基于不同表面活性劑的洗油效率研究*

曹廣勝，李 丹，陳小璐，王 鑫，張紫航

（1.東北石油大學(xué) 提高油氣采收率教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，黑龍江 大慶 163318；2.新疆克拉瑪依油田工程技術(shù)研究院，新疆 克拉瑪依 834000）

隨著石油的不斷開(kāi)采，水驅(qū)、聚合物驅(qū)等驅(qū)油方式開(kāi)發(fā)一段時(shí)間之后，剩余油在地層巖石孔隙中的存在狀態(tài)越來(lái)越復(fù)雜，以往的研究主要針對(duì)提高波及體積開(kāi)展，針對(duì)洗油效率的研究相對(duì)較少。白玉杰[1]等人通過(guò)分子模擬的方式研究了不同的表面活性劑對(duì)原油及巖石吸附能力的影響，分析了致密級(jí)油藏滲吸采油機(jī)理。曹廣勝[2-5]等人研究基于不同乳化劑結(jié)構(gòu)的油水乳化性能。張志秋[6]等人合成并分析了腰果酚表面活性劑對(duì)活性原油堵水的影響。可以說(shuō)，油田用表面活性劑種類復(fù)雜[7]，大幅度的改變地層中油、水以及巖石之間的界面性能和表面性能，實(shí)現(xiàn)油水在地層內(nèi)的乳化、破乳以及其在巖石表面的吸附和分散，進(jìn)而提高油井采收率[8-10]。目前，三次采油大多利用降低油與巖石之間的界面張力將油驅(qū)出。但表活劑的活性容易受溫度和濃度的影響，尤其針對(duì)特殊的油藏，壓力和溫度影響藥劑驅(qū)油的效果。除此之外，表活劑的用量也會(huì)對(duì)最終的洗油效率有影響[11]。因此，需要研究溫度等因素對(duì)不同表活劑洗油效率的影響，從而在石油開(kāi)采過(guò)程中能夠更好的選擇合適的表活劑進(jìn)行驅(qū)油。而單純的巖心驅(qū)油實(shí)驗(yàn)中由于巖石內(nèi)部孔隙結(jié)構(gòu)復(fù)雜，流體的流動(dòng)狀態(tài)以及所注流體的波及程度會(huì)嚴(yán)重影響原油的采出程度，因此，為了分析不同表面活性劑的洗油效率，本文通過(guò)洗油實(shí)驗(yàn)來(lái)消除注入流體的驅(qū)替、攜帶作用以及巖石孔隙內(nèi)的波及程度對(duì)洗油效率的影響。進(jìn)而明確不同表面活性劑在不同的用量、溫度、濃度下洗油效率的變化規(guī)律，為表面活性劑驅(qū)的廣泛應(yīng)用提供依據(jù)。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 材料與儀器

原油（大慶五廠）；40～70目石英砂（連云港浩森礦產(chǎn)品有限公司）；洗油的表活劑有三乙醇胺油酸皂（山東初鑫化工有限公司）；十二烷二甲基甜菜堿（BS-12）（AR山東邦化工貿(mào)中心）；椰油酰胺丙基甜菜堿（AB-35）（AR臨沂市綠森化工有限公司）；吐溫80（AR南通仁達(dá)有限公司）；脂肪醇聚氧乙烯醚硫酸鈉（AES）（AR濟(jì)南國(guó)丞化工有限公司）；十六烷基三甲基溴化銨（C19H42BrN）（AR山東邦化工貿(mào)中心）；椰油酸鉀皂（CPS）（AR昆山晟安生物科技有限公司）。實(shí)驗(yàn)中配制溶液用蒸餾水作為溶劑。

天平；離心管（質(zhì)量m0為10.0559g）；烘箱；燒杯。

1.2 原理與方法

（1）將40～70目石英砂用水沖洗后烘干其中的水，并將油與砂按1∶5混合放到烘箱60℃老化24h后取出作為實(shí)驗(yàn)備用。

（2）取（1）中油砂為m1（實(shí)驗(yàn)過(guò)程中取的油砂質(zhì)量為2g,共含油0.33g）放入離心管中，向其中加入一定量的表活劑溶液，適當(dāng)左右震動(dòng)4次，蓋好蓋后放入烘箱中，設(shè)定相應(yīng)的溫度，20h后取出。

（3）取出后沖洗掉洗出的油，同時(shí)倒掉里邊的溶液，并過(guò)濾3次，在過(guò)濾過(guò)程中用小水流進(jìn)行過(guò)濾，避免將石英砂洗掉，影響實(shí)驗(yàn)結(jié)果。洗后放到烘箱里，在60℃下烘干里邊的水。

（4）將（3）中烘干的油砂進(jìn)行稱量（離心管+油砂），質(zhì)量為m2。

洗油效率η通過(guò)如下公式進(jìn)行計(jì)算：

在整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，利用控制變量法對(duì)影響不同表面活劑洗油效率的因素進(jìn)行研究，所用的油砂質(zhì)量及洗油時(shí)間均相同。實(shí)驗(yàn)通過(guò)η的大小來(lái)評(píng)價(jià)某種表面活劑洗油能力的大小。

2 結(jié)果與討論

2.1 表面活性劑的量對(duì)洗油效率的影響

按上述實(shí)驗(yàn)步驟在45和60℃下進(jìn)行，表活劑濃度為2%，研究不同表面活性劑用量對(duì)以上7種表活劑洗油效率的影響，實(shí)驗(yàn)過(guò)程中以油砂與表面活性劑的比值來(lái)代替表面活性劑的量，并分別在二者之比為1∶1、1∶2、1∶3時(shí)進(jìn)行研究。結(jié)果見(jiàn)圖1。

圖1 不同表活劑在不同的油劑比下的洗油結(jié)果Fig.1 Washing oil results of different surfactants in different oil agent ratios

由圖1可以看出，對(duì)于某些表面活性劑而言油砂與表面活性劑的比越小，所驅(qū)出的油越多，離心管中的油圈越厚；而一些表面活性劑的洗油能力并不隨著表面活性劑的增多而提高。

由圖1可知，在同一溫度下，隨著油砂與劑比的變化，1∶1與1∶2之間洗油效率相差較大，并且空白對(duì)照組和BS-12在兩種溫度下的洗油能力隨著表活劑量的增加而升高，高溫時(shí)，AB-35與AES增加表活劑的量對(duì)提高洗油效率起作用，而對(duì)于吐溫80來(lái)說(shuō)，在高溫時(shí)增加其用量對(duì)洗油效率幾乎不產(chǎn)生影響，洗油效率增加并不明顯，因?yàn)橥聹?0的洗油能力主要受溫度影響。并且由兩個(gè)溫度下的結(jié)果可以看出，油：表面活性劑為1∶3時(shí)洗油效率均比較小，而未加入表面活性劑的空白樣品中，適當(dāng)?shù)脑黾铀磕軌蛎黠@的增加洗油效果，這是由于油和水之間在巖石表面的吸附差異導(dǎo)致的，在7種表面活性劑中，C19H42BrN、CPS、三乙醇胺油酸皂、AB-35在油砂與表面活性劑的比值為1∶2時(shí)的洗油效率均最高，而不同類型的表面活性劑會(huì)改變這種吸附能力，在一定程度下，當(dāng)表面活性劑用量較高時(shí)，油滴會(huì)更容易從巖石表面剝離，而剝離之后的油滴并不穩(wěn)定，部分表面活性劑會(huì)大規(guī)模的剝離巖石表面的原油，這種原油油滴尺寸較大，而油滴在重力作用下運(yùn)移的過(guò)程中會(huì)重新破碎、吸附，導(dǎo)致在較高的用量下其洗油效果降低。小顆粒的油滴則會(huì)更容易從巖石顆粒之間的孔隙中運(yùn)移，不會(huì)被破碎。另外對(duì)比兩種實(shí)驗(yàn)溫度，發(fā)現(xiàn)在較高的溫度下洗油效率較高，這說(shuō)明較高的實(shí)驗(yàn)溫度有助于表面活性劑的剝離作用，分析其原因認(rèn)為原油是一種非常復(fù)雜的有機(jī)混合物，原油中的飽和烴、芳香烴、膠質(zhì)瀝青質(zhì)含量對(duì)原油的吸附性能和流動(dòng)能力影響巨大，一般原油中的膠質(zhì)瀝青質(zhì)含量較高，受溫度影響，在較高的溫度下會(huì)使整個(gè)原油體系的黏度降低，進(jìn)而增加原油液滴的流動(dòng)能力，增加洗油效率。

2.2 溫度對(duì)洗油效率的影響

由于從上述表面活性劑的量對(duì)洗油效率的影響的結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在7種洗油劑中CPS與三乙醇胺油酸皂的洗油現(xiàn)象不明顯，見(jiàn)圖2。因此，在分析溫度對(duì)洗油效率的影響時(shí)，只使用另外的5種藥劑進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。當(dāng)溫度較高時(shí)，原油在表面活性劑的作用下從巖石表面剝離之后會(huì)在重力的作用下進(jìn)入到水相的上部，而產(chǎn)出的原油會(huì)吸附在管壁附近，這說(shuō)明對(duì)于地層內(nèi)的原油，經(jīng)過(guò)洗油效率較高的表面活性劑剝離之后會(huì)重新在油濕的部分進(jìn)行二次吸附，因此，對(duì)于表面活性劑洗油來(lái)說(shuō)，一方面需要大幅度的改變巖石的潤(rùn)濕性，盡可能的將吸附在巖石表面的原油剝離，另一方面需要將剝離的原油分散成小油滴，避免其在地層內(nèi)的二次吸附。我們進(jìn)一步改變實(shí)驗(yàn)中溫度分別為30、45、60和75℃，油砂與表面活性劑的比為1∶2，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖2。

圖2 不同溫度下的洗油結(jié)果Fig.2 Washing oil results at different temperatures

由圖2可見(jiàn)，隨著溫度的升高，洗油效率也隨之升高，并且這5種表面活性劑均呈現(xiàn)這樣的趨勢(shì)，溫度為30℃時(shí)只有BS-12的洗油效率與溫度為45℃時(shí)差別較小，而另外4種表活劑在以上兩個(gè)溫度下的洗油效率差別比較大，45、60及75℃時(shí)的洗油效率較接近，當(dāng)溫度升高到一定程度時(shí)表面活性劑的洗油能力增加值不再增加。通過(guò)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)75℃時(shí)，AB-35的洗油效率與60℃時(shí)的洗油效率較接近，可見(jiàn)AB-35隨著溫度的增加，洗油效率并不會(huì)隨之升高。而吐溫80的洗油效率一直隨著溫度的升高而增加，這種表面活性劑較易受溫度影響，這與吐溫80在低溫時(shí)容易成膠狀，而高溫時(shí)復(fù)原才能夠發(fā)揮其洗油的能力有關(guān)。其更合適在溫度較高的條件下洗油。

2.3 表活劑濃度對(duì)洗油效率的影響

經(jīng)過(guò)分析不同溫度和不同油劑比對(duì)洗油效率的影響實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)AES的洗油效果相對(duì)不明顯，并且其狀態(tài)為粘稠狀，放入蒸餾水中不易均勻溶解，在進(jìn)一步研究濃度對(duì)洗油效率的影響實(shí)驗(yàn)中易影響實(shí)驗(yàn)結(jié)果。因此，在分析表面活劑濃度對(duì)洗油效率的影響時(shí)利用剩下的4種表面活劑進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。洗油結(jié)果見(jiàn)圖3。

圖3 不同表面活性劑濃度下的洗油效果Fig.3 Washing effect of different surfactant concentration

實(shí)驗(yàn)中，表活劑濃度分別為0.25%、0.5%、1.5%、2%及4%，溫度控制在60℃，油砂與表面活性劑的比值為1∶2。由圖3可以看出，隨著表面活性劑濃度的增加，洗油效率先增加后降低，每種表面活性劑都有相應(yīng)的合適濃度。濃度為0.25%時(shí)，C19H42BrN、AB-35和吐溫80這3種表活劑的洗油效率都最低，中BS-12、AB-35和吐溫80在濃度為0.5%時(shí)的洗油效率都比較高，相反在濃度為4%時(shí)表面活性劑的洗油能力并不高。在以上幾個(gè)表面活性劑濃度下吐溫80的洗油效率均最高，對(duì)于C19H42BrN只有濃度為2%時(shí)洗油效率才較高。

3 結(jié)論

（1）當(dāng)油砂與表面活性劑量的比值為1∶1和1∶2時(shí)所呈現(xiàn)的差別比較明顯，油砂與表面活性劑的比值為1∶2時(shí)，對(duì)提高C19H42BrN、CPS、三乙醇胺油酸皂、AB-35的洗油效率有效。

（2）在7種表面活性劑中，三乙醇胺油酸皂的洗油效率最低，CPS洗油結(jié)束后現(xiàn)象不明顯，不會(huì)像其他表面活性劑洗油結(jié)束后洗出的油浮在表活劑溶液上。

（3）隨著溫度的升高，表面活性劑的洗油效率隨之升高。AB-35的洗油效率受溫度影響比較小，而AES和吐溫80的洗油效率受溫度影響較大。

（4）隨著表面活性劑濃度的增加，洗油效率先增加后降低，不同表面活性劑均有其相對(duì)應(yīng)的最佳濃度，而不同表面活性劑下洗油時(shí)發(fā)現(xiàn)吐溫80洗油效率均最高。