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甜菜碱型两性表面活性剂与有机膦酸盐防垢复配,有效降低桩西原油体系油-水动态界面张力

来源:石油化工高等学校学报 浏览 56 次 发布时间:2024-06-11

含碱复合驱容易产生结垢问题,通常需要加入防垢剂,为研究防垢剂的加入对体系界面张力的影响,选取SLPS(胜利石油磺酸盐)、OPP4(辛基酚聚氧乙烯醚磷酸酯盐)和PBET17(十八烷基二甲基羟丙基铵磷酸酯盐与十六烷基二甲基羟丙基铵磷酸酯盐的混合物)3种不同类型驱油用表面活性剂在低浓度碱条件下和有机膦酸盐防垢剂进行复配,测定了复配体系与桩西原油的动态界面张力曲线。结果表明,单独使用表面活性剂不能将界面张力降至0.01 mN/m以下,使用表面活性剂与碱的复配体系也不能有效地降低界面张力。有机膦酸盐与表面活性剂、碱复配后具有理想的协同效应,多数复配体系都可将油-水界面张力降至低或超低界面张力区域,甚至10-4mN/m以下。


在化学驱提高采收率方法中,表面活性剂/碱复合驱的驱油效果比较好,这主要是由于碱与原油中酸性物质反应生成的活性剂与外加表面活性剂产生了协同效应,可以将油水界面张力降至低界面张力区域(10-2m N/m)甚至超低界面张力区域(10-3m N/m),并且碱可以降低活性剂在地层中的吸附。但在高碱浓度下,注入碱容易对驱油体系造成采出液处理困难、引起地层黏土分散和运移、导致地层渗透率下降等负面作用,并且碱也与油层流体及岩石矿物反应,形成碱垢,对地层造成伤害并影响油井正常生产。解决结垢问题的主要方法是加入化学防垢剂,其中有机膦酸盐防垢剂因其良好的防垢效果而有广泛的应用。


不同驱油表面活性剂进行复配能够产生协同效应,显著提高体系的耐温耐盐性能,有效降低油水界面张力;不同防垢剂之间进行复配产生的协同效应也比单一防垢剂具有更好的防垢效果。但目前还没有表面活性剂与防垢剂之间配伍性研究的文献,本文在低浓度碱(NaOH质量分数0.1%)的条件下,对3种不同结构类型的表面活性剂和有机膦酸盐防垢剂进行了复配实验,研究了防垢剂对复配体系的界面张力的影响,以期复配后在体系具有防垢作用的同时能够有效的降低界面张力,提高驱油效率。


1实验部分


1.1仪器与试剂


仪器:芬兰Kibron旋转滴界面张力仪;雷磁PHS-3C型p H计;瑞士AE-20型超微量天平


试剂:实验所用的表面活性剂与防垢剂见表1,实验用普通稠油取自胜利油田桩西采油厂桩106-15-X18井,经脱水处理后,50℃稠油粘度为1 450 m Pa·s,胶质沥青质的质量分数为20.54%,此外还用到了分析纯的NaOH与NaCl。

1.2实验方法


HEDP、A TM P和EDTM P 3种防垢剂在使用前已用NaOH中和p H至7左右,55℃(根据桩106-15-X18井底温度而定)下测定表面活性剂水溶液-稠油界面张力,测定前未作油-水体系平衡处理,实验选用的SLPS、OPP4和PBET17分别为阴离子型、非离子-阴离子型和阳离子-阴离子两性表面活性剂。


2结果与讨论


2.1单一表面活性剂水溶液-桩西原油体系的动态界面张力


分别测定了SLPP、OPP4、PBET17质量分数为0.1%的水溶液与桩西原油体系的油-水动态界面张力,如图1所示。


由图1(a)-(c)可以看出,质量分数为0.1%的SLPS一开始即可将体系界面张力降至10-2mN/m以下,但随后界面张力不断增大,40 min左右达到平衡,约为3.373×10-1mN/m;质量分数为0.1%的OPP-4和PBET-17与桩西原油体系界面张力则随着时间的推移不断减小,平衡界面张力分别为8.977×10-1和1.005×10-1m N/m。可见质量分数为0.1%的单一表面活性剂体系降低界面张力的能力一般。

图1 SLPS,OPP4和PBET-17水溶液-桩西原油体系油-水动态界面张力


2.2 NaOH与表面活性剂复配-桩西原油体系的动态界面张力


碱与表面活性剂复配有一定的协同效应,但使用高浓度碱容易引起结垢等问题,实验选用低浓度的NaOH(质量分数为0.1%)与SLPS、OPP-4和PBET-17进行了复配,测定了其油-水动态界面张力,如图2所示。


由图2(a)-(c)可以看出,碱的加入,3种复配体系一开始界面张力迅速下降,在5 min左右都出现了瞬时最低界面张力,其中SLPS与NaOH复配和OPP4与NaOH复配两种体系的瞬时最低界面张力达到了超低(10-3m N/m)。随后3种复配体系界面张力不断增大,其中SLPS与NaOH复配和PBET17与NaOH复配两种体系界面张力在50 min左右达到平衡,分别为9.071×10-1mN/m和8.391×10-2mN/m,而OPP-4与NaOH复配体系界面张力则在短时间内迅速增大,油滴团聚成球,无法继续测定其界面张力。与本文2.1部分相比,这3种复配体系降低界面张力的作用有限。


低浓度的NaOH加入后,与原油中酸性组份的反应很快完成,生成石油酸钠活性物与外加的表面活性剂同时吸附在油水界面上,出现了瞬时最低界面张力,其后动态界面张力变化是受扩散控制的[13],石油酸钠不断地由界面扩散到本体相中,因此界面张力不断增大。可见碱的加入与表面活性剂的协同效应不是很理想,不能形成比较宽的低界面张力。


2.3膦酸盐防垢剂与NaOH、表面活性剂复配-桩西原油体系的动态界面张力


HEDP、A TM P和EDTM P是油田常用的3种有机膦酸盐防垢剂,对于硫酸钙和碳酸钙具有优异的阻垢性能,实验分别选取防垢剂质量分数为0.02%、0.04%、0.06%、0.08%和0.10%与表面活性剂(质量分数0.1%)和NaOH(质量分数0.1%)进行复配,测定其与桩西原油体系的油-水动态界面张力。

图2 SLPS,OPP4和PBET-17与NaOH复配-桩西原油体系油-水动态界面张力


2.3.1膦酸盐防垢剂与SLPS和NaOH复配-桩西原油体系质量分数为0.02%~0.10%的HEDP,A TM P,ED TM P分别与SLPS和NaOH(w(SLPS)=0.1%,w(NaOH)=0.1%)复配后,测定其与桩西原油的动态界面张力,实验结果见图3。


由图3(a)可以看出,不同质量分数的HEDP与SLPS和NaOH复配体系的一开始便可将界面张力降至10-2mN/m甚至10-3mN/m以下,随着时间的推移不断迅速下降,10~15 m in内界面张力降至10-5mN/m以下,随后油滴断裂成很多细小油珠分散在毛细管中,没有进一步测其油-水界面张力值;


由图3(b)可以看出,质量分数为0.04%、0.06%、0.08%的A TM P与SLPS和NaOH复配体系油-水动态界面张力曲线变化与图3(a)类似,质量分数为0.02%和0.10%的A TM P与SLPS和NaOH复配体系则出现了瞬时最低界面张力,随后界面张力快速增大至平衡,其平衡值分别为8.152×10-3和9.153×10-3m N/m;


由图3(c)可以看出,质量分数为0.02%、0.04%、0.08%的EDTM P与SLPS和NaOH复配体系油-水动态界面张力曲线变化与图3(a)类似,而质量分数为0.06%和0.10%的EDTM P与SLPS和NaOH复配体系出现瞬时最低界面张力,平衡界面张力值分别为8.901×10-3和1.011×10-2m N/m。

图3 HEDP-SLPS-NaOH,A TM P-SLPS-NaOH,EDTM P-SLPS-NaOH溶液-桩西原油体系的动态界面张力


可见3种膦酸盐防垢剂与SLPS和NaOH复配后产生了良好的协同效应,降低界面张力的能力显著优于单一的表面活性剂或表面活性剂与NaOH的复配体系,这可能是由于膦酸盐防垢剂小分子(相对于表面活性剂分子)带有一定的负电性,可以在界面上与阴离子表面活性剂SLPS以及碱反应生成的石油酸钠的形成致密、稳定的混合吸附层(或胶束),表面活性剂在油水两相的分配系数接近1,使体系界面张力显著降低,甚至形成的吸附层或胶束增溶能力超强,短时间内持续不断地将油相溶解到胶束内,发生加溶作用,宏观表现在动态界面张力曲线上就是界面张力持续下降,最终将油滴分散成很多细小油珠。


2.3.2膦酸盐防垢剂与OPP4和NaOH复配-桩西原油体系质量分数为0.02%~0.10%的HEDP,A TM P,EDTM P分别与OPP4和NaOH(w(OPP4)=0.1%,w(NaOH)=0.1%)复配后,测定其与桩西原油的动态界面张力,实验结果见图4。


由图4(a)-(c)可以看出,除了较高质量分数的防垢剂(0.06%、0.08%和0.10%HEDP,0.10%A TM P,0.10%EDTM P)与OPP4、NaOH复配体系外,其他复配体系界面张力均在10~15 min内降至10-4~10-5mN/m以下,将油珠拉断。这表明3种膦酸盐防垢剂与OPP4非离子-阴离子表面活性剂和碱也具有良好的协同效应,在合适防垢剂浓度下,与OPP4和石油酸钠形成了具有超强增溶能力的混合胶束,可以将界面张力持续降低。

图4 HEDP-OPP4-NaOH,A TM P-OPP4-NaOH,EDTM P-OPP4-NaOH溶液-桩西原油体系的动态界面张力


2.3.3膦酸盐防垢剂与PBET17和NaOH复配-桩西原油体系质量分数为0.02%~0.10%的HEDP,A TM P,EDTM P分别与PBET17和NaOH(w(PBET17)=0.1%,w(NaOH)=0.1%)复配后,测定其与桩西原油的动态界面张力,实验结果见图5。


由图5(a)可以看出,HEDP与PBET-17和NaOH复配体系在5 min左右都出现了瞬时最低界面张力,其中质量分数0.02%和0.10%的HEDP的复配体系10 min内界面张力迅速增大,界面张力平衡值在10-1m N/m。另外质量分数0.04%、0.06%和0.08%的HEDP体系的平衡界面张力分别为2.154×10-2、2.118×10-2和8.411×10-3mN/m。


由图5(b)可以看出,质量分数0.02%和0.08%A TM P的复配体系的动态界面张力在经历瞬时最低值后迅速上升,协同效应消失,毛细管中油珠分别在30 min和45 min左右团聚,无法继续测定;质量分数0.04%、0.06%和0.10%A TM P体系的动态界面张力在45 min左右达到平衡,分别为1.581×10-2、1.875×10-2、1.675×10-2mN/m。


由图5(c)可以看出,质量分数0.04%EDTM P的复配体系动态界面张力在经历瞬时最低值后不断增大,83 min左右开始迅速增大至油滴团聚,无法继续测定;质量分数0.1%的ED TM P复配体系的动态界面张力则随着时间的推移持续降低,直到油滴被拉断分散在毛细管中;质量分数为0.02%、0.06%和0.08%EDTMP的复配体系则出现了平衡界面张力值,分别为5.92×10-3、2.236×10-2、3.67×10-3mN/m。

图5 HEDP-PBET17-NaOH,A TM P-PBET17-NaOH,EDTM P-PBET17-NaOH溶液-桩西原油体系的动态界面张力


除个别浓度外,含NaOH的甜菜碱型两性表面活性剂PBET17与3种防垢剂的复配体系在降低界面张力方面也具有良好的协同效应,这可能是由于含有磷酸酯基团的两性表面活性剂在形成胶束过程中质子化而转化为阳离子表面活性剂,碱与石油酸生成的石油酸钠、带负电的防垢剂分子与阳离子表面活性剂有着强烈的相互作用,形成的吸附层或混合胶束十分稳定,由界面向本体溶液上的脱附功比较大,合适的复配体系下,可以使体系达到低界面张力或超低界面张力。