三種有機(jī)胺粘土穩(wěn)定劑的合成及性能測試

黃立賢

[摘 要]有機(jī)胺粘土穩(wěn)定劑對粘土的穩(wěn)定效果顯著，通過實(shí)驗(yàn)對有機(jī)胺粘土穩(wěn)定劑合成過程中最佳的參與反應(yīng)物質(zhì)的摩爾比，反應(yīng)時(shí)間，反應(yīng)溫度，添加劑進(jìn)行了研究，且對三種有機(jī)胺粘土穩(wěn)定劑添加量對粘土防膨脹率的影響進(jìn)行了研究，可以為有機(jī)胺粘土穩(wěn)定劑的生產(chǎn)及其基礎(chǔ)理論研究提供支持。

[關(guān)鍵詞]有機(jī)胺 粘土穩(wěn)定劑 反應(yīng)條件 性能評(píng)價(jià)

中圖分類號(hào)：TQ07 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-914X（2016）16-0134-02

1.引言

在對油層進(jìn)行注水的過程中，粘土在水敏作用下會(huì)使其中的礦物質(zhì)發(fā)生吸水膨脹與遷移，對油層的滲透率產(chǎn)生嚴(yán)重的影響，因而需要一種粘土穩(wěn)定劑來防治粘土的膨脹。由于在油田開發(fā)的過程中遇到的類似問題越來越多，對于粘土穩(wěn)定劑的需求也是越來越迫切。在上個(gè)世紀(jì)50、60年代，一般使用無機(jī)鹽作為粘土的穩(wěn)定劑，常用的粘土穩(wěn)定劑有氯化鉀和氯化銨；在70年代多使用多核無機(jī)聚合物以及陽離子聚合物作為粘土穩(wěn)定劑；到了上個(gè)世紀(jì)80年代，較多使用的是有機(jī)陽離子聚合物作為粘土穩(wěn)定劑，這種粘土穩(wěn)定劑具有較強(qiáng)的吸附作用，能夠有效抑制粘土的膨脹。季銨鹽是一種有機(jī)陽離子聚合物，其在油田粘土防膨脹的過程中使用廣泛，該物質(zhì)的陽離子通過靜電吸附作用依附在粘土的表面，能夠有效的防止粘土的膨脹，具有較好的實(shí)踐效果。該物質(zhì)會(huì)在粘土的顆粒表面形成一層保護(hù)膜，使得穩(wěn)定粘土的效果更佳顯著。本研究使用環(huán)氧氯丙烷、二甲胺與乙二胺三種物質(zhì)來合成有機(jī)胺類粘土穩(wěn)定劑，對其防膨脹的性能進(jìn)行了探索。

2.實(shí)驗(yàn)部分

2.1 試劑

本實(shí)驗(yàn)所用試劑為環(huán)氧氯丙烷、二甲胺、乙二胺、氯化鉀、氯化銨、氯化鈣等。

2.2 實(shí)驗(yàn)方法

將環(huán)氧氯丙烷加入三口燒瓶中，并按照設(shè)定的比例，緩緩滴入一定量的濃度為33%的二甲胺水溶液，然后輕輕攪拌，在試劑滴加完畢之后將溫度上升到60攝氏度下反應(yīng)5小時(shí)以上。之后進(jìn)行減壓蒸餾，并利用丙酮提純，然后過濾，在真空度為100kPa，溫度為70攝氏度下進(jìn)行反應(yīng)，制取無交聯(lián)劑的聚合物，將該粘土穩(wěn)定劑簡記做為ED。同理進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，將乙二胺作為交聯(lián)劑，用環(huán)氧氯丙烷與作為單體的乙二胺單獨(dú)進(jìn)行聚合得到產(chǎn)物簡單記為EE；類似地，使用環(huán)氧氯丙烷、二甲胺為單體，將在設(shè)定濃度的乙二胺溶液作交聯(lián)劑作用下得到最終的聚合物粘土穩(wěn)定劑簡記為EED。

3.結(jié)果與討論

根據(jù)我國注水用粘土穩(wěn)定劑性能評(píng)價(jià)方法來對聚合物的防膨脹率進(jìn)行測定。

3.1 單體摩爾比對防膨性能的影響

將聚合反應(yīng)的時(shí)間限定為5小時(shí)，反應(yīng)的溫度控制在60攝氏度，在這種條件下使用單體環(huán)氧氯丙烷與二甲胺；以及單體環(huán)氧氯丙烷與乙二胺這兩種單體體系在不同的摩爾比下對防膨脹結(jié)果的影響，實(shí)驗(yàn)的結(jié)果如圖1所示。

通過上圖可以知道，對于粘土穩(wěn)定劑ED來講，ED的防膨脹率隨著環(huán)氧氯丙烷與二甲胺的摩爾比的增加呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢，當(dāng)二者的摩爾比約為為0.8：1 時(shí)，聚合物ED具有最佳的防膨脹率。而在同樣使用乙二胺作交聯(lián)劑的兩種情況下，粘土穩(wěn)定劑EE與EED的防膨脹率都是隨著環(huán)氧丙烷的用量增加而先增大后減小，但是最佳的防膨脹率比例二者有所不同。在合成穩(wěn)定劑EE時(shí)，單體物質(zhì)環(huán)氧氯丙烷與乙二胺的最佳摩爾比為0.8：1；而使用環(huán)氧氯丙烷以及二甲胺做單體合成粘土穩(wěn)定劑EED時(shí)，最佳的單體摩爾比是1：1。

3.2 反應(yīng)溫度對防膨性能的影響

按照環(huán)氧氯丙烷與二甲胺（或乙二胺）摩爾比為0.8：1的比例下來合成聚合物，反應(yīng)的時(shí)間保持不變同樣為5小時(shí)，研究反應(yīng)溫度對聚合物防膨脹率的影響，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖2所示：

通過上圖的實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知三者都是隨著溫度的升高防膨脹率先增大后減小，但是三者防膨脹率最佳時(shí)的反應(yīng)溫度有所差異。聚合物ED隨著溫度的升高防膨脹率呈現(xiàn)出逐漸增大后又逐漸減小的趨勢，其拐點(diǎn)為70攝氏度，所以在70攝氏度下所合成聚合物的防膨脹率最高，即70攝氏度就是該物質(zhì)的最佳反應(yīng)溫度。而后兩者聚合物EE和EED都是隨著溫度的升高聚合物的防膨脹率先是升高然后降低，且EE聚合物的最佳反應(yīng)溫度為50攝氏度，而EED的最佳的反應(yīng)溫度則為60攝氏度。

3.3 反應(yīng)時(shí)間對防膨性能的影響

在保持聚合物合成物質(zhì)的比例不變與反應(yīng)溫度為60攝氏度的情況下，來觀察反應(yīng)的時(shí)間對防膨脹率變化的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖3所示：

通過上圖可以知道三者隨著反應(yīng)時(shí)間增大防膨脹率的變化趨勢大致相似，三種聚合物EE、ED、EED都是隨著時(shí)間的增大防膨脹率先增大再減小，但是三者的最佳反應(yīng)時(shí)間差異較大。首先聚合物ED在反應(yīng)大約5小時(shí)之后達(dá)到最佳的防膨脹率，而后防膨脹率會(huì)下降，因而其最佳的反應(yīng)時(shí)間為5小時(shí)；而穩(wěn)定劑EE隨著時(shí)間的增大防膨脹率先增大后減小其，最佳的反應(yīng)時(shí)間為6小時(shí)；聚合物EED也同樣隨著反應(yīng)時(shí)間的增大聚合物的防膨脹率先增大后減小，最佳反應(yīng)時(shí)間為4小時(shí)。

3.4 交聯(lián)劑乙二胺用量的影響

將三種聚合物合成物質(zhì)比例不變，溫度控制在60攝氏度反應(yīng)6小時(shí)的情況下，來考察交聯(lián)劑乙二胺的加量對穩(wěn)定劑EED防膨脹率的影響，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖4所示：

通過上圖可以看出，隨著乙二胺添加量的逐漸增大，聚合物EED的防膨脹率先增大后減小，當(dāng)該物質(zhì)的添加量占反應(yīng)物質(zhì)量2%時(shí)，達(dá)到的防膨脹性能最佳，因而將乙二胺最佳用量控制在2% 。

3.5 有機(jī)胺粘土穩(wěn)定劑性能評(píng)價(jià)

按照《注水用粘土穩(wěn)定劑性能評(píng)價(jià)方法》 中的離心法來對三種聚合物的防膨脹率進(jìn)行評(píng)價(jià)，通過測定鈉膨潤土在使用三種粘土穩(wěn)定劑之后的膨脹的體積，來對粘土的防膨脹率進(jìn)行計(jì)算。三種物質(zhì)在不同的添加濃度下對防膨脹率的影響如圖5所示。

通過圖5可以看出，當(dāng)穩(wěn)定劑ED的用來約為1.2%的情況下，其防膨脹率已經(jīng)達(dá)到了最大值86.4%，如果繼續(xù)增大ED的用量，該物質(zhì)的防膨脹率會(huì)呈現(xiàn)出下降的趨勢。而穩(wěn)定劑EE在用量為1%的情況下防膨脹率達(dá)到最大值80.58%，如果繼續(xù)增加EE的用量該物質(zhì)的防膨脹率會(huì)緩慢的下降。穩(wěn)定劑EED的用量約為1.2%的情況系，防膨脹率達(dá)到最大值88.96%，在這個(gè)基礎(chǔ)繼續(xù)增大EED的用量，防膨脹率會(huì)基本保持不變。

4.結(jié)論

通過研究，確定了三種聚合物的最佳參與反應(yīng)物質(zhì)的摩爾比，最佳的反應(yīng)時(shí)間，最佳的反應(yīng)溫度，其中粘土穩(wěn)定劑ED最佳的合成條件為： 單體環(huán)氧氯丙烷與二甲胺的摩爾比為0.8：1，反應(yīng)的最佳溫度為70攝氏度，反應(yīng)的最佳時(shí)間為5小時(shí)；粘土穩(wěn)定劑EE的最佳合成條件為： 單體環(huán)氧氯丙烷與乙二胺的摩爾比為0.8：1，反應(yīng)的最佳溫度為50攝氏度，反應(yīng)的最佳時(shí)間為6小時(shí)；粘土穩(wěn)定劑EED的最佳合成條件為： 單體環(huán)氧氯丙烷與二甲胺的摩爾比1：1，反應(yīng)的最佳溫度為60攝氏度，反應(yīng)的最佳時(shí)間為4小時(shí)，乙二胺最佳用量為單體總質(zhì)量的2%；當(dāng)ED、EE、EED 用量分別為1.2%、1%、1.2% 時(shí)，防膨率分別最佳為可以達(dá)到86.44%、80.58%、88.96%，實(shí)驗(yàn)表明，交聯(lián)劑的使用可以有效增加有機(jī)胺粘土穩(wěn)定劑的防膨脹性能。

參考文獻(xiàn)

[1] 萬長鎖，張偉，劉延軍，安引宏.陽離子防膨劑的室內(nèi)性能評(píng)價(jià)研究[J]. 遼寧化工.2011（01）.

[2] 閆杰，馬喜平，孫川，仇盛南.新型低聚季銨鹽陽離子粘土穩(wěn)定劑的研制及評(píng)價(jià)[J].精細(xì)石油化工進(jìn)展.2009（03）.

[3] 郭士貴，許航天，代磊陽，于毅，馬喜平.有機(jī)胺粘土穩(wěn)定劑的合成及性能評(píng)價(jià)[J].應(yīng)用化工.2014（02）.