表面活性剂界面吸附行为的分子动力学模拟

 采用分子动力学(MD,Molecular dynamics)方法模拟了油、水两相分离过程及表面活性剂十二烷基苯磺酸钠在油-水界面的吸附行为,考察了十二烷基苯磺酸钠分子支化程度、在油-水体系中的浓度和不同油相对油、水两相分离过程的影响及作用。结果表明,对于油-水体系,油、水两相在短时间内可达到分离平衡,形成一个明显的油-水界面;在烷烃-水体系中,以十二烷作为油相时,十二烷基苯磺酸钠在界面处浓度最大,吸附趋势最强;随着体系中十二烷基苯磺酸钠浓度的增大,模拟得到的吸附峰值浓度先增加然后略降,与实验结果相符。研究还提出,表面活性剂的界面接触面积(ASA,accessible surface area)可以作为衡量表面活性剂的油-水界面吸附能力及电解质降低油-水界面张力效果的指标。MD给出的分子水平的微观信息可以为三次采油技术中表面活性剂的筛选及有效应用提供指导。     

甜菜碱表面活性剂对低渗透高矿化度油藏的适应性评价

通过对甜菜碱表面活性剂在北三区油藏的界面活性、抗盐性、稳定性、吸附性能及驱油效率的测定,评价该新型甜菜碱表面活性剂在低渗透高矿化度油藏的适应性。结果表明,该表面活性剂在北三区油藏条件下,具有较好的界面活性,与该区块脱水原油的界面张力可以达到10-3m N/m数量级;具有良好的抗盐性和长期稳定性;在北三区油砂中可以经历三次静态吸附仍然保持超低界面张力。驱油试验结果表明,1 500 mg/L表面活性剂溶液可比水驱提高驱油效率13个百分点。研究认为,该表面活性剂可以满足低渗高矿化度油藏驱油用表面活性剂的技术要求。     

羧基甜菜碱-烷醇酰胺复配体系界面张力研究

研究了以不同比例复配的羧基甜菜碱/烷醇酰胺体系与临盘原油的动态界面张力,筛选出了适用于临盘凝油的表面活性剂体系。结果表明,单一的烷醇酰胺或甜菜碱与临盘原油间的界面张力值达不到超低值;而两种活性剂以1∶1和2∶1进行复配时,具有明显的协同效应,在总浓度为0.005%～0.2%范围内,油水界面张力值可降低到10-4 mN/m数量级,且经过石英砂静态吸附后,复配体系具有较好的低界面张力性能,是一种具有现场应用价值的表面活性剂体系。     

含烷氧基链节的硫酸盐表面活性剂的油-水界面张力及其对原油的乳化能力

 以壬基酚、十二醇、异构十三醇为主要原料，合成了7种含烷氧基链节的硫酸盐表面活性剂。测定了以含0.1%(质量分数) 硫酸盐表面活性剂的模拟盐水与桩106-15-X18普通稠油配制的油-水体系的界面张力，并测定了上述表面活性剂对桩106-15-X18普通稠油的乳化速率。结果表明，虽然这些表面活性剂具有较高的耐盐能力，但随着分子中氧丙烯链节数逐渐增加，油-水界面张力值最小时对应的最佳NaCl含量呈降低趋势。在合成含烷氧基链节的硫酸盐表面活性剂时，可以通过控制氧丙烯链节长度，调节其在油-水体系中获得的低界面张力区的特点，使之适应不同盐含量的地层。含烷氧基链节的硫酸盐表面活性剂降低油-水界面张力的能力和其对稠油的乳化速率没有简单的对应关系。     

表面活性剂与油-水界面的介观模拟研究

用介观模拟方法对2种类型的表面活性剂分子在油-水界面的分布形态进行了模拟。结果表明：与单链型表面活性剂相比,低聚型表面活性剂分子由于其空间结构上的分散性,导致与其通过化学键相连的部分极性基团进入油分子内部,在油-水界面处相对更靠近油相,使得低聚型表面活性剂分子在油-水界面处极性基团的排列没有单链型表面活性剂那样有序;低聚型表面活性剂存在时,油-水界面的接触面积相对较大,而表面活性剂在油-水中的分布相对比较均匀;相比单链型表面活性剂分子,低聚型表面活性剂分子可以更好地降低油-水界面的界面张力。     

SP二元复合驱用新型表面活性剂的耐温耐盐性能研究

本文针对一种能够在高温高盐条件下使用的磺基甜菜碱B表面活性剂,研究了其降低界面张力能力,并且用此表面活性剂配制了3 g/L磺基甜菜碱B＋1.5 g/L聚合物的无碱SP二元复合驱油体系（简称SP二元体系）,在渗透率为1μm2左右的人造均质和非均质岩心上进行了物理模拟驱油实验。实验结果表明：磺基甜菜碱B表面活性剂能够在高温高盐条件下使驱油体系与原油间的界面张力降低到10-3数量级,并能够长时间稳定在10-3数量级之内;在水驱基础上,用该表面活性剂配制的SP二元体系在均质和非均质岩心上分别提高采收率18.3%和23.0%。图6表2参5     

生物基两性离子型表面活性剂在不同驱油体系中的乳化稳定动力学

为探索生物基两性离子型表面活性剂（CNBS）在矿化度高于5 g/L体系中的驱油性能,研究该表面活性剂在不同驱油体系中的界面活性和乳化稳定动力学。结果表明,当该表面活性剂质量浓度为1.29 g/L、矿化度为32 g/L、NaOH质量分数为2.5%时,形成稳定W/O型乳状液,油/水界面张力降低至9.60×10^-4mN/m。当体系中总含水体积分数在40%～80%范围时,表面活性剂的加入有利于形成W/O型乳状液,且表面活性剂浓度是影响模拟乳状液稳定动力学的关键因素;随其浓度增大,模拟乳状液的破裂速率常数降低、半衰期和油相含水率增大,模拟乳状液的稳定性增强;当表面活性剂质量浓度为1.50 g/L,模拟乳状液稳定性最好。该表面活性剂与NaOH和黏均相对分子质量为2.5×10⁷的部分水解聚丙烯酰胺（HPAM）具有良好的协同效应,当表面活性剂浓度较低时,三元体系形成稳定W/O型乳状液。分子动力学模拟结果表明,油/水中加入该表面活性剂可使油/水界面膜厚度增大、界面能降低,形成稳定的乳状液;体系中加入NaCl和NaOH,油/水界面膜厚度和界面能均降低,乳状液的稳定性增强。     

腰果酚甜菜碱型表面活性剂的合成与性能评价

为获得性能优良的聚合物/表面活性剂二元复合驱油体系,以腰果酚、环氧氯丙烷为原料,四丁基溴化铵为催化剂合成了腰果酚甜菜碱型两性离子表面活性剂,用红外光谱对其结构进行了表征;将表面活性剂与聚丙烯酰胺复配,研究了表面活性剂与聚合物加量对油水界面张力及乳化性能的影响。研究结果表明,合成产物具有腰果酚甜菜碱型两性表面活性剂的结构特征,表面活性剂在低浓度（0.5～3.0 g/L）时的油水界面张力为10^-4～10^-3mN/m。二元复合驱油体系平衡界面张力随聚合物浓度的增加而增大,表面活性剂加量对二元体系平衡界面张力的影响较小,当表面活性剂质量浓度为0.3～0.8 g/L、聚合物质量浓度为0.5 g/L 时的平衡界面张力为10^-6～10^-5mN/m。二元体系乳化性能良好,随表面活性剂和聚合物浓度的增加,二元体系分水时间呈增长趋势（200～1000 s）。表面活性剂与聚合物复配使油水界面张力降低,乳状液稳定性提高。图9 参19     

甜菜碱活性剂驱油体系对油水界面张力的影响

通过研究作为驱油表面活性剂的甜菜碱污水溶液与大庆油田第一采油厂脱水原油之间的界面张力,探讨了活性剂浓度、碱的种类和浓度、牺牲剂等因素对体系界面张力的影响,同时研究了岩心静态吸附前后和采出液界面张力值的变化情况.实验结果表明:碱对界面张力的影响较大,该体系表面活性剂中无需加碱;牺牲剂加入到此类表面活性剂的体系中能够很好地发挥作用.     

克拉玛依油田B21井区油藏表面活性剂性能评价

为了评价克拉玛依油田B21井区二类砾岩油藏驱油用HW表面活性剂的可行性,评价了表面活性剂界面活性、稳定性、乳化性能和模拟驱油性能。结果表明：HW表面活性剂质量分数为0.1%~0.5%时,界面张力在10-2 mN/m量级,最小界面张力为0.006 0 mN/m,该表面活性剂具有良好的稳定性,长期放置界面张力不发生明显变化,有利于通过降低界面张力提高原油采收率;表面活性剂的质量分数和水油比均对其乳化性能有显著影响,乳化能力随质量分数增加而增大,破乳后析出水较为清澈且界面清晰,有利于表面活性剂驱油后的油水分离。驱油实验结果显示,质量分数为0.3%的HW表面活性剂溶液可提高采收率10.5%     

低浓度表面活性剂-聚合物二元复合驱油体系的分子模拟与配方设计

 采用耗散颗粒动力学（DPD）方法在介观层次上模拟了表面活性剂烷基苯磺酸盐在油-水界面的排布行为,考察了分子结构、油相等因素对界面密度和界面效率的影响,探讨了利用表面活性剂复配协同效应提高界面活性的机理。实验研究了表面活性剂类型、油相、表面活性剂复配等对油-水界面张力的影响。结果表明,“阴-非”表面活性剂复配可使油-水界面张力降低1个数量级。根据分子模拟和实验研究结果,结合孤东七区试验区原油特点,提出了“0.3%”石油磺酸盐 + 0.1%表面活性剂1^#+0.15%聚合物"的二元复合驱配方,可使油-水界面张力降低至2.95×10^-3 mN/m,物理模拟实验提高采收率高达18.1%。     

脂肪醇聚氧乙烯醚磺酸盐系列表面活性剂的协同效应

为满足高温、高盐油藏三次采油的需求,采用自制的脂肪醇聚氧乙烯醚磺酸盐(NNA)系列作为抗温、耐盐驱油表面活性剂,考察了脂肪醇聚氧乙烯醚磺酸盐系列表面活性剂复配前后原油 矿化水体系界面张力的变化,并讨论了其协同效应,并采用静态吸附实验考察了该系列表面活性剂的吸附性能。结果表明,随着NNA表面活性剂分子中氧乙烯链节数的增加,原油 矿化水体系的油 水界面张力最低值对应的矿化度向着高矿化度方向移动,当氧乙烯链节数适中时,可以获得超低油 水界面张力。同系列表面活性剂复配可以显著改善表面活性剂体系的界面活性,具有明显的协同作用。复配表面活性剂使油 水界面张力达到平衡值的时间大大缩短,拓宽了达到超低界面张力的表面活性剂质量分数范围（003%～015%）,耐盐性能也得到提高,使用单剂时耐盐能力在100 g/L以下,复配后耐盐能力达到100 g/L以上。同系列表面活性剂在油砂上的吸附规律相同,从而降低了表面活性剂被地层色谱分离的可能。     

表面活性剂对低渗透油藏渗吸敏感因素的影响

界面张力和岩石润湿性是影响毛细管压力大小的决定性因素,因此研究表面活性剂对这两个因素的影响,可以充分发挥渗吸作用、提高低渗透油田原油的渗吸采收率。利用7块不同渗透率的亲水人造岩心,通过渗吸试验、旋滴法和动态接触角法研究了表面活性剂对油水界面张力、水湿表面润湿性、毛细管压力以及渗吸采收率的影响。试验结果发现:随着表面活性剂RS-1质量分数的增大,油水界面张力先有较大幅度降低后略有升高,最后趋于平稳;表面活性剂具有很强的改变水湿表面润湿性的能力,且能降低毛细管压力、提高渗吸采收率。研究结果表明:表面活性剂降低界面张力效果明显,并且复配表面活性剂降低界面张力的效果比单一活性剂好,岩样渗吸采收率与油水界面张力和毛细管压力的对数呈线性负相关关系。      

表面活性剂对超低渗透油藏渗流特征的影响

针对超低渗透岩心,通过宏观驱替实验研究不同界面张力的表面活性剂对单相启动压力、油水两相启动压力、相对渗透率曲线、降压效果及提高采收率效果的影响,分析表面活性剂对超低渗透油藏渗流规律的影响。研究结果表明,随驱替液界面张力的降低,单相启动压力明显降低。油水两相启动压力实验中,在油水两相相同流速比下,随界面张力的降低,油水两相启动压力梯度逐渐降低,含水饱和度逐渐增大。从束缚水饱和度到残余油饱和度,随含水饱和度的增加,油水两相启动压力梯度先缓慢下降,后迅速下降。相渗曲线实验中,随表面活性剂质量分数的增加,油水两相渗流区增大,油相相对渗透率增大,残余油下水相相对渗透率增加,残余油饱和度降低,油气采收率升高,水相(端点以内)渗透率基本没有变化。表面活性剂段塞驱替实验中,岩心一次水驱后,注入表面活性剂可明显降低超低渗透岩心的注入压力、提高岩心采收率,且油水界面张力越低,降压效果越好,提高采收率幅度越大。     

长链烷基硫酸钠（CnSAS）的制备及CnSAS和 C16SAS/NP-2对原油-水体系动态界面张力的影响

 采用N,N-二甲基甲酰胺（DMF）与SO3形成的络合物磺化高碳醇（CnH2n+1OH, n=10,12,14,16,18）制备不同链长烷基硫酸盐(CnSAS) 表面活性剂，分别考察了CnSAS以及C16SAS与非离子表面活性剂NP-2复配后对原油-水体系动态界面张力的影响。结果表明，DMF与SO3形成络合物磺化高碳醇时，无大量的热释放、不产生废酸、反应速率快，CnSAS收率大于95％。在原油-水体系中加入CnSAS表面活性剂后，原油-水体系的动态界面张力降低；CnSAS的碳链越长，动态界面张力越低；在一定范围内，体系中CnSAS的浓度越高，动态界面张力越低(C16SAS除外)。C16SAS与壬基酚聚氧乙烯醚(NP-2)复配使用可产生协同效应，降低原油-水体系的动态界面张力，在C16SAS质量分数为0.13％、NP-2质量分数为0.16％时，原油-水体系的动态界面张力可达到超低值(低于10-3 mN/m)。     

表面活性剂修饰SiO2纳米颗粒增强油/水界面活性分子动力学模拟

中高渗透率老油田进入高含水开采期后,剩余油分布零散,提高采收率难度大。纳米颗粒在老油田提高采收率方面优势明显:它在水中形成纳米尺度的小颗粒,大幅降低油水界面张力,使孔隙中的原油易于被驱替出来;同时,纳米颗粒对小孔道有暂时堵塞作用,通过扩大波及提高采收率。采用分子动力学模拟方法,研究了SiO₂纳米颗粒接枝各类表面活性剂的溶液分散性和界面活性。首先筛选得到羧酸链修饰的SiO₂体系,考察了降低油水界面张力的能力（从50.880 mN/m降低至37.956 mN/m）。引入Janus结构（双子结构）,设计了烷烃和羧酸表面活性剂混合修饰的SiO₂纳米颗粒。研究结果表明,该结构能够进一步降低油/水界面张力（从37.956 mN/m降低至32.028 mN/m）,表明了纳米颗粒表面修饰表面活性剂体系与界面活性之间的构效关系,为高效纳米驱油剂的设计与实验合成提供了一定的理论依据。     

有机概念图方法研究烷醇酰胺表面活性剂的界面活性

测定了大庆原油与烷醇酰胺表面活性剂(Cn(m+m))的动态界面张力,考察了疏水链长度(n)和亲水基团数(m)的影响。结果表明,m从1增至3,相同碳链长度的烷醇酰胺表面活性剂的界面张力逐渐增加。m=1时,疏水链碳数越多,烷醇酰胺表面活性剂的界面张力并非越低;m为2、3时,表面活性剂的界面张力随疏水链碳数的增加而降低。利用有机概念图进一步研究了系列烷醇酰胺的界面活性,计算出表面活性剂的I/O值(即无机性与有机性的比值)。根据有机概念图理论:|I/O值-1|越接近于0,表面活性剂的界面活性越好。C16(1+1)、C14(1+1)、C18(1+1)、C12(1+1)的|I/O值-1|分别为0.03、0.09、0.13、0.25,C16(1+1)的最接近于0,其界面张力大小顺序为:C12(1+1)>C18(1+1)>C14(1+1)>C16(1+1),和测定结果一致。碳链长度相同时,EO数越大,表面活性剂在有机概念图中的|I/O值-1|越远离0,表面活性剂的界面活性越差。图8表1参9     

氨基磺酸型两性双子表面活性剂的合成及性能

以十二胺、2-氯乙基磺酸钠为主要原料,采用二氯代的亲水性基团作为联结基,制备了新型氨基磺酸型两性双子表面活性剂DAS-3PA和DAS-8EO;用红外光谱对其结构进行了表征,并对其表面活性和油水界面张力进行了测试。结果表明,两性双子表面活性剂表现出优于传统表面活性剂的表面活性,25℃时DAS-3PA和DAS-8EO临界胶束浓度分别达到6．9×10^-5mol／L和8．0×10^-5mol／L,此时界面张力分别降至25．01mN／m和26．17mN／m;DAS两性双子表面活性剂倾向于吸附在油水界面上,并能有效地降低原油与水的界面张力;DAS两性双子表面活性剂与聚合物复配时表现出较好协同效应,此复配二元体系均能将油水界面张力降低至10^-3mN／m以下。