鼠李糖脂/槐糖脂/有機堿復配驅油體系的界面性能及驅油效率*

王 哲，梁生康，李俊峰，宋丹丹，鄭江鵬，宋永亭

（1.中國海洋大學化學化工學院，山東青島 266100；2.中國海洋大學海洋化學理論與工程技術教育部重點實驗室，山東青島 266100；3.青島科技大學海洋科學與生物工程學院，山東青島 266045；4.中國石油化工股份有限公司勝利油田分公司石油工程技術研究院，山東東營 257000）

0 前言

隨著我國注水開發的不斷深入，許多油田已進入高含水甚至超高含水開發階段。由于毛細管力的作用，大量不能通過水驅開采的剩余油滯留在油藏孔隙中［1］。為提高原油采收率，以堿-表面活性劑復配（AS）體系或堿-表面活性劑-聚合物復配（ASP）體系為主的三次采油技術應運而生［2］。在油田開發過程中，驅替原油流體在地下油藏中的流動主要受幾個方面的影響：巖層孔隙結構、驅替體系的潤濕性、油水界面張力等。其中，油水超低界面張力（＜10-3mN/m）被廣泛認同為篩選驅油用表面活性劑和驅油體系的主要標準［3-4］。實驗室和礦區試驗表明，盡管AS復配體系可以有效降低油水界面張力以此提高采收率，但復配體系中通常使用石油磺酸鹽類化學合成表面活性劑和氫氧化鈉、碳酸鈉等無機堿。前者由于毒性高、生物可降解性差等而導致采出廢水難以深度處理和排放，后者則易于和地層中Ca2+、Mg2+等離子結合形成沉淀阻塞管道［5］，同時對儲層中的黏土施加負電荷增強其分散性，破壞油藏環境［6-7］。這導致AS 復配體系難以獲得大規模應用。因此，不僅亟需尋求高效、低毒、易于生物降解的表面活性劑替代現有的化學合成類表面活性劑，也需要探索驅油體系中有機堿替代無機堿的可能性。

鼠李糖脂（RL）和槐糖脂（SL）是微生物以可再生的油、糖類為底物發酵獲得的生物表面活性劑，較化學表面活性劑具有高界面活性、環境友好等優勢［8］。同其它生物表面活性劑相比，RL 和SL 不僅具有高表面活性［9］和增溶能力［10］，且生產原料廉價易得、產量較高，在三次采油領域具有潛力［11-12］。但單一RL、SL 降低油水界面張力的能力并未達到驅油用要求。研究表明，不同類型表面活性劑復配會表現出更高的表/界面活性、更低臨界膠束濃度值、更穩定的膠束結構及其在基質上的吸附量減少等特性［13-14］。鄭江鵬［15］發現，將RL、SL 兩種不同類型的生物表面活性劑與無機堿碳酸鈉復配可以將油水界面張力降至超低數量級范圍。

為減小無機堿對地層的損害，Berger 等［16］使用有機堿作為替代堿，發現可解決無機堿在使用過程中帶來的弊端，同時在降低油水界面張力方面與無機堿一樣有效，為三次采油用驅油體系的發展提供了新思路。Xie 等［17-18］也研究了有機堿驅油體系對儲層的影響及其流變性能，發現乙醇胺（MEA）體系較氫氧化鈉體系具有更好的波及效率且對儲層的損害更小。Wang等［19］研究發現，有機堿聚醚胺與石油磺酸鹽復配能有效降低油水界面張力、乳化原油，提高原油采收率且不產生沉淀。

本文通過研究RL/SL 復配體系的表面吸附特點，為不同類型的表面活性劑在最低界面張力下的復配比例提供理論依據；為獲得超低界面張力水平的驅油體系且避免無機堿對地層的損害，將MEA與RL、SL復配，考察該驅油體系能否達到超低界面張力要求，并通過巖心驅替實驗驗證“RL/SL/MEA”體系在實際應用中的潛力。

1 實驗部分

1.1 材料與儀器

鼠李糖脂（RL）和槐糖脂（SL）分別由銅綠假單胞菌（Pseudomonas aeruginosa）O-2-2及球擬假絲酵母菌（Starmerella bombicola）O-13-1 在實驗室發酵制備而成。RL為陰離子型表面活性劑，平均相對分子質量650，臨界膠束濃度70.5/L，HLB 值11.2；SL為非離子型表面活性劑，平均相對分子質量688，臨界膠束濃度30.1 mg/L，HLB值6數8。RL包含21種由一或兩個葡萄糖基連接疏水長鏈脂肪酸的同系物［20］；SL 包含內酯型和酸型兩類同系物［21］，其中內酯型同系物占主要部分。RL、SL 代表化合物結構如圖1。

圖1 鼠李糖脂（a）和槐糖脂（b）代表化合物的分子結構

實驗選用3 種有機堿：乙醇胺（純度≥99.0%）、三甲胺（純度≥33.0%）、三乙胺（純度≥99.0%），國藥集團化學試劑有限公司；實驗用油：取樣自勝利油田沾三區塊，密度0.987 g/mL，黏度1885 mPa·s；實驗用水：依據勝利油田沾三區塊注入水組成［15］配制，礦化度11296 mg/L，主要離子質量濃度（單位mg/L）：127、K++Na+4023，pH 7.66。

1.2 實驗方法

（1）表面張力的測定

采用JZ-200A型自動界面張力儀在常溫下采用吊環法測定SL/RL復配表面活性劑溶液的表面張力。

（2）臨界膠束濃度測定

測定SL 摩爾分數（α）分別為0、0.025、0.1、0.3、0.5、0.7、0.8、1的SL/RL復配體系在不同總表面活性劑濃度下的表面張力，作表面張力與濃度對數曲線，曲線轉折點的兩側直線外延的相交點即為SL/RL復配體系的臨界膠束濃度。

（3）界面張力測定

參照中國石油天然氣行業標準SY/T 5370—1999）《表面及界面張力測定方法》，利用Texas-500型超低界面張力儀，設置旋轉轉速為8000 r/min、溫度為油藏溫度60 ℃。選取乙醇胺（MEA）、三甲胺（TMA）、三乙胺（TEA）3 種有機堿，向RL/SL 溶液（表面活性劑總質量分數為0.15%，其中SL 占二者質量分數為0.2）中分別加入0.5%、1%、1.5%、2%、2.5%、3%、3.5%的有機堿，測定RL/SL/有機堿復配體系與原油間的界面張力。

（4）巖心驅替實驗

實驗溫度設定為油藏溫度60 ℃，油藏滲透率在0.7數1.5 μm2，驅替速率為1.5 mL/min。按照中國石油天然氣行業標準SY/T 5908—1994《驅油用石油磺酸鹽性能測定方法》：先水驅油至出口含水98%停止；然后向注入1.13 PV的“RL/SL/MEA”體系（表面活性劑質量分數為0.15%，其中SL占二者質量分數αSL為0.2，MEA質量分數為3.5%），繼續進行二次水驅，直到出口含水率達到98%。

2 結果與討論

2.1 RL/SL復配體系的表面吸附行為

表面活性劑在溶液表面上的吸附會改變表/界面狀態，影響界面性質。表面活性劑的表面吸附特征，是確定表面活性劑合適復配比例的重要基礎。依據Gibbs公式計算RL/SL復配體系的表面最大吸附量

式中，Γmax—表面最大吸附量，mol/cm2；R—氣體常數（8.314 J·mol-1·K-1）；n—常數，根據不同體系取值不同；T—絕對溫度，K；（?γ/?lgc）—根據γ-lgc（γ為mN/m，c為mol/L）曲線的斜率（圖2）求得。

圖2 不同比例RL/SL復配體系表面張力（γ）隨表面活性劑總濃度（lg c）的變化

對于二元復配體系，若組分之間理想混合，則平均每個分子占有的理想面積Amin（ideal）與平均每個分子占有的最小面積Amin可分別由式（2）、（3）計算：

式中，Amin，1和Amin，2分別為SL、RL在表面平均分子占有面積，單位為為SL 在表面吸附層中的摩爾分數；N為阿伏伽德羅常數。

SL和RL復配體系的Γmax、Amin和Amin（ideal）如表1 所示。隨著RL/SL 復配體系中SL 摩爾分數的增大，RL/SL復配體系的表面最大吸附量逐漸減小，同時每個分子平均占有的最小面積不斷增大。這也許是由于SL 的空間體積較RL 更大導致。隨著SL不斷加入，其在表面吸附層中占據了較大的吸附面積，從而使得混合表面活性劑體系的吸附量減少。

表1 槐糖脂和鼠李糖脂復配體系的表面化學性質（298.15 K）*

對于二元表面活性劑混合體系，Rubingh［23］提出規則溶液理論模型來描述混合表面活性劑的非理想行為。復配體系表面吸附層中表面活性劑的摩爾分數可由式（4）計算得到，后代入式（5）計算相互作用參數βσ［24，25］：

由式（4）、（5）計算得到的βσ如表2 所示。根據降低表面張力效率的協同效應判定標準［26］：βσ＜0、由表2可以看出，復配體系的βσ均為負且因此判斷SL和RL復配在降低表面張力作用上有協同效應。當αSL＜0.3 時，βσ的絕對值更大，二者在表面吸附層相互吸引作用更強。這可能是由于RL作為一種陰離子表面活性劑，其疏水鏈間具有靜電排斥作用，而少量SL 的加入稀釋了這種靜電作用更有利于表面活性劑的聚集［27］。同時，當SL在溶液中的摩爾分數αSL≤0.7時，SL在表面吸附層中的摩爾分數隨其在溶液中的摩爾分數αSL的增大而增大，且始終大于αSL，表明SL在表面吸附層中占優，即在表面吸附層起主導作用。以上結果表明，當SL 占RL、SL 摩爾分數小于0.3時，RL與SL協同降低表面張力的作用更強。本實驗室發現［15］，當RL/SL總質量分數為0.15%，其中SL 占二者質量分數為0.2 時，RL/SL 復配體系與原油間的界面張力最低，達0.8231 mN/m，這與上述實驗結果相符。

2.2 RL/SL/有機堿復配體系降低油水界面張力作用

盡管RL/SL 復配體系表現出優良的界面性能，但仍未達到超低界面張力水平。研究表明，堿與表面活性劑間存在協同降低界面張力作用。考慮到實際應用過程中無機堿對地層的損害，因而將有機堿與RL/SL表面活性劑復配，考察其協同降低油水界面張力的作用。

以乙醇胺（MEA）、三甲胺（TMA）、三乙胺（TEA）3種有機堿作為驅油添加劑［17-18，28］，考察三者分別與RL/SL 混合體系（表面活性劑質量分數為0.15%，其中SL 占二者質量分數為0.2）復配后油水界面張力的變化，結果見圖3。由圖3 可知，3 種有機堿與RL/SL 生物表面活性劑復配體系的油水界面張力隨有機堿濃度增加而降低。其中，MEA 與RL/SL生物表面活性劑復配降低油水界面張力的效果最好。MEA 加量為2.0%時，RL/SL/MEA 復配體系與原油間的界面張力快速下降至0.013 mN/m，之后隨MEA 濃度增大復配體系與原油間的界面張力緩慢降低。當MEA 加量為3.5%時，RL/SL/MEA 復配體系與原油間的界面張力降至9×10-3mN/m，達到超低界面張力數量級范圍。而未加表面活性劑的純MEA 體系，在加量為3.5%時與原油間的界面張力為0.5124 mN/m，遠大于RL/SL/MEA 復配體系的，這說明MEA與RL/SL生物表面活性劑間存在協同降低界面張力的作用。這與Bai 等［29］研究的MEA與化學表面活性劑的協同效果相符，其將質量分數0.7%的MEA與0.065%的磺酸鹽表面活性劑復配，驅油體系與原油間的界面張力可降至1.84×10-3mN/m，達到超低數量級范圍。

圖3 RL/SL/有機堿復配體系與原油間的界面張力隨有機堿加量的變化

原油中含有環烷酸、脂肪酸以及雜環化合物的質子酸等組分，加入的有機堿能與酸性原油反應生成少量天然表面活性劑石油皂，其同樣具有降低界面張力的作用［30-32］。楊明慶［33］發現，石油皂的存在只能夠使得界面張力出現瞬時的最低值，而最終影響界面張力的原因是石油皂將溶液中離子濃度提高，迫使表面活性劑分子向油水界面移動并排列，最終與石油皂一起形成油水界面膜，將界面張力降至最低。因此，加入MEA 后發生的界面張力降低的現象可解釋為石油皂與生物表面活性劑進行的協同效應。

2.3 RL/SL/MEA復配體系的驅油效果

研究表明［34］，驅油體系與原油之間形成并保持超低界面張力是決定驅油效率的關鍵因素。選取能夠達到超低界面張力的RL/SL/MEA 體系（表面活性劑質量分數0.15%，MEA 質量分數3.5%）進行巖心驅替實驗，考察該復配體系對原油的驅替效果，結果如圖4所示。

圖4 RL/SL/MEA復配體系原油采收率、含水率及驅動壓力隨注入體積的變化

一次水驅階段，向巖心注入3.72 PV 的勝利油田配制水，在驅油過程中驅替壓力一直處于較低水平且呈現下降趨勢。一次水驅結束時，體系含水率穩定在96%左右，水驅采收率達52.16%；復合驅階段，向巖心注入1 PV的RL/SL/MEA復配體系，隨著注入體積的增加，體系含水率逐漸下降，最低下降至68.25%，同時原油采收率逐漸升高，復合驅階段結束時達到70.56%，相較于水驅階段采收率提高18.4%。復合驅階段的驅替壓力隨注入體積的增加逐漸升高，最高達到26.71 MPa。這可能是由于隨著采收率的提高，洗脫下的原油增加了體系的黏度從而導致了驅替壓力的明顯升高。二次水驅階段，繼續向巖心注入1.13 PV 勝利油田配制水，出口含水率逐漸升高至97.96%，驅替壓力降低至與一次水驅時持平，最終采收率達到76.29%。整體驅替過程原油采收率增幅達到24.13%。鄭江鵬［15］將相同比例的RL/SL 體系與0.8%的無機堿Na2CO3復配進行巖心驅替物模實驗。結果表明，RL/SL/Na2CO3驅油體系在水驅基礎上提高采收率32.8%。相比而言，有機堿MEA 作為無機堿的替代堿在提高采油率方面具有一定可行性，但驅油效果仍不如無機堿理想，該體系仍需進一步優化。

3 結論

槐糖脂和鼠李糖脂同系物復配體系的表面最大吸附量隨著槐糖脂摩爾占比的增大而減小，同時分子平均占有的最小面積增大。由Rubingh規則溶液理論模型得出復配體系分子間相互作用參數βσ均為負且αSL＜0.3 時βσ絕對值更大。同時根據協同降低表面張力效率的判定標準，判斷出槐糖脂和鼠李糖脂復配具有協同降低表面張力的效應且αSL＜0.3時協同效應最強。

乙醇胺、三甲胺及三乙胺與槐糖脂/鼠李糖脂的復配體系都可協同降低油-水界面張力。其中，乙醇胺協同降低油水界面張力效果更明顯。0.15%RL/SL（SL 占二者質量分數為0.2）與3.5%乙醇胺復配可將溶液油水界面張力降至0.9×10-3mN/m，達到超低數量級范圍。巖心驅替物模實驗結果表明，該驅油體系的原油采收率較水驅時提高24.13%，說明生物表面活性劑/乙醇胺驅油體系在三次采油領域具有應用潛力。但有機堿用量較高，且對采收率的提升低于無機堿，仍需進一步優化。