鄭江鵬, 梁生康， 石曉勇, 林軍章, 汪衛(wèi)東, 宋永亭, 曹嫣鑌

(1.中國海洋大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院，山東 青島 266100；2.中國海洋大學(xué)海洋化學(xué)理論與工程技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東 青島 266100；3. 國家海洋局海洋減災(zāi)中心，北京 100194；4.中國石化勝利油田分公司采油工藝研究院，山東 東營 257000)

?

生物表面活性劑/堿復(fù)配體系的界面性能及對原油采收率的影響?

鄭江鵬1, 2, 梁生康1,2,??， 石曉勇1,2,3, 林軍章4, 汪衛(wèi)東4, 宋永亭4, 曹嫣鑌4

(1.中國海洋大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院，山東 青島 266100；2.中國海洋大學(xué)海洋化學(xué)理論與工程技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東 青島 266100；3. 國家海洋局海洋減災(zāi)中心，北京 100194；4.中國石化勝利油田分公司采油工藝研究院，山東 東營 257000)

本文以油-水界面張力為指標(biāo)，考察了碳酸鈉質(zhì)量分?jǐn)?shù)(WNa2CO3)在0.0%～1.2%時，鼠李糖脂(RL)和槐糖脂(SL)兩種糖脂類生物表面活性劑復(fù)配體系的界面性能，進(jìn)而通過巖芯驅(qū)替模擬實(shí)驗(yàn)考察具有不同界面性能的復(fù)配體系對勝利原油的驅(qū)替效果。結(jié)果表明，WNa2CO3≥0.2%時和WNa2CO3≥0.6%時，RL/SL/Na2CO3復(fù)配體系動態(tài)界面張力和平衡界面張力即可分別達(dá)到超低界面張力數(shù)量級范圍。模擬巖芯驅(qū)替實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，復(fù)配體系動態(tài)界面張力最低值達(dá)到超低界面張力時，勝利原油的采收率可顯著提高22.80%～30.30%。同時，RL/SL/Na2CO3復(fù)配驅(qū)油體系提高原油采收率較單獨(dú)Na2CO3驅(qū)油體系高2倍左右，表明RL/SL/Na2CO3復(fù)配后在提高原油采收率方面具有協(xié)同增效作用。

生物表面活性劑； 碳酸鈉； 界面張力； 驅(qū)油體系； 驅(qū)油效果

油-水界面張力降低至10-3mN/m數(shù)量級是在以表面活性劑為主體的采油體系開發(fā)中的一個重要衡量指標(biāo)[1]。單一表面活性劑很難達(dá)到此要求，可將不同類型表面活性劑復(fù)配，通過協(xié)同增效作用降低油-水界面張力、增加膠體穩(wěn)定性和減少表面活性劑在基質(zhì)上的吸附[2-3]。

和傳統(tǒng)的化學(xué)合成表面活性劑相比，生物表面活性劑具有高表/界面活性、低毒、易于生物降解、耐溫耐鹽性好、可利用再生原料生產(chǎn)等特點(diǎn)[4]，因而在石油開采行業(yè)具有極大的應(yīng)用潛力。鼠李糖脂和槐糖脂是單糖或雙糖與帶支鏈的疏水長鏈脂肪酸組成的糖脂類生物表面活性劑[5-6]。這2種糖脂不僅自身具有高表/界面活性和特殊的增溶能力，而且其復(fù)配體系較單一表面活性劑具有更低的臨界膠束濃度(CMC)，表現(xiàn)出更優(yōu)越的表/界面活性、增效行為及膠體穩(wěn)定性[7-11]。另外，這兩種生物表面活性劑發(fā)酵條件粗放、原料成本低、產(chǎn)率較高，使其在價格上較其他生物表面活性劑在石油工業(yè)方面的應(yīng)用更有競爭力[12-13]。

目前，應(yīng)用鼠李糖脂單一生物表面活性劑體系驅(qū)油研究結(jié)果表明，當(dāng)單一的鼠李糖脂的質(zhì)量分?jǐn)?shù)在0.1%～1%時，界面張力為8.4～17.3mN/m，沒有達(dá)到超低范圍，難以有效提高原油采收率[14]。同時，鼠李糖脂生物表面活性劑與烷基苯磺酸鹽化學(xué)合成表面活性劑在原油驅(qū)替中的應(yīng)用也有報(bào)道，二者復(fù)配體系界面張力可以達(dá)到10-3mN/m數(shù)量級，但需要在NaOH質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.2%的條件下[15]。由于強(qiáng)堿體系會導(dǎo)致油水井和地層通常伴隨著嚴(yán)重的結(jié)垢問題，這些垢結(jié)晶會堵塞油層孔隙，使油層受到傷害，因而，弱堿和無堿驅(qū)油體系已經(jīng)成為我國主要大油田發(fā)展趨勢[16-17]。目前尚未有關(guān)于2種及以上生物表面活性劑復(fù)配體系的界面張力及在原油開采領(lǐng)域方面的應(yīng)用報(bào)道。鑒于鼠李糖脂和槐糖脂類生物表面活性劑具有不同的離子性質(zhì)和特殊的結(jié)構(gòu)，二者復(fù)配有可能獲得具有超低界面張力的高效驅(qū)油劑。本文以油-水平衡界面張力和動態(tài)界面張力為指標(biāo)，在確定鼠李糖脂、槐糖脂兩種糖脂類生物表面活性劑復(fù)配比例的基礎(chǔ)上，考察在不同碳酸鈉濃度下該復(fù)配體系的界面性能，獲得具有超低界面張力的驅(qū)油體系，進(jìn)而通過巖芯驅(qū)替模擬試驗(yàn)考察具有不同界面張力的驅(qū)油體系對原油的驅(qū)替效果，并探討其驅(qū)油機(jī)制。

1 實(shí)驗(yàn)材料和方法

1.1 主要試劑與儀器

鼠李糖脂(RL)由銅綠假單胞菌(P.aeruginosa)O-2-2以花生油為碳源在實(shí)驗(yàn)室發(fā)酵制備，包含21種鼠李糖脂的同系物，這些同系物都由1～2個分子的鼠李糖和1～2個含β-羥基的碳鏈長度為8～12的飽和或不飽和脂肪酸構(gòu)成[8]；槐糖脂(SL)由假絲酵母菌(C.bombicola)O-13-1以油酸和葡萄糖為碳源在實(shí)驗(yàn)室發(fā)酵制備[7]，主要包含7種乙?；〈暮?7-羥基十八烯酸或十八烷酸的內(nèi)酯型槐糖脂同系物。兩種表面活性劑的主要理化性質(zhì)見表1。

表1 實(shí)驗(yàn)用生物表面活性劑的理化性質(zhì)Table 1 Properties of rhamnolipid and sophorolipid

無水碳酸鈉：國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司，純度≥99.8%。

原油：為勝利油田沾三區(qū)塊原油，密度為0.987g/m3，黏度為1885mPa/s；實(shí)驗(yàn)用水依據(jù)勝利油田沾三區(qū)塊注入水組成配制，pH為7.66，礦化度為11196mg/L。

旋轉(zhuǎn)滴界面張力儀：型號為TX500D，上海梭倫科技信息有限公司生產(chǎn)。

巖心：模擬勝利油田地層結(jié)構(gòu)的人工充填模型。根據(jù)勝利油田沾3區(qū)塊油藏滲透率選擇不同配比的石英砂，所填砂管由550～380、380～250、250～180、180～150、150～106和106～75μm的石英砂按照12.9%、16.2%、29.0%、25.8%、11.3%和4.8%的比例配制而成，采用逐級均勻加砂和加壓的方法填裝模型管。巖心模型空氣滲透率與該區(qū)塊平均滲透率相當(dāng)，即在 0.7～1.5μm2內(nèi)。

表2 勝利油田注入水組成Table 2 Composition of injected water of Shengli Oil field

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 復(fù)合體系界面性能評價

1.2.1.1 鼠李糖脂與槐糖脂復(fù)合體系界面性能評價 設(shè)置RL和SL生物表面活性劑總質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為0.10%、0.15%、0.2%，調(diào)整ω分別為0、0.05、0.10、0.20、0.40、0.60、0.80、0.90、0.95和1.00，配置系列溶液并測定其油-水界面張力(γ)。其中，ω表示槐糖脂占兩種生物表面活性劑的質(zhì)量分?jǐn)?shù)。

界面張力測定參照行標(biāo)(SY/T5370—1999)《表面及界面張力測定方法》，旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速為 4000r/min。

1.2.1.2 鼠李糖脂、槐糖脂與碳酸鈉復(fù)配體系界面性能評價 油-水界面張力具有動態(tài)(瞬時)界面張(γcl)力最低值和平衡界面張力γe兩種，前者是由于表面活性劑分子在與原油的相互作用過程中，表面活性劑分子會在油-水界面不斷進(jìn)行吸附和解吸，導(dǎo)致油-水界面張力會隨著時間不斷變化，所出現(xiàn)的最低值稱為動態(tài)界面張力最低值[16-18]；后者是指驅(qū)替過程中油水界面張力隨時間增長會達(dá)到一個平衡值，這個值即為平衡界面張力。本文在篩選出的生物表面活性劑復(fù)配體系中添加無機(jī)堿碳酸鈉，使體系中碳酸鈉質(zhì)量分?jǐn)?shù)CNa2CO3分別為0%、0.05%、0.1%、0.2%、0.4%、0.6%、0.8%、1.0%、1.2%，測定體系平衡界面張力、動態(tài)界面張力最低值，考察復(fù)配體系界面性能。

1.2.2 界面張力特征對提高采收率的影響 通過巖心物模實(shí)驗(yàn)[19]，以原油采收率為指標(biāo)，在溫度為60℃，驅(qū)替速度為1.5mL/min的條件下，考察復(fù)合體系在不同界面張力條件下(范圍為10-1、10-2、10-3、10-4mN/m)體系驅(qū)油效果。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2. 1 復(fù)合體系界面性能評價

2.1.1 鼠李糖脂與槐糖脂復(fù)合體系界面性能評價 以γ/γ0表示相對界面張力值，代表γ(復(fù)配體系界面張力值)相對于γ0(無表面活性劑界面張力)的比值。圖1給出了在生物表面活性劑總質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為0.10%、0.15%、0.20%時，RL和SL不同復(fù)配比例下的混合生物表面活性劑體系的界面活性。復(fù)配體系的相對界面張力值隨著ω值的增大呈現(xiàn)出先降低后升高，然后降低后又升高的總體趨勢。當(dāng)RL和SL總質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.15%，ω=0.20時，體系的相對界面張力達(dá)到最低。這表明兩種生物表面活性劑具有協(xié)同作用，主要是由于非離子表面活性劑槐糖分子與陰離子表面活性劑鼠李糖脂分子復(fù)配時會形成混合膠束，非離子表面活性劑分子與陰離子表面活性劑分子相互嵌套，可以大大降低陰離子表面活性劑分子的親水基之間的靜電斥力，大大減少膠團(tuán)電荷密度[11, 20]，鼠李糖脂分子與槐糖脂分子之間的斥力小。槐糖脂分子與鼠李糖脂分子相互嵌套形成的膠團(tuán)中，槐糖脂分子的加入削弱了陰離子表面活性劑鼠李糖脂的電荷排斥，分子排列更為緊密，形成更致密的膠束結(jié)構(gòu)，使得體系產(chǎn)生高界面效力，從而使界面張力降低到更低水平[11]。

圖1 鼠李糖脂與槐糖脂不同復(fù)配比例下體系相對界面張力Fig.1 The relative interfacial tensions of the rhamnolipid and sophorolipid mixed systems in the different proportions

2.1.2 碳酸鈉對鼠李糖脂和槐糖脂復(fù)配體系界面性能評價 堿的使用不僅會影響糖脂類生物表面表面活性劑存在形態(tài)，而且會直接作用于原油，從而影響體系的界面活性[21]。本文選取碳酸鈉作為堿劑，考察不同堿濃度對RL和SL復(fù)配體系(RL和SL總質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.15%,ω=0.2)平衡界面張力和動態(tài)界面張力最低值。結(jié)果表明(見圖2)，隨著碳酸鈉濃度升高，復(fù)配體系的平衡界面張力與動態(tài)(瞬時)界面張力最低值，均呈現(xiàn)先快速降低然后基本保持不變的變化趨勢，在堿質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.6%～1.2%范圍內(nèi)，復(fù)配體系的平衡界面張力達(dá)到10-3mN/m數(shù)量級，而在堿濃度大于0.2%時，體系的動態(tài)界面張力最低值就可以達(dá)到10-3mN/m數(shù)量級，而一般的化學(xué)合成表面活性劑的界面張力達(dá)到10-3mN/m數(shù)量級需要加入的堿的量高于1.2%[22-23]。所以碳酸鈉與兩種糖脂類生物表面活性劑復(fù)配在降低油-水界面張力方面具有良好的協(xié)同效應(yīng)。

2.2 生物表面活性劑/碳酸鈉界面張力對提高采收率的影響

在復(fù)合驅(qū)驅(qū)油體系篩選過程當(dāng)中，不同體系中界面張力達(dá)到何種數(shù)量級才能有效提高采油率是驅(qū)油劑篩選的關(guān)鍵。應(yīng)用動態(tài)界面張力還是應(yīng)用平衡界面張力作為驅(qū)油體系的篩選指標(biāo)，不同研究者之間存在爭議[24-26]。 Kevin等[27]通過研究證明動態(tài)界面張力最低值與驅(qū)油效率的相關(guān)性更好而平衡界面張力并不是必要條件。本文通過巖芯驅(qū)替實(shí)驗(yàn)，考察了具有不同界面張力的鼠李糖脂和槐糖脂生物表面活性劑復(fù)配體系對勝利原油驅(qū)油效果，并對比體系動態(tài)界面張力和平衡界面張力對原油采收率的影響，結(jié)果見表3?？梢钥闯?，盡管復(fù)配體系的平衡界面張力和動態(tài)界面張力最低值都隨碳酸鈉濃度增大而減小，而原油采收率則隨界面張力張力減小呈現(xiàn)先基本保持不變?nèi)缓罂焖僭龃笕缓缶徛档偷淖兓厔?。具體來講，在碳酸鈉濃度低于0.1%時，體系的平衡界面張力維持8.2×10-1～1.0×10-1mN/m之間，動態(tài)界面張力最低值維持在6.6×10-1～8.7×10-2mN/m范圍內(nèi)，原油最終采收率基本維持在60%左右，空白對照組原油最終采收率為57.20%，原油最終采收率并未明顯提高；在碳酸鈉濃度大于0.2%時，體系的平衡界面張力維持5.9×10-2～5.6×10-3mN/m之間，動態(tài)界面張力最低值維持在9.9×10-3～6.1×10-4mN/m范圍內(nèi)，原油最終采收率達(dá)到80.10%～87.60%，提高采收率22.80%～30.30%，原油采收率提高明顯。

圖2 不同碳酸鈉濃度條件下，體系平衡界面張力、動態(tài)界面張力的變化Fig.2 The change of equilibrium and dynamic interfacial tension in the different concentration of sodium carbonate

上述分析結(jié)果表明，在較低的碳酸鈉濃度下，即使驅(qū)油體系的平衡界面張力未達(dá)到超低界面張力值(10-3mN/m)，而動態(tài)界面張力最低值達(dá)到時，原油采收率即可明顯提高，這與Kevin等[27-28]的研究結(jié)果一致。這是由于驅(qū)油體系在剛進(jìn)入油層與原油進(jìn)行反應(yīng)的時候可以形成超低界面張力，此時驅(qū)油體系可以活化原油，使其從巖石上剝離下來并隨體系不斷推移，在推移過程中積聚的原油增加，使得體系黏度增大，導(dǎo)致驅(qū)油體系的波及范圍和波及效率升高，從而提高原油采收率[29-30]。當(dāng)油水瞬時界面張力最低值達(dá)到10-3mN/m數(shù)量級時，隨著平衡(或動態(tài))界面張力的降低，復(fù)配體系的驅(qū)油效率變化不大。這表明，該復(fù)合驅(qū)不僅具有較高的驅(qū)替率，而且降低了堿的使用量，減少堿對地層的損傷，因而具有良好的應(yīng)用潛力。

表3 不同碳酸鈉濃度條件下，鼠李糖脂和槐糖脂復(fù)配體系平衡界面張力、動態(tài)界面張力最低值和最終采收率Table 3 Enhancing-oil recovery, equilibrium interfacial tension and dynamic interfacial tension of the rhamnolipid-sophorolipid mixed systems with the different concentration of sodium carbonate

2.3 生物表面活性劑復(fù)配體系提高原油采收率效果評價

堿可以與原油中的有機(jī)酸發(fā)生皂化反應(yīng)，生成有機(jī)酸皂類的表面活性劑；可以改變巖石表面的潤濕性，減小原油阻力；同時可以乳化原油，增加原油的流動性，增加驅(qū)替液的黏度，從而增大驅(qū)替液的波及范圍和波及效率。另外堿劑可以作用于表面活性劑，減少表面活性劑在巖石上的吸附，調(diào)節(jié)地層中的離子強(qiáng)度，從而改善表面活性劑在巖石上的分布狀態(tài)，提高原油采收率。本文進(jìn)一步通過巖芯驅(qū)替實(shí)驗(yàn)比較了RL/SL/碳酸鈉復(fù)配體系和單獨(dú)碳酸鈉體系對勝利原油驅(qū)替效果(見圖3)，可以看出，RL/SL/碳酸鈉復(fù)配體系和單獨(dú)碳酸鈉體系的原油采收率分別達(dá)到87.6%和70.8%，較空白對照體系分別提高32.8%和16.6%，復(fù)配體系提高原油采收率較單獨(dú)碳酸鈉體系高1倍左右。這表明鼠李糖脂、槐糖脂與碳酸鈉復(fù)配成的驅(qū)油體系在提高原油采收率上呈現(xiàn)出良好的協(xié)同效應(yīng)。

圖3 RL/SL/碳酸鈉復(fù)配體系與單一碳酸鈉體系驅(qū)油效果比較Fig.3 Comparasion of enhancing-oil recovery between the RL/SL/sodium carbonate and the sodium carbonate system

3 結(jié)論

(1)RL/SL/Na2CO3復(fù)配體系(RL和SL總質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.15%,ω=0.2)，當(dāng)WNa2CO3≥0.2%和WNa2CO3≥0.6%時，復(fù)配體系動態(tài)界面張力和平衡界面張力可分別達(dá)到超低界面張力數(shù)量級范圍。

(2)模擬巖芯驅(qū)替實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，復(fù)配體系動態(tài)界面張力最低值達(dá)到超低界面張力時，勝利原油的采收率可顯著提高22.80%～30.30%，這表明，RL/SL/Na2CO3復(fù)配體系動態(tài)界面張力達(dá)到超低值可以顯著提高原油采收率。

(3)模擬巖芯驅(qū)替實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，RL/SL/Na2CO3復(fù)配體系提高原油采收率較單獨(dú)Na2CO3體系高2倍左右，表明RL/SL/Na2CO3復(fù)配后在提高原油采收率方面具有協(xié)同增效作用。

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責(zé)任編輯 徐 環(huán)

Oil-Water Interfacial Activities of Rhamnolipid-Sophorolipid Mixed Biosurfactants Systems and Their Effects on Oil Displacement Efficiency

ZHENG Jiang-Peng1,2， LIANG Sheng-Kang1,2， SHI Xiao-Yong1,2,3, LIN Jun-Zhang4, WANG Wei-Dong4, SONG Yong-Ting4,CAO Yan-Bin4

(1. College of Chemistry and Chemical Engineering, Ocean University of China, Qingdao 266100, China; 2. The Key Laboratory of Marine Chemistry Theory and Technology, Ministry of Education, Ocean University of China, Qingdao 266100, China; 3. National Marine Hazard Mitigation Service, SOA, Beijing 100194,China; 4.Research Institute of Oil Production Technology, Shengli Oil field Company， Dongying 257000, China)

In this study, both the equilibrium interfacial tension (IT) and dynamic IT of rhamnolipid (RL)-sophorolipid (SL) mixed biosurfactants system with the mass fraction of sodium carbonate (Na2CO3) at range of 0.0%～1.2% were investigated, and efficiency of the “RL/SL/Na2CO3” system possessing different equilibrium and dynamic interfacial tension was also evaluated through the core simulation experience of oil displacement. The dynamic IT of the system came to the ultralow degree at the mass fraction of Na2CO3as low as 0.2%, while the equilibrium IT of the system met the standard of ultralow only at the mass fraction of Na2CO3as high as 0.6%. The oil displacement system (ODS) possessing the dynamic IT value as low as 10-3mN/m, could enhance the oil recovery as high as 22.80%～30.30%, which indicated it is necessary for the ODS to decrease the value of the oil-water dynamic IT until meeting the ultralow degree. On the other hand, the enhancing-oil recovery of “RL/SL/ Na2CO3” system was twice more than the sole Na2CO3system, which indicated there is synergistic effect for enhancing oil recovery between the components in the RL/SL/Na2CO3system.

biosurfactant; sodium carbonate; interfacial tension; oil displacement system; the effiency of enhancing-oil recovery

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(41371314)資助

2014-04-21；

2014-05-28

鄭江鵬(1989-)，男，碩士生。E-mail：zjp7390@126.com

?? 通訊作者： E-mail： liangsk@ouc.edu.cn

TE

A

1672-5174(2015)06-072-06

10.16441/j.cnki.hdxb.20140149