化学驱是一个非常复杂的动态过程，驱油体系和原油的相互作用主要发生在油水界面上。因此，研究油水界面性质对于揭示化学驱提高采收率的机理具有重要意义。人们很早就认识到界面张力对采收率的影响[1-2]，并建立了筛选化学驱体系的标准—超低界面张力标准，但化学驱过程涉及表面活性剂、碱和聚合物等多种化学剂和众多界面的现象，仅依靠界面张力进行评价是远远不够的。董明哲等[3]的研究也发现，采收率与驱动流体油水界面张力并没有非常明确的对应关系。随着理论模型和实验技术的发展，界面流变技术逐渐成为研究化学驱体系油水界面性质的重要工具[4-5]，Giordano和Slattery[6-7]的研究表明，油水界面黏度越大，驱替效果越差；N. Aderangi[8]的研究发现，油滴的聚并时间与界面黏度的相关性强于与界面张力的相关性。与界面张力相比，界面流变性质可以给出油水界面微观过程的信息，有助于更为深刻地理解与强化采油相关的各种界面现象。本实验选取桩西原油/化学驱体系为研究对象，考察了多种因素对油水界面扩张流变性的影响。
甲苯，国药集团；蒸馏水；非离子表面活性剂OP-4、OP-7、OP-10、OP-15和OP-30，实验室自制，有效质量分数30%。桩西脱水原油，取自胜利油田桩西采油厂，原油的性质如表 1。
DSA100型界面扩张流变仪，德国KRÜSS公司；DTS-4C型石油密闭脱水仪，石油大学石仪科技实业发展公司；NDJ-7型旋转式黏度计，上海天平仪器厂；ME1300型生物视频显微镜，凤凰光学仪器集团公司；XT-7000型恒温箱，中国石油大学(华东)等。
根据油水界面形变方式的不同，界面流变可分为两种界面剪切流变和界面扩张流变，其中扩张流变占据主导地位[9-10]。所以，本实验采用界面扩张流变技术来考察油水界面性质。以桩西脱水原油作为油相，蒸馏水或表面活性剂溶液作为水相。光源、内装表面活性剂溶液的比色皿和照相机放于仪器底座，并处于同一直线上。调节装有油相的注射器形成油滴，油滴剖面通过照相机数字转换到电脑上，通过振荡腔使油滴产生正弦振荡，同步记录油滴的界面面积A，然后采用完整液滴轮廓法计算界面张力γ，最后通过计算获得油水界面的扩张模量、弹性模量和黏性模量。具体的实验装置见图 1(实验温度控制在(55±0.01) ℃[11])。
影响界面扩张流变性的主要因素包括实验条件、油浓度、水矿化度、表面活性剂等。
以桩西原油为油相，蒸馏水为水相，连续测量4 h，考察老化时间对油水界面扩张流变性的影响，实验结果见图 2。
由图 2可看出，在0~7 200 s时，扩张模量和弹性模量随着时间的增长而迅速增大，7 200 s后几乎不再变化；而黏性模量变化很小，且其数值远远小于弹性模量。界面刚形成时，由于原油中天然的表面活性物质(如胶质、沥青质和石油酸)从原油体相向油水界面的吸附过程较缓慢，所以界面上的表面活性物质还很少，形成的界面膜结构很不稳定，所以油水界面的弹性模量和扩张模量都比较小；随着界面上活性物质的增多，界面膜的强度大大增加，其弹性模量和扩张模量也明显增大；当界面吸附达到平衡时，界面膜的结构不再变化，弹性模量和扩张模量也基本稳定。由于油水界面膜主要受弹性模量控制，可以近似看作弹性膜。
以桩西原油为油相，蒸馏水为水相，考察温度对油水界面扩张流变性的影响，实验结果见图 3。
由图 3可知，弹性模量、黏性模量和扩张模量等参数均随温度的升高而下降。这可能是因为温度的上升，分子的热运动加强，加剧了表面活性剂分子在界面与体相之间的扩散速度，界面上的表面活性剂分子有足够的时间去恢复对平衡后的扰动，因而降低了扩张模量、扩张黏度等参数的数值。
以甲苯为溶剂，桩西脱水原油为溶质，配制成不同质量分数的油相，以蒸馏水作为水相，考察油浓度变化对于油水界面扩张流变性的影响，实验结果见图 4。
如图 4所示，稀释原油/水体系的界面扩张模量和弹性模量都随着原油质量分数的增大而先增大后减小，而黏性模量随原油质量分数的变化则不明显。这是因为：随着原油浓度的增大，体系中表面活性物质的浓度也在增大，这一方面会使油水界面表面活性物质的浓度增大，相互作用增强，所以界面膜的弹性模量会增大；另一方面，表面活性物质浓度的增加也增加了体系从体相向界面通过扩散补充活性物质的能力，这会降低界面发生形变时产生的界面张力梯度，使得界面无法恢复原状，即弹性模量变小。综合这两方面的影响，界面的弹性模量会随原油浓度的增大出现一个极大值；由于油水界面膜主要以弹性为主，故扩张模量随原油浓度的变化规律与弹性模量相似，而黏性模量所受影响则较小。
分别以桩西原油、脱沥青质油和沥青质组分(0.835%(w)，甲苯作为溶剂，桩西原油的沥青质含量)为油相，以蒸馏水作为水相，测量3种体系的界面扩张流变性，实验结果见图 5~图 7。
如图 5~图 7所示，与桩西原油相比，脱沥青质组分的扩张模量、弹性模量和黏性模量都会显著下降；沥青质组分的扩张模量和弹性模量几乎没有变化，黏性模量则有所增大。脱沥青质油、沥青质组分和桩西原油三种体系所形成的油水界面膜均以弹性为主，与弹性模量相比，黏性模量的数值都很小。油水界面的扩张流变性主要受界面吸附的活性物质的影响，而体系中的活性物质主要就是原油中的沥青质，因而沥青质体系的界面扩张流变性质与原油体系的差别不大，而脱沥青质后由于体系中的活性物质大大减少，故其弹性模量、黏性模量和扩张模量都会显著变小。
以桩西原油为油相，分别配制不同质量分数的NaCl溶液作为水相，考察矿化度对油水界面扩张流变性的影响，实验结果见图 8。
从图 8可知，油水界面的扩张模量随着水相矿化度的增大呈减小的趋势。溶液的矿化度是通过影响表面活性物质在界面上的吸附来改变界面流变性的，NaCl质量分数小于1.0%时，水相中的NaCl浓度很小，不足以对油水界面的扩张流变性产生明显影响；而NaCl质量分数增大到1.0%后，水相中的NaCl电离后，Na+会吸附在带负电荷的油水界面上，这将削弱天然表面活性物质所形成的油水界面膜的强度，因而油水界面的扩张模量会急剧下降。NaCl的质量分数增大到2.0%后，Na+破坏油水界面吸附膜的能力作用已达到极限，因此，扩张模量不再下降。
以桩西原油为油相，分别配制质量分数为0.1%的OP-4、OP-7、OP-10、OP-15和OP-30表面活性剂溶液作为水相(水相中NaCl质量分数0.5%，即桩西的地层水矿化度，表面活性剂的分子结构如表 2所示)，考察表面活性剂对油水界面扩张流变性的影响，实验结果如图 9所示。
由图 9可知，与桩西原油/蒸馏水体系相比，向水相中加入表面活性剂后，体系的弹性模量、黏性模量和扩张模量都有显著下降，并且降低幅度随着OP系列表面活性环氧乙烷数的增加而增强。由图 9还可以看出，相角随着表面活性环氧乙烷数的增加而逐渐增大，即黏性模量的贡献增大，界面膜由近似弹性膜逐渐向黏弹性膜转变。这是因为：向体系中加入OP系列表面活性剂后，表面活性剂会取代先前吸附在油水界面膜上的表面活性物质，使得油水界面的结构发生显著变化，弹性模量、黏性模量和扩张模量都会大大降低，而随着表面活性剂中环氧乙烷数的增加，分子体积越来越大，使其在油水界面上的排列越来越不紧密，形成的界面膜的强度也会逐渐变小，因此体系的扩张模量会随着环氧乙烷数的增加而逐渐变小；表面活性剂的存在使得体相与界面膜之间的扩散弛豫显著增强，且环氧乙烷数越多，作用效果越大，因此界面膜由弹性膜逐渐转变为黏弹性膜。
(1) 表面活性物质在界面膜的吸附未达到平衡时，扩张模量和弹性模量会随着老化时间的增长而迅速增大，达到吸附平衡后则基本不再变化；黏性模量受老化时间的影响则很小。
(2) 油水界面膜的弹性模量和扩张模量会随着原油浓度的增大而先增大后减小，而黏性模量的变化则不明显；油水界面膜的弹性模量和扩张模量主要受桩西原油中沥青质组分的控制，而由于原油各组分形成的界面膜均以弹性为主，故黏性模量始终很小。
(3) 在NaCl的质量分数处于1.0%~2.0%时，油水界面的扩张模量和弹性模量会随着NaCl浓度的增大急剧下降，而NaCl质量分数低于1.0%或高于2.0%时，扩张模量和弹性模量都没有明显变化。
(4) 与桩西原油/蒸馏水体系相比，OP系列表面活性剂的加入会使体系的弹性模量显著下降，并且下降幅度随着OP系列表面活性环氧乙烷数的增加而增强；同时，界面膜由近似弹性膜逐渐向黏弹性膜转变。
2017, Vol. 46 Issue (3): 78-82
2017, Vol. 46 Issue (3): 78-82