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表面活性剂在油田上应用进展


第 4卷 第 2期 新疆石油天然气                  2008 年 6 月 Xinjiang O il & Gas

Vol 4 No. 2 . Jun. 2008

文章编号 : 1673 —2677 ( 2008 ) 02 —0070 - 03

表面活性剂在油田上应用进展
何志刚

,李勇敢
1 2

( 1. 新疆科力新技术发展有限公司 ,新疆 克拉玛依 834000; 2. 新疆贝肯工业发展股份有限公司 ,新疆 克拉玛依 834000 )

摘   : 表面活性剂在油 、 要 气开发与开采中获得了日益广泛的应用 ,本文着重介绍一些包括绿色 环保型 、 自组型 、 反应型 、 双烃链型等新型表面活性剂的开发及其在调节润湿性和控制天然气水 合物方面的应用 ,新型表面活性剂的开发也为有机合成和表面与胶体化学提供了日益广阔用武 之地 。    关键词 : 表面活性剂 ; 绿色环保型 ; 反应型 ; 双烃链型 ; 自组型 中图分类号 : TE39        文献标识码 : A    表面活性剂在油 、 气开发与开采中获得了日益 广泛的应用 , 已有不少论著涉及 , 本文着重介绍一 些新型表面活性剂和在油田上的一些最新的应用 进展 皮肤刺激性小 、 不污染环境和属于可再生资源 , 近 年来在洗涤 、 化妆 、 食品和医药工业上获得了日益 广泛的应用 。甲基糖苷水溶液在稳定页岩 、 润滑和 降失水性能方面可与油基泥浆比美 , 堪称环保型钻 井液
[1]

1  新型表面活性剂
1. 1   环保型表面活性剂



1. 2   反应型表面活性剂

反应型表面活性剂可在使用过程中发生变化 , 人们发现有这样一类表面活性剂
[2]

葡萄糖和脂肪醇反应得到的烷基糖苷是一类 新型环保型表面活性剂 ,结构式如下

,它在碱性环境

中为油包水乳化剂 , 酸性环境中为水包油乳化剂 , 如图 1 所示 。可应用此性质作成一种油包水型钻 井液 , 作业完成后将其酸化转变为水包型油乳状 液 ,从而克服了油包水型钻井液使用后难以清除的 缺点 。
1. 3   自组型表面活性剂

表面活性剂不但因在界面上定向吸附 ,而具有 起泡 、 、 。破乳 、 消泡 乳化 胶溶 , 絮凝 , 润湿 、 反润湿 、 抗静电以及杀菌等功能 ,在油田上获得了广泛的应 用 ,而且发现在溶液内部可通过自聚形成各种形式 的如胶束 、 反胶束 、 囊泡和液晶等分子有序组合体 , 式中烷基碳原子数小于 10 时为水溶性 , 等于 12 14 时为油溶性 。因其表面活性高 、 去污能力强 、 对
收稿日期 : 2008 - 04 - 17 作者简介 : 何志刚 ( 1968 - ) ,男 ,湖北武穴人 , 1992 年毕业于新疆工学院化工系化学工程专业 ,工程师 。

在油田上的应用范围日益扩大

[ 3 - 10 ]

。某些离子表

面活性剂在某些反离子基团存在时 , 可在水中形成

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第 4 卷第 2 期      

何志刚 : 表面活性剂在油田上应用进展

蠕状胶束 ,并相互缠绕形成网络结构 , 像线性高分 子聚合物那样 ,使溶液具有粘弹性 。它与线性高分 子聚合物不同之处在于 , 它是一平衡体系 , 溶液结 构及其性质随溶液组成 、 温度和切力的变化关系是 可逆的 ; 线性高分子聚合物在热或切力的作用下产 [3] 生不可逆降解 。

双头 双 烃 链 型 表 面 活 性 剂 即 双 子 (双 星 座
Gem ini)型表面活性剂 , 其结构式为亲油基团 - 亲

水基团 - 联结基团 - 亲水基团 - 亲油基团 ,或写作 “—O =O —”其中“ = ” , 表示联结基团
[ 12 ]

。例如一

种双阳离子 (季铵盐型 ) 表面活性剂的结构式为
B rCn H2n + 1 ( CH3 ) 2 N - ( CH2 ) m - NCH3 ) 2 Cn H2n + 2 B r (一般简写为 n - m - n ) , 其中 - ( CH2 ) m - 为联结

基团 。此类表面活性剂中两个离子基团通过化学 键连接 ,由于克服了静电斥力的影响 , 而能紧密连 接 ,也使烃基更易相互作用 , 即加强了烃基间的疏 水结合力 。上述作用使双子表面活性剂比普通表 面活性剂具有强的界面吸附倾向和界面活性 。 16 图 1  胶束网络结构 粘弹性表面活性剂水溶液可作为无聚合物压 裂液 ,因其遇到原油可自动破胶 , 不会留下残渣污 [4] 染地层 ,所以也叫做清洁压裂液 。粘弹性表面活 性剂在强酸中粘度不高 , 易于注入 ; 酸与碳酸盐矿 物反应时溶液 pH 值上升 ,粘度增加 ,有助于抑制滤 失 ; 作业完成后在高浓度钙离子作用下和与原油相 遇时粘度下降 ,有助于反排 。人们将含有粘弹性表 [5] 面活性剂的这种酸化液叫做变粘酸 。粘弹性表 面活性剂遇到天然气难以破胶 ,可加入某些表面活 性剂或聚合 物使 之变 为低 粘度 的球 状胶 束而 破 [ 7, 8 ] 胶 ; 破胶后不会像聚合物压裂液那样产生残渣 , 仍然比聚合物压裂液优越 。早期粘弹性表面活性 剂大多为阳离子型 , 不但价格偏高 , 而且容易吸附 在带负电荷的砂岩储层中使之亲油 ,降低原油的有 效渗透 率 ; 促 使 阴 离 子 型 表 面 活 性 剂 压 裂 液 问 [8] 世 。有人提出在聚电解质存在时 ,表面活性剂形 成的囊泡同样具有很高的粘弹性 ,而且对温度不敏 [9] 感 ,可代替蠕状胶束在油田上应用 。实验表明 , 用六角形液晶驱油 , 可在水驱基础上提高采收率 [ 10 ] 22. 2% 。 1. 4   双烃链型表面活性剂 双 烃 链 型 表 面 活 性 剂 ( Double chained surfactant)可分为单头双烃链型和双头双烃链型表 面活性 . 单头双烃链型表面活性剂又叫做衣架型表 面活性剂 ,分子中含有一个头基和两个烃链 . 其中 阴离子型如二烷基硫酸钠和二烷基磺酸钠 (二烷基 琥泊酸钠 ) . 阳离子型如双烷基三甲基氯化铵 . 此类 表面活性剂可通过减小表面曲率 ,无需助表面活性 剂即可形成微乳液
[ 11 ]

- 3 - 16、 - 4 - 16 及其相应的单分子表面活性 16

剂— 三甲基十六烷基溴化铵 ( C16 H33 N ( CH3 ) 3 C l) 的 临界胶束浓度分别为 0. 031、0. 047 和 0. 33g /L ,并 在临界胶束浓度时 ,这两种双子表面活性剂均可将 煤油 - 水的界面张力降至 0. 01mN /m 以下 ,而单分 子表面活性剂只能将其降至 2mN /m 左右 。双子型 表面活性剂价格偏贵 ,有碍于工业应用 。

2  新的应用领域
2. 1   调节润湿性

在油 、 气开开发过程中 , 由于钻井液 、 完井液 、 固井液及酸化压裂液等外来流体难以有效排除 ,使 近井地带含水饱和度增加 , 油 、 气相渗透率降低的 现象 ,谓之水锁效应 。水锁效应源于高的毛管压 力 PC
PC =

σ θ 2 co s
r

可以加入表面活性剂通过降低油 (气 ) /水界面张力 σ或调节润湿性 (使接触角 θ )抑制水锁效 趋于 90 ° 应 。氟或硅表面活性剂兼有这两种功能 。已成功 地用于抑制气井水锁
[ 13 ]



油、 气储层的润湿性决定了油 、 、 气 水在储层中 的分布 ,对油 、 气开采具有重要的影响 。一般认为 , 油润湿储层水驱油效率最差 , 水润湿次之 , 中间润 湿最佳 。阳离子表面活性剂 (季铵或铵 ) 可通过吸 附于砂岩表面 ,使水润湿成为中间润湿 油润湿成为中间润湿
[ 15 ] [ 14 ]

, 还可通

过结合吸附在碳酸盐岩表面上带负电荷的物质 ,使 提高驱油效率 , 阴离子表
71



面活性剂 (如十二烷基苯磺酸钠 ) 可通过分散沉积

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新疆石油天然气                    

2008 年

在砂 岩 表 面 上 的 沥 青 质 效率 。
2. 2   控制天然气水合物

[ 16 ]

, 均有助于提高驱油

[ 3 ]Mogid L J The surfactant - polyelectrolyte analosy JPC, B ( 12 ) : 4064 - 4074. [ 4 ]A lleman D. Q i Q. Keck R. The development and successful field use of viscoelastic surfactant ? based diverting agent for acid stim ulation. . SPE 8022. ( 2002 ) . injectivity of disporal well using a vicroelastic surfactant based acid. JPSE. 2006, 54 ( 1 2 ) : 10 - 24. Internal breakers for viscoelastic surfactant fracturing fluids SPE 106216 ( 2007 ) . treatm ent fluid . SPE105815 ( 2007 ) . - based diverting agents for acid stim ulation. SPEPO. (1) : 108 - 111. Surfactants and polymers in Aqueous solution. New York: John W iley and Sons, 1998. interfaces and in aqueous solution: a revlew. Advances in due to an soluble additive. JPSE. 2002, 33: 19 - 28. Fereira S . Inhibition of phasphaltene amphiphes JPSE. 2006, 51: 26 - 36. . alkylam ide surfactant gas hydrate anti - agglomerants . Chem. Eng Sci 2006, 61; 4290 - 4298. . . [ 18 ] Rogers R. Zhang G Ch. Derman C. Investigations into surfactant/ gas relation ship. JPSE. 2007, 56: 82 - 88.

天然气水合物是一种如图 2 所示的笼形包合 物 ,水分子通过氢键构成笼形晶格 , 气体分子靠范 得华引力充填于晶格孔隙之中 。天然气在在开采 和输送过程中 , 由于高压和低温条件 , 容易形成水 合物堵塞管道 , 有碍正常生产 ; 天然气可以水合物 形式储存和运输 。 季胺盐 ,甜菜碱和 span 等表面活性剂 , 它们的 极性基吸附于水合物表面 , 烃链伸入油相 , 使水合 物悬浮于油中 , 随油一起流动 , 并由于使油管或输 气管线壁面疏水 , 水合物不易成核和生长 , 而不堵 塞管道
[ 17 ]

[ 5 ]Nasr - El - D in H A. A l - Mobammad A M. A l - Shurei . Restoring the

[ 6 ]赵波 ,贺承祖 . 粘弹性表面活性剂的破胶作用 [ J ]. 新疆

石油地质 , 2007, 28 ( 1 ) : 82 - 84.
[ 7 ] Crew s J B.

[ 8 ]W elten T D. B ryant J. Funkhousen G Anionic surfactant .

。一些磺酸岩或硫酸盐型阴离子表面活
,有助于以水合物形式储存天然气 。

性剂可通过降低水的界面张力 , 加快传质 , 促进水 合物生成
[ 18 ]

[ 9 ] Zeiler C. A leman D. Qu Q. U se of viscoelastic surfactant 2006, 21 ( 4 ) : 448 - 454.

[ 10 ] 李干佐 ,肖洪地 , 李英 , 等 . 溶致液晶体系研究及其在

三次采油中的应用 [ J ]. 高等学校化学学报 , 2001, 22
[ 11 ] Jonsson B , L indman B , Hol berg K, Kronberg B , m

[ 12 ] Zana R. D im eric and oligomeric surfactants Behavior at .

图 2  气体水合物结构示意图

Colloid and lnterface Science. 2002, 97: 205 - 253.

[ 13 ]Adibhatla B. Mohanty K K Borger P. Effect of surfactant .

3  结语
随着现代科学技术的进步 , 表面活性剂的种类 日益增加 ,应用范围不断扩大 。表面活性剂在油田 上的应用进展尤为突出 ,环保型 、 反应型 、 自组型和 双烃链型表面活性剂的开发及其在调节润湿性和 控制天然气水合物方面的应用 ,极大地促进了石油 工业的飞速发展 ,也为有机合成和表面与胶体化学 提供了日益广阔用武之地 。 参考文献 :
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Xinjiang O il & Gas ( Edition of Natural Science)

EFF IC IENCY - INFL UENC ING FACTO R ANALY S IS AND CO UNTERM EASURES O F THE M ECHAN ICAL PROD UC ING SY STEM IN J IANG SU LOW PERM EAB I ITY O I F IELD / W ang D ong L L
- w ei, Z hang X iang - yang, M eng Z hang - jin, et a l In jection&P roduction techn ics R esea rch Institu te of F irst O il . - testing and P roduction Factory, J iangsu O il F ield, J iangsu, YangZ hou, 225265 /X in jiang S h iYou T ianR an Q i, 2008, 4 ( 2 ) : 61 ~65 Abstract:B ased on the test data correlation ananlyses of the mechanical system efficiency in low permeability oilfield of No. 1 p roduction factory, the mechanical p roducing system which consists of oil bed, borehole, and pump ing equipment is ananlyzed from the geologic features of low permeability reservoir and the p roduction characteristics of low permeability oilfield in the paper Factors influencing the efficiency of the mechanical . p roducing system are found out, and the corresponding technical researches are carried out The efficiency of the . mechanical p roduction system in the factory is being i p roved year by year m . Key W ords: low per eability oilfield; m echanical oil p roducing ; system; efficiency; influential factor; m counter easure m
L iu M iao, L iu Q i, Gao Chun - liang, et a l D aqing P roduction Eng ineering & R esea rch Institu te /X in jiang S h iYou . T ianR an Q i, 2008, 4 ( 2 ) : 66 ~69

PRED ICT I N O F CHURN FLOW PATTERN FO R EFFECT IVE GAS /L IQU I TRANSPO RT / O D

Abstract: Slug to annular flow pattern transition taking p lace during the upward gas - liquid well transportation is a source of flow instabilities often experienced w ith conventional gas lifting as well as w ith unloading operations of water accumulated at the bottom level of gas wells in low - p ressure gas Understanding and p roper p rediction of . Slug to annular flow pattern transition is particularly essential for develop ing suitable p roduction operations and for designing effective gas lifting or unloading strategies from low - p ressure gas and oil reservoirs This paper . uses field data and laboratory measurements to suggest that Slug to annular flow pattern transition can be a source of flow instabilities and should be avoided. Moreover, it also illustrates the positive effect of decreasing the amount of gas injected during the gas lifting of a large amount of fluid, so reducing the instability risk is simp ly achieved by reducing the gas injected. A t last, a method to deal w ith this sitution is p resented in the paper . Key W ords: liquid loading; Slug flow pattern; annular flow pattern; churn flow pattern; gas lift efficiency

The applica tion advance of surfactan ts in o il f ield / He Z h i - gang, L i Yong - gan. X in jiang Keli N ew
Techn ica l D evelopm en t Co, . L td, Ka ram ay X in jiang 834000 /X in jiang S h iYou T ianR an Q i, 2008, 4 ( 2 ) : 70 ~72 Abstract: The app lications of som e novel surfactants in oil field have been p resented in the paper These . surfactants include green type, reaction type, double chained , type, self - assemble type and soon. Key W ords: surfactant; green type; reaction type; double chained ; type, self - assemble type

THE APPL ICAT I N ANALY S IS O F W IREL ESS CAS ING COLLAR LOCATO RS IN CO I ED O L TUB ING FRACTUR ING / Chen J un, J iang J in - bao, L iu Z hao - n ian, et a l D epa rtm en t of Petroleum .
Eng ineering in X in jiang Petroleum Institu te , U rum qi X in jiang 830000 /X in jiang S h iYou T ianR an Q i, 2008, 4 ( 2 ) : 73 ~76

Abstract: Coiled - tubing fracturing operations are p roving to be a safe and effective technology to sim ulate wells, but for som e reasons, this technology can not be used w idely One of the main p roblem s is close - tolerance . dep th band. W ireless casing collar locators are developed by Halliburton through well site experim ents for many years, and which is imp roved based on the demand of the well site. It is p roved that W ireless casing collar locators p resents well in the well site. In this paper, the design and the operation and the app lication of the tool is introduced in detail, and the possibility that the technology can be used in China is also analyzed. Key W ords:W ireless casing collar locators; coiled tubing; fracturing; close - tolerance dep th band; app lication

APPL ICAT I N O F RAD IANT PO INT IN TECHNOLO GY O F MO RN ITO R ING W ATER - BEAR ING O RATE AUTOM AT ICALLY IN CRUD E O I AND STUDY O N IT / Gu lim ire ? W ufuer Ch ina petroleum the L .
cen tre is tra ined in X in jiang , X in jiang the college of petroleum tie basic science /X in jiang S h iYou T ianR an Q i,


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