陽離子雙子表面活性劑的合成及性能研究

減少油、水資源動態界面張力的能力是表面活性劑的重要指標。陽離子雙子表面活性劑是一種新型的表面活性劑,具有較低的臨界膠束濃度和較強的降低油水動態界面張力的能力,在化學驅提高采收率領域顯示出廣闊的應用前景。目前,關于陽離子雙子表面活性劑降低油水動態界面張力的研究比較多,但對其如何影響油水動態界面張力以及這種動態界面張力與采收率之間關系的研究較少,因此開展此方面的研究,可以為陽離子雙子表面活性劑的應用提供理論和實踐方面的依據。雙子表面活性劑可視為由2個或2個以上的同一或幾乎同一的兩親成分、在其頭基或靠近頭基處由聯結基團通過化學鍵將兩親成分連接在一起而成的表面活性劑。聯結基團有柔性的(如聚亞甲基、聚氧乙烯基和聚氧丙烯基),也有剛性的(如含苯環的或雜原子的基團),雙子表面活性劑是其中的二聚表面活性劑(其分子結構示于圖1)。1實驗部分1.1s1003型電子天平、sg3-1、sy-33a巖心夾持器TEXAS-500旋滴界面張力儀、JA2003型電子天平、SG83-1雙聯自動恒溫箱、SY-03A雙柱塞微量平流泵、中間容器、壓力表以及巖心夾持器。1.2疏水烷基主鏈碳構成gs14-4-14將叔胺和鹵代烷烴通過“一步法”合成陽離子雙子表面活性劑系列:GS12-3-12、GS14-2-14、GS14-3-14、GS14-4-14(注:GSn-m-n,n為疏水烷基主鏈碳數;m為聯結基主鏈碳數);原油:粘度為2.35mPa·s,密度為0.8917g/cm3;蒸餾水以及人造巖心(巖心材料相同,滲透率和孔隙度差別不大)。1.3實驗方法1.3.1界面張力測量在25℃條件下,利用旋滴界面張力儀直接測出。1.3.2飽和油巖心出口端(1)抽空飽和巖心,測定巖心孔隙體積及水相滲透率;(2)飽和油2PV以上,至巖心出口端無水產出時結束;(3)水驅至巖心出口端含水98%;(4)注入陽離子雙子表面活性劑,至出口端無產出油時結束。2結果與討論2.1陽離子響應面復合表面活性劑的分類為了研究陽離子雙子表面活性劑的分子結構與油水動態界面張力的關系,選擇不同聯結基主鏈碳數和不同疏水烷基主鏈碳數的陽離子雙子表面活性劑作為研究對象,在不同濃度下考察陽離子雙子表面活性劑降低油水動態界面張力的能力。實驗結果顯示,依據降低油水動態界面張力的能力可將陽離子雙子表面活性劑分為3類。第1類是圖2所示的能將油水動態界面張力降至超低(<10-3mN/m),且能夠長時間維持的陽離子雙子表面活性劑,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類是圖3所示的能將油水動態界面張力降低至10-2數量級的陽離子雙子表面活性劑,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類是圖4所示的能將油水動態界面張力降至超低,但維持超低界面張力的時間較短,最終的界面張力維持在10-2數量級的陽離子雙子表面活性劑,如GS14-3-14(102mg/L)和GS14-3-14(300mg/L)。2.2陽離子引物驅油實驗結果為了研究油水動態界面張力特征與采收率的關系,針對不同動態界面張力特征,分別選擇2種驅替液進行驅油實驗,以便最大限度地減少誤差。其中,對于能夠維持超低界面張力時間較長的情況,選擇GS12-3-12(506mg/L)和GS12-3-12(1000mg/L)作為驅替液;對于能夠達到超低界面張力但維持超低界面張力時間較短的情況,選擇GS14-3-14(102mg/L)和GS14-3-14(300mg/L)作為驅替液;對于不能達到超低界面張力、最終界面張力值維持在10-2數量級的情況,選擇GS12-3-12(200mg/L)和GS14-4-14(200mg/L)作為驅替液。驅油實驗結果見表1。因為人造巖心所用材料相同,并且巖心滲透率和孔隙度差別不明顯,所以本次實驗忽略巖心物性對采收率的影響。據表1數據,不同陽離子雙子表面活性劑動態界面張力特征與采收率的關系有如下的規律:(1)維持超低界面張力時間較長的陽離子雙子表面活性劑,如GS12-3-12(506mg/L)和GS12-3-12(1000mg/L),表面活性劑驅采收率最高。(2)對比GS14-3-14(300mg/L)和GS12-3-12(200mg/L)的驅油實驗數據發現,二者的平衡界面張力都在10-2的數量級,但由于GS14-3-14(300mg/L)存在10-3數量級的瞬時超低界面張力,其表面活性劑驅采收率明顯高于GS12-3-12(200mg/L)。據此可以得出:油水瞬時動態界面張力在提高采收率方面具有一定的作用。(3)從GS12-3-12(200mg/L)和GS14-4-14(200mg/L)的驅油實驗數據可以看到,平衡界面張力在10-2數量級的陽離子雙子表面活性劑在提高采收率方面有一定的作用,但與存在超低界面張力的陽離子雙子表面活性劑相比,其提高采收率的能力相差很多。2.3陽離子引物提升劑對界面張力的影響機理對于陽離子雙子表面活性劑在降低油水動態界面張力方面所表現出的不同動態規律的機理,在此進行初步的探討。(1)陽離子雙子表面活性劑分子能夠快速地運移至油水界面,從而迅速降低油水界面張力。這主要是由于陽離子雙子表面活性劑靠化學鍵連接2個離子頭基,這就降低了電荷斥力在吸附過程中所起的作用,從而使陽離子雙子表面活性劑分子能夠迅速到達油水界面,最終使陽離子雙子表面活性劑分子在界面緊密排列,形成一種動態平衡。(2)陽離子雙子表面活性劑降低油水動態界面張力的動態過程表現出2種情況:一種情況是界面張力隨時間呈遞減趨勢,最后趨于平穩,這種情況占大多數,并且可以用擴散控制吸附機理解釋,即表面活性劑分子擴散到油水界面是時間的函數;另一種情況是界面張力隨時間的變化是先遞減、后遞增(主要指GS14-3-14(102mg/L)和GS14-3-14(300mg/L)降低油水動態界面張力特征),對于產生這種現象的原因,有研究者解釋為原油中活性物質的存在與陽離子雙子表面活性劑分子爭奪在界面上的吸附量。筆者認為產生這種現象的原因主要是陽離子雙子表面活性劑GS14-3-14具有特殊的分子結構,在溶液中GS14-3-14自聚,產生了不同于其它陽離子雙子表面活性劑的膠團形態,從而影響其在油水界面的吸附過程,最終導致其在降低油水動態界面張力方面區別于其它陽離子雙子表面活性劑。關于這方面的內容還有待于進一步的探索。3界面張力對采收率的影響(1)陽離子雙子表面活性劑在降低油水動態界面張力方面表現出3種不同的特征:維持超低界面張力的時間較長;能達到超低界面張力但維持超低界面張力的時間較短;不能達到超低界面張力,最終的界面張力