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表面活性剂在三次采油中的应用研究

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表面活性剂 三次采油 中的 应用 研究
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综述专论 化工科技,2009,17(6):82~85)N 忠运1,陆锋锋2(1北荆州434023;2.长江大学石油工程学院,湖北荆州434023)摘要:结合双子表面活性剂的结构及分类,综述其独特的性质,即高表面活性,良好的水溶性,高的增溶能力,优异的协同作用,独特的流变性。优良的润湿性等,介绍了几种三次采油用的特殊双子表面活性剂(合成工艺简单型,环保型,复配型),指出优化合成工艺,开展复配研究,提高产品产率,开发新型产品(如杂双子表面活性剂)是未来发展方向。关键词:双子表面活性剂;性能;三次采油中图分类号:23.99 文献标识码:A 文章编号:1008—0511(2009)06—0082—04在能源趋紧的今天,提高采油率成为石油开采研究的重大课题,碱一表面活性剂一聚合物三元复合驱(为有效的三次采油方法之一,能使原油采收率比水驱提高20%以上,但现有表面活性剂耐温抗盐性差,强碱的使用破坏聚合物溶液的粘度,并容易导致油井结垢和设备腐蚀、检泵周期缩短以及复合驱色谱分离现象导致的驱油效率下降等系列问题开发适用于无碱或弱碱的复合驱体系是当务之急年来,双子表面活性剂因其优异的性能(高表面活性,低临界胶束浓度,低好水溶性.优良润湿性,独特流变性,高增溶能力,协同作用好等)而研究活跃f 3展现其在三次采油中广阔的应用前景。作者在介绍双子表面活性剂的结构和分类的基础一上,结合其独特的物化性能,对其在三次采油中的应用进展进行综述。1 双子表面活性剂的结构及分类双子表面活性剂‘93(通过一个联接摹将两个传统表面活性剂分子在其亲水头基处连接在一起而形成的一类新型表面活性剂,见图l。:2009忠运(1984一),男。湖北荆州人,长江大学在究生,主要从事油田化学品办面的研究工作。目:中困石油天然气集团公司石油科技中青年项目(2002根据亲水基所带电荷种类可分为阴离子型(磺酸盐型、羧酸盐型、磷酸盐型、硫酸盐型),阳离子型(铵盐:珲!!、季铵盐型),非离子型(聚氧乙烯型、脂肪酸多元醇酯型)和混合型(阴阳离子、离子对、阴离子一非离子、阳离子一非离子)。根据疏水链的种类可分为碳氢型和碳氟型。根据其间隔基团的不同,可分为刚性基团(如亚二甲苯基、对二苯代乙烯基等)及柔性基团(如聚亚甲基、聚氧乙烯基、杂原子等)。 /、,\/、v^/^n厂]r、/\^/\八/\疏水基寺高丞j』再耍磊瀛囊 疏水基图1双子表面活性剂的结构示意图2双子表面活性剂优异的物化性能双子表面活性剂独特的分子结构赋予其独特的性能,相比传统表面活性剂,双子表面活性剂具有如下优异性能。2.1高表面活性在双子表面活性剂中,两个亲水头基通过联接基团以化学键相连,相互之间的排斥倾向受制于化学键力而被削弱,碳氢链间容易产生强相互作用,碳氢链间的疏水结合力加强,故双子表面活性剂在表面上排列更紧密,表面能更低,具有很高的表面活性n 0|,见表1。由表1可知,双子表面活性剂双亚甲基一l,2一双(十二烷基二甲基溴化铵)(12—2—12·2临界胶束浓度(期介研项金日简卜金基稿者硕基新收作读,刨万方数据第6期 刘忠运,等.新型双子表面活性剂在三次采油中的应用研究 ·83·0.055%,比对应的常规表面活性剂十二烷基三甲基溴化铵(.50%)几乎低一个数量级,122·2一均比表面活性使其在较小的浓度下即可达到超低界面张力,故可更大幅度提高驱油效率。表1表面活性剂122·21]2.2良好的水溶性离子型双子表面活性剂的下,水溶性良好,羧酸盐型甚至在硬水中也可保持良好的溶解性。这主要归因于分子中含有2个亲水基团,分子结构特殊,不易在晶格中堆积;此外,联接基团中的醚氧原子的亲水性也是原因之一。双子表面活性剂好的水溶性,可提高工作效率,改善采油效果。2.3高的增溶能力增溶作用只发生在子表面活性剂的水溶液中更易形成胶束,故增溶性更强。2]发现阳离子双子表面活性剂对烷烃的增溶量是传统表面活性剂的数倍,如双子表面活性剂12(甲苯):行(12一3.8,而(甲苯):n(0.78。增溶性强,则增溶相同量原油所需的双子表面活性剂浓度将比传统表面活性剂低,这对于微乳液驱油技术具有潜在的意义。2.4优异的协同作用表面活性剂分子之间的相互作用主要是由亲水头基之间的静电引力引起的,故有2个离子基团的双子表面活性剂与常规表面活性剂之间的协同作用,比常规表面活性剂之间的协同效应强得多。双子表面活性剂与传统的表面活性剂复配体系良好的协同效应为降低双子表面活性剂实际应用成本提供一条有效途径。2.5独特的流变性[俘]双子表面活性剂在水溶液中表现出独特的流变性。具有短链联接基团的双子表面活性剂在相当低的浓度下表现出很高的粘度。单体,粘度和水差不多,而其二聚体在水溶液中质量分数为1%时,已经生成巨大的线性胶束,在质量分数为5%时,粘度已经达到几百,并具有粘弹性,在质量分数为7%时,溶液跟胶质一样。这是因为具有短链连接基团的双子表面活性剂在相当低的浓度下能够形成蠕虫状胶束,蠕虫状胶束体系是一个平衡聚合物体系,具有网状胶束结构。双子表面活性剂溶液在一定浓度下具有较大粘度并表现出一定的粘弹性,这种溶液具有剪切稀释特性,高剪切下粘度低,易泵注,在地层深处低流速下粘弹性恢复,有利于扩大驱油波及体积,提高采收率。2.6优良的润湿性研究表明离子双子表面活性剂在很低浓度时就能将油湿的固体表面转化为强水湿表面,并且不会改变水湿表面的润湿性。双子表面活性剂具有2个亲水头基,与非水溶性表面活性剂有更强烈的相互作用,可使混合体系的润湿时间大幅降低。例如,十二烷基聚氧乙烯醚(烷基二苯醚二磺酸盐(独存在时的润湿时间分别为129 s,而含有质量分数为20%03一 3几种特殊的双子表面活性剂双子表面活性剂性能优异,但美中不足的是,现有双子表面活剂合成工艺复杂(大多2~3步),降解困难,成本过高,大多数只是处于实验阶段,离大规模工业化还有距离。下面介绍几种合成工艺简单,易生物降解,环境友好,成本较低的双子表面活性剂。3.1 合成工艺简单型双子表面活性剂合成步骤过多,一则反应过程难以控制,二是给目标产物的纯度和收率带来负面影响。采用“一锅煮”(一步法)的合成办法反应易控,纯度较高。杨光等[16]将叔胺和卤代烷烃通过一步法合成阳离子双子表面活性剂,通过岩心驱替实验,研究了其在降低油水动态界面张力方面的能力及规律,以及动态界面张力特征与采收率之间的关系,为其在三采中的应用提供理论依据。赵秋玲氧氯丙烷、浓盐酸一锅煮的简便方法合成阳离子双子表面活性剂,通过测试其溶解性、乳化能力、增溶能力、抗硬水性能和不同温度下的增比粘度,展示其在三采中的应用前景。万方数据· 84 · 化工科技 第17卷袁锐[18]采用一步法合成以萘双十四烷基磺酸钠为代表的系列阴离子双子表面活性剂,对其界面性质以及微乳性质表征,研究其在稀表面活性剂驱油体系以及微乳驱油体系中的驱油效果,探讨其在三次采油领域应用的可行性。刘庆旺等一二溴丁烷为原料采用一步法合成双子表面活性剂,其产率为74.5%,其具有比普通表面活性剂更高的粘度和表面活性,且与非离子表面活性剂协同性好,可作为新型驱油剂使用。3.2环保型双子表面活性剂随着对环保的日益蕈视,驱油剂需生物降解,具有环境友好性。研究表明,目标分子带有酰胺基团易生物降解赵田红等[21]以二元胺、2一溴乙基磺酸钠、月桂酰氯等为原料合成双子表面活性剂。用标产物分子带有酰胺基团,可生物降解。减少环境污染。通过测试其表面活性、润湿性能和复合体系的驱油效率,结果显示其是好的驱油剂。魏巍制了一种易降解,对环境友好,易工业化的双子表面活性剂马来酸双酯。3.3复配型双子表面活性剂成本严重制约着双子表面活性剂在三采中的推广应用,采用双子表面活性剂与普通表面活性剂或添加剂复配,则可大大降低成本。张永明等[23]合成了磺酸盐型双子表面活性剂,并将其与石油磺酸盐复合,当质量分数为1%时,磺酸盐型双子表面活性剂——石油磺酸盐复合体系能降低油水界面张力至4×10一4~6×10~mN/m,且两者之间协同效应好。刘红星等[24]研究了双子表面活性剂溴化l,4/1,6一双一烷(普通阴离子表面活性剂十二烷基苯磺酸钠(间的协同效应。当行(竹(3:7复配时,该复配体系的克松等成了双子表面活性剂2,4一二(氨基甲酸一二乙基烷基季铵盐基乙基酯)其与竹(理(l:2时,复合体系的×10~,7一一22.5 mN/m。4发展趋势双子表面活性剂因其独特的结构和性能以及广泛的应用前景而备受关注,下列几个方面仍是未来发展方向。4.1优化合成工艺除对称型阳离子双子表面活性剂可一步合成外,大多数双子表面活性剂均需两步以上合成,且中间产物还需要分离和纯化,难以实现“一锅煮”;一步法虽合成工艺简单,但其原料(如长链烷基叔胺和卤代烷烃等)不常见且成本太高。选用廉价的原料采用先进合成方法(如微波合成)是未来研究方向。4.2开展复配研究双子表面活性剂与普通表面活性剂及添加剂的复配为降低成本提供了途径,双子表面活性剂与新型抗盐疏水缔合聚合物复配驱油体系在三次采油中前景广阔。4.3提高产品产率阴离子型和非离子型双子表面活性剂因其原料来源广而备受关注,但其分离提纯困难,产率较低。因此,优化合成环节,引入新的提纯手段,提高产品产率是重要的研究方向。4.4开发新型产品不对称双子表面活性剂在分子结构上具有更多可调性,可构筑新颖结构的分子有序聚集体;低聚表面活性剂及两性双子表面活性剂抗温抗盐性好,利于启动深层特稠油,有望在三次采油中取得突破,成为未来发展趋势之一。[参考文献][1]郭万奎,程杰成,廖广志.大庆油田三次采油技术研究现状及发展方向[J].大庆石油地质与开发,2002,21(3):1~7./万奎,杨振宇.用于三次采油的新型弱碱表面活性剂[J].石油学报,2006,27(5):75~78.[3]赵有刚,梁成浩,张志军.三次采油用抗盐性表面活性剂的制备及应用口].化上技术与开发,2005,34(2):18~20.[4]牟建海.].化工科技市场,2002,(6):6~9.[5] ,。,1.。et he be—].ci—004,552(1~3):153~157.[6] A of J].005,21(3):7 170~7 179.[7] K a re—].d 006,55(8):381~390.[8]韦星船,郑成,刘晓国.一种季铵盐双子表面活性剂的微波合成及性能研究[J].化学研究与应用,2009,2(13):338~万方数据第6期 刘忠运,等.新型双子表面活性剂在三次采油中的应用研究 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