聚碳酸醚酯类破乳剂的研究和结论

    聚合物驱、三元复合驱等技术在提高采收率和保障油田稳产方面表现出显著效果，但随着采出液中驱油剂浓度增加，油水乳化程度增强，导致油水分离难度增大。目前油田常用破乳剂主要为非离子型聚醚类破乳剂，该类破乳剂主要是通过调节起始剂、环氧乙烷和环氧丙烷的比例实现高效破乳。然而，聚醚类破乳剂的原料环氧乙烷和环氧丙烷由于闪点低且高温易发生爆炸，限制了其合成与应用。因此，研发新型非聚醚破乳剂成为该领域亟待解决的关键技术问题。研究发现，在破乳剂分子中引入强电负性的氧原子可提高其氢键形成能力，通过氢键重组，改变油水界面膜的稳定性，实现采出液的破乳。基于该领域存在的问题，本文采用较高稳定性的碳酸乙烯酯和碳酸丙烯酯替代环氧乙烷和环氧丙烷，调节合成工艺调控醚基和碳酸酯基的比例，设计并合成分子中含有强电负性氧原子的系列结构可调控的聚碳酸醚酯类破乳剂。通过实验和分子模拟技术，研究了合成的聚碳酸醚酯类破乳剂的界面活性及其在聚驱模拟乳状液和强碱三元复合驱采出液过渡层中的破乳性能，并建立新型破乳剂化学结构与其性能之间的调控关系，揭示其微观作用机制。主要研究结果如下：

       1、以乙二胺为起始剂，碳酸乙烯酯和碳酸丙烯酯为聚合单元，结合红外光谱、核磁共振波谱和原位红外技术研究了合成反应条件对乙二胺基聚碳酸醚酯类破乳剂(EDA-5PEP)收率的影响以及化学结构的调控规律。结果发现，反应温度对EDA-5PEP 的收率和化学结构的影响最大，随着反应温度的升高，反应过程中脱出CO2的量增大，EDA-5PEP分子中碳酸酯基的含量降低。当反应温度由130℃升高至180℃，EDA-5PEP 收率由93.91%降低至56.59%。确定 EDA-5PEP最佳反应条件为：以KOH为催化剂、催化剂用量为2.0%、反应温度130℃、嵌段反应时间为2h。此条件下，EDA-5PEP收率为93.91%，分子结构中同时存在碳酸酯基和醚基，且碳酸酯基含量高于醚基。在EDA-5PEP最佳条件下合成了系列乙撑胺基、树状 PAMAM基和腰果酚基聚碳酸醚酯类破乳剂，收率均在79.00%以上，且分子结构均含有碳酸酯基、醚基和酰胺基等基团，且碳酸酯基的含量高于醚基。

2、采用旋滴法测定系列聚碳酸醚酯类破乳剂的界面活性，并结合分子模拟技术探讨其在油水界面上的微观作用机制。结果表明，与分子结构中高醚基含量的EDA-5PEP-180相比，高碳酸酯基含量的 EDA-5PEP 的分子极性指数由 10.65 kcal/mol 升高至 15.95 kcal/mol，与水分子形成氢键的数量由239.41个增加至379.33个，表现出更强的与水分子的相互作用，但降低油水界面张力能力相对较弱。起始剂分子结构、嵌段数、嵌段顺序和聚合度共同影响聚碳酸醚酯类破乳剂的界面张力。随着聚合度的增加，乙撑胺基聚碳酸醚酯类破乳剂的油水界面张力先降低后升高，而树状PAMAM基聚碳酸酯类破乳剂的油水界面张力则逐渐降低。起始剂的支化度越高，其降低油水界面张力的能力越强。同时，提高起始剂的亲油性有助于增强聚碳酸醚酯类破乳剂降低油水界面张力的能力。

3、采用多重光散射技术研究了系列聚碳酸醚酯类破乳剂对HPAM模拟乳状液的破乳性能，基于分子模拟技术揭示了聚碳酸醚酯类破乳剂的破乳机理。结果表明，分子中碳酸酯基比例较高的 EDA-5PEP的破乳性能优于醚基比例较高的 EDA-5PEP-180，破乳力指数由0.206%增加到0.326%。三嵌段 PEP 组合的 EDA -5PEP 在 HPAM聚驱模拟乳状液中的破乳能力优于EDA-5P、EDA-5PE 和 EDA-5EPE。起始剂分子结构和聚合度协同影响聚碳酸醚酯类破乳剂的破乳效果。随着起始剂分子中亚乙胺基数量增加，破乳能力主要呈先降低后升高趋势，提高起始剂的亲油性有助于提高聚碳酸醚酯类破乳剂的破乳能力，但只有在高聚合度时高支化度才能体现出较好的破乳性能。分子模拟结果表明HPAM与胶质、沥青质可以产生协同作用提高界面厚度和界面乳化效率。EDA-5PEP的破乳机理是顶替和氢键重组双重作用的破乳机制，通过顶替作用将乳化剂分子顶替出油水界面，同时发生氢键重组破坏原有的氢键相互作用。加入EDA-5PEP后，沥青质与水分子之间的氢键的数量减少，HPAM与水分子、HPAM与沥青质之间的氢键寿命降低，乳化剂的界面乳化效率降低，达到破乳的目的。

4、在强碱三元复合驱采出液过渡层组成和性质的研究基础上，明确了过渡层的形成机制为：在驱油剂、纳米级固体颗粒、胶质、沥青质等因素的交互协同作用下，形成了以稳定界面膜、空间位阻、静电排斥和桥联阻聚等多重作用协同的三维网络粘弹性过渡层乳状液；物理清垢措施和老化油回收操作会提高过渡层中固体颗粒和沥青质等含量，从而增加了过渡层的处理难度。通过对过渡层处理剂配方优化，确定了以 PAMAM 基聚碳酸醚酯类破乳剂为主剂、电中和剂与油膜剥离剂为辅剂的过渡层处理剂。室内电脱实验表明，加药浓度为600mg/L时，可将电场的瞬时最大电流由原来的10.74A降到4.86A，降幅为54.75%。现场应用表明，显示的运行电压由216V提升至415V，显示的运行电流由64.50A 降至 21.00A，电脱水器放水口含油量由加药前的 10000 mg/L以上降低至2000mg/L以下，满足现场电脱水要求。