宋文玲，王玉星，王順，孔祥義（東北石油大學(xué)提高采收率教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，黑龍江大慶163318）

科研與開(kāi)發(fā)

甜菜堿表活劑性能評(píng)價(jià)*

宋文玲，王玉星，王順，孔祥義
（東北石油大學(xué)提高采收率教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，黑龍江大慶163318）

通過(guò)界面張力儀、TURBISCANLAB穩(wěn)定分析儀及微分干涉顯微鏡對(duì)甜菜堿表面活性劑及其聚表體系的穩(wěn)定性進(jìn)行研究。研究表明：原油乳狀液穩(wěn)定系數(shù)與聚合物濃度成反相關(guān)；多重光散射原理的基礎(chǔ)上應(yīng)用TURBISCANLAB穩(wěn)定分析儀從動(dòng)態(tài)上反映乳狀液顆粒從穩(wěn)定到失穩(wěn)的過(guò)程；結(jié)合微分干涉顯微及驅(qū)油實(shí)驗(yàn)提出了一種綜合評(píng)價(jià)乳狀液穩(wěn)定性的方法。

表面活性劑；乳狀液穩(wěn)定性；乳狀液粒徑

提高采收率是油田開(kāi)采的永恒話題,因而提高采收率方法的研究,目前備受國(guó)內(nèi)外[1,2]重視。如今化學(xué)驅(qū)法已經(jīng)成為提高原油采收率的一種十分重要的方式，特別是對(duì)我國(guó)大多數(shù)以注水為主要開(kāi)采方式的油田，適應(yīng)性很強(qiáng)，在三次采油提高采收率方面應(yīng)用非常普遍。在化學(xué)驅(qū)油技術(shù)中表面活性劑驅(qū)油是一類提高采收率效果好，使用范圍廣，具有發(fā)展?jié)摿Φ幕瘜W(xué)驅(qū)油技術(shù)[3]。表面活性劑應(yīng)用于驅(qū)油對(duì)大幅度提高采收率起到了很大的作用[4]。甜菜堿兩性表活劑在表面活性劑系列中有著很重要的地位，它具有良好的耐鹽性、耐溫性、配伍性、乳化性及較小吸附損失等性能，且由于其對(duì)金屬離子有螯合作用，其在高溫、高礦化度油層驅(qū)油方面應(yīng)用前景十分廣闊[5,6]。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 材料及儀器

實(shí)驗(yàn)用油為大慶原油，密度（20℃）0.8562g·cm-3，實(shí)驗(yàn)水樣為大慶一廠模擬地層水，密度為1.039g·cm-3，聚合物（相對(duì)分子質(zhì)量為1900萬(wàn)）飽和用水：模擬大慶原始地層水（礦化度6778mg·L-1）。

旋轉(zhuǎn)滴超低界面張力儀；紅外線快速干燥箱；電子分析天平；Turbiscan Lab穩(wěn)定分析儀；ULTRATURRAX T18digital分散機(jī)；奧林巴斯微分干涉顯微鏡IX73；大慶三類油層天然油砂填砂管模型；電子天平；磁力攪拌器；高壓恒壓恒速泵；真空泵；計(jì)量泵。

2 實(shí)驗(yàn)方案

2.1 界面張力測(cè)定

為研究不同濃度甜菜堿表面活性劑界面張力變化，用甜菜堿表面活性劑與大慶模擬地層水分別稀釋到總濃度為0.05%、0.15%、0.3%和0.4%，測(cè)得其與大慶一場(chǎng)原油界面張力變化情況。

2.2 乳狀液乳化性能實(shí)驗(yàn)

2.2.1 析水率及穩(wěn)定性實(shí)驗(yàn)使用濃度為0.3%的甜菜堿溶液分別與聚合物配制成聚合物濃度為0.3%、0.05%的聚表劑溶液。配制40mL油水比1∶1的溶液，使用ULTRA-TURRAX T18digital分散機(jī)將其打混。將打混好狀液倒入25mL試管中，密閉試管，在45℃恒溫箱中靜置24h，觀察并定時(shí)記錄其析水情況。將打混好的乳狀液裝入樣品瓶中，用Turbiscan Lab穩(wěn)定分析儀測(cè)量乳狀液的穩(wěn)定性。TURBISCAN LAB穩(wěn)定分析儀在45℃的恒溫條件下進(jìn)行測(cè)量，掃描頻率為1次·min-1，共計(jì)掃描120min。2.2.2驅(qū)油實(shí)驗(yàn)

方案1:為了便于比較，水驅(qū)至不出油以后，驅(qū)替水的段塞為1PV，注入0.3PV甜菜堿二元體系（聚合物：1680mg·L-1+甜菜堿：0.3%），后續(xù)水驅(qū)至含水98%以上，停止實(shí)驗(yàn)。

方案2:為了便于比較，水驅(qū)至不出油以后，驅(qū)替水的段塞為1PV，注入0.3PV甜菜堿二元體系（聚合物：1680mg·L-1+甜菜堿：0.05%），后續(xù)水驅(qū)至含水98%以上，停止實(shí)驗(yàn)。

3 結(jié)果與討論

3.1 甜菜堿表活劑濃度與動(dòng)態(tài)界面張力關(guān)系

圖1 界面張力隨時(shí)間變化曲線Fig.1 Variationof interfacial tension with time

如圖1所示，甜菜堿表面活性劑溶液濃度恒定時(shí)，跟隨測(cè)試時(shí)間的變化，界面張力先迅速下降又逐漸提升，最終逐漸穩(wěn)定；當(dāng)甜菜堿濃度為0.3%時(shí)，初期界面張力值明顯降低，后期界面張力值呈現(xiàn)不降反升的趨勢(shì)。這是由于表面活性劑分子互相碰撞，大部分烴鏈相互吸引形成親水基外露的分子聚集體。由于烴鏈及水的界面減少使得表面能降低故界面張力值先降低；又因?yàn)殡S著時(shí)間推移油溶性基團(tuán)被增溶或分布在有相中，降低了甜菜堿活性劑的表面濃度，故使得界面張力有上升趨勢(shì)。甜菜堿表面活性劑溶液濃度為0.3%時(shí)，油水界面張力值最低，說(shuō)明在此濃度下，界面活性最好，因此確定甜菜堿溶液濃度為0.3%時(shí)用作驅(qū)油評(píng)價(jià)使用濃度。

3.2 沉降析水率實(shí)驗(yàn)

圖2 析水率變化曲線Fig.2 Variation curve ofwater rate

式中V含水：原油乳狀液中含水（二元體系）的體積；V：原油乳狀液的體積。

析水率越高乳狀液穩(wěn)定性越差，從圖2可以看出，隨著時(shí)間推移，乳狀液開(kāi)始破乳，且開(kāi)始時(shí)速度較快后來(lái)逐漸開(kāi)始平穩(wěn)。隨著活性劑濃度增加開(kāi)始時(shí)破乳速度逐漸減小且最終析水率亦越小。濃度較大的聚表二元體系最終析水率最小，故0.3%的甜菜堿聚表體系穩(wěn)定性最好。

3.3 穩(wěn)定性分析實(shí)驗(yàn)

圖3 甜菜堿背散射光強(qiáng)曲線Fig.3 Intensity curves of betaine

圖4 0.3%甜菜堿聚合物背散射光強(qiáng)曲線Fig.4 Back scattering intensity curve of betaine polymer 0.3%

圖5 0.05%甜菜堿聚合物背散射光強(qiáng)曲線Fig.5 Back scattering intensity curve of betaine polymer 0.3%

表1 粒徑值Tab.1 Particle size

背散射光強(qiáng)度在掃描圖上左側(cè)增加，顆粒濃度在底部（沉淀層）增加。這就是沉淀過(guò)程；背散射光強(qiáng)度在掃描圖上右側(cè)增加即顆粒濃度在頂部（上浮層）增加，這就是上浮過(guò)程；絮凝會(huì)導(dǎo)致整個(gè)樣品高度的背散射光強(qiáng)度下降這時(shí)全瓶樣品顆粒粒徑增加。甜菜堿體系乳狀液隨著靜置時(shí)間延長(zhǎng)會(huì)發(fā)生分層現(xiàn)象，包括上浮、沉降、絮凝或聚并。絮凝時(shí),油分子和水分子相互聚集形成三維堆聚體，質(zhì)點(diǎn)間形成一層液膜，即兩相仍存在界面。經(jīng)過(guò)震蕩,絮凝的液滴又可以被分開(kāi)。分層和絮凝是液滴位置的變化過(guò)程。聚結(jié)時(shí),絮凝的液珠之間的液膜破裂,最終多個(gè)液珠合并成單個(gè)液滴,使乳狀液變成單純的油相和水相[7-9]，聚結(jié)是一個(gè)不可以逆向進(jìn)行的過(guò)程。從圖5中可以得到乳狀液液珠的變化過(guò)程。背散射光強(qiáng)值圖中峰厚值與粒子遷移速度呈一階導(dǎo)數(shù)關(guān)系，由背散射光強(qiáng)圖可以求得粒子遷移速率，之后通過(guò)STOCKES-EINSTEIN定律，可以計(jì)算出液滴的平均粒徑[10]。計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表1。

乳狀液液滴平均粒徑越小越穩(wěn)定，從表1可知，甜菜堿聚表體系濃度為0.3%時(shí)制的乳狀液穩(wěn)定性最好。

3.4 微分干涉顯微鏡實(shí)驗(yàn)

圖6 甜菜堿體系粒徑成像圖Fig.6 Image of particle size of betaine system

聚合物的加入使得表活劑溶液濃度增加，隨著聚合物濃度增加，乳狀液越穩(wěn)定。產(chǎn)生這種現(xiàn)象原因是根據(jù)斯托克斯公式液滴運(yùn)動(dòng)速度v可表示為：可見(jiàn)液滴布朗運(yùn)動(dòng)與分散介質(zhì)粘度呈正相關(guān)關(guān)系，當(dāng)布朗運(yùn)動(dòng)隨介質(zhì)粘度增大時(shí)就減少了液滴之間相互碰撞的概率有利于乳狀液的穩(wěn)定。原因：液滴布朗運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度隨著分散度增高（此時(shí)液滴變小），能與重力達(dá)到力相互平衡而不下沉，此時(shí)乳狀液越穩(wěn)定。從圖中可以看出濃度為0.3%甜菜堿二元體系乳狀液顆粒歷經(jīng)最小且分布均勻程度最好且原油乳狀液穩(wěn)定系數(shù)與聚合物濃度成反相關(guān)。

3.5 驅(qū)油實(shí)驗(yàn)

表2 不同型號(hào)的甜菜堿二元體系在濃度為0.3%驅(qū)油效果Tab.2 Effectof different types of betaine two system in the concentration of oil displacementof 0.3%

從驅(qū)油實(shí)驗(yàn)結(jié)果看，濃度為0.3%聚表體系驅(qū)油效果最好，驅(qū)油采收率提升了16%。甜菜堿體系隨著聚合物濃度升高，驅(qū)油效果變好，這與上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果相呼應(yīng)，表明結(jié)果的可靠性。

4 結(jié)論

（1）甜菜堿在濃度為0.1%～0.3%范圍內(nèi)都可以達(dá)到超低界面張力，通過(guò)乳化性能分析得出最佳濃度甜菜堿聚表體系。

（2）Turbiscan Lab穩(wěn)定分析儀可以從動(dòng)態(tài)上反映乳狀液顆粒從穩(wěn)定到失穩(wěn)的過(guò)程。乳狀液分散度越大，粒徑越小，乳狀液越穩(wěn)定。

（3）提出了以界面張力為基礎(chǔ)分析析水率、乳狀液穩(wěn)定分析結(jié)合顯微成像及驅(qū)油實(shí)驗(yàn)評(píng)價(jià)乳狀液穩(wěn)定性的新方法。

［1］韓顯卿.提高采收率原理［M］.北京：石油工業(yè)出版社，1996．

［2］閆義田，王克亮，王娟，潘志勇.復(fù)配表面活性劑對(duì)三元復(fù)合體系界面張力影響研究［J］.石油與天然氣化工，2006，（3）:224 -225+228+166-167.

［3］何艷青，張煥芝.CO2提高石油采收率技術(shù)的應(yīng)用與發(fā)展［J］.石油科技論壇，2008，（3）：24-26．

［4］應(yīng)丹丹.甜菜堿型表面活性劑驅(qū)油體系的研究［D］.西安：西安石油大學(xué)2012.8-9.

［5］隋智慧，曲景奎，盧壽慈，等.耐鹽表面活性劑驅(qū)油體系的研究［J］.精細(xì)石油化工進(jìn)展,2002,3（3）:35-38．

［6］Miiller H,MeeranPillaiN S,Al-Hajji A A,et al.Molecular Outlook ofWater-in-OilEmulsions from Two Saudi Arabian Oil Fields［J］. SaudiAramco Journalof Technology,2011．

［7］WangX.Crudeoilemulsionstabilitydeterminationand itsimplications in enhanced oil recovery［M］.UniversityofWyoming,2010.

［8］李奇.陰非離子表面活性劑油水界面性質(zhì)研究［D］.成都：西南石油大學(xué)，2014.

［9］張文玲,徐冬梅,韓曉強(qiáng),等.建立一種檢測(cè)乳狀液油滴粒徑的方法［J］.新疆石油科技,2007,（3）:46-51.

Performance evaluation of betaine surfactant*

SONGWen-ling,WANG Yu-xing,WANG Shun,KONG Xiang-yi
（1.Key Laboratory of Enhanced Oil Recovery,Ministry of Education,Northeast Petroleum University，Daqing 163318,China）

In this paper,the stability of betaine surfactant and its polymerization system were studied by means of interfacial tensionmeter,TURBISCANLAB stability analyzer and differential interferencemicroscope.The research shows that the crude oil emulsion stability coefficient and polymer concentration is inversely related;multiple scattering based on the principle of application of TURBISCANLAB analyzer reflect the failure process of stability from stable to emulsion particles from dynamic;combined with differential interference microscope and oil displacementexperimentand puts forward themethod of emulsion stability of a comprehensive evaluation.

surfactant;emulsion stability；emulsion particle size

TE357

A

10.16247/j.cnki.23-1171/tq.20170701

2017-03-21

國(guó)家自然科學(xué)基金（51374073）

宋文玲（1963-），女，碩士，教授，研究生導(dǎo)師，從事提高原油采收率研究。

王玉星（1992-），男，碩士研究生，從事提高原油采收率方面研究。