张 栋， 阚 亮， 吴文祥， 任佳维

(1.东北石油大学提高油气采收率教育部重点实验室，黑龙江大庆 163318；2.中海油能源发展工程技术分公司，天津 300452)



耐吸附低张力二元复合体系界面特性研究

张 栋1， 阚 亮2， 吴文祥1， 任佳维1

(1.东北石油大学提高油气采收率教育部重点实验室，黑龙江大庆 163318；2.中海油能源发展工程技术分公司，天津 300452)

为了探索一种耐吸附、低张力二元复合体系的界面特性，利用Texas-500型旋滴界面张力仪以及岩心渗流装置，进行了体系初始界面张力以及模拟地层渗流过程中动态界面张力的测定；通过静态吸附实验明确复合体系中活性剂吸附量以及吸附对界面张力影响。结果表明,新型无碱二元复合体系界面张力在活性剂质量分数低至0.05%、聚合物质量浓度高至2 500 mg/L，亦可形成10-3数量级；活性剂吸附量较小，一次吸附后各界面张力依旧可以维持10-3数量级。动态渗流实验结果显示，即使考虑吸附及稀释作用，在距离模型入口端3/5处二元体系动态界面张力依旧可以维持10-3数量级。

超低界面张力； 吸附量； 界面特性； 有效运移距离

1927年Uren和Fahry开始有关油水间界面张力对驱油效率影响的研究[1-2]，自此国内外大量学者发表了关于此方面的研究成果[3]。经典的毛管数理论表明：一方面提高驱替体系黏度，另一方面降低油水间界面张力至水驱的毛管数值再增高102～104数量级，目前诸多复合体系被研制出来以满足此理论[4-6]。但复合体系中活性剂在地层渗流过程中存在吸附现象而导致活性剂失效，或是复合体系中为了使界面张力达到10-3数量级而加入的助剂会导致体系黏度的降低[7]，这些原因使得复合体系并不都能形成并维持超低界面张力同时保证黏度特性。笔者通过室内评价一种在低质量浓度下即可形成超低界面张力的表面活性剂，进行了有关此活性剂二元复合体系界面特性研究。

1 实验部分

1.1 实验材料

聚合物：HPAM，相对分子质量1 900×104，固含率90%；活性剂：BS阴-非离子表面活性剂(自主合成)；大庆油田模拟污水，矿化度3 700 mg/L；油砂：(60～100目)；分析用化学剂：金橙Ⅱ(2-萘酚偶氮对苯磺酸钠)、氯仿。

1.2 实验仪器

磁力搅拌器，电子分析天平，恒温振荡水浴，721分光光度计，数显搅拌器，离心机，Texas-500型旋滴界面张力仪，岩心渗流实验装置一套。

1.3 实验方法

(1) 按照聚合物、表面活性剂二元体系各组分设计的质量浓度配制目的液，其中聚合物质量浓度分别为500、1 000、1 500、2 000、2 500 mg/L，表面活性剂质量分数分别为：0.05%，0.10%，0.20%，0.30%，二元复合体系经熟化后利用Texas-500型旋滴界面张力仪测定初始油水界面张力。

(2) 将吸附剂和驱油剂溶液按固液质量比1∶9密封并恒温45 ℃振荡20 h，经240 r/min的转速下离心分离约30 min取上层清液， 金橙Ⅱ法测非离子表面活性剂在油砂表面静态吸附前后的浓度，利用Texas-500型旋滴界面张力仪测定界面张力。

(3) 1 m长填砂管模型注入二元体系1 PV后转注续水驱，距离模型入口1 m、2 m、3 m、…、9 m以及模型终端出口10处收集口，收集样品并检测界面张力，样品开始检测到活性物质为测试记录时间点。

2 结果与讨论

2.1 二元复合体系静态界面特性

2.1.1 初始油水界面张力 将配置并经熟化后的二元复合体系与油滴间的界面张力测定值定义为初始油水界面张力。分别增加复合体系中聚合物以及活性剂浓度进行正交实验，体系中各组分用量以及相应的界面张力的测定结果见图1。

二元体系中聚合物及表面活性剂的浓度均对油水间界面张力存在影响。初始油水界面张力测定结果表明：此BS表面活性剂与HPAM组成的无碱二元复合体系具有较好的界面特性。聚合物质量浓度由500 mg/L增加到2 500 mg/L、活性剂质量分数由0.05%增加到0.30%，二元体系界面张力均可以达到10-3数量级；在低聚合物质量浓度情况下甚至可以达到10-4数量级，即图1中左侧深蓝色区域。

图1 BS无碱二元体系初始油水界面张力

Fig.1 Initial interfacial tension plate of BS-SP system

初始油水界面张力图版显示，二元体系界面张力呈现出竖向条带形分布。这一实验规律表明：此二元复合体系界面张力受聚合物质量浓度的影响较大，一方面，HPAM的加入可以增加体系黏度，同时导致活性剂分子向界面扩散和运移的速度大幅度降低，这就延长了达到吸附饱和的时间[8-10]；另一方面，HPAM水溶性极好，大分子基团与争夺界面层的活性剂小分子一起形成了聚集体，从而导致活性剂分子吸附在界面层的数量减少，最终油水界面张力升高。以往研究的二元复合体系界面张力随活性剂质量分数的变化影响较大，本文中体系界面张力受活性剂质量分数影响较小的原因主要是在较低的活性剂用量情况下即可使油水界面张力达到10-3数量级。由于活性剂在地层中渗流存在着吸附现象，有利于二元体系在地层中较长运移长度均能维持超低界面张力。

2.1.2 静态吸附 静态吸附量是指在静止条件测得的单位质量吸附剂吸附被吸附物质的质量。检测并计算吸附前、后吸附剂浓度变化计算吸附量，计算公式如下：

式中:Γ—静态吸附量,mg/g;

V—驱油剂溶液的体积,mL;

ρo—驱油剂的初始浓度,mg/L;

ρe—驱油剂的平衡浓度,mg/L;

m—吸附剂的质量,g;

1 000—单位换算因子。

非离子表面活性剂在油砂/水界面的吸附等温线如图2所示。

由图2可见，二元体系(聚合物相对分子质量1 900×104，质量浓度1 500 mg/L)表面活性剂的饱和吸附量随着活性剂质量分数增加而增大。当活性剂质量分数为0.3%时，吸附量只有2.8 mg/g，吸附量较低，表现出耐吸附特性。

图2 BS无碱二元体系静态吸附趋势线

Fig.2 Static adsorption trend line of BS-SP system

非离子表面活性剂的吸附表观上符合Langmuir单分子层吸附[11-12]。在吸附初始阶段，溶液中游离的表面活性剂单体分子与油砂外部裸露的正电荷发生静电吸引从而引起的吸附，在初始阶段表面活性剂的吸附并没有达到饱和状态。随着吸附量的不断增加，大量表面活性剂开始在固体表面形成“半胶束”聚集体，“半胶束”的形成会导致活性剂的吸附量不断增加，分子吸附从单层排列吸附状态逐渐过度到双层吸附状态；当溶液中活性剂吸附达到后期，油砂表面上的最佳吸附位被活性剂分子完全占据，活性剂分子开始排斥未被吸附的活性剂分子，从而表现出吸附、脱附的平衡状态。

静态吸附对油水界面张力的影响如图3所示。由图3实验结果可分析出，二元复合体系随着吸附次数的增加，油水界面张力依次上升，但上升的幅度较小，吸附1次后界面张力基本未受到影响。经多次吸附后，活性剂质量分数较小的二元复合体系受影响相对较大，但仍维持在10-2数量级内。活性剂质量分数为0.3%时，仍表现出超低界面张力。吸附前界面张力为0.003 9 mN/m，经过3次吸附后降为0.008 2 mN/m，仍维持在10-3数量级内。

图3 静态吸附对油水界面张力的影响

Fig.3 Static adsorption on the oil-water interfacial tension

2.2 二元复合体系动态特性

二元复合体系在地层中的渗流过程，考虑到吸附、扩展、剪切等作用对体系中各组分的影响，二元体系界面动态特性必与体系的初始界面张力存在较大的差异。本文通过1 m长填砂管模型(如图4所示)，每隔0.1 m进行监测点采出液性能取样检测。两种注入体系分别为聚合物质量浓度为1 500 mg/L、活性剂质量分数为0.3%的二元复合体系以及聚合物质量浓度为1 500 mg/L、活性剂质量分数为0.3%、NaOH质量分数为0.8%的三元复合体系。经数据分析、处理后，采出液界面张力值随注入量变化曲线如图5所示。

图4 实验装置示意图

Fig.4 Schematic diagram of the experimental apparatus

当采出液量达到0.6 PV时，出口处的采出液的界面张力略有回升，但保持较低的界面张力范围，均低于初始界面张力。这主要因为表面活性剂是小分子基团，优先进入聚合物无法进入的微小孔道，起始阶段的表面活性剂吸附滞留，导致吸附量较大；随着这种运移吸附不断的增加将导致活性剂的有效含量不断降低最终导致界面特性失效。由弱碱三元复合体系的动态界面张力检测结果可以看出，在模型近1/3处复合体系就已经迅速提升到10-1数量级，这是由于三元复合体系各组分本身的吸附量大，而同时较低的界面张力又依赖于体系中各组分的质量浓度。本文评价的二元复合体系在模型3/5处，界面张力依旧维持10-3数量级，后降为10-2数量级，表现出较长的有效运移距离。一方面是由于采用的活性剂本身的吸附量较少，而另一方面其复合体系在较低的活性剂用量情况下即可形成超低界面张力。

图5 静态油水界面张力随渗流距离变化

Fig.5 Static interfacial tension change with seepage

3 结论

(1) 二元复合体系在低活性剂质量浓度亦可形成超低界面张力。

(2) BS活性剂静态吸附量较小,一次吸附后界面张力未变化；经多次吸附后，活性剂质量分数0.3%时，仍表现出超低界面张力。

(3) 二元复合体系具有较长的有效运移距离，模型3/5处依旧维持10-3数量级，界面特性稳定。

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(编辑 闫玉玲)

Interfacial Characteristic of SP System with Adsorption Resistance and Low Interfacial Tension

Zhang Dong1, Kan Liang2, Wu Wenxiang1, Ren Jiawei1

(1.KeyLaboratoryofEnhancedOilRecovery,NortheastPetroleumUniversity,DaqingHeilongjiang163318,China; 2.CNOOCEnergyDevelopmentEngineeringBranch,Tianjin300452,China)

In order to explore the binary composite system interface characteristics of adsorption resistance and low tension, Texas-500 spinning drop interfacial tensiometer and core flow device were used to measure the initial interfacial tension and simulate dynamic interfacial tension.The effect of interfacial tension and adsorption capacity was confirmed through the static adsorption experiments. The results showed that the new E-compound system interfacial tension of 10-3orders of magnitude can also be formed when active dosage was as low as 0.05% and polymer concentration was up to 2 500 mg/L. Static adsorption proved that interfacial tension 10-3orders of magnitude can be maintained when amount of adsorption agent was little after first adsorption. Dynamic flow experiment results showed that even considering absorption and dilution, dynamic interfacial tension of the binary system can still maintain a 10-3orders of magnitude in 0.6 PV.

Ultra-low interfacial tension; Adsorption; Interfacial Properties; Migration distance

1006-396X(2015)04-0065-04

2015-05-15

2015-07-04

国家重大专项课题“油田开采后期提高采收率新技术”(2011ZX05009-004)。

张栋(1988-)，男，博士研究生，从事化学驱提高采收率研究；E-mail：zhangdong084@163.com。

TE357

A

10.3969/j.issn.1006-396X.2015.04.014