粘彈性表面活性劑

表面活性劑表面活性劑（surfactant）又稱界面活性劑，是能使兩種液體間、液體―氣體間、液體―固體間的表面張力（surfacetension）或界面張力（interfacialtension）顯著降低的化合物。粘彈性表面活性劑是一種新型Gemini陽離子表面活性劑，分子結(jié)構(gòu)中含有兩個陽離子位點，在水中很容易形成獨特的蠕蟲狀膠束而使其水溶液具有優(yōu)異的粘彈性。粘彈性表面活性劑溶液由于其特殊的流變性，在日用化學(xué)工業(yè)、涂料、選礦、礦漿（如煤漿）管輸、洗滌、流體管輸減阻、食品工業(yè)、農(nóng)藥以及石油工業(yè)中有著很好的應(yīng)用前景。目前已確認的粘彈性表面活性劑包括：季銨鹽陽離子表面活性劑；甜菜堿、氧化胺型兩性表面活性劑等。粘彈性表面活性劑溶液組成具有粘彈性的溶液較多,通常所說的粘彈性表面活性劑溶液體系是指由長鏈烷基季銨鹽和長鏈烷基鹵化吡啶與鹵化物、硝酸鹽及有機鹽(如水楊酸鈉、對甲基苯磺酸鹽)等按一定比例混合形成的溶液,這些體系在相當?shù)偷臐舛认戮途哂泻芨叩恼扯群惋@著的彈性,是目前研究最多的粘彈性表面活性劑體系。近來廣受研究人員關(guān)注的一類新型離子表面活性劑為孿連（雙子）表面活性劑（GeminiSurfactant），其分子中同時含有兩個疏水長鏈、兩個親水離子頭基和一個橋連基團，其典型結(jié)構(gòu)為：該表面活性劑在不加其它組分和濃度很低時也能形成粘彈性溶液，當質(zhì)量分數(shù)為4%時,其水溶液變成像凍膠一樣的粘彈體;當質(zhì)量分數(shù)為7%時,溶液就變得和膠水一樣粘稠。粘彈性表面活性劑溶液微觀結(jié)構(gòu)在溶液濃度很低時,表面活性劑呈單分子分散狀態(tài),或通過分子自組裝形成球形膠束,此時溶液粘度很低,與溶劑粘度相差不大,表現(xiàn)為牛頓流體。當溶液濃度增大到某一臨界濃度（或稱為閥值濃度）C時，球形膠束開始向蠕蟲狀（Worm-like）膠束轉(zhuǎn)變，溶液粘度突然增大;隨著濃度的進一步增大，蠕蟲狀膠束快速生長、增長并形成線型柔性棒狀（FlexibleRod-like）膠束，柔性棒狀膠束相互纏繞、粘附甚至融合，形成某種超分子三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，溶液粘度急劇增加，并表現(xiàn)出較強的粘彈性。人們一般認為,產(chǎn)生粘彈性的原因是由于形成了線型柔性棒狀膠束,膠束很長且相當柔順(已測定固有長度在10~10000納米之間),相互纏繞,并且繞點(粘附點、融合點)間有足夠的距離,使得在不改變周轉(zhuǎn)長度的基礎(chǔ)上具有像聚合物體系一樣的高斯鏈分布行為。在表面活性劑溶液體系中,膠束由球型→蠕蟲狀→棒狀→三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)變已由其冷凍透射電鏡照片得到證實。這種三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的粘彈性表面活性劑溶液的流變特性與溶解于良溶劑中的柔性長鏈聚合物體系相似,是熱力學(xué)穩(wěn)定體系,二者主要的差別在于前者形成的三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)是暫時的,蠕蟲狀膠束和棒狀膠束處于纏繞和解纏、斷裂和重組的動態(tài)平衡之中,而后者是不可逆的,因而前者也常常被稱之為“活性聚合物”。由粘彈性表面活性劑形成的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)示意圖如圖所示。粘彈性表面活性劑溶液的應(yīng)用1.壓裂液常規(guī)水力壓裂所用聚合物在地層中殘留量大，會很大程度地降低支撐劑填充層的滲透率，造成二次傷害，降低壓裂效果。國外根據(jù)粘彈性表面活性劑溶液的特殊性能開發(fā)出一種新型無聚合物壓裂液——粘彈性表面活性劑壓裂液壓裂液?，F(xiàn)場實驗表明，瓜膠壓裂液返排率僅為30%~45%，而VES壓裂液攜砂填充的支撐劑層滲透率保留率一般在90%以上。二者的對比如下：2.鉆井液由于粘彈性表面活性劑溶液在高剪切速率下網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)破裂,粘度很低,可最大限度地減少從井口到噴嘴的能耗,從而提高鉆速;而在環(huán)空的低剪切速率下網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)重新形成,粘度回升,如此可保證良好的懸浮攜屑能力。粘彈性表面活性劑溶液在較低表觀粘度下具有極好攜砂能力,而粘度并非攜砂能力的關(guān)鍵因素,其攜砂能力來自于膠團的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)及其彈性。另外,蠕蟲狀/棒狀膠束增溶一些油溶性有機物質(zhì)后可向球形膠束轉(zhuǎn)化,從而破壞網(wǎng)狀結(jié)構(gòu),體系不僅不再有懸浮能力,而且粘度可降至與水相差不多,這樣懸浮的固相易于沉降析出(這是聚合物體系無法達到的),再除去油溶性物質(zhì)(如一些油溶性物質(zhì)沸點比水低,可加熱除去,這里稱之為“破膠劑”),網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)又可基本恢復(fù),重新投入使用。除具有良好的流變特性和攜帶鉆屑能力及可反復(fù)利用外,該體系因為形成的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)能束縛大量自由水,故還具有優(yōu)良的降濾失能力。3.流體輸送減阻某些含有柔性棒狀膠束的表面活性劑稀溶液比線性高分子溶液有更好的減阻效應(yīng)。高分子鏈在高速流動和較高溫度下易發(fā)生降解,因而降低減阻能力,而膠束不存在這樣的問題,減阻效應(yīng)較穩(wěn)定。比如C16NMCl(濃度為5mmol/L)和NaSal(濃度為12.5mmol/L)的混合體系在10～70℃之間都有良好的減阻效應(yīng),在15～60℃之間的最佳減阻效應(yīng)約為70%。這種減阻效應(yīng)對降低鉆井液、完井液、壓裂液、驅(qū)油工作液的泵送及油井注水的能耗有積極作用。不足