雙子表面活性劑與臨盤原油間的界面活性

雙表面活性劑是近年來研究較多的下一代表面活性劑。由于其特殊的結(jié)構(gòu)，它具有以下特殊的性質(zhì)：低接觸膠束濃度、高表內(nèi)界面活性、良好的水性和良好的潤濕性。20世紀90年代初,雙子表面活性劑在世界范圍內(nèi)引起極大關(guān)注,成為膠體與界面化學(xué)領(lǐng)域的研究熱點。目前,國外已合成出一系列陰離子、陽離子、非離子及兩性型雙子表面活性劑。2001年我國開始涉足雙子表面活性劑的研究,唐善法等[1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11]合成了不同類型的雙子表面活性劑,并對雙子表面活性劑的界面性質(zhì)、聚集行為及應(yīng)用做了大量研究。在石油開采應(yīng)用方面,有關(guān)雙子表面活性劑在油水界面的性質(zhì)以及溫度對其界面性質(zhì)的影響已有報道,然而這些報道主要是有關(guān)機理研究的,而針對具體區(qū)塊原油間的界面性能的研究較少,尤其是針對勝利油田低滲透區(qū)塊原油與雙子表面活性劑溶液的界面活性研究更鮮有報道。本工作用勝利油田臨盤采油廠的注入水配制了不同含量的雙子表面活性劑溶液,研究了雙子表面活性劑溶液與臨盤原油之間的界面活性,分析了雙子表面活性劑的結(jié)構(gòu)、含量、溫度對界面張力的影響,并對比了雙子表面活性劑溶液與不同原油之間的界面張力,篩選出了適合臨盤原油和孤島原油的雙子表面活性劑,并為下一步的現(xiàn)場應(yīng)用提供了依據(jù)。1實驗部分1.1二烷基苯磺酸面m-s-m型雙子表面活性劑(m為烷基碳原子數(shù),s為聯(lián)結(jié)基長度),包括三亞甲基-1,3-雙(十四烷基二甲基溴化銨(簡寫為14-3-14)、四亞甲基-1,4-雙(十四烷基二甲基溴化銨)(簡寫為14-4-14)、六亞甲基-1,6-雙(十四烷基二甲基溴化銨)(簡寫為14-6-14)、三亞甲基-1,3-雙(十六烷基二甲基溴化銨)(簡寫為16-3-16)、二亞甲基-1,2-雙(十二烷基二甲基溴化銨)(簡寫為12-2-12):純度80%(質(zhì)量分數(shù)),固體,自制;十四烷基三甲基溴化銨(TTAB):分析純,江蘇凱利達化學(xué)有限公司。勝利油田臨盤采油廠的注入水為NaHCO3水型,離子組成見表1。臨盤的地面原油密度為0.854g/cm3,黏度為9.5mPa·s,凝固點為28℃;地層原油的密度為0.730g/cm3,黏度為0.8mPa·s,凝固點為28℃,硫含量(質(zhì)量分數(shù),下同)0.27%,瀝青質(zhì)含量1.08%,膠質(zhì)含量4.57%。孤島地面原油的密度為0.986g/cm3,黏度為5775.0mPa·s。1.2界面張力的測定用勝利油田臨盤采油廠的注入水配置不同含量的表面活性劑溶液,然后采用Dataphysics公司SVT20型視頻旋轉(zhuǎn)滴張力儀測試不同含量的表面活性劑溶液與臨盤原油和孤島原油之間的界面張力。除考察溫度對表面張力影響的實驗外,其他實驗的測試溫度均為70℃。2結(jié)果與討論2.1最低界面張力測試不同含量的雙子表面活性劑溶液和傳統(tǒng)TTAB表面活性劑溶液與臨盤原油間的界面張力,實驗結(jié)果見圖1。由圖1可見,當14-3-14雙子表面活性劑的含量(質(zhì)量分數(shù),下同)為50×10-6時,最低界面張力可達0.0045mN/m;而當TTAB含量為100×10-6時,其最低界面張力為0.2215mN/m,14-3-14雙子表面活性劑的界面活性明顯優(yōu)于TTAB表面活性劑。這是因為雙子表面活性劑的兩個離子頭基靠聯(lián)接基通過化學(xué)鍵連接,使聯(lián)接基兩端的兩個表面活性劑分子的距離縮短,加強了碳氫鏈間的疏水結(jié)合力,同時,離子頭基間的靜電排斥作用大幅削弱,使其在水的表面排列更為緊密。由圖1還可見,TTAB表面活性劑的最低界面張力是14-3-14雙子表面活性劑的近49倍,但TTAB表面活性劑達到最低界面張力時的含量卻是14-3-14雙子表面活性劑含量的2倍。由此可見,14-3-14雙子表面活性劑在較低含量下具有很好的降低界面張力的效果,降低了現(xiàn)場應(yīng)用的成本。2.2雙表面活性劑結(jié)構(gòu)對界面活性劑的影響2.2.1最低界面張力雙子表面活性劑中疏水烷基長度對其與臨盤原油間界面張力的影響見圖2。由圖2可見,在m-3-m型雙子表面活性劑中,16-3-16雙子表面活性劑的最低界面張力為0.3023mN/m,14-3-14雙子表面活性劑的最低界面張力為0.0045mN/m。對于臨盤原油,m-3-m型雙子表面活性劑中,14個碳原子的界面活性比16個碳原子的界面活性高,但雙子表面活性劑降低界面張力的能力不僅與疏水烷基鏈的長度有關(guān),還與聯(lián)結(jié)基長度有關(guān)。2.2.2基長度對聯(lián)邦響應(yīng)的影響考察14-s-14型雙子表面活性劑中聯(lián)結(jié)基長度對其與臨盤原油間界面張力的影響,實驗結(jié)果見圖3。由圖3可見,聯(lián)結(jié)基長度對雙子表面活性劑降低界面張力的影響較大,其中s=3的14-3-14雙子表面活性劑降低界面張力的能力最強,而s=4,6的14-4-14和14-6-14雙子表面活性劑降低界面張力的能力則較差,即在考察范圍內(nèi),隨聯(lián)結(jié)基長度的增加,該類型雙子表面活性劑降低界面張力的能力變差。對于臨盤原油,14-3-14雙子表面活性劑的界面活性最好。2.3低至10-fmn/m自然雙子表面活性劑含量對其與臨盤原油間界面張力的影響見圖4。由圖4可見,在未添加任何助劑的情況下,雙子表面活性劑可在較低含量下大幅度降低界面張力,甚至可將界面張力降低至10-3mN/m數(shù)量級。隨表面活性劑含量的增加,界面張力呈現(xiàn)先迅速下降后增大的趨勢,出現(xiàn)這一趨勢可能是因為界面上分子的吸附最初是單層吸附,隨溶液中表面活性劑含量的增加,表面活性劑分子在界面上不斷聚集,使得界面張力下降;當界面上的分子達到飽和吸附后,開始進行多層吸附,多層吸附會導(dǎo)致在界面上形成第三相,不利于界面張力的降低,從而使得界面張力出現(xiàn)一個最低值后又逐漸增大。這也表明雙子表面活性劑只有在含量一定時才能出現(xiàn)最低界面張力,因此,在應(yīng)用于現(xiàn)場前應(yīng)確定雙子表面活性劑的最佳含量。2.4表面活性劑的選擇溫度對14-3-14雙子表面活性劑溶液與臨盤原油間界面張力的影響見圖5。由圖5可見,當14-3-14雙子表面活性劑含量大于100×10-6時,溫度對界面張力的影響較小;當14-3-14雙子表面活性劑含量小于50×10-6時,體系在70℃時的界面性能最好,最低界面張力可達0.0045mN/m由此可見,14-3-14雙子表面活性劑在低含量時存在最佳使用溫度,而在高含量時溶液耐溫性能較好。2.5界面活性的變化不同雙子表面活性劑溶液與不同原油間的界面張力曲線見圖6、圖7。由圖6、圖7可見,14-3-14雙子表面活性劑溶液與臨盤原油及12-2-12雙子表面活性劑溶液與孤島原油之間均出現(xiàn)最低界面張力,分別為0.0045mN/m和0.0010mN/m;但兩者達到最低界面張力時雙子表面活性劑的含量不同,當14-3-14雙子表面活性劑的含量為50×10-6時界面張力最低,而12-2-12雙子表面活性劑的含量為500×10-6時界面張力最低由圖6和圖7還可見,14-3-14雙子表面活性劑溶液與孤島原油間的界面張力以及12-2-12雙子表面活性劑溶液與臨盤原油間的界面張力相對較高,界面活性較差。這是因為原油是一種十分復(fù)雜的有機混合物,原油中烷烴和芳烴的組成以及膠質(zhì)、瀝青質(zhì)的含量對原油的界面性質(zhì)影響很大,原油中烴類碳鏈長度也影響體系的界面行為。因此在現(xiàn)場應(yīng)用前,要對雙子表面活性劑進行篩選,以適應(yīng)不同組成的原油。3界面張力的影響(1)研究結(jié)果表明,14-3-14雙子表面活性劑的界面活性明顯優(yōu)于TTAB;當14-3-14雙子表面活性劑含量一定時,雙子表面活性劑溶液與臨盤原油之間存在最低界面張力,這為現(xiàn)場應(yīng)用提供了合理的雙子表面活性劑含量范圍。(2)雙子表面活性劑的疏水烷基長度和聯(lián)結(jié)基長度對界面張力有一定的影響。對于臨盤原油