復(fù)合驅(qū)油體系油水界面張力測(cè)試條件優(yōu)化*

欒和鑫，陳權(quán)生，彭 健，代學(xué)成，楊蓮育，徐崇軍，2，廖元淇

（1.中國(guó)石油新疆油田分公司實(shí)驗(yàn)檢測(cè)研究院，新疆克拉瑪依834000；2.新疆礫巖油藏實(shí)驗(yàn)室，新疆克拉瑪依834000；3.中國(guó)石油天然氣集團(tuán)公司油田化學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100083）

隨著化學(xué)驅(qū)技術(shù)的發(fā)展，越來(lái)越多的陸上油田開(kāi)始應(yīng)用化學(xué)復(fù)合驅(qū)技術(shù)實(shí)現(xiàn)大幅度提高采收率［1-2］。表面活性劑性能的好壞是復(fù)合驅(qū)成敗的關(guān)鍵，復(fù)合驅(qū)過(guò)程中油水界面張力隨時(shí)間的變化曲線對(duì)表面活性劑的性能評(píng)價(jià)具有重要的參考價(jià)值［3-6］。目前復(fù)合驅(qū)表面活性劑的質(zhì)量控制多采用行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)SY/T 5370—2018《表面及界面張力方法》測(cè)定或SY/T 6424—2014《復(fù)合驅(qū)體系測(cè)試方法》對(duì)產(chǎn)品質(zhì)檢和入井流體質(zhì)量檢測(cè)［7-8］。雖然兩個(gè)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)中都提到了不同體系的測(cè)試方法，但并未對(duì)非牛頓流體測(cè)試過(guò)程中具體條件進(jìn)行規(guī)范性說(shuō)明，這給質(zhì)檢帶來(lái)了問(wèn)題，例如：測(cè)定黏彈性體系的表界面張力時(shí)選取多大濃度的聚合物、多大相對(duì)分子質(zhì)量的聚合物不會(huì)對(duì)驅(qū)油體系界面性能有影響、測(cè)試溫度、測(cè)試時(shí)間、測(cè)試過(guò)程中會(huì)遇到油滴被拉斷后界面張力值如何選取等問(wèn)題。為了規(guī)范質(zhì)檢過(guò)程中遇到的問(wèn)題，現(xiàn)將SY/T 5370—2018 涉及到的非牛頓流體油水界面張力測(cè)定方法進(jìn)行了優(yōu)化，以增加行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的可溯性、規(guī)范性、準(zhǔn)確性和可操作性。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 材料與儀器

聚合物HPAM，相對(duì)分子質(zhì)量分別為1000 萬(wàn)、1500 萬(wàn)和2500 萬(wàn)，固含量分別為91.8%、92%和91.6%，水解度分別為25.3%、27.1%、26.4%，北京恒聚公司；KPS表面活性劑），新疆金塔公司；碳酸鈉；工業(yè)品，含量99%，烏魯木齊廣瑞源商貿(mào)有限公司；配液用水為三元注入站的現(xiàn)場(chǎng)水，礦化度9847.1 mg/L，主要離子質(zhì)量濃度（單位mg/L）：16.92、K++Na+3300；實(shí)驗(yàn)原油：新疆三元復(fù)合驅(qū)試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)的脫氣、脫水原油，黏度16.5 mPa·s（油藏溫度40℃）。

TX-500C型全量程旋轉(zhuǎn)滴表界面張力儀，美國(guó)彪維公司；HAAKE MARSII流變儀，美國(guó)熱電公司。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

參照中國(guó)石油天然氣行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)SY/T 5370—2018《表面及界面張力測(cè)定方法》和SY/T 6424—2014《復(fù)合驅(qū)體系測(cè)試方法》，用TX-500C 型全量程表界面張力儀，在溫度45℃、轉(zhuǎn)速5000數(shù)6000 r/min下測(cè)定表面活性劑體系與新疆典型區(qū)塊原油間的界面張力。

2 結(jié)果與討論

2.1 轉(zhuǎn)速對(duì)界面張力測(cè)試結(jié)果的影響

旋轉(zhuǎn)滴法測(cè)定界面張力其主要按照公式1測(cè)定和計(jì)算的，界面張力和轉(zhuǎn)速呈正相關(guān)，即在一定范圍內(nèi)轉(zhuǎn)速越高界面張力越低，但是儀器存在最佳成像轉(zhuǎn)速，因此在確定最佳轉(zhuǎn)速時(shí)應(yīng)考慮儀器特性。

式中：γ—界面張力，單位mN/m；A—與儀器測(cè)量系統(tǒng)有關(guān)的常數(shù)，不同儀器型號(hào)賦值不同；ω—角速度，單位rad/s；D—液滴短軸直徑，單位m；Δρ—兩相密度差，單位kg/m3；f（l/D）—與油滴長(zhǎng)寬比（l/D）有關(guān)的修正系數(shù)，由儀器操作軟件自動(dòng)給出或參見(jiàn)各儀器的說(shuō)明書(shū)。

用三元注入站現(xiàn)場(chǎng)水分別配制二元驅(qū)油體系（0.3% KPS+0.15% 1500 萬(wàn)聚合物）和三元體系（1.2% 碳酸鈉+0.3% KPS+0.15% 1500 萬(wàn)聚合物），考察了轉(zhuǎn)速對(duì)二元和三元體系與新疆原油間界面張力的影響，結(jié)果見(jiàn)圖1。轉(zhuǎn)速對(duì)二元驅(qū)油體系、三元驅(qū)油體系與原油間的界面張力影響不具有一定的規(guī)律性，但轉(zhuǎn)速與界面張力成像系統(tǒng)清晰度具有一定的關(guān)系，因此為了保證儀器測(cè)量結(jié)果準(zhǔn)確性，建議選用儀器成像系統(tǒng)最清晰的轉(zhuǎn)速5000數(shù)6000 r/min作為技術(shù)指標(biāo)用于評(píng)價(jià)界面張力。

2.2 溫度的影響

圖1 轉(zhuǎn)速對(duì)二元體系、三元體系與原油間界面張力的影響

圖2 溫度對(duì)二元體系、三元體系與原油間界面張力的影響

不同溫度下，用三元注入站現(xiàn)場(chǎng)水分別配制的二元驅(qū)油體系（0.3%KPS+0.15%1500萬(wàn)聚合物）和三元體系（1.2% 碳酸鈉+0.3% KPS+0.15% 1500 萬(wàn)聚合物）與新疆原油間的界面張力測(cè)試結(jié)果見(jiàn)圖2。溫度對(duì)二元體系、三元體系與原油間的界面張力的影響規(guī)律大致相同，隨溫度的升高，界面張力降低，但溫度對(duì)三元體系的影響更大。隨著溫度的升高，分子熱運(yùn)動(dòng)使得表面活性劑分子熱運(yùn)動(dòng)更劇烈，體系黏度降低，界面上分布的表面活性劑分子更多，界面張力降低。為了規(guī)范測(cè)試溫度對(duì)界面性能的影響，測(cè)定溫度建議選用目標(biāo)油藏溫度。

2.3 聚合物濃度影響

用蒸餾水分別配制0.3%KPS+0.1%數(shù)0.4%聚合物（相對(duì)分子質(zhì)量1000萬(wàn)或2500萬(wàn)）的二元體系和1.2%碳酸鈉+0.3%KPS+0.1%數(shù)0.4%聚合物的（相對(duì)分子質(zhì)量1000 萬(wàn)或2500 萬(wàn)）三元體系，不同聚合物濃度的二元體系的黏度見(jiàn)表1，不同聚合物濃度的二元體系、三元體系與原油間的界面張力測(cè)試結(jié)果見(jiàn)圖3和圖4。由表1可知，聚合物濃度越大，二元體系的黏度越高；相同濃度下，聚合物的相對(duì)分子質(zhì)量越大，二元體系的黏度越大。

從圖3和圖4可知，聚合物濃度越大，二元體系、三元體系與原油間的界面張力越大。HPAM 的加入增加了體系的黏度，導(dǎo)致表面活性劑分子向界面擴(kuò)散、運(yùn)移的速度大幅度降低，延長(zhǎng)了達(dá)到吸附飽和的時(shí)間；隨著聚合物濃度增加，驅(qū)油體系的黏度增加，不利于表面活性劑分子向油水界面擴(kuò)散，表面活性劑分子被聚合物阻隔在體相中。為了規(guī)范聚合物濃度對(duì)界面性能的影響，建議在評(píng)選二元、三元體系的界面性能時(shí)聚合物用量為0.1%。另外，為了使數(shù)據(jù)更具準(zhǔn)確性，界面張力取值選用不同時(shí)間下的平衡界面張力（簡(jiǎn)稱ITFt），質(zhì)檢時(shí)若遇到油滴被拉斷的情況，應(yīng)重復(fù)測(cè)量3 次看是否在相同時(shí)間被拉斷，然后選取被拉斷前3 次數(shù)據(jù)平均值作為評(píng)定指標(biāo)。

表1 不同聚合物濃度的二元體系的黏度

2.4 聚合物相對(duì)分子質(zhì)量影響

圖3 聚合物濃度對(duì)二元體系與原油間界面張力的影響

圖4 聚合物濃度對(duì)三元體系與原油間界面張力的影響

用蒸餾水分別配制0.3% KPS+0.15% 聚合物（相對(duì)分子質(zhì)量1000 萬(wàn)、1500 萬(wàn)或2500 萬(wàn)）的二元體系和和1.2% 碳酸鈉+0.3% KPS+ 0.15%聚合物（相對(duì)分子質(zhì)量1000 萬(wàn)或2500 萬(wàn)）的三元體系，測(cè)定相同濃度條件下不同相對(duì)分子質(zhì)量聚合物的二元、三元體系與原油間的界面張力，結(jié)果見(jiàn)圖5。不同相對(duì)分子質(zhì)量聚合物的三元體系的黏度及平衡界面張力測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表2。在其他條件不變的情況下，聚合物的相對(duì)分子質(zhì)量越大，二元體系、三元體系與原油間的界面張力增大。

在相同聚合物濃度條件下，隨著聚合物相對(duì)分子質(zhì)量增加，體系黏度增大，表面活性劑分子在界面上的定向排列受阻，油水界面張力上升。高相對(duì)分子質(zhì)量聚合物會(huì)更加阻礙表面活性劑分子的傳遞和界面吸附，延長(zhǎng)表面活性劑到達(dá)界面的時(shí)間，進(jìn)而延長(zhǎng)平衡時(shí)間，聚合物相對(duì)分子質(zhì)量對(duì)界面張力的影響主要是在相同濃度下黏度對(duì)界面性能影響，但對(duì)平衡界面張力影響均不是數(shù)量級(jí)影響。因此，為了使標(biāo)準(zhǔn)具有規(guī)范性和可操作性，應(yīng)根據(jù)目標(biāo)油藏儲(chǔ)層物性選擇化學(xué)驅(qū)主段塞使用的聚合物進(jìn)行評(píng)價(jià)，由于該標(biāo)準(zhǔn)主要針對(duì)驅(qū)油體系性能評(píng)價(jià)，在產(chǎn)品質(zhì)檢過(guò)程中對(duì)結(jié)果產(chǎn)生異議時(shí)建議使用相對(duì)質(zhì)量為1000 萬(wàn)數(shù)1500 萬(wàn)的聚合物對(duì)二元、三元體系驅(qū)的界面性能進(jìn)行評(píng)價(jià)，這樣評(píng)價(jià)結(jié)果更真實(shí)可靠。

表2 不同相對(duì)分子質(zhì)量聚合物的三元體系的黏度和界面張力

2.5 表面活性劑對(duì)界面性能影響

用三元注入站現(xiàn)場(chǎng)水配制的二元體系（0.1%數(shù)0.3% KPS+0.15%聚合物（相對(duì)分子質(zhì)量1500 萬(wàn)或2500 萬(wàn)））、三元體系（1.2% 碳酸鈉+ 0.1%數(shù) 0.3%KPS+ 0.15%聚合物（相對(duì)分子質(zhì)量1500 萬(wàn)或2500萬(wàn)）與新疆原油間的界面張力測(cè)試結(jié)果見(jiàn)圖6和圖7。無(wú)論是含有1000 萬(wàn)聚合物還是2500 萬(wàn)聚合物的二元和三元體系，隨著表面活性劑濃度增加，油水界面張力均逐漸降低。二元體系在表面活性劑用量0.2%數(shù)0.3%范圍內(nèi)的ITF120min相差不大，因此選用表面活性劑用量0.2%作為二元體系評(píng)價(jià)表面活性劑濃度。三元體系除受表面活性劑濃度影響外，還受堿濃度影響，因此在考察三元體系表面活性劑濃度影響時(shí)應(yīng)考察表面活性劑影響和堿濃度影響。在表面活性劑用量為0.1%數(shù)0.3%范圍內(nèi)，堿用量為1.2%時(shí)，不同相對(duì)分子質(zhì)量聚合物的三元體系與原油間的界面張力結(jié)果差異很大，可對(duì)比性很差。這是由于降低界面張力能力與表面活性劑分子的吸附速率有關(guān)，堿的加入對(duì)表面活性劑吸附速率產(chǎn)生了影響，當(dāng)吸附速率高于脫附速率時(shí)，界面張力能在短時(shí)間內(nèi)大幅度降低；而吸附速率等于脫附速率時(shí)，吸附達(dá)到平衡，界面張力值基本保持不變。在測(cè)試高濃度體系與原油間的界面張力時(shí)，仍然存在回縮和拉斷現(xiàn)象，這是由于當(dāng)表面活性劑濃度達(dá)到臨界膠束濃度時(shí)溶液中大量的膠束會(huì)不斷吸附原油中的某些活性組分［9-12］，從而增大油滴的溶解度，出現(xiàn)了油水比分配不均、界面張力一直處于動(dòng)態(tài)變化過(guò)程。另外，堿可與原油中的活性組分石油酸反應(yīng)生成皂類表面活性物質(zhì)，不同表面活性劑之間存在協(xié)同作用，也使得界面張力一直處于動(dòng)態(tài)變化過(guò)程。因此，為了使測(cè)試方法具有可操作性和同類標(biāo)準(zhǔn)可對(duì)比性，選用二元、三元復(fù)合驅(qū)用表面活性劑的已有評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)（Q/SY 17583—2018［13］和Q/SY 17004—2017［14］）進(jìn)行評(píng)價(jià)，本標(biāo)準(zhǔn)對(duì)表面活性劑濃度不另作要求，即選用已有標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行：二元體系表面活性劑評(píng)價(jià)選用0.2%表面活性劑+0.1%聚合物；三元體系表面活性劑評(píng)價(jià)選用1.2%堿+0.1%表面活性劑+0.15%聚合物或0.6%堿+0.3%表面活性劑+0.15%聚合物評(píng)價(jià)。

圖5 不同分子質(zhì)量聚合物的二元體系、三元體系與原油間的界面張力

圖6 表面活性劑濃度對(duì)二元體系與原油間界面張力的影響

圖7 表面活性劑濃度對(duì)三元體系與原油間界面張力的影響

3 結(jié)論

規(guī)范行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)SY/T 5370—2018《表面及界面張力方法》中非牛頓流體油水界面張力的測(cè)定條件：以目標(biāo)油藏溫度為評(píng)價(jià)溫度；轉(zhuǎn)速選用使儀器成像清晰的5000數(shù)6000 r/min 轉(zhuǎn)速；聚合物用量選用0.1%，聚合物相對(duì)分子質(zhì)量應(yīng)根據(jù)目標(biāo)油藏儲(chǔ)層物性選擇化學(xué)驅(qū)主段塞使用聚合物進(jìn)行評(píng)價(jià)，驅(qū)油體系產(chǎn)品質(zhì)檢過(guò)程中對(duì)結(jié)果產(chǎn)生異議時(shí)，建議使用相對(duì)質(zhì)量為1000 萬(wàn)數(shù)1500 萬(wàn)的聚合物對(duì)二元、三元體系驅(qū)的界面性能進(jìn)行評(píng)價(jià)；配液用水使用實(shí)際油藏配液用水；界面張力選用不同時(shí)間下的平衡界面張力，拉斷體系的界面張力選取重復(fù)測(cè)試3 次拉斷前界面張力數(shù)據(jù)值；表面活性劑濃度按照Q/SY 17583—2018 和 Q/SY17004—2017：二元體系表面活性劑評(píng)價(jià)選用0.2%表面活性劑+0.1%聚合物，三元體系表面活性劑評(píng)價(jià)選用1.2%堿+0.1%表面活性劑+0.15%聚合物或0.6%堿+0.3%表面活性劑+0.15%聚合物進(jìn)行測(cè)量取值。研究成果僅僅針對(duì)SY/T 5370—2018《表面及界面張力方法》中非牛頓流體界面張力的測(cè)量，其它界面張力測(cè)定方法和條件請(qǐng)參考相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行。