陰離子雙子表面活性劑 （GA-16）溶液黏度及影響因素研究

唐善法 （長(zhǎng)江大學(xué)石油工程學(xué)院，湖北 武漢430100）

崔云海 （中石化江漢石油工程有限公司，湖北 潛江433124）

熊蕭，雷小洋 （長(zhǎng)江大學(xué)石油工程學(xué)院，湖北 武漢430100）

雙子表面活性劑含有2個(gè)親水基團(tuán)和2個(gè)疏水基團(tuán)，與普通單鏈表面活性劑相比，具有更低的臨界膠束濃度和地層巖石吸附損失；在低質(zhì)量分?jǐn)?shù)時(shí)即可形成曲率較小的膠束結(jié)構(gòu)，其溶液增黏效果明顯。相關(guān)研究［1，2］表明，陽(yáng)離子雙子表面活性劑溶液黏度是相同碳數(shù)單鏈陽(yáng)離子表面活性劑的10倍以上；但其特殊的荷正電特性，使其在油層巖石表面易于吸附并導(dǎo)致油氣滲流通道發(fā)生潤(rùn)濕反轉(zhuǎn)，造成儲(chǔ)層約14%的滲透率傷害［3］。因此從雙子表面活性劑減少在地層吸附損失，降低儲(chǔ)層滲透率傷害，增大對(duì)高礦化度的適應(yīng)性等方面考慮，陰離子雙子表面活性劑更具優(yōu)勢(shì)。筆者合成了一種新的氨基磺酸鹽陰離子雙子表面活性劑 （GA-16），考察溶液的黏度及影響因素，為陰離子雙子表面活性劑增稠新型清潔壓裂液體系提供試驗(yàn)依據(jù)。

1 試驗(yàn)部分

1.1 試劑及原料

雙十六烷基氨基雙磺酸鹽GA-16（陰離子雙子表面活性劑，自制）；疏水締合聚合物GRF-1H（四川光亞聚合物化工有限公司）；正十二醇 （分析純，武漢豪杰化工公司）；納米二氧化鈦 （10～50nm）（泰州河海集團(tuán)）。

1.2 試驗(yàn)儀器

MCR301界面流變儀 （德國(guó)Anton Paar公司）；1%g精度電子天平 （北京歐亞中興科技有限公司）。

2 試驗(yàn)方法

2.1 溶液配制

用蒸餾水分別配制質(zhì)量濃度為1%的GRF-1H溶液、質(zhì)量濃度為5%的GA-16溶液；其他試驗(yàn)測(cè)試所需溶液由其稀釋配制。

2.2 黏度測(cè)試

在溫度30℃，剪切速率170s－1條件下，利用MCR301界面流變儀對(duì)不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的溶液進(jìn)行黏度測(cè)試。

3 結(jié)果及討論

3.1 GA-16的質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)其溶液黏度的影響

GA-16質(zhì)量分?jǐn)?shù)的變化對(duì)其溶液黏度的影響如圖1所示。隨著GA-16質(zhì)量分?jǐn)?shù)的升高，溶液黏度逐漸增大；當(dāng)GA-16質(zhì)量分?jǐn)?shù)小于3%時(shí)，溶液黏度增長(zhǎng)幅度較大；當(dāng)GA-16質(zhì)量分?jǐn)?shù)超過3%時(shí)，溶液黏度上升幅度變緩。這說明GA-16的質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)其溶液黏度的貢獻(xiàn)存在最佳用量，結(jié)合增黏效果及經(jīng)濟(jì)性，初步選擇GA-16的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3%作后續(xù)研究。

圖1 GA-16的質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)其溶液黏度的影響

3.2 正十二醇對(duì)GA-16溶液黏度的影響

正十二醇的質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)GA-16溶液黏度的影響如圖2所示。加入正十二醇對(duì)GA-16溶液黏度影響明顯；隨著正十二醇質(zhì)量分?jǐn)?shù)的上升，GA-16和正十二醇混合體系黏度快速大幅上升；但當(dāng)正十二醇的質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)3%后，黏度上升趨勢(shì)變緩。因此，為了有效提高GA-16溶液黏度，可添加正十二醇，其最佳質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3%～4%。

3.3 GRF-1H對(duì)GA-16溶液黏度的影響

通常在表面活性劑溶液中添加聚合物，使表面活性劑溶液或表面活性劑／聚合物復(fù)配體系黏度增大，改善溶液性能，顯著提高體系功效。但疏水締合聚合物因其特有疏水微區(qū)與陰離子雙子表面活性劑的強(qiáng)疏水作用，有可能使體系具有許多獨(dú)特的性質(zhì)，例如體系的黏度、界面吸附、增溶等不同于單一組分體系［4］。因此考察了GRF-1H的質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)GA-16溶液黏度的影響，試驗(yàn)結(jié)果如圖3所示。加入少量的GRF-1H對(duì)GA-16溶液有一定的增黏作用；但當(dāng)質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)0．15%后，黏度增幅減弱。從增黏效果和成本兩方面考慮，選擇使用質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0．15%～0．2%的GRF-1H與GA-16溶液復(fù)配較為適宜。

3.4 正十二醇、GRF-1H共同作用對(duì)GA-16溶液黏度的影響

將正十二醇、GRF-1H與質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3%的GA-16溶液混合后，其混合體系黏度顯著增大。由圖4可以看出，當(dāng)體系配方為3%GA-16＋3．5%正十二醇＋0．15%GRF-1H （配方中百分?jǐn)?shù)為質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同）時(shí)，黏度最高可達(dá)130mPa·s。

圖2 正十二醇的質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)GA-16溶液黏度的影響

3.5 GA-16復(fù)配體系溶液黏度耐溫性研究

在剪切速率170s－1下，分別考察了不同溫度對(duì)3%GA-16＋3．5%正十二醇＋0．15%GRF-1H 復(fù)配體系溶液黏度的影響，試驗(yàn)結(jié)果如圖5所示。隨著溫度的升高，GA-16復(fù)配體系黏度呈快速下降趨勢(shì)；當(dāng)溫度大于75℃時(shí)，其溶液黏度已低于25mPa·s。結(jié)果表明GA-16復(fù)配體系耐溫性能相對(duì)較差，還難以滿足作為中、高溫地層清潔壓裂液的施工需求。

3.6 納米粒子對(duì)GA-16復(fù)配體系溶液黏度耐溫性的影響

圖3 GRF-1H質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)GA-16溶液黏度的影響

為提高GA-16復(fù)配體系溶液黏度耐溫性能，基于納米二氧化鈦對(duì)黏彈性膠束溶液的熱穩(wěn)定性有促進(jìn)作用［5］。在 3%GA-16＋3．5% 正 十 二 醇 ＋0．15%GRF-1H復(fù)配體系中添加納米二氧化鈦，試驗(yàn)考察了納米二氧化鈦的質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)GA-16復(fù)配體系溶液黏度耐溫性的影響，試驗(yàn)結(jié)果如圖6所示。在低溫區(qū) （50℃以下）納米二氧化鈦的加入對(duì)GA-16復(fù)配體系溶液黏度影響不大。隨著溫度的升高，加入了納米二氧化鈦體系的耐溫性能逐漸凸顯；直至溫度超過90℃，納米二氧化鈦對(duì)體系耐溫性能提高作用逐漸減弱。造成這一現(xiàn)象的可能原因是納米二氧化鈦通過自身吸附作用，在膠束相互纏繞的空間節(jié)點(diǎn)起到連接作用，促進(jìn)膠束交聯(lián)，明顯地提高壓裂液黏度及空間網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。溫度過高后，吸附作用不足以束縛膠束的解離［5］，從而導(dǎo)致黏度明顯下降。進(jìn)一步分析納米二氧化鈦質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)GA-16復(fù)配體系溶液黏度耐溫性的影響，當(dāng)納米二氧化鈦質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0．125%時(shí)，耐溫性效果最好。因此滿足中等溫度油藏壓裂需要的陰離子雙子表面活性劑清潔壓裂液配方為3%GA-16＋3．5%十二醇＋0．15%GRF-1H＋0．125%納米二氧化鈦。

圖4 正十二醇、GRF-1H共同作用對(duì)溶液黏度的影響

4 結(jié)論

1）陰離子雙子表面活性劑GA-16的質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)其溶液黏度存在影響，隨著其質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增大，溶液黏度增大；當(dāng)GA-16質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3%時(shí)具有經(jīng)濟(jì)高效性。

2）正十二醇和疏水締合聚合物GRF-1H均能有效提高GA-16溶液溶液黏度，其最優(yōu)質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為0．15%和3．5%；但正十二醇增黏效果更好。

3）正十二醇與疏水締合聚合物GRF-1H共同作用可進(jìn)一步提高GA-16溶液增黏效果，其最優(yōu)復(fù)配體系為3%GA-16＋3．5%正十二醇＋0．15%GRF-1H；其可滿足低溫 （≤75℃）油藏清潔壓裂液有效攜帶支撐劑所需黏度 （25mPa·s）要求。

圖5 GA-16復(fù)配體系溶液黏度耐溫性曲線

圖6 納米二氧化鈦對(duì)GA-16復(fù)配體系溶液黏度耐溫性的影響

4）納米二氧化鈦可有效提高3%GA-16＋3．5%正十二醇＋0．15%GRF-1H體系的耐溫性能，質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0．125%納米二氧化鈦可使該復(fù)配體系黏度耐溫達(dá)90℃。

［1］唐善法，劉忠運(yùn)，胡小冬 ．雙子表面活性劑研究與應(yīng)用 ［M］．北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2011．

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［3］劉燕，郭亮，畢凱，等 ．陽(yáng)離子雙子表面活性劑的合成及其在水鎖損害中的應(yīng)用 ［J］．精細(xì)與專用化學(xué)品，2011，19（8）：8～10．

［4］陳洪，李二曉，葉仲斌，等 ．疏水締合聚丙烯酰胺與雙子表面活性劑的相互作用 ［J］．物理化學(xué)學(xué)報(bào)，2011，27（3）：671～676．

［5］Nettesheim F，Liberatore M W．Hodgdon T K，et al．Influence of nano-particle addition on the properties of wormlike micellar solutions［J］．Langmuir，2008，24 （15）：7718～7726．