阴离子双子表面活性剂 （GA-16）溶液黏度及影响因素研究

唐善法 （长江大学石油工程学院，湖北 武汉430100）

崔云海 （中石化江汉石油工程有限公司，湖北 潜江433124）

熊萧，雷小洋 （长江大学石油工程学院，湖北 武汉430100）

双子表面活性剂含有2个亲水基团和2个疏水基团，与普通单链表面活性剂相比，具有更低的临界胶束浓度和地层岩石吸附损失；在低质量分数时即可形成曲率较小的胶束结构，其溶液增黏效果明显。相关研究［1，2］表明，阳离子双子表面活性剂溶液黏度是相同碳数单链阳离子表面活性剂的10倍以上；但其特殊的荷正电特性，使其在油层岩石表面易于吸附并导致油气渗流通道发生润湿反转，造成储层约14%的渗透率伤害［3］。因此从双子表面活性剂减少在地层吸附损失，降低储层渗透率伤害，增大对高矿化度的适应性等方面考虑，阴离子双子表面活性剂更具优势。笔者合成了一种新的氨基磺酸盐阴离子双子表面活性剂 （GA-16），考察溶液的黏度及影响因素，为阴离子双子表面活性剂增稠新型清洁压裂液体系提供试验依据。

1 试验部分

1.1 试剂及原料

双十六烷基氨基双磺酸盐GA-16（阴离子双子表面活性剂，自制）；疏水缔合聚合物GRF-1H（四川光亚聚合物化工有限公司）；正十二醇 （分析纯，武汉豪杰化工公司）；纳米二氧化钛 （10～50nm）（泰州河海集团）。

1.2 试验仪器

MCR301界面流变仪 （德国Anton Paar公司）；1%g精度电子天平 （北京欧亚中兴科技有限公司）。

2 试验方法

2.1 溶液配制

用蒸馏水分别配制质量浓度为1%的GRF-1H溶液、质量浓度为5%的GA-16溶液；其他试验测试所需溶液由其稀释配制。

2.2 黏度测试

在温度30℃，剪切速率170s－1条件下，利用MCR301界面流变仪对不同质量分数的溶液进行黏度测试。

3 结果及讨论

3.1 GA-16的质量分数对其溶液黏度的影响

GA-16质量分数的变化对其溶液黏度的影响如图1所示。随着GA-16质量分数的升高，溶液黏度逐渐增大；当GA-16质量分数小于3%时，溶液黏度增长幅度较大；当GA-16质量分数超过3%时，溶液黏度上升幅度变缓。这说明GA-16的质量分数对其溶液黏度的贡献存在最佳用量，结合增黏效果及经济性，初步选择GA-16的质量分数为3%作后续研究。

图1 GA-16的质量分数对其溶液黏度的影响

3.2 正十二醇对GA-16溶液黏度的影响

正十二醇的质量分数对GA-16溶液黏度的影响如图2所示。加入正十二醇对GA-16溶液黏度影响明显；随着正十二醇质量分数的上升，GA-16和正十二醇混合体系黏度快速大幅上升；但当正十二醇的质量分数达3%后，黏度上升趋势变缓。因此，为了有效提高GA-16溶液黏度，可添加正十二醇，其最佳质量分数为3%～4%。

3.3 GRF-1H对GA-16溶液黏度的影响

通常在表面活性剂溶液中添加聚合物，使表面活性剂溶液或表面活性剂／聚合物复配体系黏度增大，改善溶液性能，显著提高体系功效。但疏水缔合聚合物因其特有疏水微区与阴离子双子表面活性剂的强疏水作用，有可能使体系具有许多独特的性质，例如体系的黏度、界面吸附、增溶等不同于单一组分体系［4］。因此考察了GRF-1H的质量分数对GA-16溶液黏度的影响，试验结果如图3所示。加入少量的GRF-1H对GA-16溶液有一定的增黏作用；但当质量分数达0．15%后，黏度增幅减弱。从增黏效果和成本两方面考虑，选择使用质量分数为0．15%～0．2%的GRF-1H与GA-16溶液复配较为适宜。

3.4 正十二醇、GRF-1H共同作用对GA-16溶液黏度的影响

将正十二醇、GRF-1H与质量分数为3%的GA-16溶液混合后，其混合体系黏度显著增大。由图4可以看出，当体系配方为3%GA-16＋3．5%正十二醇＋0．15%GRF-1H （配方中百分数为质量分数，下同）时，黏度最高可达130mPa·s。

图2 正十二醇的质量分数对GA-16溶液黏度的影响

3.5 GA-16复配体系溶液黏度耐温性研究

在剪切速率170s－1下，分别考察了不同温度对3%GA-16＋3．5%正十二醇＋0．15%GRF-1H 复配体系溶液黏度的影响，试验结果如图5所示。随着温度的升高，GA-16复配体系黏度呈快速下降趋势；当温度大于75℃时，其溶液黏度已低于25mPa·s。结果表明GA-16复配体系耐温性能相对较差，还难以满足作为中、高温地层清洁压裂液的施工需求。

3.6 纳米粒子对GA-16复配体系溶液黏度耐温性的影响

图3 GRF-1H质量分数对GA-16溶液黏度的影响

为提高GA-16复配体系溶液黏度耐温性能，基于纳米二氧化钛对黏弹性胶束溶液的热稳定性有促进作用［5］。在 3%GA-16＋3．5% 正 十 二 醇 ＋0．15%GRF-1H复配体系中添加纳米二氧化钛，试验考察了纳米二氧化钛的质量分数对GA-16复配体系溶液黏度耐温性的影响，试验结果如图6所示。在低温区 （50℃以下）纳米二氧化钛的加入对GA-16复配体系溶液黏度影响不大。随着温度的升高，加入了纳米二氧化钛体系的耐温性能逐渐凸显；直至温度超过90℃，纳米二氧化钛对体系耐温性能提高作用逐渐减弱。造成这一现象的可能原因是纳米二氧化钛通过自身吸附作用，在胶束相互缠绕的空间节点起到连接作用，促进胶束交联，明显地提高压裂液黏度及空间网络结构的稳定性。温度过高后，吸附作用不足以束缚胶束的解离［5］，从而导致黏度明显下降。进一步分析纳米二氧化钛质量分数对GA-16复配体系溶液黏度耐温性的影响，当纳米二氧化钛质量分数为0．125%时，耐温性效果最好。因此满足中等温度油藏压裂需要的阴离子双子表面活性剂清洁压裂液配方为3%GA-16＋3．5%十二醇＋0．15%GRF-1H＋0．125%纳米二氧化钛。

图4 正十二醇、GRF-1H共同作用对溶液黏度的影响

4 结论

1）阴离子双子表面活性剂GA-16的质量分数对其溶液黏度存在影响，随着其质量分数的增大，溶液黏度增大；当GA-16质量分数为3%时具有经济高效性。

2）正十二醇和疏水缔合聚合物GRF-1H均能有效提高GA-16溶液溶液黏度，其最优质量分数分别为0．15%和3．5%；但正十二醇增黏效果更好。

3）正十二醇与疏水缔合聚合物GRF-1H共同作用可进一步提高GA-16溶液增黏效果，其最优复配体系为3%GA-16＋3．5%正十二醇＋0．15%GRF-1H；其可满足低温 （≤75℃）油藏清洁压裂液有效携带支撑剂所需黏度 （25mPa·s）要求。

图5 GA-16复配体系溶液黏度耐温性曲线

图6 纳米二氧化钛对GA-16复配体系溶液黏度耐温性的影响

4）纳米二氧化钛可有效提高3%GA-16＋3．5%正十二醇＋0．15%GRF-1H体系的耐温性能，质量分数为0．125%纳米二氧化钛可使该复配体系黏度耐温达90℃。

［1］唐善法，刘忠运，胡小冬 ．双子表面活性剂研究与应用 ［M］．北京：化学工业出版社，2011．

［2］唐善法，王勤，郝明耀，等 ．双子表面活性剂 （C14－2－14．Br－）水溶液粘度及影响因素研究 ［J］ ．石油与天然气化工，2007，36 （5）：408～411．

［3］刘燕，郭亮，毕凯，等 ．阳离子双子表面活性剂的合成及其在水锁损害中的应用 ［J］．精细与专用化学品，2011，19（8）：8～10．

［4］陈洪，李二晓，叶仲斌，等 ．疏水缔合聚丙烯酰胺与双子表面活性剂的相互作用 ［J］．物理化学学报，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．