趙修太,陳立峰*,彭緒勇,孟繁梅,白英瑞
(1.中國石油大學(xué)(華東)石油工程學(xué)院,山東 青島266555; 2.勝利油田 東辛采油廠,山東 東營257000)
驅(qū)油用磺酸鹽表面活性劑的研究進(jìn)展
趙修太1,陳立峰1*,彭緒勇2,孟繁梅1,白英瑞1
(1.中國石油大學(xué)(華東)石油工程學(xué)院,山東 青島266555; 2.勝利油田 東辛采油廠,山東 東營257000)
綜述了驅(qū)油用石油磺酸鹽、重烷基苯磺酸鹽、脂肪醇聚氧乙烯醚磺酸鹽及磺酸鹽雙子表面活性劑四種磺酸鹽表面活性劑的研究進(jìn)展,指出了這四種表面活性劑在油田應(yīng)用中存在的問題以及未來的發(fā)展方向;闡述了油水乳化提高原油采收率的機(jī)理,初步分析了影響表面活性劑乳化能力的因素,強(qiáng)調(diào)了從分子結(jié)構(gòu)的角度研究表面活性劑性能的重要性.
驅(qū)油;磺酸鹽;表面活性劑;研究進(jìn)展
我國幾大主力油田平均采收率不到1/3,但是國外發(fā)達(dá)國家已經(jīng)達(dá)到50%左右;2010年我國累計(jì)進(jìn)口原油2.39億噸,同比增長17.4%,原油對外依存度達(dá)到53.8%.因此,提高原油采收率是我國當(dāng)前面臨的迫切任務(wù).化學(xué)驅(qū)是我國提高油田最終采收率的主要方法,包括表面活性劑驅(qū)、堿驅(qū)、聚合物驅(qū)及復(fù)合驅(qū).在注入水中加入表面活性劑后,油水界面張力明顯降低,提高了驅(qū)油效率,因此表面活性劑驅(qū)在化學(xué)驅(qū)中一直發(fā)揮著不可替代的作用,成為油田化學(xué)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn).磺酸鹽表面活性劑由于界面活性高、價(jià)格低等優(yōu)點(diǎn)成為化學(xué)驅(qū)中使用量最大、應(yīng)用范圍最廣的表面活性劑.本文作者綜述了四種油田常用磺酸鹽表面活性劑的研究進(jìn)展,并初步分析了影響乳化能力的因素.
隨著原油價(jià)格的持續(xù)高位運(yùn)行以及石油需求量的不斷增加,石油磺酸鹽的研究不斷取得突破.國外學(xué)者研發(fā)石油磺酸鹽的時(shí)間比較早,早在1978年,在美國油田現(xiàn)場膠束驅(qū)油和微乳液驅(qū)油中就使用了石油磺酸鹽[1],含有石油磺酸鹽的磺酸鹽表面活性劑混合物ORS-41、B-100被各大油田廣泛采用[2].由于我國油藏特殊條件的需要,我國化學(xué)驅(qū)研究迅猛發(fā)展,石油磺酸鹽的研制也取得了長足進(jìn)展.新疆油田任敏紅等人合成的廉價(jià)表面活性劑新疆石油磺酸鹽KPS-2,使克拉瑪依原油的界面張力最低可降至5×10-3mN/m,并且生產(chǎn)過程不產(chǎn)生酸渣,沒有醇萃取等后處理工藝,設(shè)備簡單,基本不污染環(huán)境,生產(chǎn)成本低,該產(chǎn)品具有巨大的廣泛應(yīng)用的潛力[3].勝利油田利用勝利原油研制出勝利石油磺酸鹽SLPS系列,既可用于單一的表面活性劑驅(qū),又可用于復(fù)合驅(qū),效果都比較好,與勝利原油間的界面張力基本達(dá)到10-3mN/m,目前被廣泛應(yīng)用于勝利油田化學(xué)驅(qū)中[4].但是由于合成石油磺酸鹽的原料油不同,不同的石油磺酸鹽性質(zhì)差別很大,所以一種表面活性劑不可能完全適用于各個(gè)油田,只有該產(chǎn)品與某區(qū)塊的油水具有較好的相似相容性時(shí),才會產(chǎn)生超低界面張力,所以不同石油磺酸鹽復(fù)配使用性能更佳[5].
雖然石油磺酸鹽具有活性高、價(jià)格低、生產(chǎn)簡單等優(yōu)點(diǎn),但是也存在一些缺陷,比如說沉淀吸附較嚴(yán)重、穩(wěn)定性差等,因此科研人員對常規(guī)石油磺酸鹽進(jìn)行了改性研究.張志軍利用糠醛抽出油、減三線餾分油與馬來酸酐發(fā)生?;磻?yīng),然后將反應(yīng)產(chǎn)物與亞硫酸鈉進(jìn)行磺化反應(yīng),得到了改性石油磺酸鈉PCS;此外,通過十二烷基苯和馬來酸酐發(fā)生?;磻?yīng)生成十二烷基苯甲酰丙烯酸,再與亞硫酸鈉進(jìn)行磺化反應(yīng),即得到改性產(chǎn)物十二烷基苯甲酰丙烯酸鈉磺酸鈉.這兩種改性產(chǎn)品與使用相同原料油合成的石油磺酸鹽相比,其臨界膠束濃度和界面張力都大幅降低,展現(xiàn)出優(yōu)良的界面活性[6].孫正貴等人研發(fā)了改性納米SiO2-石油磺酸鹽新型驅(qū)油劑,該產(chǎn)品能將油水界面張力降至3.2×10-3mN/m;此外,改性納米SiO2粒子與石油磺酸鹽分子相互補(bǔ)充地吸附在油水界面上,形成了具有較高機(jī)械強(qiáng)度的更加致密的界面膜,因此不僅具有良好的界面活性,而且用該表面活性劑復(fù)合體系驅(qū)油時(shí)產(chǎn)生的乳狀液更加穩(wěn)定[7].像這種界面活性、乳化性能俱佳的表面活性劑是油田迫切需要的,也是將來表面活性劑改性和合成的重要方向.
烷基苯磺酸鹽經(jīng)研究表明,可使油水界面張力降至10-3mN/m,但是該產(chǎn)品較為固定,結(jié)構(gòu)單一,為消除這些缺陷,我國科研人員陸續(xù)合成出類似于國外磺酸鹽表面活性劑ORS-41的產(chǎn)品—重烷基苯磺酸鹽.曲景奎使用撫順洗滌劑廠的重烷基苯研制出的重烷基苯磺酸鹽對大慶原油達(dá)到了超低界面張力的水平,使試驗(yàn)區(qū)塊的采收率獲得大幅提高[8].周玲革等人合成的重烷基苯磺酸鹽HBS可以使油水界面張力達(dá)到10-4mN/m數(shù)量級,且驅(qū)出液中的原油呈細(xì)小的液珠狀,與水驅(qū)后期采出液的 “油泡”狀區(qū)別明顯,細(xì)小的油珠能迅速自發(fā)聚并、破乳,油水分離較徹底,油水界面明顯,使得渤海油田稠油總采收率可達(dá)70%[9].
然而重烷基苯磺酸鹽以十二烷基苯生產(chǎn)過程的副產(chǎn)物作為原料,成分復(fù)雜不穩(wěn)定且含有不少雜質(zhì),導(dǎo)致最終產(chǎn)品質(zhì)量不穩(wěn)定,質(zhì)量控制難度較大,不同產(chǎn)品間的性能差別較大;當(dāng)前驅(qū)油劑的研發(fā)正向無堿驅(qū)油劑方向發(fā)展,但在無堿條件下,重烷基苯磺酸鹽基本失效[10].此外,表面活性劑分子是否具有苯環(huán)、苯環(huán)所在的位置以及烴鏈支化度的大小等結(jié)構(gòu)因素都會對活性產(chǎn)生較大的影響[11-12],因此只有表面活性劑分子中有和原油“相容性”好的親油基,該表面活性劑的活性才會較高.因此為了研究高當(dāng)量烷基苯磺酸鹽用作無堿驅(qū)油劑的可行性,就需要制備分子結(jié)構(gòu)明確、組成相對單一的化合物,這對于研究烷基苯磺酸鹽的作用機(jī)理以及保證產(chǎn)品質(zhì)量的穩(wěn)定性具有重要的意義.吳樂[13]以工業(yè)十二烷基苯為原料研制了十二烷基月桂酰基苯磺酸鈉DLBS,用工業(yè)級烷基苯DB和1-烯烴(碳原子數(shù)為12)為原料合成了雙烷基苯磺酸鈉DABS,這兩種親油性的表面活性劑可在很低的弱堿濃度下使油水界面張力降至10-3mN/m數(shù)量級,因此作為重烷基苯磺酸鹽的潛在代用品具有很好的應(yīng)用前景.中國石油勘探開發(fā)研究院通過研究發(fā)現(xiàn),烷基苯磺酸鹽表面活性劑界面活性因苯環(huán)在烷烴碳鏈上的取代位置不同而不同,取代位置在碳鏈中間時(shí),其界面活性較高,降低油水界面張力的能力較強(qiáng),隨著取代位置向碳鏈末端移動,界面活性降低.BERGER等人[14]以不飽和烴磺酸鹽和芳烴為原料研制出了一種苯環(huán)位于烷基不同位置的新型磺酸鹽表面活性劑,此表面活性劑在不加堿的條件下即可產(chǎn)生超低界面張力.克服重烷基苯磺酸鹽原料來源受限的缺點(diǎn)以及從分子結(jié)構(gòu)角度通過改性或合成使重烷基苯磺酸鹽在無堿條件下就可達(dá)到超低界面張力是今后攻關(guān)的方向.
脂肪醇聚氧乙烯醚磺酸鹽是一種陰離子-非離子兩性表面活性劑,能顯著降低油水界面張力,耐鹽性、乳化性優(yōu)良,由于分子中的硫原子直接連在碳原子上,所以化學(xué)穩(wěn)定性更好.此外,良好的水溶性和助溶性使其能夠更好地與其他化學(xué)試劑復(fù)配使用[15-16].與陰離子磺酸鹽表面活性劑相比,抗鹽能力強(qiáng)是脂肪醇聚氧乙烯醚磺酸鹽的最大特點(diǎn).楊銘[17]分別在水相和微乳相中以脂肪醇聚氧乙烯醚硫酸鈉AES為原料、亞硫酸鹽為磺化劑合成了脂肪醇聚氧乙烯醚磺酸鹽AESO,在高溫、高礦化度等極端酸性或堿性條件下都能較長時(shí)間保持穩(wěn)定,展現(xiàn)出良好的應(yīng)用前景.曹翔宇[18]利用金屬鈉、椰油醇脂肪醇聚氧乙烯醚與2-氯乙基磺酸鈉合成了椰油醇脂肪醇聚氧乙烯醚磺酸鹽CAPES,該表面活性劑與其他表面活性劑復(fù)配在無堿的條件下即可將油水界面張力降到10-3mN/m數(shù)量級.
作為脂肪醇聚氧乙烯醚磺酸鹽的親油基部分,脂肪烴鏈柔性很好,空間位阻較小,緊密地排列在油水界面處,絕大多數(shù)油水界面被親油基覆蓋,有效地降低了界面張力.脂肪醇聚氧乙烯醚磺酸鹽的界面活性受氧乙烯鏈節(jié)數(shù)和礦化度的影響較大,氧乙烯鏈節(jié)數(shù)多的表面活性劑分子親油性強(qiáng),向油相的遷移能力也較強(qiáng),從而擁有相對較強(qiáng)的降低界面張力的能力.對于同一烷烴,氧乙烯鏈節(jié)數(shù)多的表面活性劑分子比氧乙烯鏈節(jié)數(shù)少的表面活性劑分子在油水兩相分布趨于平衡所需時(shí)間較短,而鹽的加入會促使表面活性劑分子向油相遷移,故隨鹽含量增大,長鏈表面活性劑分子在油水兩相中分布優(yōu)先達(dá)到平衡后再失衡,而短鏈的表面活性劑分子的分布則逐漸趨于平衡.因此,礦化度高時(shí),短鏈表面活性劑界面活性較好;反之,長鏈表面活性劑界面活性較好[19].但若向脂肪醇聚氧乙烯醚磺酸鹽驅(qū)油劑中加入重烷基苯磺酸鹽,不論氧乙烯鏈的長短在較大的礦化度范圍內(nèi)都可達(dá)到超低界面張力.
在磺酸鹽雙子表面活性劑中,聯(lián)結(jié)基通過化學(xué)鍵將兩個(gè)單體離子頭基連接起來,減弱了具有相同電性的離子頭基間的靜電斥力和離子頭基水化層的阻隔,同時(shí)緊密的聯(lián)接結(jié)構(gòu)使其碳?xì)滏滈g的相互作用增強(qiáng),即碳?xì)滏滈g疏水結(jié)合力得以加強(qiáng),此即為磺酸鹽雙子表面活性劑具有優(yōu)異界面活性的根本原因[20].美國DOW氏化學(xué)公司在1958年研發(fā)的烷基二苯醚雙磺酸鹽雙子表面活性劑是第一個(gè)實(shí)現(xiàn)工業(yè)化的磺酸鹽雙子表面活性劑[21],因其具有極高的界面活性、良好的低溫水溶性以及洗滌去污能力,引起了國內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注.1999年RENOUF等人利用長鏈環(huán)氧烷先合成聯(lián)接基由醚鍵構(gòu)成的雙長烴鏈雙羥基化合物,再通過丙磺內(nèi)酯磺化引入兩個(gè)親水基磺酸基生成磺酸鹽雙子表面活性劑[22].邰書信等人[23]以長鏈烷基羧酸、苯胺和1,6-己二異氰酸酯為原料合成了一種新型的磺酸鹽雙子表面活性劑,該表面活性劑原料廉價(jià)易得,易于分離提純,其臨界膠束濃度比相同疏水碳原子數(shù)的傳統(tǒng)單鏈烷基苯磺酸鈉低1~3個(gè)數(shù)量級,且臨界膠束濃度隨烷基鏈長度的增加而減小.
磺酸鹽雙子表面活性劑因其極高的界面活性、良好的抗鹽性、較好的復(fù)配性以及優(yōu)異的潤濕性在三次采油中有著廣闊的應(yīng)用前景,但是由于合成工藝復(fù)雜、價(jià)格昂貴,沒有得到大規(guī)模的應(yīng)用.因此今后應(yīng)注意:(1)針對某一種性能研制專用表面活性劑,如具有3個(gè)疏水鏈的磺酸鹽雙子表面活性劑具有優(yōu)良的發(fā)泡性能和泡沫穩(wěn)定性,可利用廉價(jià)原料定向合成該類型的表面活性劑;(2)加強(qiáng)制備工藝的研究,減少合成步驟,降低生產(chǎn)成本;(3)研制新型磺酸鹽類表面活性劑,進(jìn)一步改善其性能,提高性價(jià)比,三聚體[24]和四聚體[25]等多聚磺酸型雙子表面活性劑值得加大研究力度.
原油乳化后被攜帶及乳狀液調(diào)剖是乳化對驅(qū)油過程產(chǎn)生的最主要的作用.通過礦場先導(dǎo)試驗(yàn)可以發(fā)現(xiàn),發(fā)生乳化作用的原油相應(yīng)的采收率較高,而未顯著乳化的原油采收率較低.首先表面活性劑在油藏多孔介質(zhì)中活化殘余油,降低界面張力,使其更利于啟動而形成油墻被乳化攜帶,因此孔隙介質(zhì)中驅(qū)油劑的洗油效率得到提高;再者油水形成的高黏乳狀液在驅(qū)替過程中優(yōu)先進(jìn)入高滲層,并產(chǎn)生封堵作用,從而使中、低滲透層的原油啟動,調(diào)整層間、層內(nèi)矛盾,擴(kuò)大波及體積,進(jìn)而提高了驅(qū)油劑的波及系數(shù).所以原油乳化提高了采收率[26-28].
界面張力性能與形成乳狀液的難易程度具有相關(guān)性,界面張力越低越容易形成乳狀液,界面張力越高越難形成乳狀液.油水界面張力降低的直接原因是表面活性劑分子在界面上的富集,同時(shí)表面活性劑分子富集產(chǎn)生的界面活性也決定了原油的乳化能力,當(dāng)油水界面張力下降時(shí),毛管數(shù)增加,有利于形成更細(xì)小的油滴,分散度減小,從而有利于乳狀液的形成.郭春萍研究表明,體系界面張力與乳化能力在整體上具有很強(qiáng)的對應(yīng)關(guān)系,即油水界面張力值越低,表面活性劑乳化能力越強(qiáng)[29].然而國外學(xué)者發(fā)現(xiàn)能使油水界面張力降低到相近值的幾種表面活性劑不一定具有相同的乳化能力[30].這表明雖然界面活性與乳化能力具有一致性,但界面活性不是乳化能力的決定因素,表面活性劑的乳化能力是由分子結(jié)構(gòu)決定的.因此,在研發(fā)乳化劑時(shí),不能把能否產(chǎn)生超低界面張力作為唯一標(biāo)準(zhǔn),還應(yīng)考慮其分子結(jié)構(gòu)和外界因素的影響.
堿可以溶解堅(jiān)硬的原生界面膜促進(jìn)原油的乳化.原油中含有較多的瀝青質(zhì)、膠質(zhì)和石蠟,它們能夠形成堅(jiān)硬界面膜,這些堅(jiān)硬的薄膜結(jié)構(gòu)存在于水和部分油滴界面處.由于界面膜的存在,致使油滴相互隔離、縮小孔喉、限制油滴在孔喉中的連續(xù)流動,但是堿劑可以溶解這些膜,促使原油乳化,形成較穩(wěn)定的油水界面膜.研究表明,在一定的范圍之內(nèi)(一般小于或等于1.0%),隨著氫氧化鈉的質(zhì)量分?jǐn)?shù)的提高,原油乳化達(dá)到一定程度所需的時(shí)間越來越少,這就表明堿有助于提高表面活性劑乳化原油的能力.特別是堿的加量較高的時(shí)候,乳化時(shí)間很短,乳化能力明顯提高[31].雖然氫氧化鈉能夠顯著增強(qiáng)乳化能力,但是它的pH(>11-12)過高,很容易與地層巖石發(fā)生反應(yīng),消耗量較大,一方面會形成硅酸鹽溶膠,進(jìn)而使地層的毛細(xì)孔隙發(fā)生堵塞;另一方面不能與石油酸產(chǎn)生足夠的石油酸皂來大幅降低界面張力,以至于達(dá)不到較好的驅(qū)油效果,所以現(xiàn)在一般不建議使用氫氧化鈉來提高乳化效果.為了既能達(dá)到優(yōu)異的乳化效果,又能較好的提高采收率,孫春柳[32]推薦使用碳酸氫鈉和碳酸鈉的復(fù)配堿,通過室內(nèi)實(shí)驗(yàn)在用量較少的條件下就取得了很好的效果.
表面活性劑只有在某個(gè)固定的溫度區(qū)間內(nèi)才會有明顯的乳化能力,該溫度區(qū)間可稱為表面活性劑的乳化活性溫度.在低溫時(shí),表面活性劑分子運(yùn)動空間和速率受限,因此乳化能力較弱;在高溫時(shí),表面活性劑分子相對運(yùn)動速率過大,相對地減弱了分子之間的作用力,不能將油水分子緊密地聯(lián)接在一起,乳化作用也不明顯.只有在適當(dāng)?shù)臏囟确秶鷥?nèi),表面活性劑與油水粒子的相互作用才能遠(yuǎn)遠(yuǎn)強(qiáng)于分子熱運(yùn)動給整個(gè)溶液體系帶來的影響,形成乳化油滴粒徑均一的乳狀液.因此溫度是影響乳化能力的重要因素[33].油水體積比也是影響表面活性劑乳化能力的一個(gè)重要因素,油水體積比的變化會導(dǎo)致乳化油滴平均粒徑、分散度發(fā)生改變,甚至油水乳狀液的類型也發(fā)生改變,這些變化都會直接影響到表面活性劑的乳化能力.所以合適的油水體積比有助于原油乳化[34].
磺酸鹽表面活性劑是陰離子表面活性劑中使用最廣泛的一類,國內(nèi)外的研究也獲得了很大的進(jìn)展,但是依然存在著一定的缺陷與不足.展望磺酸鹽表面活性劑的研發(fā)未來,必須從分子結(jié)構(gòu)入手,弄清楚分子中各個(gè)基團(tuán)的作用,有針對性的將某些基團(tuán)引入到分子結(jié)構(gòu)中,研制具有多官能團(tuán)的普適性表面活性劑和針對某一性能的專用表面活性劑,降低化學(xué)驅(qū)成本,提高驅(qū)油劑效率,以滿足我國高溫、高礦化度、低滲透油藏的苛刻要求.
表面活性劑乳化能力是受多種因素影響的,在選用乳化劑時(shí)不應(yīng)以是否產(chǎn)生超低界面張力作為唯一標(biāo)準(zhǔn),還應(yīng)考慮油藏實(shí)際條件、原油性質(zhì)等其他條件的影響.關(guān)于乳狀液穩(wěn)定性的報(bào)道很多,但對表面活性劑乳化能力的研究卻很少,影響乳化能力的因素還未全面掌握,因此要加強(qiáng)這方面的研究,特別是分子結(jié)構(gòu)對乳化能力的影響應(yīng)引起足夠的重視.
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Research progress of sulfonate surfactants as oil displacement agents
ZHAO Xiu-tai1,CHEN Li-feng1*,PENG Xu-yong2,MENG Fan-mei1,BAI Ying-rui1
(1.Faculty of Petroleum Engineering,China University of Petroleum(East China),Qingdao266555,Shandong,China;2.Dongxin Oil Production Plant,Shengli Oilfield Company,Dongying257000,Shandong,China)
A review is given about the research progress of four kinds of sulfonate surfactants including petroleum sulfonates,heavy alkyl benzene sulfonates,aliphatic alcohol polyoxyethylene ethers sulfonates and sulfonic Gemini surfactants as oil displacement agents.The problems in oilfield applications and the future directions of these four kinds of surfactants are pointed out.The mechanisms for oil-water emulsion to improve oil recovery are elaborated.The factors which influence the emulsifying capacity of surfactants are preliminarily analyzed.Moreover,it is emphasized that studying the properties of surfactants from the perspective of molecular structure is of significance.
oil displacement;sulfonate;surfactant;research progress
TQ 227.4
A
1008-1011(2012)03-0106-05
2011-10-29.
趙修太(1958-),男,教授,研究方向?yàn)橛吞锘瘜W(xué).*
.E-mail:chenlifeng19870612@126.com.