CN103881695A - 一种超分子多元共聚物型清洁压裂液 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种超分子多元共聚物型清洁压裂液，由下述组分按质量百分比组成：超分子活性聚合物0.3-1.0%；交联剂0.3-1.0%；KCL1-2%；水96-98%，其中超分子活性聚合物的分子式如下：
Description
技术领域
本发明涉及一种超分子多元共聚物型清洁压裂液，属于油田压裂技术领域。
背景技术
目前，国内油田水力压裂施工基本上采用的是高分子压裂液体技术，即水基聚合物压裂液所应用的胍尔胶及其衍生物。由于它具有较好的流变控制特性，在压裂液方面已应用了很多年。其具有抗剪切性好、热稳定性好、控制滤失能力强等诸多优点，在国内外使用普遍。然而，和其它众多的水基压裂液一样，羟丙基胍尔胶（HPGF）仍具有不可避免的缺陷：一是不能快速溶胀和水合，溶解速度慢，难以解决施工规模及快速破胶返排对压裂液性能要求之间的矛盾；二是植物胶压裂液破胶后往往残渣较多，容易对裂缝的充填层堵塞，造成二次伤害，使压裂效果受到影响；三是植物胶纤维素等天然高分子耐温性较差，易生物降解，只能现配现用，且原料依赖进口，这在很大程度上限制了其应用。
作为传统压裂液的突破，1997年，Ani-Agip与斯伦贝谢公司的专家联合开发出了表面活性剂组成的压裂液（Viscoelastic surfactantfrcfluid），简称VES。此后，该压裂液体系得到了不断的丰富和发展。截止2002年，国外石油公司使用VES压裂液已成功地进行了2400井次的压裂作业。VES清洁压裂液体系中不含高分子聚合物，其增稠性能是由特殊的表面活性剂分子和助剂来实现的，表面活性剂分子具有一定的自聚化倾向，以尽可能将其非极性部分与水隔离开来。形成的这种胶束结构通常为小球状或长棒状。然而，当溶解在盐水中时，一些特定结构的（如含长链烃基结构的季铵盐阳离子型）表面活性剂分子，能够形成一种类似于高分子线团结构的胶束，完全不同于常规的球状或棒状结构。这种胶束的网络结构具有一定的抗扭曲能力，从而赋予液体较高的粘度而作为压裂液使用。当有机物质溶解到这种胶束结构核心时，最终会导致胶束结构的破坏，将原来的网络结构转变为球状结构而降低其粘度。利用这一点，生产井的产出液（如油或气）就会大大降低这种VES液体粘度，而不必添加破胶剂；此外，VES压裂液在地层盐水的稀释作用下也会自行破胶化水。降粘后的体系为表面活性剂的小分子溶液，粘度与水大致相同，易于返排而不会造成固相残留。但这种清洁压裂液的缺点是耐高温性能较差，一般只能满足80℃以下井类施工。在地层滤失严重，另外成本较高，因而也限制了其广泛应用。有些清洁压裂液短时间可抗150℃，但长时间剪切后稳定性变差。另外还存在用量大，成本高的缺陷，很难推广。因此，开发新型的低成本耐高温的清洁压裂液已势在必行。
发明内容
为了解决现有技术中存在的上述问题，本发明提供了一种超分子多元共聚物型清洁压裂液，具有耐高温，安全，环保的特点。
为了解决上述技术问题，本发明采用了如下技术方案：
一种超分子多元共聚物型清洁压裂液，由下述组分按质量百分比组成：
其中，R为C13-C21的直链或支链烷基，n为3-6的整数，p为2-4的整数。
作为优选，所述超分子活性聚合物由下述步骤获得：
1）称取30-45质量份的丙烯酰胺、5-10质量份的N-乙烯吡咯烷酮、1-2质量份的丙烯酸十六烷基酯、2-3质量份的2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸(AMPS)和0.5-1质量份的十二烷基苯磺酸钠，将上述组分加入200质量份的蒸馏水中，溶解备用；
2）称取0.1-0.2质量份的过硫酸铵，加入25质量份的蒸馏水中，溶解备用；
3）将步骤1）中配好的溶液加入反应容器中，水浴保温50℃，并搅拌；
4）将步骤2）配好的溶液慢慢滴加到反应容器中，时间控制在1小时；滴加完毕后，继续保温在50℃反应8-10小时；
5）将制备得到的产物用乙醚进行多次洗涤后，进行干燥得到黄色粉末，即为超分子活性聚合物干粉。
作为优选，所述交联剂为三乙醇胺钛酸多元醇酯交联剂。
作为优选，所述三乙醇胺钛酸多元醇酯交联剂通过如下步骤获得：
1）在200质量份的异丙醇溶剂中加入20-25质量份的山梨醇，在10-30℃下搅拌滴加2-3质量份的四氯化钛10-50分钟，在温度10-40℃下搅拌通入氨气90-200分钟，过滤除去氯化铵，滤液经蒸馏、精制得钛酸多元醇酯送螯合反应工序，脱除的异丙醇送回反应器循环使用；
2）以8-10质量份的三乙醇胺类化合物为螯合剂，搅拌下加入钛酸多元醇酯，在80-120℃下反应30-90分钟，经蒸馏、精制得三乙醇胺钛酸多元醇酯，回收异丙醇送酯化反应器循环使用。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
1、低伤害。稠化剂为低分子量的聚合物，地层条件下，滤饼吸收矿物质后自行破坏、降粘，恢复为清洁的低粘流体而得以清除，为侵入地层深部液体的返排提供了通道；水不溶物含量和破胶后的残渣低，可降低对地层的伤害。
2、高增粘。由于在聚合物分子中引入了长链疏水基及环状亲水基，分子之间的缠绕效应增强，加上分子间阴阳离子的相互作用及分子间的超分子聚集作用，形成具有类似于交联聚合物的空间网络结构，因而具有较好的增粘作用，在用量较低的情况下能达到较高的粘度，能满足压裂的要求。
3、超悬浮。由于压裂液体系的粘度较高，切压裂液流变性能受温度影响小，施工过程中压裂液粘度变化平缓，压裂液携砂稳定，使油层裂缝内铺砂均匀，形成的裂缝导流能力高。
4、抗剪切。由于在聚合物分子中引入了阴、非、阳三种离子基团，使得体系在全剪切过程中内粘度变化平缓，流变曲线无突起，而且粘度保持较高，有利于裂缝高度的控制，实现油层长穿透，形成长裂缝。
5、耐高温。由于在聚合物分子中引入了长链基团及环状基团，使得压裂液的耐温性明显增强，即使在180℃下还能保持较高粘度。
6、低摩阻。由于压裂液体系无交联，所以水溶液属于可逆结构，在管道中流动的阻力低，易于压力传递，容易泵送。
7、易返排。由于分子结构中含有活性基团，该压裂液破胶后能快速降粘，破胶液表面张力低，容易返排。
8、低成本。该压裂液增稠剂用量少，不需要添加其他助剂，总成本为胍胶压裂液的70%左右。
9、易施工。该压裂液添加剂品种少，用量低，溶解速度快，易于配置，施工方便。
10、安全环保。该压裂液中添加剂品种及用量少，返排液易处理，不会造成环境污染。
附图说明
图1为本发明实施例2所得的清洁压裂液抗剪切实验曲线图。
图2为本发明实施例3所得的清洁压裂液抗剪切实验曲线图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明作进一步详细描述，但不作为对本发明的限定。
实施例1
一种超分子多元共聚物型清洁压裂液，由下述组分按相应的质量百分比组成：
其中，超分子活性聚合物的分子式如下：
式中，R为C13-C21的直链或支链烷基，n为3-6的整数，p为2-4的整数。
本实施例中超分子活性聚合物由下述步骤获得：
1）准确称取30克丙烯酰胺、5克N-乙烯吡咯烷酮、1克丙烯酸十六烷基酯、2克2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸(AMPS)和0.5克十二烷基苯磺酸钠加入200克蒸馏水中，溶解备用；
2）准确称取0.1克过硫酸铵，加入25克蒸馏水中，溶解备用；
3）将步骤1）中配好的溶液加入三口烧瓶中，放入水锅中水浴保温50℃，并搅拌；
4）将步骤2）配好的溶液加入滴液漏斗中，插入三口烧瓶，慢慢滴加到三口烧瓶中，时间控制在1小时；滴加完毕后，继续保温在50℃反应8小时；
5）将制备的产物用乙醚进行多次洗涤后，进行干燥得到黄色粉末，即为超分子活性聚合物干粉。
本实施例中通过上述方法得到超分子活性聚合物，具有合成工艺简单，产品纯度高，用量少，降低成本的特点。
本实施例中交联剂采用三乙醇胺钛酸多元醇酯交联剂。
本实施例中三乙醇胺钛酸多元醇酯交联剂通过如下步骤获得：
1）在200克异丙醇溶剂中加入20克山梨醇，在10℃下搅拌滴加2克四氯化钛20分钟，在温度10℃下搅拌通入氨气100分钟，过滤除去氯化铵，滤液经蒸馏、精制得钛酸多元醇酯送螯合反应工序，脱除的异丙醇送回反应器循环使用；
2）以8克三乙醇胺类化合物为螯合剂，搅拌下加入钛酸多元醇酯，在90℃下反应40分钟，经蒸馏、精制得三乙醇胺钛酸多元醇酯，回收异丙醇送酯化反应器循环使用。
上述方法制备三乙醇胺钛酸多元醇酯交联剂具有工艺简单，溶剂可以循环利用，经济环保的特点。
本实施例所得压裂液在90℃下进行性能测试，结果见表1：
表1
实施例2：
一种超分子多元共聚物型清洁压裂液，由下述组分按相应的质量百分比组成：
其中，超分子活性聚合物的分子式如下：
式中，R为C13-C21的直链或支链烷基，n为3-6的整数，p为2-4的整数。
本实施例中超分子活性聚合物由下述步骤获得：
1）准确称取45克丙烯酰胺、10克N-乙烯吡咯烷酮、2克丙烯酸十六烷基酯、3克2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸(AMPS)和1克十二烷基苯磺酸钠加入200克蒸馏水中，溶解备用；
2）准确称取0.2克过硫酸铵，加入25克蒸馏水中，溶解备用；
3）将步骤1）中配好的溶液加入三口烧瓶中，放入水锅中保温50℃，并搅拌；
4）将步骤2）配好的溶液加入滴液漏斗中，插入三口烧瓶，慢慢滴加到三口烧瓶中，时间控制在1小时；滴加完毕后，继续保温在50℃反应10小时；
5）将制备的产物用乙醚进行多次洗涤后，进行干燥得到黄色粉末，即为超分子活性聚合物干粉。
本实施例中交联剂采用三乙醇胺钛酸多元醇酯交联剂。
本实施例中三乙醇胺钛酸多元醇酯交联剂通过如下步骤获得：
1）在200克异丙醇溶剂中加入25克山梨醇，在30℃下搅拌滴加3克四氯化钛50分钟，在温度40℃下搅拌通入氨气200分钟，过滤除去氯化铵，滤液经蒸馏、精制得钛酸多元醇酯送螯合反应工序，脱除的异丙醇送回反应器循环使用；
2）以10克三乙醇胺类化合物为螯合剂，搅拌下加入钛酸多元醇酯，在120℃下反应80分钟，经蒸馏、精制得三乙醇胺钛酸多元醇酯，回收异丙醇送酯化反应器循环使用。
本实施例所得压裂液在120℃下进行性能测试，结果见表2：
表2
图1为本实施例的清洁压裂液抗剪切实验曲线图。
实施例3：
一种超分子多元共聚物型清洁压裂液，由下述组分按相应的质量百分比组成：
其中，超分子活性聚合物的分子式如下：
式中，R为C13-C21的直链或支链烷基，n为3-6的整数，p为2-4的整数。
本实施例中超分子活性聚合物由下述步骤获得：
1）准确称取40克丙烯酰胺、8克N-乙烯吡咯烷酮、2克丙烯酸十六烷基酯、3克2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸(AMPS)和1克十二烷基苯磺酸钠加入200克蒸馏水中，溶解备用；
2）准确称取0.2克过硫酸铵，加入25克蒸馏水中，溶解备用；
3）将步骤1）中配好的溶液加入三口烧瓶中，放入水锅中保温50℃，并搅拌；
4）将步骤2）配好的溶液加入滴液漏斗中，插入三口烧瓶，慢慢滴加到三口烧瓶中，时间控制在1小时；滴加完毕后，继续保温在50℃反应8小时；
5）将制备的产物用乙醚进行多次洗涤后，进行干燥得到黄色粉末，即为超分子活性聚合物干粉。
本实施例中交联剂采用三乙醇胺钛酸多元醇酯交联剂。
本实施例中三乙醇胺钛酸多元醇酯交联剂通过如下步骤获得：
1）在200克异丙醇溶剂中加入25克山梨醇，在20℃下搅拌滴加2克四氯化钛30分钟，在温度30℃下搅拌通入氨气150分钟，过滤除去氯化铵，滤液经蒸馏、精制得钛酸多元醇酯送螯合反应工序，脱除的异丙醇送回反应器循环使用；
2）以9克三乙醇胺类化合物为螯合剂，搅拌下加入钛酸多元醇酯，在100℃下反应60分钟，经蒸馏、精制得三乙醇胺钛酸多元醇酯，回收异丙醇送酯化反应器循环使用。
本实施例所得压裂液在150℃下进行性能测试，结果见表3：
表3
图2为本实施例的清洁压裂液抗剪切实验曲线图。
本发明实施例1所得的超分子多元共聚物型清洁压裂液与常规瓜胶压裂液及表面活性剂型清洁压裂液（VES体系）相比具有明显的优势。具体指标对比见下表4
表4
| 对比指标 | 胍尔胶体系 | VES体系 | 实施例1 | |
| 1 | 液体类型 | 交联 | 粘弹性，无交联 | 粘弹性，可逆交联 |
| 2 | 适应温度范围(℃) | 50～120 | 30～100 | 25～180 |
| 3 | 耐盐性 | 好 | 好 | 好 |
| 4 | 增稠剂用量(50～100℃) | 0.35%～0.60% | 2～15% | 0.25～0.35% |
| 5 | 抗剪切能力 | 差 | 好 | 优异 |
| 6 | 悬浮能力 | 一般 | 差 | 优异 |
| 7 | 降摩阻率 | 25～35% | 60～70% | 70～75% |
| 8 | 岩芯伤害率 | 30～60% | 8～13% | 6～12% |
| 9 | 造缝能力 | 强 | 差 | 中 |
| 10 | 初滤失量 | 小 | 大 | 小 |
| 11 | 表面张力(mN/m) | ≤28 | 24.8 | 25.14 |
| 12 | 界面张力(mN/m) | ≤2.0 | 0.75 | 0.35 |
| 13 | 破胶后粘度(mPa.s) | ≤5 | ≤3 | ≤3 |
| 14 | 破胶后残渣(%) | 10～20 | ≤0.1 | ≤0.1 |
| 15 | 返排率(%) | 20～50 | 60～90 | 60～90 |
| 16 | 配液组分和工艺 | 复杂 | 复杂 | 简单 |
| 17 | 防腐防冻要求 | 有 | 无 | 无 |
| 18 | 压裂液成本 | 低 | 高 | 低 |
以上实施例仅为本发明的示例性实施例，不用于限制本发明，本发明的保护范围由权利要求书限定。本领域技术人员可以在本发明的实质和保护范围内，对本发明做出各种修改或等同替换，这种修改或等同替换也应视为落在本发明的保护范围内。
Claims (4)
1.一种超分子多元共聚物型清洁压裂液，其特征在于，由下述组分按质量百分比组成：
其中，R为C13-C21的直链或支链烷基，n为3-6的整数，p为2-4的整数。
2.根据权利要求1所述超分子多元共聚物型清洁压裂液，其特征在于，所述超分子活性聚合物由下述步骤获得：
1）称取30-45质量份的丙烯酰胺、5-10质量份的N-乙烯吡咯烷酮、1-2质量份的丙烯酸十六烷基酯、2-3质量份的2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸(AMPS)和0.5-1质量份的十二烷基苯磺酸钠，将上述组分加入200质量份的蒸馏水中，溶解备用；
2）称取0.1-0.2质量份的过硫酸铵，加入25质量份的蒸馏水中，溶解备用；
3）将步骤1）中配好的溶液加入反应容器中，水浴保温50℃，并搅拌；
4）将步骤2）配好的溶液慢慢滴加到反应容器中，时间控制在1小时；滴加完毕后，继续保温在50℃反应8-10小时；
5）将制备得到的产物用乙醚进行多次洗涤后，进行干燥得到黄色粉末，即为超分子活性聚合物干粉。
3.根据权利要求1所述超分子多元共聚物型清洁压裂液，其特征在于，所述交联剂为三乙醇胺钛酸多元醇酯交联剂。
4.根据权利要求3所述超分子多元共聚物型清洁压裂液，其特征在于，所述三乙醇胺钛酸多元醇酯交联剂通过如下步骤获得：
1）在200质量份的异丙醇溶剂中加入20-25质量份的山梨醇，在10-30℃下搅拌滴加2-3质量份的四氯化钛10-50分钟，在温度10-40℃下搅拌通入氨气90-200分钟，过滤除去氯化铵，滤液经蒸馏、精制得钛酸多元醇酯送螯合反应工序，脱除的异丙醇送回反应器循环使用；
2）以8-10质量份的三乙醇胺类化合物为螯合剂，搅拌下加入钛酸多元醇酯，在80-120℃下反应30-90分钟，经蒸馏、精制得三乙醇胺钛酸多元醇酯，回收异丙醇送酯化反应器循环使用。
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