甜菜堿型表面活性劑對微觀模型驅(qū)油的影響

甜菜堿型表面活性劑對微觀模型驅(qū)油的影響

長期以來，由于表面活性劑成本高，表面活性劑的驅(qū)油被廣泛使用。表面活性劑的研究主要集中在新表面活性劑的開發(fā)和對三個季節(jié)勘探的選擇上?，F(xiàn)有的驅(qū)油機(jī)理論大致有兩種：一種是毛管數(shù)理論，其中表面活性劑是否能夠根據(jù)毛管數(shù)的價值啟動剩余油？另一方面，對不同界面現(xiàn)象進(jìn)行了力學(xué)分析。郭先生首先對化學(xué)驅(qū)油的微觀過程進(jìn)行了實(shí)地調(diào)查，包括對表面活性劑及其重構(gòu)體系的驅(qū)油機(jī)的認(rèn)識。作者利用新開發(fā)的兩類甜菜堿表面活性劑，進(jìn)行了可視化的微觀驅(qū)油實(shí)驗(yàn)。在低界面張力條件下，新表面活性劑系統(tǒng)對剩余油的作用、微觀細(xì)節(jié)和傳輸過程的研究，以及表面活性劑系統(tǒng)的微觀驅(qū)油機(jī)。1甜菜堿型兩性表面活性劑廣義地說,兩性表面活性劑是指分子結(jié)構(gòu)中,同時具有2種或2種以上離子性質(zhì)的表面活性劑;但通常兩性表面活性劑,系指分子結(jié)構(gòu)中既具有陽離子親水基團(tuán),又具有陰離子親水基團(tuán)的狹義兩性表面活性劑.一般認(rèn)為,它們的分子結(jié)構(gòu)中帶有陰陽親水基團(tuán),在水溶液中電離,在某種介質(zhì)條件下表現(xiàn)出陰離子表面活性劑的特性,而在另一種介質(zhì)條件下,又表現(xiàn)出陽離子表面活性劑特性的表面活性劑.由于兩性表面活性劑具有刺激性低、耐硬水性好、適用范圍廣和生物降解性好等優(yōu)點(diǎn),所以盡管其價格較高,但其應(yīng)用面仍在日益擴(kuò)大.甜菜堿系兩性表面活性劑是其中的一種,由Krüger從甜菜中分離而來.美國Mobil石油公司1977年申請了一項(xiàng)專利,使用甜菜堿型兩性表面活性劑(以下簡稱“兩性表活劑”)改善注入水流動性,有效降低了油水界面張力.實(shí)驗(yàn)中使用兩性表活劑通過改變其親油基結(jié)構(gòu),達(dá)到在無堿條件下形成超低(10-3mN/m)界面張力的目的.2實(shí)驗(yàn)2.1實(shí)驗(yàn)設(shè)備及流程利用玻璃刻蝕的巖心模型進(jìn)行驅(qū)油實(shí)驗(yàn),通過圖像采集系統(tǒng)將驅(qū)油過程的圖像轉(zhuǎn)化為計(jì)算機(jī)的數(shù)值信號,采用圖像分析技術(shù)研究表面活性劑體系的微觀驅(qū)油過程.實(shí)驗(yàn)設(shè)備及流程參見文獻(xiàn).2.2表面活性劑的配制驅(qū)油用的巖心模型是玻璃刻蝕的透明微觀模型(40mm×40mm),用硅油改變其潤濕性.實(shí)驗(yàn)用油為大慶油田的脫氣脫水原油配制的模擬油(10mPa·s,30℃).配制表面活性劑的溶劑是礦化度為3700mg/L的模擬鹽水,水驅(qū)用水礦化度為508mg/L.實(shí)驗(yàn)中涉及的表面活性劑配方為:(1)兩性表活劑,質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.1%,30℃時與模擬油間的界面張力為5.12×10-3mN/m;(2)ORS-41體系,質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.3%,30℃時與模擬油間的界面張力為4.11×10-2mN/m.3配置機(jī)制3.1兩性表活劑驅(qū)油效果及殘余油的變化規(guī)律10-3mN/m,10-2mN/m數(shù)量級界面張力的表面活性劑體系驅(qū)替水驅(qū)后殘余油的結(jié)果分別見圖1和圖2.由圖1和圖2可見,水驅(qū)后親油盲端中的油被部分驅(qū)替或未被驅(qū)替.采用表面活性劑驅(qū)替后,無論是羧基甜菜堿,還是ORS-41體系,盲端中水驅(qū)后殘余油部分或全部被驅(qū)替;羧基甜菜堿型驅(qū)油體系的驅(qū)替油量高于ORS-41體系,即界面張力越低,驅(qū)替的殘余油量越多,并且孔道潤濕性都有不同程度的改變.兩性表活劑驅(qū)過程中盲端中潤濕性改變及殘余油被采出的過程見圖3,其驅(qū)替方向由右至左.當(dāng)該驅(qū)油體系進(jìn)入后,由于體系與油形成超低界面張力,盲端處殘余油表面的堅(jiān)固水膜逐步被破壞,油沿流動方向變形(見圖3(d)),變形后的彎液面所產(chǎn)生的毛管力在超低界面張力的作用下縮小為1/1000,該彎液面沿流動方向被拉伸,逐漸斷裂成小油珠而被驅(qū)替液攜帶,盲端內(nèi)殘余油變少、變薄(見圖3(a～h));隨著兩性表活劑沿盲端壁面向盲端內(nèi)的擴(kuò)散,在孔道的壁面產(chǎn)生吸附,表面活性劑的親水基朝外,因此盲端的潤濕性向親水方向轉(zhuǎn)變;隨著兩性表活劑體系的進(jìn)一步驅(qū)替,原有的油水界面束縛的油面積逐漸減小,油水界面逐漸消失,界面逐步為新的表面活性劑與油的界面所取代,潤濕性也隨之改變?yōu)橛H水(見圖3(i～j)).3.2油膜不同驅(qū)替液的作用原理對于附著在孔道壁上的膜狀殘余油,當(dāng)接觸到兩性表活劑體系后,三相接觸點(diǎn)的平衡條件被破壞,油水界面膜被軟化、拉長、斷裂成小油滴,脫離壁面,并持續(xù)重復(fù)這一過程,直至油膜被驅(qū)替干凈(見圖4).圖4表明,由于兩性表活劑的吸附和超低界面張力的共同作用,三相接觸點(diǎn)處產(chǎn)生潤濕滯后,油膜前緣變形且阻止界面變形的毛管力減小,在驅(qū)替液的作用下使得油膜前緣的油逐漸聚集變形為蝌蚪狀,拉長、最后斷脫成小油滴被攜帶.剩余油在內(nèi)聚力作用下又回收成油膜,油膜前緣繼續(xù)變形為蝌蚪狀,拉長、斷脫,持續(xù)重復(fù)這一過程,直至油膜被驅(qū)替干凈.在油膜被驅(qū)替的過程中,三相接觸點(diǎn)處的油膜受3個力作用:剪切攜帶力、與孔道壁面的黏附力和彎液面產(chǎn)生的毛管力(內(nèi)聚力),其中黏附力和內(nèi)聚力是阻力.由于表面活性劑沿壁面的擴(kuò)散及其吸附作用,壁面潤濕反轉(zhuǎn),當(dāng)油前緣變形為蝌蚪狀時(見圖4(c)),油膜前緣只受本身產(chǎn)生的內(nèi)聚力和攜帶力作用,而且超低界面張力降低了內(nèi)聚力,所以油膜前緣的蝌蚪狀油滴聚集到一定程度時,發(fā)生斷脫(見圖4(d)).油膜持續(xù)沿著“前緣斷脫”這種方式,最終被驅(qū)替干凈(見圖4(e)).3.3孔喉的驅(qū)替柱狀類殘余油是由于孔道的界面特性和毛管力的束縛而形成的,此類殘余油被驅(qū)替的過程見圖5.由圖5可知,在超低界面張力的兩性表活劑的作用下,原本是阻力的毛管力降低為1/1000,使此類殘余油能夠沿孔喉被驅(qū)替,在其出口位置處聚集且油前緣逐漸變形、拉長成蝌蚪狀(有的拉成油絲),最后斷脫成小油滴而被運(yùn)移(見圖5(a～c)).出口處聚集的可動油重復(fù)這一過程(見圖5(d～e)),直至柱狀類殘余油即將突破時,在孔喉的兩側(cè)形成一橋狀油膜,下游的油通過該橋狀油膜被攜帶運(yùn)移(見圖5(f～g)),最終被驅(qū)替干凈(見圖5(h)).4界面張力的影響(1)超低界面張力下兩性表活劑改變了油水界面條件和三相接