一種新型嵌段類兩性表面活性劑的分子結構設計與合成

張 瑤，付美龍，侯寶峰，吳海俊

長江大學石油工程學院，湖北 武漢

1.原油組成結構表征分析

利用Angenit 6890N GC/5975 MSD型色譜/質譜聯用儀對J油田Z井區原油組分進行了分析，分析可知飽和烴、芳烴、非烴和瀝青質在原油中的質量占比分別為38.99%、21.58%、18.61%和7.93%。

1.1.飽和烴色質分析

該區塊原油飽和烴總離子流圖如圖1所示，與標準圖譜庫對照發現，飽和烴油樣中含有直鏈、支鏈和環狀結構。定量分析結果表明，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，環烷烴為43.09 mg，油樣中2環、3環、4環和5環烷烴分別為0.56 mg、1.28 mg，22.98 mg、18.27 mg。

1.2.芳烴色質分析

該區塊原油中芳香烴混合物總離子流圖如圖2所示，與標準譜圖庫對照發現，芳香烴混合物油樣中含有2、3、4、5環狀結構。定量分析結果表明，每克油樣中芳烴中烷基苯(1環)的質量較高，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)的質量為1.79 mg，菲系列的質量(3環)為0.28 mg，屈系列、三芳甾烷和甲基三芳甾烷(4環)質量為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.試驗部分

2.1.試驗試劑和儀器

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，環氧乙烷，環氧丙烷，均為分析純；發煙硫酸，化學純。

儀器：4~0.6型高溫高壓反應釜，上海申立玻璃儀器有限公司；SHZ-D (III)型循環水式真空泵，西安博創儀器設備有限公司；RE-5003E型旋轉蒸發儀，鞏義市宇翔儀器有限公司。

2.2.試驗方法

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(以減少自聚副反應的發生)，合成中間體。將中間體和環氧丙烷按摩爾比1:25加至反應釜中，注入摩爾分數為8.0%的NaOH。150℃真空條件下反應5 h，磁力攪拌(轉速500 r/min)，減壓蒸餾去除過量的環氧丙烷[1][2][3]，得到環氧丙烷醚化產物。在真空條件下加入摩爾比1:60的環氧丙烷醚化產物和環氧乙烷，隨后將摩爾分數15%的NaOH加至反應釜中。120℃條件下反應5 h，磁力攪拌(轉速500 r/min)[4][5][6]。減壓蒸餾去除過量環氧乙烷，得到環氧乙烷醚化產物。

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

Figure 3.The structure of PPS ion圖3.PPS分子結構圖

2.3.界面張力的測定

利用旋轉滴定法(SY/T5370-1999)測定界面張力。實驗用水為J油田Z井區模擬地層水，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.物理模擬驅油實驗

選擇5塊天然巖心制作成長巖心模型(巖心的物性參數見表2)，充分飽和水、油后，置于油藏溫度下靜置老化24 h，持續注入Z井區的模擬地層水，水驅至含水率達到98%，轉注表面活性劑段塞，繼續水驅至含水率達到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.驅油實驗所選天然巖心的物性參數

3.結果與討論

3.1.表面活性劑的結構表征

PPS紅外光譜圖測定結果見圖4，690~936 cm-1之間的多個面外彎曲振動吸收峰歸屬于苯環的多取代官能團；1475 cm-1處的吸收峰是苯環的C-C骨架振動吸收峰；1245 cm-1處的吸收峰是硫酸酯基的伸縮振動峰，1103 cm-1處的伸縮振動吸收峰歸屬于嵌段聚醚部分的官能團。由上述分析可判斷合成的產物為目標產物PPS。

3.2.界面張力的測定

測試發現PPS溶液與Z井區原油間界面張力可達5.65 × 10-2mN/m。為了進一步改善其界面活性，將PPS和與其結構相似的脂肪醇聚氧乙烯醚硫酸鹽(AES)進行復配。取質量分數為0.1%的復配體系測其油水界面張力，結果見圖5，當PPS與AES質量配比為1:1時的復配體系(以下簡稱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.復配體系的油水界面張力

3.3.物理模擬驅油試驗

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

4.現場試驗

J油田Z井區由于水竄原因，該區塊大多數油、水井處于關井狀態，因此需要調整層內矛盾、提高水驅效率、恢復產能。針對該區塊地質特征和存在問題，將質量分數為0.1的PPS/AES (1:1)復配體系作為驅油劑提高洗油效率，并輔以延緩沉淀凝膠類調剖劑調整波及體積，構成復合驅體系。

Figure 6.The result of physical simulation oil displacement test圖6.物理模擬驅油試驗結果

Z井區試驗井組為6注5采1中心井組。2017年10月15日在Z16斜-6-6井轉注復合體系，轉注5個月后，低部位3口生產井均見效。目前，井組5口采油井日產油量8.42 t、總增油量953.2 t。

5.結論

1)基于原油分析結果，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了所合成的表面活性劑即目標產物，總收率為57.82%。

2)PPS與AES復配體系可有效降低采出液含水率，在水驅基礎上，可使驅油效率提高11.1%。

3)在J油田Z井區開展注入復合體系進行驅現場試驗，初步見到增油效果。