有機尾氣的難點在于解決系統(tǒng)性腐蝕問題。該公司在撫順石油化工研究院提供蓄熱燃燒技術工藝包的基礎上，與南京工程公司聯手進行技術攻關，對關鍵設備蓄熱燃燒爐進行了重大改進，增加了蓄熱體數量、降低了排氣溫度，不僅可提高熱利用率，還能更好地實現鹽酸介質下的防腐。同時，該公司還研制成功了可用于含氯尾氣處理系統(tǒng)的重要部件提升閥。

碳纖維復合材料汽車零部件開發(fā)與前景

汽車工業(yè)的快速發(fā)展在給人們帶來交通便利的同時，也面臨著環(huán)境污染和能源緊缺等問題，為了應對這些問題，使汽車工業(yè)可持續(xù)發(fā)展，節(jié)能減排已成為汽車工業(yè)的重要研究課題。研究顯示，若汽車整車質量降低10%，燃油效率可提高6%～8%；汽車整備質量每減少100 kg，百公里油耗可降低0.3～0.6 L，二氧化碳排放可減少約10 g/ km。因此，汽車輕量化是節(jié)能減排的重要手段，在保證汽車的強度和安全性能的前提下，盡可能地減輕汽車的整備質量，從而提高汽車的動力性，減少燃料消耗，降放排氣污染。

目前汽車輕量化主要有2種途徑，一是結構設計優(yōu)化，對車身的結構及骨架進行優(yōu)化設計，優(yōu)化結構形式，以達到減重目的。二是通過輕質高強材料替換傳統(tǒng)材料，從而達到減重目標。自從1953年世界上第一臺FRP汽車—GM Corvette制造成功以后，隨著復合材料技術的不斷進步，復合材料作為汽車輕量化中應用得到了快速發(fā)展，歐美日等汽車發(fā)達國家，都已在汽車中大量采用復合材料，碳纖維復合材料也在逐步進入汽車領域，這必將成為汽車復合材料的發(fā)展趨勢。碳纖維復合材料具有高強度、高模量、低密度的特點，是汽車輕量化最理想的材料。

沈陽材料科學國家實驗室納米碳材料負載金屬催化劑研究取得新進展

沈陽材料科學國家（聯合）實驗室催化材料研究部利用石墨烯和納米金剛石復合的核殼結構材料（ND@G）為載體制備一種高性能的鈀/碳（Pd/C）催化劑。將這種Pd/C催化劑用于催化氧化CO時發(fā)現，與傳統(tǒng)sp2雜化的洋蔥碳（OLC）上負載的Pd納米催化劑相比，ND@G負載的鈀納米催化劑（Pd/ND@G）表現出了更加優(yōu)異的催化劑性能。

利用高分辨透射電子顯微鏡、球差分辨的高角度環(huán)形暗場-掃描透射電子顯微鏡以及同步輻射X-射線吸收精細結構譜等手段對催化劑進行了詳細的表征。研究發(fā)現，與傳統(tǒng)的碳載體相比，由于ND@G載體表面具有豐富石墨烯缺陷能夠增強Pd納米粒子與納米碳載體之間的相互作用，進而改變了Pd納米顆粒的幾何形貌和結構，并且能夠顯著提升Pd納米粒子在碳載體表面的抗燒結能力。同時研究還發(fā)現，這種Pd/ND@G催化劑中強的金屬-載體相互作用以及Pd 納米粒子特殊的幾何結構能夠明顯減弱CO分子在Pd納米粒子表面的吸附，進而促進了O2分子在Pd 納米粒子的吸附解離，提高了催化劑低溫催化氧化CO的能力。

印度需大規(guī)模增加乙烯產能

Plast News，December 1，2015

印度石化行業(yè)的一位高管在最近的一次會議上稱，基于預測的每年7%的經濟增長，印度需要建立一個世界級乙烯生產綜合設施，產能達1.2 Mt/a，這樣才能滿足不斷增長的塑料需求。印度石油公司（IOC）的執(zhí)行董事Siddharta Mitra稱，印度國內人均塑料需求仍低于世界平均水平，每增加1 kg就需要再建一個這樣的生產設施。他還表示，2015—2022年，IOC制定了50億美元的石油產品投資計劃，打算在Baroni建立一家煉油能力達 3 Mt/a的煉油廠，其中包括一套350 kt/a的聚丙烯（PP）裝置。該公司還計劃在2019年前，將其位于Panipat的裂解裝置產能提升至1.2 Mt/a，并在Paradeep建立一套PP裝置。該公司近年來一直在擴大聚合物的產能，試圖從其裂解裝置中獲取更多利潤。

印度最大塑料制造商Reliance 工業(yè)公司的副主席和芳香劑負責人Vikram Sampat稱，從整體看來，印度仍是塑料的純進口國家，據估計每年的需求達12 Mt/a，而國內的總產能只有9 Mt/a。2015年11月在新加波舉辦了亞洲化工會議。Vikram Sampat在會議上稱，印度石化成品需求的年平均增長率為8%～10%。即使在如今不確定的經濟環(huán)境下，由于政府“印度制造”的精神，對于該國長期的塑料需求還是很有信心的。此次會議的數據顯示，目前印度每年的人均塑料消費量為8 kg，相比之下，全球每年的人均塑料消費量為25 kg，約占世界化工產品需求的3%。

Factors influencing Zeta potential of O/W emulsion interface with ternary composite flooding system

Hou Junwei1，Liao Yuanqi1，Sun Teng2，Jiao Qiuju1，Nie Xiaobin1，Han Zengjiu3
（1. Research Institute of Experiment and Detection，Karamay Xinjiang 834000，China；2. No.1 Oil Production Plant，Xinjiang Oilfled Company，PetroChina，Karamay Xinjiang 834000，China；3. Department of Science，China University of Petroleum Beijing，Beijing 102249，China）

Surfactant solutions，partially hydrolyzed polyacrylamide(HPAM) solutions and alkali solutions were prepared separately，and then the ternary composite alkali-surfactant-polymer(ASP) fooding systems with diferent formula ratio were prepared. The fooding systems were mixed with crude oil from the Xinjiang oilfeld and were emulsifed to form the O/W emulsions. The Zeta potential and interfacial tension of the emulsion samples were measured by means of Zeta potential analyzer and interfacial tension meter. The results showed that the Zeta potential absolute value of the emulsion with petroleum sulfonate anionic surfactant(KPS) was the maximum and the one with betaine type surfactant(APS) was minimum. With increasing the surfactant content，the Zeta potential absolute value increased with different tendency. For the mixed nonionic alkanolamide surfactant(LPS)/KPS system，the Zeta potential of the emulsion was controlled by KPS. The mixed LPS/KPS system could strongly reduce the interfacial tension of the emulsions. When the ASP fooding systems was used，the infuence of surfactants on the interfacial potential became weakened，and with increasing the contents of alkali and HPAM，the Zeta potential absolute value decreased and increased，respectively.

compound flooding system；Zeta potential；emulsion；alkali；polyacrylamide；surfactant；interfacial tension

1000 - 8144（2016）03 - 0319 - 06

TE 357.43

A

10.3969/j.issn.1000-8144.2016.03.011

2015 - 10 - 31；［修改稿日期］2015 - 12 - 30。

侯軍偉（1981—）， 男，新疆維吾爾自治區(qū)克拉瑪依市人，博士，工程師，電話 0990 - 6880265，電郵 Junweihou@petrochian. com.cn。

國家科技重大專項（2011ZX05003-005）。