磺基甜菜碱型氟碳表面活性剂在化学中的应用

磺基甜菜碱型氟碳表面活性剂在油田化学中的应用 前言：目前表面活性剂是人们生活和社会的生产领域中一类非常重要的精细化学药品，也是石油行业中重要的化学药剂。氟碳表面活性剂已经逐步大范围的应用在石油、消防、化学、胶皮制造等许多技术经济的领域，且享有“工业味精”的良好称号。氟碳表面活性剂是一种特殊的表面活性剂，应用范围大，但因为与其他一般表面活性剂相比较，合成过程复杂、利用成本高，使其研究发展的进度较缓慢，但是氟碳表面活性剂在高温、高矿化度、高酸碱度等的苛刻条件下，具有很好的耐高温、高矿化度、高酸碱度的能力，是一般的表面活性剂不能相题并论的。因此，氟碳表面活性剂在三次采油领域具有很大的应用潜力，具有广阔的应用前景和市场价值，是目前国内众多科研单位 及油田化学工作者竞相研究的课题。

氟碳表面活性剂的应用前景及优点

近几年来，由于世界能源危机，我国的经济突飞猛进的发展，对能源的需求越来越紧迫，逐渐加大了对油气田开采的力度，我国的老油田由于大多数依靠注水进行开采，水驱时间一长，产生的综合含水率逐渐升高，几乎高达80％～90％，由于油气田的含水率很高导致开采的难度也越来越大。目前，三次采油和其他的新技术已成为开采油气田的发展趋势，三次采油是指二次采油(注入水或气)后的采油。这种采油方法是向地层下注入特殊的流体(各种化学剂、C02)来提高采收率的方法。三次采油方法一般可分为四大类：热力驱、混相驱、化学驱、微生物采油，化学驱中表面活性剂驱、复合驱及泡沫驱就少不了表面

活性剂，因此，表面活性剂在提高采收率起到非同小可的作用，现在发现的油藏一般条件比较苛刻和一些老油田开发难度也是日益加大，那对表面活性剂所具有的能力必须逐渐强大，不仅有较好的洗油效率和低损耗值，还提出了耐高盐、耐高温的要求，泡沫驱中还必须在高温高油藏条件下保持良好的泡沫性能，氟碳表面活性剂比其他普通表面活性剂就具备了“三高”(高表面活性、高耐温稳定性和高化定性)、“两憎”(憎水和憎油)的性能，且湿渗透性和起泡稳定性良好、易与碳氢活性剂复配、环境友好、抗静电性等性能。因此，开展氟碳表面活性剂的研究很要，为氟碳表面活性剂在油气田开发中得到大范围推广打下理论知识和实践基础。

分子结构

氟碳表面活性剂是指碳氢链疏水基团中的氢原子被氟原子部分或全部代替的表面活性剂。它的化学结构如下图：

图l-1氟碳表面活性剂的结构

Figl-1 Structure of the fluorocarbon surfactant

普通表面活性剂是由1个非极性部分RF(憎水憎油的氟碳链亲油部分)和1个极性部分X(亲水部分)组成。与一般碳氢表面活性剂一样可以根据X的变化得到四种类型阴离子型、阳离子型、非离子型和两性型的氟碳表面活性剂，根据阴离子结构的不同，可分为羧酸盐型(ROSOO-M+)、磺酸盐型(RFS03M+)、硫酸酯盐型(RFOS03-M+小)和磷酸醋盐型(RpP(o)022。M2+)等几大类。其中RF为氟碳疏水基(即疏油基)，M为无机或有机阳离子。

1 钻井液

由于含氟粘弹性表面活性剂溶液在高剪切速率下网状结构破裂，粘度很低，可最大限度地减少从井口到喷嘴的能耗，从而提高钻速；而在环空的低剪切速率下网状结构重新形成，粘度回升，如此可保证良好的悬浮携屑能力。含氟粘弹性表面活性剂溶液在较低表观粘度下具有极好携砂能力，而粘度并非携砂能力的关键因素，其携砂能力来自于胶团的网络结构及其弹性

2完井液

含氟粘弹性表面活性剂的由于具有良好的热稳定性、盐增稠以及完全破胶等特性拓宽了其在完井作业中的应用。为了提高完井的质量，必须确保生产流体均匀流过整个完井装置。如果返排后仍然有钻井液和携砂液残留物，地层的导流能力必将受到破坏，与其它聚合物不同，FVES携带流体能优化砾石输送而不会留下残余物。在北海英国海域Shetland岛以西大约190公里的Foinaven油田的深水油藏，BP石油公司对水深为400—600m的井，采用含氟粘弹性表面活性剂作为完井液，完成了世界上最长的深水裸眼分流管砾石填充完井。斯伦贝斯公司开发的FVES Clear PAC完井液具有良好的剪切稀释、清洁和携带能力，并且与滤饼清洁剂配伍性好的特点在水平井生产中得到成功地应用。 3 压裂液

含氟粘弹性表面活性剂(简称FVES)压裂液是长链脂肪酸的季铵盐类阳离子表面活性剂溶解在盐水中形成的胶束溶液。FVES压裂液中·为了抵消阳离子基团之间的排斥力，引入了平衡阴离子，使用了无机阴

离子和有机阴离子，使FVES溶液粘度提高并具有弹性，形成凝胶。FVES压裂液进入含油岩心或地层后，亲油性有机物将被胶束增容，棒状胶束将膨胀，最终将崩解成为较小的球形胶束，FVES凝胶破解，形成粘度很低的水溶液。此后在加拿大阿尔伯塔，美国堪萨斯、怀俄明、俄克拉荷马，意大利亚德里亚海及美国墨西哥湾等油田的常规压裂作业中得到了广泛应用，效果良好。FVES压裂液配制容易，施工简单，用量少，摩阻小，携砂能力强，处理后油井增产显著。在堪萨斯西南部，用FVES压裂液压裂的一口浅油井，其初始产量比处于同一地层段上的主井高27％，比12口邻井的平均产量高52％。

4酸化液

当用盐酸酸化碳酸盐岩地层时，在基岩中由酸溶蚀形成一些主要通道，酸液主体就会沿着这些通道流动，而不能对其它的岩层进行酸化处理，因此常常在酸液中添加化学转向剂进行转向处理，以改变注酸流动剖面，使酸液进人中、低渗透层，与未酸化的部分反应，提高酸 化效果。所用的含氟粘弹性表面活性剂不会产生任何残留物滞留在酸蚀溶洞表面，并且所需清洗压力极低。采用FVES的地下成胶酸能够呈现持续的高粘态，直至破胶。这个持续的高粘态较之聚合物地下成胶酸更利于酸液的转向。因此，该体系可解决长段裸眼地层的酸化难题且不会对地层造成伤害。斯伦贝谢公司研制的Oil SEEKER酸转向剂，是一种FVES流体，既可以由于砂岩油藏又可以用于碳酸盐岩油藏，在任何一种油藏中Oil SEEKER都能够选择性地降低水层的注入能力，迫使酸液转向进入具有较高含油饱和度的地层。OilSEEKER在与水进行

接触的时候，能够保持凝胶状态，但与原油接触的时候粘度降低。实验室的岩芯驱替实验表明Oil SEEKER能够从20000毫达西德填砂管模型转向到200毫达西的岩芯中。在循环作业几次之后，大约有40％的酸液被注入到低渗层。在委内瑞拉西南部的Barinas油田，委内瑞拉国家石油公司(PDVSA)和斯伦贝斯公司对SMW9井采用OilSEEKER进行酸化处理，这口井的产量由酸化前的51桶／日增加到180桶／日。5提高采收率化学用剂含氟粘弹性表面活性剂溶液可以作为性能优良的驱油增稠剂。高剪切下低粘度，易于泵注，不存在象聚合物的剪切降解。在地层孔隙流动的低流速下，网状结构重新形成，粘度

恢复。同时网状结构是小分子表面活性剂可逆聚集形成，因而可进入到低渗透地层，可以解决大分子聚合物不能解决的低渗透地层驱油的问题。另外，这种体系还有一个重要特点是在很宽的矿化度范围(从蒸馏水到含75％电解质的盐水溶液)内都可根据需要选择合适的表面活性剂配制出良好流变性的体系。也可配制出对温度不敏感的体系。这样就解决了高温高矿化度环境下的驱油难题。有研究指出，表观粘度相同的不同体系，粘弹性突出的体系驱油效果好，这无疑又是对含氟粘弹性表面活性剂作为驱油剂的肯定。另外，体系同时具有显著降低油水界面张力的能力。体系在调剖堵水中也有应用潜力。 含氟粘弹性表面活性剂应用前景

由于含氟粘弹性表面活性剂是近几年人们才开始研究的一种新体系，对这种体系的性能及产生这些性能的机理都有待更深入地研究。要高效、经济地应用这一新的体系，尚需做大量的工作。作者认为以下工

作是首先必须开展的：①研制、开发高效、经济的体系，基础研 究报道的含氟粘弹性表面活性剂溶液的表面活性剂的浓度质量分数至少在几千×10t-6]。因此，若能研制开发出溶液中表面活性剂浓度在质量分数1000×10 L-6]以下仍有良好流变性的表面活性剂，则现场更易接受；②研究油田不同应用环境对含氟粘弹性表面活性剂溶液 流变性的影响，油田应用中，体系所处的具体环境如温度、压力、矿化度、PH值等对流变性的影响以及与其它外加剂的作用；③研究与之配套的施工工艺。