双子表面活性剂与临盘原油间的界面活性

双子表面活性剂与临盘原油间的界面活性

双表面活性剂是近年来研究较多的下一代表面活性剂。由于其特殊的结构，它具有以下特殊的性质：低接触胶束浓度、高表内界面活性、良好的水性和良好的润湿性。20世纪90年代初,双子表面活性剂在世界范围内引起极大关注,成为胶体与界面化学领域的研究热点。目前,国外已合成出一系列阴离子、阳离子、非离子及两性型双子表面活性剂。2001年我国开始涉足双子表面活性剂的研究,唐善法等[1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11]合成了不同类型的双子表面活性剂,并对双子表面活性剂的界面性质、聚集行为及应用做了大量研究。在石油开采应用方面,有关双子表面活性剂在油水界面的性质以及温度对其界面性质的影响已有报道,然而这些报道主要是有关机理研究的,而针对具体区块原油间的界面性能的研究较少,尤其是针对胜利油田低渗透区块原油与双子表面活性剂溶液的界面活性研究更鲜有报道。本工作用胜利油田临盘采油厂的注入水配制了不同含量的双子表面活性剂溶液,研究了双子表面活性剂溶液与临盘原油之间的界面活性,分析了双子表面活性剂的结构、含量、温度对界面张力的影响,并对比了双子表面活性剂溶液与不同原油之间的界面张力,筛选出了适合临盘原油和孤岛原油的双子表面活性剂,并为下一步的现场应用提供了依据。1实验部分1.1二烷基苯磺酸面m-s-m型双子表面活性剂(m为烷基碳原子数,s为联结基长度),包括三亚甲基-1,3-双(十四烷基二甲基溴化铵(简写为14-3-14)、四亚甲基-1,4-双(十四烷基二甲基溴化铵)(简写为14-4-14)、六亚甲基-1,6-双(十四烷基二甲基溴化铵)(简写为14-6-14)、三亚甲基-1,3-双(十六烷基二甲基溴化铵)(简写为16-3-16)、二亚甲基-1,2-双(十二烷基二甲基溴化铵)(简写为12-2-12):纯度80%(质量分数),固体,自制;十四烷基三甲基溴化铵(TTAB):分析纯,江苏凯利达化学有限公司。胜利油田临盘采油厂的注入水为NaHCO3水型,离子组成见表1。临盘的地面原油密度为0.854g/cm3,黏度为9.5mPa·s,凝固点为28℃;地层原油的密度为0.730g/cm3,黏度为0.8mPa·s,凝固点为28℃,硫含量(质量分数,下同)0.27%,沥青质含量1.08%,胶质含量4.57%。孤岛地面原油的密度为0.986g/cm3,黏度为5775.0mPa·s。1.2界面张力的测定用胜利油田临盘采油厂的注入水配置不同含量的表面活性剂溶液,然后采用Dataphysics公司SVT20型视频旋转滴张力仪测试不同含量的表面活性剂溶液与临盘原油和孤岛原油之间的界面张力。除考察温度对表面张力影响的实验外,其他实验的测试温度均为70℃。2结果与讨论2.1最低界面张力测试不同含量的双子表面活性剂溶液和传统TTAB表面活性剂溶液与临盘原油间的界面张力,实验结果见图1。由图1可见,当14-3-14双子表面活性剂的含量(质量分数,下同)为50×10-6时,最低界面张力可达0.0045mN/m;而当TTAB含量为100×10-6时,其最低界面张力为0.2215mN/m,14-3-14双子表面活性剂的界面活性明显优于TTAB表面活性剂。这是因为双子表面活性剂的两个离子头基靠联接基通过化学键连接,使联接基两端的两个表面活性剂分子的距离缩短,加强了碳氢链间的疏水结合力,同时,离子头基间的静电排斥作用大幅削弱,使其在水的表面排列更为紧密。由图1还可见,TTAB表面活性剂的最低界面张力是14-3-14双子表面活性剂的近49倍,但TTAB表面活性剂达到最低界面张力时的含量却是14-3-14双子表面活性剂含量的2倍。由此可见,14-3-14双子表面活性剂在较低含量下具有很好的降低界面张力的效果,降低了现场应用的成本。2.2双表面活性剂结构对界面活性剂的影响2.2.1最低界面张力双子表面活性剂中疏水烷基长度对其与临盘原油间界面张力的影响见图2。由图2可见,在m-3-m型双子表面活性剂中,16-3-16双子表面活性剂的最低界面张力为0.3023mN/m,14-3-14双子表面活性剂的最低界面张力为0.0045mN/m。对于临盘原油,m-3-m型双子表面活性剂中,14个碳原子的界面活性比16个碳原子的界面活性高,但双子表面活性剂降低界面张力的能力不仅与疏水烷基链的长度有关,还与联结基长度有关。2.2.2基长度对联邦响应的影响考察14-s-14型双子表面活性剂中联结基长度对其与临盘原油间界面张力的影响,实验结果见图3。由图3可见,联结基长度对双子表面活性剂降低界面张力的影响较大,其中s=3的14-3-14双子表面活性剂降低界面张力的能力最强,而s=4,6的14-4-14和14-6-14双子表面活性剂降低界面张力的能力则较差,即在考察范围内,随联结基长度的增加,该类型双子表面活性剂降低界面张力的能力变差。对于临盘原油,14-3-14双子表面活性剂的界面活性最好。2.3低至10-fmn/m自然双子表面活性剂含量对其与临盘原油间界面张力的影响见图4。由图4可见,在未添加任何助剂的情况下,双子表面活性剂可在较低含量下大幅度降低界面张力,甚至可将界面张力降低至10-3mN/m数量级。随表面活性剂含量的增加,界面张力呈现先迅速下降后增大的趋势,出现这一趋势可能是因为界面上分子的吸附最初是单层吸附,随溶液中表面活性剂含量的增加,表面活性剂分子在界面上不断聚集,使得界面张力下降;当界面上的分子达到饱和吸附后,开始进行多层吸附,多层吸附会导致在界面上形成第三相,不利于界面张力的降低,从而使得界面张力出现一个最低值后又逐渐增大。这也表明双子表面活性剂只有在含量一定时才能出现最低界面张力,因此,在应用于现场前应确定双子表面活性剂的最佳含量。2.4表面活性剂的选择温度对14-3-14双子表面活性剂溶液与临盘原油间界面张力的影响见图5。由图5可见,当14-3-14双子表面活性剂含量大于100×10-6时,温度对界面张力的影响较小;当14-3-14双子表面活性剂含量小于50×10-6时,体系在70℃时的界面性能最好,最低界面张力可达0.0045mN/m由此可见,14-3-14双子表面活性剂在低含量时存在最佳使用温度,而在高含量时溶液耐温性能较好。2.5界面活性的变化不同双子表面活性剂溶液与不同原油间的界面张力曲线见图6、图7。由图6、图7可见,14-3-14双子表面活性剂溶液与临盘原油及12-2-12双子表面活性剂溶液与孤岛原油之间均出现最低界面张力,分别为0.0045mN/m和0.0010mN/m;但两者达到最低界面张力时双子表面活性剂的含量不同,当14-3-14双子表面活性剂的含量为50×10-6时界面张力最低,而12-2-12双子表面活性剂的含量为500×10-6时界面张力最低由图6和图7还可见,14-3-14双子表面活性剂溶液与孤岛原油间的界面张力以及12-2-12双子表面活性剂溶液与临盘原油间的界面张力相对较高,界面活性较差。这是因为原油是一种十分复杂的有机混合物,原油中烷烃和芳烃的组成以及胶质、沥青质的含量对原油的界面性质影响很大,原油中烃类碳链长度也影响体系的界面行为。因此在现场应用前,要对双子表面活性剂进行筛选,以适应不同组成的原油。3界面张力的影响(1)研究结果表明,14-3-14双子表面活性剂的界面活性明显优于TTAB;当14-3-14双子表面活性剂含量一定时,双子表面活性剂溶液与临盘原油之间存在最低界面张力,这为现场应用提供了合理的双子表面活性剂含量范围。(2)双子表面活性剂的疏水烷基长度和联结基长度对界面张力有一定的影响。对于临盘原油