油田雙子表面活性劑的合成及研究進展

崔琰奇

(長江大學(xué) 石油工程學(xué)院，湖北 武漢 430100)

原油開采主要分為三個階段。第一階段是利用油藏自身能量驅(qū)動。第二階段則是利用注水、注氣的方式以維持底層壓力開采。第三階段也叫三次采油，是利用物理化學(xué)方法，通過提高注水波及系數(shù)來提高采收率[1]。由于我國自身特殊的資源環(huán)境及地層機構(gòu)，三次采油中的化學(xué)驅(qū)成為了我國油藏開發(fā)后期提高采收率的必然選擇。

1 雙子表面活性劑研究歷史

按照分子結(jié)構(gòu)，表面活性劑可分為三類：傳統(tǒng)型、Bola型和Gemini型。其中，Gemini型得名自雙子星座，可以看做兩個表面活性劑單體被鏈接基團鏈接起來。

該類化合物歷史上第一次被確立作為雙子表面活性劑研究的是在1971年，由Bunton等首次合成，測定了其表面活性，研究了不同鏈接基團(剛性、柔性、親水、疏水)對該類化合物性質(zhì)的影響，并將其作為某種相轉(zhuǎn)移催化劑使用。1991年Menger等將其命名為Gemini表面活性劑。至20世紀90年代，研究逐漸從開始的新型分子結(jié)構(gòu)設(shè)計延伸至這類活性劑特殊的表面活性和界面性質(zhì)及相態(tài)轉(zhuǎn)變。

我國國內(nèi)的相關(guān)工作開展的較晚，來自福州大學(xué)的趙劍曦[2]老師首次開始對這類化合物進行研究。雖然起步晚，但近20年來經(jīng)過研究者的不懈努力，我國在相關(guān)領(lǐng)域也取得了令人矚目的成就，合成了一系列新型的雙子表面活性劑。

2 雙子表面活性劑分類

雙子表面活性劑的機構(gòu)如圖1所示。

圖1 雙子表面活性劑的機構(gòu)

由于擁有多個兩親頭基的特殊分子結(jié)構(gòu)，該類化合物擁有與其它表面活性劑不同的性質(zhì)：

①形成膠束能力更強。

②更好的低溫溶解性能。

③優(yōu)良的表面活性。

④良好的潤濕性。

⑤良好的鈣皂分散性。

⑥低濃度下即可產(chǎn)生粘彈性。

按照不同的鏈接基團分類，雙子表面活性劑可分為陰、陽離子型、兩性離子型等。

2.1 陽離子型雙子表面活性劑

該類是現(xiàn)如今研究工作做的最多的一種雙子表面活性劑。它的合成路線設(shè)計思路主要分兩類:一類是通過溴代烷與季銨反應(yīng)而成；另一類是由長鏈叔胺與鹵代烷烴、鹵代甲基苯等通過季銨反應(yīng)而成。

王輝[3]等合成了一系列適用于二元復(fù)合驅(qū)的該類化合物，反應(yīng)過程如圖2所示。

圖2 二元復(fù)合驅(qū)的該類化合物合成反應(yīng)過程

2.2 陰離子型雙子表面活性劑

陰離子型按照親水頭基的不同進行分類，可分為磺酸鹽型、羧酸鹽型、硫酸酯型等。

2.2.1 磺酸鹽型雙子表面活性劑

磺酸鹽型具有良好的水溶性和表面活性，且合成路線簡單，原料價廉，固其應(yīng)用前景最被看好。

李豪等[4]用2，2-雙(對羥基苯基)丙烷為原料，得到了一種雙醚雙苯類的Gemini表面活性劑，反應(yīng)過程如圖3所示。

圖3 雙醚雙苯類的Gemini表面活性劑的合成

許軍虎等[5]以烯烴和苯基醚為原料，得到了雙烷基二苯醚雙子表面活性劑，經(jīng)檢測其CMC值較單鏈低2～3個數(shù)量級。

2.2.2 羧酸鹽型雙子表面活性劑

羧酸鹽雙子表面活性劑的原料一般為自然產(chǎn)物，不但性質(zhì)溫和易于降解，且不易形成沉淀，具有良好的表面活性。

王培義等[6]以丙烯酸甲酯和十二胺為原料得到了兩類鈉鹽雙子表面活性劑，反應(yīng)過程如圖4所示。

圖4 兩類鈉鹽雙子表面活性劑的合成

任昊[7]以馬來酸酐、三乙稀四胺以及長鏈脂肪酸為主要原料,經(jīng)過?；⑿さ?包曼縮合等反應(yīng)得到一種新型Gemini表面活性劑。該反應(yīng)選用的原料廉價易得,具有很大的經(jīng)濟效益,值得關(guān)注。

趙田紅等[8]以溴代十二烷和氯乙酸鈉為原料，經(jīng)烷基化和羧甲基化得到的產(chǎn)物具有優(yōu)良的表面活性。反應(yīng)過程如圖5所示。

圖5 以溴代十二烷和氯乙酸鈉為原料的羧酸鹽型雙子表面活性劑

趙成洋等[9]合成了一系列相關(guān)化合物作為清潔壓裂液使用，具有良好的快速破膠性和攜砂性。

2.2.3 硫酸酯型雙子表面活性劑

在傳統(tǒng)表面活性劑中，硫酸酯型是應(yīng)用最廣的一類。因為它在水中溶解度大，原料種類繁多，故其合成相對簡單。

孫冬等[10]以十二烷酸、聚乙二醇為原料，合成了具有特殊結(jié)構(gòu)的低聚二醇(α-硫酸酯鈉)月桂酸雙酯。

2.3 兩性型雙子表面活性劑

分子結(jié)構(gòu)式中既有正電荷中心又有負電荷中心，且兩個電荷中心不可分離該類被稱為兩性型。因合成路線繁雜且成本過高，目前有關(guān)兩性型的報道仍不多，在接下來的研究中可能成為研究者關(guān)注的焦點。

王孝科等[11]以12DMA、3-氯-1,2-環(huán)氧丙烷和一氯醋酸等為原料，合成了一種羧甲基鈉鹽，具有較低的CMC值及較高的表面活性。反應(yīng)過程如圖6所示。

圖6 羧甲基鈉鹽兩性型雙子表面活性劑

于君明等[12]以環(huán)氧氯丙烷與濃鹽酸經(jīng)開環(huán)加成反應(yīng)、季胺化反應(yīng)得到了一種新型雙子表面活性劑，具有良好的耐酸性。

3 結(jié)語

總而言之，雙子表面活性劑分子與其他表面活性劑相比擁有更優(yōu)良的性質(zhì)：水溶性更好，具有優(yōu)良的耐鹽耐溫性能，更強的形成膠束能力，具有粘彈性，較低濃度即可高效降低油水界面張力，綠色環(huán)保有利于建設(shè)環(huán)境友好型社會，故而在三次采油中可以得到極大的應(yīng)用，有利于推動我國石油事業(yè)進步。

當前雙子表面活性劑的應(yīng)用仍受限于成本。若要使雙子表面活性劑真正在油藏開采中大展身手，可以向兩個方向進行研究。一是使用雙子表面活性劑于其他活性劑進行復(fù)配，以降低成本。二是相關(guān)研究人員將合成機理研究透徹，以爭取能夠找到使用廉價易得原料的合成方式。相信在不遠的將來，雙子表面活性劑必然能夠成為油田試劑中不可或缺的一部分。

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(本文文獻格式：崔琰奇.油田雙子表面活性劑的合成及研究進展[J].山東化工，2018，47(02)：48-50，52.)