一种新型嵌段类两性表面活性剂的分子结构设计与合成
2019-11-22付美龙侯宝峰吴海俊
张 瑶，付美龙，侯宝峰，吴海俊
长江大学石油工程学院，湖北 武汉
1.原油组成结构表征分析
利用Angenit 6890N GC/5975 MSD型色谱/质谱联用仪对J油田Z井区原油组分进行了分析，分析可知饱和烃、芳烃、非烃和沥青质在原油中的质量占比分别为38.99%、21.58%、18.61%和7.93%。
1.1.饱和烃色质分析
该区块原油饱和烃总离子流图如图1所示，与标准图谱库对照发现，饱和烃油样中含有直链、支链和环状结构。定量分析结果表明，每克油样中含饱和烃中链烷烃183.68 mg，其中直链烷烃为101.03 mg，支链烷烃为38.53 mg，环烷烃为43.09 mg，油样中2环、3环、4环和5环烷烃分别为0.56 mg、1.28 mg，22.98 mg、18.27 mg。
1.2.芳烃色质分析
该区块原油中芳香烃混合物总离子流图如图2所示，与标准谱图库对照发现，芳香烃混合物油样中含有2、3、4、5环状结构。定量分析结果表明，每克油样中芳烃中烷基苯(1环)的质量较高，为10.34 mg，其中直链烷基苯为3.88 mg，烷基甲基苯为6.46 mg。芳烃中萘系列(2环)的质量为1.79 mg，菲系列的质量(3环)为0.28 mg，屈系列、三芳甾烷和甲基三芳甾烷(4环)质量为2.72 mg。
Figure 1.Saturated hydrocarbon图1.饱和烃总离子流图
Figure 2.The total ion flow chart of aromatic hydrocarbon mixture图2.芳香烃混合物的总离子流图
2.试验部分
2.1.试验试剂和仪器
试剂：无水乙醇，亚硫酸氢钠，氢氧化钾，氢氧化钠，氯化钠，苯乙烯，苯酚，环氧乙烷，环氧丙烷，均为分析纯；发烟硫酸，化学纯。
仪器：4~0.6型高温高压反应釜，上海申立玻璃仪器有限公司；SHZ-D (III)型循环水式真空泵，西安博创仪器设备有限公司；RE-5003E型旋转蒸发仪，巩义市宇翔仪器有限公司。
2.2.试验方法
称取摩尔比为5:1的苯乙烯和苯酚，向苯酚中加入一定量的对苯二酚和硫酸，利用恒压滴液漏斗，在120℃条件下向溶液中逐滴滴加苯乙烯(以减少自聚副反应的发生)，合成中间体。将中间体和环氧丙烷按摩尔比1:25加至反应釜中，注入摩尔分数为8.0%的NaOH。150℃真空条件下反应5 h，磁力搅拌(转速500 r/min)，减压蒸馏去除过量的环氧丙烷[1][2][3]，得到环氧丙烷醚化产物。在真空条件下加入摩尔比1:60的环氧丙烷醚化产物和环氧乙烷，随后将摩尔分数15%的NaOH加至反应釜中。120℃条件下反应5 h，磁力搅拌(转速500 r/min)[4][5][6]。减压蒸馏去除过量环氧乙烷，得到环氧乙烷醚化产物。
在冰盐浴的条件下，用恒压滴液漏斗逐滴滴加发烟硫酸1.5 h。滴加完毕后，在室温条件下，使摩尔比为1:1.1的环氧乙烷醚化产物与发烟硫酸反应48 h [7]。边搅拌边向烧瓶中滴加一定量的水进行分酸，得到的油层即为产物粗品。在冰水浴条件下用NaOH缓慢中和产物粗品至溶液pH值等于8，蒸发过滤得到阴-非两性表面活性剂(PPS)(图3)。
Figure 3.The structure of PPS ion图3.PPS分子结构图
2.3.界面张力的测定
利用旋转滴定法(SY/T5370-1999)测定界面张力。实验用水为J油田Z井区模拟地层水，离子组成见表1。
Table 1.The ionic composition of simulated formation water表1.模拟地层水离子组成
2.4.物理模拟驱油实验
选择5块天然岩心制作成长岩心模型(岩心的物性参数见表2)，充分饱和水、油后，置于油藏温度下静置老化24 h，持续注入Z井区的模拟地层水，水驱至含水率达到98%，转注表面活性剂段塞，继续水驱至含水率达到100%。记录岩心的压差、采收率和含水率。
Table 2.The physical parameters of selected natural cores in oil displacement test表2.驱油实验所选天然岩心的物性参数
3.结果与讨论
3.1.表面活性剂的结构表征
PPS红外光谱图测定结果见图4，690~936 cm-1之间的多个面外弯曲振动吸收峰归属于苯环的多取代官能团；1475 cm-1处的吸收峰是苯环的C-C骨架振动吸收峰；1245 cm-1处的吸收峰是硫酸酯基的伸缩振动峰，1103 cm-1处的伸缩振动吸收峰归属于嵌段聚醚部分的官能团。由上述分析可判断合成的产物为目标产物PPS。
3.2.界面张力的测定
测试发现PPS溶液与Z井区原油间界面张力可达5.65 × 10-2mN/m。为了进一步改善其界面活性，将PPS和与其结构相似的脂肪醇聚氧乙烯醚硫酸盐(AES)进行复配。取质量分数为0.1%的复配体系测其油水界面张力，结果见图5，当PPS与AES质量配比为1:1时的复配体系(以下简称PSS/AES (1:1))的界面张力最低(约1.39 × 10-2mN/m)。
Figure 4.The diagram of PPS infrared spectrum图4.PPS红外光谱图
Figure 5.The oil-water interfacial tension of the compound system图5.复配体系的油水界面张力
3.3.物理模拟驱油试验
PSS/AES (1:1)复配体系的注入量与驱油效率关系如图6所示，水驱驱油效率为31.11%，转注表面活性剂后最终驱油效率可达42.21%，驱油效率提高了11.1%。且转注表面活性剂后采出液含水率明显降低。说明PSS/AES (1:1)复配体系可以达到降水增油的效果。
4.现场试验
J油田Z井区由于水窜原因，该区块大多数油、水井处于关井状态，因此需要调整层内矛盾、提高水驱效率、恢复产能。针对该区块地质特征和存在问题，将质量分数为0.1的PPS/AES (1:1)复配体系作为驱油剂提高洗油效率，并辅以延缓沉淀凝胶类调剖剂调整波及体积，构成复合驱体系。
Figure 6.The result of physical simulation oil displacement test图6.物理模拟驱油试验结果
Z井区试验井组为6注5采1中心井组。2017年10月15日在Z16斜-6-6井转注复合体系，转注5个月后，低部位3口生产井均见效。目前，井组5口采油井日产油量8.42 t、总增油量953.2 t。
5.结论
1)基于原油分析结果，以苯酚和苯乙烯为原料，合成阴-非两性表面活性剂PPS，并利用红外光谱证实了所合成的表面活性剂即目标产物，总收率为57.82%。
2)PPS与AES复配体系可有效降低采出液含水率，在水驱基础上，可使驱油效率提高11.1%。
3)在J油田Z井区开展注入复合体系进行驱现场试验，初步见到增油效果。
