復合驅油體系油水界面張力測試條件優化*

欒和鑫，陳權生，彭 健，代學成，楊蓮育，徐崇軍，2，廖元淇

（1.中國石油新疆油田分公司實驗檢測研究院，新疆克拉瑪依834000；2.新疆礫巖油藏實驗室，新疆克拉瑪依834000；3.中國石油天然氣集團公司油田化學重點實驗室，北京100083）

隨著化學驅技術的發展，越來越多的陸上油田開始應用化學復合驅技術實現大幅度提高采收率［1-2］。表面活性劑性能的好壞是復合驅成敗的關鍵，復合驅過程中油水界面張力隨時間的變化曲線對表面活性劑的性能評價具有重要的參考價值［3-6］。目前復合驅表面活性劑的質量控制多采用行業標準SY/T 5370—2018《表面及界面張力方法》測定或SY/T 6424—2014《復合驅體系測試方法》對產品質檢和入井流體質量檢測［7-8］。雖然兩個行業標準中都提到了不同體系的測試方法，但并未對非牛頓流體測試過程中具體條件進行規范性說明，這給質檢帶來了問題，例如：測定黏彈性體系的表界面張力時選取多大濃度的聚合物、多大相對分子質量的聚合物不會對驅油體系界面性能有影響、測試溫度、測試時間、測試過程中會遇到油滴被拉斷后界面張力值如何選取等問題。為了規范質檢過程中遇到的問題，現將SY/T 5370—2018 涉及到的非牛頓流體油水界面張力測定方法進行了優化，以增加行業標準的可溯性、規范性、準確性和可操作性。

1 實驗部分

1.1 材料與儀器

聚合物HPAM，相對分子質量分別為1000 萬、1500 萬和2500 萬，固含量分別為91.8%、92%和91.6%，水解度分別為25.3%、27.1%、26.4%，北京恒聚公司；KPS表面活性劑），新疆金塔公司；碳酸鈉；工業品，含量99%，烏魯木齊廣瑞源商貿有限公司；配液用水為三元注入站的現場水，礦化度9847.1 mg/L，主要離子質量濃度（單位mg/L）：16.92、K++Na+3300；實驗原油：新疆三元復合驅試驗現場的脫氣、脫水原油，黏度16.5 mPa·s（油藏溫度40℃）。

TX-500C型全量程旋轉滴表界面張力儀，美國彪維公司；HAAKE MARSII流變儀，美國熱電公司。

1.2 實驗方法

參照中國石油天然氣行業標準SY/T 5370—2018《表面及界面張力測定方法》和SY/T 6424—2014《復合驅體系測試方法》，用TX-500C 型全量程表界面張力儀，在溫度45℃、轉速5000數6000 r/min下測定表面活性劑體系與新疆典型區塊原油間的界面張力。

2 結果與討論

2.1 轉速對界面張力測試結果的影響

旋轉滴法測定界面張力其主要按照公式1測定和計算的，界面張力和轉速呈正相關，即在一定范圍內轉速越高界面張力越低，但是儀器存在最佳成像轉速，因此在確定最佳轉速時應考慮儀器特性。

式中：γ—界面張力，單位mN/m；A—與儀器測量系統有關的常數，不同儀器型號賦值不同；ω—角速度，單位rad/s；D—液滴短軸直徑，單位m；Δρ—兩相密度差，單位kg/m3；f（l/D）—與油滴長寬比（l/D）有關的修正系數，由儀器操作軟件自動給出或參見各儀器的說明書。

用三元注入站現場水分別配制二元驅油體系（0.3% KPS+0.15% 1500 萬聚合物）和三元體系（1.2% 碳酸鈉+0.3% KPS+0.15% 1500 萬聚合物），考察了轉速對二元和三元體系與新疆原油間界面張力的影響，結果見圖1。轉速對二元驅油體系、三元驅油體系與原油間的界面張力影響不具有一定的規律性，但轉速與界面張力成像系統清晰度具有一定的關系，因此為了保證儀器測量結果準確性，建議選用儀器成像系統最清晰的轉速5000數6000 r/min作為技術指標用于評價界面張力。

2.2 溫度的影響

圖1 轉速對二元體系、三元體系與原油間界面張力的影響

圖2 溫度對二元體系、三元體系與原油間界面張力的影響

不同溫度下，用三元注入站現場水分別配制的二元驅油體系（0.3%KPS+0.15%1500萬聚合物）和三元體系（1.2% 碳酸鈉+0.3% KPS+0.15% 1500 萬聚合物）與新疆原油間的界面張力測試結果見圖2。溫度對二元體系、三元體系與原油間的界面張力的影響規律大致相同，隨溫度的升高，界面張力降低，但溫度對三元體系的影響更大。隨著溫度的升高，分子熱運動使得表面活性劑分子熱運動更劇烈，體系黏度降低，界面上分布的表面活性劑分子更多，界面張力降低。為了規范測試溫度對界面性能的影響，測定溫度建議選用目標油藏溫度。

2.3 聚合物濃度影響

用蒸餾水分別配制0.3%KPS+0.1%數0.4%聚合物（相對分子質量1000萬或2500萬）的二元體系和1.2%碳酸鈉+0.3%KPS+0.1%數0.4%聚合物的（相對分子質量1000 萬或2500 萬）三元體系，不同聚合物濃度的二元體系的黏度見表1，不同聚合物濃度的二元體系、三元體系與原油間的界面張力測試結果見圖3和圖4。由表1可知，聚合物濃度越大，二元體系的黏度越高；相同濃度下，聚合物的相對分子質量越大，二元體系的黏度越大。

從圖3和圖4可知，聚合物濃度越大，二元體系、三元體系與原油間的界面張力越大。HPAM 的加入增加了體系的黏度，導致表面活性劑分子向界面擴散、運移的速度大幅度降低，延長了達到吸附飽和的時間；隨著聚合物濃度增加，驅油體系的黏度增加，不利于表面活性劑分子向油水界面擴散，表面活性劑分子被聚合物阻隔在體相中。為了規范聚合物濃度對界面性能的影響，建議在評選二元、三元體系的界面性能時聚合物用量為0.1%。另外，為了使數據更具準確性，界面張力取值選用不同時間下的平衡界面張力（簡稱ITFt），質檢時若遇到油滴被拉斷的情況，應重復測量3 次看是否在相同時間被拉斷，然后選取被拉斷前3 次數據平均值作為評定指標。

表1 不同聚合物濃度的二元體系的黏度

2.4 聚合物相對分子質量影響

圖3 聚合物濃度對二元體系與原油間界面張力的影響

圖4 聚合物濃度對三元體系與原油間界面張力的影響

用蒸餾水分別配制0.3% KPS+0.15% 聚合物（相對分子質量1000 萬、1500 萬或2500 萬）的二元體系和和1.2% 碳酸鈉+0.3% KPS+ 0.15%聚合物（相對分子質量1000 萬或2500 萬）的三元體系，測定相同濃度條件下不同相對分子質量聚合物的二元、三元體系與原油間的界面張力，結果見圖5。不同相對分子質量聚合物的三元體系的黏度及平衡界面張力測試結果見表2。在其他條件不變的情況下，聚合物的相對分子質量越大，二元體系、三元體系與原油間的界面張力增大。

在相同聚合物濃度條件下，隨著聚合物相對分子質量增加，體系黏度增大，表面活性劑分子在界面上的定向排列受阻，油水界面張力上升。高相對分子質量聚合物會更加阻礙表面活性劑分子的傳遞和界面吸附，延長表面活性劑到達界面的時間，進而延長平衡時間，聚合物相對分子質量對界面張力的影響主要是在相同濃度下黏度對界面性能影響，但對平衡界面張力影響均不是數量級影響。因此，為了使標準具有規范性和可操作性，應根據目標油藏儲層物性選擇化學驅主段塞使用的聚合物進行評價，由于該標準主要針對驅油體系性能評價，在產品質檢過程中對結果產生異議時建議使用相對質量為1000 萬數1500 萬的聚合物對二元、三元體系驅的界面性能進行評價，這樣評價結果更真實可靠。

表2 不同相對分子質量聚合物的三元體系的黏度和界面張力

2.5 表面活性劑對界面性能影響

用三元注入站現場水配制的二元體系（0.1%數0.3% KPS+0.15%聚合物（相對分子質量1500 萬或2500 萬））、三元體系（1.2% 碳酸鈉+ 0.1%數 0.3%KPS+ 0.15%聚合物（相對分子質量1500 萬或2500萬）與新疆原油間的界面張力測試結果見圖6和圖7。無論是含有1000 萬聚合物還是2500 萬聚合物的二元和三元體系，隨著表面活性劑濃度增加，油水界面張力均逐漸降低。二元體系在表面活性劑用量0.2%數0.3%范圍內的ITF120min相差不大，因此選用表面活性劑用量0.2%作為二元體系評價表面活性劑濃度。三元體系除受表面活性劑濃度影響外，還受堿濃度影響，因此在考察三元體系表面活性劑濃度影響時應考察表面活性劑影響和堿濃度影響。在表面活性劑用量為0.1%數0.3%范圍內，堿用量為1.2%時，不同相對分子質量聚合物的三元體系與原油間的界面張力結果差異很大，可對比性很差。這是由于降低界面張力能力與表面活性劑分子的吸附速率有關，堿的加入對表面活性劑吸附速率產生了影響，當吸附速率高于脫附速率時，界面張力能在短時間內大幅度降低；而吸附速率等于脫附速率時，吸附達到平衡，界面張力值基本保持不變。在測試高濃度體系與原油間的界面張力時，仍然存在回縮和拉斷現象，這是由于當表面活性劑濃度達到臨界膠束濃度時溶液中大量的膠束會不斷吸附原油中的某些活性組分［9-12］，從而增大油滴的溶解度，出現了油水比分配不均、界面張力一直處于動態變化過程。另外，堿可與原油中的活性組分石油酸反應生成皂類表面活性物質，不同表面活性劑之間存在協同作用，也使得界面張力一直處于動態變化過程。因此，為了使測試方法具有可操作性和同類標準可對比性，選用二元、三元復合驅用表面活性劑的已有評價標準（Q/SY 17583—2018［13］和Q/SY 17004—2017［14］）進行評價，本標準對表面活性劑濃度不另作要求，即選用已有標準執行：二元體系表面活性劑評價選用0.2%表面活性劑+0.1%聚合物；三元體系表面活性劑評價選用1.2%堿+0.1%表面活性劑+0.15%聚合物或0.6%堿+0.3%表面活性劑+0.15%聚合物評價。

圖5 不同分子質量聚合物的二元體系、三元體系與原油間的界面張力

圖6 表面活性劑濃度對二元體系與原油間界面張力的影響

圖7 表面活性劑濃度對三元體系與原油間界面張力的影響

3 結論

規范行業標準SY/T 5370—2018《表面及界面張力方法》中非牛頓流體油水界面張力的測定條件：以目標油藏溫度為評價溫度；轉速選用使儀器成像清晰的5000數6000 r/min 轉速；聚合物用量選用0.1%，聚合物相對分子質量應根據目標油藏儲層物性選擇化學驅主段塞使用聚合物進行評價，驅油體系產品質檢過程中對結果產生異議時，建議使用相對質量為1000 萬數1500 萬的聚合物對二元、三元體系驅的界面性能進行評價；配液用水使用實際油藏配液用水；界面張力選用不同時間下的平衡界面張力，拉斷體系的界面張力選取重復測試3 次拉斷前界面張力數據值；表面活性劑濃度按照Q/SY 17583—2018 和 Q/SY17004—2017：二元體系表面活性劑評價選用0.2%表面活性劑+0.1%聚合物，三元體系表面活性劑評價選用1.2%堿+0.1%表面活性劑+0.15%聚合物或0.6%堿+0.3%表面活性劑+0.15%聚合物進行測量取值。研究成果僅僅針對SY/T 5370—2018《表面及界面張力方法》中非牛頓流體界面張力的測量，其它界面張力測定方法和條件請參考相關標準執行。