添加剂对粘弹流体性能的影响Word文档格式.docx
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同时NaCl和KCl、苯甲酸钠和乙酸钠都不具备协同增黏效应。
上述四种添加剂可以降低阴离子双子的油水界面张力与表面活性剂溶液GC18-2-18。
用NaCl和KCl浓度的增加,溶液的油水界面张力增加,然后再下降,和KCl的效果更显著。
苯甲酸钠和乙酸钠将提高溶液的油水界面张力。
当浓度为0.5%时,溶液的油水界面张力达到0.605mN/m和0.901mN/m,溶液的界面张力不能保持在超低水平。
关键词:
粘弹流体;
阴离子表面活性剂;
黏度;
油水界面张力;
粘弹性
第1章绪论
1.1课题背景
当前我国大多数油田已经进入二次油田开发时期,二次油田开发的主要特征是具有较高的含水,且在油田的二次开发中呈现原油产量下降、经济效益降低等诸多特征。
基于此通过引入三次采油技术可提升当前油田的开采效率,提升水驱后剩余采收率的应用以及油田开发,因而三次采油应用的后期处理已然成为研究者所研究的重要课题。
表面活性剂驱油为如何降低成本的同时进一步有效地开发和利用现有的原油储量提供了全新的解决方案。
要有效利用表明活性驱动剂,提升原油开采效率,需要降低油水界面张力,相对而言,传统的活性剂分子由疏水链和亲水基两部分构成,因而在单独使用时难以达到预期的水平,但双子面活性剂具有的优良特性可保证活性剂具有良好性能的同时也降低了使用成本,有效的解决了上述问题。
因此表面活性剂的研究和应用成为近些年来石油领域的研究焦点。
阴离子双子表面活性剂除具有一般双子表面活性剂的高表面活性外,水溶性更好,耐温抗盐能力更强,界面吸附量更小,在较小的浓度下即可高效率地降低油水界面张力,适合于高温、高矿化度等非常规油藏提高驱油效率[5]。
因此本文主要从不同分子结构阴离子双子表面活性剂对其溶液的低剪切粘度、粘弹性、表面张力、油/水界面张力等方面的影响进行研究,以及对所构筑的低界面张力阴离子双子表面活性剂粘弹流体进行微观增稠机理研究,为阴离子双子表面活性剂用于驱油以提高采收率提供实验依据。
1.2研究目的及意义
双子表面活性剂是一种含有双亲水头基、双疏水链,通过亲水基团连接的表面活性剂。
与传统的表面活性剂相比具有极高的表面活性,因而具有较低临界胶束浓度以及Krafft点,具有良好的水溶性特征,因此双子表明活性剂具有上述特征和性质,因此双子表明活性剂既可以利用它显著的界面活性以降低油水界面张力至超低级别,又可以利用它在水溶液中可形成特种胶束结构的能力来提高黏度。
研究盐对双子表面活性剂溶液的影响,对于双子表面活性剂驱油的理论和应用具有重要意义。
盐的类别和加量对双子表面活性剂溶液对溶液的黏度粘弹性存在影响,而双子表面活性剂的结构和含量以及盐的类别和加量对界面张力存在影响,因此研究不同种类的添加剂(有机盐、无机盐)对双子表面活性剂溶液黏度、粘弹性、油水界面张力的影响有利于更好掌握双子表面活性剂粘弹流体的驱油性能。
1.3研究内容
(1)无机盐(氯化钠、氯化钾)、有机盐(苯甲酸钠、乙酸钠)对阴离子双子表面活性剂溶液黏度的影响。
(2)无机盐(氯化钠、氯化钾)、有机盐(苯甲酸钠、乙酸钠)对阴离子双子表面活性剂溶液粘弹性的影响。
(3)无机盐(氯化钠、氯化钾)、有机盐(苯甲酸钠、乙酸钠)对阴离子双子表面活性剂溶液油水界面张力大小的影响情况。
1.4国内外研究现状及发展趋势
1.4.1国内外研究现状
双子表面活性剂是当前国内外研究较为广泛的新型表面活性剂,特殊的分子结构使其具有一些特殊性质,更高的表/界面活性(更低的表面张力)、更低的临界胶束浓度,同时具有良好的水溶性和优良的钙皂能力。
20世纪90年代,双子表面活性剂在国际领域受到更多的关注,作为新型、高效的表活性剂,得到更多认可的同时也成为了胶体与界面化学领域的研究热点。
目前,国外已经合成出一系列阴离子、阳离子、非离子及两性型双子表面活性剂,但对于Gemini表面活性剂的研究都是针对合成路线与分子结构方面。
2001年,我国开始涉及双子表面活性剂的研究领域,长江大学石油工程学院唐善法教授的研究团队率先合成了不同类型的双子表面活性剂,并对双子表面活性剂的优良特性做了大量研究工作,如界面性质、聚集行为及应用等。
2007年,韩丽娟等对阳离子双子表面活性剂溶液的黏度参数进行了研究,通过大量的实验研究,其研究团队发现,将适量的有机酸盐加入到普通的季铵盐型表面活性剂中,如水杨酸钠(NaSal),其溶液体系往往会表现出较高的粘弹性。
18-4-18溶液黏度在添加适量的NaSal后(18-4-18和NaSal质量比5:
3),溶液黏度增加。
这一实验结果表明,NaSal在加入后可改变溶液的特性,导致溶液中出现网状结构,增加原溶液的黏度。
2011年,胡小东等考察了GA8-4-8油水界面张力相关影响因素,结果发现,油水介质中所存在的无机盐种类是影响张力的重要因素之一,通过绘制张力变化图可知,氯化钙的加入会使GA8-4-8溶液油水界面张力呈现先增后减趋势;
氯化钠的加入使溶液油水界面张力逐渐降低。
通过研究发现,当氯化钙的浓度为5g/L时油水界面的张力达到峰值,当超过该浓度,继续想溶液中加入氯化钙时油水界面的张力逐渐降低,但始终高于不含有氯化钙的溶液油水界面张力;
油水界面张力大小和氯化钠溶液浓度之间的相关性可建数为:
随着溶液中氯化钠的加入,溶液油水界面张力逐渐降低,当溶液中氯化钠的浓度达到140g/L时,张力大小为0.135mN/m。
对上述研究数据进行综合分析可知,氯化钠对
8溶液油水界面张力具有促进作用,氯化钙的加入对油水界面张力影响小于氯化钠。
唐善法等在2007年研究了双子表面活性剂C14-2-14.2Br-水溶液黏度及其相关影响因素时发现无机盐的种类以及具体浓度均会对活性剂溶液黏度产生影响。
向其加入NH4Cl,加量小于400mg/l时,随加量增大,溶液黏度下降;
加量继续加大至1600mg/l时达到最大值360mPa•S;
继续增大加量,溶液黏度开始下降。
相比而言,有机盐NaSal则使胶束溶液的黏度明显减小,最低仅为7mPa•S。
同时,唐善法于2012年以水杨酸钠等活性剂为代表,考察了有机阴离子活性剂GC-16黏度以及温度之间的相关性,通过实验绘制GC-16溶液黏度与浓度的关系曲线,发现GC-16溶液浓度越高,则其黏度也会相应增大,当溶液中溶质的浓度高于0.2g/L时溶液黏度上升的较为明显,在GC-16溶液中加入水杨酸钠后随着其浓度的增加,其黏度呈现先增后减趋势。
由此可知,水杨酸钠对阴、阳离子双子表面活性剂有协同增黏作用。
2014年,沈一丁等向普通季铵盐型表面活性剂中加入适量水杨酸钠后,溶液有明显的粘弹性,微量NaSal的加入对双GS16-2-16体系黏度并不明显,当加入的当NaSal浓度达到1g/L时,溶液黏度急剧下降,对C16TAB则需加入更多溶质才可提升其粘弹性,当溶质的浓度达到5.2g/L时,溶质粘弹性表现的尤为明显,显著高于其他无机盐溶液。
1.4.2发展趋势
目前研究者对于阴离子双子表面活性剂的研究仍处于起步阶段,更多的研究尚集中于阳离子双子表面活性剂上。
而阴离子双子表面活性剂在一些方面更具优势,它可以降低活性剂在地层的吸附损失及减小对储层渗透率的伤害,同时它对Ca2+、高矿化度环境的适应性更好。
同时双子表面活性剂在三次采油领域有着广泛的应用前景,保持低的界面张力是提升采收率额重要方法,随着活性剂的加入,溶液界面张力呈现先下降后上升的趋势;
双子表面活性剂结构中碳链所含碳原子数越少,其界面活性剂越低;
向活性剂溶液中加入无机盐,如NaCl,可有效降低油水界面张力。
研究发现,无机盐对溶液黏度的影响与其的加量有关,如NH4Cl等在和合理的加量范围内会提高溶液的黏度。
未来研究更趋向于在保证粘弹性表面活性剂黏度的条件下,并且在高盐和高温情况下,更大程度地降低界面能,达到更低的界面张力下,更多提高采收率的目的。
据此,本论文将着重探讨有机盐(氯化钠、氯化钾)、无机盐(苯甲酸钠、乙酸钠)对阴离子双子表面活性剂黏度、粘弹性、油水界面张力的影响。
1.5粘弹性流体
粘弹性流体是粘弹性体的分支,具有和粘弹性体类似的性质,粘弹性流体是一类既具有粘性也具有弹性的特殊流体。
在定长剪切流场中,粘弹性流体在外力的作用下会发生流动和形变,当撤掉外力后,这种流体会部分恢复或者随时间恢复。
粘弹性流体具有流变性,且比较复杂,逐渐成为石油领域的研究热点。
与牛顿流体相比,粘弹性流体具有独特的流变现象,如爬杆现象、挤出胀大现象、通信套管轴向流动现象、虹吸现象等。
粘弹性流体可以被广泛应用于采油工程领域。
石油作为不可再生的一次能源自从被发现以来就一直牵动着各国首脑的神经,也是国际社会密切关注的重要战略资源。
在油田开采过程中,提高油田采收率是保证油田长久发展的关键,粘弹性流体的聚合物驱技术被大庆油田率先用于油田生产,随着时间的推移,地面设备正常平稳运行的的同时油田采收率得到稳步的提高。
因此,粘弹性流体在三次采油领域,不仅能够有效提高油田采收率,还可以保证油田开采质量,弹性流体的特殊性对于油藏工程来说具有积极影响。
Kern和Zana曾发现Gemini表面活性剂可以显著增加溶液粘度,可高达6个数量级之多,这是由于胶束结构互相缠绕形成了结构或者大尺寸分子聚集体的形成所致。
联结基较短的双子表面活性剂溶液会具有特殊的粘度行为。
当体积分数高于临界体积分数时,溶液的粘度会随着体积分数的增大而陡然上升,这种现象可以大多是胶束的快速生长和亚溶液的出现所造成的。
向水溶液中加入双子表面活性剂后,溶液体系中形成胶束后变为粘弹流体,此时溶液具有流变性。
当表面活性剂分子以单体或球形胶束存在于溶液中,此时溶液的流动性很好,胶束的存在不足以影响溶液的粘度,被称为牛顿流体;
当表面活性剂的浓度和电离出的离子强度高于一定程度后,棒状胶束会不断增多并互相缠绕形成具有空间网状结构的蠕状胶束,这一改变使溶液表现出较高的粘弹性。
同时作为表活剂,它具有增加油水界面张力、提高驱替效率的作用,进而可以提高油藏的采收率;
相比复合驱,作为水溶性流体,它可以在高温和高盐的恶劣条件下依然保持疏水缔合性;
作为单一体系,它可以避免其他体系的色谱效应。
粘弹性表面活性剂具有良好的注入性,可以有效提高低渗油藏水驱采收率。
1.5双子表面活性剂的分子结构及分类
1.5.1双子表面活性剂概述
表面活性剂具有亲水亲油的双亲性质,是一种两亲物质,其分子在溶液表面能定向排列,分子由亲水基团和亲油基团构成。
因此活性剂表现出了显著的两亲性,它既可以溶于极性溶剂,也可以溶于表现出非极性的油相中。
向水溶液中加入少量表面活性剂就可以显著降低溶液体系的表面张力或油水(液相)界面张力。
表面活性剂有许多特性,只有其分子中的亲水亲油比达到合适的比值才会表现出优良性能,因而受到广泛关注,近些年来得到迅速发展。
1.5.2双子表面活性剂的分子结构
双子表面活性剂通常被称之为双生
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