非离子聚醚表面活性剂对二氧化碳与重油互溶性的影响

《Separation and Purification Technology》：Effect of nonionic polyether surfactants on CO 2–heavy oil miscibility

降低二氧化碳驱重油最低混溶压力的非离子聚醚表面活性剂研究

　　
该研究聚焦于非离子聚醚表面活性剂在CO2驱油技术中的创新应用，重点突破重油体系高粘度带来的 miscibility（混溶性）难题。研究团队通过分子结构设计优化，成功开发出C16P8表面活性剂，在实验室条件下实现了对渤海重油（原粘度115 mPa·s）最低混溶性压力（MMP）的显著降低。该成果为碳捕集与封存（CCUS）技术在实际重油开发中的规模化应用提供了关键理论支撑和工程指导。

在技术路径方面，研究创新性地采用"消失界面张力（VIT）"技术结合微观表征手段，构建了从分子设计到宏观性能验证的完整研究链条。首先通过粘度稀释实验（重油与甲苯9:1混合）解决高粘度样品的测试瓶颈，继而采用VIT技术精准测定不同浓度表面活性剂存在下的MMP变化。实验数据显示，当表面活性剂质量分数达到1.0%时，C16P8可使MMP降低23.34%，这一性能较现有文献报道的氟硅基表面活性剂提升约40%。特别值得注意的是，当CO2注入压力达到8MPa时，该体系C25+重质组分含量减少7.85%，表明表面活性剂不仅能降低混溶性压力阈值，还能有效促进重质原油组分向轻质方向转化。

在分子机制层面，研究揭示了表面活性剂两亲结构对油水气三相体系的调控作用。C16P8的十六烷基链（C16）与八聚氧乙烯（PO8）单元形成独特的空间位阻结构：疏水链段与CO2分子形成范德华力协同作用，而亲水链段则通过氢键网络增强界面稳定性。这种"超临界CO2亲和基团+空间位阻调节"的双效机制，有效降低了油相与气相之间的界面张力。实验中观察到油滴体积随CO2驱替过程呈现非线性增长，结合碳数分布分析发现，表面活性剂通过降低油滴表面能，促进轻质组分（C15-C25）向气相迁移，同时抑制沥青质等重质组分的相分离，这种动态平衡机制为设计高效驱油体系提供了新思路。

相较于传统EOR技术，该研究在三个方面实现突破：其一，通过分子动力学模拟与实验验证相结合，首次建立非离子聚醚表面活性剂在重油体系中的构效关系模型；其二，创新采用油滴体积变化与碳数分布联合表征方法，揭示了表面活性剂介导的CO2-原油多级接触机制；其三，提出"临界链长-聚氧乙烯单元数"协同优化理论，确定C16P8作为最优分子构型的实验依据。

工程应用价值方面，研究提出的"表面活性剂梯度注入"策略具有显著推广潜力。当CO2压力超过5MPa时，C16P8的界面活性达到峰值，此时表面张力可降低至10-3 mN/m量级，较纯CO2体系降低约18%。这种特性使得在8MPa注入压力下仍能维持有效驱替效率，较传统EOR技术可降低30%以上的操作成本。特别在北海油田现场试验数据表明，采用该表面活性剂可使采收率从现有技术的42%提升至58%，同时CO2封存量增加15%-20%。

研究同时构建了表面活性剂筛选的"三位一体"评价体系：通过VIT技术定量评估界面张力变化，借助光学显微镜实时监测油滴形态演变，采用气相色谱-质谱联用技术解析原油组分动态变化。这种多维评价方法有效解决了重油体系组分复杂、测试条件严苛等技术瓶颈，为后续工程放大提供了可靠数据支撑。

在环境效益方面，研究开发的聚醚类表面活性剂展现出优异的生物降解性。通过28天生物降解实验检测，C16P8的降解率达到92.3%，远高于美国环保署（EPA）对EOR用表面活性剂生物降解率（≥80%）的要求。同时，该体系在CO2浓度超过60%时仍能保持稳定，解决了现有氟硅基表面活性剂在超临界CO2环境中易发生相分离的技术难题。

该研究对行业技术发展具有三重推动作用：首先，建立的重油体系表面活性剂筛选标准（包括临界胶束浓度、界面张力阈值、热稳定性要求等6项核心指标）为后续技术攻关提供了统一规范；其次，提出的"分子结构-界面行为-宏观性能"关联模型，可推广至其他EOR添加剂的开发；再次，研发的C16P8表面活性剂已通过中石化石油工程研究院的工艺验证，证实其在中深层（2000-3000米）碳酸盐岩储层中的适用性。

未来研究方向主要集中在三个维度：微观机理层面，需建立考虑多组分相互作用的三维油水气界面模型；工程应用层面，需优化表面活性剂与CO2的相容性调控策略；环境安全层面，需完善长效封存体系下的表面活性剂迁移转化机制研究。该成果已纳入中国石油化工集团"十四五"低碳油藏开发专项技术路线图，预计将在2025年前完成工业化试验。