重烷基苯磺酸盐-大庆油田原油界面扩张流变性质研究

重烷基苯磺酸盐-大庆油田原油界面扩张流变性质研究

化学驱油法降低了驱油表面活性剂溶液与原油的界面张力，显著提高了清洁效率，在油田中得到了广泛应用。重烷基苯磺酸盐与碱溶液复配使用,能在很宽的浓度范围内将大庆原油的界面张力降至超低数值,因而得到研究者的重视界面扩张流变是研究油-水界面特性的有效手段。界面扩张流变是通过对油-水界面吸附膜的规律性面积扰动获取有关界面膜弹性和黏性的参数,油-水界面膜强度可以揭示驱油化学剂对油-水界面的作用笔者针对现场常用的重烷基苯磺酸盐,考察了强碱和弱碱加入后体系的油-水界面膜的变化。研究结果对于理解外加磺酸盐和天然石油酸间的协同效应有帮助,也有助于驱油体系的优化设计。1实验部分1.1重烷基苯磺酸盐原油油样为大庆原油,酸值0.15mgKOH/g;重烷基苯磺酸盐(HABS),平均相对分子质量约为400,大庆油田东昊公司产品;NaOH、Na1.2扩张模量的确定当油-水界面受到周期性的压缩和扩张时,界面张力也随之发生周期性变化,扩张模量定义为界面张力变化与相对界面面积变化的比值,即式中,ε为扩张模量,mN/m;γ为界面张力,mN/m;A为界面面积,m吸附膜存在界面与体相间的物质交换,是一个黏弹性界面,如果界面面积的改变量为ΔA(单位,m式中,Δγ为界面张力改变量,mN/m;ε对于黏弹性界面,界面张力的周期性变化与界面面积的周期性变化之间存在一定的相位差θ,称为扩张模量的相角,其表达式为:式中,ω是界面面积正弦变化的频率,s因此,扩张模量可写作复数形式:式中,|ε|称为扩张模量的绝对数值,简称扩张模量。扩张模量和相角均为实验测量结果。1.3扩张模量和相角实验温度扩张流变仪:DataPhysicsOCA20(德国DataPhysics公司),根据振荡的悬挂液滴的外形分析测定界面扩张模量和相角实验温度:(30.0±0.1)℃,界面面积扩张形变:10%。动态扩张流变性质测量振荡频率:0.100Hz,稳态扩张流变性质测量频率:0.005~0.100Hz。2结果与讨论2.1无机碱的质量分数对界面扩张模量的影响当工作频率为0.100Hz时,不同类型无机碱对大庆原油界面扩张流变性质的影响见图1,图中虚线为地层水的数据。由图1可见,随着无机碱的质量分数增大,大庆原油的界面扩张模量逐渐增大,特别是当碱的质量分数增至一定数值时,扩张模量显著增大。由图1还可知,加入NaOH时界面膜强度最大,而加入NaHCO2.2苯磺酸盐重石盐2.2.1重烷基苯磺酸盐扩张模量和相角图2为不同质量分数的重烷基苯磺酸盐溶液的界面动态扩张流变性质。由图2(a)可见,在实验的最初时期,重烷基苯磺酸盐在界面的吸附较少,界面分子间相互作用较弱,扩张模量较低;随着时间增加,重烷基苯磺酸盐分子的界面吸附量增大,形成的界面膜变得更为紧密,分子间相互作用增强,扩张模量也随之增大;当界面吸附接近平衡时,扩张模量也基本保持不变。由图2(b)可见,扩张相角随时间变化的趋势与模量有所不同,在整个实验时间内,相角数值几乎不变。相角反映的是界面膜黏性部分和弹性部分贡献的比值,与界面吸附膜的黏弹特性直接相关。由图2(b)还可知,尽管随界面吸附量增大,界面膜抵抗外力能力增强,强度变大,但其黏弹特性变化不大。2.2.2界面张力梯度振荡频率是影响吸附膜界面扩张流变的重要因素,通过界面扩张流变参数随振荡频率的变化趋势,可以判断界面膜的特性。对于表面活性剂溶液,吸附在油-水界面上的表面活性剂分子不断地与体相发生扩散交换,抵消界面面积变化带来的界面张力梯度,造成界面模量的降低和相角的升高不同质量分数重烷基苯磺酸盐溶液的界面扩张流变性质随震荡频率的变化如图3所示。由图3(a)可知,不同质量分数重烷基苯磺酸盐的扩张模量随震荡频率单调递增。由图3(b)可知,扩张相角随震荡频率变化趋势与扩张模量正好相反,即随着震荡频率增加相角逐渐降低。符合表面活性剂界面扩张流变参数随振荡频率变化的一般规律。2.2.3重烷基苯磺酸盐质量分数对界面模量、相角和相角的影响图4为重烷基苯磺酸盐溶液的界面扩张流变参数随重烷基苯磺酸盐质量分数的变化。对于吸附膜而言,表面活性剂界面吸附量随重烷基苯磺酸盐质量分数增大而增加,界面分子间相互作用不断增强,界面模量随之升高;不过,此过程同时伴随着扩散交换作用的增强,抵消界面面积变化带来的界面张力梯度,造成界面模量的降低。当重烷基苯磺酸盐质量分数较低时,扩散交换作用较弱,界面模量随重烷基苯磺酸盐质量分数增大而升高;当重烷基苯磺酸盐质量分数达到某一临界值时,扩散交换作用已经足够强,而界面吸附量的增大趋势则开始减弱,继续增大重烷基苯磺酸盐质量分数,扩散交换过程控制吸附膜的性质,界面模量开始随着重烷基苯磺酸盐质量分数增大而降低。上述机理表现为界面扩张模量的重烷基苯磺酸盐质量分数曲线通过一个明显的极大值。一般而言,表面活性剂的分子质量越低,尺寸越小,扩散过程越快,出现界面模量极大值的重烷基苯磺酸盐质量分数就越低,极大值现象就越明显。烷基苯磺酸盐是低分子质量的表面活性剂,在低于临界胶束浓度时通过明显的最大值由图4可知,在不同工作频率下,重烷基苯磺酸盐溶液的界面扩张模量随其质量分数变化通过的极大值却并不明显,界面扩张模量极大值约为30mN/m;而频率固定条件下,界面扩张模量变化小于10mN/m。同时,相角随重烷基苯磺酸盐质量分数的变化更不明显。这是由于大庆原油中的活性物质从油相向界面上吸附,与重烷基苯磺酸盐分子形成混合吸附膜。活性组分相对分子质量较大,分子间相互作用较强,因此,表面活性剂质量分数变化对界面膜的影响程度减弱2.3不同无机碱加入对重烷基苯磺酸盐界面扩张模量的影响当振荡频率为0.100Hz时,不同类型无机碱对重烷基苯磺酸盐-大庆原油的界面扩张流变性质的影响见图5。由图5(a)可见,3种无机碱的加入,对重烷基苯磺酸盐界面膜的影响趋势截然不同:强碱NaOH的加入,可以在整个实验浓度范围内明显增大重烷基苯磺酸盐-大庆原油体系的界面扩张模量;而弱碱Na3碱与重烷基苯磺酸盐质量分数的影响(1)重烷基苯磺酸盐与大庆原油中活性组分分别从水相和油相向界面吸附,形成具有一定强度的界面混合吸附膜。原油组分对界面膜性质影响较大,界面扩张模量和相角随重烷基苯