低界面张力是表面活性剂驱和复合驱最基本的驱油机理，也是评价和筛选驱油配方的一个重要指标[1]。在原油与表面活性剂接触的过程中，由于表面活性物质的吸附与扩散，将产生动态界面张力，其中包括平衡界面张力和最低界面张力。在驱油方案的筛选中，用动态界面张力最低值还是用平衡值作为筛选指标，目前仍没有明确的标准。在过去的化学驱方案筛选中，有人采用动态界面张力最低值作为筛选标准，也有人用某一规定时间的动态界面张力值作为筛选标准。鉴于原油及驱油体系的复杂性，不同的人采用不同的化学剂和原油往往得出不一致甚至相反的结论。1990年，KevinC与Taylor[2]等人通过一些实验工作认为：动态界面张力最低值与驱油效率的相关性更好，而动态界面张力的稳态值并不重要；国内朱怀江等人[3]利用辽河原油所做的实验得出界面张力平衡值对驱油效率起决定作用的结论；李华斌等[4]的实验结果表明，无论是平衡界面张力还是瞬时动态界面张力，其最低值越小，驱油效果越好；随着界面张力的降低，化学驱提高采收率值增加，但界面张力在0.01 mN/m以下时，界面张力对驱油效果的影响不明显。本实验主要以最低油水界面张力是否达到超低作为筛选驱油配方的主要标准，同时以平衡界面张力也达到较低为次要筛选标准。
水驱油时，毛管数的数量级为10-6。理想情况下，若将毛管数的数量级增至10-2，则剩余油饱和度趋于零[4-5]，而油水界面张力由101 mN/m数量级降至10-3 mN/m数量级，就可以实现上述要求。驱油剂的波及体积和洗油效率是决定采收率的重要参数，提高洗油效率一般是通过增加毛管数来实现的，而降低油水界面张力是增加毛管数的主要途径[6-8]。本研究的主要目的是通过测量油水动态界面张力初步筛选出适合陈庄原油的超低界面张力驱油配方。
实验仪器：界面张力仪，TEXAS-500；折光率仪，WZS-Ⅰ；超级恒温水浴，501；红外线快速干燥器，HG-1；万分之一天平，PA200。
实验材料：烷氧基醇醚硫酸盐(AS-0-4，AS-0-6，AS-0-8，AS-0-10，AS-3-0)；磺酸盐(AQPS，NJPS，XJPS，KAS，ABS，SLPS)；甜菜碱(CBET-13、CBET-17、HSBET-12)；氢氧化钠。
实验用油取自胜利油田河口采油厂陈13-15井，地层温度下(65℃)原油密度为0.961 2 g/cm3，脱气原油粘度为580 mPa·s。陈13区块地层水水质分析见表 1，实验中配制相应的模拟地层水。
由相应的地层水作溶剂配制质量分数为0.1%的烷氧基醇醚硫酸盐型、磺酸盐型、甜菜碱型表面活性剂溶液，测其与陈庄原油的动态界面张力，结果如图 1所示。
由图 1(a)可以看出，非离子表面活性剂烷氧基醇醚硫酸盐在测量的很短时间内油水界面张力就达到了平衡值，并且随着亲水基团(氧乙烯基)的增加，表面活性剂降低油水界面张力的效果逐渐变差。相对而言，AS-0-4和AS-3-0降低界面张力的效果较其它三种表面活性剂好，平衡值均为0.3 mN/m。AS-0-6、AS-0-8和AS-0-10都使界面张力平衡值在1 mN/m左右，效果较差。
图 1(b)是磺酸盐体系与陈13-15井产出原油的动态界面张力随时间的变化图。由图可见，胜利石油磺酸盐(SLPS)降低油水界面张力的能力最好，平衡值为6.8×10-2mN/m。ABS溶液使油水界面张力在很短的时间内就稳定在1.3×10-1 mN/m左右。KAS使油水界面张力以单一趋势缓慢上升，最后达到平衡值3.08×10-1mN/m。
甜菜碱型表面活性剂是一类两性表面活性剂，夏慧芬[9]等人研究发现，少量甜菜碱的加入就可使油水界面张力达到超低，取得了良好的驱油效果。实验室以短链混合叔胺和长烷基支链混合叔胺为原料，合成了短链烷基甜菜碱(CBET-13)和长烷基支链甜菜碱(CBET-17)，以3-氯-2-羟基丙磺酸与短链混合叔胺和长烷基支链混合叔胺反应合成了羟磺基甜菜碱(HSBET-12)。
由图 1(c)可见，CBET-13与CBET-17降低界面张力的效果好于HSBET-12，可使界面张力达到10-5 mN/m，其中CBET-13使油滴在20 min内被拉断，而CBET-17在40 min左右时，油水界面张力才显著下降。从经济上考虑，表面活性剂在降低界面张力相同的条件下，用量越少越好，因此将CBET-13按浓度展开(见图 2)，结果表明，随着CBET-13质量分数的增加，油水界面张力最低值先减小后增大，当CBET-13的质量分数为0.05%~0.15%时，油水界面张力都可达到超低，效果较好。由以上的分析可以看出，合成的三类甜菜碱型表面活性剂，特别是烷基链表面活性剂(CBET-13、CBET-17)具有较强的降低陈庄原油界面张力的效果，是很有潜力的无碱化学驱用表面活性剂。
由以上的研究可以看出，大多数单一的表面活性剂往往不能使油水界面张力降至超低，而表面活性剂复配体系由于表面活性剂间的协同效应，可使油水界面张力降至超低，产生较好的驱油效果[10]。将可以使油水界面张力降至0.1 mN/m数量级，且实验室中常用的SLPS、KAS、AS-0-4及BET型表面活性剂进行复配，以选择出较好的适合陈13区块的低界面张力无碱驱油配方。
在以下的复配体系中，溶液的总质量分数都为0.1%，且SLPS、KAS和甜菜碱型表面活性剂均按有效含量配制，AS-0-4按产品含量配制。
胜利油田自主开发研制的胜利石油磺酸盐SLPS是胜利油田三次采油中最常用的驱油用表面活性剂，它具有原料来源广，耐温耐盐性能好，价格低，与胜利油田地层水配伍性好等优点，主要依靠降低油水界面张力作用、乳化作用和增溶作用，达到提高采收率的效果[11-14]。将SLPS与其它表面活性剂复配，研究其降低界面张力的性能。
图 3和图 4为SLPS与AS-0-4、KAS复配效果图。可以看出SLPS与AS-0-4复配效果并不理想(图 3)，而SLPS与KAS间却有非常好的协同效应。由图 4可见，当SLPS:KAS≤3:2时，界面张力以单一趋势上升至稳定值，且在此范围内，随着质量比的增大，油水界面张力是减小的；此后随着SLPS与KAS质量比的增大，油水界面张力呈现出先减小后增大趋势，且当质量比在2:1到5:1的范围内油滴都可以被拉断，且界面张力最小值可达到8.2×10-5 mN/m。继续追踪测量油滴的一端，可以发现最终的平衡值也都达到了超低；当SLPS:KAS≥5:1时，随着质量比的增加，油水界面张力开始上升。
由图 4可以看出，当SLPS与KAS的质量比为4:1时，油水界面张力达到最小值所用的时间最短，从经济上考虑，将SLPS:KAS=4:1体系按浓度展开(图 5)，可以看出随着总质量分数的增加，油水界面张力平衡值是逐渐减小的，只有当总质量分数≥0.075%时，油滴才可以被拉断，界面张力达到超低。
由图 6可见，随着CBET-13质量分数的增加，CBET-13与AS-0-4复配体系降低界面张力的能力逐渐增强，当二者质量比为4:1时，油滴在10 min时被拉断，且最终平衡界面张力也达到了超低。但是相对于单一的CBET-13降低界面张力的能力，CBET-13与AS-0-4的复配并没有明显改善CBET-13降低界面张力的能力。由图 7可见，CBET-13与CBET-17的复配效果都较好，油滴在30 min内被拉断，拉断前油水界面张力达到了超低。
碱与原油中的有机酸反应产生的表面活性物质本身可以降低油水界面张力，这些表面活性物质与合成表面活性剂间的协同效应又可使界面张力大大降低[15]。由于陈庄地层水的矿化度较高，且考虑到碱在地层中的损耗，因此选用0.2%的NaOH与表面活性剂复配。
由图 8可见，质量分数为0.05%~0.2%的SLPS与0.2%的NaOH复配后表现出明显的协同效应，油滴被拉断，界面张力达到超低。图 9说明，AS-0-4与NaOH复配后，相比于单一的AS-0-4，其降低界面张力的能力增强，且当AS-0-4质量分数为0.025%~0.05%时，界面张力在较长时间内维持超低状态。
AS-3-0与0.2%NaOH的复配效果明显(图 10)，初始时刻就出现明显的协同效应。当AS-3-0质量分数为0.01%~0.075%时，界面张力逐渐降至10-3 mN/m以下，直至油滴最后被拉断，此时继续测量油滴的一端，最终的平衡值也较低。
图 11和图 12分别说明了CBET-13和HSBET-12与碱的复配情况。由图可见，相对于单一的CBET-13，碱的加入并没有明显地改善CBET-13降低油水界面张力的能力；但是加入碱以后，HSBET-12降低界面张力的能力得到了明显改善，且在质量分数为0.003%~0.09%的范围内，可使油水界面张力达到超低。
(1) CBET-13在浓度为0.05%~0.15%时，可使油水界面张力降至超低，可以作为陈庄油田超低界面张力驱油配方。
(2) 质量比为4:1的SLPS与KAS复配体系，当总质量分数为0.075%~0.15%时，可以使油水界面达到超低；总有效质量分数为0.1%的CBET-13+CBET-17复配体系，当CBET-13与CBET-17质量比为(9:1)~(6:4)时，可使油水界面张力达到超低，可以作为陈庄油田的无碱低界面张力驱油配方。
(3) 0.2%NaOH +((0.05%~0.2%)SLPS、(0.025%~0.05%)AS-0-4、(0.01%~0.075%)AS-3-0、(0.03%~0.09%)HSBET-12)体系可以使油水界面张力降至10-3 mN/m以下，可以作为陈庄油田的有碱低界面张力驱油配方。
2012, Vol. 41 Issue (1): 74-78
2012, Vol. 41 Issue (1): 74-78