堿、聚合物對表面活性劑吸附影響分析

梅浩林，湯 軍

（長江大學 地球科學學院， 湖北 荊州 434000）

堿、聚合物對表面活性劑吸附影響分析

梅浩林，湯 軍

（長江大學 地球科學學院， 湖北 荊州 434000）

油藏對表面活性劑的吸附作用，是砂巖表面化學物質(zhì)與表面活性劑間相互作用的結(jié)果。ASP復配體系溶液中，堿對表活劑的吸附影響較大，在表活劑溶液中加入堿后，砂巖對表活劑的吸附量下降，且吸附量下降幅度與堿濃度成正比。實驗結(jié)果表明，堿可以使粘土礦物對陰離子表面活性劑吸附量降低70%～80%，而油藏砂巖對表活劑吸附量可降低10%～40%。聚合物對表活劑的吸附影響較小，數(shù)值模擬結(jié)果表明吸附量降低15%～30%。這是由于聚合物在表活劑溶液中水解后，部分分子團帶有負電荷，這就抑制了砂巖對表活劑的吸附作用；另外，加入聚合物后，復配體系溶液變稠，使得溶液擴散速率降低，減小波及體積，進而削弱表活劑吸附效果。

表面活性劑；堿；聚合物；吸附；吸附等溫線

三元復合驅(qū)ASP是上個世紀80年代逐漸發(fā)展并應用到油田的三次采油新技術，ASP的作用機理是利用表面活性劑和堿之間的協(xié)同作用，使復合體系溶液與原油形成超低界面張力[1]。堿(alkali)能夠降低油藏對表面活性劑和聚合物的吸附損耗作用；聚合物(polymer)可以控制復配體系溶液的流度，減小體系溶液指進以及擴大波及體積[2]。經(jīng)過十多年的科研技術攻關和現(xiàn)場試驗，我國三元復合驅(qū)技術已處于世界領先水平。大慶油田多個區(qū)塊已經(jīng)應用ASP投產(chǎn)，并取得增產(chǎn)效果。室內(nèi)試驗和礦場研究表明：ASP采收率相對于水驅(qū)(含水達到98%)能夠提高20%以上，展現(xiàn)了ASP技術廣闊的應用前景[3,4]。

影響表面活性劑在巖石礦物上吸附損耗的主要因素有[5]：表面活性劑分子的性質(zhì)；巖芯物性，巖石表面粘土覆蓋程度；表面活性劑溶液pH值、堿、聚合物濃度、離子強度大小以及水相性質(zhì)[6,7]。

1 表活劑在油藏中吸附機理

油藏砂巖對表面活性劑的吸附作用，是砂巖表面帶正電荷化學物質(zhì)與帶負電荷表面活性劑間相互作用的結(jié)果，對表活劑吸附程度取決于砂巖表面化學物質(zhì)的性質(zhì)[8]。

砂巖表面從復配體系溶液中吸附表面活性劑分子的綜合作用力，標準吸附自由能為，由Setrn層吸附導出的Stern- Grahame方程[9]：

式中：Γδ—引起吸附表面活性劑的stern層內(nèi)吸附的表活劑離子密度，mol/cm3；

R—吸附的表面活性劑有效半徑，cm；

C—表面活性劑離子在體相中的濃度，mol/mL。

砂巖從復配體系中吸附表活劑時，很多作用力單獨或共同對表活劑起吸附作用。這些作用力主要包括：靜電引力、共價鍵、表面活性劑和界面分子間氫鍵或非極性鍵、吸附分子間的范德瓦爾力或空間作用力以及吸附質(zhì)和吸附劑分子的溶劑化或去溶劑化作用力[10]。

式中：ΔG0elec—靜電相互作用自由能；

ΔG0cov—共價鍵自由能；

ΔG0c-c—吸附表面活性劑分子碳鏈側(cè)向相互作用自由能；

ΔG0c-s—表活劑分子碳鏈同固體表活劑親油部分間非極性相互作用自由能；

ΔG0h—氫鍵自由能；

ΔG0solv—吸附質(zhì)或任何從表面相溶液中溶解的自由能。

2 表活劑在油藏中吸附模型

ASP中表活劑在砂巖礦物表面上的吸附等溫線類型，主要分為Langmuir型、S型、H型和C型。表活劑在砂巖表面上的吸附模型，是建立在熱力學平衡理論上的，其中應用最為廣泛的Langmuir吸附模型，是假設砂巖表面均勻，固液兩相，極限吸附情況下形成單層飽和吸附推導得出的[11]。

式中：Γ-吸附量，mg/g；

C-表面活性劑濃度，mol/mL；

N0-阿佛加德羅常數(shù)；

σ-吸附分子截面積cm2；

Asp-吸附劑表面積cm2；

k-熱力學常數(shù)J·K-1；

C2-體相中溶劑濃度，mol/mL。

由于Langmuir模型形式簡單，基本假設較為理想，因此應用較為廣泛，常用于稀溶液中的吸附。但實際情況復雜，影響因素也較多，導致實驗結(jié)果與理論相差較大。在使用數(shù)值模擬軟件對化學驅(qū)進行模擬時，一般采用Langmuir吸附等溫線模型來描述砂巖礦物表面對表活劑的吸附滯留作用。

3 堿對表活劑吸附影響

三元復合驅(qū)投產(chǎn)以來，很多研究人員在堿性條件下，對表活劑的吸附情況進行室內(nèi)試驗測定，實驗結(jié)果表明[12]，堿可以使粘土礦物對陰離子表面活性劑吸附量降低70%～80%，而油藏砂巖對表活劑吸附量可降低20%～40%。

在保持表活劑和聚合物濃度不變的情況下，改變Na2CO3濃度，并測定表面活性劑石油磺酸鹽溶液在砂巖中的吸附等溫線。其中Na2CO3濃度為0.0%、0.6%、0.8%、1.0%(wt)，表活劑的吸附等溫線如圖1所示。

圖1 不同Na2CO3濃度下表活劑吸附等溫線Fig.1 Adsorption isotherms of surfactant at different Na2CO3concentrations

根據(jù)室內(nèi)試驗測定的表活劑吸附數(shù)據(jù)可知，在表活劑溶液中加入Na2CO3后，砂巖對表活劑的吸附量下降，且加入Na2CO3溶液的濃度越大，吸附量下降越大，但下降的幅度并不與Na2CO3溶液濃度成正比，當Na2CO3溶液濃度為0.8%(wt)時，吸附量下降幅度最大，此時實驗效果最好。根據(jù)圖1中測定的表活劑吸附等溫線，建立9注16采數(shù)值模型，模擬不同Na2CO3濃度下砂巖對表活劑的吸附量，數(shù)值模擬結(jié)果如圖2所示。

圖2 不同Na2CO3濃度下表活劑吸附量Fig.2 Adsorption of surfactant at different Na2CO3concentrations

從圖2(a)-圖2(d)可以看出，后置段塞結(jié)束后，Na2CO3濃度為 0.0%(wt)時，砂巖對表活劑的吸附量較大，最大吸附量達到1 143×10-6，且砂巖的吸附面積較大，已經(jīng)波及到生產(chǎn)井；隨著Na2CO3濃度不斷增大，砂巖對表活劑的吸附量逐漸減少，且吸附面積也在逐漸減小；當Na2CO3濃度為1.0%時，砂巖對表活劑吸附作用最小，其最大吸附量 622×10-6，較 Na2CO3濃度為 0.0%時的吸附量降低45.58%。

4 聚合物對表活劑吸附影響

在保持表活劑和Na2CO3濃度不變的情況下，改變聚合物濃度，并測定表面活性劑石油磺酸鹽溶液在砂巖中的吸附等溫線。其中聚合物濃度分別為0、1 000、1 200、1 400 mg/L，表活劑的吸附等溫線如圖3所示。

圖3 不同聚合物濃濃度下表活劑吸附等溫線Fig.3 Adsorption isotherms of surfactant at different polymer concentrations

從圖3中可以看出，表面活性劑溶液中加入聚合物后，砂巖對表活劑的吸附量降低，且隨著聚合物溶液濃度的不斷增大，吸附量不斷降低，但降低的幅度較小，相比于堿的作用，聚合物對表活劑的吸附影響作用顯得稍微弱些。這是由于，聚合物在表活劑溶液中水解后[13]，部分分子團帶有負電荷，這就抑制了砂巖對表活劑的吸附作用；另外，加入聚合物后，復配體系溶液變稠，使得溶液擴散速率降低，減小波及體積，進而削弱表活劑吸附效果。

根據(jù)圖3中測定的表活劑吸附等溫線，建立9注16采數(shù)值模型，模擬不同聚合物濃度下砂巖對表活劑的吸附量，數(shù)值模擬結(jié)果如圖4所示。

從圖4可以看出，后置段塞結(jié)束后，改變聚合物溶液濃度對表活劑的吸附作用影響較小。當聚合物濃度為0 mg/L時，砂巖對表活劑的吸附量為798 ×10-6；聚合物濃度為1 000 mg/L時，砂巖對表活劑的吸附量為 681×10-6，較聚合物濃度為 0 mg/L時吸附量下降14.66%；聚合物濃度為1 200 mg/L時，砂巖對表活劑的吸附量為 623×10-6，吸附量下降21.93%；聚合物濃度為1400 mg/L時，砂巖對表活劑的吸附量為574×10-6，吸附量下降28.07%。

圖4 不同聚合物濃度表活劑吸附量Fig.4 Adsorption of surfactant at different polymer concentrations

5 結(jié) 論

（1）表活劑溶液中加入Na2CO3后，砂巖對表活劑的吸附量下降，且Na2CO3溶液濃度越大，吸附量下降越大；

（2）室內(nèi)試驗堿可以使油藏砂巖對表活劑吸附量可降低 20%～40%，數(shù)值模擬結(jié)果吸附量降低30%～46%；

（3）聚合物對表活劑的吸附作用影響較小，數(shù)值模擬結(jié)果吸附量降低15%～30%。

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Influence of Alkali and Polymer on Adsorption of Surfactant

MEI Hao-lin，TANG Jun
（Yangtze University, Earth Sciences Institute, Hubei Jingzhou 434000，China）

The adsorption of surfactant on oil reservoir, is the interaction between surfactant and chemical substances on sandstone surface. In ASP compound system solution, effect of alkali on the adsorption of surfactant is great, after adding alkali, adsorbed surface active agent on sandstone surface decreases, and the adsorption capacity decline range is proportional to the concentration of alkali. The experimental results show that alkali addition can make the clay minerals' adsorption capacity for anionic surface active agent reduce by 70% to 80%, and sandstone reservoirs' adsorption capacity reduce by 10%～40%. Polymer has less effect on surfactant adsorption, numerical simulation results show that the adsorption quantity is reduced by 15%～30%. This is because the polymer hydrolysis in the surface active agent solution to form molecular group with negative charge, which inhibits the sandstone's adsorption effect for surface active agent; In addition, after adding polymer, the compound system thickens, resulting in lower solution diffusion rate to decrease the swept volume, thus weakening the effect of surface active agent adsorption.

surfactant; alkali; polymer; adsorption; adsorption isotherm

TE34

A

1671-0460（2016）11-2619-03

2016-04-19

梅浩林（1993-），男，在讀研究生，研究方向沉積機制。E-m ail：2358719375@qq.com。

湯軍（1964-），男，教授，碩士生導師，研究方向地質(zhì)資源與地質(zhì)工程、油氣資源定量評價。