甜菜碱型表面活性剂对微观模型驱油的影响

甜菜碱型表面活性剂对微观模型驱油的影响

长期以来，由于表面活性剂成本高，表面活性剂的驱油被广泛使用。表面活性剂的研究主要集中在新表面活性剂的开发和对三个季节勘探的选择上。现有的驱油机理论大致有两种：一种是毛管数理论，其中表面活性剂是否能够根据毛管数的价值启动剩余油？另一方面，对不同界面现象进行了力学分析。郭先生首先对化学驱油的微观过程进行了实地调查，包括对表面活性剂及其重构体系的驱油机的认识。作者利用新开发的两类甜菜碱表面活性剂，进行了可视化的微观驱油实验。在低界面张力条件下，新表面活性剂系统对剩余油的作用、微观细节和传输过程的研究，以及表面活性剂系统的微观驱油机。1甜菜碱型两性表面活性剂广义地说,两性表面活性剂是指分子结构中,同时具有2种或2种以上离子性质的表面活性剂;但通常两性表面活性剂,系指分子结构中既具有阳离子亲水基团,又具有阴离子亲水基团的狭义两性表面活性剂.一般认为,它们的分子结构中带有阴阳亲水基团,在水溶液中电离,在某种介质条件下表现出阴离子表面活性剂的特性,而在另一种介质条件下,又表现出阳离子表面活性剂特性的表面活性剂.由于两性表面活性剂具有刺激性低、耐硬水性好、适用范围广和生物降解性好等优点,所以尽管其价格较高,但其应用面仍在日益扩大.甜菜碱系两性表面活性剂是其中的一种,由Krüger从甜菜中分离而来.美国Mobil石油公司1977年申请了一项专利,使用甜菜碱型两性表面活性剂(以下简称“两性表活剂”)改善注入水流动性,有效降低了油水界面张力.实验中使用两性表活剂通过改变其亲油基结构,达到在无碱条件下形成超低(10-3mN/m)界面张力的目的.2实验2.1实验设备及流程利用玻璃刻蚀的岩心模型进行驱油实验,通过图像采集系统将驱油过程的图像转化为计算机的数值信号,采用图像分析技术研究表面活性剂体系的微观驱油过程.实验设备及流程参见文献.2.2表面活性剂的配制驱油用的岩心模型是玻璃刻蚀的透明微观模型(40mm×40mm),用硅油改变其润湿性.实验用油为大庆油田的脱气脱水原油配制的模拟油(10mPa·s,30℃).配制表面活性剂的溶剂是矿化度为3700mg/L的模拟盐水,水驱用水矿化度为508mg/L.实验中涉及的表面活性剂配方为:(1)两性表活剂,质量分数为0.1%,30℃时与模拟油间的界面张力为5.12×10-3mN/m;(2)ORS-41体系,质量分数为0.3%,30℃时与模拟油间的界面张力为4.11×10-2mN/m.3配置机制3.1两性表活剂驱油效果及残余油的变化规律10-3mN/m,10-2mN/m数量级界面张力的表面活性剂体系驱替水驱后残余油的结果分别见图1和图2.由图1和图2可见,水驱后亲油盲端中的油被部分驱替或未被驱替.采用表面活性剂驱替后,无论是羧基甜菜碱,还是ORS-41体系,盲端中水驱后残余油部分或全部被驱替;羧基甜菜碱型驱油体系的驱替油量高于ORS-41体系,即界面张力越低,驱替的残余油量越多,并且孔道润湿性都有不同程度的改变.两性表活剂驱过程中盲端中润湿性改变及残余油被采出的过程见图3,其驱替方向由右至左.当该驱油体系进入后,由于体系与油形成超低界面张力,盲端处残余油表面的坚固水膜逐步被破坏,油沿流动方向变形(见图3(d)),变形后的弯液面所产生的毛管力在超低界面张力的作用下缩小为1/1000,该弯液面沿流动方向被拉伸,逐渐断裂成小油珠而被驱替液携带,盲端内残余油变少、变薄(见图3(a～h));随着两性表活剂沿盲端壁面向盲端内的扩散,在孔道的壁面产生吸附,表面活性剂的亲水基朝外,因此盲端的润湿性向亲水方向转变;随着两性表活剂体系的进一步驱替,原有的油水界面束缚的油面积逐渐减小,油水界面逐渐消失,界面逐步为新的表面活性剂与油的界面所取代,润湿性也随之改变为亲水(见图3(i～j)).3.2油膜不同驱替液的作用原理对于附着在孔道壁上的膜状残余油,当接触到两性表活剂体系后,三相接触点的平衡条件被破坏,油水界面膜被软化、拉长、断裂成小油滴,脱离壁面,并持续重复这一过程,直至油膜被驱替干净(见图4).图4表明,由于两性表活剂的吸附和超低界面张力的共同作用,三相接触点处产生润湿滞后,油膜前缘变形且阻止界面变形的毛管力减小,在驱替液的作用下使得油膜前缘的油逐渐聚集变形为蝌蚪状,拉长、最后断脱成小油滴被携带.剩余油在内聚力作用下又回收成油膜,油膜前缘继续变形为蝌蚪状,拉长、断脱,持续重复这一过程,直至油膜被驱替干净.在油膜被驱替的过程中,三相接触点处的油膜受3个力作用:剪切携带力、与孔道壁面的黏附力和弯液面产生的毛管力(内聚力),其中黏附力和内聚力是阻力.由于表面活性剂沿壁面的扩散及其吸附作用,壁面润湿反转,当油前缘变形为蝌蚪状时(见图4(c)),油膜前缘只受本身产生的内聚力和携带力作用,而且超低界面张力降低了内聚力,所以油膜前缘的蝌蚪状油滴聚集到一定程度时,发生断脱(见图4(d)).油膜持续沿着“前缘断脱”这种方式,最终被驱替干净(见图4(e)).3.3孔喉的驱替柱状类残余油是由于孔道的界面特性和毛管力的束缚而形成的,此类残余油被驱替的过程见图5.由图5可知,在超低界面张力的两性表活剂的作用下,原本是阻力的毛管力降低为1/1000,使此类残余油能够沿孔喉被驱替,在其出口位置处聚集且油前缘逐渐变形、拉长成蝌蚪状(有的拉成油丝),最后断脱成小油滴而被运移(见图5(a～c)).出口处聚集的可动油重复这一过程(见图5(d～e)),直至柱状类残余油即将突破时,在孔喉的两侧形成一桥状油膜,下游的油通过该桥状油膜被携带运移(见图5(f～g)),最终被驱替干净(见图5(h)).4界面张力的影响(1)超低界面张力下两性表活剂改变了油水界面条件和三相接