表面活性劑科學及其在油氣田開發中的應用（簡體書）

本書為油田化學叢書之一。表面活性劑是石油工作液的主要化學品，而在石油開採過程中又涉及大量表面和界面作用問題。本書介紹了在石油工作液中涉及的特殊表面化學問題，闡述了表面活性劑，尤其是一些新型表面活性劑的合成方法及其應用性質，特別在耐溫耐鹽表面活性劑方面作專門介紹。本書適合油田工程技術領域和從事表面活性劑應用開發的科技人員、相關專業大專院校師生參考使用。

隨著石油化工的發展，一些高性能，專用性的高分子材料、表面活性劑和無機材料相繼問世，高分子工業、表面活性劑工業和無機材料有了突飛猛進的發展。由于這些材料具有多種應用功能，在原油勘探開發（鉆井、固井）、油井增產、提高采收率、稠油開采輸送、石油工程材料保護、油田環境治理中都是必不可少的化學品。目前油田化學方面的叢書很少，為此我們編寫了《油田化學叢書》。胡星琪和趙田紅等編著的《表面活性劑科學及其在油氣田開發中的應用》是該叢書之一。

叢書前言
油田化學是近幾十年發展起來的一個交差學科，針對油氣田開發、生產過程中的化學問題，涉及石油鉆井、固井、完井、油氣增產的酸化、壓裂、提高采收率等各方面，是化學和石油工程結合的特殊學科。石油開發中的泥漿工程師、固井工程師、采油工程師、井下作業工程師都要具備油田化學知識。油田化學已經是油氣田開發、生產中必需的知識，也是保證油氣正常生產的技術。
隨著石油化工的發展，一些高性能，專用性的高分子材料、表面活性劑和無機材料相繼問世，高分子工業、表面活性劑工業和無機材料有了突飛猛進的發展。由于這些材料具有多種應用功能，在原油勘探開發（鉆井、固井）、油井增產、提高采收率、稠油開采輸送、石油工程材料保護、油田環境治理中都是必不可少的化學品。目前油田化學方面的叢書很少，為此我們編寫了《油田化學叢書》。
本套叢書在高分子、表面活性劑、石油地質及開發知識的基礎上，介紹了高分子材料、表面活性劑和無機材料在石油工程各環節中應用研究的最新進展，由西南石油大學油田化學教研室組織編寫。作者根據多年來在高分子材料、表面活性劑和無機材料及其在油氣田開發中的應用領域不斷的探討，將相關的研究工作和心得融合在書中。本叢書包括《油田用聚電解質的合成及應用》、《油田化學品的制備及現場應用》、《表面活性劑科學及其在油氣田開發中的應用》和《特殊油氣井化學工作液》四冊。分別介紹了鉆井、固井、完井、酸化、壓裂、提高采收率等方面用離子型聚合物的合成、應用、特性、作用機理；油田化學品的主要制備方法，油氣田鉆井、固井、酸化、壓裂、堵水調剖、化學驅油、防垢除垢、腐蝕與保護、集輸和水處理方面化學品的制備及現場應用方法；表面活性劑在石油工程各環節中應用研究的最新進展；改善工作液材料、處理劑及工作液配方在固井、酸化、壓裂、三次采油等方面的應用。
本套叢書可作為油氣田應用化學、石油工程、油氣田材料工程學等學科的本科高年級學生、研究生課外閱讀書籍，也可作為相關油田化學工程技術人員和油田化學助劑生產單位技術人員參考用書。
西南石油大學油田化學教研室
2012年2月
前言
素有工業味精美稱的表面活性劑是一類重要的精細化學品。由它的親水親油結構決定，表面活性劑具有許多特殊的性質：表面活性(即降低水的表面張力的性質)、潤濕與分散性能、乳化與起泡功能、增容性質、洗滌性能等。在分散體系中表面活性劑分子可以形成多種形態的聚集體，可以和許多物質發生相互作用，表面活性劑的這些行為使之幾乎可以應用于人類生產活動和生活的各個方面：如洗滌劑、農藥、食品、化妝品、紡織品加工，塑料、橡膠和皮革工業，醫藥，石油工程，金屬加工，建筑業，涂料，新材料制備等。
近幾十年中，一方面，表面活性劑作為石油化工重要產品，在分子設計、門類開發、功能發掘、應用領域等方面的研究都取得長足進展；另一方面，在石油開發的幾乎所有工程環節，表面活性劑都獲得了應用，發揮著不可替代的作用。因此有必要就表面活性劑和表面活性劑科學的基本知識以及它們在油田開發各工程環節的應用作一個較系統的介紹。
本書作者的研究團隊在大分子表面活性劑研究領域耕耘三十多年，進入21世紀開始又對Gemini表面活性劑進行了系列探索，這些工作在本書中都有反映。
本書共10章，前5章是表面活性劑科學基礎知識，包括表面和界面、界面上的相互作用與吸附、界面活性劑、表面活性劑的性質和功能、乳狀液和泡沫；后5章是表面活性劑科學在石油工程各環節，包括鉆井、采油、稠油開采輸送與清防蠟、水處理與材料保護和其他方面的應用。本書第1章、第2章、第5章、第8章、第9章、第10章由胡星琪執筆；第3章、第6章、第7章由趙田紅執筆；第4章由張瑞執筆。全書由胡星琪統稿。
感謝耿向飛為本書制作原圖，感謝西南石油大學化學化工學院對本書寫作的支持。
如果本書到達讀者手中能夠對之提供些許幫助，作者無比欣慰；如果讀者對本書的不足提出意見，作者深表謝意。
胡星琪，趙田紅，張瑞
2012年10月于西南石油大學，成都

第1章 表面和界面
1.1 液體表面 1
1.1.1 表面熱力學 1
1.1.2 表面張力與表面能 2
1.1.3 彎曲表面 3
1.1.4 液體蒸氣壓與界面曲率 5
1.1.5 表面張力的測定 6
1.2 溶液表面 8
1.2.1 溶液表面張力-濃度依賴性 8
1.2.2 表面活性劑與表面活性 9
1.2.3 Gibbs吸附定理 10
1.2.4 溶液的界面狀態方程 13
1.3 液液界面 14
1.3.1 液-液界面張力 14
1.3.2 液-液界面張力理論 15
1.3.3 低界面張力 18
1.4 固氣界面（固體表面） 20
1.4.1 固體表面結構與表面成分 20
1.4.2 固體表面熱力學 22
1.4.3 固體的表面能 23
參考文獻 27
第2章 界面上的相互作用與吸附
2.1 界面上的微觀相互作用 29
2.1.1 分子間的物理力 29
2.1.2 弱化學力 35
2.1.3 分子間相互作用對物質性質的影響 36
2.1.4 分子間相互作用參數和表面活性增效 36
2.2 固氣界面的吸附 37
2.2.1 氣體在固體表面的物理吸附 37
2.2.2 孔隙物質表面的氣體吸附 41
2.3 固液界面的吸附作用 42
2.3.1 固體從溶液中吸附的特征 42
2.3.2 固體從稀溶液中的吸附等溫線 43
2.3.3 電解質在固液界面的吸附 43
2.3.4 表面活性劑在固液界面的吸附 44
2.3.5 大分子表面活性劑在固液界面的吸附 45
參考文獻 47
第3章 表面活性劑
3.1 陰離子表面活性劑 49
3.1.1 磺酸鹽 49
3.1.2 羧酸鹽型表面活性劑 57
3.1.3 硫酸酯鹽 59
3.1.4 磷酸酯鹽 60
3.2 陽離子表面活性劑 60
3.2.1 氮陽離子表面活性劑 60
3.2.2 硫正原子表面活性劑 65
3.2.3 季鹽表面活性劑 65
3.2.4 碘钅翁化合物 65
3.3 兩性離子表面活性劑 66
3.3.1 甜菜堿型表面活性劑 66
3.3.2 咪唑啉型表面活性劑 69
3.3.3 氨基酸型表面活性劑 71
3.4 非離子表面活性劑 72
3.4.1 聚醚親水基表面活性劑 73
3.4.2 多元醇親水基表面活性劑 78
3.4.3 半極性鍵型表面活性劑 82
3.5 非離子離子型表面活性劑 83
3.5.1 非離子-陰離子型表面活性劑 83
3.5.2 非離子-陽離子型表面活性劑 85
3.6 雙子表面活性劑 86
3.6.1 Gemini表面活性劑的性能 86
3.6.2 影響Gemini表面活性劑性能的主要結構因素 87
3.6.3 雙陽離子表面活性劑 87
3.6.4 雙陰離子表面活性劑 93
3.6.5 陽離子-陰離子雙子表面活性劑 97
3.6.6 雙離子對表面活性劑 98
3.6.7 非離子型Gemini表面活性劑 99
3.6.8 非離子-陰離子雙子表面活性劑 101
3.7 高分子表面活性劑 102
3.7.1 聚電解質表面活性劑 102
3.7.2 非離子高分子表面活性劑 110
3.7.3 改性天然高分子表面活性劑 114
參考文獻 114
第4章 表面活性劑的性質和功能
4.1 表面活性劑的性質 119
4.1.1 表面活性 119
4.1.2 溶解性 120
4.1.3 化學穩定性 121
4.1.4 生物安全性 122
4.1.5 生物降解性 122
4.2 表面活性劑的基本評價參數——HLB值 122
4.2.1 HLB值的意義 123
4.2.2 HLB值的經驗計算法 123
4.2.3 HLB值的實驗測定 125
4.2.4 混合表面活性劑的HLB值 126
4.2.5 相轉變溫度（PIT） 126
4.3 溶液中的表面活性劑 126
4.3.1 臨界膠束濃度 127
4.3.2 膠束 129
4.3.3 囊泡 134
4.3.4 液晶 134
4.4 表面活性劑的功能 135
4.4.1 潤濕功能 135
4.4.2 分散與乳化功能 136
4.4.3 增溶功能 137
4.4.4 起泡和消泡功能 139
4.4.5 洗滌功能 140
參考文獻 140
第5章 乳狀液和泡沫
5.1 乳狀液的性質和類型 141
5.1.1 乳狀液的性質 141
5.1.2 乳狀液的類型及鑒別方法 144
5.1.3 影響乳狀液類型的因素 145
5.2 乳狀液的穩定與失穩 147
5.2.1 乳狀液的穩定性及其影響因素 147
5.2.2 乳狀液的失穩 151
5.3 破乳 160
5.3.1 物理機械法破乳 161
5.3.2 化學法破乳 162
5.3.3 破乳劑的破乳原理 162
5.4 泡沫 163
5.4.1 泡沫性質與測定 164
5.4.2 泡沫的穩定性 166
5.4.3 表面活性劑分子結構對泡沫穩定性的影響 173
5.4.4 泡沫穩定性評價 175
5.4.5 泡沫穩定劑 176
5.5 消泡 176
5.5.1 有關消泡的理論研究 176
5.5.2 消泡劑 178
參考文獻 179
第6章 表面活性劑在鉆井完井工程中的應用
6.1 鉆井液中的表面活性劑 181
6.1.1 降濾失劑 181
6.1.2 黏土水化抑制劑 183
6.2 新型鉆井液體系 184
6.2.1 聚合醇鉆井液 185
6.2.2 烷基糖苷鉆井液 186
6.2.3 胺基鉆井液 187
6.3 多相鉆井液體系 188
6.3.1 乳化鉆井液 188
6.3.2 微泡沫鉆井液 190
6.4 表面活性劑在油井水泥中的應用 192
6.4.1 降濾失劑 193
6.4.2 緩凝劑 194
6.4.3 分散劑 196
6.4.4 防氣竄劑 197
參考文獻 197
第7章 表面活性劑在采油工程中的應用
7.1 表面活性劑治理油層傷害 201
7.1.1 油濕傷害與治理 201
7.1.2 水堵與治理 202
7.1.3 黏稠乳堵與治理 202
7.1.4 界面薄膜堵塞與治理 202
7.1.5 固形物堵塞與治理 203
7.1.6 表面能增高導致的滲透率降低與治理方法 203
7.2 表面活性劑在酸化工程中的應用 204
7.2.1 稠化酸 204
7.2.2 泡沫酸 205
7.2.3 乳化酸 207
7.3 表面活性劑在壓裂工藝中的應用 209
7.3.1 乳化壓裂液 209
7.3.2 泡沫壓裂液 211
7.3.3 黏彈膠束壓裂液 212
7.4 表面活性劑在EOR中的應用 215
7.4.1 表面活性劑驅油與復合驅油 215
7.4.2 微乳液驅油 221
7.4.3 泡沫驅油 223
7.5 表面活性劑在堵水中的應用 228
7.5.1 選擇性堵水劑 229
7.5.2 非選擇性堵水劑 231
參考文獻 231
第8章 表面活性劑在蠟晶抑制和原油降黏中的應用
8.1 表面活性劑在稠油采輸中的應用 236
8.1.1 降黏工藝方法 237
8.1.2 降黏降凝劑 238
8.2 表面活性劑清防蠟 242
8.2.1 清蠟劑 243
8.2.2 防蠟劑 244
8.2.3 防蠟機理 248
參考文獻 248
第9章 表面活性劑在水處理和材料保護中的應用
9.1 表面活性劑在油田水處理中的應用（一）阻垢劑和殺菌劑 250
9.1.1 阻垢劑 250
9.1.2 殺菌劑255
9.2 表面活性劑在油田水處理中的應用（二）絮凝劑、螯合劑和除油劑 256
9.2.1 絮凝劑 257
9.2.2 金屬離子螯合劑 260
9.2.3 除油劑 263
9.3 表面活性劑在油氣工程材料緩蝕中的應用 264
9.3.1 緩蝕劑的分類 264
9.3.2 陰離子表面活性緩蝕劑 265
9.3.3 陽離子表面活性緩蝕劑 267
9.3.4 兩性離子表面活性緩蝕劑 268
9.3.5 非離子表面活性緩蝕劑 269
9.3.6 綠色環保型高分子表面活性緩蝕劑 270
參考文獻 270
第10章 表面活性劑在油氣工程中的其他應用
10.1 表面活性劑在排水采氣中的應用 274
10.1.1 泡膜排水采氣技術和泡排劑的性能 274
10.1.2 泡排劑和消泡劑 275
10.2 表面活性劑在原油破乳中的應用 277
10.2.1 原油破乳的主要方法 277
10.2.2 低分子表面活性破乳劑 277
10.2.3 大分子表面活性破乳劑 279
10.2.4 破乳機理 284
參考文獻 285