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基于界面張力弛豫法探討疏水改性聚合物與石油酸和瀝青質(zhì)間的相互作用(一)

來源:石油學(xué)報(bào)(石油加工) 瀏覽 69 次 發(fā)布時(shí)間:2024-11-12

化學(xué)驅(qū)提高石油采收率的生產(chǎn)實(shí)踐涉及諸多與膠體界面化學(xué)相關(guān)的過程,石油中天然存在的活性組分是影響上述過程的重要因素。石油中的酸性組分是公認(rèn)的界面活性最強(qiáng)的組分,對油-水界面張力的降低貢獻(xiàn)較大,而瀝青質(zhì)組分則是最重要的成膜物質(zhì),與乳狀液穩(wěn)定性和破乳過程密切相關(guān)。疏水改性聚丙烯酰胺通過聚合物分子間的疏水作用形成網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),具備良好的增黏效果和抗溫抗鹽能力,是提高高溫高鹽油藏石油采收率的重要化學(xué)劑。不過,疏水改性后的聚合物具有一定界面活性,其在界面上的吸附會強(qiáng)烈改變界面層性質(zhì),從而影響提高石油采收率生產(chǎn)實(shí)踐中的乳化、油墻形成、采出液處理等過程。因此,研究疏水改性聚丙烯酰胺與原油中重要活性組分在油-水界面上的相互作用,具有較強(qiáng)的理論價(jià)值和實(shí)際意義。


界面擴(kuò)張流變研究吸附膜受到擾動時(shí)的張力響應(yīng),擴(kuò)張流變參數(shù)可以反映活性分子在界面及其附近擴(kuò)散交換、取向變化、重排、形成聚集體等微觀過程的信息,是目前考察吸附分子界面行為的有力手段。雖然原油活性組分界面膜的擴(kuò)張流變性質(zhì)日漸受到關(guān)注,但對活性組分與驅(qū)油聚合物間相互作用的擴(kuò)張流變研究還很缺乏。筆者曾采取小幅周期振蕩技術(shù)研究了現(xiàn)場用疏水改性聚丙烯酰胺與原油中酸性組分和瀝青質(zhì)的界面相互作用,獲得了初步認(rèn)識。不過,小幅周期振蕩技術(shù)應(yīng)用頻率范圍較低,尚無法獲得全面的界面微觀過程的信息。在本研究中,筆者采用界面張力弛豫法,通過對受擾動界面的張力衰減曲線進(jìn)行多指數(shù)擬合,計(jì)算得到界面擴(kuò)張流變參數(shù)的全頻率譜,深入探討了疏水改性聚合物與石油酸和瀝青質(zhì)間的相互作用。


1界面張力弛豫法理論基礎(chǔ)


本研究中采用界面張力弛豫法,通過對受擾動界面張力衰減曲線擬合獲得界面張力改變量隨時(shí)間變化的函數(shù)關(guān)系,再經(jīng)過Fourier變換,計(jì)算得到界面擴(kuò)張參數(shù)的全頻率譜,從而獲得界面上活性分子行為的信息。


當(dāng)活性分子界面吸附膜達(dá)到平衡時(shí),對其實(shí)施一個(gè)突然的擾動,則界面上各活性分子均會對此擾動產(chǎn)生響應(yīng)。界面和體相間分子交換的快慢、分子在界面上排列的變化、分子間相互作用的強(qiáng)弱等信息均會反映在擾動停止后的界面張力衰減曲線上。典型的界面張力(Δγ)衰減曲線及其擬合曲線如圖1所示。

圖1典型的界面張力(Δγ)衰減曲線及其擬合曲線


對于一個(gè)存在多種弛豫過程的實(shí)際體系,由于弛豫過程具有可加和性,因此衰減曲線可以用幾個(gè)指數(shù)方程的和來表示,如式(1)所示。

式(1)中,τi為第i個(gè)過程的特征頻率;Δγi為第i個(gè)過程的貢獻(xiàn);n為總過程的個(gè)數(shù)。因此,用式(1)對界面張力衰減曲線進(jìn)行擬合,可以得到界面上存在的弛豫過程的個(gè)數(shù)、每個(gè)過程的特征頻率(或時(shí)間)、各個(gè)過程的貢獻(xiàn)等信息。


對于一個(gè)幅度為ΔA的瞬間界面形變過程,在形變停止后,在一定頻率下擴(kuò)張頻率模量的數(shù)值ε(ω)可以通過對界面張力衰減曲線的Fourier變換得到,如式(2)所示。


從式(2)變形得到擴(kuò)張彈性(εd)和擴(kuò)張黏性(εi)的計(jì)算公式如式(3)、(4)所示。


2實(shí)驗(yàn)部分


2.1樣品和試劑


疏水改性聚丙烯酰胺(HMPAM),工業(yè)級,北京恒聚化工集團(tuán)有限責(zé)任公司產(chǎn)品;3#航空煤油,北京化學(xué)試劑公司提供,室溫下與重蒸后的去離子水的界面張力約為40mN/m;原油,勝利油田采油廠高溫高鹽油藏采出原油;正戊烷,分析純,天津天泰精細(xì)化學(xué)品有限公司產(chǎn)品;環(huán)己烷,分析純,天津市化學(xué)試劑三廠產(chǎn)品;石油醚,分析純,北京化工廠產(chǎn)品;二氯甲烷,分析純,天津市康科德科技有限公司產(chǎn)品;實(shí)驗(yàn)用水為經(jīng)重蒸后的去離子水,電阻率≥18MΩ·cm。


2.2原油活性組分的分離


2.2.1瀝青質(zhì)


稱取50g原油置于3000mL廣口瓶中,用1950mL正戊烷溶解,靜置10d。真空抽濾,所得固體用正戊烷洗滌至濾液無色,得到瀝青質(zhì)組分。置于真空干燥箱干燥后稱量,計(jì)算瀝青質(zhì)含量。


2.2.2酸性組分


稱取20g原油置于三口燒瓶中,用50mL環(huán)己烷稀釋,加入50mL含1.5%NaOH的乙醇-水溶液(醇/水體積比7/3)。將三口燒瓶置于恒溫磁力攪拌器中,反應(yīng)體系回流攪拌5h。采用分液漏斗分液,收集水相。在油相中加入上述NaOH溶液,進(jìn)行回流攪拌、分液,重復(fù)操作5次,合并每次所得水相,用50mL石油醚萃取至醚相無色。水相進(jìn)一步用加熱套在常壓下蒸發(fā)濃縮至約100mL,冰水浴冷卻下用稀HCl溶液酸化至pH值為2~3。用50mL CH2Cl2萃取3次,合并萃取物后用蒸餾水多次洗滌至中性。CH2Cl2相用無水硫酸鎂干燥,冷藏12h,過濾、蒸除溶劑后在真空干燥箱中干燥恒重,得到原油酸性組分。


勝利原油中瀝青質(zhì)及酸性組分的含量及其元素分析結(jié)果列于表1。

表1勝利原油中瀝青質(zhì)及酸性組分的含量及其元素分析結(jié)果


2.3界面擴(kuò)張流變性質(zhì)測量


采用法國IT-CONCEPT公司TRACKER型擴(kuò)張流變儀,待體系完全達(dá)到平衡后,通過對懸掛氣泡/液滴的突然擾動,利用滴外形分析方法測定表/界面張力響應(yīng),進(jìn)行界面張力弛豫實(shí)驗(yàn)。擾動幅度15%,擾動時(shí)間1s。實(shí)驗(yàn)溫度控制在(30.0±0.5)℃。


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