一劑雙效稠油降黏劑的制備與性能評價*

于世虎

（中國石油川慶井下作業(yè)公司四川川慶井下科技有限公司，四川廣漢618300）

稠油黏度大，流變性能差，采收率低，嚴(yán)重影響其開發(fā)利用［1-2］。常用的稠油降黏方法主要有：加熱降黏法、摻稀油降黏法、化學(xué)降黏法、微生物降黏法和超聲波降黏法等［2-5］。其中，化學(xué)降黏法工藝成熟，應(yīng)用范圍廣泛。研究發(fā)現(xiàn)［6-9］，在降黏劑分子上引入極性基團(tuán)和表面活性基團(tuán)能破壞膠質(zhì)瀝青質(zhì)聚集結(jié)構(gòu)，大幅提高降黏效果。甜菜堿類表面活性劑分子中同時含有極性基團(tuán)和表面活性基團(tuán)，具有高抗鹽耐溫性能及良好的界面性能，對人體和環(huán)境傷害小，并能大副降低非離子和陰離子復(fù)配時的色譜分離效應(yīng)，在提高油藏采收率方面潛力巨大［10-12］，是未來抗高溫高鹽驅(qū)油劑重點(diǎn)研究的方向。張曉云等［2］用脂肪酸酯乙基磺基甜菜堿、混合芳烴、互溶劑、表面活性劑復(fù)配制備了一種油溶性稠油降黏劑，加量不超過5%，降黏效果顯著。呂文怡等［13］將十二烷基二甲基甜菜堿（BS-12）與非離子表面活性劑曲拉通（Triton X-100）復(fù)配使用可使稠油降黏率達(dá)到92.63%。栗原君等［14］通過模擬實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)低礦化度水驅(qū)加后續(xù)低礦化度表面活性劑（十六烷基羥丙基磺基甜菜堿）驅(qū)的組合方式可使采收率最高達(dá)41.1%。燕玉峰［15］制得的油酸酰胺羥丙基磺基甜菜堿（OASB）對于濱南稠油具有較好的乳化降黏效果，加量為1000 mg/kg時的降黏率達(dá)99.3%。

筆者設(shè)計并合成出了一種磺基甜菜堿表面活性劑［16-17］，既能作為油溶性降黏劑又能作為乳化降黏劑，具有一劑雙效的功能。該降黏劑分子中的酰胺基等具有較強(qiáng)的極性，能破壞膠質(zhì)瀝青質(zhì)層狀堆積結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性；疏水長鏈能增強(qiáng)在稠油中的溶解性能和層狀堆積結(jié)構(gòu)中的滲透效果；雙鍵能增強(qiáng)分子強(qiáng)度，維持“疏松”和“分散”的效果，避免瀝青質(zhì)似晶結(jié)構(gòu)（1.5數(shù)3 nm）再聚集；分子的磺基季銨鹽結(jié)構(gòu)能提高耐溫抗鹽性能；分子具有表面活性，對于含水稠油可以形成水包油型（O/W）乳液，起到乳液降黏的效果。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 材料與儀器

油酸、N，N-二甲基-1，3-丙二胺、甲苯、氯仿（三氯甲烷）、丙酮，分析純，國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司；丙磺酸內(nèi)酯，分析純，上?；瘜W(xué)試劑總廠；酯化聚合物降黏劑XB-80、復(fù)合降黏劑SHNJ-3，濱州濱化化工有限公司；稠油，勝利油田濱南采油廠和新疆油田；自來水；模擬地層水，離子組成見表1。

表1 不同礦化度模擬地層水的離子組成

AL104 型電子天平，上海梅特勒利托有限公司；DHT 型攪拌調(diào)溫電熱套，上海帥登儀器有限公司；SHB-B95 型循環(huán)水式多用真空泵，鄭州長城科貿(mào)有限公司；RE-52A 型旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)器，上海亞榮生化儀器廠；GZX 型真空干燥箱，上海精密儀器儀表有限公司；MAGNA 750型紅外光譜儀，美國Nicolet公司；HH-S1 型恒溫水浴槽，金壇市醫(yī)療儀器廠；NDJ-1B 型旋轉(zhuǎn)黏度計，上海昌吉地質(zhì)儀器有限公司；4520B型原子吸收光譜儀，南京科捷分析儀器有限公司。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

（1）稠油降黏劑 YJN-1 的制備。YJN-1 的合成分為兩步［18］：①酰胺化反應(yīng)。以油酸和N，N-二甲基-1，3-丙二胺為原料，采用甲苯作為帶水劑，反應(yīng)溫度為140℃，反應(yīng)時間5 h，反應(yīng)結(jié)束后減壓蒸餾出甲苯和過量的N，N-二甲基-1，3-丙二胺，得到黃色油狀物。②季銨化反應(yīng)［18］。將丙磺酸內(nèi)脂溶于丙酮中，然后與①中制得的叔胺中間體反應(yīng)，50℃下回流6 h，產(chǎn)物及時析出，促使反應(yīng)平衡向正反應(yīng)方向移動，產(chǎn)率和純度高，反應(yīng)結(jié)束后，產(chǎn)物用丙酮洗滌2數(shù)3次，洗去過量的1，3-丙磺酸內(nèi)酯，最后在真空干燥箱中低溫干燥，得到淡黃色的黏稠膏狀物。合成步驟如圖1所示。

圖1 油酸酰胺丙基磺基甜菜堿合成步驟

（2）稠油黏度和組分的測定。稠油脫水后在50℃下恒溫30 min，用旋轉(zhuǎn)黏度計測定稠油黏度，根據(jù)稠油的黏度選擇合適的轉(zhuǎn)子或調(diào)整轉(zhuǎn)速，測量值在相應(yīng)量程的30%數(shù)80%范圍內(nèi)時較為準(zhǔn)確。根據(jù)石油天然氣行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)SY/T 5119—2008《巖石中可溶有機(jī)物及原油族組分分析》進(jìn)行四組分分離，然后測量稠油中的膠質(zhì)、瀝青質(zhì)、芳香分、飽和分的含量；用原子吸收光譜儀測定稠油中Ni、V的含量。

（3）降黏率的測定。將稠油脫水后在50℃下恒溫0.5 h，測定稠油降黏前的黏度；然后將YJN-1 與稠油混合并攪拌均勻，在50℃下恒溫0.5 h，測定稠油降黏后的黏度。根據(jù)稠油降黏前后的黏度差與降黏前的黏度比值計算降黏率。

（4）乳化降黏效果。按照油水體積比70∶30，將稠油與YJN-1 水溶液混合（YJN-1 按稠油質(zhì)量計），在50℃下恒溫1 h，以200數(shù)500 r/min速率攪拌乳化5 min，迅速用旋轉(zhuǎn)黏度計測定乳液黏度。用同樣的方法制備油水乳狀液，迅速倒入透明塑料杯中，在50℃下恒溫靜置1 h后，刺穿塑料杯底部，放出下層水到量筒中（油層中的水量忽略不計），測量水的體積并計算脫水率。

2 結(jié)果與討論

2.1 降黏劑YJN-1的結(jié)構(gòu)

YJN-1 的紅外吸收光譜圖（圖2）中，2924 cm-1處為—CH2的不對稱伸縮振動吸收峰；2854 cm-1處為—CH2—的對稱伸縮振動吸收峰；1651 cm-1處為C=O 的伸縮振動吸收峰；1466 cm-1處為—CH3的彎曲振動吸收峰；1039 cm-1處為S=O的伸縮振動吸收峰；1190 cm-1處為—SO2的不對稱伸縮振動吸收峰；3292 cm-1附近為N—H 的伸縮振動吸收峰；1545 cm-1處為N—H彎曲振動吸收峰；729 cm-1處為—CH2面內(nèi)搖擺振動吸收峰；在甲基振動吸收峰的左側(cè)3006 cm-1處有一個較弱的吸收峰，為=C—H的振動吸收峰。由此可知，合成產(chǎn)物與所設(shè)計的油酰胺丙基磺基甜菜堿分子結(jié)構(gòu)一致。

圖2 油酸酰胺丙基磺基甜菜堿紅外吸收光譜圖

2.2 油溶性降黏劑的性能評價

通過降黏后稠油的黏度和降黏率來評價降黏劑的降黏效果。根據(jù)稠油黏度能直接判斷出降黏處理后的黏度是否達(dá)到開采或輸送的要求；降黏率可反映降黏劑對不同稠油的降黏幅度及在不同溫度下的降黏效果。

2.2.1 與市售降黏劑的對比

新疆油田（1#）和勝利油田（2#）稠油的物性參數(shù)如表2所示。

表2 兩種稠油樣品的物性參數(shù)

在50℃下，0.5%YJN-1、XB-80、SHNJ-3 降黏劑對1#和2#兩種稠油的降黏效果如表3所示。YJN-1降黏劑對兩種稠油的降黏率約為91.5%，好于XB-80；YJN-1 對 1#稠油的降黏率略低于SHNJ-3，對2#稠油的降黏率高于SHNJ-3。綜上，YJN-1的降黏效果與市售降黏劑的相當(dāng)，并優(yōu)于部分商品降黏劑的效果。

2.2.2 加量優(yōu)化

加量和溫度是影響降黏效果的兩個主要因素，適宜的加量和溫度能充分利用化學(xué)降黏和加熱降黏的優(yōu)勢形成協(xié)同效應(yīng)，發(fā)揮出最佳的降黏效果。50℃下，YJN-1加量對1#和2#稠油降黏效果的影響見圖3。隨YJN-1 加量的增大，1#和2#稠油的降黏率增加并逐漸穩(wěn)定。YJN-1 加量為0.5%時的降黏率約為85%，繼續(xù)增大YJN-1的用量，降黏率無明顯的增大。因此，作為油溶性降黏劑的最佳加量為0.5%。

表3 降黏劑對1#和2#稠油的降黏效果

圖3 YJN-1加量對稠油降黏率的影響

2.2.3 溫度的影響

YJN-1 加量為0.5%時，溫度對YJN-1 降黏效果的影響見圖4。當(dāng)溫度低于40℃或高于60℃時，YJN-1對兩種稠油的降黏效果受溫度影響較大。在45數(shù)55℃時，受溫度影響較小，對兩種稠油的降黏率均達(dá)到最大值，在此溫度區(qū)間，化學(xué)降黏和加熱降黏協(xié)同效應(yīng)最好。因此，最佳的降黏溫度為50℃。

圖4 溫度對稠油降黏效果的影響

2.3 乳化降黏劑性能評價

稠油開采過程中會含有一定的水，在乳化劑作用下，可以形成水包油型（O/W）乳狀液。該乳狀液黏度較低，可以大幅提高稠油的采收率［19］。本文制備的稠油降黏劑具有表面活性基團(tuán)，對于含水稠油具有一定的乳化作用。

2.3.1 乳化降黏效果及加量優(yōu)化

YJN-1 加量對1#和2#稠油的乳化降黏效果及乳液沉降脫水情況的影響見表4。加量為0.05%時，YJN-1 對兩種稠油的乳化降黏率約為96%，脫水率高于99%；隨著YJN-1 加量的增大，降黏率增大，脫水率減??；當(dāng)YJN-1加量大于0.15%時，降黏率趨于平穩(wěn)，脫水率下降速度加快。乳液越穩(wěn)定，破乳脫水越難［20］。在50℃、YJN-1加量為0.15%的條件下，兩種稠油的沉降脫水率大于96%，具有良好的乳化降黏劑自動破乳脫水效果。YJN-1作為乳化降黏劑的最佳加量為0.15%（按稠油質(zhì)量計）。

表4 YJN-1對1#和2#稠油的乳化降黏效果

2.3.2 抗鹽性能

在50℃下，0.15%YJN-1 在不同礦化度下的乳化降黏效果見圖5（其他各節(jié)實(shí)驗(yàn)中所用水均為自來水）。隨著礦化度的增大，乳化降黏率減小，脫水率增大，說明溶液中的鹽有利于破乳脫水。當(dāng)?shù)V化度低于85 g/L 時，乳化降黏率幾乎不受影響，仍在99%以上，說明YJN-1具有較好的抗鹽性能。

2.3.3 耐溫性能

將YJN-1分別在80數(shù)200℃下靜置恒溫加熱處理24 h 后，按照油水體積比70∶30 和0.15%的加量與稠油混合，乳化降黏效果如圖6 所示。YJN-1 具有較好的耐溫性能，160℃下高溫處理24 h 后仍然具有良好的乳化降黏能力，降黏率為97.1%，乳液依然保持較好的穩(wěn)定性。

圖5 礦化度對降黏率和脫水率的影響

圖6 溫度對降黏率和脫水率的影響

3 結(jié)論

以油酸、N，N-二甲基-1，3-丙二胺、丙磺酸內(nèi)脂為原料合成了一種含有極性基團(tuán)、疏水長鏈結(jié)構(gòu)的具有表面活性功能的稠油降黏劑YJN-1，既能作為油溶性降黏劑又能作為乳化降黏劑，達(dá)到一劑雙效的目的。作為油溶性降黏劑時，YJN-1 的最優(yōu)加量為0.5%，在50℃下，對勝利稠油和新疆稠油的降黏率約為91.5%，降黏效果優(yōu)于部分商品降黏劑。YNJ-1 作為乳化降黏劑時，在50℃、0.15%加量的條件下對兩種稠油的乳化降黏率約為99%，沉降脫水率大于96%，具有良好的乳化降黏劑自動破乳脫水效果。YJN-1 的抗鹽能力高達(dá)85 g/L，耐溫可達(dá)160℃。