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1、新疆石油科技2012年第1期（第22卷） 阳离子表面活性剂在油田中的应用 闫国峰* 中国石油大学（华东）石油工程学院，266555山东青岛 摘 要综述了阳离子表面活性剂在油田中的应用，阳离子表面活性剂在油田中可以用作页岩抑制剂、缓蚀剂、泥浆降滤失剂、杀 菌剂、堵水剂、防蜡剂、絮凝剂、乳化剂、防乳化剂、破乳剂等，同时还介绍了阳离子表面活性剂的发展趋势。 关键词表面活性剂 阳离子表面活性剂 油田 应用 发展趋势 *作者简介：中国石油大学（华东）在读研究生 1前言 20世纪60年代末，我国石油工业开始应用表面 活性剂，现在阳离子表面活性剂在油田开发中，从钻 井开采到集输等各个生产环节都有广泛的应用，
2、对于 保障钻井安全，提高原油采收率、生产效率和设备防 护有重要的作用。 本文主要介绍阳离子表面活性剂的 特点及其在石油工业领域取得的应用。 2阳离子表面活性剂的特点 阳离子表面活性剂是疏水基通过共价键与带正 电荷的亲水基相连的表面活性剂，它的反离子通常是 无表面活性的简单负离子。 通常阳离子表面活性剂的 疏水基由8到20个碳的烃基构成， 阳离子亲水基由 含氮、磷、硫、碘等原子的可携带正电荷的基团构成。 阳离子表面活性剂除具有一般表面活性剂的基 本性质外，因亲水基带正电荷，容易吸附到带负电的 固体表面，有较强烈的相互作用，形成紧密的单分子 吸附层，从而使固体表面性质发生变化而具有疏水作 用。 如
3、果阳离子表面活性剂浓度大于临界胶束浓度， 阳离子表面活性剂疏水基间相互作用，可进一步形成 亲水基向外的第二层分子吸附，使固体表面又具有亲 水性。 但第二层吸附的表面活性剂分子的吸附强度相 对第一层较弱，易被洗脱。 这层吸附的表面活性剂改 变了被吸附表面的分子组成和表面性质，阳离子表面 活性剂的许多应用特性就是基于该吸附层。 阳离子表面活性剂（主要是季铵盐）水溶液有很 强的杀菌能力，杀菌能力取决于它对细胞的渗透性和 对蛋白质的沉淀能力， 因而油田上广泛用于杀菌、消 毒等，尤其是含苄基的季铵盐是公认的有效杀菌剂。 阳离子表面活性剂与其它类型聚合物有很好的 复配性能，如季铵盐与烷基磺酸钠在水溶液中存
4、在强 烈相互作用，在一定条件下表现出较高的表面活性使 溶液表面张力明显降低。 但阳离子/阴离子表面活性 剂混合物分子间化合物的形成并非以任何方式 任何条件都可以达到，一般条件下得到的往往是失去 活性的离子化合物，无实用价值。 阳离子表面活性剂 和两性离子表面活性剂同样亦存在强烈的相互作用。 而阳离子表面活性剂与非离子聚合物之间相互作用 则存在差异，随聚合物不同而不同。 3阳离子表面活性剂在油田中的应用 阳离子表面活性剂与非离子和阴离子表面活性 剂相比，其极性基团带正电荷，易于在带负电的表面 上吸附成膜，使固体表面呈现出疏水性质。 而且阳离 子表面活性剂还具有比非离子和阴离子表面活性剂 更强的杀
5、菌、抗静电等功能。 阳离子表面活性剂由于 这些独特的性能在原油开采中发挥了重要的作用，按 其使用功能主要有以下几种。 3.1粘土/页岩抑制剂 阳离子型表面活性剂在水中解离后产生具有表 面活性的阳离子，可以吸附在粘土和岩石表面，中和 其表面的负电荷并使表面反转为亲油表面而起到抑 制页岩/粘土的膨胀和分散的作用，从而稳定井壁。 如 环氧丙基三甲基氯化铵、苄基三甲基氯化铵、烷基氯 化吡啶、1-氨乙基-2-十七烷基咪唑啉盐酸盐等。 3.2缓蚀剂 这些缓蚀剂含有氮、硫等元素，这些元素最外层 均有未成键的电子对，可以进入金属结构的空间轨道 形成配位体，可在金属表面以物理吸附或化学吸附的 方式形成吸附膜，隔
6、离腐蚀性介质，从而达到防止金 属腐蚀的目的。 钻井液的腐蚀主要有氧腐蚀、盐腐蚀 32 阳离子表面活性剂在油田中的应用 以及二氧化碳、硫化氢气体腐蚀等，钻井液常用的缓 蚀剂主要是杂环类，以咪唑琳型为主；酸化压裂用缓 蚀剂主要有多乙烯多胺、季铵盐、咪唑琳及其衍生物 等； 油田水处理用缓蚀剂主要有烷基三甲基氯化铵、 烷基氯化吡啶、咪唑琳类季按盐如1-聚氧乙烯基-2- 全氟辛烷基碘化咪唑琳等。 3.3泥桨降滤失剂 这类泥桨降滤失剂主要是高分子阳离子表面活 性剂，如聚季铵盐聚合物，也可与非离子聚合物复配 使用。 这类阳离子泥浆体系具有强抑制性，适用于强 造浆、易坍塌井段。 3.4絮凝剂 这些絮凝剂主要是
7、高分子阳离子表面活性剂，其 絮凝原理为长链分子中的氮离子与固体颗粒表面发 生多点吸附，由于分子链很长，可以同时吸附在几个 固体颗粒上使它们桥联在一起，长链分子还可通过共 同吸附固体颗粒或互相纠缠而彼此聚集在一起，形成 絮凝物而下沉。 絮凝效果的好坏取决于高分子阳离子 表面活性剂的结构及其相对分子质量、 浓度、pH值、 温度及污物的类型等因素，常用类型为烷基氯化吡啶 等。 3.5选择性堵剂 3.5.1选择性堵水剂 阳离子表面活性剂溶于地层水后会随着地层水 的运动吸附于岩石表面上，在岩石孔隙壁与水接触时 往往由于吸附水中的负离子或因自身的解离而使其 孔隙壁带负电荷，因此带正电荷的阳离子表面活性剂
8、就很容易以带正电荷的部位通过静电引力吸附在岩 石上，而以疏水的碳氢链伸入水中使出水层位岩石表 面由亲水转为亲油，增加了水的流动阻力，起到堵水 作用。 3.5.2聚合物驱封窜剂 含有阴离子和阳离子基团的化合物溶液混合时， 在一定条件下可以生成不溶性的絮状物。 阳离子聚合 物封窜控水是将阳离子聚合物溶液注入有HPAM产 出的生产井并顶替至目的层内，阳离子聚合物与滞留 在地层中的含有阴离子基团的HPAM反应， 生成不 溶于水的沉淀物， 随着从注聚井流来的HPAM量的 不断增加，絮状沉淀量不断增加，阻止HPAM流入生 产井。 另外，低渗透层几乎不含阴离子聚合物，不会与 阳离子聚合物发生反应， 因此也具
9、有选择性堵聚作 用。 常用的阳离子表面活性剂有烷基胺乙酸盐、烷基 氯化吡啶、阳离子改性淀粉等。 3.6乳化剂 稠油开采用乳化剂加入阳离子表面活性剂后，由 于表面活性剂的两亲性质使之易于在油水界面上吸 附并聚集，降低了界面张力，改变了界面状态，从而使 本来不能混合在一起的两种液体能够混合到一起，其 中一相液体离散为许多微粒分散到另一相液体中成 为乳状液。 用阳离子表面活性剂乳化石蜡或稠油做堵水剂 也可达到选择性堵水的目的，在水层由于乳化剂在地 面吸附，使乳状液破坏，油珠聚并为高粘度的稠油，产 生很大的流动阻力减少水层出水。 3.7破乳剂 阳离子表面活性剂可中和油珠表面的负电荷，被 中和后的油珠相
10、互之间的静电斥力减少，而油珠间的 碰撞聚并机率增大，使乳状液的稳定性变差，达到破 乳、聚并、油水分离的目的，聚阳离子型高分子表面活 性剂在破乳过程中除了对油珠起静电中和作用外，还 有一定的桥接作用，从而提高破乳效率，较低相对分 子质量的季铵盐类阳离子表面活性剂具有优良的破 乳性能。 3.8油水井酸化处理用防乳化剂 有分支结构的阳离子表面活性剂可吸附在原油 和酸的界面上，但它的分支结构不能稳定任何类型的 乳状液，使酸化过程形成的乳状液易于聚并，防止乳 状液的产生，如：聚氧乙烯聚氧丙烯五乙烯六胺等。 3.9杀菌剂 油田中遇到的细菌主要是硫酸盐还原菌、铁细菌 和腐生菌，它们可引起金属腐蚀、地层堵塞和
11、化学剂 变质，因此需要杀菌。 使用最早最多的杀菌剂就是阳 离子表面活性剂，通过吸附在细菌表面影响细菌正常 的新陈代谢或渗透进细菌的细胞中破坏菌体的生物 酶而起杀菌作用。 其中以含苄基的季铵盐杀菌效果最 好，常见的有十二烷基二甲基苄基氯化铵、十二烷基 二甲基苄基溴化铵等。 杂环类杀菌剂主要包括咪唑啉 类及其衍生物、吡啶类及其衍生物，如十六烷基溴化 吡啶。 3.10水溶性防蜡/淸蜡剂 3.10.1防蜡剂 水溶性阳离子表面活性剂可吸附在结蜡表面，使 其变成极性表面并有一层水膜，不利于蜡在表面上沉 积，从而达到防蜡的目的。 主要有十八烷基胺盐酸盐、 烷基三甲基溴化铵、1-氨乙基-2-十七烷基咪唑啉盐
12、33 新疆石油科技2012年第1期（第22卷） 酸盐等。 3.10.2淸蜡剂 水基清蜡剂是以水做分散介质，其中溶有表面活 性剂、互溶剂和（或）碱性物质的清蜡剂。 表面活性剂 的作用是润湿反转， 使结蜡表面反转为亲水表面，有 利于蜡从表面脱落，不利于在表面沉积。 常见的这类 淸蜡剂主要是水溶性的季铵盐型表面活性剂。 3.10.3天然气水合物抑制剂 在一定条件下，天然气可与水生成水合物，使天 然气管道产生堵塞，因此在天然气输送过程中必须抑 制水合物的形成。 阳离子表面活性剂可通过吸附使析 出的天然气水合物或已长大的水合物结晶表面产生 畸变，不利于它的长大、聚并，抑制了水合物在天然气 管道表面的沉积
13、。 常用剂有烷基氯化铵、聚氧乙烯聚 氧丙烯乙二胺等 4阳离子表面活性剂发展趋势 （1） 开发用天然原料生产表面活性高、无毒、易 生物降解、安全的表面活性剂，并努力提高产品的技 术附加值； （2） 开发“集成”表面活性剂，达到一剂多用的目 的，如十二烷基氯化吡啶有缓蚀、杀菌、页岩抑制、絮 凝、破乳等作用； （3） 研究表面活性剂的协同效应，对不同类型的 表面活性剂进行复配使用，提高表面活性剂的使用效 果，这也是表面活性剂中的重要研究课题； （4） 研究开发适合于特种油藏条件的新型阳离子 表面活性剂，如具有耐高温、抗盐性质的阳离子表面 活性剂； （5） 加强机理研究，对阳离子表面活性剂的应用 机理
14、如杀菌机理、缓蚀机理、絮凝机理、破乳机理、乳 化机理等进行研究，并且随着更多新阳离子表面活性 剂品种的研制，必须提高相关机理的理论研究，使其 更有力地推动阳离子表面活性剂的发展。 参考文献 1郭祥峰，贾丽华.阳离子表面活性剂及应用M.北京：化学工 业出版社，2002：273277 2肖进新，赵振国.表面活性剂应用原理M.北京：化学工业出 版社，2003：413 3赵福麟.油田化学M.东营：石油大学出版社，2005：269281 4赵福麟.采油用剂M.东营：中国石油大学出版社，2006： 249252 5郭光范，郭书菊.咪唑啉型复配缓蚀剂的缓蚀性能J.精细石 油化工进展. 2011，12（3）：
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