不同疏水基的聚氧乙烯醚磺酸盐制备及性能研究

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烷基醇(酚)聚氧乙烯醚磺酸盐结合了非离子表面活性剂耐盐和磺酸盐阴离子表面活性剂耐温的特点,在高温、高盐等极端油藏的应用中引起了科研工作者的广泛兴趣。本论文以羟乙基磺酸钠为磺化剂,与不同疏水基的聚氧乙烯醚反应,制备了相应的磺酸盐,研究了疏水链、氧乙烯(EO)基团、氧丙烯(PO)基团、离子头基(-COONa、-SO4Na和-SO3Na,对应表面活性剂缩写为C12-14E3C、C12-14E3S和C12-14E3SO)和反离子种类(Na+、K+、Mg2+和Ca2+)对该系列表面活性剂的表/界面活性的影响。本文概述了适用于高温、高矿化度油田的阴离子表面活性剂的特点,综述了烷基醇(酚)聚氧乙烯醚磺酸盐的合成及应用研究进展。制备了脂肪醇聚氧乙烯醚磺酸钠(CmEnSO)、异构十三醇聚氧乙烯醚磺酸钠(C13E6SO)和不同反离子的C12-14醇聚氧乙烯醚磺酸盐(C12-14E4SO-M,M=K,Mg和Ca),用核磁、电喷雾质谱对目标产物进行了分析表征。研究了疏水链、EO基团、离子头基、反离子种类对表面张力、界面张力(IFT,表面活性剂/无机盐/十二烷体系)、润湿、泡沫和热稳定性的影响,结果显示:(1)疏水链长度增加,临界胶束浓度(cmc)减小,IFT先减小后增加,起泡能力降低,cmc时的表面张力(γcmc)和润湿时间增加,热稳定性无显著变化;(2)疏水链支化度增加,cmc和γcmc增加,IFT、泡沫稳定性和热稳定性降低,润湿时间缩短;(3)EO数增加,cmc和泡沫性能无显著变化,γcmc、IFT、润湿时间和热稳定性增加;(4)cmc和γcmc按照C12-14E3SO>C12-14E3S>C12-14E3C的顺序减小;随着NaCl浓度的增加,C12-14E3SO、C12-14E3S和C12-14E3C之间IFT差异减小;无机盐为CaCl2时,IFT按以下顺序增加C12-14E3C<C12-14E3S<C12-14E3SO;C12-14E3C的起泡能力明显高于C12-14E3SO和C12-14E3S;C12-14E3C和C12-14E3S的润湿时间短于C12-14E3SO;热稳定性按以下顺序减小C12-14E3C>C12-14E3SO>C12-14E3S;(5)C12-14E4SO-Ca和C12-14E4SO-Mg的cmc和γcmc小于C12-14E4SO和C12-14E4SO-K;加入无机盐后,C12-14E4SO-M之间IFT无显著差异;C12-14E4SO-Mg和C12-14E4SO-Ca起泡能力和热稳定性高于C12-14E4SO和C12-14E4SO-K;C12-14E4SO-Mg和C12-14E4SO-Ca的润湿时间短于C12-14E4SO和C12-14E4SO-K。扩散系数(D)随着烷基醇聚氧乙烯醚磺酸盐浓度的增加而减小。NaCl和CaCl2的加入均可降低IFT。制备了壬基酚聚氧乙烯醚磺酸钠(NPEnSO)、壬基酚聚氧丙烯聚氧乙烯醚磺酸钠(NPPmE3SO)和腰果酚聚氧乙烯醚磺酸钠(NSF-nSO),并用高效液相色谱、核磁、电喷雾质谱对产物进行了表征。研究了EO基团、PO基团对表面张力、IFT(表面活性剂/无机盐/十二烷体系)、润湿、泡沫和热稳定性的影响,结果显示:EO数增加,cmc和泡沫性能无显著变化,γcmc、IFT、润湿时间和热稳定性增加;在NPE3SO分子中插入2、3个PO基团,cmc、γcmc、IFT、起泡能力、润湿时间和热稳定性增加。D随着表面活性剂浓度增加而减小。NaCl和CaCl2的加入均可降低IFT。NSF-nSO起泡能力低于NPEnSO的起泡能力,润湿时间长于NPEnSO。研究了不同疏水基的聚氧乙烯醚磺酸盐与阳离子表面活性剂十二烷基三甲基氯化铵(DTAC)复配体系的稳定性以及该体系与十二烷之间的IFT。通过透光率测定了不同磺酸盐与DTAC的配伍稳定性,结果显示:增加EO数有助于提高复配体系的稳定性。从不同疏水基聚氧乙烯醚磺酸盐结构、阴/阳离子表面活性剂摩尔比、温度和表面活性剂浓度方面,研究了复配体系与十二烷之间的IFT,结果显示:IFT在摩尔比为6/4至4/6之间达到最低;等摩尔比的C16E6SO/DTAC、C18E6SO/DTAC和C12-14E3S/DTAC体系IFT随温度升高而降低,其它体系IFT对温度变化不敏感;IFT随表面活性剂浓度的增加先降低再保持不变或升高;EO数增加、在NPE3SO插入2、3个PO基团、疏水链支化度降低均使得IFT升高;C12-14E3S/DTAC体系IFT比C12-14E3SO/DTAC和C12-14E3C/DTAC低;C12-14E4SO-M/DTAC体系IFT无显著差异;增长阳离子表面活性剂疏水链或单疏水链变为双疏水链,IFT降低。当C12/14E4SO/DTAC=5/5时,复配体系经过石英砂动态吸附后,IFT无显著变化。研究了不同疏水基的聚氧乙烯醚磺酸盐与中原油田原油间IFT。不同磺酸盐在高矿化度地层水中具有良好的溶解性,增加EO数和分子中插入2、3个PO基团有助于提高其抗硬水能力。IFT结果显示:减少EO数、增加支化度,IFT降低;碳链长度增加,IFT先降低后升高;NPP2E3SO的IFT低于NPE3SO和NPP3E3SO;不同离子头基的IFT大小顺序依次为C12-14E3C>C12-14E3SO>C12-14E3S;C12-14E4SO-M之间IFT无显著差异;NPE3SO,NPPmE3SO和C16E6SO的IFT在10-2mN/m数量级,其余表面活性剂IFT均大于0.1mN/m;IFT对表面活性剂浓度稀释不敏感,可能与cmc较低有关。C12-14E4SO与阳离子表面活性剂(DTAC和DDAC)配伍表现出良好的协同效应,C12-14E4SO/DDAC体系IFT可达10-3mN/m数量级。
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