《Colloids and Surfaces A: Physicochemical and Engineering Aspects》：Synthesis and Oil Displacement Performance Evaluation of Bio-Based Anionic-Nonionic Surfactants
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陈夕雅|赵玉荣|赵明伟|丁勤芳|马玉金|严慧慧|雷云|蒋茂林|顾铮
中国石油大学（华东）化学与化学工程学院，青岛 266580，中国
摘要
环保型表面活性剂作为替代石油基产品的可持续选择，已在全球范围内得到广泛应用，尤其是在提高石油采收率（EOR）方面。本研究合成了系列基于生
陈夕雅|赵玉荣|赵明伟|丁勤芳|马玉金|严慧慧|雷云|蒋茂林|顾铮
中国石油大学（华东）化学与化学工程学院，青岛 266580，中国
摘要
环保型表面活性剂作为替代石油基产品的可持续选择，已在全球范围内得到广泛应用，尤其是在提高石油采收率（EOR）方面。本研究合成了系列基于生物材料的阴离子-非离子表面活性剂——鲸蜡醇聚氧乙烯醚硫酸盐（CPES-n，n = 6, 7, 9, 10），这些表面活性剂由腰果壳液体制备，并通过傅里叶变换红外光谱（FT-IR）和核磁共振（^1H-NMR）进行了表征。系统评估了环氧乙烷（EO）链长对界面活性、润湿性改变、吸附性能、乳化作用及驱油效果的影响。结果表明，CPES-n系列材料在高达120°C的温度下仍表现出优异的热稳定性，并具有极强的耐盐性，即使在14,400 mg/L的Ca^2+浓度下也能防止沉淀。其中，CPES-7在各项性能上达到了最佳平衡：在模拟地层水中，其界面张力（IFT）降低至0.8 mN/m；而在20% NaCl溶液中，界面张力可降至0.0216 mN/m。此外，CPES-7还能显著改善岩芯的润湿性，并在低静态吸附率与稳定的乳化效果之间取得良好平衡，因此在岩心驱油实验中实现了最高的增量采收率（23.42%）。这些发现凸显了CPES-n作为在恶劣储层条件下使用的可持续、高性能驱油剂的巨大潜力。
引言
近年来，尽管全球在可再生能源开发方面做出了巨大努力，但化石燃料仍占全球能源消耗的70%以上[1],[2],[3],[4]。作为战略性国家能源资源及现代工业的命脉，石油的稳定供应至关重要[5]。然而，经过一次性和二次性开采后，大多数油田的石油回收率仍未达到30%，大量剩余石油仍滞留在储层中。因此，提高石油采收率（EOR）技术对于有效开发这些剩余资源至关重要。在各种EOR方法中，化学驱油因其高效性和广泛适用性而被广泛采用[7]。然而，随着环境法规的日益严格以及对可持续性的重视增加，传统的化学驱油剂（尤其是基于石油的或不可生物降解的表面活性剂）在环境兼容性和生态毒性方面面临严峻挑战[8],[9],[10]。因此，开发兼具高驱油效率和环保性的绿色替代品已成为石油工业的重要目标。
表面活性剂作为化学驱油中的常用剂型，可通过多种机制促进剩余石油的移动，主要包括有效降低油水界面张力（IFT）[12],[13]、改变储层岩石的润湿性[14],[15]以及乳化原油[11],[16],[17]。近年来，为应对环境问题，生物基表面活性剂成为传统合成产品的有力替代品[18],[19]。这类表面活性剂具有可再生原料、优异的生物降解性和低生态毒性[20]。近年来，在生物基表面活性剂的研发方面取得了显著进展，例如甘醇脂、皂苷和植物酚类等，它们被广泛应用于EOR领域[21],[22],[23],[24],[25]。例如，植物来源的皂苷已被证明具有优异的表面活性[1],[8],[22],[26],[27]。Rignano和Lionetti在2009年从智利皂树皮中提取皂苷后，后续研究探讨了多种植物来源的生物基表面活性剂。Nowrouzi等人[28]发现，来自Acacia setifera的天然表面活性剂在临界胶束浓度（CMC）下可将油水界面张力（IFT）降至1.07 mN/m；Pordel等人[21]发现，来自Ziziphus spina-christi的表面活性剂可将IFT从48 mN/m降低至9 mN/m；Yekeen等人[24]研究表明，在0.2 wt%浓度下，这类表面活性剂不仅将IFT降至1.59 mN/m，还表现出比十二烷基硫酸钠（SDS）更优的润湿性改变和泡沫稳定性。Emadi等人[29]确定了Acacia提取物的CMC，并证实将其添加到水相中可将最终石油采收率从38%提升至53%。此外，甘醇脂类生物表面活性剂即使在复杂储层条件下也展现出良好的应用潜力[30],[31]。在众多生物基表面活性剂中，鲸蜡醇（源自腰果壳液体CNSL）因其独特的分子结构而受到特别关注，它结合了芳香环的刚性、长脂肪链的疏水性和酚羟基的反应性，这种结构使分子设计能够满足特定的EOR需求[32],[33]。基于此结构，衍生物如鲸蜡醇聚氧乙烯醚和鲸蜡醇硫酸盐在钻井液、 demulsifiers及驱油剂等领域表现出优异性能[34],[35],[36]。尽管现有研究主要聚焦于单一结构或有限性质的分析，但关于结构-活性关系（SAR）及其背后机制（尤其是亲水段中的乙氧基化程度如何系统影响储层环境中的性能）仍有待深入研究。这些知识空白阻碍了高性能、环保型EOR剂的合理设计与优化。
节选内容
材料
一系列鲸蜡醇聚氧乙烯醚（BGF-6、BGF-7、BGF-9、BGF-10，固态含量>99%）购自中国山东的Yuso Chemical Technology Co., Ltd。分析级磺胺酸、尿素、氢氧化钠、无水乙醇和二氯甲烷（DCM）均来自上海Macklin Biochemical Technology Co., Ltd。0.1%盐酸标准溶液和液态石蜡购自Aladdin Reagent Co., Ltd。这些材料用于模拟典型的储层环境
生物基表面活性剂的表征
图3展示了生物基表面活性剂CPES-n的FT-IR光谱。如图3所示，CPES-n的FT-IR光谱具有多个特征峰：1100 cm^-1处的强峰对应于乙氧基的C-O-C伸缩振动；1250 cm^-1至1260 cm^-1之间的峰对应于硫酸基团（-OSO3^-）的不对称和对称伸缩；1420-1430 cm^-1附近的吸收峰对应于芳香苯环的C=C伸缩；
结论
本研究成功合成了系列生物基阴离子-非离子表面活性剂CPES-n，并对其进行了表征。结果表明，乙氧基化程度通过非单调机制显著调控了界面性质和EOR性能。这些材料在恶劣储层条件下表现出优异的耐受性：它们在高达120°C的温度下保持结构稳定，并且在极高浓度（14,400 mg/L）的Ca^2+存在下仍能防止沉淀。
作者贡献声明
马玉金：实验研究、数据分析。严慧慧：资料收集。赵明伟：撰写、审稿与编辑、监督、资金申请。丁勤芳：实验研究、数据整理。顾铮：实验研究、概念构思。雷云：资料提供、方法设计。蒋茂林：软件使用、资料准备。赵玉荣：监督、方法设计、资金申请、概念构思。陈夕雅：初稿撰写、实验研究、数据分析。
利益冲突声明
作者声明声明没有已知的可能影响本文研究的财务利益或个人关联关系。
致谢
本研究得到了中国国家自然科学基金（U24B2033）和新疆维吾尔自治区科技重大项目的支持（2024A01010-5）。
