阳离子双子表面活性剂的合成及性能研究

阳离子双子表面活性剂的合成及性能研究

减少油、水资源动态界面张力的能力是表面活性剂的重要指标。阳离子双子表面活性剂是一种新型的表面活性剂,具有较低的临界胶束浓度和较强的降低油水动态界面张力的能力,在化学驱提高采收率领域显示出广阔的应用前景。目前,关于阳离子双子表面活性剂降低油水动态界面张力的研究比较多,但对其如何影响油水动态界面张力以及这种动态界面张力与采收率之间关系的研究较少,因此开展此方面的研究,可以为阳离子双子表面活性剂的应用提供理论和实践方面的依据。双子表面活性剂可视为由2个或2个以上的同一或几乎同一的两亲成分、在其头基或靠近头基处由联结基团通过化学键将两亲成分连接在一起而成的表面活性剂。联结基团有柔性的(如聚亚甲基、聚氧乙烯基和聚氧丙烯基),也有刚性的(如含苯环的或杂原子的基团),双子表面活性剂是其中的二聚表面活性剂(其分子结构示于图1)。1实验部分1.1s1003型电子天平、sg3-1、sy-33a岩心夹持器TEXAS-500旋滴界面张力仪、JA2003型电子天平、SG83-1双联自动恒温箱、SY-03A双柱塞微量平流泵、中间容器、压力表以及岩心夹持器。1.2疏水烷基主链碳构成gs14-4-14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系列:GS12-3-12、GS14-2-14、GS14-3-14、GS14-4-14(注:GSn-m-n,n为疏水烷基主链碳数;m为联结基主链碳数);原油:粘度为2.35mPa·s,密度为0.8917g/cm3;蒸馏水以及人造岩心(岩心材料相同,渗透率和孔隙度差别不大)。1.3实验方法1.3.1界面张力测量在25℃条件下,利用旋滴界面张力仪直接测出。1.3.2饱和油岩心出口端(1)抽空饱和岩心,测定岩心孔隙体积及水相渗透率;(2)饱和油2PV以上,至岩心出口端无水产出时结束;(3)水驱至岩心出口端含水98%;(4)注入阳离子双子表面活性剂,至出口端无产出油时结束。2结果与讨论2.1阳离子响应面复合表面活性剂的分类为了研究阳离子双子表面活性剂的分子结构与油水动态界面张力的关系,选择不同联结基主链碳数和不同疏水烷基主链碳数的阳离子双子表面活性剂作为研究对象,在不同浓度下考察阳离子双子表面活性剂降低油水动态界面张力的能力。实验结果显示,依据降低油水动态界面张力的能力可将阳离子双子表面活性剂分为3类。第1类是图2所示的能将油水动态界面张力降至超低(<10-3mN/m),且能够长时间维持的阳离子双子表面活性剂,如GS12-3-12(506mg/L)、GS12-3-12(1000mg/L)、GS14-4-14(50mg/L)以及GS14-2-14(50mg/L)。第2类是图3所示的能将油水动态界面张力降低至10-2数量级的阳离子双子表面活性剂,如GS12-3-12(200mg/L)、GS14-4-14(200mg/L)、GS14-2-14(112mg/L)以及GS14-2-14(300mg/L)。第3类是图4所示的能将油水动态界面张力降至超低,但维持超低界面张力的时间较短,最终的界面张力维持在10-2数量级的阳离子双子表面活性剂,如GS14-3-14(102mg/L)和GS14-3-14(300mg/L)。2.2阳离子引物驱油实验结果为了研究油水动态界面张力特征与采收率的关系,针对不同动态界面张力特征,分别选择2种驱替液进行驱油实验,以便最大限度地减少误差。其中,对于能够维持超低界面张力时间较长的情况,选择GS12-3-12(506mg/L)和GS12-3-12(1000mg/L)作为驱替液;对于能够达到超低界面张力但维持超低界面张力时间较短的情况,选择GS14-3-14(102mg/L)和GS14-3-14(300mg/L)作为驱替液;对于不能达到超低界面张力、最终界面张力值维持在10-2数量级的情况,选择GS12-3-12(200mg/L)和GS14-4-14(200mg/L)作为驱替液。驱油实验结果见表1。因为人造岩心所用材料相同,并且岩心渗透率和孔隙度差别不明显,所以本次实验忽略岩心物性对采收率的影响。据表1数据,不同阳离子双子表面活性剂动态界面张力特征与采收率的关系有如下的规律:(1)维持超低界面张力时间较长的阳离子双子表面活性剂,如GS12-3-12(506mg/L)和GS12-3-12(1000mg/L),表面活性剂驱采收率最高。(2)对比GS14-3-14(300mg/L)和GS12-3-12(200mg/L)的驱油实验数据发现,二者的平衡界面张力都在10-2的数量级,但由于GS14-3-14(300mg/L)存在10-3数量级的瞬时超低界面张力,其表面活性剂驱采收率明显高于GS12-3-12(200mg/L)。据此可以得出:油水瞬时动态界面张力在提高采收率方面具有一定的作用。(3)从GS12-3-12(200mg/L)和GS14-4-14(200mg/L)的驱油实验数据可以看到,平衡界面张力在10-2数量级的阳离子双子表面活性剂在提高采收率方面有一定的作用,但与存在超低界面张力的阳离子双子表面活性剂相比,其提高采收率的能力相差很多。2.3阳离子引物提升剂对界面张力的影响机理对于阳离子双子表面活性剂在降低油水动态界面张力方面所表现出的不同动态规律的机理,在此进行初步的探讨。(1)阳离子双子表面活性剂分子能够快速地运移至油水界面,从而迅速降低油水界面张力。这主要是由于阳离子双子表面活性剂靠化学键连接2个离子头基,这就降低了电荷斥力在吸附过程中所起的作用,从而使阳离子双子表面活性剂分子能够迅速到达油水界面,最终使阳离子双子表面活性剂分子在界面紧密排列,形成一种动态平衡。(2)阳离子双子表面活性剂降低油水动态界面张力的动态过程表现出2种情况:一种情况是界面张力随时间呈递减趋势,最后趋于平稳,这种情况占大多数,并且可以用扩散控制吸附机理解释,即表面活性剂分子扩散到油水界面是时间的函数;另一种情况是界面张力随时间的变化是先递减、后递增(主要指GS14-3-14(102mg/L)和GS14-3-14(300mg/L)降低油水动态界面张力特征),对于产生这种现象的原因,有研究者解释为原油中活性物质的存在与阳离子双子表面活性剂分子争夺在界面上的吸附量。笔者认为产生这种现象的原因主要是阳离子双子表面活性剂GS14-3-14具有特殊的分子结构,在溶液中GS14-3-14自聚,产生了不同于其它阳离子双子表面活性剂的胶团形态,从而影响其在油水界面的吸附过程,最终导致其在降低油水动态界面张力方面区别于其它阳离子双子表面活性剂。关于这方面的内容还有待于进一步的探索。3界面张力对采收率的影响(1)阳离子双子表面活性剂在降低油水动态界面张力方面表现出3种不同的特征:维持超低界面张力的时间较长;能达到超低界面张力但维持超低界面张力的时间较短;不能达到超低界面张力,最终的界面张力