張和悅，高清河*，王 鑒，黃 金，張 麗，李麗敏

(1.東北石油大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院，大慶 163318；2.大慶師范學(xué)院，黑龍江省油田應(yīng)用化學(xué)與技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，大慶 163712)

目前，化學(xué)復(fù)合驅(qū)油技術(shù)已被認(rèn)為是一種既具有經(jīng)濟(jì)效益又能大幅度提高采收率的技術(shù)，已經(jīng)在大部分油田推廣應(yīng)用，積累了豐富的礦場(chǎng)試驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)[1-3]。強(qiáng)堿三元復(fù)合驅(qū)在油田開(kāi)發(fā)過(guò)程中暴露了諸多問(wèn)題，如機(jī)采井結(jié)垢、卡泵現(xiàn)象，導(dǎo)致檢泵周期大幅降低，影響生產(chǎn)時(shí)效等[4]。在石油人員科研技術(shù)的不斷提高，堅(jiān)持不懈的努力下，開(kāi)發(fā)出了碳酸鈉-表面活性劑-聚合物復(fù)合驅(qū)體系(表面活性劑為石油磺酸鹽)，該體系憑借其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，成為更具發(fā)展前景的驅(qū)油技術(shù)，但這種技術(shù)仍存在乳化功效、作用機(jī)理等問(wèn)題[5]。魏云云等[6]認(rèn)為弱堿三元復(fù)合驅(qū)[ASP，堿劑(A)、表面活性劑(S)、聚合物(P)]的壓力增大幅度、含水率下降幅度、最終采收率的增大幅度均高于聚表二元驅(qū)采收率，堿的加入提高采收率幅度近5%，有效提高采收率。姜麗麗[7]認(rèn)為弱堿三元復(fù)合體系中的表面活性劑會(huì)與原油發(fā)生乳化作用，生成油水乳狀液。而乳狀液在巖芯多孔介質(zhì)中運(yùn)移所產(chǎn)生的“賈敏效應(yīng)”將導(dǎo)致滲流阻力增加，從而提高注入壓力，使擴(kuò)大波及體積效果提升。康萬(wàn)利等[8]認(rèn)為模擬原油乳狀液的穩(wěn)定作用主要是通過(guò)堿、表面活性劑降低油水界面張力并增加油水界面膜強(qiáng)度，聚合物通過(guò)提高界面膜強(qiáng)度實(shí)現(xiàn)的，三者存在協(xié)同效應(yīng)。王克亮等[9]認(rèn)為堿和表面活性劑的協(xié)同作用效果越好，乳狀液穩(wěn)定性增強(qiáng)，協(xié)同作用下堿對(duì)乳狀液穩(wěn)定性的貢獻(xiàn)高于單獨(dú)作用的貢獻(xiàn)。夏惠芬等[10]研究發(fā)現(xiàn)，弱堿三元復(fù)合驅(qū)對(duì)簇狀油和柱狀剩余油的驅(qū)替有較好的驅(qū)替效果，對(duì)簇狀油有明顯的增黏作用、大幅降低油水的界面張力，進(jìn)一步提高采收率。

針對(duì)碳酸鈉三元復(fù)合驅(qū)的驅(qū)油組分進(jìn)行研究，分析碳酸鈉、石油磺酸鹽、聚合物的濃度對(duì)油水乳狀液穩(wěn)定性的影響，并利用光學(xué)儀器、瓶試法、含油量測(cè)定及含水量測(cè)定對(duì)穩(wěn)定性進(jìn)行表征，為分析油水乳化規(guī)律提供借鑒。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)儀器與試劑

(1)儀器：T25DS25型實(shí)驗(yàn)室高速剪切分散乳化機(jī)，艾卡儀器設(shè)備有限公司；Turbiscan穩(wěn)定性分析儀，北京朗迪森科技有限公司。

(2)試劑：部分水解聚丙烯酰胺，相對(duì)分子質(zhì)量為1 9×106，有效含量為90%，大慶煉化公司生產(chǎn)；石油磺酸鹽，有效含量為40%，大慶煉化公司；Na2CO3，分析純，天津市科密歐化學(xué)試劑有限公司；脫水原油、污水均取自大慶油田三元驅(qū)區(qū)塊。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 乳狀液的制備

使用一定量的部分水解聚丙烯酰胺(分子量為19×106)及三元驅(qū)區(qū)塊注入污水(抽濾后)配制成5 000 mg/L聚合物溶液，與石油磺酸鹽，Na2CO3混合，配制成不同因素的弱堿三元液，在45 ℃條件下將脫水原油與三元液按照油水體積比為1∶1比例進(jìn)行混合，置于45 ℃恒溫水浴鍋中恒溫30 min，使用T25DS25型高速剪切分散乳化機(jī)在11 000 r/min條件下均化1 min制備模擬乳狀液備用。

1.2.2 穩(wěn)定性評(píng)價(jià)指標(biāo)

(1)背散射光強(qiáng)平均值。油水乳狀液屬于不透明體系，利用Turbiscan穩(wěn)定性分析儀掃描的背散射光強(qiáng)度BS為指標(biāo)。掃描曲線給出了不同掃描時(shí)間透射光和反射光隨樣品高度的變化關(guān)系。通過(guò)穩(wěn)定性分析儀探測(cè)器從下至上對(duì)樣品瓶進(jìn)行掃描，40 μm掃描一次，得到透射光和背散射光的光強(qiáng)值數(shù)據(jù)，將不同高度時(shí)掃描的光強(qiáng)值加和除以總掃描次數(shù)得到光強(qiáng)平均值，即BS%，BS%反映其乳狀液的穩(wěn)定性，放大了樣品在測(cè)定時(shí)間內(nèi)微觀特征變化。BS%值越小，乳化效果越好，乳狀液越穩(wěn)定；反之，乳狀液則不穩(wěn)定[11-12]。

(2)粒徑分析。Turbiscan穩(wěn)定性分析儀參數(shù)設(shè)置為1分鐘掃描一次，掃描1 h共61次，掃描結(jié)束后通過(guò)穩(wěn)定性分析儀相關(guān)軟件計(jì)算掃描后的原始數(shù)據(jù)得到粒徑值。粒徑越小，乳狀液越穩(wěn)定[11]。

(3)油相含水率和水相含油量。將乳狀液倒入精密刻度靜沉瓶中置于45 ℃水浴鍋中恒溫靜置1 h。1 h后取上層油相中間部分按照《原油水含量的測(cè)定蒸餾法》(GB/T 8929—2006)檢測(cè)油相含水率，取下層水相中間部分按照《油田采出水中含油量測(cè)定方法-分光光度法》(SY/T 0530—2011)檢測(cè)水相含油量。綜合背散射光強(qiáng)平均值、液滴平均粒徑、油相含水率及水相含油量進(jìn)行對(duì)比分析聚合物濃度、石油磺酸鹽濃度、Na2CO3濃度對(duì)三元復(fù)合驅(qū)模擬乳狀液穩(wěn)定性的影響。

2 結(jié)果與討論

2.1 聚合物濃度對(duì)乳化特性的影響

將5 000 mg/L聚合物溶液稀釋成濃度為100、200、400、600、800、1 000 mg/L的聚合物溶液，與石油磺酸鹽(濃度為0.3%)、碳酸鈉(濃度為1.2%)混合制備乳狀液，倒入專(zhuān)用測(cè)量瓶中放入穩(wěn)定性分析儀進(jìn)行分析，結(jié)果如圖1、圖2所示。

如圖1所示，掃描時(shí)間小于10 min時(shí)，背散射光強(qiáng)平均值隨著聚合物濃度的增加而增大，乳狀液越來(lái)越不穩(wěn)定，掃描時(shí)間為5 min時(shí)，各個(gè)聚合物濃度的乳化體系的背散射光強(qiáng)平均值均有不同程度的下降，10 min時(shí)的聚合物濃度為800 mg/L和1 000 mg/L的乳狀液的背散射光強(qiáng)平均值大幅度降低，在掃描時(shí)間為30～60 min時(shí)乳狀液基本達(dá)到穩(wěn)定。聚合物濃度為600 mg/L乳狀液的光強(qiáng)平均值高于其他濃度的光強(qiáng)平均值，乳狀液破乳脫水效果較其他乳狀液明顯。如圖2所示，液滴的粒徑會(huì)隨著聚合物濃度的升高而減小，聚合物濃度為100 mg/L時(shí)，液滴的平均粒徑為60.47 μm，聚合物濃度增加至1 000 mg/L時(shí)，液滴的平均粒徑大幅度降至28.94 μm。原因可能是聚合物中的大分子鏈導(dǎo)致水相黏度及界面的黏度增大，油滴上浮的阻力增強(qiáng)，且乳狀液滴的粒徑變小，分布較均勻，液滴不易聚并[13-14]，因此乳狀液的穩(wěn)定性增強(qiáng)。

圖2 不同聚合物濃度三元乳化體系的粒徑變化曲線Fig.2 Curve of particle size changing with polymer concentration

如表1所示，弱堿三元乳化體系恒溫靜沉1 h后水相含油量和油相含水率均逐漸增加，水相含油量在濃度為800 mg/L時(shí)出現(xiàn)拐點(diǎn)，油相含水率在400 mg/L時(shí)出現(xiàn)拐點(diǎn)。聚合物濃度由100 mg/L升高到600 mg/L時(shí)，水相含油量由89.9 mg/L升高到505.6 mg/L，變化比較平穩(wěn)，聚合物濃度由100 mg/L升高到600 mg/L時(shí)，油相含水率由2.29%升高到5.44%，增幅無(wú)明顯變化，說(shuō)明當(dāng)濃度為1 000 mg/L時(shí)對(duì)水相含油量影響最大，濃度為200 mg/L時(shí)對(duì)油相含水率影響最大。

表1 不同聚合物濃度三元乳化體系油相和水相檢測(cè)結(jié)果Table 1 Testing results of oil and water phases of ternary emulsion system with different polymer concentrations

2.2 石油磺酸鹽濃度對(duì)乳化特性的影響

將5 000 mg/L聚合物稀溶液釋成濃度至1 000 mg/L的聚合物溶液，與碳酸鈉(濃度為1.2%)溶液、石油磺酸鹽(0.01%、0.03%、0.05%、0.1%、0.2%)溶液混合制備乳狀液，倒入專(zhuān)用測(cè)量瓶中放入穩(wěn)定性分析儀進(jìn)行分析，結(jié)果如圖3、圖4所示。

如圖3所示，掃描時(shí)間一定時(shí)，背散射光強(qiáng)平均值隨著石油磺酸鹽濃度的增加而降低，促進(jìn)了乳狀液的乳化，乳狀液越來(lái)越穩(wěn)定。掃描時(shí)間為5 min時(shí)，石油磺酸鹽濃度為0.01%時(shí)的背散射光強(qiáng)平均值下降幅度最大，此時(shí)乳狀液發(fā)生破乳。隨著掃描時(shí)間的延長(zhǎng)，各個(gè)體系的乳狀液的趨于穩(wěn)定狀態(tài)，20 min后，背散射光強(qiáng)平均值無(wú)明顯變化，此時(shí)乳狀液基本穩(wěn)定。如圖4所示，隨著石油磺酸鹽濃度的升高，液滴的平均粒徑降低，低于0.05%時(shí)，背散射光光強(qiáng)平均值隨表面活性劑濃度增加而增加，石油磺酸鹽濃度越高，液滴的平均粒徑越小，此時(shí)，石油磺酸鹽濃度由0.03%升高至0.3%時(shí)，液滴的平均粒徑降幅穩(wěn)定，無(wú)明顯變化，而石油磺酸鹽濃度0.01%時(shí)，液滴的平均粒徑為104.76 μm，濃度增加至0.03%時(shí)，液滴的平均粒徑大幅度降至54.09 μm。

圖3 不同表面活性劑濃度三元乳化體系隨掃描時(shí)間變化的背散射光強(qiáng)平均值變化曲線Fig.3 Average variation curve of backscattered light intensity of ternary emulsification system with different surfactant concentrations with scanning time

圖4 粒徑隨石油磺酸鹽濃度變化曲線Fig.4 The variation curve of particle size with petroleum sulfonate concentration

如表2所示，弱堿三元乳化體系恒溫靜沉1 h后水相含油量和油相含水率均逐漸增加，水相含油量在濃度為0.2%時(shí)增幅最大，油相含水率在0.05%時(shí)出現(xiàn)拐點(diǎn)。石油磺酸鹽濃度由0.01%升高到0.1%時(shí)，水相含油量由109.342 mg/L升高1 477.29 mg/L，處于平穩(wěn)上升狀態(tài)，石油磺酸鹽濃度由0.05%升高到0.2%時(shí)，油相含水率由6.71%升高到9.18%，增幅無(wú)明顯變化，說(shuō)明當(dāng)濃度為0.2%時(shí)對(duì)水相含油量影響最大，濃度為0.05%時(shí)對(duì)油相含水率影響最大。

表2 不同石油磺酸鹽濃度三元乳化體系油相和水相檢測(cè)結(jié)果Table 2 Testing results of oil phase and water phase of ternary emulsion system with different concentrations of petroleum sulfonate

2.3 碳酸鈉濃度對(duì)乳化特性的影響

將5 000 mg/L聚合物溶液稀釋至濃度為1 000 mg/L的聚合物溶液，與石油磺酸鹽溶液(濃度為0.3%)、Na2CO3溶液(0.1%、0.2%、0.4%、0.6%、0.8%)混合制備乳狀液，倒入專(zhuān)用測(cè)量瓶中放入穩(wěn)定性分析儀進(jìn)行分析，結(jié)果如圖5、圖6所示。

圖5 不同Na2CO3濃度三元乳化體系隨掃描時(shí)間變化的背散射光強(qiáng)平均值變化曲線Fig.5 Average backscattered light intensity of different Na2CO3 concentrations varying with scanning time

如圖5所示，掃描時(shí)間小于5 min時(shí)，背散射光強(qiáng)平均值隨著石油磺酸鹽濃度的增加而降低，促進(jìn)了乳狀液的乳化，乳狀液越來(lái)越穩(wěn)定。掃描時(shí)間為10 min時(shí)，Na2CO3濃度為0.6%時(shí)的背散射光強(qiáng)平均值最大，該乳化體系相對(duì)于其他體系最不穩(wěn)定掃描時(shí)間為20 min時(shí)，背散射光強(qiáng)平均值均降低，隨著掃描時(shí)間的延長(zhǎng)，背散射光強(qiáng)平均值無(wú)明顯變化，乳狀液達(dá)到相對(duì)穩(wěn)定狀態(tài)，不再發(fā)生破乳。如圖6所示，隨著碳酸鈉濃度的升高，液滴的粒徑逐漸減小，乳化液滴聚并困難，乳狀液較穩(wěn)定。當(dāng)碳酸鈉濃度高于0.2%時(shí)，乳狀液的離子濃度增加，壓縮了油水界面間的雙電層，導(dǎo)致液滴間的排斥力降低，因此液滴的聚集作用和聚并作用升高[13]，碳酸鈉濃度由0.4%增大到0.6%時(shí)平均粒徑變化最大。因?yàn)樘妓徕c會(huì)與油中的有機(jī)酸等物質(zhì)反應(yīng)生成具有表面活性的物質(zhì)，降低了油水間界面張力，導(dǎo)致體系的穩(wěn)定性增加[6]。

圖6 粒徑隨Na2CO3濃度變化曲線Fig.6 Variation curve of particle size with Na2CO3 concentration

如表3所示，弱堿三元乳化體系恒溫靜沉1 h后水相含油量和油相含水率均逐漸增加，水相含油量在濃度為0.8%時(shí)增幅最大，相對(duì)于其他濃度，在濃度為0.6%時(shí)的油相含水率增幅最大。碳酸鈉濃度由0.1%升高到0.6%時(shí)，水相含油量由116.10 mg/L升高到177.60 mg/L，處于平穩(wěn)上升狀態(tài)，對(duì)于油相含水率，碳酸鈉濃度由0.1%升高到0.8%時(shí)，由1.13%升高到4.13%，其中濃度為0.6%時(shí)，油相含水率出現(xiàn)拐點(diǎn)，說(shuō)明當(dāng)濃度為0.6%時(shí)對(duì)油相含水率影響最大，此時(shí)濃度為0.8%時(shí)對(duì)油相含水率影響最大。綜合可知碳酸鈉濃度為0.6%時(shí)，乳狀液的穩(wěn)定性相對(duì)較大。

表3 不同Na2CO3濃度三元乳化體系油相和水相檢測(cè)結(jié)果Table 3 Testing results of oil and water phases of ternary composite emulsion system with different concentrations of Na2CO3

2.4 基于正交試驗(yàn)分析不同參數(shù)對(duì)乳化特性的影響

根據(jù)單因素實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，聚合物濃度、石油磺酸鹽濃度和碳酸鈉濃度均對(duì)弱堿三元復(fù)合驅(qū)體系的乳化特性均有影響，因此可選擇聚合物濃度、石油磺酸鹽濃度和碳酸鈉濃度共3個(gè)因素并選擇3個(gè)水平設(shè)計(jì)正交試驗(yàn)，根據(jù)正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果及正交分析結(jié)果研究各因素的影響程度，結(jié)果如表4～表7所示。

表4 三元乳化體系正交試驗(yàn)的因素水平Table 4 Factor level of orthogonal test of ternary emulsion system

表5 弱堿三元體系正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果Table 5 Orthogonal experimental results of weak-base ternary system

表6 以水相含油量為指標(biāo)的正交分析結(jié)果Table 6 Orthogonal analysis results with oil content in water phase as index

表7 以油中含水率為指標(biāo)的正交分析結(jié)果Table 7 Orthogonal analysis results with water content in oil as the index

如表6、表7所示，在研究范圍內(nèi)，聚合物濃度對(duì)乳化體系水相含油量、油相含水率的影響均為最大，石油磺酸鹽濃度對(duì)乳化體系水相含油量、油相含水率影響均為最小。分析認(rèn)為產(chǎn)生此現(xiàn)象的原因是聚合物濃度的升高，會(huì)使體系的界面剪切黏度增加，界面膜的剛性強(qiáng)度增加，界面膜排液就會(huì)受到干擾，油滴聚并困難導(dǎo)致油滴聚并速率降低，因此乳狀液穩(wěn)定性增加[14]。而石油磺酸鹽主要降低油水間的界面張力，使殘余油變?yōu)榱鲃?dòng)油，有利于原油的采出。

3 結(jié)論

(1)對(duì)于弱堿三元復(fù)合體系，加入聚合物的濃度越高，乳狀液越穩(wěn)定，綜合對(duì)比背散射光強(qiáng)平均值、粒徑、水相含油量及油相含水率，得出聚合物濃度在800 mg/L時(shí)，乳狀液的穩(wěn)定性最強(qiáng)，原因可能是聚合物含有大分子鏈，增加了水相黏度，油滴上浮的阻力增強(qiáng)，同時(shí)隨著聚合物濃度的增加粒徑變小，液滴不易聚并，因此乳狀液的穩(wěn)定性增強(qiáng)。

(2)當(dāng)石油磺酸鹽濃度為0.2%時(shí)，相較于其他濃度石油磺酸鹽的弱堿三元乳狀液更穩(wěn)定，石油磺酸鹽具有兩親結(jié)構(gòu)分子，并且吸附在乳化液滴上，形成排列緊密、穩(wěn)定性好的界面膜，隨著濃度的增加，液滴聚并的阻力增大，難以聚并導(dǎo)致乳化嚴(yán)重，不易破乳。

(3)基于正交試驗(yàn)分析得出，聚合物濃度對(duì)乳狀液穩(wěn)定性的影響最大，其次是碳酸鈉濃度，影響相對(duì)較小的是石油磺酸鹽濃度。說(shuō)明聚合物通過(guò)增大乳狀液中水相黏度使乳化程度增大，油珠粒徑減小，油珠之間的聚集和聚并阻力加大，增大了乳狀液的穩(wěn)定性。