利用定制阳离子双子表面活性剂实现砂岩和碳酸盐储层电动控制提高石油采收率的机理研究

《Scientific Reports》：Mechanistic investigation of electrokinetically-controlled enhanced oil recovery in sandstone and carbonate reservoirs using a tailored cationic gemini surfactant

　　阳离子双子表面活性剂在化学驱油（cEOR）中显示出巨大潜力，但盐水盐度和储层岩性对其性能的影响尚不明确。本研究合成了一种基于十六烷基的阳离子双子表面活性剂（GEM16-2），并在不同盐度和温度条件下，系统评估了其在砂岩和碳酸盐岩体系中的表现。通过傅里叶变换红外光谱（FTIR）和核磁共振波谱（NMR）验证了合成成功，热重/微分热重分析（TGA/DTG）表明该表面活性剂具有高达220 °C的热稳定性。GEM16-2形成了纳米级聚集体（流体力学直径约为9.31 nm），并表现出优异的耐盐性，在45 °C下于NaCl盐水中高达22.5 wt%的浓度下保持相稳定性。在25 PPM浓度（接近其临界胶束浓度）下，GEM16-2将油水界面张力（IFT）降至0.85 mN/m。界面张力与盐度的关系呈U型趋势，在约4500 ppm Na2SO4时达到最低值，而温度升高则使界面张力单调下降至70 °C。热力学分析证实了自发的胶束形成和吸附过程，其中吸附过程在热力学上更为有利。Zeta电位、吸附等温线和接触角动态分析表明，岩性相关的性能差异主要由静电相互作用驱动。具体而言，在砂岩中添加2000 ppm Na2SO4屏蔽了静电吸引力，使表面活性剂吸附量从0.75降至0.64 mg/g。相反，在碳酸盐岩中，硫酸根离子使表面电荷向负方向偏移，促使表面活性剂吸附量从0.11增至0.53 mg/g。因此，水接触角分别降至43°（砂岩）和65°（碳酸盐岩），改变了润湿性。表面活性剂在多孔介质中的性能受岩性影响；具体而言，在砂岩中约2000 ppm Na2SO4条件下，最终自驱替采收率达到24.74% OOIP，在碳酸盐岩中约4000 ppm Na2SO4条件下达到20.85% OOIP，相比海水分别提高了9.44和9.05个百分点。这些发现表明，阳离子双子表面活性剂驱油的优化盐度受岩性特异性表面电荷调控的影响，而非仅仅取决于界面张力的最小化。