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化学世界
2014年
羟基季胺盐清洁压裂液的制备及流变性行为研究
王顺藍,邱海艳,杨旭',王卫星,叶仲斌
(西南石油大学化学化T学院,四川成都610500)
摘要:通过酰化和季铵化两步反应制得两种酰胺型季胺盐类阳离子表面活性剂C22-3N和C18
3N。通过室内评价,当C22-3N和C18-3N质量浓度为2:1,异丙醇做溶剂时,复配形成清洁压裂
液稠化剂后效果最佳,同时考察了浓度、温度等对其粘度的影响。在高温下,发现加入2%~3%乙
二醇后能有效抵御体系的粘度变小,并从微观结构上分析表面活性剂的结构与性能的关系,探索稠
化原理。
关键词:清洁压裂液;旧离子表面活性剂;流变性;粘度;稠化原理
中图分类号:
文献标志码:A
文章编号:0367-6358(2014)04-0226-04
Preparation and Rheological Properties of Quaternary Ammonium Salt
Surfactant with Hydroxy Group for Hydraulic Fracturing
WANG Shun-hui, QIU Hai-yan, YANG Xu, WANG Wei-xing, YE Zhong-bir
(College of Chemical Engineering, Southwest Peteroleum University, Sichuan Chengdu 610500, China)
Abstract: C22-3N and C18-3N, quaternary ammonium salt amide cationic surfactants with hydroxy! group
were synthesized by acylation and quaternization. The optimum proportion of mass concentration was 2: 1
and the optimum solvent was isopropanol. Furthermore, the influence of concentration and temperature on
viscosity was also investigated. Surprisingly, when 2%-3% ethylene glycol was added to the clear fractu
ring fluid, the viscosity decrease at high temperature disappeared. Finally, from the relation between mi
crostructure and viscosity of the surfactants, the principle of thickening was discussed
Key words: clean fracturing fluid; cationic surfactants; rheological property; viscosity; principle of thick
ing
压裂液作为造缝和携砂的介质,其性能的改进20世纪90年代,美国的 Schlumberger研究出了
一直是人们研究的课题。自20世纪50年代大规模种基于粘弹性表面活性剂的压裂液,即清洁压裂
进行水力压裂以来,压裂液无论在添加剂,体系配方液。这种压裂液体系几乎不改变油层的润湿性并且
的形成,室内研究仪器设备和方法以及现场应用工能够有效的稳定粘土,使压裂过程中的表皮效应和
艺等方面均发生了重大变化,如油基压裂液,胍尔胶油层污染更小,残渣含量几乎为零。但是近年来研
稠化剂压裂液等,但是这些压裂液配方较复杂,不但制出的清洁压裂液耐温性较差或用量较大,在成本
需要加入破胶剂,存在损害水敏性储层及残渣,而且和经済实用性方面还存在一些局限24
未破胶的浓缩胶和滤饼造成导流能力损害。进入
本文旨在合成一系列阳离子表面活性剂通过复
收稿日期:20130217;修回日期:2013-0501
基金项目:四川省教育厅科研成果转化培育项目(11ZZ005
作者简介:王顺慧(1982-),女,讲师,四川成都人,主要从事有机化学、油田化学教学和科学研究。E-mail:wangshunhuimm@163.com。
E-mail:13880551887@163.com。
第4期
化学世界
配制备清洁压裂液,由于其来源广,价格便宜,使用于原料中的胺具有一定挥发性需要让其稍过量,提
量少,是胶束凝胶压裂液的最佳主剂,可在较低的浓高温度才能促使反应向右进行,从而提高中间产物
度下形成粘度很高的凝胶,研究最佳合成条件。并的产率。在合成步骤2中采用氯乙醇过量,选用异
考察表面活性剂C22-3N和C18-3N的最佳复配比,丙醇做溶剂做回流反应较佳。另外,我们发现在对
经过复配形成清洁压裂液稠化剂后,浓度、温度、乙比实验中,乙醇做溶剂时损失较异丙醇大,溶解反应
二醇等因素对其粘度的影响,从本质上认识表面活物和产物的能力较低,而且得到得产品闪点较低,不
性剂结构与性能之间的关系;从微观上加深对表面利于石油化工产品生产和使用。综上所述,我们采
活性剂作用原理的认识;适时进行表面活性剂分子用异丙醇做溶剂,氯乙醇过量,进行回流反应为最佳
有序组合体和稠化原理中物理化学规律的总结,为的反应条件
后面的有关清洁压裂液稠化剂进一步的理论研究和
表1合成步骤1中诸因素对产率的影响
开发其应用打下基础。
因素
实验部分
序号
m(羧酸)1
产率/%
1.1试剂和仪器
反应温度/"℃C
m(酰胺)/摩尔比
表面活性剂C22-3N和C18-3N(自制,原料由
四川威尔敦化工公司提供),乙二醇(分析纯,成都科
130
龙化工试剂厂),二次蒸馏水(测定表面张力用),
130
1.1:1
93.2
DT-102A型全自动界面张力仪(淄博华坤电子仪器
150
1,1:1
有限公司),ZNN-D6六速旋转粘度计(中国青岛照
相机总厂专用仪器厂), HAAK MARS600流变仪
表2合成步骤2中诸因療对产率的影响
( Thermohaake公司),GKC电热恒温水浴锅(上
海波络实验设备有限公司),DF-101S集热式磁力搅
因素
拌器(上海双捷实验设备有限公司)。
序号
反应
n(酰胺):
产率/%
溶剂
温度/C
n(氯乙醇)/摩尔比
1.2合成路线
RCOOH+NH2 (CH)NHR2 --RCONH
188(回流)异丙醇
(CHA): NRP +H2 O
,醇
RCONH (CH )NR +CICH CH OH
异丙醇
RCONH(CH: )3 NR2 CH2 CH2OH
480(回流)乙醇
1.1:1
R=C,C2n;: RCONH(CH3) E NR2 CH, CH2OH=C223N,2.2表面活性剂的CMC值
C18-3N
临界胶团浓度CMC是表面活性剂溶液开始形
以上产物C223N和C183N的合成路线参考成胶团的浓度。它的大小表示了表面活性剂表面活
文献制备。
性的大小。图1分别