一种咪唑啉缓蚀剂的合成

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一种咪唑啉的合成制备

摘要:对于复杂井的酸化作业，许多缓蚀剂表现出较差的抗高温能力，缓蚀性能不好。如果通过增加缓蚀剂用量来增强缓蚀剂对井下管柱的保护作用，不仅会增加酸化作业成本，而且还会对酸化效果产生不利影响。同时，一些缓蚀剂与地层离子不相容，常常引起对地层的伤害问题。因此，亟需开发出与地层离子相容性好、能抗高温、缓蚀性能好的缓蚀剂。文中以油酸、二乙烯三胺为主要原料，通过缩合脱水反应合成了一种油酸咪唑啉。将该油酸咪唑啉与甲醛、表面活性剂LSN、OP - 10和有机溶剂T进行复配，制备出了一种抗高温的酸化用缓蚀剂，并对缓蚀剂的酸溶性、与地层离子的相容性、缓蚀性能等进行了评价。评价结果表明:该缓蚀剂的酸溶性较好，与地层离子有很好的相容性，能抗高温，在盐酸和土酸中均表现出了优良的缓蚀性能。

关键词:咪唑啉；合成；酸化；缓蚀剂

一、前言

油气井开采过程中，压裂酸化技术是一项十分有效的增产措施，其原理是将一定量的酸液注入地层中，使井底地层的堵塞物质和地层岩石溶解，从而扩大油流通道，降低油流阻力，以达到增产的目的。但在酸化施工中，酸的注人可能造成油气井管材和井下金属设备的腐蚀，还可能导致井下管材突发性破裂事故，造成严重经济损失，为了防止酸液对油管、套管等设备的腐蚀，在酸液中添加缓蚀剂是必不可少的防腐措施。目前国内外在开发和研究酸化缓蚀剂方面已作了大量工作，开发出一系列酸化缓蚀剂新品种。合成一种新型酸化缓蚀剂，研究了其在常用的盐酸、土酸酸化液中的缓蚀性能。

在油气田开发过程中，油气中常伴生一定量的酸性气体H2S和CO 。干燥的H2S和CO 对金属材料无腐蚀破坏作用，但溶于水后对钢材具有极强的腐蚀作用。随着油气田的开发进入中后期阶段，油气田中含水量增加，H2S、CO 和水结合构成腐蚀介质，从而造成油套管钢发生严重的腐蚀。在高含H2S、CO 油气田的腐蚀防护中，使用缓蚀剂是国内外腐蚀防护的一种重要手段。通过在腐蚀环境中加入少量缓蚀剂，使其和金属表面发生物理化学作用，从而显著改变金属表面的特性以达到减缓腐蚀的目的。由于缓蚀剂在使用过程中无须专门设备，无须改变金属构件的性质，因而具有经济、适应性强等优点，目前被广泛应用在石油石化领域，发挥着极其重要的作用。 2

在酸化施工过程中，必须向酸液体系添加缓蚀剂以抑制或减缓酸液带来的腐蚀问题。常用的酸化缓蚀剂有醛类、含硫类活性剂、含氧类活性剂、磺酸盐活性剂、胺类、吡啶类、炔醇类、曼尼希碱和咪唑啉类等。本文实验以油酸、二乙烯三胺为主要原料合成出了一种油酸咪唑啉，通过与甲醛、表面活性剂LSN、OP -

10和有机溶剂T复配，制备出了一种抗高温的酸化用缓蚀剂，并对缓蚀剂的酸溶性、与地层离子的相容性和缓蚀性能等进行了评价。咪唑啉在复杂井中有着其特殊的作用。

二、合成部分

1. 主要仪器与药品

主要仪器:四口烧瓶、电动搅拌器、恒温加热套、恒温水浴锅、电子天平、氮气保护装置、常压静态腐蚀试验装置、冷凝回流管、温度计、烧杯等常规玻璃仪器。

主要药品:油酸、二乙烯三胺、甲醛、OP - 10、表面活性剂LSN、盐酸、氢氟酸、有机溶剂T、石油醚、无水乙醇等。

2. 缓蚀剂的制备

将装有温度计、电动搅拌器、冷凝回流管和氮气保护装置的四口烧瓶放入恒温加热套，向烧瓶中加入57. 0 g油酸，接通冷凝水，开动搅拌器，开启氮气保护装置，调节恒温加热套升温至60℃，然后缓慢加入36. 0 g二乙烯三胺，在氮气的保护下继续升温至160℃反应4 h，再升温至200℃反应4 h，冷却后得到橙黄色的油酸咪唑啉。再取一烧杯，依次加入30.0 g 30% (质量，下同)的甲醛水溶液、3.0

g表面活性剂LSN、7.0 g OP - 10，搅拌均匀后，再加入合成的油酸咪唑啉40. 0 g，充分搅拌混合后得到一种橙色糊状物质。最后向烧杯中加入20 g有机溶剂T稀释成粘稠状液体即为所要制备的缓蚀剂。

3.合成过程

油酸在高温下与二乙烯三胺反应生成油酸咪唑啉。该反应分两步脱水进行，首先是油酸与二乙烯三胺在高温下的缩合反应，分子间脱去一分子水得到酰胺，然后酰胺在更高温度的作用下进一步分子内脱去一分子水形成咪唑啉五元环。其反应方程式如下: 3

CH3 (CH2 ) 7CH =CH (CH2 ) 7COOH +H2N (CH2 ) 2NH (CH2 ) 2NH2 →

CH3 (CH2 ) 7CH =CH (CH2 ) 7CONH (CH2 ) 2NH (CH2 ) 2NH2 +H2O →

CH3(CH2)7CHCH(CH2)7CNCH2CH2NCH2CH2NH2+H2O

4.实验说明

实验中，通入氮气即可保护油酸和二乙烯三胺在高温下不被空气中的氧气氧化，又可带出部分反应中生成的水。而该反应两步都是脱水反应，因而带出水有利于反应的进行。冷凝回流是为了减少油酸、二乙烯三胺和合成的油酸咪唑啉的挥发损失。表面活性剂LSN 先加入甲醛溶液中，有利于其溶解，再加入OP - 10和油酸咪唑啉后有热量放出，形成糊状物。糊状物不利于酸化现场应用，因此用有机溶剂T将其稀释成液体。此外，温度控制对产物十分重要。温度过低，反应产物的产率低;温度过高，第一步脱水将生成双酰胺，同时增大了反应物被氧化的可能性。

5. 性能评价

首先将一定量的缓蚀剂分别加入酸液和模拟地层水中，通过缓蚀剂在酸液中的溶解情况和是否与模拟地层水反应产生沉淀来评价缓蚀剂的酸溶性和与地层离子的相容性；然后参照SY/T/5405 - 1996《酸化用缓蚀剂性能试验方法及评价指标》中常压静态腐蚀速率和缓蚀率的评价方法，对缓蚀剂的缓蚀性能进行评价。实验前将挂片砂纸打磨光洁，然后在石油醚中用软刷清除油污、再用无水乙醇清洗干净后，干燥称量待用。实验后，将挂片用水冲洗，观察表面腐蚀情况，依次用石油醚、无水乙醇反复清洗等物理和化学方法除去腐蚀产物，最后干燥称量纪录，评价缓蚀剂的缓蚀性能。

三、结论

该缓蚀剂属于油酸咪唑啉类。油酸咪唑啉分子中的N上的孤对电子与挂片表面Fe的空d轨道形成配位键，使缓蚀剂分子吸附在挂片表面。同时，该缓蚀剂分4

子中的双键也可以通过其π键作用，在挂片表面产生化学吸附。缓蚀剂在挂片表面的吸附，改变了挂片表面的电荷分布和界面性质，使其表面的能量状态趋于稳定，增加了腐蚀反应的活化能，减缓了腐蚀速率。同时，吸附在挂片表面的缓蚀剂形成了一层疏水性保护膜，阻碍着与腐蚀反应有关的电荷或物质的转移，使腐蚀速度减小。此外，该缓蚀剂中复配有甲醛、表面活性剂等物质。甲醛本身就是一种缓蚀剂，分子带有极性基团—CHO，其中心原子O 有两对孤对电子，它也能与挂片表面Fe的d电子轨道形成配位键而吸附在腐蚀基体表面成膜。并且， 甲

醛在酸中能形成 CHHOH ，保护腐蚀基体的阴极，使其表面局部带正电而排斥

H+ ，从而起到缓蚀的作用。

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四、参考文献

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