納米二氧化硅對(duì)表面活性劑溶液乳化性能的影響

曹廣勝，吳佳駿，左繼澤，安宏鑫，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.海洋石油工程股份有限公司，天津300461）

由于我國(guó)原油對(duì)外依存度持續(xù)增長(zhǎng)，國(guó)內(nèi)新油田勘探開(kāi)發(fā)存在難度，因此，國(guó)內(nèi)各大油田將開(kāi)采方向轉(zhuǎn)向了低滲透、特低滲透油藏。針對(duì)低滲透油藏國(guó)內(nèi)各大油田采用堿+表面活性劑+聚合物的三元復(fù)合驅(qū)技術(shù)進(jìn)行開(kāi)采，但堿對(duì)地層和管道損害嚴(yán)重，不符合環(huán)保要求，因此，三元復(fù)合驅(qū)目前已經(jīng)轉(zhuǎn)向了二元復(fù)合驅(qū)，而二元復(fù)合驅(qū)的驅(qū)油效果并沒(méi)有達(dá)到三元復(fù)合驅(qū)的程度，因此，對(duì)于表面活性劑和聚合物的使用仍存在許多問(wèn)題亟待攻克。Bai[1]等人通過(guò)室內(nèi)實(shí)驗(yàn)和分子模擬的方法研究了不同原油組分對(duì)乳狀液黏度的影響，曹廣勝[2-4]等人研究基于不同乳化劑結(jié)構(gòu)的油水乳化性能。納米材料具有環(huán)保、無(wú)污染、高效、成本低等優(yōu)點(diǎn)，并且被應(yīng)用于醫(yī)藥、工程、化工等各個(gè)領(lǐng)域[5]。納米SiO2的強(qiáng)疏水性，可以應(yīng)用于油藏開(kāi)發(fā)中，納米SiO2與油相相互作用，使油相潤(rùn)濕性發(fā)生改變，界面張力降低，波及體積增大，各方面協(xié)同作用增加了毛細(xì)管數(shù)，從而提高原油采收率[6-8]。

將納米材料與表面活性劑相配合使用成為未來(lái)提高采收率技術(shù)方向之一，納米SiO2與表面活性劑的復(fù)配性能及溫度對(duì)乳狀液乳化性能的影響是本文的研究?jī)?nèi)容。本文通過(guò)將不同類型表面活性劑與SiO2進(jìn)行復(fù)配，并測(cè)量出乳狀液的粘溫曲線來(lái)觀察SiO2對(duì)表面活性劑溶液乳化性能的影響。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)藥品

原油（大慶油田五廠）；十六烷基三甲基溴化銨（西隴科學(xué)化工）；PQ-10（天津科密歐）；十二烷基苯磺酸鈉（國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑）；十二烷基二苯醚二磺酸鈉（山東優(yōu)索化工）；OP-10（美國(guó)陶氏）；司班-60（西隴科學(xué)化工）；十二烷基二甲基甜菜堿（億群化工），以上藥品均為分析純；納米SiO215~45nm（先豐納米）。

1.2 實(shí)驗(yàn)所用儀器

FSH-2型可調(diào)高速勻漿器（金城碩華儀器廠）；BROOKFIELD黏度儀（美國(guó)博勒飛）；TC-150恒溫水?。绹?guó)博勒飛）；PM6000顯微鏡（樂(lè)迪儀器）。

1.3 實(shí)驗(yàn)步驟

首先，稱取兩份0.02g的表面活性劑，分別放入兩個(gè)100mL的燒杯中；然后再稱取0.02g納米SiO2，加入1號(hào)燒杯中；分別向兩個(gè)燒杯中加入20mL蒸餾水；使用玻璃棒進(jìn)行攪拌，使表面活性劑與納米SiO2充分溶解形成溶液；向兩份配制好的表面活性劑溶液中加入80mL原油；使用FSH-2型可調(diào)高速勻漿器攪拌15min，完成乳化，形成乳狀液；將乳狀液倒入BROOKFIELD黏度儀，搭配TC-150恒溫水浴測(cè)量不同溫度下乳狀液黏度；最后使用PM6000顯微鏡觀察不同溫度下乳狀液微觀結(jié)構(gòu)。

2 結(jié)果與討論

2.1 不同表面活性劑對(duì)原油乳狀液黏度的影響

按照上述實(shí)驗(yàn)步驟進(jìn)行操作，測(cè)量并記錄在加入不同表面活性劑后，各溫度下的各乳狀液黏度，結(jié)果見(jiàn)圖1。

圖1 不同表面活性劑乳狀液粘溫曲線Fig.1 Viscosity temperature curve of different surfactant emulsions

由圖1可知，加入表面活性劑后形成的乳狀液黏度明顯高于原油黏度，這說(shuō)明實(shí)驗(yàn)所用的表面活性劑與原油和水的作用下有可能形成了油包水型乳狀液，乳狀液顆粒之間相互作用使整個(gè)體系黏度增加，35℃時(shí)原油黏度為2750mPa·s，乳狀液黏度增幅最大的是十二烷基二苯醚二磺酸鈉，增幅達(dá)到118.2%，增幅最小的是PQ-10，增幅為8.4%，由此可以看出，十二烷基二苯醚二磺酸鈉乳化性能最好，PQ-10乳化效果最差。另外無(wú)論哪種表面能活性劑乳狀液，黏度都隨溫度升高而降低，黏度差最大的是十二烷基二苯醚二磺酸鈉5975mPa·s，黏度差最小的是PQ-10為2935mPa·s，乳狀液黏度變化范圍為10~6000mPa·s，原油黏度變化范圍為15~2750mPa·s。

由圖2可知，實(shí)驗(yàn)所用的表面活性劑與原油形成的油包水型乳狀液，其中水相以小液滴的形式分散于油相中，水相是分散相，油相是分散介質(zhì)。通過(guò)不同表面活性劑與原油形成的乳狀液形態(tài)對(duì)比可以看出，十二烷基二苯醚二磺酸鈉形成的油包水型乳狀液中水相的液滴顆粒尺寸相對(duì)較小，且數(shù)量明顯較多，說(shuō)明十二烷基二苯醚二磺酸鈉乳化效果更好，同時(shí)也意味著當(dāng)乳狀液中水相液滴的尺寸較小、數(shù)量較多時(shí)，乳狀液的乳化強(qiáng)度越強(qiáng)，油包水型乳狀液的黏度越大。

圖2 不同表面活性劑與原油形成的乳狀液形態(tài)Fig.2 Morphology of emulsion formed by different surfactants and crude oil

2.2 納米SiO2對(duì)表面活性劑乳液的乳化性能影響

通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)得各乳狀液加入SiO2后的黏度，結(jié)果見(jiàn)圖3、4。

圖3 加入納米SiO2后不同表面活性劑乳狀液粘溫曲線Fig.3 Viscosity temperature curve of different surfactant emulsions after adding nano-SiO2

圖4 加入納米SiO2后不同表面活性劑乳狀液黏度差Fig.4 Viscosity difference of different surfactant emulsions after adding nano-SiO2

由圖3、4可知，35℃時(shí)加入納米SiO2后，司班-60黏度增長(zhǎng)最多，達(dá)到3833mPa·s，十二烷基二甲基甜菜堿加入納米SiO2后黏度反而降低了84mPa·s。通過(guò)以上實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，加入納米SiO2后對(duì)乳狀液黏度的影響并不絕對(duì)。這說(shuō)明納米SiO2會(huì)與不同的表面活性劑相互作用使其乳狀液的黏度發(fā)生改變，且這種改變與表面活性劑的類型并不存在一個(gè)特別明顯的對(duì)應(yīng)關(guān)系，因此，納米SiO2對(duì)表面活性劑乳狀液黏度的影響機(jī)制差異較大。

圖5 乳狀液的乳化形態(tài)微觀特征Fig.5 Microscopic characteristics of emulsion morphology

通過(guò)觀察司班-60和十二烷基二甲基甜菜堿加入納米SiO2前后微觀結(jié)構(gòu)發(fā)現(xiàn)，加入納米SiO2后，油包水型乳狀液明顯增多，而十二烷基二甲基甜菜堿中加入納米SiO2后油包水型乳狀液卻有所減少，這是因?yàn)樵诩{米SiO2改性聚合物體系中，納米顆粒可以通過(guò)氫鍵、靜電作用等與不同聚合物分子產(chǎn)生很好的相互作用，從而促使分子間網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)增強(qiáng)、溶液黏度提升更為明顯，與不同類型表面活性劑搭配相互作用的強(qiáng)度也不相同，所以增粘效果也有所差異。進(jìn)一步改變?nèi)闋钜旱臏囟?，以司?60為例，分析其在不同溫度下形態(tài)的變化特征見(jiàn)圖6。

圖6 不同溫度下乳狀液的形態(tài)變化特征Fig.6 Morphological characteristics of emulsion at different temperatures

由圖6可以看出，在不同溫度下，司班-60乳狀液的狀態(tài)存在較大的差異，當(dāng)溫度較低時(shí)，乳狀液中液相的尺寸較小，數(shù)量較多，乳化比較嚴(yán)重，而當(dāng)乳狀液的溫度較高時(shí)，乳狀液中的液相尺寸較大，數(shù)量較少，但原油在較高的溫度下黏度較低，應(yīng)該更容易形成較為復(fù)雜的乳狀液體系，我們分析出現(xiàn)這種狀況的原因是，由于在較高的溫度下，乳狀液穩(wěn)定性較低，因此，在高溫條件下，乳狀液形成之后會(huì)迅速破乳，破乳后的水滴會(huì)逐漸的聚并，進(jìn)而降低乳化程度。而加入納米SiO2之后，乳狀液中的液滴在較高的溫度下仍然能夠保持較好的乳化能力，因此，我們判斷納米SiO2能夠大幅度的增加表面活性劑乳狀液的穩(wěn)定性。

3 結(jié)論

（1）原油中加入表面活性劑形成乳狀液后，黏度會(huì)隨之增大，不同類型表面活性劑對(duì)黏度的影響存在差異。實(shí)驗(yàn)所用表面活性劑中黏度增幅最大的是十二烷基二苯醚二磺酸鈉，黏度增幅最小的是PQ-10。

（2）納米SiO2會(huì)與不同的表面活性劑相互作用使其乳狀液的黏度發(fā)生改變，且這種改變與表面活性劑的類型并不存在一個(gè)特別明顯的對(duì)應(yīng)關(guān)系，因此，納米SiO2對(duì)表面活性劑乳狀液黏度的影響機(jī)制差異較大。

（3）高溫條件下，納米SiO2能夠大幅度增加表面活性劑乳狀液的穩(wěn)定性。