一種新型嵌段類兩性表面活性劑的分子結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與合成

張 瑤，付美龍，侯寶峰，吳?？?/p>

長(zhǎng)江大學(xué)石油工程學(xué)院，湖北 武漢

1.原油組成結(jié)構(gòu)表征分析

利用Angenit 6890N GC/5975 MSD型色譜/質(zhì)譜聯(lián)用儀對(duì)J油田Z井區(qū)原油組分進(jìn)行了分析，分析可知飽和烴、芳烴、非烴和瀝青質(zhì)在原油中的質(zhì)量占比分別為38.99%、21.58%、18.61%和7.93%。

1.1.飽和烴色質(zhì)分析

該區(qū)塊原油飽和烴總離子流圖如圖1所示，與標(biāo)準(zhǔn)圖譜庫對(duì)照發(fā)現(xiàn)，飽和烴油樣中含有直鏈、支鏈和環(huán)狀結(jié)構(gòu)。定量分析結(jié)果表明，每克油樣中含飽和烴中鏈烷烴183.68 mg，其中直鏈烷烴為101.03 mg，支鏈烷烴為38.53 mg，環(huán)烷烴為43.09 mg，油樣中2環(huán)、3環(huán)、4環(huán)和5環(huán)烷烴分別為0.56 mg、1.28 mg，22.98 mg、18.27 mg。

1.2.芳烴色質(zhì)分析

該區(qū)塊原油中芳香烴混合物總離子流圖如圖2所示，與標(biāo)準(zhǔn)譜圖庫對(duì)照發(fā)現(xiàn)，芳香烴混合物油樣中含有2、3、4、5環(huán)狀結(jié)構(gòu)。定量分析結(jié)果表明，每克油樣中芳烴中烷基苯(1環(huán))的質(zhì)量較高，為10.34 mg，其中直鏈烷基苯為3.88 mg，烷基甲基苯為6.46 mg。芳烴中萘系列(2環(huán))的質(zhì)量為1.79 mg，菲系列的質(zhì)量(3環(huán))為0.28 mg，屈系列、三芳甾烷和甲基三芳甾烷(4環(huán))質(zhì)量為2.72 mg。

Figure 1.Saturated hydrocarbon圖1.飽和烴總離子流圖

Figure 2.The total ion flow chart of aromatic hydrocarbon mixture圖2.芳香烴混合物的總離子流圖

2.試驗(yàn)部分

2.1.試驗(yàn)試劑和儀器

試劑：無水乙醇，亞硫酸氫鈉，氫氧化鉀，氫氧化鈉，氯化鈉，苯乙烯，苯酚，環(huán)氧乙烷，環(huán)氧丙烷，均為分析純；發(fā)煙硫酸，化學(xué)純。

儀器：4~0.6型高溫高壓反應(yīng)釜，上海申立玻璃儀器有限公司；SHZ-D (III)型循環(huán)水式真空泵，西安博創(chuàng)儀器設(shè)備有限公司；RE-5003E型旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀，鞏義市宇翔儀器有限公司。

2.2.試驗(yàn)方法

稱取摩爾比為5:1的苯乙烯和苯酚，向苯酚中加入一定量的對(duì)苯二酚和硫酸，利用恒壓滴液漏斗，在120℃條件下向溶液中逐滴滴加苯乙烯(以減少自聚副反應(yīng)的發(fā)生)，合成中間體。將中間體和環(huán)氧丙烷按摩爾比1:25加至反應(yīng)釜中，注入摩爾分?jǐn)?shù)為8.0%的NaOH。150℃真空條件下反應(yīng)5 h，磁力攪拌(轉(zhuǎn)速500 r/min)，減壓蒸餾去除過量的環(huán)氧丙烷[1][2][3]，得到環(huán)氧丙烷醚化產(chǎn)物。在真空條件下加入摩爾比1:60的環(huán)氧丙烷醚化產(chǎn)物和環(huán)氧乙烷，隨后將摩爾分?jǐn)?shù)15%的NaOH加至反應(yīng)釜中。120℃條件下反應(yīng)5 h，磁力攪拌(轉(zhuǎn)速500 r/min)[4][5][6]。減壓蒸餾去除過量環(huán)氧乙烷，得到環(huán)氧乙烷醚化產(chǎn)物。

在冰鹽浴的條件下，用恒壓滴液漏斗逐滴滴加發(fā)煙硫酸1.5 h。滴加完畢后，在室溫條件下，使摩爾比為1:1.1的環(huán)氧乙烷醚化產(chǎn)物與發(fā)煙硫酸反應(yīng)48 h [7]。邊攪拌邊向燒瓶中滴加一定量的水進(jìn)行分酸，得到的油層即為產(chǎn)物粗品。在冰水浴條件下用NaOH緩慢中和產(chǎn)物粗品至溶液pH值等于8，蒸發(fā)過濾得到陰-非兩性表面活性劑(PPS)(圖3)。

Figure 3.The structure of PPS ion圖3.PPS分子結(jié)構(gòu)圖

2.3.界面張力的測(cè)定

利用旋轉(zhuǎn)滴定法(SY/T5370-1999)測(cè)定界面張力。實(shí)驗(yàn)用水為J油田Z井區(qū)模擬地層水，離子組成見表1。

Table 1.The ionic composition of simulated formation water表1.模擬地層水離子組成

2.4.物理模擬驅(qū)油實(shí)驗(yàn)

選擇5塊天然巖心制作成長(zhǎng)巖心模型(巖心的物性參數(shù)見表2)，充分飽和水、油后，置于油藏溫度下靜置老化24 h，持續(xù)注入Z井區(qū)的模擬地層水，水驅(qū)至含水率達(dá)到98%，轉(zhuǎn)注表面活性劑段塞，繼續(xù)水驅(qū)至含水率達(dá)到100%。記錄巖心的壓差、采收率和含水率。

Table 2.The physical parameters of selected natural cores in oil displacement test表2.驅(qū)油實(shí)驗(yàn)所選天然巖心的物性參數(shù)

3.結(jié)果與討論

3.1.表面活性劑的結(jié)構(gòu)表征

PPS紅外光譜圖測(cè)定結(jié)果見圖4，690~936 cm-1之間的多個(gè)面外彎曲振動(dòng)吸收峰歸屬于苯環(huán)的多取代官能團(tuán)；1475 cm-1處的吸收峰是苯環(huán)的C-C骨架振動(dòng)吸收峰；1245 cm-1處的吸收峰是硫酸酯基的伸縮振動(dòng)峰，1103 cm-1處的伸縮振動(dòng)吸收峰歸屬于嵌段聚醚部分的官能團(tuán)。由上述分析可判斷合成的產(chǎn)物為目標(biāo)產(chǎn)物PPS。

3.2.界面張力的測(cè)定

測(cè)試發(fā)現(xiàn)PPS溶液與Z井區(qū)原油間界面張力可達(dá)5.65 × 10-2mN/m。為了進(jìn)一步改善其界面活性，將PPS和與其結(jié)構(gòu)相似的脂肪醇聚氧乙烯醚硫酸鹽(AES)進(jìn)行復(fù)配。取質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.1%的復(fù)配體系測(cè)其油水界面張力，結(jié)果見圖5，當(dāng)PPS與AES質(zhì)量配比為1:1時(shí)的復(fù)配體系(以下簡(jiǎn)稱PSS/AES (1:1))的界面張力最低(約1.39 × 10-2mN/m)。

Figure 4.The diagram of PPS infrared spectrum圖4.PPS紅外光譜圖

Figure 5.The oil-water interfacial tension of the compound system圖5.復(fù)配體系的油水界面張力

3.3.物理模擬驅(qū)油試驗(yàn)

PSS/AES (1:1)復(fù)配體系的注入量與驅(qū)油效率關(guān)系如圖6所示，水驅(qū)驅(qū)油效率為31.11%，轉(zhuǎn)注表面活性劑后最終驅(qū)油效率可達(dá)42.21%，驅(qū)油效率提高了11.1%。且轉(zhuǎn)注表面活性劑后采出液含水率明顯降低。說明PSS/AES (1:1)復(fù)配體系可以達(dá)到降水增油的效果。

4.現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

J油田Z井區(qū)由于水竄原因，該區(qū)塊大多數(shù)油、水井處于關(guān)井狀態(tài)，因此需要調(diào)整層內(nèi)矛盾、提高水驅(qū)效率、恢復(fù)產(chǎn)能。針對(duì)該區(qū)塊地質(zhì)特征和存在問題，將質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.1的PPS/AES (1:1)復(fù)配體系作為驅(qū)油劑提高洗油效率，并輔以延緩沉淀凝膠類調(diào)剖劑調(diào)整波及體積，構(gòu)成復(fù)合驅(qū)體系。

Figure 6.The result of physical simulation oil displacement test圖6.物理模擬驅(qū)油試驗(yàn)結(jié)果

Z井區(qū)試驗(yàn)井組為6注5采1中心井組。2017年10月15日在Z16斜-6-6井轉(zhuǎn)注復(fù)合體系，轉(zhuǎn)注5個(gè)月后，低部位3口生產(chǎn)井均見效。目前，井組5口采油井日產(chǎn)油量8.42 t、總增油量953.2 t。

5.結(jié)論

1)基于原油分析結(jié)果，以苯酚和苯乙烯為原料，合成陰-非兩性表面活性劑PPS，并利用紅外光譜證實(shí)了所合成的表面活性劑即目標(biāo)產(chǎn)物，總收率為57.82%。

2)PPS與AES復(fù)配體系可有效降低采出液含水率，在水驅(qū)基礎(chǔ)上，可使驅(qū)油效率提高11.1%。

3)在J油田Z井區(qū)開展注入復(fù)合體系進(jìn)行驅(qū)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，初步見到增油效果。