新型兩性離子粘土穩(wěn)定劑的合成與性能評(píng)價(jià)

劉 燕，畢 凱，郭 亮，任 偉，劉 利，李蔭剛，韓力揮

(1.中國海洋大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院，山東 青島 266100；2.長慶油田第一采油廠，陜西 延安 716000)

隨著油田的不斷開發(fā)，對(duì)儲(chǔ)層的保護(hù)技術(shù)越來越受到人們的關(guān)注[1]，粘土礦物廣泛存在于油藏儲(chǔ)層中，如果開采措施不當(dāng)，會(huì)造成粘土礦物膨脹、分散和運(yùn)移，導(dǎo)致滲透率下降，損害儲(chǔ)層[2]。

目前，普遍采用的粘土穩(wěn)定劑主要是小分子季銨鹽類或聚季銨鹽類表面活性劑以及它們與無機(jī)鹽復(fù)配而成的聚合物，雖然有一定的防膨性能，但耐溫、耐鹽、耐沖刷能力有限，對(duì)地層傷害較大。兩性離子粘土穩(wěn)定劑受pH值影響小、耐溫及耐鹽性能好、抑制粘土水化膨脹能力強(qiáng)，越來越受到研究者的廣泛關(guān)注[3]，但目前國內(nèi)對(duì)兩性離子粘土穩(wěn)定劑的研究報(bào)道較少。作者在此以環(huán)氧氯丙烷、二乙胺、2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸(AMPS)為單體，以過硫酸鉀-亞硫酸氫鈉組成的氧化還原體系為引發(fā)劑，合成了一種防膨性能良好、耐高溫的新型兩性離子粘土穩(wěn)定劑，對(duì)于低滲透油藏的經(jīng)濟(jì)高效開發(fā)具有十分重要的意義。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 試劑與儀器

環(huán)氧氯丙烷、二乙胺(化學(xué)純)，天津博迪化工有限公司；2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸(AMPS)，化學(xué)純，Aladdin Chemistry Co.，Ltd.；過硫酸鉀，上海埃彼化學(xué)試劑有限公司；亞硫酸氫鈉，廣東光華化學(xué)廠；丙酮，萊陽經(jīng)濟(jì)技術(shù)開發(fā)區(qū)精細(xì)化工廠；氯化鉀、氯化銨，天津市北方天醫(yī)化學(xué)試劑廠；氯化鈉，亨達(dá)精細(xì)化學(xué)品有限公司；氯化鎂，國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司；氯化鈣，常州市萬達(dá)試劑廠；鈉基膨潤土，工業(yè)級(jí)，成都優(yōu)武特科技有限公司。除特別注明外，均為分析純?cè)噭?/p>

H.H.S21.2型電熱恒溫水浴鍋，山西省文水醫(yī)療器械廠；DZ-1BC型真空干燥箱，天津泰斯特儀器有限公司；Avator360型FTIR紅外光譜儀，美國 Nicolet公司；烏式粘度計(jì)(0.5～0.6 mm)，上海晶菱玻璃有限公司；TDL-5-A型低速大容量離心機(jī)，上海安亭科學(xué)儀器廠。

1.2 合成方法

在裝有電力攪拌器、回流冷凝管、溫度計(jì)的三頸燒瓶中加入一定量的環(huán)氧氯丙烷，置于恒溫水浴(20～30 ℃)中，按一定比例緩慢滴加二乙胺，攪拌；再滴加一定量的AMPS溶液，將恒溫水浴升溫至40 ℃；然后加入適量過硫酸鉀和亞硫酸氫鈉溶液作為引發(fā)劑，反應(yīng)5 h，得到淺黃色液體，用丙酮溶液洗滌數(shù)次，在60 ℃烘干數(shù)小時(shí)，所得到的聚合物產(chǎn)品即為兩性離子粘土穩(wěn)定劑。

1.3 性能評(píng)價(jià)

(1)配伍性實(shí)驗(yàn)：用標(biāo)準(zhǔn)鹽水配制1.5%的粘土穩(wěn)定劑溶液，室溫下分別放置24 h、48 h、72 h，觀察溶液性能。

(2)產(chǎn)物性能測(cè)定[4]：用紅外光譜儀對(duì)所得產(chǎn)物進(jìn)行分子結(jié)構(gòu)表征；在25 ℃，用烏式粘度計(jì)測(cè)定所得產(chǎn)物的粘均分子量。

(3)防膨效果評(píng)價(jià)[5]：采用離心法測(cè)定實(shí)驗(yàn)合成的粘土穩(wěn)定劑的防膨率。

(4)抗高溫性能實(shí)驗(yàn)[6，7]：將實(shí)驗(yàn)合成的粘土穩(wěn)定劑和幾種常用的粘土穩(wěn)定劑分別配成0.3%(質(zhì)量濃度，下同)的水溶液，放入高壓容器中，緩慢升溫，升溫速度為1 ℃·min-1，恒溫200 ℃放置25 d，觀察溶液性能并用高溫處理后的粘土穩(wěn)定劑進(jìn)行防膨?qū)嶒?yàn)。

2 結(jié)果與討論

2.1 配伍性

實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：溶液澄清，無沉淀物生成。說明實(shí)驗(yàn)合成的粘土穩(wěn)定劑與鹽水的配伍性好，可用于油田開發(fā)。

2.2 產(chǎn)物性能

IR光譜結(jié)果表明：波數(shù)1478 cm-1處的多峰為δ-CH3的不對(duì)稱面內(nèi)彎曲振動(dòng)吸收峰和-CH2-的剪式振動(dòng)吸收峰，1280 cm-1處為C-N的吸收峰，1115 cm-1附近為CH-OH的C-O伸縮振動(dòng)吸收峰，2930 cm-1處的弱吸收峰為飽和νC-H的伸縮吸收峰，1188 cm-1處為AMPS 結(jié)構(gòu)中νC=O的振動(dòng)吸收峰，1038 cm-1處為磺酸基中νS=O的振動(dòng)吸收峰。表明所得產(chǎn)物為目標(biāo)產(chǎn)物。

烏式粘度計(jì)測(cè)定所得聚合物的分子量在1100～2300之間。

2.3 防膨效果評(píng)價(jià)(圖1)

圖1 粘土穩(wěn)定劑質(zhì)量濃度與防膨率的關(guān)系曲線

由圖1可知，實(shí)驗(yàn)合成的粘土穩(wěn)定劑的質(zhì)量濃度為0.35%時(shí)，室溫下的防膨率達(dá)到89.7%、高溫(200 ℃)下的防膨率達(dá)到88.6%；而后隨著粘土穩(wěn)定劑質(zhì)量濃度的繼續(xù)增加，防膨率變化不大。

2.4 與其它粘土穩(wěn)定劑的防膨效果比較

分別將實(shí)驗(yàn)合成產(chǎn)品和幾種常用粘土穩(wěn)定劑配成0.3%溶液，比較室溫和高溫時(shí)的防膨效果及耐水洗性，結(jié)果見表1和圖2。

表1 不同粘土穩(wěn)定劑的防膨效果比較

由表1可以看出，實(shí)驗(yàn)合成的粘土穩(wěn)定劑在室溫和高溫下的防膨率都比較高，經(jīng)高溫處理25 d后其防膨率仍高于88%。這說明實(shí)驗(yàn)合成粘土穩(wěn)定劑的抗高溫性能好。由表1還可看出，KCl、NH4Cl、CH3COOK等在高溫下也表現(xiàn)出較高的防膨率。

圖2 不同粘土穩(wěn)定劑的耐水洗性比較

由圖2可以看出，實(shí)驗(yàn)合成的粘土穩(wěn)定劑經(jīng)過多次水洗后，防膨率基本不變，仍可達(dá)到88.1%，防膨效果最好；KCl、NH4Cl等初始防膨率雖然較高，但明顯不耐水洗，只具有暫時(shí)的防膨性能，防膨效果不夠持久。

3 結(jié)論

(1)以環(huán)氧氯丙烷、二乙胺、2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸(AMPS)為單體，以過硫酸鉀-亞硫酸氫鈉組成的氧化還原體系為引發(fā)劑，合成了新型兩性離子粘土穩(wěn)定劑。紅外光譜分析表明所得產(chǎn)物為目標(biāo)產(chǎn)物，其分子量在1100～2300之間。

(2)配伍性實(shí)驗(yàn)表明該兩性離子粘土穩(wěn)定劑與鹽水配伍性良好；采用離心法對(duì)其進(jìn)行防膨性能評(píng)價(jià)，當(dāng)質(zhì)量濃度為0.35%時(shí)，其防膨率達(dá)到最大，室溫時(shí)防膨率達(dá)到89.7%，高溫(200 ℃)時(shí)防膨率達(dá)到88.6%，表明該兩性離子粘土穩(wěn)定劑防膨性能良好，同時(shí)具有耐洗刷、耐高溫性能，可用于油氣田的開發(fā)。

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[5] SY/T 5971-94，注水用粘土穩(wěn)定劑性能評(píng)價(jià)方法[S].

[6] 賈江鴻，程遠(yuǎn)方，趙修太，等.耐溫長效粘土穩(wěn)定劑CNW-1的研究[J].鉆井液與完井液，2007，24(3)：57-61.

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