淺談Gemini表面活性劑的特點及在三次采油中的應(yīng)用

摘 要：本文簡要地介紹了Gemini表面活性劑的結(jié)構(gòu)特點及物化性能，在此基礎(chǔ)上，介紹了近年來其應(yīng)用于三次采油的進展，并對未來Gemini表面活性劑的發(fā)展做出展望。

關(guān)鍵詞：Gemini表面活性劑；結(jié)構(gòu)；性能；三次采油

在三元復(fù)合驅(qū)中，現(xiàn)有表面活性劑存在耐溫抗鹽性差，臨界膠束濃度較高，降低表面張力能力和效率低、成本高等問題，造成了表面活性劑應(yīng)用的局限性。

近年來，由于Gemini表面活性劑與傳統(tǒng)單鏈表面活性劑相比具有高界面活性、高效降低界面張力、低Krafft點、良好的水溶性、特殊的粘度特性等優(yōu)異的性能，從而受到研究者越來越多的關(guān)注。

1 Gemini表面活性劑的化學(xué)結(jié)構(gòu)、分類

Gemini（雙子）表面活性劑是一族性能優(yōu)異的新型表面活性劑，由兩個和多個單鏈單頭基傳統(tǒng)表面活性劑通過連接基團在其親水基或靠近親水基連接而成。其結(jié)構(gòu)如圖1示。

根據(jù)親水基所帶電荷種類不同，Gemini表面活性劑可分為陰離子型（磺酸鹽型、羧酸鹽型、磷酸鹽型、硫酸鹽型），陽離子型（胺鹽型、季銨鹽型），非離子型（聚氧乙烯型、脂肪酸多元醇酯型）和混合型（陰陽離子、離子對、陰離子—非離子、陽離子—非離子）。根據(jù)疏水鏈的種類可分為碳?xì)湫秃吞挤汀８鶕?jù)其連接基團的不同，可分為剛性基團（如亞二甲苯基、對二苯代乙烯基等）及柔性基團（如聚亞甲基、聚氧乙烯基、雜原子等）。

2 Gemini表面活性劑的物化性能

Gemini表面活性劑的性能比一般表面活性劑（單體）優(yōu)越：有較高的表面活性，較好的增溶、潤濕、起泡及鈣皂分散作用，一般具有很低的Krafft點，因而使得這種表面活性劑有較大的溫度應(yīng)用范圍；此外，有些Gemini表面活性劑在相當(dāng)?shù)偷臐舛葧r就顯出某些突出的流變特性（粘彈性、膠凝作用、切稠現(xiàn)象）。

Gemini表面活性劑具有優(yōu)異的物化性能，體現(xiàn)在以下幾個方面：

2.1 臨界膠束濃度

Gemini表面活性劑與傳統(tǒng)表面活性劑相比，其臨界膠束濃度普遍降低一個數(shù)量級左右，顯示了較高的表面活性。這主要是因為在Gemini表面活性劑中，兩個離子頭基是靠連接基團通過化學(xué)鍵連接的，由此造成了兩個表面活性劑單體分子之間相當(dāng)緊密的連接，致使碳?xì)滏滈g更加容易產(chǎn)生強的相互作用，即抑制了親水頭基之間由于靜電斥力所引起的分離作用，增強了疏水烷烴鏈之間的結(jié)合，使Gemini表面活性劑更容易聚集成膠束，大大提高了表面活性。

2.2 起泡能力和乳化力

Gemini表面活性劑的離子頭基之間電斥力較強，吸附分子間相互作用較強，形成的界面膜的強度較大，當(dāng)其在較低濃度時就有很好的乳化效果。Gemini表面活性劑的離子頭基之間電斥力較強，其水溶液在低濃度時具有高粘度，隨著水溶液粘度的增大，溶液粘度可增大6個數(shù)量級，這樣就能夠促使泡沫穩(wěn)定性的增加。

2.3 協(xié)同效應(yīng)

正負(fù)表面活性劑在混合溶液中有強烈的相互作用，此種作用的本質(zhì)主要是電性相反的表面活性離子間的靜電吸引作用和碳?xì)滏滈g的疏水作用。Gemini表面活性劑其單個分子可以進行2mol的復(fù)配，分子排列緊密，在乳化、泡沫、表面性能等性能上比傳統(tǒng)表面活性劑有著更多的優(yōu)越性。

2.4 增溶作用

表面活性劑的增溶作用，只在臨界膠束濃度以上，膠束大量生成后才顯現(xiàn)出來。Gemini表面活性劑的臨界膠束濃度比傳統(tǒng)表面活性劑的低，且其分子在膠束中的排列更緊密，所以在增溶作用上有著其優(yōu)越性。

2.5 潤濕性

從潤濕方程來看，液體潤濕固體的能力取決于它的表面張力。表面張力越低，潤濕能力越強。Gemini表面活性劑的兩親分子吸附于固體表面，形成定向排列的吸附層，降低界面自由能，從而有效地潤濕固體表面。與傳統(tǒng)的表面活性劑相比，Gemini表面活性劑有著更強烈的相互作用，可使混合體系的潤濕時間大幅度降低。

2.6 流變性

實驗表明：無論是普通單鏈單頭基或Gemini表面活性劑，其流變性質(zhì)主要由膠束的大小和形狀所決定，隨著連接基團長度的增加，膠束的軸比率變小，導(dǎo)致流動阻力減小、粘度降低。此外對于球形和棒狀膠束溶液，其流變性質(zhì)主要以粘性為主，彈性可忽略不計。在低剪切速率下，溶液屬于牛頓型流體；而在高剪切速率下，則表現(xiàn)出準(zhǔn)塑性流體性質(zhì)。

3 Gemini表面活性劑的應(yīng)用及展望

近年來，將Gemini表面活性劑應(yīng)用于油田三次采油的研究不在少數(shù)，現(xiàn)舉幾例：

楊光等將叔胺和鹵代烷烴通過一步法合成陽離子雙子表面活性劑，通過巖心驅(qū)替實驗，研究了其在降低油水動態(tài)界面張力方面的能力及規(guī)律，以及動態(tài)界面張力特征與采收率之間的關(guān)系，為其在三采中的應(yīng)用提供理論依據(jù)。

趙秋玲用長鏈烷基叔胺、環(huán)氧氯丙烷、濃鹽酸一鍋煮的簡便方法合成陽離子雙子表面活性劑，通過測試其溶解性、乳化能力、增溶能力、抗硬水性能和不同溫度下的增比粘度，展示其在三次采油中的應(yīng)用前景。

袁銳采用一步法合成以萘雙十四烷基磺酸鈉為代表的系列陰離子雙子表面活性劑，對其界面性質(zhì)以及微乳性質(zhì)表征，研究其在稀表面活性劑驅(qū)油體系以及微乳驅(qū)油體系中的驅(qū)油效果，探討其在三次采油領(lǐng)域應(yīng)用的可行性。

劉慶旺等利用十六烷基二甲基叔胺和1，4—二溴丁烷為原料采用一步法合成雙子表面活性劑16-4-16（產(chǎn)率為74.5%），其具有比普通表面活性劑更高的粘度和表面活性，且與非離子表面活性劑協(xié)同性好，可作為新型驅(qū)油劑使用。

然而雙子表面活劑合成工藝復(fù)雜，降解困難，成本過高成本嚴(yán)重制約著雙子表面活性劑在三采中的推廣應(yīng)用，采用雙子表面活性劑與普通表面活性劑或添加劑復(fù)配，則可大大降低成本：

張永明等合成了磺酸鹽型Gemini表面活性劑，并將其與石油磺酸鹽復(fù)合，當(dāng)質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1%時，磺酸鹽型Gemini表面活性劑—石油磺酸鹽復(fù)合體系能降低油水界面張力至4×l0-4—6×10-4mN/m且兩者之間協(xié)同效應(yīng)好。

劉紅星等研究了雙子表面活性（GPS）與普通陰離子表面活性劑十二烷基苯磺酸鈉（SDBS）之間的協(xié)同效應(yīng)。當(dāng)GPS按摩爾比3：7與SDBS復(fù)配時，該復(fù)配體系的cmc低至痕量。

蘇克松等合成了雙子表面活性劑NNMB，其與十二烷基磺酸鈉（SDS）復(fù)配產(chǎn)生了明顯的協(xié)同效應(yīng)。當(dāng)NNMB與SDS摩爾比為1：2時，復(fù)合體系的cmc為8.0×10-5mol/L， γcmc為22.5mN/m。

綜上所述，Gemini表面活性劑的研究已經(jīng)取得了較大進展。雖然已對其合成、性能研究及驅(qū)油實驗展開了大量研究工作，但還未形成系列和整體。由于Gemini表面活性劑合成的流程長、原料昂貴，導(dǎo)致其工業(yè)化產(chǎn)品較少。鑒于其在三次采油驅(qū)油體系中的巨大潛力，未來工作可從以下幾方面入手：

（1）積累關(guān)于其性質(zhì)的大量參數(shù)。通過這些參數(shù)，建立其基本化學(xué)結(jié)構(gòu)與其物化性質(zhì)、性能和某些特殊性質(zhì)之間的關(guān)系，為更優(yōu)異性能的Gemini表面活性劑的合成提供指導(dǎo)；

（2）進一步深入研究Gemini表面活性劑結(jié)構(gòu)與性能的關(guān)系，開發(fā)具有特殊結(jié)構(gòu)和新性能的產(chǎn)品，并著手進行分子設(shè)計；

（3）Gemini表面活性劑價格昂貴，在較短時間內(nèi)還不能迅速實現(xiàn)工業(yè)生產(chǎn)。應(yīng)著手研究廉價Gemini表面活性劑，或?qū)ふ腋咝emini表面活性劑提高驅(qū)油體系效率，將大幅增加其應(yīng)用于現(xiàn)場的潛能。

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作者簡介：

李淵（1989-），男，助理工程師