模糊綜合評(píng)判法在表面活性劑與聚合物配伍性研究中的應(yīng)用

趙蘭蘭

(大慶油田有限責(zé)任公司 第九采油廠，黑龍江 大慶 163000)

0 引言

堿/表面活性劑/聚合物(ASP)三元復(fù)合驅(qū)是繼聚合物驅(qū)之后又一大幅度提高原油采收率的方法，礦場(chǎng)應(yīng)用取得了較好的增油效果。盡管堿的加入大大降低了復(fù)合體系與原油間的界面張力，但同時(shí)也帶來(lái)采出液乳化和結(jié)垢等技術(shù)難題[1-5]。近年來(lái)，在三元復(fù)合體系中采用弱堿Na2CO3代替強(qiáng)堿NaOH，以及采用表面活性劑/聚合物(SP)二元復(fù)合體系的研究愈來(lái)愈受到石油科技工作者的重視，已經(jīng)成為化學(xué)驅(qū)油技術(shù)的發(fā)展方向。為適應(yīng)這一發(fā)展需求，國(guó)內(nèi)外廠家先后研制出“羧酸鹽”、“非離子型”和“石油磺酸鹽”等多種類(lèi)型表面活性劑產(chǎn)品。與此同時(shí)，為改善復(fù)合體系的流度控制能力，一批諸如“締合型”、“功能型”和“梳型”等新型聚合物產(chǎn)品也先后出現(xiàn)。因此，出現(xiàn)了聚合物與表面活性劑之間配伍性問(wèn)題。

在現(xiàn)實(shí)生活中，一些模糊屬性的問(wèn)題難以用經(jīng)典數(shù)學(xué)表示。自1965 年美國(guó)Zadeh 教授提出模糊集合以來(lái)，上述問(wèn)題得到合理解決。聚合物與表面活性劑之間配伍性問(wèn)題屬于模糊問(wèn)題，一些科技人員嘗試用模糊數(shù)學(xué)方法來(lái)解決聚合物優(yōu)選問(wèn)題[6-8]，獲得了令人滿意的效果。依據(jù)遼河油田錦16塊化學(xué)驅(qū)工業(yè)性試驗(yàn)化學(xué)驅(qū)油劑選擇的實(shí)際需求，筆者選擇三元復(fù)合體系的黏度、界面張力以及它們大小排序的位置作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，通過(guò)采用適當(dāng)隸屬函數(shù)并計(jì)算相應(yīng)評(píng)價(jià)指標(biāo)的分值，利用模糊綜合評(píng)判法得到聚合物與表面活性劑配伍性的相對(duì)優(yōu)劣程度排序。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)條件

篩選7種聚合物，代號(hào)依次是“1”(相對(duì)分子質(zhì)量為2930×104，固含量為89.3%)、“M”(相對(duì)分子質(zhì)量為3183×104，固含量為88.5%)、“A”(相對(duì)分子質(zhì)量為3555×104，固含量為90.1%)、“A3”(相對(duì)分子質(zhì)量為2903×104，固含量為88.5%)、“A7”(相對(duì)分子質(zhì)量為2506×104，固含量為88.4%)、“O7”(相對(duì)分子質(zhì)量為3010×104，固含量為91.6%)和“H7”(相對(duì)分子質(zhì)量為3540×104，固含量為89.5%)。

篩選5種表面活性劑，代號(hào)分別是“A”(羧酸鹽類(lèi)，淡黃色粉末，有效含量28%)、“11”(非離子型，白色液體，有效含量50%)、“X”(非離子型，黃色液體，有效含量99%)、 “018”(非離子型，石油狀液體，有效含量50%)和“035”(改性羧酸鹽類(lèi)，石油狀液體，有效含量99%)。堿為Na2CO3，有效含量99.8%。實(shí)驗(yàn)用油為遼河錦16塊脫氣脫水原油。實(shí)驗(yàn)用水為遼河油田錦16塊歡三聯(lián)深度處理污水(軟化水)，礦化度為2713.8mg/L，NaHCO3水型。

實(shí)驗(yàn)儀器包括STX-500H型界面張力測(cè)量?jī)x、HJ-6型多頭磁力攪拌器、DV-Ⅱ+型布氏黏度計(jì)、ES120-4型電子天平、燒杯和試管等。實(shí)驗(yàn)溫度為55℃。

1.2 黏度和界面張力測(cè)試結(jié)果

7種聚合物與5種表面活性劑按照不同組合方式進(jìn)行復(fù)合，復(fù)合體系中聚合物濃度為0.16%；表面活性劑濃度為0.2%；堿(Na2CO3)濃度為0.9%。體系黏度及界面張力數(shù)據(jù)分別見(jiàn)表1和表2。

表1 三元復(fù)合體系黏度數(shù)據(jù)(mPa·s)

表2 三元復(fù)合體系界面張力數(shù)據(jù)(×10-3mN/m)

2 模糊綜合評(píng)判

2.1 分值確定

為了便于綜合評(píng)判不同三元復(fù)合體系，選擇主要特性參數(shù)黏度和界面張力作為評(píng)價(jià)指標(biāo)。從三元復(fù)合體系黏度對(duì)流度控制能力影響角度考慮，黏度越大越好，選擇升半Г形模糊隸屬度函數(shù)作為評(píng)價(jià)方程[9]，即

f(μ)=1-exp(-αμ)

(1)

從三元復(fù)合體系提高洗油效率角度考慮，界面張力越小越好，選擇降半Г形模糊隸屬度函數(shù)作為評(píng)價(jià)方程，即

f(σ)= exp(-βσ)

(2)

式中，μ為黏度；σ為界面張力；f(μ)和f(σ)為相應(yīng)分值；α、β為定量常數(shù)，α=0.01，β=100。

為了保證評(píng)判結(jié)果能選擇到黏度最大和界面張力最小的復(fù)合體系，對(duì)黏度進(jìn)行升序排序，對(duì)界面張力進(jìn)行降序排序，對(duì)復(fù)合體系黏度和界面張力在整個(gè)體系中的位置進(jìn)行函數(shù)分值計(jì)算。由于黏度越大越好，則黏度越靠后越好，界面張力越小越好，則是界面張力越靠后越好，采用選擇升半Г形模糊隸屬度函數(shù)作為評(píng)價(jià)方程，即

f(b)=1-exp(-αb)

(3)

式中，b為黏度和界面張力位置；f(b)為相應(yīng)分值；α為定量常數(shù)，α=0.03。

模糊綜合評(píng)判三元復(fù)合體系步驟如下：

1)在指定條件下配制不同“聚合物+表面活性劑”組成的復(fù)合體系溶液，測(cè)量黏度和界面張力值，并確定黏度位置和界面張力位置，計(jì)算其相應(yīng)分值。

2)利用評(píng)分方程計(jì)算相應(yīng)分值，并進(jìn)行歸一化處理同一特性中各分值所占百分?jǐn)?shù)(歸一化分值)。

3)模糊綜合評(píng)判。

2.1.1 黏度

35種復(fù)合體系黏度、分值及歸一化分值見(jiàn)表3。復(fù)合體系用“表面活性劑(代號(hào))+聚合物(代號(hào))”來(lái)表示。

表3 黏度分值

從表3可以看出：

1)表面活性劑類(lèi)型對(duì)體系黏度存在影響，表面活性劑“A”與7種聚合物組成的復(fù)合體系黏度損失嚴(yán)重，其中“A+A3”體系黏度最低；

2)聚合物分子量越大，體系黏度值越大，聚合物“A”與5種表面活性劑的復(fù)合體系黏度相對(duì)較高。

2.1.2 界面張力

35種復(fù)合體系界面張力、分值及歸一化分值見(jiàn)表4。

表4 界面張力分值

由表4可知，不同“表面活性劑+聚合物”復(fù)合體系的界面張力性質(zhì)差異很大，表面活性劑“X”與7種聚合物組成的復(fù)合體系界面張力相對(duì)較低，其中“X+A7”體系界面張力最低，配伍性較好。

2.1.3 黏度位置

35種復(fù)合體系黏度位置、分值及歸一化分值見(jiàn)表5。

表5 黏度位置分值

2.1.4 界面張力位置

35種復(fù)合體系界面張力位置、分值及歸一化分值見(jiàn)表6。

2.2 模糊綜合評(píng)判

2.2.1 數(shù)學(xué)原理[10-11]

模糊綜合評(píng)判是應(yīng)用模糊變換原理和最大隸屬度原則，考慮與被評(píng)價(jià)事物相關(guān)的各個(gè)要素，對(duì)其所作的評(píng)價(jià)。綜合評(píng)判步驟：

1)確定評(píng)判對(duì)象的因素集U={U1,U2,…Un}

2)確定判斷集V，使V={V1,V2,…Vn}

3)建立單因素評(píng)斷矩陣R，使R=(rij)n×m，其中rij表示Ui隸屬于Vj的程度或稱(chēng)Ui在Vj上的特征指標(biāo)；

4)進(jìn)行綜合評(píng)判，首先將各評(píng)判要素分值進(jìn)行縱向歸一化處理得到單因素Ui權(quán)重，令A(yù)=(a1,a2,…an)，ai為因素Ui的權(quán)重，然后按模糊變換原理，進(jìn)行合成運(yùn)算。合成運(yùn)算中算子可選擇下面4種中的任一種：M(ε,∨)，M(ε,⊕)，M(∧,∨)，M(∧,⊕)

算子中相應(yīng)的符號(hào)表示：

A(x)·B(x)=A(x)B(x)，為矩陣相乘；

A(x)∨B(x)=max{A(x),B(x)}，取大；

A(x)∧B(x)=min{A(x),B(x)}，取小；

A(x)⊕B(x)=min{1,A(x)+B(x)}，與1比較，取和之小。

本文選第一種算子，即，再利用最大隸屬度原則選用最大的B′j對(duì)應(yīng)的Vj作為綜合評(píng)判結(jié)果。

2.2.2 綜合評(píng)判

1)U={U1,U2,…Un}={黏度，界面張力，黏度位置，界面張力位置}；

2)V={V1,V2,…Vn}={1級(jí)，2級(jí)，3級(jí)，4級(jí)}；

3)根據(jù)經(jīng)驗(yàn)建立單因素歸一化評(píng)判矩陣R，見(jiàn)表7；

4)給出單因素歸一化評(píng)判矩陣，并計(jì)算各因素單獨(dú)作用時(shí)各復(fù)合體系溶液平均分值，見(jiàn)表8。

表7 單因素歸一化評(píng)判矩陣

表8 權(quán)重系數(shù)

5)模糊綜合評(píng)判

對(duì)復(fù)合體系進(jìn)行模糊綜合評(píng)判，

“A+1”A1×R=(0.613 0.0286 0.0123 0.0029)

設(shè)復(fù)合體系各因素影響分值V=(1級(jí)，2級(jí)，3級(jí)，4級(jí))=(20，40，60，80)，評(píng)分得

評(píng)價(jià)分值見(jiàn)表9。

表9 評(píng)判分值

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在35種復(fù)合體系中，分值居前三位的是“X+H7”5.558、“A+A”5.460和“X+A7”5.229，該分值大小也反映了復(fù)合體系配伍性的相對(duì)優(yōu)劣程度。

3 結(jié)語(yǔ)

1)三元復(fù)合體系黏度、界面張力和它們大小排序位置可以作為反映聚合物與表面活性劑配伍性的評(píng)價(jià)指標(biāo)。

2)模糊綜合評(píng)判可以消除人們?cè)跊Q策過(guò)程中的主觀性，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)不同聚合物與表面活性劑配伍性相對(duì)優(yōu)劣程度的定量評(píng)價(jià)。

3)在由7種聚合物與5種表面活性劑組成的35種三元復(fù)合體系中，配伍性位居前三位的是“X+H7”、“A+A”和“X+A7”。

[參考文獻(xiàn)]

[1] 盧祥國(guó)，戚連慶，牛金剛.低活性劑濃度三元復(fù)合體系驅(qū)油效果實(shí)驗(yàn)研究[J].石油學(xué)報(bào)，2002，23(5)：59-63.

[2] 盧祥國(guó)，王鳳蘭，包亞臣.聚合物驅(qū)后三元復(fù)合驅(qū)油效果評(píng)價(jià)[J].油田化學(xué)，2000，17(2)：159-163.

[3] 劉佐軍，單存龍，王磊，等.大慶原油與水的乳化作用相行為研究[J].大慶石油地質(zhì)和開(kāi)發(fā)，2007，26(5)：106-109.

[4] 朱義吾，趙作滋，巨全義，等.油田開(kāi)發(fā)中的結(jié)垢機(jī)理及其防治技術(shù) [M].西安：陜西科技出版社，1995：95-101.

[5] 于濤，荊國(guó)林，黎鋼，等.三元復(fù)合驅(qū)結(jié)垢機(jī)理研究[J].大慶石油學(xué)院學(xué)報(bào)，2001，25(2)：28-30.

[6] 徐新霞，盧祥國(guó)，趙蘭蘭.模糊數(shù)學(xué)方法在江蘇油田聚合物優(yōu)選中的應(yīng)用[J].特種油氣藏，2007，14(4)：81-84.

[7] 楊綸標(biāo)，高英儀.模糊數(shù)學(xué)原理及應(yīng)用[M].廣州：華南理工大學(xué)出版社，2004.

[8] 王偉，盧祥國(guó)，仲?gòu)?qiáng). 模糊綜合評(píng)判在聚合物優(yōu)選中的應(yīng)用[J].大慶石油學(xué)院學(xué)報(bào)，2005，29(5)：32-34.

[9] 王石青，邱林，王志良，等.確定隸屬函數(shù)的統(tǒng)計(jì)分析法[J].華北水利水電學(xué)院學(xué)報(bào)，2002，23(1)： 68-71.

[10] 楊麗婷，董艷秋，翟瑞彩，等.應(yīng)用模糊數(shù)學(xué)分析水質(zhì)和預(yù)測(cè)污染負(fù)荷方面[J].天津大學(xué)學(xué)報(bào)，2002，35(5)：619-623.

[11] 孫明華.關(guān)于模糊綜合評(píng)判結(jié)果的等級(jí)劃分和排序[J].北京工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，1994，20(1)：72-80.