在油田开发过程中，粘土矿物是导致油层损害的重要潜在因素，而储层水敏性又是油层损害的重要因素之一。若进入储层的外来流体的矿化度与储层中粘土矿物不配伍时，将会引起粘土矿物水化膨胀和分散，导致储层渗透率降低[1]。因此，对粘土含量高、水敏性强的储层，在钻井、固井、注水、压裂、酸化、修井和压井等工艺措施中，使用粘土稳定剂是保护水敏性地层的有效手段[2-3]。
有机阳离子能够较牢固地吸附粘土颗粒，不易被其它离子取代，长效性好，耐冲刷。随着油田的开发，该类粘土稳定剂的应用越来越广泛，种类越来越多。但目前研究的相对分子质量较大的有机阳离子聚合物粘土防膨剂注入低渗透地层时，往往会加重对低渗透油层渗透率的伤害[4-7]。
鉴于上述问题，在借鉴双子表面活性剂的设计思路上[8]，设计并成功合成出一种低分子量、双正电荷中心的新型有机阳离子防膨剂，并对其防膨性能进行了测试。其合成路线见图 1。
三乙胺(AR, 科龙)，环氧氯丙烷(AR, 科龙)，甲醇(AR, 科龙)，无水乙醇(AR, 科龙)，丙酮(AR, 科龙)，浓盐酸(w, 36%)，钠基膨润土(一级, 产地:夏子街)。
高速离心机(ANKE TDL-40B)，红外光谱(WQF-520型), 核磁共振波谱(Bruker, 300MHz)，高分辨质谱(Agilent 6224 TOF LC/MS)。
采用离心法测定合成产物的防膨率，通过测定膨润土在粘土稳定剂溶液和水中的体积膨胀增量来评价防膨率。将粘土稳定剂配成不同浓度的溶液，称取0.50 g膨润土，装入10 mL离心管中，加入10 mL不同浓度的粘土稳定剂溶液，充分摇匀，在室温下静置2 h，装入离心机内，在转速为1 500 r/min下离心分离15 min，读出膨润土膨胀后的体积V1。分别用10 mL水和煤油取代粘土稳定剂溶液，测定膨润土在水和煤油中的膨胀体积V2和V0，按式(1)计算防膨率。
式中：B1为防膨率，%；V1为膨润土在不同浓度粘土稳定剂溶液中的膨胀体积，mL；V2为膨润土在水中的膨胀体积，mL；V0为膨润土在煤油中的膨胀体积，mL。
向250 mL三口烧瓶中加入无水乙醇30 mL，三乙胺5.06 g (100 mmol)，缓慢加热，然后缓慢滴加浓盐酸9.5 mL (110 mmol)，加毕，在60 ℃温度下继续反应5 h。反应结束后，将溶剂蒸干得到白色固体粗产物，用丙酮洗涤三次，即得到三乙胺盐酸盐白色晶体，收率为87%。
向250 mL三口烧瓶中加入适量乙醇、三乙胺(1a)、三乙胺盐酸盐(1b)和环氧氯丙烷(2a)。开启搅拌，缓慢加热，在回流温度下反应一段时间后，得到产品。反应过程通过TLC进行监控。反应结束后，将溶剂减压蒸干，得到淡黄色固体。加入适量的甲醇将其溶解，然后加入适量的丙酮，静置一段时间后，有大量白色晶体析出，过滤后，真空干燥24 h，即得到化合物3a。
以乙醇为溶剂，在反应温度为70 ℃，反应时间为7 h条件下，对原料配比进行优化，其结果见表 1。
由表 1可知，当n1b:n2a:n1a=0.80:1:1时，反应收率较低，为52%。随着三乙胺在投料比例中的增大，反应收率增加。当n1b:n2a:n1a=1.2:1:1时，反应收率最佳，达到87%。继续增大三乙胺在投料中的比例至1.40，反应收率趋于平稳。故最佳投料摩尔比为1.2。
以乙醇为溶剂，n1b:n2a:n1a=1.2:1:1，反应时间为7 h时，对反应温度进行优化，结果见表 2。
从表 2可知，当反应温度为50 ℃，反应收率仅为43%。随着反应温度的升高，反应收率逐渐增加。当反应温度升高到65 ℃时，反应收率显著提高，为81%。继续升高反应温度至70 ℃时，反应收率达到最佳值87%。继续升高温度，反应收率趋于平稳，产品收率未显著增加。故确定最佳反应温度为70 ℃。
室温下不同质量分数粘土稳定剂的防膨效果见图 2。
从图 2可以看出, 当化合物3a在粘土稳定剂溶液中的质量分数为0.5%时，防膨率为77%。增加溶液中化合物3a的浓度，防膨率逐渐升高，当粘土稳定剂溶液的质量分数为1%时，防膨率显著升高至86.5%。继续增加溶液中化合物3a的浓度，防膨率无明显提高。故当化合物3a在粘土稳定剂溶液中的质量分数为1%时，防膨效果最佳。
以三乙胺和环氧氯丙烷为原料，成功合成了新型双子季铵盐粘土稳定剂，并确定了其最佳合成条件：n1b:n2a:n1a=1.2:1:1，反应温度为70 ℃，反应时间为7 h，收率为87%。采用离心法测定合成产物的防膨率，当其在粘土稳定剂溶液的质量分数为1%时，防膨率为86.5%。表明该季铵盐具有良好的防膨性能。
2012, Vol. 41 Issue (1): 90-91
2012, Vol. 41 Issue (1): 90-91