表面活性劑化學(xué)優(yōu)秀公開課

第二篇采油化學(xué)采油化學(xué)是研究如何用化學(xué)方法解決采油過程中遇到的問題。采油中出現(xiàn)的問題有:油層的問題，集中表現(xiàn)在采收率不高。油井的問題，砂、蠟、水、稠、低。水井的問題，主要有出砂、水注不進(jìn)去和注水剖面不均勻造成注水效率低。第三章表面活性劑一、表面現(xiàn)象1、界面、表面和相界面是指物質(zhì)的相與相之間的交界面。

通常將有氣相組成的氣-固、氣-液等界面稱為表面。

相（phase）是指體系中物理和化學(xué)性質(zhì)均勻的部分。

表面張力的產(chǎn)生，從簡單分子引力觀點(diǎn)來看，是由于液體內(nèi)部分子與液體表面層分子(厚度約10-7cm)的處境不同。液體內(nèi)部分子所受到的周圍相鄰分子的作用力是對稱的，互相抵消，而液體表面層分子所受到的周圍相鄰分子的作用力是不對稱的，其受到垂直于表面向內(nèi)的吸引力更大，這個力即為表面張力。

二、表面活性劑及其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

1、表面活性劑：使用濃度在0.01-0.1%，就能使表面性質(zhì)如表面張力發(fā)生明顯變化的物質(zhì)。2、表面活性劑的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：表面活性劑有一個共同的基本結(jié)構(gòu)，是由具有易溶于油的親油基和易溶于水的親水基組成的。同時親水基和親油基的對立作用必須比較相稱，有一種相當(dāng)平衡的關(guān)系。

三、表面活性劑的分類

以親水基團(tuán)是否是離子型及其類別為主要依據(jù)，分為：（一）陰離子型活性劑它可以在水中電離，起活性作用的是陰離子?；撬猁}型

十二烷基苯磺酸鈉十六烷基磺酸鈉2、酯鹽類型：分子中既有酯的結(jié)構(gòu)，又有鹽的結(jié)構(gòu)十六烷基硫酸酯鈉（二）陽離子活性劑在水中電離以后，起活性作用的是陽離子。1、胺鹽型：高級伯胺、仲胺、叔胺與酸中和形成的胺鹽，總稱為胺鹽型陽離子表面活性劑。這類表面活性劑的疏水基的碳原子數(shù)在12~18之間，中和脂肪胺所用的酸有鹽酸、甲酸、乙酸、氫溴酸、硫酸等。

高級伯胺(或仲胺)的加氫法將高級伯胺在甲醛存在下加氫制取叔胺，反應(yīng)如下：

叔胺以酸中和即得叔胺鹽。高級叔胺鹽陽離子表面活性劑易溶于水，具有良好的乳化、柔軟、殺菌性能。2、季銨鹽型十二烷基三甲基氯化銨（三）非離子型活性劑

在水中不電離，極性基部分大多由聚氧乙烯基構(gòu)成，所含的聚氧乙烯基的數(shù)目決定它的親水性能。氧乙烯氧丙烯1、酯型（1）失水山梨糖醇脂肪酸酯（司盤型）（2）聚氧乙烯脂肪酸酯

（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（四）兩性活性劑1、非離子-陰離子型聚氧乙烯烷基醇醚硫酸酯鈉2、非離子-陽離子型二聚氧乙烯基烷基甲基氯化銨四、表面活性劑的HLB值

1、HLB值的含義表面活性劑是由親水基團(tuán)和親油基團(tuán)組成，每一種活性劑親水基團(tuán)的親水能力和親油基團(tuán)的親油能力具有一定的平衡關(guān)系。這種平衡關(guān)系稱為親憎平衡值，HLB值。

C16H33OH

不具乳化性能。C16H33OSO3Na表現(xiàn)出良好的乳化性能。

HLB值是一個相對值，規(guī)定親水性弱的油酸HLB值為1，而親水性強(qiáng)的油酸鈉HLB值為18，以這兩個為標(biāo)準(zhǔn)可以相對地定出每個活性劑的HLB值。HLB=7親水性和憎水性相近HLB>7親水性大于憎水性HLB<7親油性大于親水性

2、活性劑的HLB值與其作用的關(guān)系HLB值用途1~33~68~1812~1513~1515~18消泡劑油包水型乳化劑水包油型乳化劑潤濕劑洗滌劑增溶劑五、表面活性劑在泥漿的功用

1、乳化作用一種液體以細(xì)小液滴分散在另一種互不相溶的液體中形成的分散體系，稱為乳狀液。分散相和分散介質(zhì)均是液體。分類：水包油型乳狀液；油包水型乳狀液。

（1）乳狀液暫時穩(wěn)定的原因：a.乳化劑吸附在油-水界面上，大大降低表面張力和表面能，有利于乳狀液的穩(wěn)定。b.液滴表面形成保護(hù)膜。c.液滴表面帶電。

（2）對乳化劑分子結(jié)構(gòu)的要求a.非極性烴鏈具有足夠的長度C10-C20，同時非極性的R-部分要求是正構(gòu)的。C10-C20使非極性基之間的吸引力大，可以提高吸附層的強(qiáng)度。同時非極性的R-部分要求是正構(gòu)的。使分子間排列得緊密，吸附層的強(qiáng)度高，液滴表面的保護(hù)膜牢固。

b.對于水包油型的乳狀液，要求活性劑的HLB為8~18，對于油包水型乳狀液，要求活性劑的HLB為3.5~6。常用的水包油型乳化劑有：烷基磺酸鈉（AS）；烷基苯磺酸鈉(ABS);聚氧乙烯烷基醇醚（平平加型）等。常用的油包水型乳化劑有：

羧酸的金屬鹽(如硬脂酸鈣、硬脂酸鋁)等。

c.從乳化劑的抗溫性出發(fā)，深井和超深井要求乳化劑能抗高溫。目前選用的抗高溫的乳化劑，以具有酰胺型結(jié)構(gòu)的非離子型乳化劑抗溫性較好。

原油中含有環(huán)烷酸，它本身是油包水型的乳化劑。但與泥漿中的NaOH反應(yīng)生成環(huán)烷酸鈉，變?yōu)樗偷娜榛瘎?.發(fā)泡和消泡作用氣泡和泡沫與泥漿的關(guān)系密切。

有利的方面：鉆低壓井時可以用泡沫泥漿以降低泥漿的比重，保護(hù)產(chǎn)層。

不利的方面：如泥漿遇到氣侵時比重會迅速下降，泥漿柱壓力下降到一定程度時會引起井噴事故，此時必須及時消泡。

（1）泡沫暫時穩(wěn)定的原因加入活性劑后，活性劑分子吸附在氣--液界面上，形成具有一定強(qiáng)度的保護(hù)膜，可以降低表面張力和表面能；氣泡表面可以形成水化膜。如果是離子型活性劑作為泡沫劑，使氣泡表面帶電。

（2）作為發(fā)泡劑分子結(jié)構(gòu)的要求

-R要有足夠的長度，而且烴鏈?zhǔn)钦龢?gòu)的，活性劑分子的親水基有較強(qiáng)的極性。從液膜的保護(hù)膜要牢固出發(fā)，要求活性劑分子的雙吸附層強(qiáng)度要大，因此-R要有足夠的長度，而且烴鏈?zhǔn)钦龢?gòu)的，以增大活性劑分子間的吸引力，使吸附層強(qiáng)度增大。當(dāng)然烴鏈不能太長，否則影響水中的溶解。從液膜的排液速度小出發(fā)，要求活性劑分子的親水基有較強(qiáng)的極性，即水化要好，以增加束縛水，提高粘度。

常見親水基團(tuán)的極性強(qiáng)弱順序：后二者極性小，不做發(fā)泡劑，反作消泡劑。

一般淡水中的發(fā)泡劑為：

（3）消泡劑的分子結(jié)構(gòu)特點(diǎn)烴鏈短，帶支鏈，親水基的極性弱，并要求活性劑（消泡劑）的活性高。對消泡劑的分子結(jié)構(gòu)要求：烴鏈短，帶支鏈?zhǔn)刮綄游綇?qiáng)度弱；親水基的極性弱，使水化差、水化膜薄，并要求活性劑（消泡劑）的活性高，加入泡沫中，能頂替發(fā)泡劑分子。

泥漿中常用的消泡劑：

泥漿遇到氣侵時，必須迅速消泡，除加入消泡劑外，還可以配合機(jī)械方法如泡沫浮在液面上，可以用擋板除去。同時泥漿性能要降粘、降切，使氣泡升到液面上，有利于消泡。3.潤滑作用

提高泥漿的潤滑性，減少鉆具的摩擦，延長鉆具的使用壽命。提高泥漿的潤滑性，可防止粘卡。（1）潤滑作用機(jī)理：

表面活性劑分子可以吸附在金屬表面和粘土表面上，親水基緊緊吸附在表面上，親油基朝外定向排列著。這樣在金屬表面和粘土表面形成堅固的化學(xué)膜，以降低接觸面之間的摩擦，使摩擦發(fā)生在相互滑動的親油基之間。

活性劑的潤滑作用（2）對潤滑劑結(jié)構(gòu)的要求一是有足夠長度的烴鏈C12-C18，不帶支鏈以形成良好的油膜。另一要求是極性基牢固地吸附在粘土和金屬表面。目前泥漿中常用的潤滑劑有：a.OP-30：b.聚氧乙烯硬脂酸酯：c.磺酸鹽4．活性劑的防腐蝕作用在鉆井過程中，鉆井設(shè)備存在著腐蝕問題。特別在鉆含H2S和CO2地層時，腐蝕更為嚴(yán)重，引起鉆桿脆裂，失去強(qiáng)度。泥漿中加入YNC-1后，不銹鋼的腐蝕速率大大下降。

YNC-1分子中，醇羥基上未共用電子對與不銹鋼中正價金屬離子形成配位鍵，YNC-1分子就以化學(xué)吸附的方式牢固地吸附在金屬表面，形成致密的保護(hù)膜。阻止酸的進(jìn)一步與金屬作用。

5.表面活性劑的潤濕反轉(zhuǎn)作用-潤濕劑潤濕反轉(zhuǎn)是指活性劑使固體表面的潤濕性向相反方面轉(zhuǎn)化的作用。能使固體表面的潤濕性發(fā)生反轉(zhuǎn)的活性劑叫潤濕劑或潤濕反轉(zhuǎn)劑。（1）潤濕反轉(zhuǎn)的原理具有親油、親水的兩親結(jié)構(gòu)的表面活性劑分子，自動濃集到固體表面，形成定向排列的吸附層（吸附層中活性劑分子的親水基吸附在極性固體表面上，其親油基朝外，或者活性劑分子的親油基吸附在非極性固體表面上，其親水基朝外），從而改變了固體表面的親水（或親油）性。

（2）對潤濕劑的要求a.親油基的烴鏈帶有支鏈；親水基在烴鏈的中部。在固體表面的吸附性強(qiáng)，膠束形成弱，即臨界膠束濃度高，因?yàn)槟z束的形成不利于吸附。支鏈和親水基在中部都能減弱親油基之間的吸引力，從而提高臨界膠束濃度。

b.親油基不過大，使親油基