научная статья по теме ИССЛЕДОВАНИЕ АДСОРБЦИОННЫХ ПРОЦЕССОВ С ПОМОЩЬЮ АТОМНО-СИЛОВОЙ МИКРОСКОПИИ НА ОБРАЗЦАХ ТЕРРИГЕННОЙ ПОРОДЫ ЗАПАДНО-САЛЫМСКОГО МЕСТОРОЖДЕНИЯ Геофизика

Текст научной статьи на тему «ИССЛЕДОВАНИЕ АДСОРБЦИОННЫХ ПРОЦЕССОВ С ПОМОЩЬЮ АТОМНО-СИЛОВОЙ МИКРОСКОПИИ НА ОБРАЗЦАХ ТЕРРИГЕННОЙ ПОРОДЫ ЗАПАДНО-САЛЫМСКОГО МЕСТОРОЖДЕНИЯ»

РАЗРАБОТКА И ЭКСПЛУАТАЦИЯ НЕФТЯНЫХ МЕСТОРОЖДЕНИЙ

УДК 665.61.033.28

© Коллектив авторов, 2015

Исследование адсорбционных процессов с помощью атомно-силовой микроскопии на образцах терригенной породы Западно-Салымского месторождения1

Ю.С. Замула, Л.А. Ковалева, д.т.н., М.В. Мавлетов, к.ф.-м.н., (Башкирский гос. университет), И.Н. Кольцов, к.х.н.,

(«Салым Петролеум Девелопмент Н.В.»), И.Ш. Ахатов, к.ф.-м.н, (Сколковский институт науки и технологий)

Адрес для связи: yuriyzamula@gmail.com

Ключевые слова: адсорбция, ПАВ, атомно-силовая микроскопия (adsorption, surfactant, atomic force microscopy).

Investigation of adsorption processes using atomic force microscopy on samples of terrigenous rocks from Zapadno-Salymskoye field

Yu.S. Zamula, L.A. Kovaleva, M.V. Mavletov (Bashkir State University, RF, Ufa),

I.N. Koltsov (Salym Petroleum Development N.V., RF, Tyumen), I.Sh. Akhatov (Skolkovo Institute of Science and Technology, RF, Moscow)

E-mail: yuriyzamula@gmail.com

Key words: adsorption, surfactant, atomic force microscopy

The purpose of the experimental study is to estimate the thickness of the adsorbed surfactant layer on substrates of different mineral composition using AFM. Two series of experimental studies were set to study the adsorption of surfactant using AFM: 1) formation of surfactant aggregates due to adsorption from solution on a clean substrate, and 2) creating a residual oil layer on a substrate and washing it off using a surfactant. The substrates were selected: natural core and also mica and glass, as they are part of the real oil-bearing core. Both series used the same surfactant in two different concentrations (0.7 and 2.1%). For determination the thickness of the complex constructed adsorbed layer, filled with uniform and non-uniform layers of surfactant molecules a new technique was developed. The essence of this technique is a "scratching" the adsorption layer with subsequent extraction of sectional profile of obtained scan.

B процессе эксплуатации нефтяных месторождений адсорбционные процессы являются нежелательным явлением. Так, потери анионных ПАВ (АПАВ) на поверхности породы являются главным сдерживающим фактором для их применения в добыче нефти [1, 2], а адсорбция асфальтосмолистых фракций из нефти приводит к сужению эффективного радиуса по-ровых каналов и, следовательно, к снижению нефтеотдачи [3, 4].

Обычно адсорбция определяется по измерениям концентрации раствора, т.е. на макроскопическом уровне. Современные экспериментальные методы позволяют исследовать адсорбцию на молекулярном уровне. Одним из них является метод сканирования поверхности с помощью атомно-силовой микроскопии (АСМ) [5]. Предложенный в данной работе новый и независимый метод оценки количества адсорбированного вещества дает возможность выполнить прямое исследование структуры адсорбционного слоя, а также сопоставление с результатами макроскопических измерений. Последнее обстоятельство позволяет определить, насколько соотносятся результаты отдельных теорий со структурой граничных слоев.

Основные методики использования АСМ

для исследовании адсорбционных процессов

Обзор литературных источников показывает, что можно выделить две большие группы методов АСМ для исследования адсорбционных процессов.

Метод резонансных весов [6]. Суть данного метода состоит в измерении резонансной частоты кантилевера с прикрепленной к нему частицей породы до и после завершения адсорбционных процессов. Колеблющийся кантилевер представляет собой гармонический осциллятор. Масса адсорбированного вещества рассчитывается по следующей формуле:

M3 =

4 п2

- M2 - Mi,

где k - коэффициент жесткости кантилевера, H/м; v , v1 - собственная частота колебаний кантилевера соответственно свободного и с частицей породы и адсорбированным слоем исследуемого раствора; M^ M2 - масса соответственно клея и породы.

Данный метод широко применяется в различных исследованиях, например, для определения массы паров, поглощенных сорбентом. Однако большая масса частицы породы осложняет ее закрепление на кантилевере, и погрешность определения массы сопоставима с адсорбцией АПАВ на ней. В связи с отмеченным в исследованиях этот метод авторами не применялся.

Прямое сканирование поверхности образца [7]. Суть метода заключается в создании на подложке остаточного слоя и сканировании его поверхности с помощью АСМ. Пример исследования остаточного слоя нефти на поверхности слюды после обработки составом Triton X-100 представлен в работе [8].

1Работа выполнена при поддержке Министерства образования и науки Российской Федерации (государственное задание

№З.1251.2014/К и договор №11X34.31.0040 от 3 декабря 2010 г.).

Номер этапа эксперимента Серия эксперимента

Первая - формирование агрегатов АПАВ на сухой подложке в результате адсорбции из раствора Вторая -созданиена подложкеостаточного нефтяного слоя и его отмыв с помощьюАПАВ

1 Чистая подложка (слюда, керн, стекло) Чистая подложка (слюда, керн, стекло)

2 Сканирование (в трех разных местах) Сканирование (в трех разных местах)

3 Помещение в раствор АПАВ (время -2 ч,температура - 83 °С) Помещение в нефть (6 ч, 83 °С)*

4 Высушивание при температуре 83 °С Смыв пленочной нефти водой*

5 Итоговое сканирование (в трех разных местах) Помещение в раствор АПАВ (2 ч, 83 °С)

6 Смыв водой и высушивание (83 °С)

7 Итоговое сканирование (в трех разных местах)

*Этапы эксперимента, которые отличаются от другой серии экспериментов.

Описание эксперимента по определению

толщины адсорбировавшегося АПАВ на образце

Для исследования адсорбции АПАВ с помощью АСМ были проведены две серии экспериментов (табл. 1): 1) формирование агрегатов АПАВ на чистой подложке в результате адсорбции из раствора; 2) создание на подложке остаточного нефтяного слоя и его отмыв с помощью АПАВ. В качестве подложек были выбраны естественный керн пород Западно-Салымского месторождения, слюда и стекло, так как они по химическому составу очень близки к минералам керна. В обеих сериях использовались 0,7%- и 2,1%-ные водные растворы смеси АПАВ ENORDET 0332 / ENORDET 0352 (35 % активного вещества) без добавления солей.

Опыты первой серии экспериментов выполнялись по следующей методике. Вначале проводилось сканирование чистой подложки в трех различных областях, затем ее на 2 ч погружали в раствор АПАВ при температуре 83 °С, после доставали из раствора, сушили на нагревательной плитке и сканировали в трех различных областях.

Во второй серии экспериментов две чистые подложки сканировали в трех различных областях, затем погружали в нефть при температуре 83 °С на 6 ч, далее остатки нефти удалялись с подложек дистиллированной водой комнатной температуры. Одну из подложек высушивали на нагревательной плитке и сканировали в трех различных местах, вторую - помещали в раствор АПАВ на 2 ч при температуре 83 °С и доставали из раствора, остатки АПАВ смывали дистиллированной водой комнатной температуры. Подложка высушивалась и сканировалась в трех различных местах. Сканирование осуществлялось с помощью АСМ Agilent 5500. Размер области сканирования составлял 10x10 мкм, режим - полуконтактный (ACAFM). Все изображения обрабатывались с помощью программы PicoImage 5.1.

Экспериментальные исследования адсорбции АПАВ

Для всех отсканированных поверхностей строились распределения высот их точек в заданном диапазоне от минимального уровня. Для чистой подложки

поверхности, для подложки, выдержанной в растворе АПАВ или в нефти, - высота адсорбционного слоя. Для наглядности также строилась кумулятивная кривая. Все полученные изображения поверхности имели разрешение 512x512 точек, что давало возможность извлечения профилей в 512 сечениях, по каждому из которых можно проанализировать изменение высоты поверхности (рис. 1). При необходимости можно представить поверхности подложек в виде трехмерного изображения размером 10x10 мкм до и после обработки раствором АПАВ или выдерживания в нефти.

Первая серия экспериментов для слюды. По полученным результатам первой серии экспериментов для отсканированных поверхностей чистого образца слюды и этого же образца после 2-ч выдержки в растворе АПАВ можно сделать вывод, что поверхность используемого образца слюды практически гладкая: средний перепад высот не превышает 0,5-9 нм при максимальной высоте отдельных точек 40 нм. Максимальная высота поверхности после обработки раствором АПАВ составляет 347 нм, при этом средний перепад высот был равен 100-200 нм.

Вторая серия экспериментов для слюды. Данные об отсканированных поверхностях образца слюды после 6-ч

Рис. 1. Топография поверхности на примере слюды после выдержки в 0,7%-ном растворе АПАВ (а), схема получения диаграммы распределения высот поверхности (б) и

это характеристика шероховатости ее кумулятивной кривой (в)

Вещество на поверхности образца Средний перепад высот, нм, после стандартной обработки АПАВ концентрацией, %

0,7 % 2,1 %

Слюда

АПАВ (без смыва водой) 100-200 35-90

Нефть (после смыва водой) 80-200 80-200

Нефть + АПАВ (после смыва водой) 60-110 30-50

Стекло

АПАВ (без смыва водой) 100-400 20-45

Нефть (после смыва водой) 20-60 20-60

Нефть +АПАВ(после смыва водой) 15-40 4-10

Примечание. Средний перепад высот поверхности чистого образца слюды при обеих концентрациях АПАВ составил 0,5-9 мм, образца стекла - 1,5-1,1 нм.

выдержки в нефти с последующим доотмывом дистиллированной водой свидетельствуют о том, что максимальная высота поверхности составляет 249 нм, средний перепад высот - 80-200 нм.

Для определения влияния АПАВ проводилось сканирование поверхности чистого образца слюды и этого же образца после выдержки в нефти в течение 6 ч с последующим доотмывом дистиллированной водой, с выдержкой в растворе АПАВ в течение 2 ч и последующим доотмывом дистиллированной водой. Максимальная высота поверхности после выдержки в нефти и обработки раствором АПАВ составила 268 нм, средний перепад высот - 60-110 нм. Результаты сканирования поверхностей всех подложек на АСМ для двух концентраций приведены в табл. 2.

Из-за особенностей устройства сканирования АСМ данная методика оп

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Показать целиком