采油化学表面活性剂

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1、第三章 表面活性剂一、表面现象 1、界面、表面和相v界面是指物质的相 与相之间的交界面 。 通常将有气相组成的气 固、气液等界面称 为表面。 相（phase）是指体系 中物理和化学性质均匀 的部分。2、 表面张力（surface tension）表面张力的产生，从简单分子引力观点来看 ，是由于液体内部分子与液体表面层分子(厚度约 107cm)的处境不同。液体内部分子所受到的周围 相邻分子的作用力是对称的，互相抵消，而液体表 面层分子所受到的周围相邻分子的作用力是不对称 的，其受到垂直于表面向内的吸引力更大，这个力 即为表面张力。 二、表面活性剂及其结构特点 1、表面活性剂：使用浓度在0.01-

2、0.1%，就能使表面性质如表面张 力发生明显变化的物质。2、表面活性剂的结构特点：表面活性剂有一个共同的基本结构， 是由具有易溶于油的亲油基和易溶于水的 亲水基组成的。同时亲水基和亲油基的对 立作用必须比较相称，有一种相当平衡的 关系。 BACK二、表面活性剂的分类 以亲水基团是否是离子型及其类别 为主要依据，分为：（一）阴离子型活性剂它可以在水中电离，起活性作用的 是阴离子。阴离子活性剂还可以细分成： 1、盐类型。由有机酸根负离子与金属 离子组成。羧酸盐型磺酸盐型十六烷基磺酸钠十二烷基苯磺酸钠2、酯盐类型：分子中既有酯的结构， 又有盐的结构十六烷基硫酸酯钠十六烷基磷酸酯钠（二） 阳离子活性剂

3、在水中电离以后，起活性作用的是阳离 子。 1、胺盐型：高级伯胺、仲胺、叔胺与酸中和形成的胺盐 ，总称为胺盐型阳离子表面活性剂。这类表 面活性剂的疏水基的碳原子数在1218之间 ，中和脂肪胺所用的酸有盐酸、甲酸、乙酸 、氢溴酸、硫酸等。高级伯胺(或仲胺)的加氢法将高级伯胺在甲醛存在 下加氢制取叔胺，反应如下：叔胺以酸中和即得叔胺盐。高级叔胺盐阳离子表面 活性剂易溶于水，具有良好的乳化、柔软、杀菌性能。2、季铵盐型：十二烷基三甲基氯化铵3、吡啶盐型：十二烷基氯化吡啶盐（三）非离子型活性剂 在水中不电离，极性基部分大多由聚 氧乙烯基构成，所含的聚氧乙烯基的数目 决定它的亲水性能。氧乙烯氧丙烯1、酯型

4、 （1） 失水山梨糖醇脂肪酸酯（司盘型） 返回（2） 聚氧乙烯脂肪酸酯2、醚型 （1） 聚氧乙烯烷基醇醚（平平加型）聚氧乙烯辛基醇醚-10（2）聚氧乙烯烷基苯酚醚：OP型聚氧乙烯辛基苯酚醚-10（3） 胺型：二聚氧乙烯基脂肪胺 （4） 酰胺型：二聚氧乙烯脂肪酰胺 （5）吐温型 吐温型非离子活性剂属于混合型的，聚 氧乙烯失水山梨糖醇醚脂肪酸酯： 超级链接非离子活性剂性质稳定， 不受PH值和盐的影响，应 用范围广，是具有发展前 途的活性剂。（四）两性活性剂1、非离子-阴离子型聚氧乙烯烷基醇醚硫酸酯钠2、非离子-阳离子型二聚氧乙烯基烷基甲基氯化铵：3、阴离子-阳离子型 烷基二甲基铵丙酸内盐：（五）高

5、分子活性剂分子量通常在几千甚至高达数十万。 如聚氧乙烯聚氧丙烯丙二醇醚：（是目前 广泛使用的原油破乳剂）三、表面活性剂的HLB值1、HLB值的含义 表面活性剂是由亲水基团和亲油基团组 成，每一种活性剂亲水基团的亲水能力和亲 油基团的亲油能力具有一定的平衡关系。这 种平衡关系称为亲憎平衡值，HLB值。C16H33OH 不具乳化性能。C16H33OSO3Na 表现出良好的乳化性能。链接HLB值是一个相对值，规定亲水性 弱的油酸HLB值为1，而亲水性强的油 酸钠HLB值为18，以这两个为标准可以 相对地定出每个活性剂的HLB值。 HLB=7 亲水性和憎水性相近 HLB7 亲水性大于憎水性 HLB7

6、亲油性大于亲水性 2、活性剂的HLB值与其作用的关系HLB值 用途 13 36 818 1215 1315 1518 消泡剂 油包水型乳化剂 水包油型乳化剂 润湿剂 洗涤剂 增溶剂五、表面活性剂在泥浆的功用 1、乳化作用：一种液体以细小液滴分散在另一种互不 相溶的液体中形成的分散体系，称为乳状液 。分散相和分散介质均是液体。分类： 水包油型乳状液； 油包水型乳状液。 （1）乳状液暂时稳定的原因：a. 乳化剂吸附在油水界面上，大大 降低表面张力和表面能，有利于乳状液 的稳定。 b. 液滴表面形成保护膜。 c. 液滴表面带电。 （2）对乳化剂分子结构的要求 a. 非极性烃链具有足够的长度 C10-

7、C20，同时非极性的R部分要 求是正构的。C10-C20使非极性基之间的吸引力大 ，可以提高吸附层的强度。同时非极 性的R部分要求是正构的。使分子 间排列得紧密，吸附层的强度高，液 滴表面的保护膜牢固。b. 对于水包油型的乳状液，要求活性剂的 HLB为8-18，对于油包水型乳状液，要求活 性剂的HLB为3.5-6。l常用的水包油型乳化剂有：烷基磺酸钠（AS）；烷基苯磺酸钠 (ABS); 聚氧乙烯烷基醇醚（平平加型）等。l常用的油包水型乳化剂有： 羧酸的金属盐(如硬脂酸钙、硬脂酸 铝)等。c. 从乳化剂的抗温性出发，深井和超深井要 求乳化剂能抗高温。目前选用的抗高温的乳 化剂，以具有酰胺型结构的

8、非离子型乳化剂 抗温性较好。原油中含有环烷酸，它本身是油包 水型的乳化剂。但与泥浆中的NaOH反 应生成环烷酸钠，变为水包油的乳化剂 。2.发泡和消泡作用气泡和泡沫与泥浆的关系密切。有利的一面：钻低压井时可以用泡 沫泥浆以降低泥浆的比重，保护产层。不利的方面：如泥浆遇到气侵时比 重会迅速下降，泥浆柱压力下降到一定 程度时会引起井喷事故，此时必须及时 消泡。 （1）泡沫暂时稳定的原因 加入活性剂后，活性剂分子吸附在 气-液界面上，形成具有一定强度的保 护膜，可以降低表面张力和表面能；气泡表面可以形成水化膜。如果是离子型活性剂作为泡沫剂， 使气泡表面带电。 （2）作为发泡剂分子结构的要求 R要有足

9、够的长度，而且烃链是 正构的，活性剂分子的亲水基有较强的 极性。从液膜的保护膜要牢固出发，要求活性剂分子 的双吸附层强度要大，因此R要有足够的长度， 而且烃链是正构的，以增大活性剂分子间的吸引力 ，使吸附层强度增大。当然烃链不能太长， 否则影响水中的溶解。 从液膜的排液速度小出发，要求活性剂分子的 亲水基有较强的极性，即水化要好，以增加束缚水 ，提高粘度。 常见亲水基团的极性强弱顺序：后二者极性小，不做发泡剂，反作 消泡剂。 一般淡水中的发泡剂为： （3）消泡剂的分子结构特点烃链短，带支链，亲水基的极性弱 ，并要求活性剂（消泡剂）的活性高。对消泡剂的分子结构要求：烃链短，带支链使 吸附层吸附强

10、度弱；亲水基的极性弱，使水化差、 水化膜薄，并要求活性剂（消泡剂）的活性高，加 入泡沫中，能顶替发泡剂分子。 泥浆中常用的消泡剂： 泥浆遇到气侵时，必须迅速消泡， 除加入消泡剂外，还可以配合机械方法 如泡沫浮在液面上，可以用挡板除去。 同时泥浆性能要降粘、降切，使气泡升 到液面上，有利于消泡。 3.润滑作用提高泥浆的润滑性，减少钻具的摩擦，延长钻 具的使用寿命。提高泥浆的润滑性，可防止粘卡。 （1）润滑作用机理：表面活性剂分子可以吸附在金属表面和 粘土表面上，亲水基紧紧吸附在表面上，亲 油基朝外定向排列着。这样在金属表面和粘 土表面形成坚固的化学膜，以降低接触面之 间的摩擦，使摩擦发生在相互滑

11、动的亲油基 之间。 活性剂的润滑作用（2）对润滑剂结构的要求一是有足够长度的烃链C12-C18，不带支 链以形成良好的油膜。另一要求是极性基牢固地吸附在粘土和 金属表面。目前泥浆中常用的润滑剂有： a. OP30： b. 聚氧乙烯硬脂酸酯： c. 磺酸盐 4活性剂的防腐蚀作用在钻井过程中，钻井设备存在着腐蚀问题。特 别在钻含H2S和CO2地层时，腐蚀更为严重，引起 钻杆脆裂，失去强度。 泥浆中加入YNC1后，不锈钢的腐 蚀速率大大下降。YNC1分子中，醇羟基上未共用电子对 与不锈钢中正价金属离子形成配位键，YNC 1分子就以化学吸附的方式牢固地吸附在金属表 面，形成致密的保护膜。阻止酸的进一步

12、与金 属作用。 5.表面活性剂的润湿反转作用-润湿剂 润湿反转是指活性剂使固体表面的 润湿性向相反方面转化的作用。能使固体表面的润湿性发生反转的 活性剂叫润湿剂或润湿反转剂。（1）润湿反转的原理具有亲油、亲水的两亲结构的表面活 性剂分子，自动浓集到固体表面，形成定向 排列的吸附层（吸附层中活性剂分子的亲水 基吸附在极性固体表面上，其亲油基朝外， 或者活性剂分子的亲油基吸附在非极性固体 表面上，其亲水基朝外），从而改变了固体 表面的亲水（或亲油）性。（2）对润湿剂的要求 a. 亲油基的烃链带有支链；亲水基在 烃链的中部。 在固体表面的吸附性强，胶束形成弱，即临 界胶束浓度高，因为胶束的形成不利于

13、吸附。支链 和亲水基在中部都能减弱亲油基之间的吸引力，从 而提高临界胶束浓度。 b. 亲油基不过大，使亲油基的作用略 低于亲水基的作用，而有适当的溶解度 。c. 离子型活性剂的带电要与固体表面 相反的电荷。砂岩、玻璃、粘土等表面带负电，应用阳离子 活性剂作润湿剂较好。硫酸盐固体表面带正电，- -。 （3）润湿剂的应用 制备有机粘土、提高注入水的洗油 能力等。 （4）常用的几种润湿剂：琥珀酸二异辛酯磺酸钠： 油酸丁酯硫酸酯钠：聚氧乙烯异辛基苯酚醚-10：氯化十二烷基三甲基铵：第四章 采油化学采油化学是研究如何用化学方法解决 采油过程中遇到的问题。采油中出现的问 题有: l油层的问题，集中表现在采

14、收率不高 。 l油井的问题，砂、蜡、水、稠、低。 l水井的问题，主要有出砂、水注不进去 和注水剖面不均匀造成注水效率低。第一节 储层岩石的物理性质 储层岩石主要是砂岩和石灰岩，本节将介绍 砂岩的物理性质，如砂岩的比表面积、胶结 类型、孔隙度、渗透率及岩石中的油水饱合 度。储层的孔隙度、渗透率及岩石中的油水饱合度 是认识油层储油状况、进行油田开发最基本的 岩石物性参数。一、砂岩的粒度组成及比表面积 1、粒度组成 砂岩是由性质不同、形状各异、大小不 等的砂子颗粒经地层内胶结物胶结而成，颗 粒与颗粒之间未被胶结物填充的地方便形成 了孔隙。2、砂岩的胶结类型 l基底胶结：胶结物含量较多，砂岩颗 粒孤立

15、地分布在胶结物中，彼此不接触 或极少接触。胶结物与砂粒同时沉积， 其胶结强度高。 l孔隙胶结：胶结物含量不多，充填于 颗粒之间和部分孔隙中，颗粒呈支架状 接触，胶结强度中等。 l接触胶结：胶结物含量很少，分布于颗粒 之间相互接触处，胶结强度很弱。 3、砂岩的比表面积指单位体积岩石内颗粒的总表面积，或单位 体积内孔隙的内表面，单位是cm2/cm3。 二、岩石的孔隙度及孔隙类型岩石中存在的未被固体物质填充的空间 称为岩石的孔隙。岩石的孔隙根据孔隙大小 及在渗流中的作用分为：1、超毛细管孔隙孔隙直径大于500m，裂缝宽度大 于250m，流体可以在其中流动。 2、毛细管孔隙孔隙直径介于500-0.2m

16、，裂缝宽介于 250-0.1m之间，只有当外力大于毛细 管效应时，其中流体才可流动。 3、微毛细管孔隙孔隙直径小于0.2m，裂缝宽度小于 0.1m，在通常的温度和压力下，流体 在其中不能流动。 4、孔隙度 l 指岩石的孔隙体积Vp与岩石的表观体 积Vf的比值=l 若用岩石的有效孔体积Ve代替Vp， 则得岩石的有效孔隙度： e l或 e是计算储量和评价油藏特性的重 要指标，两者在大多数油藏岩石中基本相同 ,但油藏工程师感兴趣的是e。 l 砂岩的 e在10-25%之间。 三、油层岩石的渗透性1、定义v 油田砂岩中多数孔隙是相通的，因此 在一定条件下、一定压差下，它具有让 流体通过的性质，即具有渗透性。v渗透性的大小用渗透率K来表示，其 大小反映了流体在岩石阻力的大小。 2、达西定律设有一个截面为A，长度为L的圆柱形待 测岩心，将其夹紧于岩心夹持器中，用粘度 为的流体充满岩心，并在P1的压力下流过 岩心，通过岩心后的