復合驅電脫水器絕緣部件易吸附雜質的內在因素分析

趙忠山 邵臣良 李學軍

1大慶油田設計院有限公司

2大慶油田有限責任公司

在油田開采進入高含水階段，三元復合驅是提高油田采收率的重要技術措施。三元復合驅是由表面活性劑、聚合物和堿組成的復合體系驅油方法。三元復合驅除了具有各組分的全部驅油機理外，還可以發(fā)揮表面活性劑、聚合物和堿三者的協(xié)同效應，與單一聚合物驅相比，由于表活劑和堿的存在，三元復合驅在增大波及系數(shù)的同時也有效降低了油水界面張力，與表面活性劑或堿水驅油技術相比，由于聚合物的存在使得三元復合體系波及范圍更大，增大了表面活性劑體系的利用率，從而大幅提高了油田采收率[1-3]。

三元復合驅原油中含有來自于地層或者驅油過程中帶入的無機和有機雜質顆粒[4-5]，采出液成分復雜，電脫水設備運行平穩(wěn)性差。電脫水器極板的絕緣部件在三元復合驅采出液中使用周期短是影響三元復合驅電脫水器平穩(wěn)運行的瓶頸之一。電脫水器絕緣部件主要由PTFE 制作，三元復合驅采出液黏度增大，攜帶雜質增多，絕緣組件易附著沉積物，絕緣強度降低，在高壓電場的作用下，產(chǎn)生放電擊穿，最終導致電脫水器因絕緣故障而無法送電運行，需要停產(chǎn)檢修，更換損毀的絕緣組件。這個問題造成電脫水器運行平穩(wěn)性差，運行時率低，絕緣組件頻繁更換，生產(chǎn)維護成本高[6-10]。

三元復合驅生產(chǎn)中，不僅是吸附質的性質對吸附性能產(chǎn)生影響，而且吸附材料的性質對吸附也會產(chǎn)生影響。為了確定聚四氟乙烯（PTFE）絕緣部件污染的原始因素，從兩個方面進行測試：一是測試親水性不同的烷基苯磺酸鈉表面活性劑在PTFE片上的吸附，利用Gibbs 吸附方程計算表面活性劑在PTFE 片上的吸附量數(shù)據(jù)；二是采用能夠產(chǎn)生更強吸附性的PTFE 超濾膜來測試部分水解聚丙烯酰胺（HPAM）的吸附量，更直觀地體現(xiàn)PTFE 對吸附質的影響。

1 采出液粒子吸附量的測試原理

1.1 測試界面張力和接觸角，計算表面壓

根據(jù)Young 潤濕方程，處于一個平表面的靜止液滴，其接觸角可以用三個界面張力平衡來描述（圖1），如式（1）所示。

圖1 Young 方程各參量關系示意圖Fig.1 Schematic diagram of the relation among parameters of Young equation

式中：γVL、γVS和γLS分別為氣液、氣固和液固之間的界面張力，mN·m-1。

根據(jù)表面壓的定義，表面壓是指在表面上鋪展的膜對單位長度浮片所施加的力，常以π 表示，表面壓在數(shù)值上等于鋪膜前后表面張力之差，那么對于液固表面壓πLS和氣液表面壓πVL的公式分別如式（2）、式（3）所示。

其中，上角標0 表示純水的性質，π 的單位為mN·m-1，純水的界面張力可以根據(jù)Harkins 的經(jīng)驗公式計算。

其中t為測試溫度。

結合上面的公式，可以得到公式（4）

1.2 由表面壓計算吸附量

根據(jù)Gibbs 方程，界面吸附量由表面壓決定，如式（5）所示。

式中：ΓLS為液固界面吸附量，mol·m-2，lnCS為濃度的自然對數(shù)。

根據(jù)以上條件，可以在恒溫條件下的πLS-lnCS曲線圖上，利用直線部分的斜率求得飽和吸附量ΓLS（過剩吸附量），也可以利用曲線上某一點的切線斜率求得對應體相濃度下的吸附量Γ（表面濃度）。

2 烷基苯磺酸鈉吸附性能測試

根據(jù)前面的測試原理，只要測出了表面活性劑水溶液在PTFE 片上的接觸角和表面張力，就可以根據(jù)Gibbs 方程，計算出表面活性劑在PTFE 上的吸附量。試驗測試介質包括p-S12-3、p-S14-3 和p-S16-3 三種烷基苯表面活性劑，其烷基鏈長度逐漸增加。

2.1 表面活性劑水溶液在PTFE 片上的接觸角和表面張力測試

表1 是不同濃度烷基苯磺酸鈉水溶液在PTFE片上的接觸角和表面張力數(shù)據(jù)。

從表1 可以看出：隨著表面活性劑濃度的增加，接觸角和表面張力呈現(xiàn)相似的變化規(guī)律，隨著濃度增加而降低。在PTFE 固體表面，烷基苯磺酸鈉表面活性劑親油基朝向低能的PTFE 表面，親水基朝向水溶液，烷基苯磺酸鈉通過物理吸附與PTFE 結合。

表1 不同烷基苯磺酸鈉水溶液在PTFE片上的接觸角和界面張力Tab.1 Contact angle and interfacial tention of different alkyl benzene sulfonate aqueous solution on PTFE sheets

2.2 表面活性劑在PTFE 在表面上的吸附量計算

表2 是通過公式計算得到的不同濃度烷基苯磺酸鈉吸附在PTFE 表面的表面壓與濃度的自然對數(shù)數(shù)據(jù)列表。圖2 是表面壓隨濃度的自然對數(shù)變化曲線，可以更清晰地展現(xiàn)出表面壓πLS隨lnCS的變化規(guī)律。

表2 ln CS 和不同烷基苯磺酸鈉水溶液在PTFE 片上的πLSTab.2 πSL of ln Cs and different alkylbenzene sulfonate aqueous solutions on PTFE sheets

根據(jù)圖2 求得曲線上各濃度點的切線斜率，利用Gibbs 吸附公式計算得到不同濃度烷基苯磺酸鈉表面活性劑在PTFE 表面的吸附量。圖3 是不同烷基苯磺酸鈉水溶液在PTFE 片上吸附量隨濃度的變化關系圖。

圖2 πSL 隨ln CS 變化曲線Fig.2 Evolution curve of πSL with ln CS

從圖3 可以看出，隨著烷基苯磺酸鈉濃度增加，其在PTFE 表面的吸附量逐漸增加；隨著烷基鏈長度增加，也就是隨著烷基苯磺酸鈉親油性增加，p-S12-3、p-S14-3 和p-S16-3 在PTFE 表面飽和吸附量依次略有減小，分別為2.2×10-6mol/m2、2.2×10-6mol/m2和2.1×10-6mol/m2，說明烷基苯磺酸鈉在PTFE 表面的飽和吸附量主要受體積較大的親水基團控制，所以隨著親油基鏈長的增加，飽和吸附量變化不大。

圖3 不同烷基苯磺酸鈉水溶液在PTFE 片上吸附量隨濃度的變化關系Fig.3 Relationship between the adsorption capcity of different alkyl benzene sulfonate aqueous solutions on PTFE sheets and its concentration

通過PTFE 對烷基苯磺酸鈉表面活性劑的吸附性能測試表明：低能的PTFE 表面由于吸附極性的烷基苯磺酸鈉，表面由親油性向親水性轉變，表面更容易吸附離子和極性顆粒，造成PTFE 表面吸附物種復雜、產(chǎn)生污染。

3 PAM 在PTFE 上的吸附性能

為了更直觀地體現(xiàn)PTFE 對吸附質的影響，采用能夠產(chǎn)生更多吸附的PTFE 超濾膜來測試其對HPAM 的吸附性能。所采用的HPAM 是大慶煉化公司生產(chǎn)的2 500 萬相對 分子質量聚合物。圖4 為不同初始濃度HPAM 在PTFE 超濾膜上的吸附量隨時間變化曲線。

圖4 不同初始濃度HPAM 吸附量隨時間變化曲線Fig.4 Curve of HPAM adsorption capacity with different initial concentrations varies with time

從圖4可以看出，隨著濃度的增加，HPAM在PTFE超濾膜上的吸附量增加，在20 h時，吸附基本達到平衡。HPAM 吸附在PTFE 表面，改變PTFE 表面性質，使極性離子和極性顆粒更容易在PTFE表面吸附，造成PTFE的表面污染。

理論研究表明，固體電介質除了本身可以導電之外，主要是其表面電導影響較大，PTFE 棒就可以看成固體電介質，其表面被污染之前，本身導電能力較差，但是其表面被污染之后，在其表面會產(chǎn)生表面電導。影響表面電導的因素主要是表面吸附的水膜以及表面清潔度對表面電導的影響。表面污染，特別是含有電解質的污染，將會引起固體電介質表面導電水膜的電阻率下降，從而使表面電導率上升。另外，固體電介質表面性質的改變也會對表面電導產(chǎn)生重要影響，當PTFE 表面吸附表面活性劑和PAM 時，使原本非極性表面變成極性表面，對水分子和雜質顆粒的吸引力增強，造成水在PTFE 表面的接觸角減小，表面所吸附的水分子容易形成連續(xù)的水膜，使表面電導增加。

因此，由于PTFE 表面能夠吸附表面活性劑和PAM，改變了其表面性質，更容易吸附極性的雜質顆粒和水分子，造成其表面電導增加，在一定電壓下產(chǎn)生導電，甚至損毀。

4 結論

（1）烷基苯磺酸鈉表面活性劑在PTFE 固體表面是物理吸附，低能的PTFE 表面由于吸附極性的烷基苯磺酸鈉，表面由親油性向親水性轉變，表面更容易吸附離子和極性顆粒，造成PTFE 表面吸附物種復雜、產(chǎn)生污染。

（2）HPAM 同樣會通過氫鍵作用力吸附在PTFE表面，改變PTFE 表面性質，使極性離子和極性顆粒更容易在PTFE 表面吸附，造成PTFE 的表面污染。

（3）由于PTFE 表面能夠吸附表面活性劑和PAM，改變了其表面性質，更容易吸附極性的雜質顆粒和水分子，造成其表面電導增加，在一定電壓下產(chǎn)生導電，甚至損毀，是造成電脫水器絕緣部件導電燒損的內在因素。