随着全球经济的快速发展,石油资源被不断开采使用,在剩余石油资源中,稠油占据很大比例,具有很大的开采价值[1]。而由于稠油含有较多的蜡质、胶质和沥青质等大分子,相较于常规原油,稠油的黏度很大,流动性很差[2,3],因此需要合适的方法来降低稠油的黏度以减少其开采和运输的难度。乳化降黏是利用降黏剂兼具亲水亲油的特点,形成水包油乳液,水相作为流动相从而大幅降低稠油黏度[4,5],该法具有降黏率大,成本较低等特点被广泛应用于油田。
但目前的乳化过程通常需要较大的外加能量,如利用高剪切混合器、均质机等通过高速剪切,提供乳化所需要的动力[5-7]。这样的乳化过程会产生大量的热能损耗,在地底稠油的乳化过程中,提供高速剪切条件需要更多的成本。低动力乳化是指不互溶的两相液体在外界提供较低的能量时,接触形成乳液的一种方法[6]。低动力乳化稠油可以降低乳化所需的动力条件,不需要均质乳化器械,节省操作成本,同时有更高的能量利用效率[6,8]。降黏体系在保证降黏率的同时,乳液的稳定性对于稠油的开采也很重要,较好的稳定性可以在稠油开采和运输的过程中不破乳,保证稠油的开采效率[9-12]。
对乳化降黏的研究很多[2,13-18],也取得了很好的降黏效果。研究者还依据不同降黏剂的协同作用,通过复配提高对稠油乳化的性能。但目前仍未看到兼顾高降黏率、高稳定性的同时,实现低动力条件下乳化稠油。Li等[13]设计合成了一种聚丙烯酰胺类水溶性降黏剂(AND),与表面活性剂复配后具有很好的降黏率、耐盐性和稳定性,但在乳化时仍需要较高的外加动力,需要使用均质机才可以乳化稠油;Ma等[14]研究发现两亲性聚合物与表面活性剂复配体系可以提高乳化稳定性;任亚琪[15]等设计合成了两亲型聚合物应用于稠油降黏,并复配提高了乳化降黏效果。不同种类的表面活性剂之间的复配具有不同的效果[16-18],配伍性良好的表面活性剂可以提高降黏剂低动力乳化的效果,姜凯[6]等将烷基糖苷与其他表面活性剂复配可以在一定条件下乳化稠油,但降黏率不是很高。乳化剂应用于稠油时,之前所述研究的降黏剂及复配体系均不能在低动力乳化稠油的同时,保证对稠油的降黏率和乳液的稳定性。
本研究将非离子型、阴离子型、阳离子型以及两性离子型的表面活性剂与实验室自制的水溶性降黏剂进行复配,测试筛选并优化出复配方案,与前述研究相比,该复配体系可以在较低动力乳化稠油,并且保证稠油降黏率以及乳液的稳定性。并在矿化条件下对复配体系的表现进行了研究,以期为降黏剂的应用提供借鉴。
1 材料与方法
1.1 实验材料
稠油为孤岛稠油(黏度3 963 mPa·s,60 ℃);聚丙烯酰胺类聚合物水溶性降黏剂为实验室自制,是丙烯酰胺(AM)、N-乙烯基己内酰胺(NVCL)和实验室自制季铵盐烷基长链(DMB)为单体合成的三元聚合物(AND)(合成路线如图1,截留分子量MWCO=25 000 D,平均相对分子质量2.83×106 g·mol-1,50 ℃去离子水条件下降黏率为99.07%)[19];非离子表面活性剂乙氧基丙氧基化C12-14-醇(AEO)及癸基葡糖苷(APG),化学纯,购自天津通达利洋科技有限公司;阴离子表面活性剂十二烷基苯磺酸钠盐(SD-BS),化学纯,购自上海迈瑞尔生化科技有限公司;阳离子表面活性剂十六烷基三甲基溴化铵(CTAB),分析纯,购自天津一方科技有限公司;两性离子表面活性剂十二烷基二甲基甜菜碱(BS-12,相对分子质量271.44 g·mol-1),30%水溶液,购自天津希恩思奥普德科技有限公司。
图1 AND合成过程及结构[19]
Fig.1 Synthetic route and structure of AND[19]
1.2 溶液的配制
1.2.1 模拟地层矿化水的配制
模拟地层矿化水配方[19]如表1所示。用分析天平称取不同种类的盐,置于1 000 mL容量瓶中,加去离子水使其充分溶解。
表1 模拟地层矿化水配方
Table 1 Simulated formation mineralized water formula
盐种类浓度/(mg·L-1)NaCl4 083.5 Na2CO3125.4 Na2 SO4341.8 MgCl2290.9 CaCl2163.0
1.2.2 复配溶液的配制
将表面活性剂和AND剂按照所需的浓度和复配比加入到去离子水或者一定浓度的矿化水中,通过搅拌或者超声使表面活性剂及AND充分溶解。
选择AND的浓度为其临界胶束浓度(CMC):1 500 mg·L-1[19];非离子表面活性剂选择在文献中应用较多的AEO,阴离子表面活性剂SDBS可以提高AND乳化稠油稳定性[19];选择市售较易获得的阳离子表面活性剂CTAB;两性离子表面活性剂选择可以提高AND稳定性的BS-12[19];选择文献中提到的可以产生超低界面张力且复配后可以低动力乳化稠油的非离子表面活性剂APG作为对照[6]。表面活性剂浓度确定为4 500 mg·L-1(大于所选各类表面活性剂临界胶束浓度的浓度),保证各类表面活性剂均可形成胶束,各溶液组成如表2所示。
表2 不同复配体系的组成
Table 2 Composition of different compounding systems
溶液名称溶液组成溶液AAND溶液BAND和AEO溶液CAND和SDBS溶液DAND和CTAB溶液EAND和BS-12溶液FAND和APG
1.3 稠油的乳化
将按照1.2制备的复配溶液及稠油保持在60 ℃,将稠油倒入复配溶液中,选定稠油与溶液的体积比为3∶7(在此比例下复配溶液可以在使用均质机的条件下比较充分的乳化稠油)[19],通过外加动力使其形成乳液。
正常动力采用手持均质机(JZ-10)提供高动力搅拌3 min;低动力条件下采用振荡器(VM-500Pro,天津瑞美康科技有限公司,最高振荡速率3 000 r·min-1),设定一定振荡速率下振荡一定时间。乳化的振荡速率越低,时间越短,说明降黏剂溶液的低动力乳化性能越好。
1.4 分析方法
1.4.1 表面张力分析
在室温下,将待测溶液放置在自动表面张力仪(BZY-201)内,采用铂金片法测量溶液的表面张力,测量3次取平均值。
1.4.2 黏度分析
测量溶液或乳液黏度时,将待测的溶液或乳液放置在旋转黏度计(NDJ-5S,2号转子60 r·min-1)的下测试黏度。降黏率(VRR)计算如式(1)。
式(1)中:VRR为对应溶液的降黏率;η1为未经处理的稠油黏度(3 963 mPa·s,60 ℃);η2为经过降黏剂乳化之后稠油乳液的黏度。
将溶液放置在流变仪(CP-5000)的锥盖下,设定实验温度和转速,测量剪切黏度。
1.4.3 Zeta电位及水动力直径Dh分析
采用纳米粒度及Zeta电位仪(Zetasizer Nano ZS型,英国马尔文仪器有限公司)测量溶液的水动力直径Dh和Zeta电位值。仪器采用动态光散射法Dynamic Light Scattering(DLS)测量水动力直径,所得到的是流体力学直径,表示在相同的条件下,有相同扩散系数的圆球的等效直径。
1.4.4 接触角分析
接触角是指气、液、固三相交点处的气-液界面的切线与固-液交界线之间的夹角,可以表示液体与固体表面的润湿性[19]。
在室温下使用接触角测量仪(SDC-80)测量空气、稠油与溶液之间的接触角,并使用Nano Measurer软件进行分析,测量3次取平均值。
1.4.5 稠油乳液粒径分析
使用光学显微镜(YKS-600)观测乳液微观状态,放大倍数为100倍。将1滴按照1.3乳化后的稠油乳液滴在载玻片上,盖上盖玻片置于物镜下观测拍照,并用Image J软件进行处理,对观测到的显微镜图像进行颗粒大小分析,重复3次取平均值。
1.4.6 稠油乳液的稳定性分析
通过分水率测试分析乳液稳定性。将1.2中制备的稠油乳液迅速倒入具塞量筒中,盖上盖子,置于室温下,静置,每隔一段时间读取1次分离出水的体积,并按式(2)计算分水率。
式(2)中:f为乳液对应时间所要计算的分水率;V1为乳液中初始加入水的体积;V2为一定时间分离出的水的体积。
1.4.7 场发射扫描电子显微镜(SEM)分析
在样品台上粘贴导电胶,并将待测溶液分散在导电胶上,于室温下干燥后进行喷金处理,置于场发射扫描电子显微镜(Regulus8100、S4800)加速电压为3.0 kV条件下观察样品表面形貌。
2 结果与讨论
2.1 复配体系的筛选
2.1.1 复配体系的表面张力分析
液体的表面活性与表面张力有关,同时也会影响液体的润湿性[20]。按1.4.1所述测量各复配体系的表面张力如表3所示。
表3 不同复配体系的表面张力、在室温下的黏度、Zeta电位、乳化后黏度、降黏率、乳液粒径及最低乳化动力
Table 3 The surface tension, viscosity at room temperature, Zeta potential, viscosity after emulsification, viscosity reduction, emulsion particle size and minimum emulsification dynamic of different compounding systems
注:“×”代表溶液A在振荡器最高振荡速率3 000 r·min-1下无法乳化稠油。
溶液名称表面张力/黏度/Zeta电位/乳化后黏度/降黏率/乳液的粒径/振荡速率/(mN·m-1)(mPa·s)mV(mPa·s)%μm(r·min-1)溶液A67.86220.8564598.866.29×溶液B36.03630.4582199.477.662 200溶液C32.5433-29.4003299.197.392 500溶液D30.64458.8805198.716.562 800溶液E30.80580.6693899.048.172 200溶液F28.0937-6.7903799.078.052 400
表3中可以看出B、C、D、E和F复配溶液相较于仅含AND的溶液A表面张力更低,说明与表面活性剂复配可以进一步降低该聚合物溶液的表面张力,增强其表面活性[21]。溶液D、E和F与其他复配溶液相比,表面张力更低,更有利于稠油低动力条件下的乳化[6]。
2.1.2 不同复配体系的黏度分析
各复配溶液在室温下的黏度如表3所示,可以看出复配后的溶液的黏度有所上升,复配之后表面活性剂和聚合物分子之间协同作用使得溶液黏度增大,其中B和E的增稠作用较为明显。更好的增稠作用有利于溶液在流过地层更多地停留在岩石缝隙及稠油表面,使其能够更好地润湿稠油[2]。
在100～1 200 s-1的剪切速率下,测定各复配溶液表观黏度随剪切速率的变化,如图2所示。
图2 复配体系黏度随剪切速率的变化
Fig.2 The viscosity of the compounding system with different shear rates
由图2可以看出各复配溶液随着剪切速率的上升,黏度逐渐下降,符合假塑形流体的特征[18,22]。
2.1.3 复配体系的Zeta电位分析
各复配体系的Zeta电位如表3所示。Zeta电位的正负表示颗粒表面的电荷性质,并且绝对值越大,说明溶液越稳定[13]。
溶液A溶质仅含有AND,其中既有阳离子部分,也含有阴离子[19],所以Zeta电位近似为0;溶液B为AND和非离子表面活性剂AEO的复配体系,故Zeta电位也近似为0;溶液C为AND和阴离子表面活性剂SDBS的复配体系,Zeta电位负值较大,说明该体系较为稳定,分散性较好;而溶液E为AND和两性离子表面活性剂BS-12的复配体系,Zeta电位也近似为0;溶液D和F分别为AND与阳离子表面活性剂CTAB和非离子表面活性剂APG的复配体系,其Zeta电位绝对值比较小,溶液体系不稳定,比较容易聚集。
2.1.4 接触角分析
各复配溶液在室温下与稠油的接触角图3所示。接触角显示了复配体系对稠油的润湿性,接触角越小对稠油的润湿性越好[23]。
图3 复配溶液与稠油之间的接触角
Fig.3 The contact angle between the complex solution and the heavy oil
如图3所示,溶液C、E和F对稠油的润湿性更好。结合2.1.2中的表面活性数据,E和F表面活性强且对于稠油具有更好的润湿性,两者更有利于在低动力下乳化稠油。
2.1.5 复配体系的降黏性能及乳液稳定性
稠油在60 ℃时的初始黏度为3 963 mPa·s,各复配溶液在60 ℃时的降黏效果如表3所示。乳化条件为使用均质机乳化。
同时,各复配溶液乳化后的粒径均小于10 μm,小于单一聚合物溶液的粒径,降黏效果也更好[19]。复配后的溶液较单独AND的溶液降黏效果都略有提升,且溶液B、C、E和F降黏率均在99%以上,降黏效果优异。
各复配溶液使用均质机条件下的稠油乳化液的稳定性分析如图4所示。
图4 复配体系的分水率随时间的变化
Fig.4 The changes of water separation rate with time in the compounding system
图4中溶液A的曲线反映出单一AND溶液在5 min时就出现明显的水相分离,复配后的溶液B、D、E和F与稠油形成的乳液稳定性都优于A溶液与稠油形成的乳液,其中B、D和E与稠油形成的乳液稳定性更好,E与稠油形成的乳液稳定性最好。
2.1.6 复配体系的低动力乳化实验
如前1.3所述,将振荡器设定在不同的振荡速率,固定乳化时间为60 s,测定不同的复配体系加入稠油后可以乳化的最低振荡速率,结果如表3所示。
各复配体系的低动力乳化效果存在差异,表3中×代表溶液A在振荡器最高振荡速率3 000 r·min-1下无法乳化稠油,各溶液低动力乳化能力排序为E≈B＞F＞C＞D＞A,其中溶液E和溶液B的低动力乳化稠油的能力最好,即两性离子表面活性剂BS-12和AND的复配溶液以及非离子表面活性剂AEO和AND的复配溶液。
进一步使用模拟地层矿化水分别配置BS-12和AND、AEO和AND的复配溶液,进行低动力乳化实验,BS-12/AEO浓度如前述为4 500 mg·L-1,AND为1 500 mg·L-1。
实验结果为BS-12与AND的矿化水复配溶液能够乳化稠油的最低振荡速率为2 300 r·min-1,AEO与AND的矿化水复配溶液不能在3 000 r·min-1以下乳化稠油。在矿化水的条件下,BS-12的复配体系低动力乳化的性能表现更加优异。
结合前述实验BS-12与AND复配体系的表面活性较好,且对稠油的润湿性强,相较于单纯AND的增稠作用较好,降黏效果优异,60 ℃时降黏率可达99%以上且乳液的稳定性很好,而且在去离子水和矿化水条件下均可以不用均质机,仅用振荡便可乳化稠油,所需动力较小。AND的主要原料丙烯酰胺[19]以及两性离子表面活性剂BS-12均易购得且价格低廉,故本研究后续实验选用BS-12与AND的复配体系进行优化。
2.2 复配体系的优化
2.2.1 复配比优化
当复配溶液中的2种组分的复配比不同时,复配效果一般不相同,且在任意总浓度下,体系的表面张力的最低值都处于相同的复配比例[24],所以首先进行溶液的复配比优化。
研究复配体系为AND与BS-12的去离子水溶液,固定乳化温度为60 ℃,复配体系总浓度为0.6%,油水比为3∶7,设定AND与BS-12的质量复配比分别为0∶10、3∶7、4∶6、5∶5、6∶4、7∶3、10∶0,固定振荡时间为60 s,进行低动力乳化实验,并测量黏度,计算降黏率,结果如表4所示,×代表在振荡器最高振荡速率3 000 r·min-1下,该溶液无法乳化稠油。同时进行了稳定性测试,结果如图5所示。
表4 不同复配比下的低动力乳化效果
Table 4 Low dynamic emulsification effect under different compound ratio
注:“×”代表在振荡器最高振荡速率3 000 r·min-1下,该溶液无法乳化稠油。
0∶10××× 3∶71699.602 100复配比AND∶乳化后黏度/降黏率/所需最低振荡速率/BS-12(mPa·s)%(r·min-1)4∶61699.601 9005∶51499.651 6006∶41799.571 7007∶31899.552 00010∶0×××
图5 不同复配比的分水率测试
Fig.5 Water separation rate with different compound ratios
如表4所示,不同复配比的体系对于低动力乳化稠油有不同的效果,其中在5∶5复配比下,溶液对于稠油的降黏率最好,而且能够在更低的振荡速率下乳化稠油。
图5中5∶5复配体系下的乳液在90 min时才出现明显水相分层,在90 min前优于其他比例下的溶液,在后续时间内稳定性仍然不错。
综合考虑低动力乳化效果,5∶5的复配比例低动力乳化效果明显优于其他比例,且其乳液稳定性也有比较好的表现,故后续优化选用5∶5的复配比例。
2.2.2 总浓度优化
由上述实验,固定复配体系为AND与BS-12,质量复配比为5∶5,溶剂为去离子水溶液,固定乳化温度为60 ℃,油水比为3∶7,固定乳化时间为60 s,进行复配体系的总浓度优化。
设定AND与BS-12总浓度分别为0.2%;0.4%、0.5%、0.6%、0.8%、1.0%、1.2%,进行低动力乳化实验,测量黏度、计算降黏率,结果如表5所示;并进行稳定性测试,结果如图6所示。
表5 不同总浓度下的低动力乳化效果
Table 5 Low dynamic emulsification effect at different total concentrations
总浓度/乳化后黏度/降黏率/所需最低振荡速率/%(mPa·s)%(r·min-1)0.22099.502 1000.41899.551 8000.51299.701 5000.61499.651 6000.82099.502 0001.03099.242 1001.24898.792 600
图6 不同总浓度的分水率测试
Fig.6 Water separation rate of different total concentrations
如表5所示,总浓度为0.5%时,复配溶液具有最好的降黏效果和低动力乳化效果。
从图6可以看出从0.2%至0.5%分水率逐渐下降,0.5%至1.2%分水率逐渐上升,总浓度在0.5%时有最好的乳化稳定性,因此选择复配体系总浓度为0.5%。并且当浓度降低至0.2%时,其在20 min时就出现水相分层,且破乳率也最高,推测后续破乳时可以通过注水的方式改变表面活性剂浓度,进而促进乳液的破乳行为。
综上所述,当AND与BS-12质量复配比为5∶5,总浓度为0.5%时,能够在1 500 r·min-1的低动力下乳化稠油,且具有很好的降黏效果,溶剂为去离子水的条件下降黏率可达99.70,且乳液的稳定性很好。
2.3 复配机理研究及最优体系的应用
2.3.1 水动力直径对低动力乳化能力的影响
配制总浓度为0.5%,AND与BS-12比例为3∶7、4∶6、5∶5、6∶4、7∶3的溶液。测量上述溶液的水动力直径;固定振荡器速率为1 500 r·min-1,测量各比例溶液乳化所需时间。乳化所需时间与水动力直径(Dh)的关系如图7所示。
图7 不同复配比的低动力乳化时间与Dh的关系
Fig.7 Relationship between low dynamic emulsification time and Dh with different compounding ratio
由图7可见,复配比为5∶5的溶液在1 500 r·min-1下所需时间最短,为50 s,其低动力乳化效果最好。乳化所需的时间随水动力直径的增长而增长,表明溶液中胶束的水动力直径越小,该溶液在低动力下乳化稠油的能力越强。胶束的水动力直径越小,其在油水界面排列更紧密,增大了降黏剂分子和稠油的接触面积,同时也更容易进入到稠油分子之间,能够把团聚的稠油大油滴分散成小油滴,更容易形成水包油乳液,乳化稠油的能力就更强[1]。
2.3.2 聚合物与表面活性剂相互作用研究
复配的聚合物和表面活性剂间的相互作用可以用非理想的二组分混合胶团的相互作用参数β来计算比较。利用正规溶液理论,Rubingh[25]提出了计算分子相互作用参数β的方程:
式(3)和(4)中:X1为AND在混合胶束中的物质的量分数,α1为AND在复配溶液中的物质的量分数,通过复配比及相对分子质量计算;C1、C2、C12分别为AND、BS-12以及复配溶液的临界胶束浓度(CMC);β为分子相互作用参数。
测定总浓度为0.5%不同质量复配比下的表面张力得到临界胶束浓度(CMC),迭代法计算得到AND在混合溶液胶束中的物质的量之比X1和AND与BS-12的相互作用参数,见表6。
表6 不同复配比的相互作用
Table 6 Interaction of different compound ratio
复配比AND∶α1/CMC/X1βBS-1210-4(mol·L)-10∶1000.0370 0 3∶70.410.0230.0553.8934∶60.640.0150.0533.9385∶50.960.0130.0056.2176∶41.40.0290.0067.4327∶32.20.0150.0018.75410∶01×1045.3×10-710
β为正值时表示聚合物和表面活性剂之间相互排斥,为负值时相互吸引。β的绝对值越大说明相互作用越强烈[6,26]。从表6中可以看出,随着AND在复配溶液中的占比增大(从3∶7到7∶3),β的值不断增高,说明两组分间的排斥作用不断增强。当β绝对值较小时,排斥作用较弱,胶束分子间的空间距离相对小,当外加剪切作用不强时,胶束不易分散并包裹稠油分子;当排斥较大时,胶束内分子分散之后不易再重新聚集形成胶束包裹稠油;当排斥力较为合适居中时,即为两者质量复配比为5∶5时,体系相对于其他配比分散和重新聚合包裹油滴的能力最强,因此在该复配比下,溶液的低动力乳化稠油能力最强。
2.3.3 模拟地层矿化水对复配体系的影响
在模拟地层矿化水条件下,对2.1和2.2所筛选优化出的AND与BS-12复配体系,复配比为5∶5,总浓度为0.5%,在油水比为3∶7条件下进行低动力(1 500 r·min-1)乳化能力测试,并对降黏能力以及乳液稳定性进行研究,模拟地层矿化水配方如表1所示,对比去离子水条件下的测试结果如表7及图8所示。
表7 去离子水及模拟地层水溶液的乳化降黏能力
Table 7 Viscosity reduction ability of deionized water and simulated formation aqueous solution
溶液类型乳化后黏度/降黏率/乳化(mPa·s)%时间/s去离子水1299.7050模拟地层水1199.7260
图8 去离子水及模拟地层水条件下的分水率测试
Fig.8 Water separation rate in deionized water and simulated formation water
在模拟地层矿化水中,最适宜复配体系的降黏效果相较于去离子水条件下相差不大,在矿化水中仍有很好的降黏能力;仍能够在低动力条件下有很好的乳化效果,有较高的低动力乳化稠油的能力。
在模拟地层水中,最优体系与稠油形成的乳液在60 min前都可以保持稳定,乳液的稳定性较强。
经过前述优化过的复配体系,这些测试表明无论是在去离子水还是模拟地层矿化水中,在低动力乳化稠油、乳化降黏率以及乳液的稳定性上都有良好的表现。
2.3.4 钙镁离子对复配体系的影响
地层中2价离子虽然存在的量较少,但仍对降黏剂的降黏效果有较大的影响[20,27]。
研究了地层中主要存在的2价阳离子,钙镁离子对复配体系的影响。设定并配制最优复配体系的不同浓度的CaCl2和MgCl2的矿化水溶液,测定在低动力(1 500 r·min-1)下的乳化能力,并对降黏能力以及乳液稳定性进行研究,结果如表8和图9所示。
表8 不同盐浓度的复配体系的乳化降黏能力
Table 8 Emulsification and viscosity reduction ability of compounding systems with different salt concentrations
盐浓度/乳化后黏度/降黏率/乳化水合动力%(mPa·s)%时间/s直径/μmCaCl2 01299.705070.0 CaCl2 0.022199.475072.0 CaCl2 0.042699.345073.5 CaCl2 0.063099.245072.5 CaCl2 0.103399.1760150.2 MgCl2 01299.705070.0 MgCl2 0.021199.7260149.4 MgCl2 0.041299.7065163.1 MgCl2 0.061299.7070196.7 MgCl2 0.102099.5010075.3
图9 复配体系不同盐浓度的分水率测试
Fig.9 Test of water separation rate of different salt concentration in complex system
图9显示出随着CaCl2的浓度的升高,乳液稳定性逐渐下降,高浓度的CaCl2对于乳液的稳定性有着较大的影响;含MgCl2的复配溶液对稳定性的影响与其基本一致。同时从表8可以看出,随着CaCl2和MgCl2浓度的不断增加,复配体系仍能保持较好的降黏效果。
表8显示,与CaCl2相比,随着MgCl2浓度的不断增加,复配体系乳化稠油所需时间上升更为明显,故MgCl2浓度的增加对于复配体系的低动力乳化效果的影响更明显。说明Mg2+是钙镁2种离子中影响复配溶液低动力乳化效果的主要因素。
然后测定了浓度0～0.06%的CaCl2和MgCl2条件下的水动力直径(Dh)如表8,绘制了变化明显的含MgCl2复配体系的水动力直径与其低动力(1 500 r·min-1)乳化的时间建立关系,如图10所示。
图10 不同浓度MgCl2下低动力乳化时间与Dh的关系
Fig.10 Relationship between low dynamic emulsification time and Dh at different concentrations of MgCl2
MgCl2的浓度在0～0.06%的范围内时,复配体系的低动力乳化时间随着水动力直径的上升而逐渐增长,与2.3.1实验所述一致,说明在该浓度范围内Mg2+可以影响复配溶液中胶束的水动力直径的大小,进而影响复配体系在低动力下乳化稠油的能力。
继续增加MgCl2浓度进行实验,如表8,增加到0.10时,测得乳化时间增大至100 s,Dh却反常下降为75.3 μm。因此拍摄了复配体系在MgCl2的浓度为0、0.02%、0.06%和0.10%时的复合溶液以及AND溶液,BS-12溶液干燥之后的SEM照片[28],如图11所示。
图11 复配体系在MgCl2的不同浓度以及BS-12溶液的SEM图
Fig.11 SEM images of the compounding systems at different concentrations of MgCl2 and in BS-12 solution
图11显示,随着MgCl2的浓度从0增长到0.06%,胶束经过干燥后形成的聚集体逐渐分散。而当MgCl2的浓度增大为0.10时,胶束所形成的聚集形态发生改变,对比图11(d)、(e)和(f)可以观察出,此时的聚集状态和形成聚集体的样貌与纯AND溶液和纯BS-12干燥形成的均有相似,含有2种单一溶液干燥后的四边形、三角形和球形样貌,与单一溶液的行为相似。但与AND溶液相比,复配后形成的聚集体明显更大,说明更多的聚合物分子由于盐离子的作用团聚到一起。
随着Mg2+的浓度增大,胶束干燥后形成的聚集体逐渐分散,说明胶束间的排斥力逐渐增强。体现在乳化过程中时,复配溶液的中的胶束因排斥力的增加而分散,同时因为水动力直径逐渐变大,所以胶束在溶液与稠油接触界面上的数量减少,从而低动力乳化稠油的能力下降;而Mg2+的浓度较高时,溶液干燥的聚集行为显著改变且与复配前的溶液行为类似,说明Mg2+浓度增大到一定程度时,可以使溶液的复配作用变得很弱,所以由于复配而产生的低动力乳化能力也随之下降。
3 结论
本研究将5种不同的表面活性剂与聚丙烯酰胺类聚合物降黏剂AND进行复配研究,优选出了能够用于稠油低动力乳化降黏的复配体系,该体系具有良好降黏效果及乳液稳定性。通过表面张力测试、溶液黏度分析、Zeta电位分析等手段,并应用于稠油进行了接触角测试、降黏率分析、乳液的稳定性测试以及去离子水和矿化水中的低动力乳化效果测试,优选出了AND与BS-12的复配体系。进一步优化AND与BS-12复配条件,通过降黏率,乳液稳定性以及低动力乳化稠油能力等比较分析,确定优化后体系:AND与BS-12质量复配比为5∶5,总浓度为0.5%。与此同时,研究发现低动力乳化能力与水动力直径密切相关,随着水动力直径的上升不断下降。通过计算复配体系中AND和BS-12的相互作用,发现体系在5∶5的配比下的排斥力居中,最有利于低动力乳化稠油。同时发现Mg2+对复配体系低动力乳化效果的影响明显大于Ca2+的影响,主要是由于高浓度Mg2+抑制了复配体系的协同作用,降低了复配体系的低动力乳化能力。
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