十六烷基胺無堿表面活性劑的合成及界面性能研究

謝建波，王 嬌

(中國石油遼河油田分公司歡喜嶺采油廠，遼寧盤錦 124000)

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十六烷基胺無堿表面活性劑的合成及界面性能研究

謝建波，王 嬌

(中國石油遼河油田分公司歡喜嶺采油廠，遼寧盤錦 124000)

以十六烷基胺、丙烯酸甲酯和二乙醇胺等為原料，經(jīng)邁克爾加成反應(yīng)、水解反應(yīng)及酯交換反應(yīng)合成新型十六烷基胺無堿表面活性劑，利用紅外光譜對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行結(jié)構(gòu)表征。對(duì)新型十六烷基胺無堿表面活性劑與大慶采油一廠原油45 ℃下油水界面張力進(jìn)行研究，其可使大慶油水界面張力達(dá)到超低界面張力(10-3mN/m)；在與烷基苯磺酸鹽復(fù)配時(shí)，當(dāng)其質(zhì)量比為4∶1～5∶1時(shí)，復(fù)配體系能使油水界面張力達(dá)10-4mN/m數(shù)量級(jí)。

無堿表面活性劑 十六烷基胺 邁克爾加成 烷基苯磺酸鹽

三元復(fù)合驅(qū)是三次采油中較為成熟的驅(qū)油技術(shù)，然而采出液處理困難及堿對(duì)地層造成損害等問題很大程度上限制了其工業(yè)化推廣[1]。利用十六烷基胺、丙烯酸甲酯和二乙醇胺等為原料，合成了新型低界面張力十六胺無堿表面活性劑，不但可充分發(fā)揮聚合物的黏彈性，體系界面張力又可保持在10-3mN/m 數(shù)量級(jí)。通過紅外光譜分析了合成產(chǎn)物，對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行結(jié)構(gòu)表征。對(duì)新型無堿表面活性劑與大慶采油一廠原油45 ℃下油水界面張力進(jìn)行研究，可使大慶油水界面張力達(dá)到超低界面張力(10-3mN/m)，研究了合成的新型十六烷基胺無堿表面活性劑與傳統(tǒng)表面活性劑形成的復(fù)配體系，產(chǎn)生顯著的協(xié)同增效作用。其與烷基苯磺酸鹽復(fù)配質(zhì)量比為4∶1～5∶1時(shí)，復(fù)配體系能使油水界面張力達(dá)10-4mN/m數(shù)量級(jí)?？疾炝他}、堿含量及溫度對(duì)復(fù)配體系性能的影響。

1 試劑及儀器

十六烷基胺、二乙醇胺、甲醇、氫氧化鈉、丙烯酸甲酯，均為分析純。

G511型立式攪拌器；真空泵；電熱恒溫水浴鍋；Perkin-Elmer 1700型FT-IR光譜儀，美國Perkin Elmer公司；KQ-C玻璃儀器氣流烘干器；TX-500型旋滴界面張力儀。

2 表面活性劑的合成

2.1 十六烷基氨基丙酸甲酯的合成

首先以十六烷基胺為原料，與丙烯酸甲酯發(fā)生邁克爾加成反應(yīng)。稱取17.20 g十六烷基胺加入蒸餾燒瓶中，加熱至65 ℃至烷基胺完全液化，再用滴液漏斗緩慢滴入18.07 g丙烯酸甲酯，滴加完畢后恒溫，邁克爾加成反應(yīng)3.5 h，反應(yīng)結(jié)束后用真空泵抽濾，得到產(chǎn)物3-(十六烷基氨基)丙酸甲酯。稱取質(zhì)量，計(jì)算收率為85%。

2.2 氨解產(chǎn)物的合成

由邁克爾加成產(chǎn)物和二乙醇胺發(fā)生氨解反應(yīng)。將十六烷基氨基丙酸甲酯與二乙醇胺按質(zhì)量比1∶1加入蒸餾燒瓶中，再加入一定量氫氧化鈉作催化劑，將其加熱至90～100 ℃預(yù)反應(yīng)3 h，采用分液漏斗加球形冷凝管蒸出甲醇，繼續(xù)加熱，抽泵抽濾，得到3-(十六烷基氨基)丙酰二乙醇胺(簡稱DW-3-16)，計(jì)算收率達(dá)95%～98%。

2.3 結(jié)構(gòu)表征

利用Perkin-Elmer 1700型FT-IR光譜儀對(duì)所合成的目標(biāo)產(chǎn)物進(jìn)行紅外光譜分析[2]，譜圖中吸收峰與分子中各基團(tuán)的振動(dòng)形式相對(duì)應(yīng)。紅外光譜圖見圖1。

圖1 表面活性劑DW-3-16紅外光譜圖

3 十六烷基胺無堿表面活性劑的界面性能

采用TX-500型旋滴界面張力儀對(duì)合成的十六烷基胺無堿表面活性劑DW-3-16的油水界面張力進(jìn)行測定[3]。

3.1 DW-3-16與原油間動(dòng)態(tài)界面張力

配制表面活性劑含量(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同)為0.05%～0.25%，選用大慶采油一廠原油，45 ℃下測定油水界面張力，結(jié)果見圖2。

圖2 DW-3-16與原油間動(dòng)態(tài)界面張力

從圖2看出，DW-3-16含量為0.20%～0.25%時(shí)，DW-3-16使得油水界面張力達(dá)超低界面張力 (10-3mN/m)；隨著含量增加，其界面張力逐漸降低，且在50 min內(nèi)達(dá)到平衡。

3.2 堿對(duì)界面性能的影響

三元復(fù)合驅(qū)中注入堿能引起地層黏土分散、運(yùn)移，導(dǎo)致地層滲透率下降，堿與油層流體及巖石礦物反應(yīng)，可形成堿垢，對(duì)地層造成傷害，會(huì)引起油井結(jié)垢，影響油井正常生產(chǎn)；加入堿能大幅降低聚合物的黏彈性[4-5]。因此，堿對(duì)DW-3-16表面活性劑性能的影響至關(guān)重要。

DW-3-16含量0.25%，堿量0.8%，考察各種堿NaOH、Na2CO3、NaHCO3對(duì)界面張力的影響，結(jié)果見圖3。在考察的堿類型中，均能使油水界面張力達(dá)超低界面張力(10-3mN/m)，且由于堿的加入使達(dá)超低界面張力的時(shí)間縮短(20 min即可達(dá)到)，強(qiáng)堿和弱堿對(duì)界面性能影響較小。

圖3 堿類型對(duì)DW-3-16界面性能的影響

進(jìn)一步考察Na2CO3加量對(duì)界面張力的影響，結(jié)果見圖4。

圖4 堿含量對(duì)界面性能的影響

從圖4看出，Na2CO3加量為0.6%～0.8%時(shí)，能顯著降低界面張力；加量為1.0%～1.2%時(shí)，界面張力顯著升高。這是因?yàn)閴A與原油接觸時(shí)，原油中有機(jī)酸由油相內(nèi)部向界面擴(kuò)散并在界面吸附，吸附的有機(jī)酸組分與堿在界面上發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，形成有機(jī)酸鹽，從而降低界面張力。

4 十六烷基胺無堿表面活性劑的復(fù)配性能

表面活性劑復(fù)配體系的研究與應(yīng)用已經(jīng)成為研究熱點(diǎn)，利用合成的新型表面活性劑與傳統(tǒng)表面活性劑以適當(dāng)比例復(fù)配后形成的復(fù)配體系能產(chǎn)生非常顯著的協(xié)同增效作用[6]。

4.1 烷基苯磺酸鹽表面活性劑的界面性能

配制烷基苯磺酸鹽表面活性劑C16-8MXS，油相選用大慶采油一廠原油，測定油水界面張力，結(jié)果見圖5。 C16-8MXS烷基苯磺酸鹽表面活性劑界面張力隨著含量增加逐漸降低，含量為0.25%時(shí)，可達(dá)到超低界面張力。

圖5 烷基苯磺酸鹽C16-8MXS的界面性能

4.2 DW-3-16/C16-8MXS復(fù)配表面活性劑的界面性能

分別配制DW-3-16和C16-8MXS表面活性劑，含量為0.15%，按不同質(zhì)量比復(fù)配，選大慶采油一廠原油，測定油水界面張力，結(jié)果見圖6。

圖6 DW-3-16/C16-8MXS復(fù)配表面活性劑的界面張力

從圖6看出，DW-3-16與C16-8MXS質(zhì)量比為2∶1～3∶1時(shí)，兩者具有很好的配伍作用，使油水界面張力達(dá)超低界面張力 (10-3mN/m)；質(zhì)量比為4∶1～5∶1時(shí)，復(fù)配表面活性劑體系能使油水界面張力達(dá)10-4mN/m數(shù)量級(jí)。

5 結(jié)論

1)以十六烷基胺和丙烯酸甲酯為主要原料，經(jīng)邁克爾加成反應(yīng)得到十六烷基氨基丙酸甲酯，加成產(chǎn)物進(jìn)行氨解反應(yīng)，合成了無堿非離子表面活性劑DW-3-16。利用光譜儀對(duì)合成的表面活性劑進(jìn)行了紅外光譜分析，表明合成的結(jié)構(gòu)明確、純度較高的表面活性劑符合目標(biāo)產(chǎn)物結(jié)構(gòu)。

2)45 ℃下，表面活性劑DW-3-16可使大慶采油一廠原油油水界面張力達(dá)超低界面張力。堿類型對(duì)DW-3-16的界面性能影響較小，而堿含量大于1.0%時(shí)，界面張力顯著升高。

3)考察了DW-3-16與C16-8MXS形成的復(fù)配體系界面性能，質(zhì)量比為2∶1～3∶1時(shí)，兩者具有很好的復(fù)配作用，能使油水界面張力達(dá)10-3mN/m數(shù)量級(jí)；而質(zhì)量比為4∶1～5∶1時(shí)，復(fù)配體系能使油水界面張力達(dá)10-4mN/m數(shù)量級(jí)。

[1] 韓冬,沈平平.表面活性劑驅(qū)油原理及應(yīng)用[M].北京:石油工業(yè)出版社, 2001: 1-5.

[2] 劉合.大慶油田聚合物驅(qū)后采油技術(shù)現(xiàn)狀及展望[J].石油鉆采工藝,2008,30(3):1-6．

[3] Taylor K C，Hawkins B F，Islam M R．Dynamic interfacial tension in surfactant enhanced alkaline flooding[J]．TheJournalofCanadianPetroleumTechnology，2006，29(1)：50-55．

[4] 賈忠偉,楊清彥,侯戰(zhàn)捷,等.油水界面張力對(duì)三元復(fù)合驅(qū)驅(qū)油效果影響的實(shí)驗(yàn)研究[J].大慶石油地質(zhì)與開發(fā),2005,24(5):79-81.

[5] 楊金華,曹亞,李惠林.高分子表面活性劑與原油形成超低界面張力的研究[J].精細(xì)化工,1999,16(2):3-6．

[6] 孫正貴,張健,夏建華,等.兩種新型石油磺酸鹽基復(fù)合驅(qū)油劑的研制[J].中國石油大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版,2007,31(2):135-138.

Synthesis of Hexadecyl Amine Alkali-Free Surfactant and Research on Interface Properties

Xie Jianbo，Wang Jiao

(HuanxilingOilProductionPlantofPetroChinaLiaoheOilfieldCompany,Panjin,Liaoning124000)

The new type alkali-free surfactant was synthesised with hexadecyl amine, methyl acrylate and diethanolamine as raw materials, through Michael addition reaction, hydrolysis and ester exchange. The structure of the product is characterized by infrared spectrum. The oil-water interfacial tension between new type alkali-free surfactant and Daqing oil production plant oil at 45 ℃ could reach ultra-low(10-3mN/m). The oil-water interfacial tension could reach 10-4mN/m magnitude when it compounded with alkyl benzene sulfonate in complex ratio of 4:1-5:1.

surfactants; hexadecyl amine; Michael addition reaction; alkyl benzene sulfonate

2015-05-21。

謝建波，碩士，助理工程師，研究方向油田高分子化合物的合成與性能研究及動(dòng)態(tài)分析。

中國石油科技創(chuàng)新基金研究項(xiàng)目(2012D-5006-0403)。