二元體系超低界面張力影響因素及組分用量界限研究

張 棟，吳文祥

(東北石油大學(xué)提高油氣采收率教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，黑龍江 大慶 163318)

二元體系超低界面張力影響因素及組分用量界限研究

張 棟，吳文祥

(東北石油大學(xué)提高油氣采收率教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，黑龍江 大慶 163318)

為了更好的揭示BS無(wú)堿二元復(fù)合體系形成10-3數(shù)量級(jí)界面張力的組分用量界限，在大慶油田油藏溫度、配制水礦化度等油藏條件下，利用Texas-500型旋滴界面張力儀對(duì)二元體系界面張力的影響因素進(jìn)行表征。對(duì)聚合物分子量、濃度以及活性劑濃度進(jìn)行正交實(shí)驗(yàn)研究。結(jié)果表明：聚合物相對(duì)分子質(zhì)量及濃度對(duì)界面張力影響較大；活性劑用量影響較小，質(zhì)量濃度低至0.05%亦可形成10-3數(shù)量級(jí)；隨著配置水礦化度及剪切作用強(qiáng)度增加界面張力均呈現(xiàn)凹槽式變化。

聚合物 二元體系 超低界面張力 影響因素 組分用量界限

經(jīng)典毛管數(shù)理論認(rèn)為在水驅(qū)基礎(chǔ)上，要想進(jìn)一步提高油氣采收率需要提高驅(qū)替體系粘度，同時(shí)降低油水間界面張力至毛管數(shù)值在水驅(qū)基礎(chǔ)上再增高102～104個(gè)數(shù)量級(jí)[1,2]，目前國(guó)內(nèi)外大量學(xué)者發(fā)表的有關(guān)于此的優(yōu)秀成果已經(jīng)滿足此理論[3-6]。由于復(fù)合體系中各組分用量及油藏條件對(duì)二元體系界面張力影響較大，且復(fù)合體系中活性劑在地層滲流過程中存在吸附現(xiàn)象而導(dǎo)致活性劑失效，所以有必要對(duì)形成二元復(fù)合體系形成超低界面張力的各項(xiàng)參數(shù)進(jìn)行表征。筆者通過對(duì)多參數(shù)的正交實(shí)驗(yàn)評(píng)價(jià)了一種BS陰-非離子表面活性劑二元體系形成超低界面張力的組分界限。

1 實(shí)驗(yàn)條件

1.1實(shí)驗(yàn)材料

聚合物：HPAM，四種相對(duì)分子質(zhì)量分別為900×104，1 400×104，1 900×104，2 500×104，固含量均為90%。

活性劑：BS陰-非離子表面活性劑(自主合成)。

模擬水：大慶油田模擬污水，礦化度500，3 700，7 000，10 000 mg/L。

剪切標(biāo)準(zhǔn)：室內(nèi)模擬剪切條件使體系粘度保持為原來(lái)的2/3，1/2，1/3，1/4，1/5，1/10。

1.2實(shí)驗(yàn)儀器

磁力攪拌器；電子分析天平；恒溫振蕩水浴；數(shù)顯攪拌器；高速剪切儀，Texas-500型旋滴界面張力儀。

1.3界面張力測(cè)定方法及原理

按照二元體系各組分設(shè)計(jì)的質(zhì)量濃度配制目的液，經(jīng)熟化后利用Texas-500型旋滴界面張力儀測(cè)定初始油水界面張力。

其測(cè)定原理是通過高速旋轉(zhuǎn)油滴及二元體系處于離心場(chǎng)中。在離心力及界面張力的作用下油滴的形狀會(huì)發(fā)生改變形成一長(zhǎng)橢球形或圓柱形油滴。由此可以通過油滴被拉伸的形狀及尺寸表征界面張力。

式中：IFT為界面張力，mN/m；Δρ為油水密度差；D為油滴無(wú)因次最大直徑；T為每轉(zhuǎn)的時(shí)間，ms。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

2.1二元復(fù)合體系界面張力影響因素

2.1.1 聚合物濃度及相對(duì)分子質(zhì)量影響

為了研究聚合物對(duì)二元體系界面張力的影響，固定聚合物相對(duì)分子質(zhì)量為2 500×104，通過改變聚合物濃度以及活性劑濃度進(jìn)行正交試驗(yàn)。并通過固定聚合物濃度1500 mg/L，改變聚合物分子量以及活性劑濃度進(jìn)行正交試驗(yàn)，以此研究聚合物分子量對(duì)二元體系界面張力影響，實(shí)驗(yàn)結(jié)果分別如圖1、圖2所示。

圖1 界面張力隨聚合物濃度變化

圖2 界面張力隨聚合物相對(duì)分子質(zhì)量變化

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：隨著聚合物相對(duì)分子質(zhì)量以及聚合物濃度增加，界面張力升高[7]。一方面，HPAM的加入增加了體系粘度，導(dǎo)致活性劑分子向界面擴(kuò)散、運(yùn)移的速度大幅度降低，延長(zhǎng)了達(dá)到吸附飽和的時(shí)間[8-10]；另一方面，HPAM水溶性極好，大分子基團(tuán)與爭(zhēng)奪界面層的活性劑小分子一起形成聚集體，從而導(dǎo)致活性劑分子吸附在界面層的數(shù)量減少，最終油水界面張力升高。

2.1.2 活性劑濃度影響

復(fù)合體系中各組分的相互協(xié)同作用，會(huì)使得油水界面張力的變化情況變得更加復(fù)雜。固定聚合物相對(duì)分子質(zhì)量為2 500×104，活性劑濃度對(duì)油水界面張力的影響繪制于圖3。

圖3 二元體系界面張力隨活性劑濃度變化

圖3顯示，隨著表面活性劑濃度的增加，界面張力迅速降至超低；當(dāng)表面活性劑濃度為0.2%后，界面張力下降幅度不大。在表面活性劑質(zhì)量濃度較低的情況下，表面活性劑分子在復(fù)合體系中保持單個(gè)分子的狀態(tài)，且這些單個(gè)分子較少的吸附、擴(kuò)散、定向排列在油水間的界面上，界面張力較高；隨著活性劑濃度增加，界面上吸附的表面活性劑分子增加，界面張力迅速達(dá)到超低。

2.1.3 礦化度影響

為了研究礦化度單一因素對(duì)二元體系界面張力的影響，固定二元體系中聚合物分子量為2 500×104，聚合物濃度為1 500 mg/L，表面活性劑濃度為0.3%。通過改變配置二元體系用水的礦化度分別為500，3 700，7 000，10 000 mg/L以此對(duì)體系界面張力的影響進(jìn)行研究(圖4)。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：隨著礦化度的增加，界面張力呈現(xiàn)先下降后上升的凹槽形態(tài)。在高礦化度條件下、非離子表面活性劑的表面活性仍然能夠使油水間界面張力達(dá)到超低，這說明非離子表面活性劑的抗鹽能力很強(qiáng)，是用在高礦化度油田的理想表面活性劑。

圖4 不同礦化度條件下二元體系界面張力

產(chǎn)生這一實(shí)驗(yàn)規(guī)律的主要原因是，由于NaCl增大了表面活性劑分子向油水界面擴(kuò)散的速率并且陽(yáng)離子可以進(jìn)入雙電層使界面層中活性劑分子排列更緊密，在油水界面上表面活性劑在聚集過程中產(chǎn)生“吸附脫附位壘”，可能是油水界面張力呈現(xiàn)出凹槽形態(tài)的原因。另一方面，金屬陽(yáng)離子使二元體系聚合物分子發(fā)生蜷曲，間接影響二元體系界面張力。

2.1.4 剪切影響

二元復(fù)合體系流經(jīng)注入管線、炮眼以及在地層的過程中，會(huì)產(chǎn)生剪切用作導(dǎo)致體系粘度損失。以下研究剪切作用是否對(duì)二元體系界面張力存在影響。

固定二元體系中聚合物分子量為2 500×104，濃度為1 500 mg/表面活性劑濃度為0.3%。利用二元體系粘度降低幅度代表剪切強(qiáng)度。室內(nèi)模擬剪切條件使體系粘度保持為原來(lái)的2/3、1/2、1/3、1/4、1/5、1/10。

圖5實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：二元體系界面張力值受到剪切強(qiáng)度的增加先減小，后在某一點(diǎn)上達(dá)到最小界面張力值后會(huì)表現(xiàn)出回升現(xiàn)象。剪切作用會(huì)破壞聚合物分子結(jié)構(gòu)，效果等同于降低聚合物分子質(zhì)量使得體系界面張力降低。進(jìn)一步增加剪切強(qiáng)度將導(dǎo)致表面活性劑在界面上吸附受到影響，界面張力將再次回升。但該二元體系剪切前后均能維持在10-3mN/m數(shù)量級(jí)的超低界面張力，表現(xiàn)出了良好的抗剪切能力。

圖5 不同剪切條件下二元體系界面張力

圖6 不同相對(duì)分子質(zhì)量聚合物二元體系界面張力圖版

2.2形成超低界面張力二元體系單個(gè)組分用量界限

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明聚合物相對(duì)分子質(zhì)量、濃度、活性劑濃度均對(duì)二元體系界面張力存在影響。選取大慶油田具有代表意義的油藏條件(油藏溫度45 ℃、配置水礦化度3 700 mg/L)，對(duì)四種不同相對(duì)分子質(zhì)量的聚丙烯酰胺及BS陰-非離子表面活性劑組成的二元體系形成超低界面張力時(shí)，各組分濃度界限進(jìn)行表征(圖6)。

對(duì)于相對(duì)分子質(zhì)量為900×104聚合物，二元體系與大慶原油間的界面張力值在聚合物濃度500～2 000 mg/L時(shí)，界面張力能達(dá)到10-4mN/m，而當(dāng)聚合物濃度為2 500 mg/L時(shí)，界面張力能達(dá)到10-3mN/m。而相對(duì)分子質(zhì)量為14 900×104聚合物，濃度為500 mg/L時(shí)，界面張力能達(dá)到10-4mN/m，在聚合物濃度為1 000 mg/L時(shí)，僅在活性劑濃度0.2%和0.3%時(shí)，界面張力能達(dá)到10-4mN/m。其他聚合物濃度及活性劑濃度條件下，界面張力能達(dá)到10-3mN/m數(shù)量級(jí)。相對(duì)分子質(zhì)量為1 900×104聚合物，濃度為500～1 500 mg/L時(shí)，活性劑濃度從0.05%～0.3%時(shí)，二元體系與大慶原油間的界面張力值保持在10-3mN/m數(shù)量級(jí)內(nèi)。最后對(duì)于相對(duì)分子質(zhì)量為2 500×104聚合物，濃度為500～1 500 mg/L，界面張力能達(dá)到10-3mN/m數(shù)量級(jí)，而聚合物濃度從2 000～2 500 mg/L時(shí)，活性劑濃度僅在0.3%時(shí)，二元體系與大慶原油間的界面張力值持在10-3mN/m數(shù)量級(jí)內(nèi)。

3 結(jié)論

(1)聚合物相對(duì)分子質(zhì)量、濃度以及活性劑濃度對(duì)二元體系與原油間的界面張力影響較大。

(2)本次二元體系配方試驗(yàn)完成了形成超低界面張力各組分濃度的用量界限研究。

(3)隨著配置水礦化度及剪切強(qiáng)度增加界面張力均呈現(xiàn)凹槽式變化。

[1] 胡博仲.聚合物驅(qū)采油工程[M].北京：石油工業(yè)出版社,1997:27-28.

[2] 劉莉平,楊建軍.聚/表二元復(fù)合驅(qū)油體系性能研究[J].斷塊油氣田.2004,11(4):44-45.

[3] 劉歆,周鳳軍,張迎春,等.正交設(shè)計(jì)在聚合物/表面活性劑復(fù)合驅(qū)參數(shù)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用[J].復(fù)雜油氣藏.2012,5(1):83-86.

[4] 李書瑜.超低界面張力表活劑體系降低注水壓力研究[J].復(fù)雜油氣藏.2013,6(2):53-56.

[5] 吳文祥,母麗敏,張濤,等.弱堿三元復(fù)配體系篩選研究[J].石油化工高等學(xué)校學(xué)報(bào),2013,26(4):66-69.

[6] 吳文祥,張世錄,唐佳斌.高分子質(zhì)量聚合物二元體系在低滲透油層適應(yīng)性研究[J].石油化工高等學(xué)校學(xué)報(bào),2013,26(6):51-54.

[7] Chivu C S，Kellerhals GE.Polymer/surfactant transport in Micellar Flooding[J].SPE 9354.

[8] Pyce.D J.Improved secondary recovery by control for water mobility[J].JPT,Aug 1964,911-916.

[9] Clifford P J，Sorbie K S.The effects of chemical degradation on polymer flooding[J].SPE 13586.

[10] Giordano R M,Slattery J C.Effect of the interfacial viscosities upon displacement in sinusoidal capillaries[J].AIChE J,1987,33(10):1592-1602.

(編輯 王建年)

Influencing factors of ultra-low IFT and dosage limits of component for surfactant-polymer flooding system

Zhang Dong,Wu Wenxiang

(KeyLaboratoryofEnhancedOilRecovery，NortheastPetroleumUniversity，Daqing163318，China)

To better reveal dosage limit of each component in non-alkali surfactant-polymer (SP) flooding system with ultra-low IFT，under the condition of Daqing Oilfield reservoir temperature and water salinity，influencing factors of IFT were studied by using Texas 500 type interfacial tensiometer.The orthogonal experiment results showed that relative molecular weight and solution concentration of polymer both are bigger impacts on IFT；concentration of surfactant solution is smaller one，low to 0.05% having a 10-3magnitude of IFT；with the increase in water salinity and shear action，IFT showed a concave change.

polymer；surfactant-polymer system；ultra-low IFT；influencing factor；dosage limit of component

10.16181/j.cnki.fzyqc.2015.04.013

TE357.6

A

2015-06-13；改回日期2015-08-12。

張棟(1988—)，博士生在讀，研究方向?yàn)榛瘜W(xué)驅(qū)提高采收率。E-mail：zhangdong084@163.com，電話：15004593766。

國(guó)家重大專項(xiàng)課題“油田開采后期提高采收率新技術(shù)”(2011ZX05009-004)。