一种双子表面活性剂及其在油基钻井液乳化剂中的应用

在油田用表面活性剂中, 钻井用表面活性剂 (包括钻井液处理剂和油井水泥外加剂) 用量最大, 约占油田用表面活性剂总量的60%左右;釆油用表面活性剂的量相对较少, 但其技术含量相对较高, 其用量约占油田用表面活性剂总量的1/3, 这两类化学品在油田用表面活性剂中占有重要的位置。

双子表面活性剂现状双子表面活性剂是带有两条疏水链、两个亲水基团和一个连接基团的特殊机构的表面活性剂。特殊的结构决定了双子表面活性剂独特的性质:极高的比表面活性, 很低的cmc值, 很低的Krafft点, 良好的泡沫稳定性、钙皂分散力、润湿、增溶和洗涤能力。

双子表面活性剂近几年发展迅速, 目前在石油工程主要用于采油作业中, 但目前使用的表面活性剂存在一些缺点。本文主要通过合成了一种表面活性高、水溶性好、耐酸碱、抗盐抗温能力好的双醚双苯磺酸盐双子表面活性剂, 并通过复配将其应用于油基钻井液乳化剂中。

一、双子表面活性剂研究现状

1. 双子表面活性剂发展概况

1971年, Bunton等首次合成了以烷基链为联接基团的十六烷基二甲胺一族阳离子型双子表面活性剂。1974年, Deinega等也合成出一种新结构双亲性分子, 其分子结构联接顺序为:长的碳氢链、离子头基、联接基团、第二个离子头基、第二个碳氢链。1988年后, 日本Okahara等合成并研究了具有柔性基团联接离子基团的若干双烷烃链表面活性剂。但是知道20世纪90年代才真正开始系统地研究这种新型表面活性剂。

根据双子表面活性剂所含亲水基团电荷差异, 将其分为阴离子型、阳离子型、非离子型和混合型四大类, 目前已见报道合成的双子表面活性剂约有100多种, 其中阳离子型约占70%、阴离子型类占20%、非离子型及其他占10%。阴离子型双子主要为磷酸盐型、羧酸盐型和磺酸盐型和硫酸酯型。

双烷基二苯醚双磺酸盐是一种已经实现工业化的产品, 1958年由DOW化学公司成果开发, 商品名为Dxwfax, 产品具稳定性好、易溶解、抗氧化及抗热解等特点;王正武研究小组用自制的阴离子型表面活性剂在形成涂料用乳液中的功能, 研究发现, 阴离子表面活性剂在微乳液聚合中是高效的乳化剂, 可以提供典型的粒径控制以及良好的乳液稳定性, 只需1%左右就可以得到固含量45%左右的透明的纳米级丙烯酸乳液。

2. 双子表面活性剂专利信息相关情况

专利检索信息可以看出,

1外国在中国申请专利近1件, 其余均为国内申请;

2双子表面活性剂在国内申请专利最早是2003年, 2008年以后逐渐增多, 可见双子表面活性越来越收到人们的重视;

3明确双子表面活性在油田化学三次采油中的应用专利申请是2009年开始;

4检索到的专利仅2件失效, 6件未进行实质审查, 其中3件已经转让;

5检索到的专利有19件为高等院校、科研院所所有, 其中3件所有权包括有企业;

A、双子表面活性剂以年为单位申请情况

双子表面活性剂申请情况如下表1:

注:2010年以后申请数据依据检索情况, 不包含真正申请或未公开情况。

3. 双子表面活性剂的发展趋势

双子表面活性剂独特的分子结构赋予其独特的性能, 相对于传统的表面活性剂具有更为优良的物化性能和应用性能, 是今年来国际上研究最热门的一类表面活性剂。它不仅代表具有高表面活性, 而且产生新形态聚集体和奇异性质, 为多学科交叉创造条件, 将在化学生物学、纳米科技、超分子与全盛化学的发展中受到重视。

表面活性剂是一大类物质, 据统计有1000多种, 今后还将有新品种研究开发出来, 常用的有150多种, 它们与我们生活息息相关, 影响和改变着我们的生活。目前资料显示的双子表面活性剂仅有33种, 而且当前在钻井液用的应用少之又少。

罗平亚等对合成的一系列阳离子型双子表面活性剂进行了界面张力和粘度行为的研究, 为此类表面活性剂在油田中的应用提供了可行性。随着油田化学的不断发展, 利用双子表面活性剂的特性, 生产或复配新型乳化剂, 将是钻井液用乳化剂研究的发展方向之一。

二、一种双醚双苯双子表面活性剂的合成与评价

1. 一种双醚双苯双子表面活性剂

一种新型双醚双苯磺酸盐双子表面活性剂为2, 2-二 (4-烷氧基-3-苯磺酸钠) 丙烷, 结构式如下:

该表面活性剂简记为DEDS, 当n=9、11、13、15时分别简记为DEDS-10、DEDS-12、DEDS-14、DEDS-16。

2. 合成化学反应步骤

(1) 醚化反应

(2) 磺化反应

(3) 中和反应

3. 乳化剂的复配试验

(1) 试验条件

(2) 试验原料

选择抗高温油溶性乳化剂油酸二乙醇胺、环烷酸钙、植物油酸、DEDS-16、OP-4、十二烷基磺酸盐、SP-80进行主辅乳化剂的筛选。

(3) 试验数据

基本配方:乳化剂+油水比 (5#白油:20%CaCl2溶液=8:2) +3%有机土+3%降失水剂。

乳化剂配方:

A乳化剂:油酸二乙醇胺:DEDS-16:SP80=0.5:2:0.5

B乳化剂:DEDS-16:环烷酸钙:十二烷基磺酸盐=0.9:0.3:1.8

注:热滚条件:200℃*16小时

从表中数据可以看到, 两种乳化剂体系在热滚前后的破乳电压都在700V以上, 考虑到评价是在加重条件下进行, 流变性会在滚前滚后有一定的变化。

另外, 两种乳化剂体系中并未加入润湿剂, 在加入润湿剂后破乳电压仍然会有所变化, 根据以前的实验结果判断, 破乳电压在加入润湿剂后应有所增大。因此, 这两种乳化剂体系的稳定性应该予以肯定。

4. 乳化剂的复配工艺

(1) 主乳化剂

在反应釜中泵入4方15#白油, 依次加入2吨SP-80、12吨DEDS-16、2吨油酸二乙醇胺, 反应釜控温25℃, 充分搅拌2-3h, 即可获得棕黄色粘稠液体—主乳化剂。

(2) 辅乳化剂

依次向反应釜中投入DEDS-16、十二烷基磺酸盐、环烷酸钙, 在恒温的状态下, 充分搅拌2小时, 添加高岭土和滑石粉为辅料后, 进行干燥, 干燥产物采取冷却下低温粉碎, 即可得粉状产物。

5. 现场应用情况

该体系在新疆油田应用, 油基钻井液配方为:90:10 (白油:5%CaCl2水溶液) +2%-2.5%主乳化剂+1.0%-1.5%辅乳化剂+1%润湿剂+3%-3.5%有机土+2.5%降滤失剂+1.5%CaO+2%天然沥青

配制后的钻井液性能见表3

小结

1.将2, 2-二 (4-烷氧基-3-苯磺酸钠) 丙烷这种双醚双苯磺酸盐阴离子双子表面活性剂引入油基钻井液乳化剂中, 为双子表面活性剂在钻井液乳化剂中的应用提供了借鉴, 但是仍需要进一步深入研究。

2.以双子表面活性剂复配的油基钻井液主、辅乳化剂在该体系中表现出优良的乳化性能, 抗盐能力和电稳定性有明显增强。乳化效果不受PH值影响较小, 使环保型油基钻井液体系抗温可达200℃, 抗盐达到20%以上, 抗钻屑污染达到20%, 应用范围更广, 乳化剂加量降低了2%左右。

摘要：本文介绍了双子表面活性剂的特点, 重点介绍了一种新型双醚双苯磺酸盐双子表面活性剂为2, 2-二 (4-烷氧基-3-苯磺酸钠) 丙烷的合成过程, 并介绍了其在油基钻井液乳化剂中的复配工艺和复配效果, 经现场应用, 该双子表面活性剂应用于乳化剂中, 可以起到较好的油包水乳化温度体系。

关键词：双子表面活性剂,油基,乳化剂