重烷基苯磺酸鹽-大慶油田原油界面擴張流變性質(zhì)研究

重烷基苯磺酸鹽-大慶油田原油界面擴張流變性質(zhì)研究

化學(xué)驅(qū)油法降低了驅(qū)油表面活性劑溶液與原油的界面張力，顯著提高了清潔效率，在油田中得到了廣泛應(yīng)用。重烷基苯磺酸鹽與堿溶液復(fù)配使用,能在很寬的濃度范圍內(nèi)將大慶原油的界面張力降至超低數(shù)值,因而得到研究者的重視界面擴張流變是研究油-水界面特性的有效手段。界面擴張流變是通過對油-水界面吸附膜的規(guī)律性面積擾動獲取有關(guān)界面膜彈性和黏性的參數(shù),油-水界面膜強度可以揭示驅(qū)油化學(xué)劑對油-水界面的作用筆者針對現(xiàn)場常用的重烷基苯磺酸鹽,考察了強堿和弱堿加入后體系的油-水界面膜的變化。研究結(jié)果對于理解外加磺酸鹽和天然石油酸間的協(xié)同效應(yīng)有幫助,也有助于驅(qū)油體系的優(yōu)化設(shè)計。1實驗部分1.1重烷基苯磺酸鹽原油油樣為大慶原油,酸值0.15mgKOH/g;重烷基苯磺酸鹽(HABS),平均相對分子質(zhì)量約為400,大慶油田東昊公司產(chǎn)品;NaOH、Na1.2擴張模量的確定當(dāng)油-水界面受到周期性的壓縮和擴張時,界面張力也隨之發(fā)生周期性變化,擴張模量定義為界面張力變化與相對界面面積變化的比值,即式中,ε為擴張模量,mN/m;γ為界面張力,mN/m;A為界面面積,m吸附膜存在界面與體相間的物質(zhì)交換,是一個黏彈性界面,如果界面面積的改變量為ΔA(單位,m式中,Δγ為界面張力改變量,mN/m;ε對于黏彈性界面,界面張力的周期性變化與界面面積的周期性變化之間存在一定的相位差θ,稱為擴張模量的相角,其表達式為:式中,ω是界面面積正弦變化的頻率,s因此,擴張模量可寫作復(fù)數(shù)形式:式中,|ε|稱為擴張模量的絕對數(shù)值,簡稱擴張模量。擴張模量和相角均為實驗測量結(jié)果。1.3擴張模量和相角實驗溫度擴張流變儀:DataPhysicsOCA20(德國DataPhysics公司),根據(jù)振蕩的懸掛液滴的外形分析測定界面擴張模量和相角實驗溫度:(30.0±0.1)℃,界面面積擴張形變:10%。動態(tài)擴張流變性質(zhì)測量振蕩頻率:0.100Hz,穩(wěn)態(tài)擴張流變性質(zhì)測量頻率:0.005~0.100Hz。2結(jié)果與討論2.1無機堿的質(zhì)量分數(shù)對界面擴張模量的影響當(dāng)工作頻率為0.100Hz時,不同類型無機堿對大慶原油界面擴張流變性質(zhì)的影響見圖1,圖中虛線為地層水的數(shù)據(jù)。由圖1可見,隨著無機堿的質(zhì)量分數(shù)增大,大慶原油的界面擴張模量逐漸增大,特別是當(dāng)堿的質(zhì)量分數(shù)增至一定數(shù)值時,擴張模量顯著增大。由圖1還可知,加入NaOH時界面膜強度最大,而加入NaHCO2.2苯磺酸鹽重石鹽2.2.1重烷基苯磺酸鹽擴張模量和相角圖2為不同質(zhì)量分數(shù)的重烷基苯磺酸鹽溶液的界面動態(tài)擴張流變性質(zhì)。由圖2(a)可見,在實驗的最初時期,重烷基苯磺酸鹽在界面的吸附較少,界面分子間相互作用較弱,擴張模量較低;隨著時間增加,重烷基苯磺酸鹽分子的界面吸附量增大,形成的界面膜變得更為緊密,分子間相互作用增強,擴張模量也隨之增大;當(dāng)界面吸附接近平衡時,擴張模量也基本保持不變。由圖2(b)可見,擴張相角隨時間變化的趨勢與模量有所不同,在整個實驗時間內(nèi),相角數(shù)值幾乎不變。相角反映的是界面膜黏性部分和彈性部分貢獻的比值,與界面吸附膜的黏彈特性直接相關(guān)。由圖2(b)還可知,盡管隨界面吸附量增大,界面膜抵抗外力能力增強,強度變大,但其黏彈特性變化不大。2.2.2界面張力梯度振蕩頻率是影響吸附膜界面擴張流變的重要因素,通過界面擴張流變參數(shù)隨振蕩頻率的變化趨勢,可以判斷界面膜的特性。對于表面活性劑溶液,吸附在油-水界面上的表面活性劑分子不斷地與體相發(fā)生擴散交換,抵消界面面積變化帶來的界面張力梯度,造成界面模量的降低和相角的升高不同質(zhì)量分數(shù)重烷基苯磺酸鹽溶液的界面擴張流變性質(zhì)隨震蕩頻率的變化如圖3所示。由圖3(a)可知,不同質(zhì)量分數(shù)重烷基苯磺酸鹽的擴張模量隨震蕩頻率單調(diào)遞增。由圖3(b)可知,擴張相角隨震蕩頻率變化趨勢與擴張模量正好相反,即隨著震蕩頻率增加相角逐漸降低。符合表面活性劑界面擴張流變參數(shù)隨振蕩頻率變化的一般規(guī)律。2.2.3重烷基苯磺酸鹽質(zhì)量分數(shù)對界面模量、相角和相角的影響圖4為重烷基苯磺酸鹽溶液的界面擴張流變參數(shù)隨重烷基苯磺酸鹽質(zhì)量分數(shù)的變化。對于吸附膜而言,表面活性劑界面吸附量隨重烷基苯磺酸鹽質(zhì)量分數(shù)增大而增加,界面分子間相互作用不斷增強,界面模量隨之升高;不過,此過程同時伴隨著擴散交換作用的增強,抵消界面面積變化帶來的界面張力梯度,造成界面模量的降低。當(dāng)重烷基苯磺酸鹽質(zhì)量分數(shù)較低時,擴散交換作用較弱,界面模量隨重烷基苯磺酸鹽質(zhì)量分數(shù)增大而升高;當(dāng)重烷基苯磺酸鹽質(zhì)量分數(shù)達到某一臨界值時,擴散交換作用已經(jīng)足夠強,而界面吸附量的增大趨勢則開始減弱,繼續(xù)增大重烷基苯磺酸鹽質(zhì)量分數(shù),擴散交換過程控制吸附膜的性質(zhì),界面模量開始隨著重烷基苯磺酸鹽質(zhì)量分數(shù)增大而降低。上述機理表現(xiàn)為界面擴張模量的重烷基苯磺酸鹽質(zhì)量分數(shù)曲線通過一個明顯的極大值。一般而言,表面活性劑的分子質(zhì)量越低,尺寸越小,擴散過程越快,出現(xiàn)界面模量極大值的重烷基苯磺酸鹽質(zhì)量分數(shù)就越低,極大值現(xiàn)象就越明顯。烷基苯磺酸鹽是低分子質(zhì)量的表面活性劑,在低于臨界膠束濃度時通過明顯的最大值由圖4可知,在不同工作頻率下,重烷基苯磺酸鹽溶液的界面擴張模量隨其質(zhì)量分數(shù)變化通過的極大值卻并不明顯,界面擴張模量極大值約為30mN/m;而頻率固定條件下,界面擴張模量變化小于10mN/m。同時,相角隨重烷基苯磺酸鹽質(zhì)量分數(shù)的變化更不明顯。這是由于大慶原油中的活性物質(zhì)從油相向界面上吸附,與重烷基苯磺酸鹽分子形成混合吸附膜。活性組分相對分子質(zhì)量較大,分子間相互作用較強,因此,表面活性劑質(zhì)量分數(shù)變化對界面膜的影響程度減弱2.3不同無機堿加入對重烷基苯磺酸鹽界面擴張模量的影響當(dāng)振蕩頻率為0.100Hz時,不同類型無機堿對重烷基苯磺酸鹽-大慶原油的界面擴張流變性質(zhì)的影響見圖5。由圖5(a)可見,3種無機堿的加入,對重烷基苯磺酸鹽界面膜的影響趨勢截然不同:強堿NaOH的加入,可以在整個實驗濃度范圍內(nèi)明顯增大重烷基苯磺酸鹽-大慶原油體系的界面擴張模量;而弱堿Na3堿與重烷基苯磺酸鹽質(zhì)量分數(shù)的影響(1)重烷基苯磺酸鹽與大慶原油中活性組分分別從水相和油相向界面吸附,形成具有一定強度的界面混合吸附膜。原油組分對界面膜性質(zhì)影響較大,界面擴張模量和相角隨重烷基苯