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基于黄芪胶、指甲花提取物制备纳米天然表面活性剂的界面张力测量(一)

来源:petroleum期刊 油气 浏览 88 次 发布时间:2024-06-27

全球能源需求不断增长促使工程师开创新技术以提高油藏的原油采收率。本研究使用指甲花提取物作为天然表面活性剂并合成纳米颗粒(二氧化钛(TiO2)、二氧化硅(SiO2)、石墨烯和TiO2-石墨烯的复合物),以研究二者降低油水界面张力的可行性。研究采用溶胶-凝胶法合成了纳米颗粒,并进行了XRD、FESEM、EDAX和FTIR测试,以证实该合成材料的真实性。纳米表面活性剂与一种名为黄芪胶提取物的天然水性悬浮表面活性剂稳定结合,该表面活性剂能够很好地替代石油工业中工业纳米颗粒稳定剂。在对指甲花提取物表面活性剂进行CMC测定后,旨在稳定纳米表面活性剂,通过粒径和zeta电位测试确定了黄芪胶提取物表面活性剂的最佳浓度。IFT(界面张力)测量结果表明,指甲花提取物浓度从0wt%增加到10wt%,煤油和水之间的IFT从37.23mN/m降至15.24mN/m。此外,在指甲花提取物表面活性剂处于CMC值时向其添加1wt%的合成TiO2纳米颗粒,可将IFT从18.43mN/m降至14.57mN/m。由于IFT值明显降低,EOR过程中的原油采收率可能会大幅提高。结果证明,TiO2纳米表面活性剂与工业表面活性剂效用一致,但会破坏环境,危及人类健康,给政府带来沉重的经济压力。


研究背景


尽管近年来出现了可再生能源,但全球对化石燃料和碳氢化合物的需求并没有减少,而且正处于上升趋势。由于对新油气藏的勘探明显减少,工程师们一直在寻找能够提高现有油藏采收率的新方法。新方法不仅需要提高采收率,还必须实惠、环保,并且能够用于现场油田。一些化学EOR方法可以用于提高油藏采收率,其中,表面活性剂驱油是最实用的化学EOR方法之一。通过降低注入水和剩余油之间的界面张力,改变岩石表面润湿性和乳液的形成过程,从而提高石油产量。在表面活性剂驱油的过程中,在浓度高于CMC值的溶液中形成表面活性剂胶束可以改善其在储层中的应用效果,因此确定每种表面活性剂的临界胶束浓度(CMC)非常重要。CMC测量方法包括表面张力测定、紫外-可见光谱、电导率、发光光谱和浊度。浊度在CMC值稳定后随基液中表面活性剂浓度的升高而出现突变。


尽管工业表面活性剂对提高采收率有重大影响,但其具有很多缺点,如可用性不强、环境破坏性大、成本高以及表面活性剂会因吸附在储层岩石上而损失等。因此近年来,天然表面活性剂和可生物降解表面活性剂在石油工业上游的应用受到了研究人员的广泛关注。指甲花提取物是一种天然染料,近来的的研究将其用作生物添加剂用在钻井液中。指甲花提取物首次用于抑制盐酸中的钢腐蚀和氢氧化钠中的铝腐蚀。随后,部分研究探讨了指甲花提取物对酸性和碱性溶液中某些金属(如锌、镍、铝和铁)的缓蚀作用。指甲花提取物在石油工业上游中的其他用途包括在油井酸化处理中提高水泥抗HCl的能力,减少钠膨润土在水溶液中的溶胀现象,降低粘土颗粒的去絮凝和膨胀抑制作用等。尽管有关指甲花提取物在钻井领域的应用研究有限,但迄今为止,尚未研究该表面活性剂在EOR中的适用性及其对降低界面张力的影响。


本研究在EOR中引入天然表面活性剂。具体做法是从叙利亚枣树中提取皂苷生物表面活性剂,将其加入蒸馏水中。界面张力测试表明,皂苷作为一种非离子表面活性剂,可以将煤油与水之间的界面张力(IFT)从48dyn/cm降至9dyn/cm。Seidlitzia Rosmarinus是一种新型天然阳离子表面活性剂,Deymeh等人通过测量原油与表面活性剂溶液之间的界面张力,评估了该活性剂作为化学方法提高采收率的可行性。向水中添加Seidlitzia Rosmarinus表面活性剂后,煤油与水的界面张力从32mN/m降至9mN/m。Ravi等人研究了从桑叶中提取的新型植物表面活性剂对降低砂岩和碳酸盐岩界面张力,改变二者润湿性,以及对采收率的影响。IFT测量结果表明,使用桑叶提取物后,水与煤油之间的界面张力从42dyn/cm降至20dyn/cm。除此之外,Shadizadeh和Kharrat使用了新型植物表面活性剂(洋甘菊提取物)降低油水界面张力,使IFT值从30.63mN/m降至12.57mN/m。


如今,纳米技术已经可以解决医学、食品、农业和工业等行业的许多问题,并提供高效且具有成本效益的方案。近年来,纳米材料的使用在行业中具有重要地位,上游石油行业也不例外。纳米颗粒的独特特征是表面体积比较高,这意味着颗粒表面存在更多的原子,从而导致表面能增强。一些研究已经证实纳米颗粒可以降低油水界面张力从而提高采收率。Emadi等人利用由纳米二氧化硅和雪松提取物表面活性剂合成天然纳米表面活性剂,研究了砂岩岩心的采收率和油水界面张力的变化。将雪松提取物浓度从0wt%增加到10wt%之后,水相和煤油的IFT从35mN/m降至11.9mN/m。然而,纳米二氧化硅浓度增加对降低IFT的影响可以忽略不计。Hosseini等人通过测定润湿性的变化和界面张力,研究了氧化硅和氧化铝纳米颗粒对采收率提高的影响。研究人员使用盐度为35000 ppm NaCl的盐水作为制备纳米流体的基流。结果表明,两种纳米流体的浓度从100ppm上升到10000ppm,使原油和纳米流体间的IFT降低,但只是相对较低。Hen draningrat和Torsaeter的研究结果表明,金属氧化物纳米流体可以通过改变岩石润湿性、降低界面张力来提高采收率。二人使用了聚乙烯吡咯烷酮(PVP)作为浓度为1wt%的纳米粒子稳定剂。结果发现,0.05wt%浓度的Al2O3和SiO2纳米颗粒可以将油水界面张力从19.2mN/m分别降低到12.8mN/m和17.5mN/m。


尽管纳米流体对采收率有着重大影响,但使纳米流体稳定是石油工业面临的关键挑战之一。纳米流体长期不稳定会导致纳米颗粒在岩石表面沉淀、凝聚,随之而来的则是储层岩石渗透率和孔隙度受损,储层各个部分颗粒分布不均匀,纳米悬浮液特性消失。储层条件不佳(高盐、高温)是导致纳米流体不稳定的最大因素之一。此外,由于EOR过程中注水量非常高,且注入水为辅助化学制剂进入油藏的基流,盐度超过30000ppm,使得纳米流体更不稳定。研究表明,纳米流体中的离子会导致纳米颗粒流体动力学直径缩小,从而降低了其互斥的能力。粒子的zeta电位是确定胶体系统稳定或不稳定的标准。Zeta电位的定义是两个不同粒子之间的测量点以及二者之间的静电排斥强度和静电引力强度。zeta电位越大(无论正负),纳米颗粒之间的静电斥力更强,溶液就更稳定。因此,改变颗粒的zeta电位、流体动力学直径和电荷密度可以提高纳米颗粒分散体的稳定性。而改变颗粒的zeta电位、流体动力学直径和电荷密度,可以对纳米颗粒表面改性,对纳米颗粒使用非离子表面活性剂、聚合物以及离子表面活性剂。由于纳米颗粒的稳定性是其大小、类型和悬浮液中浓度的函数,要想EOR过程中纳米流体的作用发挥到最大,关键是确定上述变量的最佳值,找到稳定变量的方法。因此,要尽量避免储层岩石孔隙度和渗透率降低,稳定纳米颗粒就能回收地下大部分剩余油。


Dehghan Monfared等人使用两种不同的方法研究了二氧化硅纳米颗粒的浓度和离子强度对纳米流体稳定性的影响,其中包括使用紫外-可见(UV–Vis)分光光度计进行观察和光吸收分析。结果表明,由于静电相互排斥作用降低和能量壁垒减少,纳米流体的稳定性随着纳米颗粒和盐浓度的增加而降低。此外,Shadizadeh和Kharrat使用了新的植物表面活性剂(Matricia chamomilla提取物)降低油水界面张力降,使IFT值从30.6312.57mN/m降至12.57mN/m。Sarmad Al-Anssari等人研究了pH、盐度和纳米二氧化硅浓度对zeta电位值的影响。实验表明,zeta电位绝对值随纳米二氧化硅浓度和盐度的降低而增加,随pH的增加而增加。添加PVP稳定剂后,Hendraningrat和Torsaeter使用包直接观察、纳米观察和表面电导率测量三种方法,测定了含0.05wt%Al2O3、TiO2和SiO2盐水(NaCl 3wt%)的稳定性。结果显示,所有三种未经处理的纳米流体在不到一小时内开始沉淀,并在3小时后完全沉淀,然而在向TiO2和Al2O3纳米流体中添加1wt%的PVP后,其稳定性各自提高到48和96小时。Songolzadeh和Moghadasi通过测量纳米流体的紫外线吸附和zeta电位,研究了SDS和CTAB离子表面活性剂对γ-Al2O3和SiO2纳米颗粒稳定性的影响。研究结果表明,SDS通过对二氧化硅纳米颗粒进行增压并增强颗粒之间的电排斥最大限度地稳定SiO2纳米流体;另一方面,CTAB对氧化铝纳米颗粒的稳定性没有明显影响。


尽管有关新技术提高采收率的研究已有很多,但是有关纳米颗粒或天然表面活性剂系统作为新型化学材料的研究并不多。由于纳米级的化学、物理性质丰富多样,因此评估纳米颗粒或天然表面活性剂溶液的效果意义重大。虽然在化学驱油过程中,表面活性剂消耗是主要问题之一,但大量文献表明,比起单独使用,同时使用纳米颗粒和表面活性剂提高采收率的效果好得多。Suleimanov等人称,同时使用纳米颗粒和表面活性剂时,采收率可提高35%。若仅仅使用表面活性剂,即便是最佳条件下,采收率只有17%。另一篇文献的岩心驱替试验结果显示,天然表面活性剂只能产生53%的OOIP。然而,加入纳米颗粒后,采收率提高到了74%。因此,即使会消耗大量表面活性剂,同时使用纳米颗粒和天然表面活性剂,就能够回收油藏中的大部分圈闭油,该方法经济实惠,操作性强。