環(huán)烷基石油磺酸鹽與甜菜堿二元復(fù)配體系的性能研究

云慶慶，徐崇軍，邵洪志，帕提古麗·麥麥提，焦秋菊

（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）

中國(guó)石油新疆油田分公司在探索復(fù)合驅(qū)技術(shù)應(yīng)用的思路重點(diǎn)在二元復(fù)合驅(qū)，使用的表面活性劑主要來源于克拉瑪依本地生產(chǎn)的環(huán)烷基石油磺酸鹽（KPS），該表面活性劑具有較強(qiáng)的乳化性能，但在油水平衡界面張力方面很難達(dá)到超低值（<1×10-2mN/m）的要求［1-2］。為改善表面活性劑的性能，目前的方法是合成新型表面活性劑或?qū)⒈砻婊钚詣┡c其他化合物復(fù)配。由于新型表面活性劑研發(fā)難度大、成本高和周期長(zhǎng)，難以滿足礦場(chǎng)需求。所以，當(dāng)前的研究以表面活性劑與其他化合物復(fù)配為主［3-6］。甜菜堿（TCJ）具有較強(qiáng)的界面活性，是少數(shù)能夠用于高溫高鹽油藏的表面活性劑之一［7-8］。通過研究KPS與TCJ復(fù)配，掌握兩種表面活性劑間的協(xié)同作用，解決界面張力難以達(dá)到超低值的難題。再者，清水資源在新疆地區(qū)較為緊缺，需要攻關(guān)污水配制聚表二元驅(qū)復(fù)配技術(shù)，但污水礦化度較高，鈣鎂離子含量高，影響聚表二元驅(qū)復(fù)配體系的穩(wěn)定性［9］，需進(jìn)一步對(duì)污水配制二元驅(qū)復(fù)配體系進(jìn)行優(yōu)化，解決污水帶來的二元驅(qū)油體系穩(wěn)定性差問題。

本工作通過KPS與TCJ進(jìn)行復(fù)配，研究復(fù)配規(guī)律，并設(shè)計(jì)出適用于新疆油田B區(qū)污水配制的二元驅(qū)油體系。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

KPS（有效含量20%（w））：工業(yè)品，克拉瑪依金塔公司；TCJ（有效含量30%（w））：中國(guó)石油勘探開發(fā)研究院；抗鹽聚丙烯酰胺（KYPAM，固含量91.16%，相對(duì)分子質(zhì)量1 200×104）：工業(yè)品，北京恒聚化工集團(tuán)有限責(zé)任公司；配液用水：新疆油田B區(qū)污水，水質(zhì)分析結(jié)果見表1；實(shí)驗(yàn)用油：新疆油田B區(qū)脫水脫氣原油；巖心為人造礫巖巖心。

表1 B區(qū)污水水質(zhì)分析結(jié)果Table 1 Analysis results of sewage quality in zone B

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 臨界膠束濃度的測(cè)定

用蒸餾水配制1%（w）的KPS溶液，1%（w）TCJ溶液，1%（w）（m（KPS）∶m（TCJ）=7∶3）溶液，在25 ℃的條件下，用德國(guó)KRUSS公司K100型表面張力儀測(cè)定3種溶液的臨界膠束濃度。

1.2.2 界面張力的測(cè)定

采用北京盛維基業(yè)科技有限公司TX500C型旋轉(zhuǎn)滴界面張力儀，參照石油天然氣行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)SY/T 5370—2018［10］測(cè)定二元復(fù)配體系的界面張力。

配制不同Na+，Ca2+質(zhì)量濃度下的二元驅(qū)油體系，通過測(cè)定與原油的界面張力評(píng)價(jià)驅(qū)油體系的抗鹽性能。

1.2.4 抗吸附性能評(píng)價(jià)

將污水配制的溶液與凈油砂按質(zhì)量比9∶1進(jìn)行混合，放置于恒溫?fù)u床，轉(zhuǎn)速為90 r/min，溫度為地層溫度43 ℃，振蕩12 h，取出清液進(jìn)行界面張力的測(cè)定。繼續(xù)按液砂質(zhì)量比為9∶1進(jìn)行二次吸附并測(cè)定界面張力，抗吸附實(shí)驗(yàn)進(jìn)行5次，評(píng)價(jià)二元復(fù)配體系的抗吸附性能。

1.2.5 長(zhǎng)期穩(wěn)定性評(píng)價(jià)

將配制好的溶液用安瓿瓶裝樣并密封，放入烘箱中，溫度為地層溫度43 ℃，穩(wěn)定性評(píng)價(jià)的時(shí)間分別為0，1，3，8，15，30，50，60 d。

1.2.6 驅(qū)油實(shí)驗(yàn)

對(duì)巖心進(jìn)行前處理；用產(chǎn)出水驅(qū)至含水98%（φ），計(jì)算采收率；注入0.7 PV二元復(fù)配體系溶液，然后再用產(chǎn)出水水驅(qū)至含水98%（φ），計(jì)算化學(xué)驅(qū)采收率。實(shí)驗(yàn)溫度43 ℃，驅(qū)替速率為0.5 mL/min。

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2 結(jié)果與討論

2.1 復(fù)配規(guī)律的研究

2.1.1 表面活性劑的臨界膠束濃度

分別測(cè)試了KPS溶液、TCJ溶液、m（KPS）∶m（TCJ）=7∶3復(fù)配溶液的表面張力，進(jìn)而得到表面活性劑的臨界膠束濃度，結(jié)果見圖1。由圖1可計(jì)算得出，KPS、TCJ、KPS/TCJ復(fù)配3種體系的臨界膠束濃度分別為60.26，10.50，8.51 mg/L。

圖1 不同體系表面活性劑的表面張力Fig.1 Surface tension of surfactants in different systems.

復(fù)配表面活性劑的臨界膠束濃度要比單一的KPS或TCJ的臨界膠束濃度要低，說明兩種表面活性劑復(fù)配產(chǎn)生了正加和協(xié)同效應(yīng)。這是由于TCJ與KPS復(fù)配后，混合表面活性劑分子極性頭基正負(fù)離子之間的吸引促使表面活性劑分子間緊密結(jié)合，極性頭基之間的間距變小，親水基周圍的定向水分子減少，自由水分子增多，混亂度變大，易于膠束的形成，且形成的膠束結(jié)構(gòu)更加緊密（見圖2），因此復(fù)配后的臨界膠束濃度較低［11-13］。

圖2 復(fù)配體系的膠束結(jié)構(gòu)Fig.2 Micellar structure of compounding system.

2.1.2 界面性能

測(cè)試KPS溶液、m（KPS）∶m（TCJ）=7∶3、m（KPS）∶m（TCJ）=5∶5復(fù)配溶液分別與B區(qū)原油的界面張力，結(jié)果見圖3。由圖3可知，TCJ的加入，使得油水之間的界面張力降低，隨著TCJ含量的增加，界面張力逐漸降低，界面性能較優(yōu)。這是因?yàn)門CJ是兩性離子表面活性劑，分子中有正電荷存在，與KPS的陰離子基團(tuán)存在靜電吸引作用，同時(shí)兩種表面活性劑的碳?xì)滏溨g存在疏水相互作用，因而在界面層表面活性劑分子排列更致密，吸附量增大，復(fù)配后表面活性更高［14］。

圖3 不同體系表面活性劑的界面性能Fig.3 Interfacial tension(IFT) under different compounding systems.

2.1.3 表面活性劑的抗鹽性能評(píng)價(jià)

通過測(cè)定不同Na+，Ca2+下質(zhì)量濃度KPS、m（KPS）∶m（TCJ）=7∶3復(fù)配體系的界面張力，評(píng)價(jià)表面活性劑的耐鹽性能，結(jié)果見圖4。

圖4 不同體系的抗Na+（a）和抗Ca2+（b）性能Fig.4 Anti-Na+(a) and anti-Ca2+(b) properties of the different systems.

由圖4a可知，隨著Na+質(zhì)量濃度的增加，界面張力逐漸降低，復(fù)配體系的界面性能明顯優(yōu)于單一體系。由圖4b可知，隨著Ca2+的增加，體系的界面張力先減小后增大，單一表面活性劑界面張力達(dá)到超低時(shí)，Ca2+濃度窗口較窄，且在Ca2+質(zhì)量濃度為100 mg/L時(shí)界面張力達(dá)到超低；而復(fù)配體系的抗Ca2+質(zhì)量濃度窗口明顯變寬，增加到110～270 mg/L，界面張力達(dá)到超低時(shí)Ca2+質(zhì)量濃度增加到200 mg/L。同時(shí)，Ca2+對(duì)KPS單一體系降低油水界面張力的影響非常大，主要是因?yàn)镃a2+與KPS生成的二價(jià)石油磺酸鹽反應(yīng)物在水溶液中有一定的溶解度，隨質(zhì)量濃度增加，界面張力降低，Ca2+質(zhì)量濃度達(dá)到100 mg/L后，溶液中CaR2分子開始析出，界面張力又開始上升［15］。而TCJ的加入，降低了Ca2+對(duì)界面張力的變化程度，這是由于TCJ的特殊結(jié)構(gòu)使得復(fù)配體系具有良好的親水性，即使Ca2+絡(luò)合了表面活性劑分子中親水的磺酸基，表面活性劑仍可溶于水，并表現(xiàn)出較高的界面活性［16-17］。

2.2 二元復(fù)配體系配方研究

目前，新疆油田二元驅(qū)油體系多數(shù)使用工業(yè)污水進(jìn)行配制，通過對(duì)表面活性劑復(fù)配規(guī)律的研究發(fā)現(xiàn)，復(fù)配體系表現(xiàn)出較好的界面性能和抗鹽性能。因此，針對(duì)新疆油田B區(qū)的驅(qū)油體系采用石油KPS和TCJ兩種表面活性劑與KYPAM用污水進(jìn)行配制二元復(fù)配體系配方的研究。

2.2.1 二元復(fù)配體系的界面性能

配制不同表面活性劑（m（KPS）∶m（TCJ）=7∶3）含量的二元復(fù)配體系，界面性能結(jié)果見圖5。

圖5 二元復(fù)配體系的界面性能Fig.5 Interfacial tension of the binary compounding system.

由圖5可知，在油滴拉斷前，表面張力隨表面活性劑含量增加逐漸降低，當(dāng)含量高于0.3%（w）后，表面張力開始反彈，含量（w）增加到0.4%和0.5%時(shí)，界面張力幾乎無變化，但仍維持界面張力超低狀態(tài)。

2.2.2 二元復(fù)配體系的抗吸附性能

對(duì)不同表面活性劑（m（KPS）∶m（TCJ）=7∶3）含量的二元復(fù)配體系進(jìn)行抗吸附性能評(píng)價(jià)，結(jié)果見圖6。由圖6可知，污水配制的二元驅(qū)油體系在吸附5次后，界面張力仍能達(dá)到10-3mN/m，說明復(fù)配后的體系耐吸附性較優(yōu)。

圖6 二元復(fù)配體系的抗吸附性能Fig.6 Adsorption resistance of the binary compounding system.

2.2.3 二元復(fù)配體系的長(zhǎng)期穩(wěn)定性性能

綜合二元復(fù)配體系的界面性能和抗吸附性能實(shí)驗(yàn)，確定選用0.5%（w）（m（KPS）∶m（TCJ）=7∶3）表面活性劑與0.18%（w）KYPAM進(jìn)行二元復(fù)配體系的長(zhǎng)期穩(wěn)定性性能評(píng)價(jià)，結(jié)果見圖7。

圖7 二元復(fù)配體系的長(zhǎng)期穩(wěn)定性能Fig.7 Long-term stability of the binary compounding system.

由圖7可知，15 d內(nèi)，二元復(fù)配體系的界面張力低于1×10-2mN/m，60 d后，界面張力仍能保持10-2mN/m，說明該體系的長(zhǎng)期穩(wěn)定性能符合配方所需要求。

2.3 二元復(fù)配體系的驅(qū)油實(shí)驗(yàn)

室內(nèi)驅(qū)油實(shí)驗(yàn)采用人造礫巖巖心，在產(chǎn)出水水驅(qū)達(dá)到含水98%（φ）后，開始注入二元配方0.18%（w）KYPAM+0.5%（w）表面活性劑（m（KPS）∶m（TCJ）=7∶3），注入量為0.7 PV，結(jié)果見表2。由表2可知，此配方可進(jìn)一步提高采收率達(dá)25%以上，這是由于水驅(qū)后仍有大量殘余油附著在孔喉或盲端，加入復(fù)配表面活性劑-聚合物體系后，表面活性劑可有效降低界面張力，使殘余油剝離巖石，從而提高采收率。

表2 KPS/TCJ-聚合物復(fù)配體系驅(qū)油效率Table 2 Oil displacement efficiency of the KPS/TCJ-polymer compounding system

3 結(jié)論

1）通過對(duì)比單一的KPS與KPS/TCJ復(fù)配體系的臨界膠束濃度、界面性能和抗鹽性能，發(fā)現(xiàn)復(fù)配體系性能優(yōu)于單一體系，復(fù)配體系的臨界膠束濃度比兩種單一的表面活性劑的都要低，界面性能較優(yōu)，表現(xiàn)出正加和協(xié)同效應(yīng)；復(fù)配體系有較好的抗鹽性能，界面張力達(dá)到超低時(shí)，抗Ca2+質(zhì)量濃度窗口增加到110～270 mg/L。

2）針對(duì)新疆油田B區(qū)，篩選出了具有高界面性能、抗吸附性能和長(zhǎng)期穩(wěn)定性的污水配制二元復(fù)配驅(qū)油體系，且驅(qū)油效率在水驅(qū)基礎(chǔ)上提高采收率可達(dá)25%以上，驅(qū)油效果良好。