鉆井用耐鹽抗高溫發(fā)泡劑的制備和性能研究

AGES是脂肪醇甘油基醚磺酸鹽(Alkyl Glyc-erol Ether Sulfonates)的英文縮寫,德國人Horter[1]等率先對其進行了合成試驗,但因生產(chǎn)工藝復(fù)雜,成本高,為其他表面活性劑生產(chǎn)所替代[2]｡對合成方法的改進與表面活性的研究,無文獻報道｡本研究采用TBE作催化劑,合成出泡沫性能優(yōu)良的AGES,較大地簡化了合成工藝條件,降低了成本｡

1.1 合成路線

AGES的分子結(jié)構(gòu)式為ROCH₂CH(OH)CH₂SO₃Na,有多種合成方法[3],本研究合成路線分三步,其反應(yīng)式為:

1.2 合成方法

稱取100g十二醇于干燥的500ml三頸瓶中｡水浴加熱至70℃,在攪拌下加入1.5gTBE催化劑,再由滴液漏斗慢慢滴加53g環(huán)氧氯丙烷｡該反應(yīng)為放熱反應(yīng),在滴加環(huán)氧氯丙烷過程中務(wù)必使溫度保持在70℃左右｡60min后環(huán)氧氯丙烷滴加完畢,繼續(xù)攪拌,在該溫度下保持4h,得中間產(chǎn)物Ⅰ｡稱取28gNaOH,配制成40%的水溶液｡將三頸瓶內(nèi)的中間產(chǎn)物Ⅰ,用水浴加熱到80~85℃,在快速攪拌下加入NaOH溶液,繼續(xù)攪拌1h,反應(yīng)中生成的NaCl副產(chǎn)物大部分以晶體形式沉淀下來,得到脂肪醇環(huán)氧基醚—中間產(chǎn)物Ⅱ｡將含68gNaHSO₃的飽和溶液,與上面合成出的中間產(chǎn)物Ⅱ一起轉(zhuǎn)移到不銹鋼筒中,攪拌均勻后蓋上密封蓋,在滾子爐中,130~170℃加熱0.5~1.0h,得到膏狀的AGES產(chǎn)品｡

2 AGES的泡沫性能和熱穩(wěn)定性

AGES作為鉆井用發(fā)泡劑,必須具有一定的性能方能滿足鉆井工藝的要求,對鉆進過程影響最大的是起泡能力和所產(chǎn)生泡沫的穩(wěn)定性｡因此主要從不同水質(zhì)情況下的起泡能力和泡沫穩(wěn)定性來評價發(fā)泡劑品質(zhì)的優(yōu)劣｡

2.1 泡沫性能的評價方法和儀器

評價表面活性劑泡沫性能的方法有多種[4]｡采用與鉆井過程相似的Waring Blender法[5],所用儀器為Waring Blender器｡試驗時,在攪拌杯中加100ml一定濃度的發(fā)泡劑溶液,高速(>5000r/min)攪拌60s后,關(guān)閉開關(guān),立即讀取泡沫體積(V₀),表示泡沫劑的起泡能力,記錄泡沫中析出50ml液體所需時間,稱為泡沫的半衰期(t_0.5),反映泡沫的穩(wěn)定性｡文獻數(shù)據(jù)和實驗結(jié)果對比表明,WaringBlender法測定結(jié)果與API推薦的“濕法鉆井用發(fā)泡劑評價裝置”評定結(jié)果基本一致,較客觀地反映出泡沫劑性能的相對好壞,因此采用該方法進行測定｡

2.2 結(jié)果與討論

2.2.1 濃度對泡沫性能的影響

不同濃度下的泡沫性能見表1｡為了比較起見,同時列出對常用兩種發(fā)泡劑SDS(十二烷基硫酸鈉)和ABS(十二烷基苯磺酸鈉)測定的數(shù)據(jù)(單位:V₀/ml,t_0.5/s)｡

表1的數(shù)據(jù)表明,在同樣溫度下,隨著濃度增加,起泡體積V₀增大,t_0.5延長,達到最大泡沫體積和最長半衰期時,AGES的濃度為0.3%,而SDS和ABS為0.4%｡濃度進一步增加,起泡體積下降,這是由于濃度較低時,表面吸附低,增加濃度,表面吸附量隨之增大,表面張力進一步降低,起泡力和泡沫穩(wěn)定性增強｡在表面吸附達到飽和后,濃度進一步增加,減弱了Marangoni[6]效應(yīng),泡沫穩(wěn)定性降低,起泡體積下降｡在同樣濃度下,AGES的起泡能力和泡沫穩(wěn)定性均比其余二者強｡

2.2.2 溫度對泡沫性能的影響

溫度對泡沫性能的影響見表2｡

由表2看出,隨溫度升高,三種發(fā)泡劑的起泡體積逐漸增加,60℃時達到最大值,而后開始下降｡它們的半衰期隨溫度升高降低,因為溫度升高,液體膨脹,分子間距離增大,表面活性劑分子動能增加,易擺脫水的束縛逃逸到水面,表面吸附量增加,表面張力下降,起泡能力增強｡溫度較高時,一方面液膜的水分蒸發(fā)加劇,排液速度加快,在高速攪拌下生成的泡沫易破滅;另一方面,溫度較高時,活性劑分子親水基的水化作用下降,疏水基碳鏈間凝聚力減弱,表面粘度降低,泡沫穩(wěn)定性下降｡由于AGES親水基上有(—OH)存在,分子間易形成氫鍵而相互作用,溫度對泡沫性能的影響較之SDS､ABS小,相同溫度下AGES的泡沫性能均優(yōu)于SDS和ABS｡

2.2.3 無機鹽對AGES泡沫性能的影響

油氣田地層水含較高濃度的NaCl和Ca²⁺､Mg²⁺離子,AGES對無機離子適應(yīng)性如何,應(yīng)進行考察(見表3,表4)｡發(fā)泡劑的泡沫性能隨礦化度增高而下降,是由于無機離子濃度增大,加強了對泡沫膜雙電層的壓縮作用,膠團聚集數(shù)增加,泡沫性能下降｡其中AGES下降趨勢較為平緩,ABS的泡沫性能最差｡SDS與AGES的起泡體積雖然比較接近,但其穩(wěn)定性遠不如AGES｡另外的試驗表明,在Ca²⁺濃度達到5000mg/L時,SDS和ABS不起泡,而AGES仍然有較好的泡沫性能｡

2.2.4 煤油存在時AGES的泡沫性能

不同煤油加量時,0.3%AGES的泡沫性能(見表5)｡隨著煤油加量增多,AGES的起泡體積呈下降趨勢,但下降不多,而泡沫半衰期增加,是由于AGES對煤油的乳化作用,乳化后液體粘度增大,乳液微滴在泡膜和Plateau邊界的流動速度下降,使排液半衰期延長｡

2.2.5 AGES的抗高溫分解性能

AGES分子的親水基為磺酸根,親水基與疏水基間以醚鍵相連,此結(jié)構(gòu)有較好的抗高溫性｡為考察AGES的抗高溫分解性質(zhì),將AGES溶液放入不銹鋼筒在不同溫度下滾動加熱不同時間,冷卻后按兩相滴定法,測出AGES的分解率,(見表6)｡

AGES在高溫下分解緩慢,分解原因并非分子中化學(xué)鍵斷裂,是因高溫下(—SO^-₃)被不銹鋼筒壁金屬還原成硫化物｡若實驗在陶瓷罐中進行,可預(yù)測在250℃高溫下,分解率比表中數(shù)據(jù)低得多｡

3 結(jié)論

(1)以長鏈脂肪醇､環(huán)氧氯丙烷和亞硫酸氫鈉為主要原料,適當(dāng)條件下可合成耐鹽抗高溫的AGES發(fā)泡劑｡

(2)用十二醇合成的AGES,起泡能力強,泡沫穩(wěn)定性好,在Ca²⁺濃度為5000ppm,礦化度為5.0×10⁴mg/L的混合鹽水中或有20%的煤油存在下仍然有較好的泡沫性能,其抗鹽､抗鈣､抗油性優(yōu)于常用的發(fā)泡劑ABS和SDS｡

(3)AGES的熱穩(wěn)定性好,耐熱分解能力強,對鹽鹵特別是高價離子有較好的相容性,可作油氣田高溫鉆采工業(yè)發(fā)泡劑,也可用于地?zé)豳Y源的開采中｡

參考文獻:

[1] Warner Linfield. Anionic Surfactants[M].Matcel dekker, INC. New York.1982.

[2] (美)巴特勒GB,柏林KD著.有機化學(xué)基礎(chǔ)理論和應(yīng)用(上冊)[M].張麗萍,涂余如譯.北京:人民教育出版社,1981.

[3] (美)希克MJ編.陰離子表面活性劑[M].張余善,王易聞譯.北京:輕工業(yè)出版社,1983.6.

[4] 趙曉東,尹中.泡沫排水劑評價方法研究[J].西南石油學(xué)院學(xué)報,1991,13(4):96.

[5] ASTMD. 1173-53. Standard Test Method for foaming Priperties of Surface Agents[M].ASTM Committee.Apr1985.

[6] 趙國璽.表面活性劑物理化學(xué)(修訂版)[M].北京:北京大學(xué)出版社,1991.