趙方劍，呂 遠(yuǎn)，李 超，劉雄志

(1.中國(guó)石化勝利油田分公司 地質(zhì)科學(xué)研究院，山東 東營(yíng) 257015； 2.中國(guó)石油大學(xué)(華東) 化學(xué)工程學(xué)院，山東 青島 266555； 3.中國(guó)石油勘探開發(fā)研究院 西北分院，甘肅 蘭州 730020)

勝利油田孤東原油超低界面張力驅(qū)油體系研究

趙方劍1，呂 遠(yuǎn)1，李 超2，劉雄志3

(1.中國(guó)石化勝利油田分公司 地質(zhì)科學(xué)研究院，山東 東營(yíng) 257015； 2.中國(guó)石油大學(xué)(華東) 化學(xué)工程學(xué)院，山東 青島 266555； 3.中國(guó)石油勘探開發(fā)研究院 西北分院，甘肅 蘭州 730020)

采用旋轉(zhuǎn)滴法測(cè)定了單一表面活性劑體系、復(fù)配表面活性劑體系與孤東原油的動(dòng)態(tài)界面張力。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，單一表面活性劑體系超低界面張力維持時(shí)間較短，將甜菜堿表面活性劑(C18BE)與α-烯烴磺酸鹽(AOS)表面活性劑復(fù)配后，可以使油水界面張力降至10-4mN/m。在此基礎(chǔ)上，對(duì)這一復(fù)配體系的最佳復(fù)配比例進(jìn)行了研究，最終優(yōu)選出適合孤東原油的超低界面張力驅(qū)油體系。

表面活性劑；復(fù)配；超低界面張力；提高采收率

原油采收率是由驅(qū)油體系的波及體積和洗油效率決定的，提高洗油效率一般通過增加毛管數(shù)來實(shí)現(xiàn)，而降低油水界面張力是增加毛管數(shù)的主要途徑[1-4]。許多研究結(jié)果表明，驅(qū)替水驅(qū)后殘余油，需要使油水界面張力降低到10-2～10-3mN/m，才能使毛管數(shù)大幅度增加，達(dá)到預(yù)期的提高采收率的效果[5-6]。因此，研制驅(qū)油用表面活性劑體系都以超低界面張力為主要指標(biāo)。本文通過測(cè)定不同類型表面活性劑與孤東原油間的界面張力，篩選界面張力在10-2mN/m數(shù)量級(jí)的表面活性劑，同時(shí)考慮2種表面活性劑之間的復(fù)配，最終優(yōu)選出適合孤東原油的超低界面張力驅(qū)油體系。

1 實(shí)驗(yàn)儀器與材料

實(shí)驗(yàn)儀器：旋滴界面張力儀，TEXA-500C；折光率儀；密度計(jì)；超級(jí)恒溫水??；紅外線快速干燥器；電子天平等[7]。

實(shí)驗(yàn)材料：勝利石油磺酸鹽(SLPS，平均相對(duì)分子質(zhì)量425)、α-烯烴磺酸鹽(α-AOS)、甜菜堿兩性表面活性劑(C12BE、C18BE)。

實(shí)驗(yàn)用原油取自勝利油田孤東采油廠15-34井產(chǎn)出油，新鮮原油經(jīng)過脫水脫氣處理后，測(cè)定在地層溫度60 ℃下原油密度0.916 g/cm3，原油黏度75 mPa·s，酸值1.24 mg/g，含膠質(zhì)18.3%，瀝青質(zhì)0.735%。該區(qū)塊地層水的離子組成見表1，實(shí)驗(yàn)中配制相應(yīng)的模擬地層水。

表1 地層水離子組成

2 結(jié)果與討論

2.1 單一表面活性劑濃度對(duì)油水界面張力的影響

為了研究單一表面活性劑與孤東原油的界面張力，首先測(cè)定了磺酸鹽陰離子表面活性劑在不同濃度下的界面張力。圖1和圖2分別為勝利石油磺酸鹽(SLPS)和α-烯烴磺酸鹽(α-AOS)表面活性劑溶液與孤東原油界面張力的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

圖1 SLPS/原油界面張力

圖2 α-AOS/原油界面張力

由圖1可見，隨著勝利石油磺酸鹽SLPS質(zhì)量分?jǐn)?shù)的上升，油水界面張力值出現(xiàn)先下降后上升趨勢(shì)。當(dāng)質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.10%時(shí)界面張力開始急劇降低，在5 min左右時(shí)界面張力達(dá)到0.015 mN/m左右，其他質(zhì)量分?jǐn)?shù)時(shí)界面張力都是隨時(shí)間先降低后再基本保持不變。0.10%的SLPS與原油的界面張力在短時(shí)間內(nèi)快速下降，達(dá)到最低值以后又以較快的速度上升至平衡值的原因是，開始時(shí)表面活性物質(zhì)在油水界面上的吸附速率大于脫附速率，因而表面活性劑在油水界面上聚集，引起界面張力的下降，但隨著界面上活性物質(zhì)濃度的增大，其脫附速率增加，界面上的活性物質(zhì)因脫附而減少，致使界面張力又變大，只有在吸附與脫附速率相等時(shí)，才會(huì)出現(xiàn)穩(wěn)定的較低界面張力。

由圖2可見，α-烯烴磺酸鹽的界面張力明顯高于勝利石油磺酸鹽，隨著α-AOS質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，油水界面張力值出現(xiàn)先下降后上升趨勢(shì)，但是上升下降幅度都不大，所有質(zhì)量分?jǐn)?shù)下界面張力基本處于0.1～1 mN/m數(shù)量級(jí)。當(dāng)質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.10%時(shí)，最小平衡界面張力才能達(dá)到0.06 mN/m。

甜菜堿型表面活性劑是一類兩性表面活性劑，夏惠芬等[8]研究發(fā)現(xiàn)，少量甜菜堿的加入就可使油水界面張力達(dá)到超低，取得良好的驅(qū)油效果。因此，本文測(cè)定了不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的短鏈烷基甜菜堿(C12BE)和長(zhǎng)鏈烷基甜菜堿(C18BE)兩性表面活性劑與原油的界面張力，結(jié)果如圖3和圖4所示。

圖3 C12BE/原油界面張力

圖4 C18BE/原油界面張力

由圖3可見，當(dāng)C12BE質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.01%時(shí)，界面張力值大于0.1 mN/m，但是當(dāng)C12BE質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加到0.025%時(shí)短時(shí)間內(nèi)界面張力急劇降低，最小界面張力達(dá)到1.5×10-3mN/m，然后油滴被拉斷，界面張力上升。對(duì)于C12BE在質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.05%、0.10%、0.15%時(shí)界面張力隨時(shí)間的變化不大，只是短時(shí)間內(nèi)略有上升，平衡界面張力值維持在0.01～0.10 mN/m之間。由圖4可知，對(duì)于C18BE在質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.01%、0.025%、0.05%、0.10%、0.15%都能達(dá)到超低界面張力，其中當(dāng)質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.10%時(shí)界面張力達(dá)到1×10-4mN/m，由于界面張力太低，油滴在短時(shí)間內(nèi)就被拉長(zhǎng)變細(xì)然后被拉斷，導(dǎo)致測(cè)定時(shí)間較短。由以上研究可以看出，對(duì)于孤東原油來說，2種甜菜堿兩性表面活性劑都能使得原油的界面張力達(dá)到超低水平，但是維持超低界面張力的時(shí)間均不長(zhǎng)。

2.2 兩種表面活性劑復(fù)配體系的油水界面張力

表面活性劑復(fù)配的目的是產(chǎn)生加合增效作用，也就是協(xié)同效應(yīng)。即把不同類型的表面活性劑人為混合后，得到的混合物性能比原來單一組分的性能更加優(yōu)良，即“1+1>2”的效果[9-10]。目前的研究工作主要集中在雙組分復(fù)配體系，趙國(guó)璽等[11]認(rèn)為增效的主要因素來源于表面活性劑在溶液表面相和膠束相的非理想性；如何使協(xié)同作用達(dá)到最佳，Rosen[12]提出了非理想二元表面活性劑復(fù)配增效條件。

由于單一的勝利石油磺酸鹽溶液即可使油水界面張力降低到10-2mN/m，因此首先考慮將SLPS分別與α-AOS、C12BE、C18BE復(fù)配。復(fù)配的原則是體系的總質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.1%，兩組分按照質(zhì)量比分別為4∶1、3∶2、1∶1、2∶3、1∶4進(jìn)行復(fù)配。結(jié)果見圖5—圖7。

圖5 SLPS、α-AOS復(fù)配體系與原油界面張力曲線

圖6 SLPS、C12BE復(fù)配體系與原油界面張力曲線

圖7 SLPS、C18BE復(fù)配體系與原油界面張力曲線

由圖5和圖6可以看出，SLPS與α-AOS和C12BE都沒有出現(xiàn)協(xié)同作用。SLPS與α-AOS復(fù)配后界面張力比單獨(dú)SLPS的界面張力還要高，復(fù)配體系的界面張力值都在0.01 mN/m以上。當(dāng)SLPS與C12BE質(zhì)量比為1∶1復(fù)配時(shí)短時(shí)間內(nèi)界面張力急劇降低，最低界面張力達(dá)到10-3mN/m，但很快界面張力隨時(shí)間上升，最后穩(wěn)定在2×10-2mN/m，其他比例時(shí)油水界面張力穩(wěn)定在0.1 mN/m上下。由圖7可見，SLPS與C18BE復(fù)配出現(xiàn)了明顯的協(xié)同作用，復(fù)配體系的最小界面張力達(dá)到10-4mN/m。復(fù)配體系的油水界面張力隨時(shí)間顯示出一直在急劇地降低，直至出現(xiàn)了降到超低的特征。同時(shí)界面張力隨復(fù)配比例的變化沒有顯示出明顯的規(guī)律。

以上復(fù)配體系，只有SLPS與C18BE復(fù)配獲得了超低界面張力，但是在復(fù)配體系中SLPS的作用效果不明顯，低界面張力維持的時(shí)間仍然很短，基于此將SLPS替換為單獨(dú)測(cè)量時(shí)效果稍差的陰離子表面活性劑α-AOS，再與C18BE復(fù)配。結(jié)果見圖8。

圖8 α-AOS、C18BE復(fù)配體系與原油界面張力曲線

由圖8可以看出，α-AOS和C18BE復(fù)配同樣獲得了超低界面張力，10-3mN/m低界面張力體系維持的時(shí)間較長(zhǎng)，有時(shí)還能達(dá)到10-4mN/m數(shù)量級(jí)。當(dāng)α-AOS和C18BE質(zhì)量比小于等于1∶1時(shí)最小界面張力達(dá)到10-3mN/m以下，當(dāng)復(fù)配質(zhì)量比大于1∶1 時(shí)界面張力在10-2mN/m以上。由此可見，這2種表面活性劑復(fù)配時(shí)出現(xiàn)了加合增效作用。這是由于甜菜堿兩性表面活性劑分子中有正電荷存在，溶液中陰離子表面活性劑和甜菜堿兩性表面活性劑之間存在著強(qiáng)烈的相互作用。C18BE極性基團(tuán)所帶的正電荷對(duì)α-AOS的陰離子基團(tuán)產(chǎn)生靜電吸引作用，而且C18BE和α-AOS的碳?xì)滏溸€存在一定的疏水相互作用，因而表面活性劑分子在油水界面上排列得更緊密，故復(fù)配后界面張力更低[13-14]。

3 結(jié) 論

(1)甜菜堿兩性表面活性劑C12BE、C18BE溶液與孤東原油可獲得超低界面張力，但是維持超低界面張力的時(shí)間較短；陰離子表面活性劑以SLPS效果最好，最低界面張力達(dá)到0.01 mN/m，而另一種陰離子表面活性劑α-AOS與原油的界面張力在0.1 mN/m以上。

(2)SLPS與α-AOS、C12BE復(fù)配沒有明顯的協(xié)同作用，復(fù)配體系的界面張力值反而升高。α-AOS與C18BE的復(fù)配存在協(xié)同作用，最小界面張力達(dá)到10-4mN/m，且這一體系存在最佳復(fù)配比例(m(α-AOS)∶m(C18BE)≤1∶1)，可以選為孤東原油超低界面張力驅(qū)油體系配方。

[1] 張逢玉，盧艷，韓建彬.表面活性劑及其復(fù)配體系在三次采油中的應(yīng)用[J].石油與天然氣化工，1999,28(2)：130-132. ZHANG Feng-yu,LU Yan,HAN Jian-bin.The use of surfactants and its combination system in tertiary oil recovery[J].Chemical Engineering of Oil and Gas,1999,28(2):130-132.

[2] 仉莉，吳芳，張弛，等.驅(qū)油用表面活性劑的發(fā)展及界面張力研究[J].西安石油大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版，2010,25(6)：59-65. ZHANG Li,WU Fang,ZHANG Chi,et al.Development of surfactants for enhanced oil recovery factor and study of their interfacial tension[J].Journal of Xi'an Shiyou University：Natural Science Edition,2010,25(6):59-65.

[3] 郭東紅，李森，袁建國(guó).表面活性劑驅(qū)的驅(qū)油機(jī)理與應(yīng)用[J].精細(xì)石油化工進(jìn)展，2002,3(7)：36-41. GUO Dong-hong,LI Sen,YUAN Jian-guo.Flooding mechanism and application of surfactant flooding[J].Advances in Fine Petrochemicals,2002,3(7):36-41.

[4] 郭東紅，辛浩川，崔曉東，等.新型稠油開采高溫防竄化學(xué)劑的性能與現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用[J].石油與天然氣化工，2008,37(1)：52-55. GUO Dong-hong,XIN Hao-chuan,CUI Xiao-dong,et al.Properties and field application of new type high temperature fleeing proof chemical agent for heavy oil recovery[J].Chemical Engineering of Oil & Gas,2008,37(1):52-55.

[5] 李華斌，陳中華.界面張力特征對(duì)三元復(fù)合驅(qū)油效率影響的實(shí)驗(yàn)研究[J].石油學(xué)報(bào)，2006,27(5)：96-98. LI Hua-bin,CHEN Zhong-hua.Characteristics of interfacial tension and oil displacement efficiency with alkaline-surfactant-polymer flooding technology[J].Acta Petrolei Sinica,2006,27(5):96-98.

[6] 趙福麟.EOR原理[M].東營(yíng)：石油大學(xué)出版社，2001：13-14.

[7] 劉宏生.聚驅(qū)后超低界面張力泡沫復(fù)合驅(qū)實(shí)驗(yàn)研究[J].西安石油大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版，2012,27(3)：72-75,80. LIU Hong-sheng.Experimental study on foam compound flooding of ultra-low interfacial tension after polymer flooding[J].Journal of Xi'an Shiyou University:Natural Science Edition,2012,27(3):72-75,80.

[8] 夏惠芬，劉仁強(qiáng)，鞠野，等.超低界面張力下甜菜堿型表面活性劑水驅(qū)殘余油的作用機(jī)理[J].大慶石油學(xué)院學(xué)報(bào)，2006,30(6)：24-27. XIA Hui-fen,LIU Ren-qiang,JU Ye,et al.Mechanism of betaine surfactant solution on residual oil after water flooding in ultralow interfacial tension[J].Journal of Daqing Petroleum Institute,2006,30(6):24-27.

[9] 唐鋼，李華斌，蘇敏.復(fù)合驅(qū)界面張力與驅(qū)油效率的關(guān)系研究[J].大慶石油地質(zhì)與開發(fā)，2005,24(3)：81-83. TANG Gang,LI Hua-bin,SU Min.Study on relation between interfacial tension and displacement efficiency of ASP flooding[J].Petroleum Geology & Oilfield Development in Daqing,2005,24(3):81-83.

[10] 王昕.超低界面張力驅(qū)油體系的研制與評(píng)價(jià)[D].大慶：東北石油大學(xué)，2013.

[11] 趙國(guó)璽，朱步瑤.表面活性劑作用原理[M].北京：中國(guó)輕工業(yè)出版社，2003.

[12] Rosen M J.Surfactants and Interfacial Phenomena[M].2nd edition.New York:John Wiley & Sons,1989:65-101.

[13] 王世榮，李祥高，劉東志.表面活性劑化學(xué)[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2005：20-50.

[14] 張雪勤，蔡怡，楊亞江.兩性離子/陰離子表面活性劑復(fù)配體系協(xié)同作用的研究[J].膠體與聚合物，2002,20(3)：1-5. ZHANG Xue-qin,CAI Yi,YANG Ya-jiang.Study of cooperative effect of mixed system of zwitterionic and anionic surfactants[J].Chinese Journal of Colloid and Polymer，2002,20(3):1-5.

責(zé)任編輯：董 瑾

2013-11-05

國(guó)家科技重大專項(xiàng)“高溫高鹽油田化學(xué)驅(qū)提高采收率技術(shù)”(編號(hào)：2011ZX05011-004)

趙方劍(1985-)，男，碩士，主要從事三次采油油藏工程綜合研究。E-mail：zfj19850701@163.com

1673-064X(2015)01-0072-04

TE357.46

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