表面活性剂多元复配低张力泡沫驱油体系的分子设计及应用性能研究

发布时间：2017-12-26 05:04

本文关键词：表面活性剂多元复配低张力泡沫驱油体系的分子设计及应用性能研究　出处：《山东大学》2016年硕士论文　论文类型：学位论文

【摘要】：现有的三次采油技术包括热力驱、混相驱、化学驱、微生物驱等,泡沫驱油是化学驱油技术的一种。由于泡沫流体既具有油水选择性、封堵性能,又具有一定的洗油能力,因此泡沫驱油被认为是很有发展前途的强化采油技术。低张力泡沫体系是指既具有优异的泡沫稳定性,又可将原油和水的界面张力降低至超低的泡沫驱油体系,因低张力泡沫体系同时具有良好的封堵性能和洗油能力,有望一次性大幅度提高采收率,因此是最具技术潜力的三次采油驱油体系之一。目前泡沫驱油采用氮气作为发泡气体,但制氮设备昂贵,注入成本较高,会限制泡沫驱油技术的发展。采用烟道气捕集二氧化碳后剩余的复杂气体(脱碳烟道气,以氮气为主)作为驱油泡沫的发泡气体,用于泡沫驱油提高原油采收率,不仅具有重要的经济意义,更具有重要的环境和社会意义。稳定泡沫和降低油水界面张力分别涉及表面活性剂在气液界面和油水界面的行为和性能,对这两个方面性能的优化很难通过单一组分的表面活性剂体系实现。而低张力泡沫驱油体系对该两方面的性能都有很高的要求,对如何实现两方面性能的统一尚未有清晰的理论指导,因此低张力泡沫驱油体系的设计是一个难题。采用脱碳烟道气作为发泡气体,与采用氮气相比,将对泡沫体系的性能带来影响,从而给低张力泡沫驱油体系的设计带来更大的挑战。本论文通过表面活性剂复配实现对脱碳烟道气泡沫驱油体系各方面性能的优化。首先采用分子动力学模拟和实验手段相结合,从分子水平考察不同类型的表面活性剂组成的复配体系在油水界面及气液界面内的分子间相互作用机制及界面组装规律,为低张力泡沫驱油体系的设计提供理论依据,然后结合泡沫性能和油水界面活性的实验测定结果,探索出可实现两方面性能统一的技术路线；并通过考察脱碳烟道气组分对泡沫性能的影响规律与机制,确定了优化体系性能的技术方案,最终设计出低张力泡沫体系,并在室内模型驱油试验中取得良好的提高原油采收率的效果。本文主要分为四个部分：第一部分研究复配表面活性剂在气液界面和油水界面上的分子行为和加合增效机制。采用分子动力学模拟方法描述复配表面活性剂体系的界面分子行为,与泡沫性能和油水界面活性的实验测定结果相结合,发现复配表面活性剂体系提高界面活性和泡沫性能的关键增效机制均与界面层内分子排布密度相关,由此揭示出通过提高表面活性剂复配体系的界面密度从而保障泡沫性能和油水界面活性统一的低张力泡沫体系的设计路线。第二部分探究脱碳烟道气中不同气体成分对水基泡沫稳定性的影响规律及机理。采用泡沫衰减法以泡沫半衰期表征泡沫稳定性,以表面活性剂十二烷基硫酸钠(SDS)为稳泡剂,考察不同气体成分(N2、CO2、O2)作为发泡气体时泡沫的稳定性。实验结果表明,与氮气泡沫相比,二氧化碳泡沫的稳定性很差,氧气泡沫稳定性也低于氮气泡沫。采用高温泡沫扫描仪、质构分析仪等实验手段探讨了不同气体成分对泡沫液膜性质的影响,并采用分子模拟方法研究了不同气体在泡沫液膜内的溶解和扩散行为以及对表面活性剂界面层内分子行为的影响,实验结果与模拟结果相结合,确定了不同气体成分影响泡沫稳定性的机制。研究结果表明,二氧化碳气体与表面活性剂尾链及头基之间存在相互作用,使表面活性剂分子的疏水性增强,表面活性剂尾链刚性增加,使得气体透过液膜扩散速度增加、泡沫聚并现象明显,最终导致二氧化碳泡沫稳定性差；而影响氧气泡沫稳定性的原因是由于氧气分子较其他两种分子的透过气体液膜的扩散速度快,促进了泡沫聚并。第三部分在前一部分机制探究的基础上,以提高表面活性剂界面密度为指导思想,探索了以阴阳离子表面活性剂复配体系为基础,并通过多元表面活性剂复配实现脱碳烟道气低张力泡沫体系性能优化的技术路线。利用高温泡沫扫描仪测定以脱碳烟道气作为发泡气体时体系的泡沫性质,实验结果表明,阴/阳/两性/(非)多元表面活性剂复配体系既有很好的稳定泡沫的效果,又能在极短时间内将油(原油)/水界面张力降至超低(10-4mN/m)。对该体系的分子模拟研究表明,该表面活性剂复配体系界面生成能很低,在气／液界面和油／水界面上的分子排布十分致密,不仅保障了泡沫稳定性和油水界面活性的优化,而且可有效阻止二氧化碳和氧气分子透过泡沫液膜的扩散。采用傅里叶红外光谱探测二氧化碳气体分子透过泡沫液膜的扩散,表明二氧化碳分子透过该体系形成的泡沫液膜的速率显著降低。第四部分考察多元复配表面活性剂低张力泡沫体系的性能。在以不同气体配比的脱碳烟道气作为发泡气体的情况下,对设计体系下形成的泡沫的静态稳定性、动态稳定性,以及抗盐性、抗油性、及吸附损失等系列性质进行了探究,并采用一维线性物模评价了体系的驱油性能。结果表明,该多元复配体系各方面的性能均十分优异,取得了良好的提高采收率效果,具有重要的应用前景。本文采用实验手段与分子模拟方法相结合的研究手段,研究了多元复配表面活性剂体系在气液界面和油水界面上的分子行为规律和加合增效机制,确定出设计低张力泡沫体系的技术路线,并对不同的气体成分对表面活性剂于界面上的分子行为的影响进行研究,通过对表面活性剂复配体系的不断优化,设计出能够达到油水超低界面张力并形成超稳泡沫的体系,并且该体系在固液界面的吸附损失较单一表面活性剂体系显著降低,提高原油采收率效果良好。论文取得的认识丰’富完善了复配表面活性剂相互作用机理,加深了对超低界面张力体系的理论机制的认识,具有一定的理论意义；探索确定出提高低张力泡沫体系设计的技术路线,并设计出具有优良性能的脱碳烟道气低张力泡沫驱油体系,具有较高的应用价值。
【学位授予单位】：山东大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TQ423;TE357.46

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