作 者： 张路　罗澜　李宗琦　赵濉　俞稼镛
关 键 词：
摘 要：
摘要:本文系统研究了不同离子强度和碱浓度条件下胜利原油 碱水体系的动态界面张力特性,考察了复合驱体系各组分对界面张力的影响。发现胜利原油与碱水间的界面张力在适宜的离子强度和碱浓度条件下达到低,碱与表面活性剂之间在降低界面张力方面存在明显的协同效应,而表面活性剂与聚合物之间不存在明显的协同效应。
内 容：
复合驱强化采油配方中涉及碱、表面活性剂、聚合物等组分,这些组分间的相互作用对驱油体系的性质有极大的影响。要选择适合不同油藏条件的复合驱油体系,就必须深入研究复合驱体系各组分间相互作用对界面性质的影响,从而针对不同特性的原油,相应地调节复合驱系的组分及其比例。
原油中的有机酸组分与碱水反应生成的离解酸类表面活性剂自身具有的界面活性及其与复合驱配方中的外加表面活性剂之间的协同作用,是复合驱体系在低表面活性剂用量条件下获得超低界面张力的关键。从20世纪80年代以来,研究者针对酸性原油-碱水体系进行了低界面张力机理的研究工作[1-5],但早期研究在进行碱浓度扫描时,离子强度和pH值同时变化,对低界面张力机理的阐释造成困难。国外从90年代初开始,在研究酸性原油碱水体系界面张力时将离子强度和pH值这两种影响因素分隔开来,发现它们对界面张力有同等重要的影响[6-8],而国内针对我国原油的相关研究仍未充分重视这两者之间的关系。因此,我们系统地分别考察了离子强度和碱浓度对胜利原油 碱水体系界面张力的影响,得到了该体系产生超低界面张力的适宜条件。另外,我们还考察了石油磺酸盐和聚合物对上述体系界面张力的影响。
1实验部分
1.1 化学试剂
表面活性剂:石油磺酸盐:玉门,经过提纯,平均分子量450,简称PS;辛基酚聚氧乙烯（10）醚,商品名OP-10,上海助剂厂。
无机试剂:NaCl,NaOH,分析纯。
原油:胜利油田孤东小井距原油,酸值2.98mgKOH/g原油,密度0.9518g/cm3,胜利油田地质院提供。
聚合物:水解聚丙烯酰胺3530S,有效含量91.24%,水解度26%—28%,分子量1615万,美国Pfizer公司产品。
1.2 动态界面张力的测定
用SD200B型全量程界面张力仪测定未经预平衡的油水动态界面张力曲线,直到界面张力数值变化不大时为止。实验温度为30.0℃。动态界面张力瞬时值为4min时数值,稳态值为界面张力变化不大时的数值。
胜利原油粘度较大,实验中用微量注射器吸取油样较为困难,故用正癸烷稀释的原油（胜利原油∶正癸烷=2∶1）进行复合驱体系的实验。但由于稀释后的原油与碱水作用强烈,无法有效进行界面张力的测量,因此针对碱水体系的测量采用未稀释的胜利原油。文中两种不同原油的数据没有进行交叉对比,但不影响对结果的讨论。
2结果与讨论
2.1 胜利原油与碱水作用的物化条件
2.1.1 胜利原油与不同浓度氢氧化钠溶液的动态界面张力

由图1可见,水相离子强度一定时（I=0.01）,胜利原油与不同浓度氢氧化钠水溶液的动态界面张力表现出截然不同的特征:当NaOH浓度很低时（10-4mol/L）,原油中的酸性活性组分与碱在界面上原位生成的离解酸类表面活性剂浓度过低,动态界面张力始终大于10mN/m;当NaOH浓度较低时（5×10-4mol/L）,界面上原位生成的少量离解酸与有机酸混合吸附,协同作用,动态界面张力通过一个较低的低值,而离解酸的强亲水性使其快速从界面脱附进入水相,界面张力稳态值较高;在NaOH浓度适宜时,界面上的离解酸和有机酸长时间维持一定的浓度,低界面张力能够持续较长的一段时间,直到原油中的有机酸几乎全部离解[9];当NaOH浓度较高时（10-2mol/L）,由于有机酸原位生成表面活性剂的速度远远快于离解酸从界面脱附到水相的速度,原油中的有机酸在很短时间内就全部离解,富集在界面上,界面张力迅速达到较低数值,而平衡时离解酸倾向于分配在水相,界面张力稳态值较高。

由图2可见,水相离子强度一定时,胜利原油与不同浓度氢氧化钠的动态界面张力瞬时值、低值和稳态值均随NaOH浓度增大通过一个小值,这说明在适宜的pH条件下,界面上的离解酸和有机酸保持一个适宜的比例对界面张力的降低有利[6]。
2.1.2 胜利原油与不同离子强度的碱水溶液的动态界面张力

由图3可以看出,水相中氢氧化钠浓度一定时（10-3mol/L）,胜利原油与不同离子强度的碱水溶液的动态界面张力也表现出截然不同的特征。由于NaCl能够促进阴离子表面活性剂从水相向油相分配[10],当离子强度很低时（I=0.001）,界面上原位生成的离解酸类表面活性剂具有强烈的向水相分配的趋势,因而不能在界面上富集,动态界面张力始终大于10mN/m;当离子强度较低时（I=0.005）,界面上原位生成的少量离解酸与有机酸混合吸附,协同作用,动态界面张力通过一个较低的低值,随着离解酸脱附进入水相,界面张力开始升高;在适宜的离子强度,界面上的离解酸和有机酸在较长的时间内维持一定的浓度,低界面张力能够维持较长的一段时间;当离子强度较高时（I=0.1）,可能是原位生成的表面活性剂倾向于以离解酸皂的形式分配在油相[4],界面张力稳态值较高;当离子强度进一步增大时（I=0.25）,可能绝大部分离解酸以没有界面活性的离解酸皂的形式分配在油相,动态界面张力始终大于10mN/m。

由图4可见,水相中氢氧化钠浓度一定时（10-3mol/L）,胜利原油与不同离子强度碱水溶液的动态界面张力瞬时值、低值和稳态值均随离子强度增大通过一个小值,这说明在适宜的离子强度条件下,界面上的离解酸和有机酸保持适宜的比例对界面张力的降低有利。
2.2 复合驱体系组分相互作用对界面张力的影响
2.2.1 碱与表面活性剂相互作用对界面张力的影响
由图5可见,在离子强度不大的情况下,单独的表面活性剂盐溶液的界面张力大约为10-1mN/m;单独的碱水的瞬时界面张力接近10-1mN/m,但其稳态值大于1mN/m。碱与表面活性剂复配使用,不仅能够产生瞬间超低界面张力,而且其稳态值也大幅度降低。

由图6可见,复合驱体系在失去碱或表面活性剂后,不仅失去了瞬时超低界面张力,而且界面张力稳态值也升高一个数量级。碱与表面活性剂之间的这种协同效应是复合驱体系起作用的关键因素。
2.2.2 聚合物对复合驱体系界面张力的影响
由图7可见,在表面活性剂的盐溶液中加入聚合物后,其界面张力稳态值几乎不发生变化,说明在降低界面张力方面聚合物与表面活性剂之间没有明显的相互作用。但是,由于加入聚合物改变了水相的粘度,从而影响表面活性剂分子的传质,短时间内的动态界面张力数值受到影响。


由图8可见,复合驱体系在失去聚合物后动态界面张力曲线发生小的平移,加有聚合物的复合驱体系,其动态界面张力低值出现的时间滞后,而界面张力的低值和稳态值均不发生变化。另外,加有聚合物的复合驱体系的动态界面张力在低值附近变化较为缓慢。这些变化均与体系的粘度增大有关。
3结论
胜利原油与单独碱水溶液的动态界面张力瞬时值、稳态值和低值均随离子强度和氢氧化钠浓度的增大而通过一个小值,这说明原油中有机酸在适宜的离子强度和pH条件下能有效地降低界面张力。复合驱体系中的碱与表面活性剂之间在降低界面张力方面存在明显的协同效应,而表面活性剂与聚合物之间不存在明显的协同效应。聚合物通过改变体系的粘度影响动态界面张力短时间的数值和低值出现的时间。
参考文献:
[1]Chan M, Yen T F. A chemical equilibrium m model for interfacial activity of crude oil in aqueous alkaline solution[J].Canad J Chem Eng,1982,60:305—308.
[2]Ramakrishnan T S, Wasan D T.A model for interfacial activity of acidic crude oil/caustic systems for alkaline flooding[J].Soc Petrol Engrs J,1983,23:602—612.
[3]Borwankar R P, Wasan D T. Dynamic interfacial tensions in acidic crude oil/caustic systems [J].AIChEJ,1986,32:455—466.
[4]卞锦儒,俞稼镛.温度和盐度对原油与碱水界面张力的影响[J].油田化学,1986,3:167—173.
[5]Chiweu C I,Hornof V, Neale G H .Mchenisms for the interfacial reaction between acidic oils and alkaline reagents [J].Che m EngSci,1990,45:627—638.
[6]Rudin J, Wasan D T. Mechanisms for lowering of interfacial tension in alkali/acidic oil systems 1 Experimental studies[J].Colloids and Surfaces,1992,68:67—79.
[7]Rudin J, Wasan D T. Mechanis ms for lowering of interfacial tension in al kali/acidic oil systems Effect of added surfactant[J].Ind Eng Chem Res,1992,31:1899—1906.
[8]Rudin J,Bernard C, Wasan D T. Effect of added surfactant on interfacial tension and spontaneous emulsification inal kali/acidicoilsystems[J].IndEngChemRes,1994,33:1150—1158.
[9]Chatterjee J, Nikolov A, Wasan D T. Measurement of ultra low interfacial tension with application to surfactant enhanced alkaline systems[J].Ind Eng Chem Res,1998,37:2301—2306.
[10]Chan K S, Shah D O. The molecular mechanics m for achieving ultra low interfacial tension minimum in a petroleum sulfonate/oil/brine system [J].J Dispersion Sci Technol,1980,1:55—95.