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環(huán)保型耐高溫黏土穩(wěn)定劑的合成與性能評(píng)價(jià)

2023-09-05 20:34:39楊帆楊小華林永學(xué)李舟軍申會(huì)兵吳萍萍薛梅玉李鵬張宏玉
關(guān)鍵詞:耐高溫

楊帆 楊小華 林永學(xué) 李舟軍 申會(huì)兵 吳萍萍 薛梅玉 李鵬 張宏玉

摘要:采用γ-(2,3-環(huán)氧丙氧基)丙基三甲氧基硅烷(KH560)與三甲胺鹽酸鹽反應(yīng)合成不含有機(jī)氯的環(huán)保型高溫黏土穩(wěn)定劑ZWS-2,考察其防膨性能與耐水洗性能。結(jié)果表明:確定最佳合成條件為KH560與三甲胺鹽酸鹽的物質(zhì)的量比1.1∶1、反應(yīng)溫度70 ℃、反應(yīng)時(shí)間6 h;質(zhì)量分?jǐn)?shù)為4%的ZWS-2水溶液在150 ℃下防膨率為96.6%,300 ℃下防膨率為90.3%;復(fù)配試驗(yàn)優(yōu)選出的最優(yōu)復(fù)配方案為1.5% ZWS-2+4% KCl,與滑溜水壓裂液主劑復(fù)配后,防膨率達(dá)99.6%,一次耐水洗率為99.5%。

關(guān)鍵詞:耐高溫; 黏土穩(wěn)定劑; 環(huán)保助劑; 有機(jī)硅烷

中圖分類(lèi)號(hào):TE 358 文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A

引用格式:楊帆,楊小華, 林永學(xué),等.環(huán)保型耐高溫黏土穩(wěn)定劑的合成與性能評(píng)價(jià)[J].中國(guó)石油大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2023,47(1):177-182.

YANG Fan, YANG Xiaohua, LIN Yongxue, et al. Synthesis and evaluation of environmentally friendly high temperature resistant clay stabilizer[J].Journal of China University of Petroleum(Edition of Natural Science),2023,47(1):177-182.

Synthesis and evaluation of environmentally friendly high

temperature resistant clay stabilizer

YANG Fan1,2, YANG Xiaohua1,2, LIN Yongxue1,2, LI Zhoujun1,2, SHEN Huibing3, WU Pingping3, XUE Meiyu3, LI Peng3, ZHANG Hongyu3

(1.State Key Laboratory of Shale Oil and Gas Enrichment Mechanisms and Effective Development, Beijing 102206,? China;

2.SINOPEC Research Institute of Petroleum Engineering Company Limited, Beijing 1022016, China;

3.College of Chemistry and Chemical Engineering in China University of Petroleum (East China), Qingdao 266580, China)

Abstract: An environmentally friendly clay stabilizer ZWS-2 was synthesized by the reaction of γ-(2,3-epoxypropoxy) propyltrimethoxysilane (KH560) with trimethylamine hydrochloride. The anti-swelling performance and washing resistance of clay stabilizer under different conditions were studied. It is found that the optimum synthesis conditions are as follows: the molar ratio of KH560 to trimethylamine hydrochloride is 1.1∶1, the reaction temperature is 70 ℃, and the reaction time is 6 h. The anti-swelling rate of ZWS-2 aqueous solution with mass fraction of 4% is 96.6% at 150 ℃ and 90.3% at 300 ℃. The optimal compounding scheme is 1.5% ZWS-2 + 4% KCl. After compounding with the main agent of slippery hydraulic fracturing fluid, the anti-swelling rate is 99.6% and the 1st washing resistance rate is 99.5%.

Keywords:thermostability; clay stabilizer; environmentally friendly chemical; organosilane

注水開(kāi)采是油田開(kāi)發(fā)后期常用的采油方法,具有成本低、收益高、見(jiàn)效快、方法簡(jiǎn)便等優(yōu)點(diǎn),注入地下的水有利于穩(wěn)定儲(chǔ)層壓力。注水過(guò)程中地層中的黏土礦物與注入水的接觸,會(huì)使黏土礦物水化膨脹、分散和運(yùn)移[1-2,從而使地層堵塞,滲透率降低,產(chǎn)生一系列的地層損害,行之有效的方法是注入黏土穩(wěn)定劑。黏土穩(wěn)定劑有無(wú)機(jī)鹽類(lèi)、陽(yáng)離子表面活性劑類(lèi)和有機(jī)陽(yáng)離子聚合物類(lèi)3-5。有機(jī)陽(yáng)離子聚合物分子鏈上有季銨鹽型陽(yáng)離子6-7,帶正電密度高,能有效中和黏土表面的負(fù)電荷,不容易解吸,穩(wěn)定效果好,但不適用于高溫條件下的黏土防膨。有機(jī)硅烷及其聚合物具備突出的耐溫性能,同時(shí)有機(jī)硅烷能與黏土表面縮合,形成化學(xué)鍵,達(dá)到有效防膨的目的。姜翠玉等[8研究三甲基氯化銨的合成方法,依靠環(huán)氧基易開(kāi)環(huán)的特點(diǎn)將季銨鹽加入到環(huán)氧氯丙烷中,合成3-氯-2-羥丙基三甲基氯化銨,使用合適的催化劑,反應(yīng)收率可超過(guò)96%。宋楊柳[9用環(huán)氧丙烷、乙二胺和環(huán)氧氯丙烷作為合成聚環(huán)氧丙烷/乙二胺/環(huán)氧氯丙烷穩(wěn)定劑的原料,得到黃色黏稠液體(PDHEEA黏土穩(wěn)定劑),其具有水溶性好、與鹽水配伍性好等優(yōu)點(diǎn),且PDHEEA與無(wú)機(jī)鹽復(fù)配后的防膨效果明顯提高。但該膨脹劑用含有有機(jī)氯的環(huán)氧氯丙烷作為原料,不符合油田中對(duì)油田助劑的環(huán)保性能要求,且隨著開(kāi)采地層的不斷加深和低滲透率地層油氣的開(kāi)采,耐高溫的小分子黏土穩(wěn)定的開(kāi)發(fā)迫在眉睫。原油中的有機(jī)氯會(huì)對(duì)后續(xù)石油煉化產(chǎn)生嚴(yán)重的危害[10-11,這主要是因?yàn)橛袡C(jī)氯在原油處理過(guò)程中很難脫除12-13,在煉化過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生氯化氫、氯化胺等腐蝕性氣體或鹽類(lèi),造成裝置腐蝕、管道堵塞以及催化劑中毒14-15。依據(jù)石油行業(yè)環(huán)保要求,筆者設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)一種無(wú)氯的耐高溫的小分子黏土穩(wěn)定劑,采用含有環(huán)氧基團(tuán)的有機(jī)硅烷與三甲胺鹽酸鹽通過(guò)開(kāi)環(huán)加成制備小分子的有機(jī)硅季銨鹽型黏土穩(wěn)定劑ZWS-2,并考察其防膨性能與耐水洗性能。

1 試 驗(yàn)

1.1 試劑與儀器

試劑:(3-環(huán)氧乙基甲氧基丙基)三甲氧基硅烷 ( KH560上海阿拉丁生化科技有限公司);質(zhì)量分?jǐn)?shù)為33%的三甲胺水溶液(上海阿拉丁生化科技有限公司);三甲胺鹽酸鹽(上海阿拉丁生化科技有限公司);乙醇(國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司);石油醚(國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司);鈉基蒙脫土。

儀器:DF-101Z集熱式恒溫磁力攪拌器(江蘇金怡儀器科技有限公司);KQ-500E型超聲波清洗器(昆山市超聲儀器有限公司);Nicolet 6700型傅里葉變換紅外光譜儀(美國(guó)賽默飛世爾科技分子光譜);RE-52A型旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀(上海亞榮生化儀器廠);DGG-9070B型電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱(上海森信試驗(yàn)儀器有限公司);KLJX-8均相反應(yīng)釜(上??旗Z儀器設(shè)備有限公司);mL204/02型電子分析天平(梅特勒-列托多儀器有限公司);TDL-50B低速離心機(jī)(上海安亭科學(xué)儀器廠)。

1.2 ZWS-2黏土穩(wěn)定劑的合成

以三甲胺鹽酸鹽和(3-環(huán)氧乙基甲氧基丙基)三甲氧基硅烷為原料,合成目標(biāo)產(chǎn)物,其反應(yīng)式如圖1所示,生成目標(biāo)產(chǎn)物記為ZWS-2。

準(zhǔn)確稱(chēng)取一定質(zhì)量的KH560和三甲胺鹽酸鹽及無(wú)水乙醇加入500 mL干燥的三口燒瓶中,正確安裝好攪拌器、溫度計(jì)及冷凝器,調(diào)整攪拌器的攪拌速率,設(shè)置反應(yīng)溫度為70 ℃,反應(yīng)時(shí)間5 h,直至反應(yīng)液由無(wú)色透明變?yōu)闇\黃色為止。停止反應(yīng)后取出反應(yīng)液至RE-52A型旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀減壓蒸餾除去乙醇,設(shè)置初始溫度30 ℃減壓蒸餾至反應(yīng)液黏稠,逐漸升溫至50 ℃減壓蒸餾至反應(yīng)液不再流動(dòng),取出并分3次用石油醚洗滌未反應(yīng)的KH560,放置烘箱除去反應(yīng)液中殘留的石油醚,最終得到淡黃色黏稠狀的透明液體,即為產(chǎn)品ZWS-2。合成路線見(jiàn)圖2。

1.3 黏土穩(wěn)定劑ZWS-2防膨性能評(píng)價(jià)方法

按照Q/SH1020 1966-2013《高溫黏土穩(wěn)定劑通用技術(shù)條件》,采用離心法測(cè)定黏土穩(wěn)定劑的防膨性能。

(1)稱(chēng)取0.50 g鈉基蒙脫土,精確稱(chēng)量至0.01 g,然后放入10 mL離心管中,加入10 mL煤油至離心管中搖勻,室溫靜置24 h,然后將其放入離心機(jī)中,將離心機(jī)的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)至1500 r/min,離心15 min取出,此時(shí)讀出體積V0(0.5 mL)。

(2)稱(chēng)取2份0.50 g鈉基蒙脫土,精確稱(chēng)重至0.01 g,分別置于高溫高壓密閉反應(yīng)器的反應(yīng)釜中,分別加入10 mL蒸餾水和10 mL 4%(質(zhì)量分?jǐn)?shù),下同)高溫穩(wěn)定劑樣品水溶液放入反應(yīng)釜中,充分搖勻混合,置于溫度為(300±1)℃的恒溫干燥箱中,靜置24 h,自然冷卻至室溫,取出。將高溫高壓封閉反應(yīng)釜中的黏土混合物轉(zhuǎn)移到兩個(gè)不同的離心管中并放入離心機(jī)中。離心機(jī)以1500 r / min離心15 min。讀出蒙脫土的體積Vm(9.5 mL)和V1(1.9 mL)。

(3)在離心管中取出離心的高溫穩(wěn)定劑水溶液中的上清液,向離心管中加入10 mL蒸餾水,充分搖勻,在室溫下靜置24 h。重復(fù)該操作兩次以記錄量筒中的鈉蒙脫土的最終體積V2(4.3 mL)。

(4)數(shù)據(jù)處理公式為

F1=(Vm-V1)/(Vm-V0);

F2=(Vm-V2)/(Vm-V0); N=F2/F1.

式中,F(xiàn)1為防膨率;F2為高溫黏土穩(wěn)定劑水洗后的防膨率;N為耐水洗率;V0為鈉膨潤(rùn)土在煤油中的體積,mL;Vm為鈉膨潤(rùn)土在蒸餾水中的體積,mL;V1為水洗前鈉膨潤(rùn)土在高溫黏土穩(wěn)定劑水溶液中的體積,mL;V2為水洗后鈉膨潤(rùn)土在高溫黏土穩(wěn)定劑水溶液中的體積,mL。

2 結(jié)果分析

2.1 ZWS-2紅外表征

將合成的產(chǎn)物提純,用無(wú)水乙醇溶解提純樣品并均勻涂抹在KBr片上,制好的樣品放置在Nicolet6700型傅里葉變換紅外光譜儀中分析,結(jié)果如圖3所示。

由圖3可知,915 cm-1和1086 cm-1為Si—O鍵產(chǎn)生的特征峰;2923和2852 cm-1為C—H伸縮振動(dòng)產(chǎn)生表明產(chǎn)物中含有—CH2基團(tuán);在1400 cm-1為仲醇OH彎曲振動(dòng)峰;在1475 cm-1處為C—H面內(nèi)彎產(chǎn)生的特征峰,表明產(chǎn)物中含有—CH3;在1250 cm-1處的特征峰為C—N鍵產(chǎn)生的特征峰,由此表明該產(chǎn)物即為目標(biāo)產(chǎn)品。

2.2 合成條件優(yōu)化

以黏土防膨率作為評(píng)價(jià)指標(biāo)設(shè)計(jì)正交試驗(yàn)來(lái)探究合成條件(反應(yīng)溫度、反應(yīng)時(shí)間、反應(yīng)物物質(zhì)的量比)對(duì)防膨性能的影響。根據(jù)L16(43)表設(shè)計(jì)正交試驗(yàn),考察因素為反應(yīng)溫度(T)、反應(yīng)時(shí)間(t)、反應(yīng)物物質(zhì)的量比(r,為KH560和三甲胺鹽酸鹽物質(zhì)的量比),各因素4個(gè)水平分別為T(mén)(50、60、70和80 ℃)、t(4、5、6和7 h)、r(1∶1.1、1∶1、1.1∶1和1.2∶1)。按照Q/SH1020 1966-2013《高溫黏土穩(wěn)定劑通用技術(shù)條件》技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)合成的ZWS-2進(jìn)行評(píng)價(jià)計(jì)算防膨率及一次耐水洗率,測(cè)定結(jié)果見(jiàn)表1。

對(duì)表1數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,得正交試驗(yàn)數(shù)據(jù)直觀分析表2。根據(jù)正交試驗(yàn)直觀分析方法,極差越大所對(duì)應(yīng)的因素影響越顯著。制備溫度所對(duì)應(yīng)的極差為6.45,反應(yīng)時(shí)間對(duì)應(yīng)極差為4.58,反應(yīng)物物質(zhì)的量比對(duì)應(yīng)極差為7.00,可得出各因素對(duì)性能的影響程度為r>T>t。各因素對(duì)應(yīng)的指標(biāo)結(jié)果為防膨率,數(shù)值越大越好,所以每個(gè)因素均值越大的水平越好。根據(jù)直觀分析表,溫度最大均值為均值3,其值為90.45,溫度3#水平代表反應(yīng)溫度為70 ℃;時(shí)間均值最大為均值3,其值為90.98,時(shí)間3#水平代表反應(yīng)時(shí)間為6 h;物質(zhì)的量比均值最大為均值3,其值為92.93,物質(zhì)的量比3#水平代表為KH560和三甲胺鹽酸鹽的物質(zhì)的量比為1.1。因此可得出ZWS-2的最佳合成條件為反應(yīng)溫度70 ℃、反應(yīng)時(shí)間6 h、KH560與三甲胺鹽酸鹽的物質(zhì)的量比1.1。

根據(jù)正交試驗(yàn)結(jié)果,在最佳反應(yīng)條件下合成出ZWS-2黏土防膨劑,并對(duì)其進(jìn)行評(píng)價(jià),驗(yàn)證正交試驗(yàn)得出結(jié)論是否為最佳的反應(yīng)條件。KH560與三甲胺鹽酸鹽的物質(zhì)的量比1.1,設(shè)置溫度為70 ℃,反應(yīng)6 h,最終得到ZWS-2,按照黏土防膨劑評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行評(píng)價(jià),水洗3次并測(cè)定防膨率和耐水洗率,結(jié)果見(jiàn)表3,不同溫度下的防膨效果見(jiàn)圖4。

由表3看出,最佳合成條件下得到的小分子黏土穩(wěn)定劑的防膨率最好,其防膨率達(dá)到96.6%,符合正交試驗(yàn)結(jié)果,一次耐水洗率達(dá)到83.7%,3次水洗后,耐水洗率保持在80.2%。300 ℃下防膨率仍超過(guò)90%,一次耐水洗率則提高至85.3%,這主要是因?yàn)殡S著溫度的升高, ZWS-2中的硅氧基水解產(chǎn)生的硅羥基與黏土表面的羥基縮合,形成Si-O-Si或Si-O-Al的結(jié)構(gòu),加強(qiáng)了黏土穩(wěn)定劑與黏土表面的作用,提高了黏土穩(wěn)定劑的耐水洗率。

2.3 ZWS-2黏土穩(wěn)定劑用量?jī)?yōu)化

小分子黏土防膨劑ZWS-2在按照Q/SH1020 1966-2013《高溫黏土穩(wěn)定劑通用技術(shù)條件》評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行評(píng)價(jià)時(shí),防膨性能與耐水洗性能優(yōu)異,但評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)中ZWS-2用量為4%,用量較大。在保證其黏土穩(wěn)定性能的基礎(chǔ)上,對(duì)ZWS-2的用量進(jìn)行進(jìn)一步的優(yōu)化,以降低使用成本。將ZWS-2配制成質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.5%、1.0%、1.5%、2.0%、2.5%、3.0%、3.5%、4.0%的溶液,在150 ℃下進(jìn)行防膨性能與耐水洗性能評(píng)價(jià)防膨率與一次耐水洗率變化與黏土穩(wěn)定劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)的關(guān)系如圖5、6所示??梢钥闯?,隨著黏土穩(wěn)定劑ZWS-2質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加,防膨率和一次耐水洗率都呈現(xiàn)增大的趨勢(shì)。當(dāng)質(zhì)量分?jǐn)?shù)由0.5%增大至1.5%時(shí),防膨率和一次耐水洗率增長(zhǎng)速度較快,當(dāng)黏土穩(wěn)定劑ZWS-2質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.5%時(shí),防膨效率已達(dá)到91.1%,一次耐水洗率為73.2%;進(jìn)一步提高黏土穩(wěn)定劑質(zhì)量分?jǐn)?shù),防膨率增長(zhǎng)緩慢,一次耐水洗率在ZWS-2質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2.5%后也基本保持不變??紤]到使用成本和防膨效果,選取1.5%作為黏土穩(wěn)定劑ZWS-2的最優(yōu)使用質(zhì)量分?jǐn)?shù)。

2.4 ZWS-2黏土穩(wěn)定劑的復(fù)配優(yōu)化

為提高新型抗高溫黏土穩(wěn)定劑ZWS-2的防膨效率,選取無(wú)機(jī)黏土穩(wěn)定劑KCl、鋁溶膠進(jìn)行復(fù)配評(píng)價(jià)測(cè)試,并與北美普遍采用的滑溜水壓裂液體系進(jìn)行復(fù)配,考察其防膨率與耐水洗率,結(jié)果見(jiàn)表4。由表4可以看出復(fù)配后的黏土防膨劑1.5%ZWS-2+4%KCl防膨率較單一的1.5%ZWS-2或4%KCl都有所提高,防膨率達(dá)到了99.5%,一次耐水洗率達(dá)到了96.0%,且與滑溜水壓裂液主劑的復(fù)配效果達(dá)到了防膨率99.6%和一次耐水洗率99.5%的優(yōu)異效果。但一次水洗的結(jié)果顯示,4%KCl的耐水洗率(96.6%)超過(guò)了復(fù)配樣品1.5%ZWS-2+4%KCl的耐水洗率(96.0%),因此對(duì)這兩個(gè)樣品進(jìn)行了多次水洗,結(jié)果如圖7所示。結(jié)果表明4%KCl的1次水洗耐水洗率可以保持在96.6%,但2次水洗后耐水洗率即降為89%,4次水洗后耐水洗率降為85%;而復(fù)配樣品1.5%ZWS-2+4%KCl經(jīng)過(guò)4次水洗,耐水洗率仍保持在95%以上。更為重要的是,復(fù)配后的黏土防膨劑在水洗6次后離心管上層清液仍能保持清澈而不變渾濁,而純KCl作為穩(wěn)定劑,水洗5次后由于上層始終處于渾濁狀態(tài),已經(jīng)無(wú)法計(jì)算耐水洗率。由此可以得出,ZWS-2與KCl復(fù)配既可減少ZWS-2的使用,降低成本,同時(shí)也克服了單一KCl使用時(shí)長(zhǎng)效性差的缺點(diǎn),并且KCl和ZWS-2都具有耐高溫的性能,因此復(fù)配后的1.5%ZWS-2與4%KCl黏土穩(wěn)定劑是一種耐高溫、長(zhǎng)效性好、防膨效果優(yōu)異的黏土穩(wěn)定劑。

3 結(jié) 論

(1)在有機(jī)硅烷單體上引入季銨基基團(tuán),作為黏土穩(wěn)定劑既保留了有機(jī)硅烷耐高溫的特點(diǎn),又克服了其水溶性差的缺點(diǎn)。

(2)通過(guò)關(guān)聯(lián)不同條件下合成黏土穩(wěn)定劑的防膨性能與耐水洗性能,確定最佳合成條件為KH560與三甲胺鹽酸鹽的物質(zhì)的量比1.1∶1、反應(yīng)溫度70 ℃、反應(yīng)時(shí)間6 h。

(3)質(zhì)量分?jǐn)?shù)為4%的 ZWS-2水溶液在150 ℃下防膨率為96.6%,300 ℃下防膨率為90.3%;復(fù)配試驗(yàn)優(yōu)選出最優(yōu)的復(fù)配方案為1.5%ZWS-2+4%KCl,且與滑溜水壓裂液主劑的復(fù)配效果達(dá)到了防膨率99.6%和一次耐水洗率99.5%的優(yōu)異效果。

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(編輯 劉為清)

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