驅(qū)油用石油磺酸鹽復(fù)配體系的表面和界面性能研究

楊 浩，王 明，孟祖超，劉 祥

(西安石油大學(xué)，陜西 西安 710065)

目前，我國的多數(shù)開采油田已處于開采的中后期階段。采用常規(guī)采油工藝，約30%～50%的原油得到開采，仍有大部分原油未能得到有效開發(fā)，并以剩余油的形式殘留在油藏中[1-2]。在增強(qiáng)采油技術(shù)（EOR）的研究中，表面活性劑增強(qiáng)采油技術(shù)已被證明是一種經(jīng)濟(jì)、有效的采油方法。表面活性劑增強(qiáng)采油技術(shù)是指向水中注入既具有表面活性，又具有起泡、乳化、潤濕等能力的物質(zhì)，以降低油-水界面的張力或改變潤濕性，從而提高原油采收率的方法[3-4]。EOR用表面活性劑應(yīng)滿足以下要求：超低的油水界面張力(IFT)、低吸附量、良好的相容性和低成本[5]。油和水(表面活性劑水溶液)之間的IFT值 在EOR過程中非常重要。Trabelsi[6]提出，尋找超低IFT值的表面活性劑時(shí)，應(yīng)注意反應(yīng)性原油中所含的本土表面活性劑。

石油磺酸鹽是一種以石油餾分油或原油為原料合成的陰離子型表面活性劑，具有與原油相似的分子當(dāng)量分布[7]，被認(rèn)為是最適合EOR的表面活性劑[8-9]。但是石油磺酸鹽在應(yīng)用中存在性能穩(wěn)定性差、耐鹽性差、易與黏土發(fā)生吸附等缺點(diǎn)，需要與其他物質(zhì)復(fù)配來滿足應(yīng)用要求[10]。本文將石油磺酸鹽與陰離子、陽離子、非離子、兩性等21種油田常用的表面活性劑進(jìn)行復(fù)配，通過評(píng)價(jià)體系的表、界面張力等指標(biāo)，篩選出具有驅(qū)油潛力的復(fù)配體系。

1 實(shí)驗(yàn)藥品與儀器

1.1 主要實(shí)驗(yàn)藥品

烷醇酰胺，木質(zhì)素磺酸鈣，木質(zhì)素磺酸鈉，烷基糖苷，十四烷基羥丙基磺基甜菜堿，石油磺酸鹽(45%)。

1.2 實(shí)驗(yàn)儀器

全自動(dòng)表面張力儀，旋滴界面張力儀。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 PS的表、界面性能研究

配制質(zhì)量濃度為0.05%～0.9%的PS溶液，通過測(cè)定不同質(zhì)量濃度的PS的表、界面張力，來確定PS的最佳質(zhì)量濃度。圖1是表面張力隨質(zhì)量濃度變化的曲線，由圖可知，PS質(zhì)量濃度為0.30%時(shí)，表面張力能降至最低值28.181mN·m-1。圖2是界面張力隨質(zhì)量濃度分?jǐn)?shù)變化的曲線，由圖可知PS質(zhì)量濃度為0.30%時(shí)，界面張力能降至最低值0.02965mN·m-1，因此質(zhì)量濃度0.30%是最佳加入量。當(dāng)界面張力達(dá)到最低后，隨著濃度的增大，體系的界面張力有增大的趨勢(shì)。這是由于PS并非單一純組分，溶液濃度超過臨界膠束濃度后，會(huì)形成較為復(fù)雜的膠束結(jié)構(gòu)，溶液中活性劑濃度的增大，反而降低了油/水界面的表面活性劑濃度，使得油/水界面的張力反而增大[11]。實(shí)驗(yàn)結(jié)果也表明，單一的PS溶液只能使油/水界面的張力降至10-2數(shù)量級(jí)，難以降至更低。

圖1 不同質(zhì)量百分濃度PS的表面張力圖

圖2 不同質(zhì)量百分濃度PS的界面張力圖

2.2 復(fù)配體系的表、界面性能研究

將PS與其他21種表面活性劑，按照1∶1的比例（21種表面活性劑若為液體，按照有效成分含量與固體表活劑確定統(tǒng)一比例標(biāo)準(zhǔn))、總質(zhì)量百分濃度為0.3%進(jìn)行復(fù)配。由圖3可知，各復(fù)配體系的表面張力均能降至35mN·m-1以下，說明復(fù)配后的體系形成的混合膠束均具有較好的表面活性。由圖4可知，PS與木質(zhì)素磺酸鈉、木質(zhì)素磺酸鈣、烷醇酰胺、烷基糖苷、十四烷基羥丙基磺基甜菜堿的復(fù)配體系，能將界面張力降低至10-2數(shù)量級(jí)，達(dá)到驅(qū)油標(biāo)準(zhǔn)，有較好的驅(qū)油潛力。其中木素磺酸鹽以非極性的芳環(huán)側(cè)鏈和極性的磺酸基相結(jié)合的形式存在，所以它的油溶性很弱，親水性很強(qiáng)，疏水骨架呈球狀，不能像一般的低分子表面活性劑那樣具有整齊的相界面排列狀態(tài)，因此它降低表、界面張力的作用不大[12]。但是木質(zhì)素磺酸鹽與PS之間存在著協(xié)同效應(yīng)，能生成表面活性較高的復(fù)合物[13-15]，所以PS與木質(zhì)素磺酸鈉和木質(zhì)素磺酸鈣的復(fù)配體系，其界面張力均能達(dá)到驅(qū)油標(biāo)準(zhǔn)，PS/木質(zhì)素磺酸鈉體系更是能達(dá)到10-3數(shù)量級(jí)的低界面張力，具有較好的應(yīng)用前景。

圖3 PS與其他表面活性劑復(fù)配的表面張力

圖4 PS與其他表面活性劑復(fù)配的界面張力

2.3 復(fù)配體系的耐溫抗鹽性能研究

對(duì)界面張力達(dá)到驅(qū)油標(biāo)準(zhǔn)的復(fù)配體系進(jìn)行耐溫抗鹽測(cè)試，結(jié)果見表1。耐溫測(cè)試結(jié)果顯示，PS與木質(zhì)素磺酸鈉、烷醇酰胺、烷基糖苷的復(fù)配體系耐溫效果較好，溶液未發(fā)生渾濁。表2結(jié)果說明，PS與木質(zhì)素磺酸鈣、烷基糖苷在抗鹽測(cè)試實(shí)驗(yàn)中產(chǎn)生了渾濁沉淀，在礦物水中的抗鹽效果較差。綜上所述，PS/木質(zhì)素磺酸鈉、PS/烷醇酰胺體系的耐溫效果較好，有一定的抗鹽能力。綜合表、界面張力測(cè)試結(jié)果，最終確定PS/木質(zhì)素磺酸鈉和PS/烷醇酰胺為優(yōu)選復(fù)配體系，并進(jìn)行配比研究。

表1 復(fù)配體系耐溫性能測(cè)試

表2 復(fù)配體系抗鹽性能測(cè)試

2.4 優(yōu)選復(fù)配體系的配比研究

將PS/木質(zhì)素磺酸鈉、PS/烷醇酰胺按照1∶1、1∶2、2∶1、2∶3、3∶2的不同比例進(jìn)行配制，并測(cè)試不同配比下體系的表、界面張力。圖5結(jié)果表明，PS/木質(zhì)素磺酸鈉復(fù)配體系在配比為2∶1時(shí)，能比較穩(wěn)定地將表面張力降低至29mN·m-1左右。由圖6可知，該體系在配比為1∶1和2∶1的條件下，可在較大的質(zhì)量濃度范圍內(nèi)使界面張力降低至10-2數(shù)量級(jí)，且在配比為2∶1、質(zhì)量濃度在0.3%時(shí)，界面張力達(dá)到最低值0.006997mN·m-1，表明PS/木質(zhì)素磺酸鈉復(fù)配體系在2∶1的配比下，降低表、界面張力的整體效果最好。

圖5 PS與木質(zhì)素磺酸鈉的不同配比下體系的表面張力

圖6 PS與木質(zhì)素磺酸鈉的不同配比下體系的界面張力

圖7結(jié)果說明，PS/烷醇酰胺復(fù)配體系在配比分別為1∶1、2∶1、3∶2時(shí)，降低表面張力的效果均較好。各不同配比的體系，均隨著濃度的增加，界面張力有不斷降低的趨勢(shì)，且都在質(zhì)量濃度為0.3%時(shí)降到最低（圖8）。雖然體系在配比為2∶3時(shí)，界面張力最低能達(dá)到0.006875 mN·m-1，但配比為1∶1時(shí)，降低各濃度范圍的界面張力的效果較好，且在質(zhì)量百分濃度為0.3%時(shí)能達(dá)到0.008853mN·m-1的低界面張力。因此PS/烷醇酰胺復(fù)配體系在1∶1的配比下，降低表、界面張力的整體效果最好。

圖7 PS與烷醇酰胺在不同配比下的體系表面張力

圖8 PS與烷醇酰胺在不同配比下的體系界面張力

3 結(jié)論

1）大部分油田常用的表面活性劑在單一使用時(shí)，其界面張力往往很難達(dá)到驅(qū)油標(biāo)準(zhǔn)。通過復(fù)配形成的混合體系，由于混合單層和混合膠束的相互作用，表面活性劑的混合物在降低IFT方面優(yōu)于單獨(dú)的任何一種組分。

2）通過實(shí)驗(yàn)，篩選出了5種具有驅(qū)油潛力、適合與石油磺酸鹽進(jìn)行復(fù)配的表面活性劑：木質(zhì)素磺酸鈉、木質(zhì)素磺酸鈣、烷醇酰胺、烷基糖苷、十四烷基羥丙基磺基甜菜堿。

3）PS/木質(zhì)素磺酸鹽復(fù)配體系在比例為2∶1、質(zhì)量總濃度為0.15%～0.3%時(shí)的效果最好，能達(dá)到10-3數(shù)量級(jí)的低界面張力。PS/烷醇酰胺復(fù)配體系在比例為1∶1、質(zhì)量總濃度為0.2%～0.3%時(shí)的效果最好，能達(dá)到10-3數(shù)量級(jí)的低界面張力。