界面张力弛豫方法研究复合驱油水界面膜的扩张性质_方洪波.pdf

油

石 26

2 0 04

文 章编 号

11月

年 一

:

勘

探

10 0 0 0 7 4 7 2 0 0 4 (

)增 刊

一

开

与

P E T R O L E U M E X P L O R A T IO N

发 .

A N D D E V E L O P M EN T

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!

增刊

31

一

0 02 6 04

界面 张力 弛豫方 法 研究 复合驱 油 水 界 面 膜 的 扩 张 性质 方洪波

’

,

罗澜

,

2

2

张路

,

王宜阳

.

( 1 中国 石 化 胜 利 油 田 勘 探 设 计 研 究 院

基 金项 目

.

2

;

“

,

赵滩

“

,

俞稼墉

2

中国 科 学 院 理 化 技 术 研 究 所 )

, 国 家 基 础 研 究 发 展 规 戈J ( 9 7 3 ) 项 目 ( G 1 9 9 9 0 2 2 5 )

:

。

、

摘 要 : 界 面 张 力弛豫 方 法 是 研 究 油 水界 面 膜微 观 性质 极 为 有 效 的方 法 采 用该 方 法研 究 了 驱 油 体 系 中化 学 剂如 聚 合 物 十 二 烷基 苯磺 酸 钠

、

碱 对 原 油 活 性 组 分 界 面 膜 扩 张 勃 弹 性质 的影 响

中化 学剂 均对 原 油 活 性组 分 界 面 膜 的性 质有 一 级 的 慢弛豫过 程

变化 不 大

。

大 大 增 强 了 界 面 膜 的 弹性

,

。

,

。

考 察 了界 面 上 的微 观 弛豫 过 程 研 究发 现

驱 油体 系

,

定 的 影 响 尤 其 是 聚合物 和 碱 的加 入 使界 面 上 出现 了 特征 时 间 在 I 少 s 数 量 ,

表 面 活 性剂与 活 性组 分 间 的相 互 作 用 造 成扩 张 彭性 部 分 明 显 变化

,

而 弹性

图 6 表 1参5

关键 词 扩 张 模 量 ; 相 角 ; 界 面 张 力 弛 豫 ; 驱 油 体 系 :

中 图分类号 :

TE

5 3

文献 标 识 码 :

7碑6

A

扩张 勃弹性 是界 面重 要 的动态性 质

,

是 发 生 在 界 面 及 其 附 近 的 微观 弛 豫 过 程

,

其微 观 基 础 研 究扩张 赫

弹 性 对 阐 明乳 状 液 稳 定 性 及 破乳 机 理 有 重 要 意 义

〔’ l

。

作

者 曾用 小 幅周 期 振 荡 方 法 研究 了 复 合 驱 体 系 油 水 界 面 ,

,

膜 的扩 张 赫 弹性 质 得 到 了 一 些 初步 的结 论 但其 工 作 频 率较 低 范 围较 窄 而且 小 幅 周 期 振 荡 法 无 法 给 出 表 ,

,

力 衰 减 曲 线 通 过 时 间域 上 的 F ur i 的界面扩 张勃 弹性参数

。

本 文 采 用 界 面 张 力 弛 豫 法 研 究原 油 活 性

组 分 模 拟 油 与 复 合驱 体 系 的 界 面 扩 张 勃 弹 性 质

获得 微 观弛 豫 过 程 的 特 征 参 数

,

通过

得 到 界 面 扩 张 私 弹性 参 数 的 频 率 谱

性质 的认 识 1

F

,

ou

ir

的 数 值 ( ￡( 。 ) ) 可 以 通 过 对 界 面 张 力 衰 减 曲 线 的 F o ur 变 换得 到 ￡

(。 )=

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从 (2 )式 变 形 得 到 扩 张 模 量 的 实 数 部 分 (习 和 虚 数 部 分 (却的 计 算 公 式 如 下 :

。

￡d

界 面 张 力弛 豫 实 验 是 通 过 对 瞬 间 形 变 后 的 界 面 张 力 衰 减 曲线 进 行 3,

ie r

:

￡:

的 方 法 2[,

变 换 得 到频 率 域 上

,

(田 ) 二

理论 基础

。

也 可以 将 界 面 张

面 形 变 过 程 形 变 停 止 后 在 一 定 频 率下 扩 张 频 率 模 量

,

加 深 了对 界 面 膜

e r

对于一个 幅度 为 A 的瞬 间界

,

直接 变 换计算

e r

。

,

因此 o

面 活 性物 质在 界 面 上 和 界 面 附 近 存 在 的 多 种 驰 豫 过 程

的 具 体信 息

。

至 o 积 分来 得 到 另 一 个性 质

F

o

ur i e r 变 换 得 到 界 面 扩 张 勃 弹 性 参 数 ,

对 于 一 个 存在 多 种 弛 豫 过 程 的 实 际 体 系 由 ,

于 弛 豫 过 程 具有 可 加 和 性

指 数 方 程 的 和来 表 示

因此 衰 减 曲 线 可 以 用 几 个

:

(。 ) 二

j O J

△减 / A

) O

△,

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、

△ ,

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内 、 、、 .. J 、了 . é 、.

4

、

(。 r ) d , 、

其 它 的 参数 如 扩 张 私 度 郭 性 相 角 扩 张 模 量 等 都 可 以从这 两 个 参 数 得 到

2

。

实验 部 分

.

△ 下一

艺注

,

e x

p

(一

刀` ,

(l )

) ,

,

用 ( l) 式 对 界 面 张 力 衰 减 曲 线 进 行 拟 合 可 以 得 到 界 面 上 存 在 的 弛 豫 过 程 的 个 数 每 个 过 程 的特 因此

、

征 频 率 ( 或 时 间 ) 及 各个 过 程 的 贡 献 等 信 息 二者 之间可通 过

的 渣 油 分 离 得 到 原 油 界 面 活性 物 质 品 的数 均 分 子 量 和 氢 碳 原 子 比 见 表 表

,

,

SFEF )

法 对 伊 朗重 质 原 油 ,

1

实 验 所 采 用 的样 。

。

理 论 上 频 率 (回 的周 期实 验 与 在 时 间上 (t 瞬 时 实验 性 质 上 是 等 同 的

2 1 实验 样 品 及 试 剂

采 用 超 临 界萃 取 分 馏 (

i二 」

二

l/

网的

ou

ir

e :

样品 编 号

变

数 均分子 量

换 将其 中一 个 性 质 对 整 个 时 间 范 围 内 积 分 或 对频 率 从 O

氢碳 原 子 比

F

1

样 品 的数 均 分子 t 和 氢 碳 原子 比

2 004

年

方洪 波 等

月

11

界 面 张 力 弛 豫 方法 研 究复 合 驱 油 水 界 面 膜 的 扩张性 质

:

十 二 烷 基 苯 磺 酸 钠 ( 分 析 纯 英 国B

D H北

,

:

京 分装 )

,

用下述方 法提纯 首 先用 无水 乙 醇进 行抽提 得 到不 含 ,

无机盐 的乙 醇提 取液; 将 提取液 中 的乙 醇蒸 干 得 到的 ,

样 品溶 于二次蒸 馏水 中

,

取 若干 次 每 次 都 弃 去 上 相 黄 色除去

最后将 水 相蒸 干

;

60 一 9 0℃

用

,

,

的石油醚 反复 萃 ,

保 留水相

直 到水 相 中的 70 ℃烘

用 真空 干燥箱 在

,

干 备用 正癸 烷 ( c 品 化 学纯 ,

H

A P

;

H

2 2

)

,

北 京 金 龙 化 学 试 剂 有 限 公 司产

氢 氧 化 钠 为 分 析 纯 ; 部 分水 解 聚 丙 烯酞 胺

M 3 5 3 0 ( 美 国 P t iz

均分 子量 为 .2 2

,。

19

e r

,

公司

有效 含量

巧 万 ; 去 离子水 经重 蒸

) 平 图

。

.

实验 方 法 。

5〕

,

将溶 于 煤 油 的 原 油

活 性组 分用 正 癸 烷 稀 释 作 为 模 拟 油 量分数 )

,

,

煤 油与 正癸烷 的体 积 比 为

过重蒸 的去离 子水 溶液 90 m L

,

。

首 先在

L

an

.

浓度 为 0 1

:

g m

iu

04

。

30 r

4%

。

(质

水相 为经

槽 中注入水

再 小心地 将 5 0 m L 油相铺 在水 相之上

的 高度 要 浸 没 整 个 吊 片

,

油相 。

在恒 温 ( 3 0 ℃ ) 下 预 平 衡 h6

界 面 弛 豫实 验 的 扩 张 时 间 为

2

,

5

扩 张幅度 为

26%

1

界 囱 张 刀 衰 减 圈线 拟 台 的 共型 结 果

A P

M 的影 响

H

扩 张 模 量 的 勃 性 部 分 与发 生 在 界 面 上 和 界 面 附 近 的 各 种 微 观 弛 豫过 程 相 关

每一 个 弛 豫 过 程 原 则 上 都

会 在 勃 性 部分 的 频 率谱 上 表 现 为 一 个 极 大 值 ,

的低 频端

,

,

变 时 局 部表 面积 的变化将 导致 局部 界面 张力变 化 从 。

而 形 成 界 面 张 力 梯 度 来 对 抗 发 生 的形 变 表 面 活 性 物

在 曲线

,

验 时 间 内可 以 几 乎 消 除 豁 性 部 分 接 近 于 零 ; 在 曲 线 的

高 频端

内

当表面 活性物 质 形成 的界 面膜 受 到压缩 或 扩张 形

。

由于界 面形 变所 造成 的界 面 张力梯 度在 实

,

由 于 工 作 频 率 已 远 大于 发 生 在 界 面 上 和 界 面 ,

看 成 未 曾发 生

,

,

附 近 的 各种 弛 豫 过 程 的 特 征 频 率

。

结 果 与 讨论

3

聚合物

3 1

4 具 体 的 实验 装 置 见 文 献 【

相

.

9 1 24%

,

,

各 种 弛 豫 过 程 都可

赫 性 部分 也 接 近 于 零 ; 在 中 间 频 率 范 围

豁 性 部 分 随频 率 变 化 在 其 弛 豫 过 程 的 特 征 频 率处

出现极大 值

。

浓 度 为 10

x

10

一“

的

H PA

M 对 1 号 和 3 号活性 组分

油水 界面 扩张 私性 的影响结 果见 图

2

。

,

质 的这 种 对抗 形 变 的 能力 可 以 用界 面 扩 张模 量 描述

其微 观 作 用 机 理是 发 生 在 界 面 附近 和 界 面 上 的 多 种 弛 、

,

、

豫过 程 如 界 面 与体 相 间 的 扩 散 弛 豫 分 子 内 弛 豫 胶 ,

团 破 裂 的 弛 豫等 这 些 过 程 导 致 了 界 面膜 具 有 一 定 豁 性

表 面 活 性 物 质 的 铺展 膜 ( 不 溶 膜 ) 以 弹 性 为 主

,

。

而

吸 附 膜 ( 可 溶 膜 ) 由于 至 少 存 在 表 面 活 性 物 质 在 体 相 与 界 面 间 的扩 散交 换 这 一 微 观 弛 豫 过 程 性

。

,

表 现 出豁 弹特

界 面 扩 张 弹 性 主 要 由 界 面 膜遭 受 形 变 时 产 生 的 界

面 张 力 梯度 大 小 决 定

,

而 界 面 张 力 梯度 大 小 与 表 面 活

性 物质 在体 相和 界面 间 的交换 速率 直接 相关

:

交换 速

。

,

率越 大 界 面 张 力 梯 度 越 小 弹 性 越 小 界 面 扩 张 私 性 则 图

与 界面 附近 及界 面上各 种微 观 弛豫 过程 的特 征时 间密 切相 关

,

性 物 分 子 行 为 的 了解 1

。

,

,

可 以 获得 界

加深 对 界面 上表 面活

典 型 的 界 面 张 力 衰 减 曲线拟 合 ,

用 ( l) 式 对 界 面 张 力 衰 减 曲 线 进 行 拟 合 可 以 得

到包 含 主要 弛豫 过 程 信 息 的界 面 张 力对 时 间 的 函数

再 通过

队 M 对样 品扩 张 猫 性的 影 响

由图 2 可见 单 独聚合 物 的界面扩 张薪性 主要 由特

面 扩 张 性质 各参 数 的 全 频 率 谱

见图

H

。

利 用 界 面 张 力 弛 豫方 法 研 究 界 面 膜

,

Z

F

o

盯ie r 变换

豁弹 性 参 数

。

,

,

可 以 得 到 全 频 率域 上 的 界 面 扩 张

征 弛 豫 时 间 长 达 1 30

5

数 量 级 的 慢 弛豫 过 程 控制 ; 单 独

号 活 性 组 分 主 要 由特 征 弛 豫 时间 为

1

“ s

数量 级 的 快 弛 豫 过 程 控 制 而 单 独 3 号 活 性 组 分情 况 较 为 复杂 特 征 10

,

;

弛 豫时 间 从 10 性 有一 定 贡 献

5

到

10 3

5

数量 级 的

3

个弛豫 过程 均对勃

。

一

,

对 于 聚 合 物 活 性 组 分体 系 界 面 上 既 存在 吸 附 的 ,

,

活 性 物质 也 存 在 插 人 其 中 的高 分 子 链 其 界 面 豁 性 明

.

石 油 勘探 与开 发 。

显不 同 于 单独 体 系

对 于 低 相 对 分子 量 活 性 组 分

1

o V

l

增刊

3 1

聚

,

合物 的 加 入 使得 慢 弛 豫 过 程 对 界 面 赫 性 的 贡 献 大 大 增 加 ; 对 于 高相 对 分 子 量 活 性 组 分 ,

间变化 不大

弛豫 过程 的特征时

,

3

各过程对 赫性 的贡献 则略有增 加

扩 张模 量 的实数 部分代 表 弹性

,

。

直接 与界 面 张 力 。

,

梯 度 相 关 表 征 界 面 膜 抵 抗 形 变 的 能 力 在 曲线 的 低 频 ,

端 扩 张 弹性 接 近 零 这 说 明界 面 形 变 所 造 成 的 界 面 张 ,

力梯 度在 实验 时间 内可 以 几乎 完全 消除

在 曲线 的高

;

频 端 扩 张 弹 性 不 再 随 频 率 增 加 而 变 化 说 明此 时 的 仁 ,

,

作 频率 已 远大 于发 生在 界面上 和界 面附 近的各 种弛豫 过 程的特征 频率 界面膜 表现 为不溶膜 的特性; 在 中间 ,

频 率范 围 (

10

一

3

一 10 ’ H

) 内

z

,

扩 张 弹 性 随频 率 降低 而

。

,

减 小 这 是因 为当界面 变形速度 变慢 时 分 子有更 多的 时 间 向新 生 成 的 界 面 扩 散 吸 附 ,

带 来 的界面 张力梯 度 慢 而 减小

。

浓 度为

,

修 复 由界面 面 积变 化

因而 扩张 弹性 随形变 速度 的减

100

x

10

一

6

的

H

A P

M 对

l

号和

性 组分油水界面扩张弹性的影响结果 见图 能 明 显增 加 界 面 膜 的 弹 性

H PA M

3

,

号活

3

可见

万

图

3 .3

4

.0 0

1 % 十 二 烷 基苯磺 酸 钠对 l 号样 品 扩 张猫 性 a 0 () 扩张 弹 性 (b ) 的 影 响

碱的 影 响 由图 5 图 、

可见

6

,

在加人

N

a

0 H

之后

,

观 弛豫 过 程 与 加 入 前 完 全 不 同 但 加 人 了 N 个样 品彼此 间非常 相似 豫过 程组成 l 护s

图 3

H

这 ,

界 面的微 0 H

后的两

都是 由 3 个 特 征 时 间 不

同的弛

a

3 个 过 程 的特 征 时 间 分 别 在 10

’

s

、

1 0 25

、

上 述 特 征 弛 豫 过 程 导 致 了界 面 膜 扩 张 弹

性 的 明 显 升 高和 低 频 范 围 私 性 部 分 的 增 大

M 对样 品扩 张 弹性的影 响

A P

数 量级

,

,

,

、

。

这 个 结果

与 由小 幅 低 频 振荡 方 法 得 到 的 扩 张 模 量 和 相 角 所 显 示 .3 2

表 面 活性 剂 的影 响 0

.

0

的 结 果 是 非 常 一致 的

十二烷 基苯磺 酸钠 (

1%

SD B S

)对

1

号样 品 在

癸烷 / 水 界面 的扩张豁性 部分 和弹性 的影响 见图 图 4 可见

,

SD B s

与

个 单独 的 弛 豫 过 程

,

1

。

4

。

由

号 样 品 共 存时 界 面 上 明 显 存 在 两 .

其 特 征 时 间分 别 约 为 0 35 和 5s

;

而

,

单 独 的 1 号 样 品 只 存在一 个 弛 豫 过 程 其 特 征 时 间 小 于 15

。

由 于 长 链 烷 基 苯 磺 酸 盐 如 辛 基 苯 磺 酸 盐 和 十六 烷 基

苯 磺 酸 盐 在 相 应 的浓 度 区 域 界 面 上 都 只 有 一 个 快 于 ls 的 弛 豫过 程

,

因此

混合 吸附膜 中的 互作 用

。

,

特征 时间 为

5

5

的过 程 充分 反 映 了

S D B S 分 子与 1 号活性组

分 之 间存 在 相

这 种 相 互 作 用 不 仅 增 加 了较 慢 弛 豫 过 程 对 赫

性 部分 的 贡 献

,

同时 使 得 膜 的 弹 性 有 所 增 大

。

图

5

N

a

0 H

对 不 同样 品 扩 张猫性 的影 响

2004

方 洪波 等

11月

年

界 面 张 力 弛豫 方法 研 究 复合 驱 油 水 界 面 膜 的 扩 张 性质

:

2 9

.

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理化 学学 报 ,

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.

〔4 」 孙涛 垒 彭 勃 许 志 明 等 原油 活 性组 分 界 面 膜扩 张 粘 弹性 研 究 j[J ,

,

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2 0 0 2 18 ( 2 ) : 16 1 16 5 ,

.

,

.

【5〕 王 宜 阳 张 路 孙 涛垒 等 酸 性 模 拟 油 的油 水 界面 扩 张 粘 弹性 研 究 [J]

高等学 校 化学 学 报

第 一作 者 简 介 O

田

例a U H

打小

l司

丽刃

件

嗽 弹 任俐 郭

川可

,

东省 东营 市

山

收稿 日 期

一

方 洪 波 ( 19 64 )

:

面膜微 观性 质 的方法

时 间 等 重 要 信息

。

,

发现 聚合 物 和碱 的加人 ,

一

,

界 面 张 力 改 变量

Fo

H

z ;

而 弹 性 变 化不 大

,

m N /m

;

B

第 i 个 过程 的特

,

,

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参考 文 献

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第 i 个 过程 的 贡 献 ;

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胜 利 石 油 管理

,

。

— 总 过 程的 个 数 — — 界 面 面 积 改变量 界面 面积 — — — ur 变换 界 面 扩 张 勃度 — —

,

征频 率

东招 远 人

一

:

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膜的弹

表面 活性 剂与 活性 组 分 间的相 互作 用造

成扩 张勃性部 分 明显变化 符号 注 释

山

,

男

从 事 油 田 化 学领 域 的 研 究 工 作

,

( 编辑

通 过 界 面 张 力 弛 豫方 法 研 究 复 合 驱

导 致 原 油 活 性 组 分 界 面 膜 上 出现 慢 弛 豫 过 程 ;

,

能 够获 得 界面 弛豫过 程 的特 征

体 系 油 水 界 面 膜 的 微 观性 质 性 大大增 强

.

胜 利 石 油 管 理局 勘 探 设 计 研 究 院 :

界 面张 力弛豫 方 法是 一种 极 为有 效 的研究 油水 界 ,

一

,

2 0 0 3 2 4 ( 11 ) : 2 0 4 4 2 0 4 7

局 勘 探 设 计 研 完 院副 总 工 程 师

结论

4

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