CN108485642B - 一种星型羧酸基两性离子表面活性剂作为起泡剂的应用 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种星型羧酸基两性离子表面活性剂作为起泡剂的应用。该表面活性剂通过以下步骤制备：在装有长链脂肪伯胺乙醇溶液和酸性催化剂的反应瓶中滴加定量的三羟甲基丙烷‑三(3‑吖丙啶基丙酸酯)反应液进行第一步氮丙啶开环反应；再向反应液中加入定量的氯甲烷(或氯化苄)反应液进行第二步季胺化反应，所得产物为一种携带多电荷的星型两性离子表面活性剂。该两性离子表面活性剂可作为起泡剂应用在泡沫压裂工艺以及油气井的采油、采气等工艺中。该起泡剂具有起泡能力强、泡沫稳定性好、抗盐、使用温度广泛等优点。
Description
技术领域
本发明属于高效表面活性剂领域，特别涉及一种星型羧酸基两性离子表面活性剂作为起泡剂的应用。
背景技术
随着鄂尔多斯盆地延长气田的大规模开发，气井压裂井次在不断增多，压裂规模在不断增大，作为一种优质低伤害的压裂液体系,泡沫压裂液被采用的井次和规模也在加大。在泡沫压裂液体系，起泡剂的作用是在气、液混合后，使气体呈气泡状均匀分散在液体中形成泡沫，且具有良好的稳泡效果。因此起泡剂优劣不仅影响泡沫的形成和性质，而且对压裂的成功与否起着至关重要的作用。在水气田开发中，地层水和凝析油不断随天然气进入井筒，进而气井采输面临着高温、高含凝析油、高矿化度等排水采气难题，现有常规泡沫排水采气工艺由于缺乏优良的起泡剂已无法有效解决，而且我国大部分的气田在冬季，其地表温度非常低,能达到-20～-30℃，一般的起泡剂在此温度下会结冻而无法正常使用，急需新型的抗极端温度、抗高矿化度的起泡剂。
发明内容
本发明的目的之一在于提供一种星型羧酸基两性离子表面活性剂作为起泡剂的应用，应用在泡沫压裂工艺以及油气井的采油、采气等工艺中。
为达到上述目的，本发明采用以下技术手段：
一种星型羧酸基两性离子表面活性剂作为起泡剂的应用，该化合物结构式为：
其中，R1-为长脂肪链，碳链中碳原子数为12～18。
作为起泡剂应用时是单独使用或与助剂复配使用，且该表面活性剂在应用体系中的浓度为50mg/L～1000mg/L。
星型羧酸基两性离子表面活性剂的制备方法包括以下步骤：
向长链脂肪伯胺乙醇溶液和酸性催化剂中加入三羟甲基丙烷-三(3-吖丙啶基丙酸酯)反应液进行氮丙啶开环反应，在50～80℃反应6～8h；
在弱碱性条件下，向上述反应物中加入氯乙酸钠水溶液进行羧基取代和季胺化反应，在70～90℃反应10～16h；反应结束后除去不溶物质，浓缩反应液，用甲苯柱层析法纯化分离出产物，真空干燥至恒重便得产物。
在氮丙啶开环反应中，三羟甲基丙烷-三(3-吖丙啶基丙酸酯)和长链脂肪伯胺摩尔比为1:3。
在氮丙啶开环反应中，所述的酸性催化剂为质量分数为85％的磷酸水溶液，其用量为原料总质量的1％。
在羧基取代和季胺化反应中，弱碱性条件pH＝9～10，反应液用NaOH调至弱碱性。
在羧基取代和季胺化反应中，氯乙酸钠的物质的量是三羟甲基丙烷-三(3-吖丙啶基丙酸酯)的6倍。
本发明具有以下优点：
本发明制备的携带多电荷的星型两性离子表面活性剂可作为起泡剂应用在泡沫压裂工艺以及油气井的采油、采气等工艺中。该起泡剂拥有超强的起泡和稳泡能力，在100mg/L的浓度下，初始泡沫高度均大于85mm，3min后均泡沫高度均大于60mm，携液能力强，携液量大于30mL/min；抗盐能力强，抗矿化度可达180000mg/L；使用温度范围广泛，在-30～120范围内，仍能保持很好的泡沫能力。
具体实施方式
本发明的反应方程式为：
其中，R1-为长脂肪链，碳链中碳原子数为12～18。
一种携带多电荷的星型两性离子表面活性剂，该表面活性剂的结构式为：
其中，R1-为长脂肪链，碳链中碳原子数为12～18。
制备上述的一种携带多电荷的星型两性离子表面活性剂的方法,该方法的步骤为：
在装有长链脂肪伯胺乙醇溶液和酸性催化剂的反应瓶中滴加三羟甲基丙烷-三(3-吖丙啶基丙酸酯)反应液进行第一步氮丙啶开环反应，其中羟甲基丙烷-三(3-吖丙啶基丙酸酯)和长链脂肪伯胺的摩尔比为1:3，在50～70℃反应6～8h；再将上述反应液用NaOH调至弱碱性(pH＝9～10)，滴加氯乙酸钠水溶液进行第二步羧基取代和季胺化反应，其中氯乙酸钠的物质的量是三羟甲基丙烷-三(3-吖丙啶基丙酸酯)的6倍，70～90℃反应10～16h。反应结束后除去不溶物质，浓缩反应液，用甲苯柱层析法纯化分离出产物，真空干燥至恒重便得产物。
下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述。显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1
(1)在装有质量分数为80％的十二烷基伯胺乙醇溶液(34.69g，其中含十二烷基伯胺27.75g，0.15mol)和酸性催化剂(85％H3PO4，0.50g)，升温至50℃，滴加质量分数为70％的三羟甲基丙烷-三(3-吖丙啶基丙酸酯)乙醇溶液(35.42g，其中含三羟甲基丙烷-三(3-吖丙啶基丙酸酯)21.25g，0.05mol)，滴加时间为40min。滴加完毕后，升温至70℃反应6h。
(2)将上述反应液用NaOH调至弱碱性(pH＝9～10)，滴加质量分数为80％的氯乙酸钠水溶液(43.68g，其中含氯乙酸钠34.94g，0.30mol)，滴加时间为60min，在70℃反应16h；反应结束后除去不溶物质，浓缩反应液，用甲苯柱层析法纯化分离出产物，真空干燥至恒重得产物。
实施例1所得产物的结构式为：
1H NMR(300MHz，DMSO)：δ4.35(s，24H)，3.94(s，6H)，3.63～3.68(m，18H)，3.22(s，6H)，2.69(t，6H)，1.69～1.71(m，8H)，1.26～1.29(s，54H)，0.83～0.88(m，12H)ppm。
13C NMR(300MHz，DMSO)：δ175.4，173.1，65.9～66.4，58.8，56.2，53.2～53.5，35.7，31.9，29.3～29.6，26.8，22.7，14.1，7.0ppm。
实施例2
(1)在装有质量分数为80％的十八烷基伯胺乙醇溶液(50.53g，其中含十八烷基伯胺40.43g，0.15mol)和酸性催化剂(85％H3PO4，0.60g)，升温至50℃，滴加质量分数为70％的三羟甲基丙烷-三(3-吖丙啶基丙酸酯)乙醇溶液(35.42g，其中含三羟甲基丙烷-三(3-吖丙啶基丙酸酯)21.25g，0.05mol)，滴加时间为40min。滴加完毕后，升温至50℃反应8h。
(2)将上述反应液用NaOH调至弱碱性(pH＝9～10)，滴加质量分数为80％的氯乙酸钠水溶液(43.68g，其中含氯乙酸钠34.94g，0.30mol)，滴加时间为60min，在90℃反应10h；反应结束后除去不溶物质，浓缩反应液，用甲苯柱层析法纯化分离出产物，真空干燥至恒重得产物。
实施例2所得产物的结构式为：
1H NMR(300MHz，DMSO)：δ4.35(s，24H)，3.94(s，6H)，3.63～3.68(m，18H)，3.22(s，6H)，2.69(t，6H)，1.69～1.71(m，8H)，1.26～1.29(s，90H)，0.83～0.88(m，12H)ppm。
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实施例3
(1)在装有质量分数为80％的十四烷基伯胺乙醇溶液(40.03g，其中含十四烷基伯胺32.03g，0.15mol)和酸性催化剂(85％H3PO4，0.50g)，升温至50℃，滴加质量分数为70％的三羟甲基丙烷-三(3-吖丙啶基丙酸酯)乙醇溶液(35.42g，其中含三羟甲基丙烷-三(3-吖丙啶基丙酸酯)21.25g，0.05mol)，滴加时间为40min。滴加完毕后，升温至60℃反应7h。
(2)将上述反应液用NaOH调至弱碱性(pH＝9～10)，滴加质量分数为80％的氯乙酸钠水溶液(43.68g，其中含氯乙酸钠34.94g，0.30mol)，滴加时间为60min，在80℃反应14h；反应结束后除去不溶物质，浓缩反应液，用甲苯柱层析法纯化分离出产物，真空干燥至恒重得产物。
实施例3所得产物的结构式为：
实施例4
(1)在装有质量分数为80％的十六烷基伯胺乙醇溶液(45.29g，其中含十六烷基伯胺36.23g，0.15mol)和酸性催化剂(85％H3PO4，0.50g)，升温至50℃，滴加质量分数为70％的三羟甲基丙烷-三(3-吖丙啶基丙酸酯)乙醇溶液(35.42g，其中含三羟甲基丙烷-三(3-吖丙啶基丙酸酯)21.25g，0.05mol)，滴加时间为40min。滴加完毕后，升温至60℃反应7h。
(2)将上述反应液用NaOH调至弱碱性(pH＝9～10)，滴加质量分数为80％的氯乙酸钠水溶液(43.68g，其中含氯乙酸钠34.94g，0.30mol)，滴加时间为60min，在80℃反应12h；反应结束后除去不溶物质，浓缩反应液，用甲苯柱层析法纯化分离出产物，真空干燥至恒重得产物。
实施例4所得产物的结构式为：
起泡性能评价
根据中华人民共和国石油天然气行业标准SY/T6465-2000《泡沫排水采气用起泡剂评价方法》和SY/T5761-1995《排水采气用起泡剂CT5-2》以及中华人民共和国国标GB/T13173-2008《表面活性剂洗涤剂试验方法》评价起泡剂的起泡性能。实施例1～4的样品的使用浓度为100mg/L时，其起泡性能如表1所示。
表1实施例1～4的样品起泡性能评价结果
以上内容是对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施方式仅限于此，对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单的推演或替换，都应当视为属于本发明由所提交的权利要求书确定保护范围。
Claims (7)
1.一种星型羧酸基两性离子表面活性剂作为起泡剂的应用，其特征在于，该化合物结构式为：
其中，R1-为长脂肪链，碳链中碳原子数为12～18。
2.根据权利要求1所述的一种星型羧酸基两性离子表面活性剂作为起泡剂的应用，其特征在于，作为起泡剂应用时是单独使用或与助剂复配使用，且该表面活性剂在应用体系中的浓度为50mg/L～1000mg/L。
3.根据权利要求1或2所述的一种星型羧酸基两性离子表面活性剂作为起泡剂的应用，其特征在于，星型羧酸基两性离子表面活性剂的制备方法包括以下步骤：
向长链脂肪伯胺乙醇溶液和酸性催化剂中加入三羟甲基丙烷-三(3-吖丙啶基丙酸酯)反应液进行氮丙啶开环反应，在50～80℃反应6～8h；
在弱碱性条件下，向上述反应物中加入氯乙酸钠水溶液进行羧基取代和季胺化反应，在70～90℃反应10～16h；反应结束后除去不溶物质，浓缩反应液，用甲苯柱层析法纯化分离出产物，真空干燥至恒重便得产物。
4.根据权利要求3任意一项所述的一种星型羧酸基两性离子表面活性剂作为起泡剂的应用，其特征在于，在氮丙啶开环反应中，三羟甲基丙烷-三(3-吖丙啶基丙酸酯)和长链脂肪伯胺摩尔比为1:3。
5.根据权利要求3任意一项所述的一种星型羧酸基两性离子表面活性剂作为起泡剂的应用，其特征在于，在氮丙啶开环反应中，所述的酸性催化剂为质量分数为85％的磷酸水溶液，其用量为原料总质量的1％。
6.根据权利要求3任意一项所述的一种星型羧酸基两性离子表面活性剂作为起泡剂的应用，其特征在于，在羧基取代和季胺化反应中，弱碱性条件pH＝9～10，反应液用NaOH调至弱碱性。
7.根据权利要求3任意一项所述的一种星型羧酸基两性离子表面活性剂作为起泡剂的应用，其特征在于，在羧基取代和季胺化反应中，氯乙酸钠的物质的量是三羟甲基丙烷-三(3-吖丙啶基丙酸酯)的6倍。
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