一種雙子表面活性劑及其在油基鉆井液乳化劑中的應(yīng)用

馮建建 王茂仁 王軍 肖達士(克拉瑪依市金鑫科技有限公司 新疆克拉瑪依 834000)

在油田用表面活性劑中，鉆井用表面活性劑(包括鉆井液處理劑和油井水泥外加劑)用量最大，約占油田用表面活性劑總量的60%左右；釆油用表面活性劑的量相對較少，但其技術(shù)含量相對較高，其用量約占油田用表面活性劑總量的1/3，這兩類化學(xué)品在油田用表面活性劑中占有重要的位置。

雙子表面活性劑現(xiàn)狀雙子表面活性劑是帶有兩條疏水鏈、兩個親水基團和一個連接基團的特殊機構(gòu)的表面活性劑。特殊的結(jié)構(gòu)決定了雙子表面活性劑獨特的性質(zhì)：極高的比表面活性，很低的cmc值，很低的Krafft點，良好的泡沫穩(wěn)定性、鈣皂分散力、潤濕、增溶和洗滌能力。

雙子表面活性劑近幾年發(fā)展迅速，目前在石油工程主要用于采油作業(yè)中，但目前使用的表面活性劑存在一些缺點。本文主要通過合成了一種表面活性高、水溶性好、耐酸堿、抗鹽抗溫能力好的雙醚雙苯磺酸鹽雙子表面活性劑，并通過復(fù)配將其應(yīng)用于油基鉆井液乳化劑中。

一、雙子表面活性劑研究現(xiàn)狀

1.雙子表面活性劑發(fā)展概況

1971年，Bunton等首次合成了以烷基鏈為聯(lián)接基團的十六烷基二甲胺一族陽離子型雙子表面活性劑。1974年，Deinega等也合成出一種新結(jié)構(gòu)雙親性分子，其分子結(jié)構(gòu)聯(lián)接順序為：長的碳氫鏈、離子頭基、聯(lián)接基團、第二個離子頭基、第二個碳氫鏈。1988年后，日本Okahara等合成并研究了具有柔性基團聯(lián)接離子基團的若干雙烷烴鏈表面活性劑。但是知道20世紀90年代才真正開始系統(tǒng)地研究這種新型表面活性劑。

根據(jù)雙子表面活性劑所含親水基團電荷差異，將其分為陰離子型、陽離子型、非離子型和混合型四大類，目前已見報道合成的雙子表面活性劑約有100多種，其中陽離子型約占70%、陰離子型類占20%、非離子型及其他占10%。陰離子型雙子主要為磷酸鹽型、羧酸鹽型和磺酸鹽型和硫酸酯型。

雙烷基二苯醚雙磺酸鹽是一種已經(jīng)實現(xiàn)工業(yè)化的產(chǎn)品，1958年由DOW化學(xué)公司成果開發(fā)，商品名為Dxwfax，產(chǎn)品具穩(wěn)定性好、易溶解、抗氧化及抗熱解等特點；王正武研究小組用自制的陰離子型表面活性劑在形成涂料用乳液中的功能，研究發(fā)現(xiàn)，陰離子表面活性劑在微乳液聚合中是高效的乳化劑，可以提供典型的粒徑控制以及良好的乳液穩(wěn)定性，只需1%左右就可以得到固含量45%左右的透明的納米級丙烯酸乳液。

2.雙子表面活性劑專利信息相關(guān)情況

專利檢索信息可以看出，

1 外國在中國申請專利近1件，其余均為國內(nèi)申請；

2 雙子表面活性劑在國內(nèi)申請專利最早是2003年，2008年以后逐漸增多，可見雙子表面活性越來越收到人們的重視；

3 明確雙子表面活性在油田化學(xué)三次采油中的應(yīng)用專利申請是2009年開始；

4 檢索到的專利僅2件失效，6件未進行實質(zhì)審查，其中3件已經(jīng)轉(zhuǎn)讓；

5 檢索到的專利有19件為高等院校、科研院所所有，其中3件所有權(quán)包括有企業(yè)；

A、雙子表面活性劑以年為單位申請情況

雙子表面活性劑申請情況如下表1：

注：2010年以后申請數(shù)據(jù)依據(jù)檢索情況，不包含真正申請或未公開情況。

3.雙子表面活性劑的發(fā)展趨勢

雙子表面活性劑獨特的分子結(jié)構(gòu)賦予其獨特的性能，相對于傳統(tǒng)的表面活性劑具有更為優(yōu)良的物化性能和應(yīng)用性能，是今年來國際上研究最熱門的一類表面活性劑。它不僅代表具有高表面活性，而且產(chǎn)生新形態(tài)聚集體和奇異性質(zhì)，為多學(xué)科交叉創(chuàng)造條件，將在化學(xué)生物學(xué)、納米科技、超分子與全盛化學(xué)的發(fā)展中受到重視。

表面活性劑是一大類物質(zhì)，據(jù)統(tǒng)計有1000多種，今后還將有新品種研究開發(fā)出來，常用的有150多種,它們與我們生活息息相關(guān)，影響和改變著我們的生活。目前資料顯示的雙子表面活性劑僅有33種，而且當前在鉆井液用的應(yīng)用少之又少。

羅平亞等對合成的一系列陽離子型雙子表面活性劑進行了界面張力和粘度行為的研究，為此類表面活性劑在油田中的應(yīng)用提供了可行性。隨著油田化學(xué)的不斷發(fā)展，利用雙子表面活性劑的特性，生產(chǎn)或復(fù)配新型乳化劑，將是鉆井液用乳化劑研究的發(fā)展方向之一。

二、一種雙醚雙苯雙子表面活性劑的合成與評價

1.一種雙醚雙苯雙子表面活性劑

一種新型雙醚雙苯磺酸鹽雙子表面活性劑為2,2-二(4-烷氧基-3-苯磺酸鈉)丙烷，結(jié)構(gòu)式如下：

該表面活性劑簡記為DEDS，當n=9、11、13、15時分別簡記為DEDS-10、DEDS-12、DEDS-14、DEDS-16。

2.合成化學(xué)反應(yīng)步驟

(1)醚化反應(yīng)

(2)磺化反應(yīng)

(3)中和反應(yīng)

3.乳化劑的復(fù)配試驗

(1)試驗條件

(2)試驗原料

選擇抗高溫油溶性乳化劑油酸二乙醇胺、環(huán)烷酸鈣、植物油酸、DEDS-16、OP-4、十二烷基磺酸鹽、SP-80進行主輔乳化劑的篩選。

(3)試驗數(shù)據(jù)

乳化劑配方：

A 乳化劑：油酸二乙醇胺：DEDS-16：SP80=0.5:2:0.5

B 乳化劑：DEDS-16：環(huán)烷酸鈣：十二烷基磺酸鹽=0.9:0.3:1.8

表2：乳化劑加量對基本配方性能的影響

注：熱滾條件：200℃*16小時

從表中數(shù)據(jù)可以看到，兩種乳化劑體系在熱滾前后的破乳電壓都在700V以上，考慮到評價是在加重條件下進行，流變性會在滾前滾后有一定的變化。

另外，兩種乳化劑體系中并未加入潤濕劑，在加入潤濕劑后破乳電壓仍然會有所變化，根據(jù)以前的實驗結(jié)果判斷，破乳電壓在加入潤濕劑后應(yīng)有所增大。因此，這兩種乳化劑體系的穩(wěn)定性應(yīng)該予以肯定。

4.乳化劑的復(fù)配工藝

(1)主乳化劑

在反應(yīng)釜中泵入4方15#白油，依次加入2噸SP-80、12噸DEDS-16、2噸油酸二乙醇胺，反應(yīng)釜控溫25℃，充分攪拌2-3h，即可獲得棕黃色粘稠液體—主乳化劑。

(2)輔乳化劑

依次向反應(yīng)釜中投入DEDS-16、十二烷基磺酸鹽、環(huán)烷酸鈣，在恒溫的狀態(tài)下，充分攪拌2小時，添加高嶺土和滑石粉為輔料后，進行干燥，干燥產(chǎn)物采取冷卻下低溫粉碎，即可得粉狀產(chǎn)物。

5.現(xiàn)場應(yīng)用情況

該體系在新疆油田應(yīng)用，油基鉆井液配方為：90:10(白油:5%Ca Cl2水溶液)＋2%-2.5%主乳化劑＋1.0%-1.5%輔乳化劑＋1%潤濕劑＋3%-3.5%有機土＋2.5%降濾失劑＋1.5%CaO＋2%天然瀝青

配制后的鉆井液性能見表3

表3：現(xiàn)場配制的油基鉆井液性能

小結(jié)

1.將2,2-二(4-烷氧基-3-苯磺酸鈉)丙烷這種雙醚雙苯磺酸鹽陰離子雙子表面活性劑引入油基鉆井液乳化劑中，為雙子表面活性劑在鉆井液乳化劑中的應(yīng)用提供了借鑒，但是仍需要進一步深入研究。

2.以雙子表面活性劑復(fù)配的油基鉆井液主、輔乳化劑在該體系中表現(xiàn)出優(yōu)良的乳化性能，抗鹽能力和電穩(wěn)定性有明顯增強。乳化效果不受PH值影響較小，使環(huán)保型油基鉆井液體系抗溫可達200℃，抗鹽達到20%以上，抗鉆屑污染達到20%，應(yīng)用范圍更廣，乳化劑加量降低了2%左右。