樁西原油/化學(xué)驅(qū)體系油水界面擴(kuò)張流變性影響因素研究

張 博 鄭玉飛

中海油田服務(wù)股份有限公司

樁西原油/化學(xué)驅(qū)體系油水界面擴(kuò)張流變性影響因素研究

張 博 鄭玉飛

中海油田服務(wù)股份有限公司

目前，化學(xué)驅(qū)技術(shù)是我國(guó)提高油田采收率的重要研究方向，而油水界面擴(kuò)張流變性對(duì)于揭示化學(xué)驅(qū)的機(jī)理具有重要意義。為考察油水界面擴(kuò)張流變性的影響因素，利用德國(guó)KRüSS公司的DSA100型界面擴(kuò)張流變儀對(duì)樁西原油/化學(xué)驅(qū)體系進(jìn)行了研究。結(jié)果表明：老化時(shí)間對(duì)油水界面擴(kuò)張流變性具有顯著影響；在樁西原油各組分中，瀝青質(zhì)組分對(duì)于油水界面擴(kuò)張流變性的影響居于主導(dǎo)地位；油水體系的擴(kuò)張模量和彈性模量會(huì)隨著原油濃度的增大而先增大后減小，黏性模量的變化則不明顯；油水界面的擴(kuò)張模量和彈性模量隨NaCl濃度的增大呈下降的趨勢(shì)；OP系列表面活性劑會(huì)使體系的彈性模量減小，增大黏性模量的貢獻(xiàn)，且OP系列表面活性劑的環(huán)氧乙烷數(shù)越多，作用效果越強(qiáng)。

化學(xué)驅(qū) 樁西原油 OP系列表面活性劑 擴(kuò)張模量 彈性模量 黏性模量

化學(xué)驅(qū)是一個(gè)非常復(fù)雜的動(dòng)態(tài)過(guò)程，驅(qū)油體系和原油的相互作用主要發(fā)生在油水界面上。因此，研究油水界面性質(zhì)對(duì)于揭示化學(xué)驅(qū)提高采收率的機(jī)理具有重要意義。人們很早就認(rèn)識(shí)到界面張力對(duì)采收率的影響[1-2]，并建立了篩選化學(xué)驅(qū)體系的標(biāo)準(zhǔn)——超低界面張力標(biāo)準(zhǔn)，但化學(xué)驅(qū)過(guò)程涉及表面活性劑、堿和聚合物等多種化學(xué)劑和眾多界面的現(xiàn)象，僅依靠界面張力進(jìn)行評(píng)價(jià)是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的。董明哲等[3]的研究也發(fā)現(xiàn)，采收率與驅(qū)動(dòng)流體油水界面張力并沒(méi)有非常明確的對(duì)應(yīng)關(guān)系。隨著理論模型和實(shí)驗(yàn)技術(shù)的發(fā)展，界面流變技術(shù)逐漸成為研究化學(xué)驅(qū)體系油水界面性質(zhì)的重要工具[4-5]，Giordano和Slattery[6-7]的研究表明，油水界面黏度越大，驅(qū)替效果越差；N. Aderangi[8]的研究發(fā)現(xiàn)，油滴的聚并時(shí)間與界面黏度的相關(guān)性強(qiáng)于與界面張力的相關(guān)性。與界面張力相比，界面流變性質(zhì)可以給出油水界面微觀過(guò)程的信息，有助于更為深刻地理解與強(qiáng)化采油相關(guān)的各種界面現(xiàn)象。本實(shí)驗(yàn)選取樁西原油/化學(xué)驅(qū)體系為研究對(duì)象，考察了多種因素對(duì)油水界面擴(kuò)張流變性的影響。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 材料與儀器

甲苯，國(guó)藥集團(tuán)；蒸餾水；非離子表面活性劑OP-4、OP-7、OP-10、OP-15和OP-30，實(shí)驗(yàn)室自制，有效質(zhì)量分?jǐn)?shù)30%。樁西脫水原油，取自勝利油田樁西采油廠，原油的性質(zhì)如表1。

表1 樁西原油的性質(zhì)Table1 BasicpropertiesofcrudeoilfromZhuangxi密度(55℃)/(g·cm-3)黏度(55℃)/(mPa·s)酸值mgKOH/g油w(膠質(zhì))/%w(瀝青質(zhì))/%0.93021750.8019.70.835

DSA100型界面擴(kuò)張流變儀，德國(guó)KRüSS公司；DTS-4C型石油密閉脫水儀，石油大學(xué)石儀科技實(shí)業(yè)發(fā)展公司；NDJ-7型旋轉(zhuǎn)式黏度計(jì)，上海天平儀器廠；ME1300型生物視頻顯微鏡，鳳凰光學(xué)儀器集團(tuán)公司；XT-7000型恒溫箱，中國(guó)石油大學(xué)(華東)等。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

根據(jù)油水界面形變方式的不同，界面流變可分為兩種界面剪切流變和界面擴(kuò)張流變，其中擴(kuò)張流變占據(jù)主導(dǎo)地位[9-10]。所以，本實(shí)驗(yàn)采用界面擴(kuò)張流變技術(shù)來(lái)考察油水界面性質(zhì)。以樁西脫水原油作為油相，蒸餾水或表面活性劑溶液作為水相。光源、內(nèi)裝表面活性劑溶液的比色皿和照相機(jī)放于儀器底座，并處于同一直線上。調(diào)節(jié)裝有油相的注射器形成油滴，油滴剖面通過(guò)照相機(jī)數(shù)字轉(zhuǎn)換到電腦上，通過(guò)振蕩腔使油滴產(chǎn)生正弦振蕩，同步記錄油滴的界面面積A，然后采用完整液滴輪廓法計(jì)算界面張力γ，最后通過(guò)計(jì)算獲得油水界面的擴(kuò)張模量、彈性模量和黏性模量。具體的實(shí)驗(yàn)裝置見(jiàn)圖1(實(shí)驗(yàn)溫度控制在(55±0.01) ℃[11])。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

影響界面擴(kuò)張流變性的主要因素包括實(shí)驗(yàn)條件、油濃度、水礦化度、表面活性劑等。

2.1 實(shí)驗(yàn)條件

2.1.1 老化時(shí)間

以樁西原油為油相，蒸餾水為水相，連續(xù)測(cè)量4 h，考察老化時(shí)間對(duì)油水界面擴(kuò)張流變性的影響，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖2。

由圖2可看出，在0～7 200 s時(shí)，擴(kuò)張模量和彈性模量隨著時(shí)間的增長(zhǎng)而迅速增大，7 200 s后幾乎不再變化；而黏性模量變化很小，且其數(shù)值遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于彈性模量。界面剛形成時(shí)，由于原油中天然的表面活性物質(zhì)(如膠質(zhì)、瀝青質(zhì)和石油酸)從原油體相向油水界面的吸附過(guò)程較緩慢，所以界面上的表面活性物質(zhì)還很少，形成的界面膜結(jié)構(gòu)很不穩(wěn)定，所以油水界面的彈性模量和擴(kuò)張模量都比較??；隨著界面上活性物質(zhì)的增多，界面膜的強(qiáng)度大大增加，其彈性模量和擴(kuò)張模量也明顯增大；當(dāng)界面吸附達(dá)到平衡時(shí)，界面膜的結(jié)構(gòu)不再變化，彈性模量和擴(kuò)張模量也基本穩(wěn)定。由于油水界面膜主要受彈性模量控制，可以近似看作彈性膜。

2.1.2 溫度

以樁西原油為油相，蒸餾水為水相，考察溫度對(duì)油水界面擴(kuò)張流變性的影響，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖3。

由圖3可知，彈性模量、黏性模量和擴(kuò)張模量等參數(shù)均隨溫度的升高而下降。這可能是因?yàn)闇囟鹊纳仙肿拥臒徇\(yùn)動(dòng)加強(qiáng)，加劇了表面活性劑分子在界面與體相之間的擴(kuò)散速度，界面上的表面活性劑分子有足夠的時(shí)間去恢復(fù)對(duì)平衡后的擾動(dòng)，因而降低了擴(kuò)張模量、擴(kuò)張黏度等參數(shù)的數(shù)值。

2.2 油濃度

2.2.1 原油稀釋

以甲苯為溶劑，樁西脫水原油為溶質(zhì)，配制成不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的油相，以蒸餾水作為水相，考察油濃度變化對(duì)于油水界面擴(kuò)張流變性的影響，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖4。

如圖4所示，稀釋原油/水體系的界面擴(kuò)張模量和彈性模量都隨著原油質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增大而先增大后減小，而黏性模量隨原油質(zhì)量分?jǐn)?shù)的變化則不明顯。這是因?yàn)椋弘S著原油濃度的增大，體系中表面活性物質(zhì)的濃度也在增大，這一方面會(huì)使油水界面表面活性物質(zhì)的濃度增大，相互作用增強(qiáng)，所以界面膜的彈性模量會(huì)增大；另一方面，表面活性物質(zhì)濃度的增加也增加了體系從體相向界面通過(guò)擴(kuò)散補(bǔ)充活性物質(zhì)的能力，這會(huì)降低界面發(fā)生形變時(shí)產(chǎn)生的界面張力梯度，使得界面無(wú)法恢復(fù)原狀，即彈性模量變小。綜合這兩方面的影響，界面的彈性模量會(huì)隨原油濃度的增大出現(xiàn)一個(gè)極大值；由于油水界面膜主要以彈性為主，故擴(kuò)張模量隨原油濃度的變化規(guī)律與彈性模量相似，而黏性模量所受影響則較小。

2.2.2 原油組分

分別以樁西原油、脫瀝青質(zhì)油和瀝青質(zhì)組分(0.835%(w)，甲苯作為溶劑，樁西原油的瀝青質(zhì)含量)為油相，以蒸餾水作為水相，測(cè)量3種體系的界面擴(kuò)張流變性，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖5～圖7。

如圖5～圖7所示，與樁西原油相比，脫瀝青質(zhì)組分的擴(kuò)張模量、彈性模量和黏性模量都會(huì)顯著下降；瀝青質(zhì)組分的擴(kuò)張模量和彈性模量幾乎沒(méi)有變化，黏性模量則有所增大。脫瀝青質(zhì)油、瀝青質(zhì)組分和樁西原油三種體系所形成的油水界面膜均以彈性為主，與彈性模量相比，黏性模量的數(shù)值都很小。油水界面的擴(kuò)張流變性主要受界面吸附的活性物質(zhì)的影響，而體系中的活性物質(zhì)主要就是原油中的瀝青質(zhì)，因而瀝青質(zhì)體系的界面擴(kuò)張流變性質(zhì)與原油體系的差別不大，而脫瀝青質(zhì)后由于體系中的活性物質(zhì)大大減少，故其彈性模量、黏性模量和擴(kuò)張模量都會(huì)顯著變小。

2.3 礦化度

以樁西原油為油相，分別配制不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的NaCl溶液作為水相，考察礦化度對(duì)油水界面擴(kuò)張流變性的影響，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖8。

從圖8可知，油水界面的擴(kuò)張模量隨著水相礦化度的增大呈減小的趨勢(shì)。溶液的礦化度是通過(guò)影響表面活性物質(zhì)在界面上的吸附來(lái)改變界面流變性的，NaCl質(zhì)量分?jǐn)?shù)小于1.0%時(shí)，水相中的NaCl濃度很小，不足以對(duì)油水界面的擴(kuò)張流變性產(chǎn)生明顯影響；而NaCl質(zhì)量分?jǐn)?shù)增大到1.0%后，水相中的NaCl電離后，Na+會(huì)吸附在帶負(fù)電荷的油水界面上，這將削弱天然表面活性物質(zhì)所形成的油水界面膜的強(qiáng)度，因而油水界面的擴(kuò)張模量會(huì)急劇下降。NaCl的質(zhì)量分?jǐn)?shù)增大到2.0%后，Na+破壞油水界面吸附膜的能力作用已達(dá)到極限，因此，擴(kuò)張模量不再下降。

2.4 表面活性劑

以樁西原油為油相，分別配制質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.1%的OP-4、OP-7、OP-10、OP-15和OP-30表面活性劑溶液作為水相(水相中NaCl質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.5%，即樁西的地層水礦化度，表面活性劑的分子結(jié)構(gòu)如表2所示)，考察表面活性劑對(duì)油水界面擴(kuò)張流變性的影響，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖9所示。

表2 OP系列表面活性劑分子結(jié)構(gòu)Table2 MolecularstructureofsurfactantsofOPseries表面活性劑分子結(jié)構(gòu)OP-4C8H17O—[C2H4O]4—HOP-7C8H17O—[C2H4O]7—HOP-10C8H17O—[C2H4O]10—HOP-15C8H17O—[C2H4O]15—HOP-30C8H17O—[C2H4O]30—H

由圖9可知，與樁西原油/蒸餾水體系相比，向水相中加入表面活性劑后，體系的彈性模量、黏性模量和擴(kuò)張模量都有顯著下降，并且降低幅度隨著OP系列表面活性環(huán)氧乙烷數(shù)的增加而增強(qiáng)。由圖9還可以看出，相角隨著表面活性環(huán)氧乙烷數(shù)的增加而逐漸增大，即黏性模量的貢獻(xiàn)增大，界面膜由近似彈性膜逐漸向黏彈性膜轉(zhuǎn)變。這是因?yàn)椋合蝮w系中加入OP系列表面活性劑后，表面活性劑會(huì)取代先前吸附在油水界面膜上的表面活性物質(zhì)，使得油水界面的結(jié)構(gòu)發(fā)生顯著變化，彈性模量、黏性模量和擴(kuò)張模量都會(huì)大大降低，而隨著表面活性劑中環(huán)氧乙烷數(shù)的增加，分子體積越來(lái)越大，使其在油水界面上的排列越來(lái)越不緊密，形成的界面膜的強(qiáng)度也會(huì)逐漸變小，因此體系的擴(kuò)張模量會(huì)隨著環(huán)氧乙烷數(shù)的增加而逐漸變??；表面活性劑的存在使得體相與界面膜之間的擴(kuò)散弛豫顯著增強(qiáng)，且環(huán)氧乙烷數(shù)越多，作用效果越大，因此界面膜由彈性膜逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)轲椥阅ぁ?/p>

3 結(jié) 論

(1) 表面活性物質(zhì)在界面膜的吸附未達(dá)到平衡時(shí)，擴(kuò)張模量和彈性模量會(huì)隨著老化時(shí)間的增長(zhǎng)而迅速增大，達(dá)到吸附平衡后則基本不再變化；黏性模量受老化時(shí)間的影響則很小。

(2) 油水界面膜的彈性模量和擴(kuò)張模量會(huì)隨著原油濃度的增大而先增大后減小，而黏性模量的變化則不明顯；油水界面膜的彈性模量和擴(kuò)張模量主要受樁西原油中瀝青質(zhì)組分的控制，而由于原油各組分形成的界面膜均以彈性為主，故黏性模量始終很小。

(3) 在NaCl的質(zhì)量分?jǐn)?shù)處于1.0%～2.0%時(shí)，油水界面的擴(kuò)張模量和彈性模量會(huì)隨著NaCl濃度的增大急劇下降，而NaCl質(zhì)量分?jǐn)?shù)低于1.0%或高于2.0%時(shí)，擴(kuò)張模量和彈性模量都沒(méi)有明顯變化。

(4) 與樁西原油/蒸餾水體系相比，OP系列表面活性劑的加入會(huì)使體系的彈性模量顯著下降，并且下降幅度隨著OP系列表面活性環(huán)氧乙烷數(shù)的增加而增強(qiáng)；同時(shí)，界面膜由近似彈性膜逐漸向黏彈性膜轉(zhuǎn)變。

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Study on influence factors of oil-water interface dilatational rheological property of Zhuangxi crude oil/chemical flooding system

Zhang Bo, Zheng Yufei

China Oilfield Services Company Limited, Tianjin, China

Chemical flooding technology is an important research direction in enhancing oil recovery. And oil-water interface dilatational rheology behavior plays a crucial role in revealing the mechanism of chemical flooding. In order to investigate the influence factors of dilatational rheology behavior of oil-water interface, dilational rheology behavior of Zhuangxi crude oil-water interface was investigated by DSA100 interfacial dilatational rheometer. The result showed that： aging time had significant effect on dilational rheological properties of oil-water interface； among fractions of Zhuangxi crude oil, asphaltene fraction had the most significant effect on oil-water interface dilational rheology; dilational modulus and elastic modulus of oil-water interface passed through distinct maxima as a function of Zhuangxi crude oil concentration, while changes of viscous modulus were not obvious; dilational modulus and elastic modulus of oil-water interface decreased with increase of NaCl concentration; after adding surfactants of OP series, elastic modulus would decrease and the contribution of viscous modulus on dilational modulus would increase, and the more epoxy ethane number of surfactants of OP series, the better the results.

chemical flooding, Zhuangxi crude oil, surfactant of OP series, dilatational modulus, elastic modulus, viscous modulus

“十三五”國(guó)家科技重大專項(xiàng)“大型油氣田及煤層氣開(kāi)發(fā)”(2016ZX05058)；中海油科研項(xiàng)目“SZ36-1油田層內(nèi)生成CO2調(diào)驅(qū)關(guān)鍵技術(shù)優(yōu)化研究及應(yīng)用”(YSB15YF002)；中海油科研項(xiàng)目“渤西油田注入水水質(zhì)控制技術(shù)研究”(YSB15YF008)。

張博(1985-)，河南漯河市人，中級(jí)工程師，2007年畢業(yè)于中國(guó)石油大學(xué)(華東)應(yīng)用化學(xué)專業(yè)，大學(xué)學(xué)歷(理學(xué)學(xué)士)，現(xiàn)就職于中海油田服務(wù)股份有限公司，主要從事油田化學(xué)與提高采收率方面的研究工作，發(fā)表論文近10篇，多次榮獲司局級(jí)科技獎(jiǎng)勵(lì)。E-mail：bosking@163.com

TE357.46

A

10.3969/j.issn.1007-3426.2017.03.016

2016-10-08；編輯：馮學(xué)軍