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                新型磺基甜菜堿聚丙烯酰胺體系表面及界面性能

                發布日期:2015-03-13 15:36:08

                新型磺基甜菜堿聚丙烯酰胺體系表面及界面性能和聚合物

                新型磺基甜菜堿聚丙烯酰胺體系表面及界面性能,采用自制的新型磺基甜菜堿兩性表面活性劑與相對分子質量2500萬的聚丙烯酰胺進行復配,考察 了不同溫度和礦化度條件下,聚合物對復配溶液表面、界面性能的影響。采用滴體積法測定了溶液的表面張 力,結果表明,加人聚合物使溶液的臨界膠束濃度增大,且復配溶液的表面張力大于單獨表面活性劑溶液的表 面張力。當聚合物濃度一定,增大溶液礦化度時,體系表面張力增大。用旋滴型界面張力儀測定了溶液的界 面張力,結果表明,增大聚合物濃度,油水界面張力增大,增大溶液礦化度,油水界面張力有所升高。聚合物質 量濃度為1.5 g/L,表面活性劑質量濃度為〇.3 g/L時,可使勝利油田孤島原油和孤東原油的油水界面張力達 到超低數量級(1〇-3 mN/m)。用分水時間法測定了溶液的乳化性能,結果表明,聚合物濃度增大,分水時間延 長,并考察了乃、85和95弋條件下體系的乳化性能,溫度越高,分水時間越短。

                在三次采油過程中,強堿三元復合驅暴露出一些問題,如強堿對油層的傷害、乳化、結垢,對注人舉 升以及采出液處理工藝的影響⑴,強堿還大幅度降低聚合物的黏彈性,從而降低波及效率等[2]。在眾多 的化學驅提高采收率技術中,聚合物/表面活性劑驅提高采收率技術是較為成熟的技術m。聚合物與表 面活性劑間的相互作用可使聚合物分子鏈的構象發生變化,聚合物的存在也影響著表面活性劑的臨界 膠束濃度、表面張力和聚集數等物理參數及溶液流變性、界面吸附和增溶等性質W。這些變化使得聚合
                物/表面活性劑體系具有一些優良性能,已被廣泛地應用于涂料、洗滌和食品等諸多領域,尤其是采油領 域。
                驅油用表面活性劑的主要作用是降低油水界面張力,驅動巖石孔隙中的殘余油,同時由于表面活性 劑是在油藏中使用,對高礦化度的油藏,表面活性劑應具有足夠的抗鹽性和抗二價Ca2+、Mg2+離子的能 力;對高溫地層的油藏,表面活性劑要具有很好的耐溫性能[5]。兩性表面活性劑是在分子結構中同時含 有陰陽2種親水基團,在堿性條件下表現出陰離子表面活性劑的特性,在酸性條件下,又表現出陽離子 表面活性劑的特性[6],且兩性離子表面活性劑在水溶液中電離生成的兩性離子對金屬離子具有螯合作 用,抗多價陽離子的性能好[7]。甜菜堿是兩性離子表面活性劑中的一種,最早是由Krger從甜菜中分離 出來的[8]。葉仲斌等[3]研究了新型疏水締合聚合物NAPs與十二烷基苯磺酸鈉(SDBS)相互作用的界 面張力,當表面活性劑質量濃度為0.3 g/L,聚合物質量濃度為〇.5 g/L時,界面張力最低可達 3 xl(r2mN/m,李孟濤等[9]進行了無堿二元復配體系驅油試驗,使用陽離子NEP表面活性劑溶液,界 面張力達到1(T2 mN/m數量級。劉莉平等[1°]研究了聚合物/表面活性劑二元復配驅油體系的性能,使 用的表面活性劑為SDBS,在油藏條件下體系與模擬油的界面張力為丨.38 x 10_2 mN/m。聚合物/表面 活性劑二元復配驅油體系界面張力能達到超低數量級的相關研究報道較少。新型磺基甜菜堿聚丙烯酰胺體系表面及界面性能,本文將自制的耐溫抗鹽表 面活性劑-橫基甜菜堿型兩性表面活性劑與聚丙烯酰胺進行復配,研究了在不同溫度和礦化度條件下聚合物對其表面、界面性能及乳化性能的影響。
                1實驗部分
                1.1試劑和儀器
                新型磺基甜菜堿型兩性表面活性劑按文獻[11 ]方法自制,新型磺基甜菜堿聚丙烯酰胺體系表面及界面性能經多次純化后,測目標產物的含量高于 95% ;聚丙烯酰胺的相對分子質量2500萬(大慶煉化公司);液蠟(天津市大茂化學試劑廠),分析純;實 驗水(礦化度是32. 308 g/L);原油(勝利孤島原油、孤東原油)。
                TX500C型旋滴型界面張力儀(美國盛維公司);BZY4B型表面張力儀(上海衡平儀器儀表廠)。
                1.2實驗方法
                對于聚表體系,為了考察聚丙烯酰胺與甜菜堿兩性表面活性劑之間的相互作用以及這種作用對體 系表面、界面張力及乳化的影響,分別取不同濃度的表面活性劑溶液和不同濃度的聚丙烯醜胺溶液進行 復配,以滴體積法測定其表面張力,以旋滴法測定界面張力及分水時間法測定乳化性能的變化。
                2結果與討論
                2.1表面性能
                以礦化水(礦化度為32. 308和48. 462 g/L)為溶劑,配置一系列不同濃度的磺基甜菜堿兩性表面 活性劑溶液,聚合物質量濃度為1.0 g/L。復配前表面活性劑溶液澄清透明,加人聚合物后溶液變粘稠, 但仍澄清透明。采用滴體積法,在(25 ±0.2) ^下測定其表面張力,繪制y-lg c曲線,如圖1所示。
                從圖1可以看出,隨著表面活性劑濃度增大,表 面張力下降,下降到一定程度時不再變化,由單獨的 表面活性劑y-lg c曲線可以得出25丈時,新型磺基 甜菜堿型兩性表面活性劑的臨界膠束濃度(cmc )為 8.7x 10_4 m〇l/L,臨界膠束濃度下的表面張力 ()為26. 13 mN/m,加人聚合物后y-lg c圖中出 現2個轉折點,這是聚合物與磺基甜菜堿表面活性 劑相互作用的結果,在Cl時二者開始發生相互作用,
                表面活性劑吸附到聚合物表面上。隨著表面活性劑 濃度的增大吸附到聚合物上的表面活性劑增多,在 c2點時達到吸附飽和,表面活性劑濃度繼續增大,表 面張力基本保持不變,^點濃度為9. 1 xl0_4 m〇l/L,
                點的7_為28.31 mN/m。加人聚合物后,使得達 cmc的表面活性劑濃度升高,主要是由于聚合物對 表面活性劑的吸附;且聚合物和表面活性劑間的相互作用,使溶液的表面張力比純表面活性劑溶液的表 面張力略高。從圖1還可以看出,隨礦化度增加,體系表面張力變大,當礦化度為48.462 g/L時,磺基甜 菜堿表面活性劑也能顯著降低水的表面張力,表現出良好的表面活性,說明該磺基甜菜堿型表面活性劑 有很好的耐鹽性。
                2.2界面性能
                以礦化度為32. 308 g/L的礦化水為溶劑,配置一系列不同濃度的表面活性劑溶液,加人的聚合物 質量濃度分別為〇• 5和1. 5 g/L,用旋滴型界面張力儀測定聚合物和表面活性劑體系與原油(孤島原油 和孤東原油)之間的界面張力,結果如圖2 ~圖5所示。
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                新型磺基甜菜堿聚丙烯酰胺體系表面及界面性能圖3聚合物質量濃度為1.5 g/L的表面活性劑孤 島原油水界面張力曲線圖
                Fig. 3 The interfacial tension graph of the Gudao crude oil-water at a polymer concentration of 1 • 5 g/L surfactant
                Concentration of surfactant/( g*L~1 ) :a. 0. 3 ; 6. 0. 4; c. 0. 5; d.0.6; e. 0. 8
                圖2聚合物質量濃度為0. 5 g/L的表面活性劑孤 島原油水界面張力曲線圖
                Fig. 2 The interfacial tension graph of the Gudao crude oil-water at a polymer concentration of 0. 5 g/L surfactant
                Concentration of surfactant/( g»L-1) :a. 0. 3; 6. 0.4 ; c. 0. 5; d.0.6; e. 0. 8
                圖5不同礦化度表面活性劑孤島原油水界面張力 曲線圖
                Fig. 5 The interfacial tension graph of the Gudao oil- water with different salinity
                Surfactant concentration was 0. 3 g/L, polymer concentration was 1.5 g/L
                a. salinity 32.308 g/L; b. salinity 48.462 g/L; c. salinity 64. 616 g/L
                圖4聚合物質量濃度為1.5 g/L的表面活性劑孤 東原油水界面張力曲線圖
                Fig. 4 The interfacial tension graph of the Gudong crude oil-water at a polymer concentration of 1. 5 g/L surfactant
                Concentration of surfactant /( g»L~1) :a. 0.3 ; 6.0.4 ; c. 0.5; d.0.6; e. 0.8
                由圖2可知,在溫度為85尤、轉速為5000 r/min條件下,隨著甜菜堿兩性表面活性劑濃度的增大界 面張力逐漸增大,相同濃度的表面活性劑溶液,隨著時間的延長界面張力逐漸增大,新型磺基甜菜堿聚丙烯酰胺體系表面及界面性能,當升高至一定程度 時不再變化;在85 T,加入聚合物的質量濃度為0• 5 g/L,磺基甜菜堿表面活性劑質量濃度為0. 3和 0. 4 g/L時,可使孤島中區油水界面張力達到超低界面張力數量級(KT3 mN/m)。由圖3可知,同樣條 件下,加人聚合物的質量濃度為1.5 g/L,磺基甜菜堿表面活性劑質量濃度為0.3 g/L時,體系也可使孤 島中區油水界面張力達到超低界面張力數量級(HT3 mN/m),繼續增大表面活性劑濃度,界面張力有所 升高;隨著時間變化界面張力先減小后很快趨于平穩。
                從圖2、圖3比較可以看出,相同濃度的表面活性劑溶液,增大聚合物的濃度,界面張力有所升高。 這由于一是溶液粘度增加,降低了磺基甜菜堿表面活性劑分子向油水界面運移的能力;二是聚合物對表 面活性劑的吸附,降低了溶液中磺基甜菜堿表面活性劑分子的數目。
                從圖4可以看出,在同樣條件下,加人聚合物的質量濃度為1.5 g/L,磺基甜菜堿表面活性劑質量濃 度為0.3 g/L時,體系也可使孤島三四區油水界面張力達到超低界面張力數量級(1(T3 mN/m);隨時間 變化界面張力有所減小但很快趨于平穩。
                從圖5可以看出,開始界面張力大幅度降低后很快平穩;當礦化度增大時,磺基甜菜堿表面活性劑 疏水性增強,逐漸從水相轉移到油相,所以界面張力上升,但體系界面張力仍能達到超低界面張力數量 級(10_3 mN/m),由此可見,所合成的磺基甜菜堿表面活性劑具有很好的耐溫抗鹽性能,在高溫高鹽油 藏中具有很大的應用前景。
                2.3乳化性能
                采用分水時間法[12],以礦化水(礦化度32. 308 g/L)為溶劑,將合成的磺基甜菜堿表面活性劑配成 一系列不同濃度的水溶液,并在每份溶液中加入的聚合物質量濃度為0.5和1.0 g/L。在85 ^條件下, 100 mL具塞量筒中,分別加人40 mL液蠟(液態石蠟為油相)和40 mL表面活性劑水溶液,按緊玻璃塞, 上下猛烈震動5次,靜置1 min,如此重復震動-靜置5次,記錄分出10 mL水的時間。重復3次,最終取平 均值,并測定在75和95尤條件下,聚合物質量濃度為1_0 g/L時磺基甜菜堿表面活性劑溶液分出 10 mL水的時間,結果如圖6、圖7所示。
                從圖6可知,隨磺基甜菜堿表面活性劑濃度的增大,分出10 mL水所需要的時間先增大后減小,當 表面活性劑質量濃度為2 g/L時,分出10 mL7jC所需要的時間最長。因此可以推斷出當表面活性劑水溶 液質量濃度為2 g/L時,產物對液蠟的乳化性能最佳。這主要是隨著磺基甜菜堿表面活性劑濃度增大, 表面活性劑分子在液-液界面的排布更加緊密,界面膜的強度增加,表面張力降低,乳化能力升高,形成 乳狀液的穩定性增加,因而分水時間逐漸增加。當表面活性劑濃度繼續增大時,乳狀液穩定性開始下 降,這是由于排布在界面膜的表面活性劑趨于飽和,過量的表面活性劑相互聚集,導致分散在體系中的 油相絮凝和聚結的能力增強,加快了乳狀液的破乳過程,因而分水時間降低,乳化能力降低,穩定性降 低。從圖6可以看出,當表面活性劑濃度一定時,聚合物的濃度增大,分出1〇 mL水的時間延長,由此可 見,加入一定量的聚合物有利于乳狀液的形成。從圖7可以看出,溫度升高,分出10 mL水的時間縮短, 也就是乳狀液的穩定性減弱,主要是升高溫度,使體系黏度下降,從油層中絮凝的水滴沉降速度加 大[13],接觸幾率增大,從而使體系穩定性下降,新型磺基甜菜堿聚丙烯酰胺體系表面及界面性能,即升高溫度有利于破乳。 3結論
                磺基甜菜堿兩性表面活性劑與聚丙烯酰胺復配后,使得達臨界膠束濃度的表面活性劑濃度升高,且 聚合物和表面活性劑相互作用,使溶液的表面張力比單獨表面活性劑溶液的表面張力略大;增大溶液的 礦化度,表面張力增大。聚合物質量濃度為0.5 g/L,表面活性劑質量濃度為0.3和0.4 g/L時,可使勝 利油田孤島原油油水界面張力達到超低數量級(UK3 mN/m);聚合物質量濃度為1.5 g/L,表面活性劑 質量濃度為0.3時,可使勝利油田孤島中區油水界面張力以及勝利油田孤東原油油水界面張力均
                達到超低數量級;增大礦化度,體系油水界面張力有所升高,但仍能使孤島中區油水界面張力達到超低 數量級。表面活性劑與聚合物復配的乳化性能表明,分出1〇 mL水的時間隨聚合物濃度的增大而延長; 當升高溫度時,體系乳化能力下降。
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