芥酸酰胺羟丙基磺基甜菜碱的合成及其在油田中的应用

摘要

本文以芥酸为主要原料，合成了一种可生物降解的甜菜碱型黏弹性表面活性剂，并对其反应条件进行了优化。利用红外光谱(IR)和核磁共振氢谱(1HNMR)对提纯后的表面活性剂结构进行表征;利用表面张力仪和荧光光谱仪对表面活性剂的表面活性进行表征;利用粘度计、流变仪等测定了表面活性剂的使用性能;利用界面张力仪测定了表面活性剂溶液对油水界面张力的影响;并对产物的各种应用性能进行了表征，确定了该表面活性剂可在三次采油和压裂施工中使用。
　　 本研究得到的结论如下:
　　 (1)以芥酸、N,N-二甲基-1，3-丙二胺、环氧氯丙烷和Na2SO3为原料，经过酰胺化和季铵化反应合成了芥酸酰胺羟丙基磺基甜菜碱表面活性剂。最佳合成工艺如下:酰胺化反应中芥酸与N,N-二甲基-1，3-丙二胺的摩尔比为1∶1.2，反应温度150℃，反应时间为12h;季铵化反应中环氧氯丙烷与Na2SO3以等摩尔量混合后与中间体反应，摩尔比为1.2∶1，反应温度80℃，反应时间为6h。
　　 (2)使用表面张力仪测定该表面活性在室温下的临界胶束浓度(cmc)为1.6×10-4mol/L，并通过计算求得吸附分子的横截面积Ac为3.4×10-19m2;以芘为荧光探针、二苯甲酮为猝灭剂，用稳态荧光探针法测定了该表面活性剂的胶束聚集数随浓度的变化，当浓度在5～17倍cmc范围内，胶束聚集数和表面活性剂浓度基本呈线性关系。当浓度在17倍cmc以上发生胶束结构的改变，由球状逐渐变为棒状，溶液可形成具有三维网状结构的黏弹性结构。
　　 (3)通过测定表面活性剂浓度、矿化度、温度、碱的加入量等因素对油水界面张力的影响，得知该表面活性剂具有显著的降低油水界面张力的能力。在表面活性剂浓度范围为0.06wt％～0.15wt％，矿化度小于10000mg/L，温度低于80℃条件下均可使界面张力达到10-2mN/m，甚至10-3mN/m。该表面活性剂对原油具有较好的乳化效果，表面活性剂浓度为0.06wt％时形成的乳状液可保持稳定达24h以上，且地层吸附损失量小于1mg/g，可达到使用要求。室内驱油试验结果表明水进行段塞后进行表面活性剂驱可提高原油采收率10％以上。
　　 (4)通过测定表面活性剂浓度、pH、无机盐种类对体系黏度的影响，得知该表面活性剂使用的浓度范围为2wt％～4wt％，且与各种添加剂有良好的配伍性。体系的耐温性和耐剪切性测试结果显示，体系的耐温性和耐剪切性测试结果显示，在剪切速率为170s-1下，70℃时体系黏度仍高于40mPa·s;在温度80℃、剪切2h后其黏度仍高于25mPa·s，说明该体系具有良好的耐剪切性。携砂性能测试表明该体系在砂比为30％甚至40％时均能达到较好的携砂效果。破胶性能测试表明该体系在地层水或原油的存在下即可破胶，体系破胶后无残渣。

目录

摘要

1 前言

1．1 研究背景

1．2 表面活性剂

1．2．1 概述

1．2．2 表面活性剂的基本作用

1．2．3 阴离子表面活性剂

1．2．4 阳离子表面活性剂

1．2．5 两性表面活性剂

1．2．6 非离子表面活性剂

1．3 油田助剂

1．3．1 概述

1．3．2 提高采收率用化学剂

1．3．3 原油开采用化学剂

1．4 甜菜碱型两性表面活性剂

1．4．1 概述

1．4．2 甜菜碱型表面活性剂的合成与应用现状

1．4．3 甜菜碱型表面活性剂在油田中的应用

1．5 本论文的主要内容

2 甜菜碱的合成及结构表征

2．1 实验试剂及仪器

2．1．1 实验试剂

2．1．2 实验设备

2．2 甜菜碱的合成路线

2．2．1 芥酸的酰胺化

2．2．2 芥酸酰胺的季铵化

2．3 甜菜碱合成条件的确定

2．3．1 酰胺化反应物质量比的确定

2．3．2 酰胺化反应温度的确定

2．3．3 酰胺化反应时间的确定

2．3．4 酰胺化反应催化剂用量的确定

2．3．5 季铵化反应物质量比的确定

2．3．6 季铵化反应温度的确定

2．3．7 季铵化反应时间的确定

2．4 产物提纯及结构表征

2．4．1 甜菜碱的提纯

2．4．2 甜菜碱的结构表征

2．5 小结

3 芥酸酰胺羟丙基磺基甜菜碱的表面活性测定

3．1 实验试剂及仪器

3．1．1 实验试剂

3．1．2 实验设备

3．2 cme及Ac的确定

3．2．1 cmc的确定

3．2．2 Ac的确定

3．3 胶束聚集数的确定

3．3．1 确定合适的猝灭剂浓度

3．3．2 胶束聚集数与浓度的关系

3．3 小结

4 甜菜碱在三次采油中的应用

4．1 实验试剂

4．2 各因素对界面张力的影响

4．2．1 测试方法

4．2．2 表面活性剂浓度对界面张力的影响

4．2．3 矿化度对界面张力的影响

4．2．4 温度对界面张力的影响

4．2．5 碱的加入对界面张力的影响

4．3 乳化效果测定

4．4 吸附损失量测定

4．5 室内驱油评价

4．6 小结

5 甜菜碱在油田压裂中的应用

5．1 实验试剂及仪器

5．1．1 实验试剂

5．1．2 实验设备

5．2 各因素对体系黏度的影响

5．2．1 测试方法

5．2．2 表面活性剂的浓度对压裂液体系黏度的影响

5．2．3 pH对压裂液体系黏度的影响

5．2．4 无机盐对压裂液体系黏度的影响

5．3 压裂液体系的确定

5．4 压裂液体系耐温性能

5．5 压裂液体系耐剪切性能

5．6 压裂液体系携砂性能

5．6．1 测试方法

5．6．2 测试结果分析

5．7 压裂液体系破胶性能

5．7．1 测试方法

5．7．2 测试结果分析

5．8 压裂液破胶残渣量

5．8．1 测试方法

5．8．2 测试结果分析

5．9 小结

6 结论

6．1 结论

6．2 创新点

6．3 后续工作建议

致谢

参考文献

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