脂肪醇醚硫酸鈉/烷基苯磺酸鹽復(fù)配體系在高鹽油藏中的室內(nèi)實(shí)驗(yàn)研究

王　健，吳一慧，金庭浩，鄧　虹，殷洪斌，殷洪新

1.長(zhǎng)江大學(xué)石油工程學(xué)院，武漢 430100；2.中國(guó)石化石油工程地球物理有限公司江漢分公司，湖北潛江433100；3.中國(guó)石化江漢分公司，湖北潛江433123

在油田開(kāi)發(fā)中，化學(xué)驅(qū)提高采收率技術(shù)在我國(guó)原油增產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)方面發(fā)揮了巨大的作用[1]。以表面活性劑驅(qū)為主的化學(xué)驅(qū)中，油水界面張力是評(píng)價(jià)表面活性劑的重要指標(biāo)之一，要將地層孔隙中殘余原油有效驅(qū)替出，油水界面張力需降低至超低界面張力(<10-2mN/m)[2]。近年來(lái)原油開(kāi)采向高鹽油藏發(fā)展，表面活性劑驅(qū)技術(shù)想在高鹽油藏中推廣，勢(shì)必對(duì)驅(qū)油用表面活性劑提出了更高的要求。

兩性表面活性劑界面活性好、抗硬水能力強(qiáng)、不易受酸堿影響，但價(jià)格偏高；常規(guī)非離子表面活性劑雖抗鹽性能優(yōu)良，但對(duì)溫度敏感；雙子表面活性劑是近幾年的研究熱點(diǎn)，優(yōu)點(diǎn)是抗鹽性好、配伍性強(qiáng)、降低界面張力效果明顯，缺點(diǎn)是原料價(jià)格高、提純困難，且結(jié)構(gòu)復(fù)雜的雙子表面活性劑合成工藝復(fù)雜、重復(fù)性差[3-6]。

陰-非離子型表面活性劑是一種復(fù)合型表面活性劑，其分子結(jié)構(gòu)中親水鏈上具有陰離子與非離子基團(tuán)兩種不同性質(zhì)的親水基，使其兼具陰離子型和非離子型表面活性劑的優(yōu)點(diǎn)，耐高礦化度地層水、配伍性能良好、不易受溫度的影響，諸如聚醚硫酸鈉、羧酸鈉等表面活性劑，生產(chǎn)路線已成熟，并工業(yè)化生產(chǎn)。烷基苯磺酸鹽是我國(guó)三次采油中最常用表面活性劑，原料來(lái)源廣泛、成本低廉，但抗鹽性能差。表面活性劑復(fù)配能表現(xiàn)出比單一表面活性劑更優(yōu)越的性能，在化學(xué)驅(qū)提高采收率技術(shù)中具有巨大的應(yīng)用前景[7]，而對(duì)烷基苯磺酸鹽復(fù)配體系的研究更多是與羧酸鹽、堿或非離子型表面活性劑進(jìn)行復(fù)配[8-11]，與陰-非離子型表面活性劑復(fù)配的研究并不多[12-13]。因此，筆者研究了陰-非離子型表面活性劑脂肪醇聚氧乙烯醚硫酸鈉(AES)與陰離子表面活性劑烷基苯磺酸鈉的復(fù)配體系在高鹽條件下的適用性，并考察了復(fù)配比例、濃度、礦化度及石英砂吸附對(duì)油水界面張力的影響，該研究旨在為低成本表面活性劑復(fù)配體系在高鹽油藏的開(kāi)采中提供一定的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)參考。

1　實(shí)驗(yàn)

1.1　原料與儀器

烷基苯磺酸鹽SAS，實(shí)驗(yàn)室自制；陰-非離子表面活性劑AES，鄭州科奇化工產(chǎn)品有限公司；氯化鈣，分析純；油樣，X油田脫氣原油；實(shí)驗(yàn)水樣，模擬地層水，總礦化度為62 517 mg/L，其中Na++K+30 915 mg/L，Ca2++Mg2+276 mg/L。

TX-500C全量程旋轉(zhuǎn)滴界面張力測(cè)量?jī)x，美國(guó)CNG公司；S10-3型恒溫磁力攪拌器，上海司樂(lè)儀器有限公司；HH型恒溫水浴鍋，江蘇金壇金城國(guó)盛儀器廠；FA2004B型電子天平，上海佑科儀器儀表有限公司。

1.2　表面活性劑溶液的配制

用去離子水配制各表面活性劑的母液備用(2.5%SAS，5.0%AES)，對(duì)于復(fù)配體系，計(jì)算好體積后分別按照比例用移液管移取各組分至25 mL容量瓶中，再加入模擬地層水至刻度線，定容，靜置一定時(shí)間后查看穩(wěn)定性，觀察是否有沉淀。

1.3　界面張力的測(cè)定

采用TX-500C旋轉(zhuǎn)滴界面張力儀測(cè)定油水界面張力，測(cè)定油滴長(zhǎng)度(L)和高度(D)后由電腦自動(dòng)計(jì)算結(jié)果。文中涉及的界面張力值均為平衡值，實(shí)驗(yàn)溫度(45±1) ℃，轉(zhuǎn)速5 000 r/min。

1.4　石英砂吸附實(shí)驗(yàn)

將石英砂(20～40目)洗凈后放入100 ℃烘箱中，烘干，放入干燥器中，冷卻至室溫，反復(fù)3次。按照固液質(zhì)量比為1∶5比例混合，恒溫45 ℃攪拌吸附，每隔12 h取溶液測(cè)定一次界面張力，共測(cè)定6次。

2　結(jié)果與討論

2.1　AES與SAS的協(xié)同效應(yīng)

將AES與SAS按照不同質(zhì)量比進(jìn)行復(fù)配，測(cè)定不同AES/SAS總加量(質(zhì)量分?jǐn)?shù)；下同)下的油水界面張力，結(jié)果見(jiàn)圖1。

圖1　AES/SAS復(fù)配體系界面張力

從圖1看出，AES/SAS復(fù)配體系在較寬范圍內(nèi)產(chǎn)生了良好的協(xié)同作用，且在m(AES)∶m(SAS)為1.0∶1.2～2.0∶1.0，總加量為0.05%～0.70%，油水界面張力降至10-3mN/m數(shù)量級(jí)，隨著復(fù)配比中AES比例增加，界面張力逐漸升高。分析認(rèn)為AES親水性較強(qiáng)，SAS親油性強(qiáng)，表面活性劑分子在界面上插入深淺不同，形成的混合膠束比其中單一表面活性劑形成的膠束親水基團(tuán)間的斥力更小，且在高礦化度地層水中大量的Na+會(huì)吸引兩者離子基團(tuán)，大大削弱親水基團(tuán)間斥力，使之形成混合膠束緊密的吸附于油水界面，產(chǎn)生了良好的協(xié)同效應(yīng)；然而隨著AES比例的提高，吸附于界面上的SAS分子減少，此時(shí)溶液中過(guò)多的AES分子中聚氧乙烯鏈的空間位阻效應(yīng)反而不利于形成結(jié)構(gòu)緊密的混合膠束，導(dǎo)致界面活性變差。從實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象發(fā)現(xiàn)，m(SAS)∶m(AES)>1.4∶1.0時(shí)，復(fù)配體系在靜置若干時(shí)間后產(chǎn)生了組分分離現(xiàn)象，當(dāng)m(SAS)∶m(AES)達(dá)1.8∶1.0以上時(shí)，復(fù)配體系產(chǎn)生明顯的沉淀。

2.2　AES/SAS復(fù)配體系與原油間的動(dòng)態(tài)界面張力

油水間界面張力會(huì)隨著時(shí)間不斷變化直至平衡為止，因此，測(cè)量界面張力時(shí)，表面活性劑在油水界面的吸附量變化可通過(guò)動(dòng)態(tài)界面張力反映[14]。選取幾組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)考察動(dòng)態(tài)界面張力隨時(shí)間變化，結(jié)果見(jiàn)圖2。

圖2　AES/SAS復(fù)配體系動(dòng)態(tài)界面張力變化

從圖2看出，油水界面張力在初始10 min內(nèi)變化較大，一些體系瞬時(shí)界面張力可達(dá)10-4mN/m數(shù)量級(jí)，15 min后界面張力趨于平衡。m(AES)∶m(SAS)=1.0∶1.0時(shí)，界面張力變化趨勢(shì)是先減小后增大再平衡；而m(AES)∶m(SAS)為2.0∶1.0時(shí)，界面張力卻是逐漸上升后再平衡。在總加量為0.5%，質(zhì)量比為2.0∶1.0時(shí)，即使初始界面張力達(dá)到超低，最終無(wú)法維持在10-3mN/m，在界面張力儀中通過(guò)圖像可看出油滴先拉長(zhǎng)后“蜷縮”的現(xiàn)象，界面張力無(wú)法穩(wěn)定在10-3mN/m，說(shuō)明油滴被驅(qū)出后仍易被滯留在地層中。

2.3　礦化度對(duì)界面張力的影響

從上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果看出，復(fù)配體系能在高鹽條件下與原油形成超低界面張力，但在油田實(shí)際應(yīng)用中，地層水礦化度是變化的，而磺酸鹽陰離子表面活性劑易與地層中Ca2+結(jié)合產(chǎn)生沉淀堵塞地層，不僅對(duì)地層造成損害，且影響驅(qū)油效率。實(shí)驗(yàn)選取m(AES)∶m(SAS)為1.2∶1.0，1.0∶1.0,總加量為0.3%的復(fù)配體系作為研究對(duì)象，在溶液中加入單一無(wú)機(jī)鹽NaCl，考察Na+濃度對(duì)復(fù)配體系油水界面張力的影響；用氯化鈣調(diào)節(jié)模擬地層水中Ca2+濃度，考察Ca2+濃度對(duì)復(fù)配體系油水界面張力的影響，結(jié)果分別見(jiàn)圖3和圖4。

圖3　Na+濃度對(duì)界面張力的影響

圖4　Ca2+濃度對(duì)界面張力的影響

從圖3看出，復(fù)配體系在較高礦化度下能產(chǎn)生良好的界面活性，當(dāng)NaCl濃度為20 000 mg/L時(shí)，界面張力為6.57×10-3mN/m，隨著NaCl濃度增加，界面張力先下降后上升，但在(2～14)×104mg/L條件下界面張力仍達(dá)10-3mN/m數(shù)量級(jí)，且m(AES)∶m(SAS)=1.0∶1.2，礦化度為60 000 mg/L時(shí)，界面張力達(dá)10-4mN/m數(shù)量級(jí)，為該體系的最佳鹽含量；當(dāng)m(AES)∶m(SAS)升至1.0∶1.0時(shí)，最佳鹽含量隨之升高，約為80 000 mg/L。從圖4看出，復(fù)配體系抗Ca2+能力優(yōu)良，m(AES)∶m(SAS)=1.0∶1.2時(shí)，能在Ca2+濃度800 mg/L形成超低界面張力，隨著AES比例增加，復(fù)配體系在Ca2+濃度達(dá)1 000 mg/L時(shí)，界面張力最終平衡值為9.8×10-3mN/m。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)兩種復(fù)配體系在礦化度14×104mg/L下靜置10 h后，m(AES)∶m(SAS)=1.0∶1.2的體系出現(xiàn)組分分離現(xiàn)象，而m(AES)∶m(SAS)=1.0∶1.0的體系仍澄清，說(shuō)明AES的加入不僅能顯著增強(qiáng)體系的抗鹽性能，還具有良好的溶解性。

2.4　石英砂吸附試驗(yàn)

在化學(xué)驅(qū)過(guò)程中，表面活性劑在地層中會(huì)有一定程度的損失，導(dǎo)致有效含量降低，影響驅(qū)油效率。選取復(fù)配體系總加量為0.3%，m(AES)∶m(SAS)為1.0∶1.2，1.0∶1.0為研究對(duì)象，恒溫45 ℃進(jìn)行石英砂吸附實(shí)驗(yàn)，結(jié)果見(jiàn)圖5。

圖5　復(fù)配體系界面張力隨吸附時(shí)間變化

從圖5看出，復(fù)配體系混合吸附36 h后，界面張力均趨于平衡狀態(tài)，在與石英砂混合攪拌72 h，界面張力仍達(dá)10-3mN/m數(shù)量級(jí)；另可看出，復(fù)配體系組分比例不同，油水界面張力變化幅度也不同。

3　結(jié)論

1)陰-非離子型表面活性劑AES與烷基苯磺酸鹽SAS復(fù)配后可產(chǎn)生較強(qiáng)的協(xié)同效應(yīng)，在不加堿條件下迅速地在m(AES)∶m(SAS)為(1.0∶1.2)～(2.0∶1.0)，總加量為0.05%～0.70%的范圍內(nèi)，達(dá)到10-3mN/m超低界面張力。m(AES)∶m(SAS)最佳復(fù)配比為1.0∶1.2，總加量為0.3%。

2)m(AES)∶m(SAS)=1.0∶1.2時(shí)，最佳鹽濃度為6×104mg/L，在NaCl濃度為14×104mg/L或Ca2+濃度為800 mg/L時(shí)，界面張力仍能達(dá)到10-3mN/m，對(duì)復(fù)配體系中AES比例適量增加能繼續(xù)提高復(fù)配體系的抗鹽性。

3)鹽濃度對(duì)復(fù)配體系具有一定的影響，且該體系適合用于高礦化度油藏，可根據(jù)實(shí)際情況調(diào)整兩種表面活性劑的比例。

4)AES/SAS復(fù)配體系能在高礦化度、低加量條件下形成超低界面張力，且通過(guò)復(fù)配避免了復(fù)雜結(jié)構(gòu)表面活性劑的合成，減少了成本，在高鹽油藏化學(xué)驅(qū)提高采收率方面具有重要的實(shí)際意義。

[1]廖廣志，王強(qiáng),王紅莊,等.化學(xué)驅(qū)開(kāi)發(fā)現(xiàn)狀與前景展望[J].石油學(xué)報(bào),2017,38(2):196-207.

[2]王憲中,康萬(wàn)利,孟祥燦,等.高鹽油藏下兩性/陰離子表面活性劑協(xié)同獲得油水超低界面張力[J].物理化學(xué)學(xué)報(bào),2012,28(10):2285-2290.

[3]丁偉,吳美云,朱浩,等.腰果酚甜菜堿型表面活性劑的合成與性能評(píng)價(jià)[J].油田化學(xué),2016,33(3):481-486.

[4]張平,張紅靜,侯留通,等.高抗鹽羥基磺基甜菜堿型表面活性劑的合成與性能[J]. 油田化學(xué),2017,34(2):296-299.

[5]李海峰,楊希志.磺酸鹽型芳烷基雙子表面活性劑的合成及性能[J].精細(xì)石油化工,2011,28(2):4-8.

[6]馬素俊,孫玉海,楊景輝.雙子表面活性劑界面活性的研究[J].石油化工,2011,40(9):982-986.

[7]張國(guó)印,劉慶梅,李凌云,等.表面活性劑復(fù)配在三次采油中的應(yīng)用[J].中外能源, 2010,15(2):56-59.

[8]黃宏度,陳思雅,秦少華,等.石油羧酸鹽與烷基苯磺酸鹽的復(fù)配效果及其結(jié)構(gòu)成因[J].油田化學(xué),2016,33(1):93-98.

[9]黃宏度,吳一慧,王尤富,等.石油羧酸鹽和磺酸鹽復(fù)配體系的界面活性[J].油田化學(xué),2000,17(1):69-72.

[10]黃宏度,陳友猛,陳勇,等.石油羧酸鹽與烷基苯磺酸鹽復(fù)配體系在弱堿、無(wú)堿條件下的界面活性[J].油田化學(xué),2009,26(2):187-190.

[11]陳澤華,趙修太,王增寶,等.石油磺酸鹽與非離子表面活性劑TritonX-100的相互增效作用[J].石油化工,2015,44(9):1089-1093.

[12]張永民,牛金平,李秋小.脂肪醇聚氧乙烯醚磺酸鈉的性能研究[J].化學(xué)研究與應(yīng)用,2009,21(7):964-968.

[13]任翠翠, 金平.石油磺酸鹽及其與脂肪醇醚磺酸鹽復(fù)配體系的耐鹽性能和界面性能[J].精細(xì)化工,2011,28(12):1228-1232.

[14]張路,羅瀾,趙濉,等.表面活性劑親水-親油能力對(duì)動(dòng)態(tài)界面張力的影響[J].物理化學(xué)學(xué)報(bào),2001,17(1):62-65.