表面活性劑多元復(fù)配低張力泡沫驅(qū)油體系的分子設(shè)計(jì)及應(yīng)用性能研究.pdf

1、現(xiàn)有的三次采油技術(shù)包括熱力驅(qū)、混相驅(qū)、化學(xué)驅(qū)、微生物驅(qū)等，泡沫驅(qū)油是化學(xué)驅(qū)油技術(shù)的一種。由于泡沫流體既具有油水選擇性、封堵性能，又具有一定的洗油能力，因此泡沫驅(qū)油被認(rèn)為是很有發(fā)展前途的強(qiáng)化采油技術(shù)。低張力泡沫體系是指既具有優(yōu)異的泡沫穩(wěn)定性，又可將原油和水的界面張力降低至超低的泡沫驅(qū)油體系，因低張力泡沫體系同時(shí)具有良好的封堵性能和洗油能力，有望一次性大幅度提高采收率，因此是最具技術(shù)潛力的三次采油驅(qū)油體系之一。目前泡沫驅(qū)油采用氮?dú)庾鳛榘l(fā)泡氣

2、體，但制氮設(shè)備昂貴，注入成本較高，會(huì)限制泡沫驅(qū)油技術(shù)的發(fā)展。采用煙道氣捕集二氧化碳后剩余的復(fù)雜氣體（脫碳煙道氣，以氮?dú)鉃橹鳎┳鳛轵?qū)油泡沫的發(fā)泡氣體，用于泡沫驅(qū)油提高原油采收率，不僅具有重要的經(jīng)濟(jì)意義，更具有重要的環(huán)境和社會(huì)意義。
　　穩(wěn)定泡沫和降低油水界面張力分別涉及表面活性劑在氣液界面和油水界面的行為和性能，對這兩個(gè)方面性能的優(yōu)化很難通過單一組分的表面活性劑體系實(shí)現(xiàn)。而低張力泡沫驅(qū)油體系對該兩方面的性能都有很高的要求，對如何實(shí)現(xiàn)

3、兩方面性能的統(tǒng)一尚未有清晰的理論指導(dǎo)，因此低張力泡沫驅(qū)油體系的設(shè)計(jì)是一個(gè)難題。采用脫碳煙道氣作為發(fā)泡氣體，與采用氮?dú)庀啾?，將對泡沫體系的性能帶來影響，從而給低張力泡沫驅(qū)油體系的設(shè)計(jì)帶來更大的挑戰(zhàn)。本論文通過表面活性劑復(fù)配實(shí)現(xiàn)對脫碳煙道氣泡沫驅(qū)油體系各方面性能的優(yōu)化。首先采用分子動(dòng)力學(xué)模擬和實(shí)驗(yàn)手段相結(jié)合，從分子水平考察不同類型的表面活性劑組成的復(fù)配體系在油水界面及氣液界面內(nèi)的分子間相互作用機(jī)制及界面組裝規(guī)律，為低張力泡沫驅(qū)油體系的設(shè)計(jì)提

4、供理論依據(jù)，然后結(jié)合泡沫性能和油水界面活性的實(shí)驗(yàn)測定結(jié)果，探索出可實(shí)現(xiàn)兩方面性能統(tǒng)一的技術(shù)路線;并通過考察脫碳煙道氣組分對泡沫性能的影響規(guī)律與機(jī)制，確定了優(yōu)化體系性能的技術(shù)方案，最終設(shè)計(jì)出低張力泡沫體系，并在室內(nèi)模型驅(qū)油試驗(yàn)中取得良好的提高原油采收率的效果。
　　本文主要分為四個(gè)部分:
　　第一部分研究復(fù)配表面活性劑在氣液界面和油水界面上的分子行為和加合增效機(jī)制。采用分子動(dòng)力學(xué)模擬方法描述復(fù)配表面活性劑體系的界面分子行為，與

5、泡沫性能和油水界面活性的實(shí)驗(yàn)測定結(jié)果相結(jié)合，發(fā)現(xiàn)復(fù)配表面活性劑體系提高界面活性和泡沫性能的關(guān)鍵增效機(jī)制均與界面層內(nèi)分子排布密度相關(guān)，由此揭示出通過提高表面活性劑復(fù)配體系的界面密度從而保障泡沫性能和油水界面活性統(tǒng)一的低張力泡沫體系的設(shè)計(jì)路線。
　　第二部分探究脫碳煙道氣中不同氣體成分對水基泡沫穩(wěn)定性的影響規(guī)律及機(jī)理。采用泡沫衰減法以泡沫半衰期表征泡沫穩(wěn)定性，以表面活性劑十二烷基硫酸鈉(SDS)為穩(wěn)泡劑，考察不同氣體成分(N2、CO2

6、、O2)作為發(fā)泡氣體時(shí)泡沫的穩(wěn)定性。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，與氮?dú)馀菽啾?，二氧化碳泡沫的穩(wěn)定性很差，氧氣泡沫穩(wěn)定性也低于氮?dú)馀菽?。采用高溫泡沫掃描儀、質(zhì)構(gòu)分析儀等實(shí)驗(yàn)手段探討了不同氣體成分對泡沫液膜性質(zhì)的影響，并采用分子模擬方法研究了不同氣體在泡沫液膜內(nèi)的溶解和擴(kuò)散行為以及對表面活性劑界面層內(nèi)分子行為的影響，實(shí)驗(yàn)結(jié)果與模擬結(jié)果相結(jié)合，確定了不同氣體成分影響泡沫穩(wěn)定性的機(jī)制。研究結(jié)果表明，二氧化碳?xì)怏w與表面活性劑尾鏈及頭基之間存在相互作用，使表面

7、活性劑分子的疏水性增強(qiáng)，表面活性劑尾鏈剛性增加，使得氣體透過液膜擴(kuò)散速度增加、泡沫聚并現(xiàn)象明顯，最終導(dǎo)致二氧化碳泡沫穩(wěn)定性差;而影響氧氣泡沫穩(wěn)定性的原因是由于氧氣分子較其他兩種分子的透過氣體液膜的擴(kuò)散速度快，促進(jìn)了泡沫聚并。
　　第三部分在前一部分機(jī)制探究的基礎(chǔ)上，以提高表面活性劑界面密度為指導(dǎo)思想，探索了以陰陽離子表面活性劑復(fù)配體系為基礎(chǔ)，并通過多元表面活性劑復(fù)配實(shí)現(xiàn)脫碳煙道氣低張力泡沫體系性能優(yōu)化的技術(shù)路線。利用高溫泡沫掃描儀

8、測定以脫碳煙道氣作為發(fā)泡氣體時(shí)體系的泡沫性質(zhì)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，陰/陽/兩性/（非）多元表面活性劑復(fù)配體系既有很好的穩(wěn)定泡沫的效果，又能在極短時(shí)間內(nèi)將油（原油）/水界面張力降至超低(＜10-4mN/m)。對該體系的分子模擬研究表明，該表面活性劑復(fù)配體系界面生成能很低，在氣/液界面和油/水界面上的分子排布十分致密，不僅保障了泡沫穩(wěn)定性和油水界面活性的優(yōu)化，而且可有效阻止二氧化碳和氧氣分子透過泡沫液膜的擴(kuò)散。采用傅里葉紅外光譜探測二氧化碳?xì)怏w分

9、子透過泡沫液膜的擴(kuò)散，表明二氧化碳分子透過該體系形成的泡沫液膜的速率顯著降低。
　　第四部分考察多元復(fù)配表面活性劑低張力泡沫體系的性能。在以不同氣體配比的脫碳煙道氣作為發(fā)泡氣體的情況下，對設(shè)計(jì)體系下形成的泡沫的靜態(tài)穩(wěn)定性、動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性，以及抗鹽性、抗油性、及吸附損失等系列性質(zhì)進(jìn)行了探究，并采用一維線性物模評價(jià)了體系的驅(qū)油性能。結(jié)果表明，該多元復(fù)配體系各方面的性能均十分優(yōu)異，取得了良好的提高采收率效果，具有重要的應(yīng)用前景。
　　

10、本文采用實(shí)驗(yàn)手段與分子模擬方法相結(jié)合的研究手段，研究了多元復(fù)配表面活性劑體系在氣液界面和油水界面上的分子行為規(guī)律和加合增效機(jī)制，確定出設(shè)計(jì)低張力泡沫體系的技術(shù)路線，并對不同的氣體成分對表面活性劑于界面上的分子行為的影響進(jìn)行研究，通過對表面活性劑復(fù)配體系的不斷優(yōu)化，設(shè)計(jì)出能夠達(dá)到油水超低界面張力并形成超穩(wěn)泡沫的體系，并且該體系在固液界面的吸附損失較單一表面活性劑體系顯著降低，提高原油采收率效果良好。論文取得的認(rèn)識豐富完善了復(fù)配表面活性劑相