三元復(fù)合驅(qū)采出液穩(wěn)定機(jī)理研究

張朋飛 李翔

1中石油華東設(shè)計(jì)院有限公司

2青島海信電器股份有限公司

礦場試驗(yàn)表明，與水驅(qū)相比，三元復(fù)合驅(qū)采油技術(shù)能顯著提高原油采收率[1-2]。但采出液在殘留的驅(qū)油藥劑（聚合物、堿、表面活性劑）作用下呈現(xiàn)出超高黏性和超低界面張力的特征，使得采出液成為一種穩(wěn)定性極強(qiáng)的水包油型乳狀液，油水分離變得十分困難[3-5]。因此，探究三種驅(qū)油藥劑對(duì)三元復(fù)合驅(qū)采出液穩(wěn)定性的影響機(jī)理，對(duì)于提高油水分離效率具有一定的指導(dǎo)作用。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

實(shí)驗(yàn)儀器包括在線分散乳化儀、恒溫水浴和馬爾文激光粒度儀。在線分散乳化儀轉(zhuǎn)速可達(dá)到26 000 r/min，主要用于配制模擬采出液和油滴母液；恒溫水浴控溫范圍為37～100℃，主要用于維持模擬采出液的溫度，創(chuàng)造恒溫環(huán)境；馬爾文激光粒度儀粒徑測量范圍0.02～2 000 μ m，精度可達(dá)±1%，主要用于捕捉測試模擬采出液中油滴的粒徑與分布。實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)示意圖見圖1。

圖1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)Fig.1 Experimental system

1.2 實(shí)驗(yàn)介質(zhì)

原油：大慶油田原油；聚合物：部分水解的聚丙烯酰胺（HPAM）；堿：Na2CO3；表面活性劑：十二烷基苯磺酸鈉（SDBS）。

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

為保證不同工況下模擬采出液中油滴的初始粒徑分布一致，需先配制高濃度油滴母液，然后向模擬水中加入適量母液，配成實(shí)驗(yàn)所需模擬采出液。

具體步驟如下：

（1）在容量為500 mL的燒杯中配制聚合物和表面活性劑質(zhì)量濃度均為1 000 mg/L的水樣100 g。

（2）向燒杯中加入100 g原油，然后將燒杯放入溫度為45℃的水浴中恒溫1 h。

（3）使用乳化設(shè)備將燒杯中的油樣和水樣進(jìn)行乳化，乳化機(jī)轉(zhuǎn)速為10 000 r/min，乳化時(shí)間為10 min，制備的母液含油率為50%，經(jīng)測定油滴體積平均粒徑d43為9.19 μ m。

（4）根據(jù)實(shí)驗(yàn)要求，向含有一定量堿、表面活性劑以及聚合物的模擬水中加入適量的母液，用玻璃棒輕輕攪拌，使油滴在模擬水中均勻分布。

將配制好的模擬液置于一定溫度的水浴中，每隔一段時(shí)間用取樣器從燒杯底部取出少量底水，使用馬爾文激光粒度儀測定其內(nèi)部油滴的粒徑分布。后期對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，得到驅(qū)油藥劑對(duì)采出液穩(wěn)定性的影響規(guī)律。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 pH值對(duì)采出液穩(wěn)定性的影響

圖2是聚合物濃度CHPAM=500 mg/L、表面活性劑濃度CSDBS=60 mg/L的4種不同pH值的模擬采出液底水中油滴的平均粒徑d43隨沉降時(shí)間的變化關(guān)系曲線。由圖2可知，4種pH值不同的模擬液底水中油滴的d43的大小關(guān)系：pH=8.5模擬液底水中油滴的d43最小，其次是pH=10.5模擬液，再次是pH=9.5模擬液，pH=10.0的模擬液底水中油滴的d43最大。即隨著pH值的增大，模擬采出液的穩(wěn)定性呈現(xiàn)先增強(qiáng)后減弱的變化趨勢。

圖2 油滴平均粒徑d43與pH值的關(guān)系曲線Fig.2 Relation curve of the average size of oil dropletd43and pH values

分析原因認(rèn)為：低pH值時(shí)，采出液中聚丙烯酰胺分子鏈?zhǔn)嬲钩潭鹊停沙鲆吼ざ容^低；繼續(xù)增大pH值，堿性環(huán)境促進(jìn)聚丙烯酰胺水解，聚合物分子鏈帶電并相互排斥，舒展程度增大，導(dǎo)致采出液黏度增大，不利于油滴的浮升和液膜的排液，采出液穩(wěn)定性逐漸增強(qiáng)；當(dāng)pH=10.0時(shí)，采出液穩(wěn)定性達(dá)到最強(qiáng)。如圖3所示，繼續(xù)增大pH值，采出液中的Na+能夠“屏蔽”聚丙烯酰胺分子間的靜電斥力，使得分子鏈蜷曲，模擬采出液黏度下降，油滴浮升速率和液膜排液速率顯著增大[6-8]，因此采出液穩(wěn)定性隨之逐漸變差。

圖3 靜電力對(duì)聚合物分子鏈?zhǔn)嬲钩潭鹊挠绊慒ig.3 Effect of electrostatic force on the polymer molecular chain

2.2 表面活性劑濃度對(duì)采出液穩(wěn)定性的影響

圖4 是聚合物濃度CHPAM=500 mg/L、pH=10.5的3種不同表面活性劑濃度的模擬采出液底水中油滴d43隨時(shí)間的變化關(guān)系曲線。從圖4可以看出，油滴的d43會(huì)隨著沉降時(shí)間的增大而減小；且經(jīng)相同的沉降時(shí)間，3種工況下油滴的d43與表面活性劑濃度的關(guān)系為隨著表面活性劑濃度的增大呈先增強(qiáng)后減弱的趨勢。

圖4 油滴平均粒徑d43與表面活性劑濃度的關(guān)系曲線Fig.4 Relation between the average size of oil dropletd43and the concentration of surfactant

分析原因認(rèn)為：在模擬采出液中，表面活性劑在其臨界膠束濃度前后與聚合物之間的作用機(jī)理截然不同。低濃度的表面活性劑多分布于聚合物分子鏈的疏水區(qū)，這將有助于兩者形成混合膠束結(jié)構(gòu)，這種混合膠束能夠顯著提高模擬采出液的黏度；但是當(dāng)表面活性劑濃度高于其臨界膠束濃度時(shí)，其自身就可以相互纏繞形成膠束結(jié)構(gòu)，而表面活性劑膠束對(duì)聚合物分子表現(xiàn)出很強(qiáng)的“增溶性”[9-10]，即聚合物分子能夠進(jìn)入表面活性劑膠束內(nèi)部并與膠束核緊密結(jié)合（圖5a），或進(jìn)入柵狀層與表面端基之間的過渡區(qū)（圖5b），從而使得采出液中游離態(tài)的聚合物濃度降低，最終導(dǎo)致采出液黏度下降。由此可見，表面活性劑對(duì)采出液穩(wěn)定性的影響是雙重的。

圖5 表面活性劑的增溶作用示意圖Fig.5 Solubilizing power of SDBS

2.3 聚合物濃度對(duì)采出液穩(wěn)定性的影響

圖6 是表面活性劑濃度CSDBS=60 mg/L、pH=10.5的5種不同聚合物濃度的模擬采出液底水中油滴的平均粒徑d43隨沉降時(shí)間的變化曲線。從圖6可以看出，不同模擬采出液的穩(wěn)定性與聚合物濃度的關(guān)系為隨著聚合物濃度的增大，采出液的穩(wěn)定性先減弱后增強(qiáng)。

圖6 油滴平均粒徑d43與聚合物濃度的關(guān)系曲線Fig.6 Relation curve of the average size of oil droplet and the concentration of polymer

分析原因認(rèn)為：少量聚合物的加入使得模擬采出液黏度劇增，油滴所受阻力增大，浮升速率減小，不利于油水分離。聚合物濃度繼續(xù)增大，其分子表現(xiàn)出很強(qiáng)的“架橋絮凝”效應(yīng)，即聚合物分子通過某些基團(tuán)吸附到油滴表面，將幾個(gè)油滴拉在一起形成絮凝體（圖7），從而增大了油滴聚并的概率；此外，絮凝體體積要遠(yuǎn)大于單個(gè)油滴，其浮升速率也要大得多，油水分離變得容易，因此，乳狀液的穩(wěn)定性隨之不斷變差，當(dāng)CHPAM=200 mg/L時(shí)，聚合物分子的絮凝效果最佳，此時(shí)采出液的穩(wěn)定性最差。

圖7 架橋絮凝效應(yīng)Fig.7 Flocculating effect

當(dāng)聚合物濃度超過200 mg/L后，聚合物的增黏效果逐漸增強(qiáng)，液膜排液變得困難，并且連續(xù)相較高的黏度也不利于油滴的浮升；此外，聚合物吸附于油滴表面形成一層具有一定機(jī)械強(qiáng)度的高分子膜，對(duì)油滴聚并構(gòu)成空間位阻，且由于聚合物膜帶有負(fù)電，使得油滴表面電荷密度增大，zeta電位上升，不利于油滴聚并，因此，采出液的穩(wěn)定性隨之不斷增強(qiáng)。

3 結(jié)論

（1）采出液的pH值對(duì)其穩(wěn)定性的影響是雙重的。低pH值有利于采出液的穩(wěn)定，但pH值超過10.0后，pH值的增大反而有利于油水分離，使采出液穩(wěn)定性下降。

（2）表面活性劑對(duì)采出液穩(wěn)定性的影響與其臨界膠束濃度(C MC)有關(guān)。濃度低于CMC時(shí)，增大濃度有利于采出液的穩(wěn)定，超過CMC后，增大濃度反而使得采出液的穩(wěn)定性變差。

（3）聚合物對(duì)采出液穩(wěn)定性的影響也是雙重的。聚合物濃度較低時(shí)，其絮凝作用是影響采出液穩(wěn)定性的主要因素，此時(shí)，增大聚合物濃度，采出液的穩(wěn)定性不斷減弱；當(dāng)聚合物濃度較高時(shí)，空間位阻、雙電層作用及連續(xù)相較高的黏度使得采出液的穩(wěn)定性更強(qiáng)。