2008年12月 石油学报(石油加工) ACTA PETROl El SINICA(PETROLEUM PROCESSING SECTION) 第24卷第6期 文章编号:1001—8719(2008)06—0682~08 低浓度表面活性剂一聚合物二元复合驱油体系的 分子模拟与配方设计 曹绪龙 (中国石化胜利油tit地质科学研究院,山东东营257015) 摘要:采用耗散颗粒动力学(DPD)方法在介观层次上模拟了表面活性剂烷基苯磺酸盐在油一水界面的排布行为,考 察了分子结构、油相等因素对界而密度和界面效率的影响,探讨了利用表面活性剂复配协同效应提高界面活性的 机理。实验研究了表面活性剂类型、油相、表面活性剂复配等对油一水界面张力的影响。结果表明,“阴+非”表面 活性剂复配可使油一水界面张力降低1个数量级。根据分子模拟和实验研究结果,结合孤东七区试验区原油特点, 提出厂“0.3 石油磺酸盐+O.1%表面活性剂1 +0.15 聚合物”的二元复合驱配方,可使油一水界面张力降低至 2.95×10 mN/m,物理模拟实验提高采收率高达18.1 。 关键词:表面活性剂聚合物二元复合驱油体系;耗散颗粒动力学模拟;烷基苯磺酸钠;石油磺酸盐;界面张 力;提高采收率 中图分类号:TE327 文献标识码:A MESoSCoPIC SIMULATIoN AND DESIGN ON DILUTE SURFACTANT—PoLYMER SYSTEM CAO Xu—long (Geological Scientific Research Institute,Shengli Oilfield,SINOPEC,Dongying 257015,China) Abstract:With a simple coarse grained model,the properties of sodium dodecylbenzene sulphonate (SDBS)adsorbed at the water oil interface were investigated on a mesoscopic level by considering the variation of interfacial density and by using dissipative particle dynamics(DPD)simulation. Meanwhile,the effects of surfaetant structure and oi1 components on the interfacial effectiveness and efficiency were also studied.The way how to increase interfacial activity was inquired by synergy caused by mixed surfactants system.The effects of surfactant type,different oil phase and mixed surfactants on interfacia1 tension of oil—water were experimented.It iS shown that interfacia1 tension of oil water in the system of oil and the mixture of nonionic and anionic surfactant was One order of magnitude lower than that of oil and single surfactant solution system.Based on the molecular simulation and experimental results,a dilute dual surfactant system,03 V00 petroleum .sulfonate plus 0.1 surfactant 1 。was designed under the circumstances of Gudong oilfield formation.The interfacial tension of oil—water in the system of crude oil and dua1 surfactant solution was 1owered to 2.95×10 mN/m and the oi1 recovery enhanced up to 18.1 9/6. Key words: surfactant—polymer system;dissipative particle dynamics simulation; sodium dodecylbenzene sulphonate;petroleum sulfonate;interfacial tension;enhanced oil recovery 收稿日期:2007—12-13 基金项目:中国石油化工股份有限公司重大先导项目“孤东油田七区西Ng5 4-6 二元复合驱先导试验”(P03003)资助 通讯联系人:曹绪龙,Tel:0546—8715384;E mail:dzycxl@slof.com 第6期 低浓度表面活性剂一聚合物二元复合驱油体系的分子模拟与配方设计 683 20世纪8O年代中期,继碱水驱、聚合物驱和 表面活性剂驱之后,研究人员结合碱水与表面活性 剂在降低油一水界面张力方面的超加合作用和聚合物 溶液在驱替过程中的流度控制作用,提出了三元复 合驱油方法,并在现场开展了试验,获得了较好的 提高石油采收率效果l_】 ]。在三元复合驱体系中, 使用的碱为碳酸钠或氢氧化钠。但是由于碱水与原 油中酸性组分作用产生油包水型、多重型或水包油 型乳状液,使得生产井采出液处理非常困难。同时, 使用碳酸钠时,碱水与配注水中钙镁离子易于沉淀 结垢,使得注入井不能正常工作;使用氢氧化钠时, 碱与岩石矿物的反应会造成采油井结垢,使得生产 井正常工作有困难。因此,探索采用无碱的低浓度 表面活性剂一聚合物二元复合驱油体系提高石油采收 率的可行性非常必要。常规表面活性剂与原油之间 的界面张力在0.1 mN/m数量级,无法满足大幅度 提高采收率时油一水界面张力10 mN/m数量级的 要求,因此在无碱条件下如何在低浓度表面活性剂 时达到界面张力的要求是二元复合驱油解决的关键 问题。能否有效降低界面张力取决于表面活性剂在 油一水界面上的排列方式和排列密度。目前通过实验 方法进行液一液界面上表面活性剂分子排列研究非常 困难,因此关于油一水界面微观范围内分子水平的信 息非常缺乏。笔者借用分子模拟中耗散颗粒动力学 (DPD)方法,模拟油、水共存时烷基苯磺酸盐表面 活性剂在油一水界面的排布,探讨了烷基苯磺酸盐与 非离子表面活性剂复配在油一水界面上排列的协同作 用,对二元复合驱配方设计提供指导,以试验结果 为基础设计了有效的二元复合驱油配方。 1实验方法 1.1 材料 1.1.1表面活性剂 十二烷基苯磺酸钠(SDBS),化学纯,含量 82.5 ,上海化工公司产品;Triton X一100(TX一 100)购自Fluka;石油磺酸盐,有效物质量分数 32 ,胜利油田中胜环保有限公司产品;驱油表面 活性剂1 为阴非复合表面活性剂,有效物质量分 数58 ,东营远大化工公司产品。 1.1.2聚合物 KYPAM,固含量(质量分数)89.8 ,黏均相对 分子质量2.358×10 ,北京恒聚油田化学剂公司产 品。 1.1.3实验用油 甲苯(AR)、正辛烷(AR)均为天津市化学试剂 一厂产品;孤东油田七区西二元复合驱试验区 32—175井原油(经脱水、脱气处理),原油黏度 45 mPa.S。 1.1.4实验用水 孤东油田七区西二元复合驱试验区注入水(经 3 滤膜过滤),总矿化度7883 mg/1,其中Ca + Mg抖质量浓度231 rag/1,水型NaHCO 。 1.2仪器 采用TEXAS500型旋转滴界面张力测定仪测定 油一水界面张力。实验温度70℃,表面活性剂溶液 用过滤后的试验区注入水配制。 1.3物理模拟试验 孤东油田七区西二元复合驱试验区油砂经酒精 苯抽提、烘干,过筛后装人 2.54 cm×3O cm模型 管,制成渗透率2.5达西模型。室温(25℃)下抽空、 饱和试验区注入水后,在70℃下饱和取自试验区的 模拟油,放置12 h后用试验区注入水驱替至模型出 口含水体积分数为98 ,转注化学剂段塞,然后再 用试验区注入水驱替至出口含水体积分数为98 , 结束试验。 2模拟方法 DPD方法是1992年由HoogerbruggeL7 提出的 一种针对复杂流体的介观层次的模拟方法,这些流 体包括分散体系、乳状液、高分子溶液等。 DPD模拟中的基本颗粒是珠子,珠子的动力学 行为遵守Newton运动方程式(1)l_8]。 誓一 T一 ,U t— — 一警一flU (L1』), 式(1)中, 、 m 、-厂f、t分别代表珠子的位置、 速度、质量、珠子所受的作用力(mN)和时间。每 个珠子所受到的力可分为3部分:保守力 (Conservative force, )、耗散力(Dissipative force,F )和随机力(Random force,F )。其中, 保守力是沿中心线方向的一种柔性排斥力,可用 式(2)表示。 F 一一a ,(1一Ir 1)r r ≤1 (2) 式(2)中a 为粒子i和J之间的相互作用参数, /f I 7— =rz一 ,r 一r /}r//I。 耗散力正比于两个珠子之间的相对速度,其目 的是为了减小相对矢量,由式(3)表示。 684 石油学报(石油加工) 第24卷 F 一一 。(r )(r v )r , r ,≤1 (3) 式(3)中,7为摩擦系数, 。( )为与r有关的短程 权重函数。 所有成对珠子之间的随机力由式(4)表示。随机 力在模拟体系中充当热源,向体系提供能量。 F 一 (r ,) ,r ,| ≤1 (4) 式(4)中, 为噪声振幅, (r )也是与r有关 的权重函数,已为O~1之间的随机变量,符合高斯 统计力学。 上述3种作用力在,大于截断半径r ,即 r >1个DPD单位时均为0。模拟中,粒子的质量、 温度和格子的长度都采用DPD单位,能量采用 T 为单位。 模拟中的表面活性剂由一个亲水的端基点H和 一个疏水的端基点T组成,相连的点、点之间采用 简单的谐振动弹簧连结,弹性系数C 4.0l_g]。水分 子和油分子分别用单个珠子w和O来表示。选择 不同的参数以表示不同珠子之间相互作用大小的不 同,即用相互作用参数来描述表面活性剂亲水、疏 水端基与水分子和油分子相互作用的大小。这种 DPD参数可以通过公式(5)与Flory Huggins参数 联系起来,从而能够更好地模拟实际流体的行为。 “ 一““十 “ + — — ==一=25+3.27 十・ (T)¨ _0—3 (5) 式(5)中,a 是DPD相互作用参数,P为珠子密度 (个数/格)。 可通过Blend模块进行全原子模拟计 算两者的相互作用混合能来算得。 为了便于研究体系的界面性质,本研究中所有的 模拟均采用20×1O×1O的格子,珠子密度为3.0, 格子含有6000个珠子。不同珠子之间的相互作 用参数由上述的理论模拟得到。DPD模拟运行 20000步,步长0.05。 3结果与讨论 3.1 表面活性剂结构与油相结构关系的分子模拟结 果 3.1.1 表面活性剂疏水端基的影响 为了弄清表面活性剂结构和原油结构对油水界 面上表面活性剂分子排列的影响,笔者改变表面活 性剂疏水基和油相类型,考察表面活性剂分子在 油水界面的排布和行为,通过界面密度的大小和 油一水界面分子排布的有序性来表征表面活性剂在 油一水界面呈现的活性,验证表面活性剂对油相分子 的选择性和适应性,以便确定各不同油相组分最适 宜的表面活性剂。采用分子模拟方法研究了含不同 结构亲水基表面活性剂和含不同碳链长度烷烃的油一 水体系中表面活性剂在油水界面的排列。图1为不 同烷基苯磺酸盐类表面活性剂分别和正辛烷、十二 烷和十六烷组成的油一水体系中油水界面上吸附的 表面活性剂数量N 从(个/格)与其油一水界面张力相 对值R的关系。R定义为含表面活性剂时的油一水 界面张力与不含表面活性剂时的油一水界面张力之 比。表1为疏水基碳链长度不同的磺酸盐在碳链长 度不同的烷烃为油相的油一水界面最大吸附时,分子 模拟得到的排列数量N 。由图1和表1可以看 出,正辛烷为油相时疏水链碳原子个数为8的表面 活性剂C。H C H SO。Na的界面效率(油一水界面张 力曲线下降速率)和界面效力(油一水界面张力最低 值)均最佳;而油相为十二烷时,表面活性剂 C 。H。 C。H SO。Na为最好;油相为十六烷时,表面 活性剂C H。。C。H SO。Na为最好。因此,表面活 性剂疏水链与油相烷烃碳链长度越相近,界面上吸 附的表面活性剂分子越多,表面活性剂在油一水界面 上排列越紧密,界面效率越高,降低油水界面张力 的能力越强。 表1不同磺酸盐表面活性剂溶液与不同油相组成的体系中 表面活性剂在油一水界面上最大吸附数量(NsAA) Table 1 Maximum adsorbed numbers(NsAA)of sulfonates on the oil-water interface of systems with different sulfonates and different alkanes 3.1.2表面活性剂亲水基的影响 结合常见的表面活性剂类型和油田采油技术的 需要,笔者选用阴离子类型(磺酸根、硫酸根、羧酸 根)、非离子类型(双取代烷醇酰胺基、单取代烷醇 酰胺基)和两性(甜菜碱类、阴非两性、阴阳两性)表 面活性剂,以十二烷为油相,进行分子模拟计算。 图2为不同亲水基表面活性剂分子模拟结果。纵坐 标表示表面活性剂在油水界面的吸附量N M,横 坐标表示表面活性剂在油一水界面的相对位置(格数)。 第6期 低浓度表面活性剂聚合物二元复合驱油体系的分子模拟与配方设计 685 ^:|l 图1 不同链长磺酸盐表面活性剂溶液和正辛烷、十二烷和 十六烷组成的体系油一水界面表面活性剂吸附量(N “) 与其油一水界面张力相对值(R)的关系 Fig.1 Adsorbed numbers(』vsAA)of sulfonates on the interface of oil—water of the system with different sulfonates and different alkanes VS the relative value(R)of interfacial intension (8)()ctane;(b)Dodecane;(C)Hexadecane; (1)CHH1 (、6H1S()0Na;(2)C1 1H 2lC6HlS() Na; (3)C1 RH- 【、“H【S()_Na 图3为DPD模拟得到的不同表面活性剂烷烃体系 中油水界面张力的相对值R。由图3可知,体系的 油一水界面张力相对值R随着表面活性剂在界面上 N 、.、的增加而降低,且硫酸基和磺酸基表面活性剂 的降低幅度大于其他表面活性剂,即降低相同油一水 界面张力值时所需硫酸基表面活性剂在界面上的吸 附数量要小于其他表面活性剂在界面上的吸附数量。 在同一油水界面_lf ,降低相同界面张力值时所需的 界面吸附数量越小,则说明其界面效率越高。一般 来讲,为降低表面活性剂用量,在界面吸附表面活 性剂数量相同时,应当选择油一水界面张力越低的表 面活性剂,因此由图2结果并结合图3模拟结果可 以得出,在油相为十二烷条件下,相对于本模拟研 究中其他类型的表面活性剂而言,磺酸盐类或硫酸 盐类表面活性剂更适合作驱油用表面活性剂。 图2饱和吸附时不同亲水基表面活性剂油一水界面 吸附量』v 的分布 Fig.2 NsAA distribution of different surfactants on oil—water interface at maximum adsorption (1)Sulfonate;(2)Sulfate;(3)Carboxylate;( 1)Bialkylolamides (5)Monoalkylolamidc;(6)Betaine;(7)Anionic cationic; (8)Anionic nonionic I)odecane as the oil phase 1 2 O.8 O.4 O 0 l50 图3 不同表面活性剂体系油一水界面张力相对值(R) 与表面活性剂界面吸附量(N )的关系 Fig.3 The relative value(R)of interfaeial tension VS the adsorbed numbers(NsAA)for various kinds of surfactants on oil—water interfaee (1)Sulfonate;(2)Sulfate;(3)Carboxylate;(4)Bialkylolamides (5)Monoalkylolamide;(6)Betaine;(7)Anionic cationic; (8)An】onic nonjonjc 686 石油学报(石油加工) 第24卷 通过上述模拟计算可以看出,由于原油主要成 图4(a)为在最大吸附数量(a =25)下SDBS 在界面上的分布。可以看出,表面活性剂并非均匀 地在界面上排布,而是由亲水基组成的团簇和油分 子或水分子填充的空腔组成。这说明由于这些空腔 的存在,表面活性剂分子在油一水界面上排列不够紧 密,使得SDBS油一水体系的油水界面张力不能达 到超低。 分由不同碳链的烃类组成,因此为了达到有效降低 油一水界面张力的目的,配方中所使用的表面活性剂 应由不同长度疏水链的表面活性剂组成,亲水基团 为磺酸盐类有利。 3.2表面活性剂SDBS和TX一100在油一水界面上的 分子模拟结果 图4 SDBS在界面上的排布(d =0.329)及SDBS和TX-100在油一水界面上的混和排布 Fig.4 Simulation section snapshot of SDBS adsorption interface at d…int=0.329 and distribution of SDBS and TX一100 on the oil—water interface Green and magenta beads represent tail chains of SDBS and TX 100 respectively,and red and cyan beads represent their head groups; Water and oil beads are removed for the convenience of observation (a)SDBS adsorption on oil water interface at d =0.329;(b)1)istribution of SDBS and I'X 100 on oil water interface 图4(b)为阴离子表面活性剂SDBS与非离子表 面活性剂TX 100在油一水界面共吸附的分子模拟结 果。与单一的表面活性剂SDBS分子形成的界面层 较低的油一水界面张力。同时还可看出,烷基苯磺酸 钠与TX一100按一定比例复配与由正辛烷和甲苯组 成的油相体系的油一水界面张力,f:L ̄-者单独使用时 的要低。由实验结果可见,表面活性剂与油相分子 结构相似易得到的较低的油一水界面张力,表面活性 剂复配对降低复杂组成的原油的油~水界面张力有 利,因为2种表面活性剂复配对表面活性剂在油一水 相比,“阴+非”复配体系中,TX一100分子形成的团 簇填充了一些大的空穴,使得表面活性剂之间排列 更加紧密。Li等口 12]和孙焕泉等[1。 也得到了类似 的分子模拟结果。从分子模拟结果可以看出,通过 阴非离子表面活性剂复配可增加表面活性剂在油 界面排列有填充空腔和楔形插入的作用。此实验结 果与上述分子模拟结果相一致。 依据上述分子模拟和实验的结果,在设计二元 复合驱油配方时,一方面考虑了与原油结构相似的 表面活性剂(如石油磺酸盐)的应用,另一方面充分 水界面上排列的紧密程度,提高表面活性剂的界面 效率,有利于大幅度降低油一水界面张力。 3.3二元复合驱油配方设计 3.3.1 油一水界面张力试验 笔者采用过滤的试验区采出污水将表面活性剂 配制成0.5 溶液,在70 C条件下测定了不同表面 考虑了表面活性剂之问复配增效的作用。图5为石 油磺酸盐(SI PS)和表面活性剂1 复配与孤东七区 活性剂溶液与不同油相组成的体系的油一水界面张 力,结果列于表2。可以看出,含有苯环的烷基苯 磺酸钠溶液与含有苯环的油相问具有最低的油一水界 面张力;而TX 100表面活性剂溶液与烷烃则具有 西试验区原油体系的油一水界面张力曲线。体系中石 油磺酸盐复配剂的质量分数为0.4 ,其中SI PS为 0.3 ,表面活性剂l 为0.1 。从图5可见, SI PS与目的层原油体系的油一水界面张力为7.8× 第6期 低浓度表面活性剂一聚合物二元复合驱油体系的分子模拟与配方设计 687 表2不同表面活性剂与不同油相体系_的油一水界面 张力(IFT)测定结果 Table 2 Experimental results of interracial tension(IFT) of oil-water for the system with different 0il and snrfactants 0 10 20 30 40 50 60 70 t}min 图5石油磺酸盐(SLPS)及其与表面活性剂l 复配剂与 孤东七区原油体系的油-水界面张力(IFT)曲线 Fig.5 Oil-water interracial tension(IFT)curves for the systems of crude oil from 7#unit of Gudong oilfield and petroleum suionatfe(SLPS),SLPS pis nsurfactant 1 (1)SLPS:(2)SLPS+Surfactant 1 表3为二元复合驱油体系和聚合物驱的物理模 拟试验结果。从表3可见,在同等注入段塞尺寸条 件下,二元复合驱油体系比单一聚合物驱提高采收 率增加6.4 。在同等经济条件下,前者比后者提高 采收率增加2.9 。对比吨聚增油效果可见,尽管在 注入同等段塞尺寸时,二元复合驱油体系比聚合物折 合吨聚增油低,但在同等经济条件下,使用1 t前者 比使用1 t后者可多采出11.5 t油,因此二元复合驱 The mass fraction of surfactant in each experimental system was 0.5 体系比单一聚合物具有更高的提高采收率效果。这是 因为在岩心驱替试验过程中,二元复合驱油体系不仅 扩大了波及体积,而且增加了洗油效率。孤东七区西 现场实验结果证明了二元复合驱油方法的有效 性l1 ,因此二元复合驱具有较好的应用前景。 10 mN/m;而SLPS与表面活性剂1 复配后与目的 层原油体系的油一水界面张力低达2.95×10 mN/m。 3.3.2物理模拟试验 表3二元复合驱油体系与聚合物驱物理模拟试验结果 Table 3 Core flooding results of surfactant—polymer and polymer flooding The estimated polymer price was 20000 RMB/t;Crude oil density was 0.902 g/cm。;EOR—Enhanced oil recovery;OOIP--Original oil in— place;ROIP--Residual oil in—place 4结论 (1)DPD模拟可作为一种有效的工具,从介观 喜薏 蠢 中的信息,为 (2)表面活性剂在油一水界面层吸附,其分子结 688 石油学报(石油加工) field[J].SPERE,2002,3(6):552—558. 第24卷 构、外界环境、油相组成都会对界面性质有重要影 响。模拟结果展示了表面活性剂在油一水界面层的排 布形态,在界面层中,SDBS并不是均匀地排布的, 而是其端基聚集成小的团簇,空腔部分由水分子或 油分子填充,正是由于这些水(油)腔的存在使得 SDBS体系界面张力不能达到超低,需要复配非离 子表面活性剂填充空穴来实现。因此,阴一非离子表 E6]CHANG H,ZHANG Z Q,SUN H Q,et a1.Advances in polymer flooding and alkaline-surfactant-polymer processes as developed and applied in the People's Repulic of China[J].JPT,2006,58(2):84—89. 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Es]PITTS M J,PATTERSON D.Alkaline-surfactant polymer flooding of the Cambridge formation,Minnelusa 作者简介: 曹绪龙(1964一),男,教授级高级工程师,博士,从事提高石油采收率技术研究。