聚季銨鹽型黏土穩定劑的合成及防膨性能

李雯，李繼茂，門奇

（中國石油化工股份有限公司東北油氣分公司，吉林長春130062）

聚季銨鹽型黏土穩定劑的合成及防膨性能

李雯，李繼茂，門奇

（中國石油化工股份有限公司東北油氣分公司，吉林長春130062）

用N，N，N’，N’-四甲基乙二胺和1，2-二溴乙烷為單體，采用兩種方案合成季銨鹽。以合成的化合物的防膨率為考核指標，通過做L9（34）正交實驗，得出了兩種合成方法的最佳合成條件。經提純后采用防膨性能對比實驗優選出較優方案。

有機合成；季銨鹽；正交實驗；防膨率

全球97%的油層都不同程度的含有黏土礦物，我國大多數的油藏屬砂巖油藏，普遍含有黏土礦物。若在開發過程中措施不當，就會造成黏土礦物膨脹、分散和運移，以致滲透率下降，使地層受到損害［1］。要有效地抑制黏土損害，就需要使用的黏土穩定劑既能有效地抑制黏土的水化膨脹，又能較好地控制微粒的分散運移。Borchardt［2］等研究發現，在主鏈上含有第四氮（季銨鹽）的有機陽離子聚合物對抑制黏土礦物的水化膨脹效果非常明顯，而且主鏈型聚季銨鹽具有合成工藝簡單，反應條件容易控制，原材料價格較便宜的特點。

任何一種黏土穩定劑要發揮功效，首先需在黏土表面上形成強的吸附［3］。季銨鹽型陽離子聚合物物理作用吸附強，化學吸附能力好，電性“中和”方式抑制了黏土的水化膨脹，吸附性能不受pH值影響［4，5］，多點吸附的方式抑制了黏土顆粒在水溶液中的分散運移。本文合成了一種適合儲層特征的低相對分子質量的黏土穩定劑，以N，N，N’，N’-四甲基乙二胺和1，2-二溴乙烷為原料合成低分子聚合物。在研制過程中，著重擬兩個方案進行合成試驗，用測定防膨率的方法對兩個方案進行了對比和分析，選出最優方案。在多方實驗選出最佳純化方法。通過討論合成條件（反應溫度、反應時間、體系醇水比、溶劑用量）對防膨率的影響來確定出最佳反應條件。

向250 mL的三口燒瓶中加入無水乙醇與水，再以摩爾比為1：1加入N，N，N’，N’-四甲基乙二胺（TMEDA）和1，2-二溴乙烷（EDB），反應結束后得到淺黃色透明液體。采用混合重結晶［6］對cpd.1進行純化。

以正交實驗［7］將研究反應溫度、反應時間、體系醇水比和溶劑用量等因素對防膨率影響來探討最佳反應條件。以下防膨率測定cpd.1用量均為1%，試驗結果（見表1）。

表1　L9（34）正交實驗結果

由表1比較極差可知，各反應條件因素對cpd.1穩定黏土能力的影響大小為：反應時間＞反應溫度＞溶劑用量＞體系醇水比。通過正交實驗可知，在最佳反應條件溫度為75℃，反應時間為24 h，體系醇水比為1.5：1，溶劑用量為50%時，1%的cpd.1的防膨率可達到89.9%，其穩定黏土能力較強。

1　有機合成

1.1化合物1的合成

圖1　cpd.1防膨率隨濃度變化曲線

由圖1可以看出，防膨率隨黏土穩定劑濃度的升高而升高。在cpd.1的濃度為1%時，防膨率已接近90%，說明其穩定黏土的能力較強。在濃度低于1%時，防膨率隨濃度的增加升高很快，在濃度大于1%時，濃度增加，防膨率升高變緩。

表2　cpd.2a L9（34）正交實驗結果

表3　cpd.2b L9（34）正交實驗結果

1.2化合物2的合成

（1）cpd.2a：在250 mL三口燒瓶中加入無水乙醇與水，再加入2.2 mol EDB，緩慢滴加1 mol TMEDA，反應完后得到淺黃色透明液體。

（2）cpd.2b：將cpd.2a純化后與TMEDA按理論值摩爾比為1：2.2緩慢滴加TMEDA，反應完后得到淺黃色透明液體。

（3）cpd.2c：將cpd.2b純化后與EDB按理論值摩爾比1：2.2緩慢滴加EDB，反應完后得到淺黃色透明液體。

以正交實驗將研究反應溫度、反應時間、體系醇水比和溶劑用量等因素對防膨率影響來探討最佳反應條件（見表2～表4）。

表4　cpd.2c L9（34）正交實驗結果

通過表2可知，在最佳反應條件溫度為75℃，時間為6 h，醇水比為2：1，溶劑用量為50%時，1%的cpd. 2a的防膨率為89.1%。通過表3可知，在最佳反應條件溫度為75℃，時間為45 h，醇水比為1：1，溶劑用量為40%時，1%的cpd.2b的防膨率為91.8%。通過表4可知，在最佳反應條件溫度為75℃，時間為60 h，醇水比為1.5：1，溶劑用量為40%時，1%的cpd.2c的防膨率可達到93.6%。反應時間和反應溫度對cpd.2合成產生重要影響，對比各R值發現每增加一步反應R值遞減，到cpd.2c時，四個影響因素的R值均小于1，說明反應每增加一步，反應條件對合成影響越來越小。

2　防膨性能

cpd.2a、cpd.2b、cpd.2c在不同濃度下的防膨率（見圖2～圖4）。

由圖2～圖4可知，防膨率隨黏土穩定劑濃度的升高而增加。在產物濃度為1%時，cpd.2a的防膨率為89.1%，cpd.2b的防膨率為91.8%，cpd.2c的防膨率高達93.6%。在濃度低于1%時，防膨率隨濃度的增加升高很快，在濃度大于1%時，濃度增加，防膨率增加速度變緩。

圖2　cpd.2a防膨率隨濃度變化曲線

圖3　cpd.2b防膨率隨濃度變化曲線

將cpd.1與cpd.2各步反應產品配成濃度均為1%，用離心法作了一個防膨率的對比評價。防膨性能對比評價結果（見圖5）。

由圖5可知，合成的各黏土穩定劑均有良好的防止黏土膨脹的性能。由防膨的機理知：有機陽離子越多與黏土顆粒吸附越完全，越能更好限制黏土顆粒的水化分散和運移。所以各黏土穩定劑在同摩爾時cpd.2c為含陽離子最多的產品。防膨率大小為cpd.2c＞cpd.2b＞cpd.1＞cpd.2a。從兩種合成工藝產品的防膨率來看，cpd.2的防膨性能明顯優于cpd.1，對黏土表現出更好的抑制性。

圖4　cpd.2c防膨率隨濃度變化曲線

圖5　cpd.1與cpd.2防膨性能對比

3　小結

對cpd.1和cpd.2的各步產品的最佳反應條件作了正交實驗，考察了反應時間、反應溫度、體系醇水比以及溶劑用量對有機合成反應的影響，得出如下結論：

（1）升高溫度有利于反應進行，cpd.1和cpd.2的最佳反應溫度均為75℃。

（2）反應時間和反應溫度是主要的影響因素。

（3）cpd.2的最終產品cpd.2c的防膨效果明顯優于cpd.1，結合防膨機理，可推斷cpd.2c的聚合度是高于cpd.1的。

［1］Wu A，Zhang J.The Research of The Application of Clay stabilizer in Well Cemeting Slurry［J］.J Xi'an Petrol Inst V 9，1994（3），53-55+72.

［2］Wu X，Luo P.Evaluating Validity of Cationic Polymer Clay Stabilizer［J］.Oil Drilling Prod Technol V 18，28-32.

［3］王平全.黏土表面結合水定量分析及水合機制研究［M］.北京：石油工業出版社，2002.

［4］陳智敏.黏土穩定劑合成及評價研究進展［J］.化學工程與裝備，2009，（8）：130-132.

［5］章媛君，馬洪興.聚季胺-氯化胺復合黏土穩定劑的研究和應用［J］.石油鉆采工藝，1988，11（5）：83-88.

［6］顧覺奮.分離純化工藝原理［M］.北京：中國醫藥科技出版社，2002，（6）：249-265.

［7］姬振豫.正交設計的方法與理論［M］.香港：世界科技出版社，2001.

Synthesis and anti-swelling properties of polyquaternium type clay stabilizer

LI Wen，LI Jimao，MEN Qi
（Northeast Oil and Gas Branch of Sinopec，Changchun Jilin 130062，China）

Two kinds of program synthesis of quaternary ammonium salts.For the synthesis of the compound rate of anti-swelling as evaluation index，through the L9（34）orthogonal experiment，it is concluded that the two kinds of synthetic method of optimal synthetic conditions. After purification are used by the comparative anti-swelling performance optimization experiment is made best plan.

organic synthesis；quaternary ammonium salt；orthogonal test；anti-swelling

TE39

A

1673-5285（2016）09-0149-05

10.3969/j.issn.1673-5285.2016.09.036

2016－07-18