CN106540631A - 一种含酯基的阳离子双子表面活性剂及其制备方法和应用 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种含酯基的阳离子双子表面活性剂，属于表面活性剂领域，其为具有式A所示结构的化合物：其中R表示C8～C20的烃基。本发明还提供了该表面活性剂的制备方法，以长链溴代烷、二甲胺和甲基丙烯酸烷基酯为原料，经加成反应和季胺盐化反应制备而得。该表面活性剂分子中含有酯基，使其可以自然降解，对环境友好。同时表面活性剂的制备方法涉及的原料易得，成本低，合成方法简单，合成条件温和，所得产物的产率和纯度较高。将该表面活性剂应用于压裂液领域，所制备得到粘弹性表面活性剂压裂液具有优异的抗温性能和稳定性。

Description

一种含酯基的阳离子双子表面活性剂及其制备方法和应用
技术领域
本发明涉及一种双子表面活性剂及其制备方法。更具体地，本发明涉及一种含酯基的阳离子双子表面活性剂及其制备方法和应用。
背景技术
水基压裂液大致可分为：天然植物胶压裂液、纤维素压裂液及合成聚合物压裂液。上述几种压裂液体系，已在国内外各油田得到广泛的应用，并取得良好的增产效果。但使用这些压裂液体系存在共同的缺陷，就是压裂液破胶后残渣将残留在裂缝内，残留在裂缝中的聚合物将严重降低支撑剂充填层的渗透率，从而伤害产层，导致压裂效果变差。
20世纪90年代末开发出的一类无聚合物的新型水基压裂液成功地解决了这些问题。由于其中不含聚合物，显著降低了残渣在裂缝表面上和支撑剂填充带的吸附量，形成高导流能力的裂缝。现场实验表明瓜胶压裂液的返排率仅为30％～45％，而此类无聚合物压裂液携砂填充的支撑剂层渗透率保留率一般在90％以上，而且不会留下滤饼。因此，对地层污染程度较小，改善了支撑剂填充层和储层裂缝的渗流状况，从而增加了油气井产能。这种新型压裂液是无聚合物体系，也叫清洁压裂液或无伤害压裂液，粘弹性表面活性剂压裂液。
在表面活性剂中，双子表面活性剂是由两个亲水基团和两个疏水基团通过联接基团联接而成的一类新型的表面活性剂。与传统的表面活性剂相比，双子表面活性剂能够更有效地降低水的表面张力，具有更低的临界胶束浓度、更高的吸附性能以及奇特的聚集行为，因此双子表面活性剂，尤其是阳离子双子表面活性剂在三次采油、杀菌、印染等领域受到人们的广泛关注。
然而现有的阳离子双子表面活性剂制备工艺复杂，尤其是制备含有酰胺基、酯基、醚基等连接基的双子表面活性剂，通常需要使用超过100℃的高温以及复杂的步骤，并且制备原料难以获得，使得制备成本昂贵。因此亟需一种合成原料易得，合成方法简单，合成条件温和，在较低温度下就可以制得的阳离子双子表面活性剂。
发明内容
本发明的目的在于克服现有阳离子双子表面活性剂制备技术中所存在的工艺复杂、合成条件苛刻和产物对环境不友好的上述不足，提供一种含酯基的阳离子双子表面活性剂。
本发明的另一目的是提供一种上述表面活性剂的制备方法。
本发明进一步的目的是提供上述表面活性剂在制备压裂液方面的用途。
为了实现上述发明目的，本发明提供了以下技术方案：
一种含酯基的阳离子双子表面活性剂，其为具有式A所示结构的化合物：
其中R表示C8～C20的烃基。
上述C8～C20的烃基是指具有8～20个碳原子的直链或支链的烃基，优选地，R表示10～20个碳原子的烃基，进一步优选地，R表示12～18个碳原子的烃基，更优选地，R表示12～18个碳原子的烷基，最优选地，R表示12～18个碳原子的直链烷基。
本发明的含酯基的阳离子双子表面活性剂的制备方法，包括以下步骤：
S1、先将二甲胺与甲基丙烯酸烷基酯混合，加入水，进行加成反应，得到混合液I；
S2、将所述混合液I蒸发、干燥，获得中间体叔胺II；
S3、将所述中间物叔胺II与长链溴代烷混合，加入丙酮，进行季铵盐化反应，得到混合液III；
S4、将所述混合液III冷冻结晶得到表面活性剂IV。
上述甲基丙烯酸烷基酯为具有CH2＝C(CH3)COOR结构的化合物。
上述中间体叔胺II为具有式B所示结构的化合物，
上述表面活性剂IV为具有式A所示结构的化合物，
其中R表示C8～C20的烃基。
优选地，上述甲基丙烯酸烷基酯与二甲胺的摩尔比为1∶1～1∶4。更优选地，上述甲基丙烯酸烷基酯与二甲胺的物质的量比为1∶2～1∶4。
优选地，上述步骤S1中加成反应的反应温度为20～80℃，反应时间为8～24小时。更优选地，上述步骤S1中加成反应的反应温度为20～60℃，反应时间为10～18小时。
优选地，上述长链溴代烷为具有R1-Br结构的化合物，其中R1表示C8～C20的烃基。
优选地，上述步骤S3中长链溴代烷与中间体叔胺II的摩尔比为1∶1～4∶1。更优选地，长链溴代烷与中间体叔胺II的摩尔比为2∶1～4∶1。
优选地，上述步骤S3中季铵盐化反应的反应温度为20～80℃，反应时间为8～24小时。更优选地，上述季铵盐化反应的反应温度为20～60℃，反应时间为10～18小时。
上述步骤S2中蒸发、干燥步骤可以分两步完成；也可以用一步完成，例如利用旋转蒸发器在低压下将所述混合液I蒸发、干燥，获得所述中间体叔胺II。优选利用旋转蒸发器在低压下将所述混合液I蒸发、干燥，获得所述中间体叔胺II。
本发明的含酯基的阳离子双子表面活性剂在压裂液的应用，将上述表面活性剂和反离子盐混合制成压裂液，其中表面活性剂与反离子盐的摩尔比为1∶2～3∶1，表面活性剂占压裂液总质量的1～5％。
优选地，上述压裂液中所述反离子盐是指能在水溶液中电离出带负电荷离子的物质，比如盐，例如钠盐、钾盐、铵盐、钙盐的至少一种；更优选地，所述反离子盐是钠盐和/或钾盐；最优选地，所述反离子盐是水杨酸钠、苯甲酸钠、氯化钠、和氯化钾中的一种或几种。
与现有技术相比，本发明的有益效果：
本发明以长链溴代烷、二甲胺和甲基丙烯酸烷基酯为原料，经加成反应和季铵盐化反应制备一类阳离子双子季铵盐表面活性剂，该表面活性剂分子中含有酯基，使其可以自然降解，对环境友好；同时该方法涉及的原料易得，成本低，合成方法简单，合成条件温和，所得产物的产率和纯度较高。将该表面活性剂应用于压裂液领域，所制备得到粘弹性表面活性剂压裂液具有优异的抗温性能和稳定性。
具体实施方式
下面结合试验例及具体实施方式对本发明作进一步的详细描述。但不应将此理解为本发明上述主题的范围仅限于以下的实施例，凡基于本发明内容所实现的技术均属于本发明的范围。
实施例1
将甲基丙烯酸正十二酯与二甲胺溶于水，并在20℃下反应24小时，得到混合液1I，甲基丙烯酸正十二酯与二甲胺的摩尔比为1∶1.5；利用旋转蒸发器在低压下将混合液1I蒸发、干燥，获得中间体叔胺1II；将得到的中间体叔胺1II与1，2-二溴乙烷溶于丙酮，并在20℃下反应24小时，得到混合液1III，中间体叔胺1II与1，2-二溴乙烷的摩尔比为2∶1；将混合液1III冷冻结晶得到表面活性剂1IV。
所述表面活性剂1IV为具有式1A所示结构的化合物，
将3％的表面活性剂1IV与1％的氯化钾溶于水，得到粘弹性表面活性剂清洁压裂液，抗温达到67℃。所述抗温性能的测试方法记载在标准“SYT 5107-2005水基压裂液性能评价方法”中。
实施例2
将甲基丙烯酸正十六酯与二甲胺溶于水，并在50℃下反应12小时，得到混合液2I，甲基丙烯酸正十六酯与二甲胺的摩尔比为1∶2；利用旋转蒸发器在低压下将混合液2I蒸发、干燥，获得中间体叔胺2II；将得到的中间体叔胺2II与1，2-二溴乙烷溶于丙酮，并在60℃下反应12小时，得到混合液2III，中间体叔胺2II与1，2-二溴乙烷的摩尔比比为2.5∶1；将混合液21II冷冻并重结晶得到表面活性剂2IV。
所述表面活性剂2IV为具有式2A所示结构的化合物，
将3％的表面活性剂2IV与2％的水杨酸钠溶于水，得到粘弹性表面活性剂清洁压裂液，抗温达到97℃。所述抗温性能的测试方法记载在标准“SYT5107-2005水基压裂液性能评价方法”中。
实施例3
将甲基丙烯酸正十八酯与二甲胺溶于水，并在80℃下反应8小时，得到混合液3I，甲基丙烯酸正十八与二甲胺的摩尔比比为1∶4；利用旋转蒸发器在低压下将混合液3I蒸发、干燥，获得中间体叔胺3II；将得到的中间体叔胺3II与1，2-二溴乙烷溶于丙酮，并在80℃下反应8小时，得到混合液3III，中间体叔胺3II与1，2-二溴乙烷的摩尔比为4∶1；将混合液3III冷冻结晶得到表面活性剂3IV。
所述表面活性剂3IV为具有式3A所示结构的化合物，
将5％的表面活性剂3IV与4％的水杨酸钠溶于水，得到粘弹性表面活性剂清洁压裂液，抗温达到120℃。所述抗温性能的测试方法记载在标准“SYT5107-2005水基压裂液性能评价方法”中。
虽然已结合具体实施方式对本发明进行了详细地描述，但对本发明的技术人员来说，在不脱离其范围的前提下对其进行各种改变和修改是显而易见的。本文中描述的实施方式仅仅是示例性的，其并不意图限制本发明。本文中公开的本发明的许多变化和修改是可能的，并且落入本发明的范围。因此，保护范围并不被上面陈述的说明书所限制，其仅仅由所附的权利要求所限制，其范围包括权利要求主题的所有等价物。每个权利要求并入说明书作为本发明的实施方式。因而，权利要求是进一步的说明书，并且是对本发明优选实施方式的增加。本文中引用的所有专利、专利申请和出版物的公开内容引入此处作为参考，包括它们提供的示例性、程序上或其他详细的补充。

Claims (10)

1.一种含酯基的阳离子双子表面活性剂，其为具有式A所示结构的化合物：
其中R表示C8～C20的烃基。
2.根据权利要求1所述的含酯基的阳离子双子表面活性剂，其特征在于，其中R表示C10～C20的烃基。
3.制备权利要求1所述的含酯基的阳离子双子表面活性剂的方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、先将二甲胺与甲基丙烯酸烷基酯混合，加入水，进行加成反应，得到混合液I；
S2、将所述混合液I蒸发、干燥，获得中间体叔胺II；
S3、将所述中间体叔胺II与长链溴代烷混合，加入丙酮，进行季铵盐化反应，得到混合液III；
S4、将所述混合液III冷冻结晶得到表面活性剂IV。
4.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，所述步骤S1中所述甲基丙烯酸烷基酯与二甲胺的摩尔比为1∶1～1∶4。
5.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，所述步骤S1中所述加成反应的反应温度为20～80℃，反应时间为8～24小时。
6.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，所述长链溴代烷为具有R1-Br结构的化合物，其中R1表示C10～C20的烃基。
7.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，所述步骤S3中所述长链溴代烷与所述中间体叔胺II的摩尔比为1∶1～4∶1。
8.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，所述步骤S3中所述季铵盐化反应的反应温度为20～80℃，反应时间为8～24小时。
9.如权利要求1所述表面活性剂在压裂液的应用，其特征在于，将所述表面活性剂和反离子盐混合制成压裂液，所述表面活性剂与所述反离子盐的摩尔比为1∶2～3∶1，所述表面活性剂占压裂液总质量的1～5％。
10.根据权利要求9所述表面活性剂在压裂液的应用，其特征在于，所述反离子盐为钠盐、钾盐或其任意组合。
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