作者：Shima Yaghoubi、Javad Saien、Mona Kharazi、Samaneh Sanei Movafagh
伊朗哈梅丹布-阿里·西纳大学化学与石油科学学院应用化学系，邮编6517838695
摘要
本文合成了一种新型的深共晶表面活性剂（DESU），该表面活性剂由双子表面活性离子液体（GSAIL，[C4im-C6-C4im][Br]2）和尿素前体制备而成。密度泛函理论（DFT）计算、傅里叶变换红外光谱（FT-IR）、1H核磁共振（1H NMR）、13C核磁共振（13C NMR）以及热重分析（TGA-DTG）的结果揭示了DESU产物中氢键的形成及其稳定性。实验表明，在该产物的作用下，提高石油采收率（EOR）的多个方面均得到了改善：原油-水界面张力（IFT）从30.26 mN/m降低到了极低的0.10 mN/m，显示出优异的性能，这优于单独使用前体或其简单混合物（未形成共晶结构）时的效果。当温度从298.2 K升高到328.2 K时，IFT进一步降至0.03 mN/m，降低了99.9%。此外，使用约1.0 mol/dm3的DESU在水相中制备出了乳化指数为63.1%的稳定的水包油乳液。表面润湿性也发生了变化，从油润湿转变为水润湿，接触角从137°降至34°。基于Frumkin等温线模型，可以精确再现IFT数据，并确定了相应的吸附和热力学参数。本研究展示了这种新一代表面活性剂在提高石油采收率方面的潜在应用。
引言
随着全球工业化进程的加速和石油产量接近峰值，能源需求持续增长，这已成为一个重大问题（Sanati等人，2022年）。为满足这一需求，实施提高石油采收率（EOR）的技术变得至关重要，因为储层中仍有大量原油未被开采（Mushtaq等人，2023年）。因此，人们开始关注向油藏中注入各种化学物质，如表面活性剂、聚合物和碱类。降低原油-水界面张力（IFT）、原位形成微乳液以及改变岩石的润湿性（从油润湿变为水润湿）是化学EOR策略的重要组成部分（Zhao等人，2022年；Medina等人，2023年；Saien和Kharazi，2023年）。
原油-水的IFT在决定储层岩石中原油的毛细力方面起着关键作用。其他相关因素还包括润湿性、毛细力、接触角和粘性力（Rao等人，2025年）。一个著名的关系式通过毛细数表示：
，其中代表被驱替液的粘度，代表位移液的流速，表示位移液与原油之间的IFT（Khandoozi等人，2022年）。表面活性剂可以降低原油与注入液之间的IFT，从而提高毛细数，使被困原油能够在孔隙中流动，进而提高原油的采收率（Yang等人，2022年）。
在化学EOR中，表面活性剂在恶劣储层条件下的稳定性是一个主要挑战。因此，人们对绿色且稳定的表面活性剂的需求日益增加，以替代传统表面活性剂（Kharazi等人，2025年）。双子表面活性离子液体（SAILs）因具有低蒸气压、良好的化学稳定性、宽的液态温度范围、热稳定性以及可通过离子交换或结构修饰来实现特定功能等优点而受到广泛关注（Kharazi等人，2023a；Asadabadi等人，2024年）。最近对基于咪唑基的双子表面活性离子液体（GSAIL，[C4im-C6-C4im][Br]2）的界面性能进行了研究，发现其在水相中具有高稳定性，能够显著降低IFT并促进乳液的形成（Saien等人，2023a）。
另一个问题是SAILs的价格通常较高，这限制了其在EOR应用中的使用。为解决这一问题，将廉价材料与表面活性剂结合以形成深共晶结构是一个有吸引力的方法。近年来，深共晶表面活性剂（DESUs）因其独特的性质（如化学和热稳定性、生物相容性和成本效益）而成为传统表面活性剂的替代品（Grau等人，2022年）。需要注意的是，用于这些目的的深共晶产品通常被称为“深共晶溶剂”，简称DESs（Sanati等人，2022年）；然而，由表面活性剂与前体形成的产物实际上是一种表面活性剂材料，而非溶剂。
深共晶表面活性剂是通过合适的氢键供体（HBD）和氢键受体（HBA）前体合理合成的，其中至少有一种前体具有表面活性（Basu等人，2023年）。多项研究表明，由氯化胆碱和尿素组成的DESUs可以有效降低水相和油相之间的IFT，改变岩石的润湿性，生成乳液，并提高位移相的流动性（Mohsenzadeh等人，2015a,b；Hadj-Kali等人，2015年；El-hoshoudy等人，2019年；Atilhan等人，2022年；Raut等人，2023年）。例如，Hadj-Kali等人（2015年）使用氯化胆碱和尿素合成的DESU表现出显著的界面活性，IFT可降至4.3 mN/m。最近，Raut等人（2023年）研究了该DESU在原油采收中的应用，发现加入共表面活性剂后，原油-水IFT可降至约0.2 mN/m。
考虑到SAILs的独特性质，可以使用SAIL作为HBA，尿素作为HBD来制备DESU。尿素的极性结构增强了产品的亲水性，强化了其表面活性。同时，尿素的氨基具有碱性，使其能够与原油中的环烷酸相互作用，生成表面活性剂，从而降低IFT（Dahbag等人，2020年；Rao等人，2025年）。在这里，使用了一种优质的基于咪唑基的GSAIL ([C4im-C6-C4im][Br]2) 与经济实惠的尿素前体结合，制备出了高效的DESU。经过精确表征后，该产品无需添加共表面活性剂即可用于降低原油-水IFT、形成乳液和改变固体表面润湿性。IFT数据基于理论分析得出，相关热力学参数也通过温度变化确定。据我们所知，这是该领域首次将此类DESU应用于EOR的研究。
材料与方法
原油样本来自伊朗南部的一个油田。原油的规格和性质见表1。所用化学品均购自Merck和Exir公司，均为分析级，无需额外纯化。表2列出了GSAIL和DESU合成过程中使用的化学品的供应商信息及其质量分数纯度。DESU溶液使用新鲜去离子水配制。
IFT变化
如图8所示，当温度分别为298.2 K和328.2 K时，IFT分别从30.26 mN/m降至0.10 mN/m和0.03 mN/m，降幅分别为99.7%和99.9%。当DESU的临界胶束浓度（CMC）达到约1.0 mol/dm3时，吸附在界面上的分子饱和，界面不再有自由位点，分子自组装形成胶束，此时IFT保持恒定（见插图）。
结论
本研究探讨了一种新型深共晶表面活性剂（由双子表面活性离子液体和尿素组成）在提高石油采收率方面的效果。当GSAIL与尿素的摩尔比为3:2时，该产物表现出强烈的两亲性，体现了其在环境和经济方面的优势。分析证实，前体在水溶液中形成了稳定的氢键，并且该产品在较高温度下仍保持热稳定性。
作者贡献声明
Javad Saien：撰写、审稿与编辑、方法学设计、资金获取、数据分析。
Mona Kharazi：撰写初稿、数据可视化、实验设计。
Shima Yaghoubi：撰写初稿、数据可视化、软件应用、方法学设计、数据整理、概念构思。
Samaneh Sanei Movafagh：结果验证、软件编程。
未引用参考文献
Atilhan和Aparicio，2022年；Dahbag等人，2020年；Danov和Kralchevsky，2012年；Prosser和Frances，2001年；Sangapalaarachchi和Lau，2019年。
利益冲突声明
作者声明不存在可能影响本文研究的已知财务利益或个人关系。
致谢
作者感谢布-阿里·西纳大学对这项研究的财政支持。
