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高效驅油化學劑設計與評價 版權信息
- ISBN：9787030671042
- 條形碼：9787030671042 ; 978-7-03-067104-2
- 裝幀：一般膠版紙
- 冊數：暫無
- 重量：暫無
- 所屬分類：>
高效驅油化學劑設計與評價 內容簡介
本書以研發適用于中石化III類油藏的驅油聚合物為目的，針對目前常規聚合物耐溫性差、抗鈣鎂能力差、高溫高鹽下粘度保留率低的缺點，和常用陰非兩性型表面活性劑配方單一、高溫高礦化度下易生成沉淀的問題，以及如何引入新的評價方法準確評價聚合物的驅油性能這一研究熱點，探討了驅油劑分子結構設計，介紹了新型表面活性劑和驅油用聚合物合成方法及思路，并對表面活性劑和聚合物新的評價方法進行了闡述。以期對高效驅油劑設計合成和評價提供一定的思路和方法，更好實現化學驅技術在高溫高鹽油藏的應用，進一步提高原油采收率。
高效驅油化學劑設計與評價 目錄
目錄
前言
**章 緒論 1
第二章 驅油用表面活性劑設計與合成 3
**節 陰非兩性型表面活性劑設計與合成 4
一、羧酸鹽型陰非兩性型表面活性劑的設計與合成 5
二、磺酸鹽型陰非兩性型表面活性劑的設計與合成 15
第二節 改性甜菜堿型表面活性劑設計與合成 22
一、羧酸鹽型甜菜堿兩性表面活性劑的設計與合成 22
二、磺基甜菜堿表面活性劑的設計與合成 29
參考文獻 53
第三章 驅油用表面活性劑性能評價 54
**節 基本物化性能 55
第二節 應用性能 59
一、超低界面張力濃度窗口評價 59
二、體系抗鈣、鎂能力評價 60
三、洗油能力評價 61
四、化學劑吸附損耗 62
第三節 提高采收率物理模擬實驗 65
參考文獻 67
第四章 耐溫抗鹽聚合物設計與合成 68
**節 “超高分締合”聚合物設計與合成 68
一、驅油用聚合物的分子結構設計 68
二、驅油用締合聚合物的合成路線 77
三、驅油用締合聚合物產品結構表征及性能評價 89
第二節 嵌段型聚合物設計與合成 95
一、嵌段型聚合物的分子結構設計 95
二、嵌段型聚合物的合成 95
三、嵌段型聚合物結構表征 99
四、溶液表觀黏度 102
第三節 多元共聚型聚合物設計與合成 103
一、多元共聚物的分子結構設計 103
二、多元共聚物的合成 104
三、功能單體的合成及表征 104
四、雙官能度引發劑的合成、表征與初步應用 107
五、丙烯酰胺與非離子型聚氧乙烯酯類(MPEGA)的二元和三元共聚物結構及性能評價 110
六、AMPS、NVP的二元及三元共聚物的合成、結構、性能研究 115
七、主要結論及認識 119
參考文獻 119
第五章 耐溫抗鹽聚合物性能評價 121
**節 基本物化性能評價技術 121
一、固含量 121
二、水解度 121
三、表觀黏度 122
四、溶解性 124
五、殘余單體含量 125
六、特性黏度及分子量 125
第二節 聚合物溶液流變性評價技術 133
一、體相剪切流變性能評價技術 133
二、界面流變性能評價技術 146
三、拉伸流變性能評價技術 148
第三節 物理模擬評價技術 150
一、多孔介質滲流規律及特征評價 150
二、驅油性能評價技術 151
三、微觀可視評價技術 154
第四節 熱失重分析技術 158
一、熱失重分析技術的介紹 158
二、熱失重分析技術的原理 160
三、熱失重分析技術的應用 161
第五節 冷凍蝕刻掃描電鏡評價技術 166
一、掃描電鏡的原理 166
二、冷凍蝕刻掃描電鏡介紹 167
三、冷凍蝕刻掃描電鏡在聚合物溶液微觀形貌分析中的應用 167
第六節 多孔介質多次濾過實驗 173
第七節 聚合物熱穩定性評價技術 175
一、引言 175
二、玻璃安瓿的密封 175
參考文獻 177
前言
**章 緒論 1
第二章 驅油用表面活性劑設計與合成 3
**節 陰非兩性型表面活性劑設計與合成 4
一、羧酸鹽型陰非兩性型表面活性劑的設計與合成 5
二、磺酸鹽型陰非兩性型表面活性劑的設計與合成 15
第二節 改性甜菜堿型表面活性劑設計與合成 22
一、羧酸鹽型甜菜堿兩性表面活性劑的設計與合成 22
二、磺基甜菜堿表面活性劑的設計與合成 29
參考文獻 53
第三章 驅油用表面活性劑性能評價 54
**節 基本物化性能 55
第二節 應用性能 59
一、超低界面張力濃度窗口評價 59
二、體系抗鈣、鎂能力評價 60
三、洗油能力評價 61
四、化學劑吸附損耗 62
第三節 提高采收率物理模擬實驗 65
參考文獻 67
第四章 耐溫抗鹽聚合物設計與合成 68
**節 “超高分締合”聚合物設計與合成 68
一、驅油用聚合物的分子結構設計 68
二、驅油用締合聚合物的合成路線 77
三、驅油用締合聚合物產品結構表征及性能評價 89
第二節 嵌段型聚合物設計與合成 95
一、嵌段型聚合物的分子結構設計 95
二、嵌段型聚合物的合成 95
三、嵌段型聚合物結構表征 99
四、溶液表觀黏度 102
第三節 多元共聚型聚合物設計與合成 103
一、多元共聚物的分子結構設計 103
二、多元共聚物的合成 104
三、功能單體的合成及表征 104
四、雙官能度引發劑的合成、表征與初步應用 107
五、丙烯酰胺與非離子型聚氧乙烯酯類(MPEGA)的二元和三元共聚物結構及性能評價 110
六、AMPS、NVP的二元及三元共聚物的合成、結構、性能研究 115
七、主要結論及認識 119
參考文獻 119
第五章 耐溫抗鹽聚合物性能評價 121
**節 基本物化性能評價技術 121
一、固含量 121
二、水解度 121
三、表觀黏度 122
四、溶解性 124
五、殘余單體含量 125
六、特性黏度及分子量 125
第二節 聚合物溶液流變性評價技術 133
一、體相剪切流變性能評價技術 133
二、界面流變性能評價技術 146
三、拉伸流變性能評價技術 148
第三節 物理模擬評價技術 150
一、多孔介質滲流規律及特征評價 150
二、驅油性能評價技術 151
三、微觀可視評價技術 154
第四節 熱失重分析技術 158
一、熱失重分析技術的介紹 158
二、熱失重分析技術的原理 160
三、熱失重分析技術的應用 161
第五節 冷凍蝕刻掃描電鏡評價技術 166
一、掃描電鏡的原理 166
二、冷凍蝕刻掃描電鏡介紹 167
三、冷凍蝕刻掃描電鏡在聚合物溶液微觀形貌分析中的應用 167
第六節 多孔介質多次濾過實驗 173
第七節 聚合物熱穩定性評價技術 175
一、引言 175
二、玻璃安瓿的密封 175
參考文獻 177
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高效驅油化學劑設計與評價 節選
**章 緒論 目前，我國面臨著能源短缺與大量石油資源未能高效開發的突出問題。由于技術水平的制約，平均采收率不到35%。據預測，采用現有的開采技術，到2025年，我國石油對外依存度高達70%～80%，面臨著重大的經濟和國家能源安全問題。因此，開發和應用經濟有效、可持續發展的、提高采收率的新技術，對我國石油工業和國民經濟具有重大戰略意義。 提高采收率途徑主要有兩個：一是擴大波及系數；二是提高洗油效率。化學驅油體系中發揮提高波及系數作用的主要是聚合物，提高洗油效率的是表面活性劑。常用的驅油用聚合物有兩大類，分別是部分水解聚丙烯酰胺(HPAM)和生物聚合物黃胞膠(XC)，由于黃胞膠的生物穩定性較差、價格昂貴且彈性較差等，礦場應用的主要是部分水解聚丙烯酰胺。常用的驅油用表面活性劑主要是陰離子的石油磺酸鹽型和非離子的表面活性劑復配，從而降低界面張力(IFT)，提高洗油效率。 目前，在化學驅系列技術中，以聚合物驅和二元復合驅技術相對較為成熟，在我國東部大油田已進入工業化應用，而且呈逐年遞增的趨勢，因此，聚合物驅和二元復合驅在我國有很大的發展潛力。 目前，油田常用的常規聚丙烯酰胺驅油劑普遍具有水溶性好、增黏性強、黏彈性大、注入性好、驅油性能優異、價格低廉等優點，在中國石油化工集團有限公司Ⅰ類和Ⅱ類油藏條件下得到了大規模的工業化推廣和應用。然而隨著聚合物驅在Ⅲ類油藏開采的進一步深入，其耐溫性差、抗鈣和鎂離子能力差、高溫高鹽下黏度保留率低的缺點逐漸凸顯，極大地制約了聚合物驅技術在高溫高鹽油藏礦場的應用。若要大幅度提高原油的采收率，聚合物的研發顯得日益緊迫，但單純地依靠增加聚合物的分子量來改善其性能的辦法已顯得捉襟見肘，因此如何對驅油聚合物的結構進行重新設計，研發適用于中國石油化工集團有限公司Ⅲ類油藏耐溫抗鹽的驅油聚合物成為亟待解決的關鍵問題。 現在油田使用的表面活性劑主要是陰非復配型表面活性劑，相比單一的陰離子石油磺酸鹽型的表面活性劑，復配后的表面活性劑具有超低的界面張力，洗油效率更高，提高采收率的效果更好。但隨著應用范圍的不斷擴大，陰非復配型表面活性劑也表現出明顯的缺點：首先，一種陰非復配表面活性劑的配方無法適應多個油藏區塊，當地下原油的黏度和成分發生改變時，需要針對不同區塊的地下原油對配方進行重新調整，工作量較大；其次，隨著二元復合驅油藏溫度越來越高，礦化度越來越大，陰非復配型表面活化劑在這種油藏條件下容易出現沉淀，界面活性大幅度降低。因此如何更好地對驅油用表面活性劑的結構進行設計，以提高表面活性劑的適用范圍和耐溫抗鹽性成為目前研究的重點和難點。 隨著聚合物驅和二元復合驅在油田應用規模的不斷擴大，對聚合物和表面活性劑質量的控制成為化學驅在礦場取得較好應用效果的關鍵。目前，對聚合物質量的控制是以表觀黏度為主的質量控制體系，但是隨著新型聚合物在合成過程中引入一些耐溫抗鹽單體和締合單體，表觀黏度高的聚合物驅油效果不一定好，因此如何引入新的評價方法準確評價聚合物的驅油性能，從而更好地對聚合物的質量進行控制成為急切需要解決的問題。目前對表面活性劑質量的控制以測試表面活性劑和原油的界面張力為主，但是研究發現，表面活性劑和原油的界面張力越低并不一定代表洗油效率越高，因此如何更客觀和準確地對表面活性劑的洗油效率進行評價也成為當前研究的熱點。 針對以上的問題，本書首先探討分子模擬技術在驅油劑設計中的應用，然后重點介紹如何利用分子模擬技術對新型表面活性劑和驅油用聚合物進行設計合成，*后對表面活性劑和聚合物的新評價方法進行介紹。通過以上的研究希望對高效驅油劑設計合成和評價提供一定的思路和方法，更好地實現化學驅技術在高溫高鹽油藏的應用，進一步提高原油采收率。 第二章 驅油用表面活性劑設計與合成 兩性表面活性劑是表面活性劑中開發較晚、品種和數量*少，但卻發展*快的類別。1937年美國專利才見有此類物質的首次報道。20世紀40年代，德國首次實現了氨基酸型兩性表面活性劑的商品化；截至目前，全世界兩性表面活性劑的品種已不下數百種。據資料統計，美國、日本、西歐的表面活性劑品種中，以兩性表面活性劑發展*快，20世紀80年代，美國就生產了20多種兩性表面活性劑商品。20世紀80年代末期，美國的兩性表面活性劑以5%～6%的年增長率增長，遠遠超過了當時工業表面活性劑2%的年平均增長率。日本的兩性表面活性劑在20世紀80年代初產量翻倍，到了80年代末期，則以35%的年增長率遞增，總產量達1.9萬t，占當年表面活性劑生產總量的1.9%，其品種數達到176種，占表面活性劑總數的9.5%。20世紀90年代以來，兩性表面活性劑仍在平穩發展，發達國家的兩性表面活性劑的產量占表面活性劑總產量的2%～3%，目前日本兩性表面活性劑的品種數為200種左右。 我國兩性表面活性劑的起步較晚，從20世紀70年代才開始研究，發展緩慢，遠遠落后于其他發達國家的發展水平。到80年代后期，仍長期維持三大系列四品種的老局面。據統計，1988年我國兩性表面活性劑產量只有1kt，約占當年我國表面活性劑總產量的1.2%，品種數約占當年表面活性劑品種總數的1.5%。90年代中期，我國兩性表面活性劑的生產情況有所改觀，但形成商品的品種只有40～50種，且真正在市場上行銷量較大的只有10種左右。近年來，國內兩性表面活性劑的總產量一直呈上升趨勢，據不完全統計，從1988年的1kt左右，上升到1995年的4.5kt左右，期間以24%的年平均增長率遞增。特別是1992年以來，兩性表面活性劑的年平均增長率較大。盡管兩性表面活性劑的產量在表面活性劑總產量中占不到1%，但其年平均增長率遠遠超過其他類型的表面活性劑。而且，目前越來越多的研究人員和生產廠家意識到兩性離子表面活性劑在石油工業中的巨大應用潛力[1]。 廣義上講，兩性表面活性劑是指在分子結構中，同時具有陰離子、陽離子和非離子中的兩種或兩種以上離子性質的表面活性劑。根據分子中所含的離子類型和種類，可以將兩性表面活性劑分為以下四種類型。 (1)同時具有陰離子和陽離子親水基團的兩性表面活性劑，如 式中，R為長碳鏈烷基或烴基。 (2)同時具有陰離子和非離子親水基團的兩性表面活性劑，如 (3)同時具有陽離子和非離子親水基團的兩性表面活性劑，如 (4)同時具有陽離子、陰離子和非離子親水基團的兩性表面活性劑，如 兩性離子表面活性劑的特殊結構決定了該類表面活性劑具有良好的水溶性、較高的界面活性以及較強的耐溫抗鹽性，因此兩性離子表面活性劑在三次采油中得到廣泛的應用。 **節 陰非兩性型表面活性劑設計與合成 陰非兩性型表面活性劑是分子結構中同時具有陰離子和非離子親水頭基的表面活性劑，主要通過在陰離子型表面活性劑親水頭基上引入一定量的非離子性鏈節而制備。該表面活性劑是將兩種不同的親水基團設計在同一個表面活性劑分子中，使其同時具備陰離子型和非離子型表面活性劑的特點，即水溶性好、耐溫抗鹽能力強、地層吸附損失小、易生物降解和高效的發泡能力等優點，因此在三次采油行業中具有廣闊的應用前景。 按陰離子基團的不同，該類型產品主要可分成以下幾類。 (1)非離子-磷酸酯鹽型，通式可寫為。通式中，R為烷基或烷基苯基，總碳數為8～18；n為氧乙烯聚合度，其值為1～20；M為一價金屬陽離子或銨離子(下同)。 (2)非離子-硫酸酯鹽型，通式可寫為。 (3)非離子-羧酸酯鹽型，通式可寫為。 (4)非離子-磺酸酯鹽型，通式可寫為。通式中，R′的碳數一般為1～6。 其性能取決于陰離子基團類型、烷氧基類型和鏈節大小、親油基類型和大小，可通過調節烷氧基表面活性劑分子中氧乙烯(和/或氧丙烯)鏈節的大小，來調節表面活性劑的親水親油平衡，通過調節陰離子基團的類型來調整其耐鹽性的強弱，其中磺酸鹽型表面活性劑的耐鹽性能*強，而磷酸酯鹽的耐鹽性能*差，即4種離子基團的耐鹽能力大小順序依次是：—SO–3＞—OSO–3＞—COO–＞—PO4–。 從發展歷程看，較早研究的陰非兩性型表面活性劑僅含有氧乙烯鏈節，20世紀80年代出現了分子中同時含氧乙烯和氧丙烯鏈節的磺酸鹽、硫酸鹽兩性表面活性劑。20世紀末，僅含氧丙烯鏈節、親油基為支鏈的非離子-陰離子兩性表面活性劑受到關注。目前對陰非兩性型表面活性劑研究較多的主要是以脂肪鏈為疏水基的陰非兩性型表面活性劑，而對含有苯基結構疏水基的陰非兩性型表面活性劑研究很少。 目前廣泛使用的醇醚硫酸鹽(AES)系列表面活性劑具有優良的抗鈣、鎂離子能力，但其末端硫酸酯基(C—O—SO3–)在高溫的水溶液中會慢慢水解，并且在生產過程中生成致癌物，而磷酸鹽雖水解穩定但其溶解參數令人不滿意。如果將硫酸酯基變成磺酸基(C—SO3–)，則由于C—S鍵的水解穩定性，其將具有更優良的化學穩定性，同時又保留了醇醚硫酸鹽的抗鈣、鎂離子能力，能顯著降低油水界面張力，適合于高溫、高礦化度油藏。脂肪醇醚羧酸鹽分子中的醚鍵結構比脂肪醇醚硫酸鹽分子中的酯鍵結構更穩定，具有更好的耐溫穩定性，廣泛應用于石油化工領域，因此羧酸鹽型陰非兩性型表面活性劑和磺酸鹽型陰非兩性型表面活性劑的設計合成和性能研究引起了國內外科學家的普遍注意，已成為目前研究的一個熱點[2]。 一、羧酸鹽型陰非兩性型表面活性劑的設計與合成 脂肪醇聚氧乙烯醚羧酸鹽(AEC)是羧酸鹽型陰非兩性型表面活性劑的代表，它是由非離子表面活性劑改性而來的，兼有非離子型和陰離子表面活性劑的特征。它可應用于二元復合驅體系，與原油形成超低界面張力，二元復合驅由于沒有堿的存在而避免了油層堵塞、結垢和腐蝕等問題，不僅可以降低三元復合驅化學劑成本，而且還可以減少設備投資和作業費用，同時提高了聚合物的利用效率，因此受到石油行業研究人員的青睞[3]。 (一)分子結構設計 1.設計要求 羧酸鹽型陰非兩性型表面活性劑*根本的性能要求包括： (1)水溶性好； (2)降低油-水界面張力； (3)抗鹽性； (4)耐溫性。 因此，分子結構設計必須圍繞以上要求開展。 2.設計思路 脂肪醇聚氧乙烯醚是聚氧乙烯類非離子表面活性劑的主要品種之一，它具有強耐鹽、耐硬水能力，良好的乳化性能和良好的驅油效果，但是單獨使用聚氧乙烯型非離子表面活性劑油水間的界面張力很難達到超低水平，同時該類表面活性劑在地層中又具有較強的吸附性。因此，作為三次采油用劑，它們一般不單獨使用，需要與石油磺酸鹽等陰離子表面活性劑復配使用，以滿足目前高礦化度的油藏要求。 羧酸鹽陰離子表面活性劑界面活性較高，在地層中吸附量小，具有較好的耐溫性，但耐鹽性能較差。針對高溫高鹽的油藏條件，大多數油田都采用將陰離子和非離子表面活性劑進行復配，復配體系能產生很好的協同效應，可提高復配體系的耐溫抗鹽性，減少總吸附損耗，但巖石對陰離子和非離子的吸附量有很大差異，因此在地層運移過程中會產生嚴重的“色譜分離”現象而導致配方不能滿足驅油的要求[4]。 為使體系同時具有陰離子/非離子復配體系的優點，研究人員從分子結構角度出發，對脂肪醇聚氧乙烯醚進行了改性，即通過在脂肪醇醚(非離子表面活性劑)中引入羧甲基基團，合成了一種兩性表面活性劑脂肪醇聚氧乙烯醚羧酸鹽。其由于分子中含有聚氧乙烯基和羧基，因而具備了非離子和陰離子表面活性劑的雙重表面性能，其除具有優良的抗硬水性外，還具有良好的配伍性能，不僅能與陰離子、非離子、兩性離子表面活性劑進行復配，還能同陽離子活性劑或聚合物進行復配，這是一般陰離子表面活性劑所不具備的特點。 目前市場上已有的醇醚羧酸鹽主要是椰子油醇聚氧乙烯醚羧酸鹽，其親油性不夠，親水性太強，因此研究者提出使用長鏈烷基醇醚為原料合成新型驅油用醇醚羧酸鹽型表面活性劑，設計的新型驅
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