CN104560002A - 页岩气压裂用减阻剂及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及页岩气压裂用减阻剂及其制备方法，主要解决现有技术的减阻剂降阻率低的问题。本发明通过采用页岩气用减阻剂以质量份数计，组成包括1份疏水缔合聚合物、0.05～20份表面活性剂，5～200份KCl和500～20000份水的技术方案，较好的解决了该技术问题，可用于页岩气开采中的减阻剂。<b><u /></b>
Description
技术领域
本发明涉及石油天然气开采领域，特别是涉及页岩气压裂液用减阻剂及其制备方法。
背景技术
随着油气资源日趋紧缺，能源安全问题日益突出，页岩气资源已成为世界各国能源界争相研究的热点。目前，中国页岩气资源勘探开发尚处于探索起步阶段，开发保护好这些资源是我国能源行业面临的重要课题。目前页岩气开发通常使用水力压裂技术，由于页岩气压裂时液体排量非常大，需要在清水中添加一定量的减阻剂如羟丙基瓜胶、聚丙烯酰胺等，用来降低液体在管路中的摩阻，提高施工效果。但是常规的聚合物基压裂体系由于含有水不溶物和胶体残渣，易造成页岩储层严重伤害，压裂液交联形成冻胶后不利于缝网的形成，且会增加在管路中的摩阻，因此对施工设备带来制约。目前国外对页岩油气储层的改造，主要采用滑溜水体系。为了增加溶解性和分散性能，通常将减阻剂制作成以矿物油为外相的悬浮液，矿物油的使用大大增加了返排液处理的难度。常用的羟丙基瓜胶是一种半乳甘露聚糖，容易被微生物降解，因此滑溜水中通常还需加入一定量的杀菌剂。杀菌剂的使用，带来了更加严重的环境问题，使返排液的处理更加复杂。因此，需要研发出一种环保高效又经济的减阻剂，从而降低施工压力，提高施工工艺成功率和经济效益。
国内在页岩气用减阻剂的研制方面还处于起步阶段，西南石油大学，中石油天然气股份有限公司，中石油河南油田分公司石油工程技术研究院，中石油西北油田分公司工程技术研究院，延长石油等机构都在页岩气用减阻剂方面开展了研究工作，取得了一定的进展。
公开号为CN102977877A的专利报道了一种页岩气用减阻剂的制备方法，通过在常规的聚丙烯酰胺上引入功能单体的方法，提高了减阻剂的抗剪切性能，降阻率可以达到70%；公开号为CN102516975、CN103045226A和CN103010488A的专利都报道了滑溜水型减阻剂的制备方法，但该类减阻剂降阻率都比较低。
发明内容
a) 1份的疏水缔合聚合物；
b) 0.05～20份的表面活性剂；
c) 5～200份的KCl；
d) 500～20000份的水；
其中所述疏水缔合聚合物由下列质量份表示的混合物经自由基聚合而得：
a) 100份的丙烯酰胺；
b) 0～60份的自由基聚合阴离子单体；
c) 0.1～60份的自由基聚合疏水单体；
d) 200～2000份的水。
上述技术方案中，所述的表面活性剂优选自非离子型表面活性剂，如壬基酚聚氧乙烯醚、辛基酚聚氧乙烯醚、脂肪醇聚氧乙烯醚，或者它们的任意混合物；其中壬基酚聚氧乙烯醚和辛基酚聚氧乙烯醚中的EO结构单元数独立优选4～30；其中脂肪醇聚氧乙烯醚用R5-O-(CH2CH2O)n-H表示，其中R5优选为饱和的或不饱和的C12～C18的烃基，可以是直链烃基，也可以是带支链的烃基；优选n=4～30。
作为更优选的技术方案，所述页岩气压裂用减阻剂组成包括：a) 1份疏水缔合聚合物；b) 5～15份的表面活性剂；c) 50～150份的KCl；d) 500～700份的水；其中所述疏水缔合聚合物由下列质量份表示的混合物经自由基聚合而得：a) 100份的丙烯酰胺；b) 50～60份的2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸；c) 0.5～2份的式（I）所示的阴离子疏水单体，其中R1为C8～C12的烷基，M选自NH4或碱金属中的任意一种；其中所述的表面活性剂选自壬基酚聚氧乙烯醚或辛基酚聚氧乙烯醚，EO结构单元数目为5～15。
在上述最优选的技术方案中，更更优选R1为C10的烷基。在上述技术方案中，表面活性剂更优选为辛基酚聚氧乙烯醚。
为解决上述技术问题之二，本发明的技术方案如下：上述技术问题之一所述技术方法中的页岩气压裂用减阻剂的制备方法，依次包括以下几个步骤：
(a) 在聚合釜中加入水、丙烯酰胺、自由基聚合阴离子单体、自由基聚合疏水单体，搅拌均匀形成溶液；
(b)调节溶液的pH值至7～10，加入自由基聚合引发剂，在10～30℃的温度引发0.5～1小时；
(c)在40～60℃的温度下聚合2～8小时，得到含水的凝胶状疏水缔合聚合物。
(d) 干燥，得到干态的疏水缔合聚合物；
(e) 将所需量的疏水缔合聚合物、表面活性剂、KCl和水混合均匀，得到页岩气压裂用减阻剂。
上述技术方案中，所述自由基聚合阴离子单体优选自2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸、丙烯酸、甲基丙烯酸、乙烯基苯磺酸、乙烯基磺酸中的至少一种。
上述技术方案中，所述自由基聚合疏水单体优选自阴离子疏水单体或阳离子疏水单体中的一种；所述阴离子疏水单体优选具有式（I）所示的通式；所述阳离子疏水单体优选具有式（II）所示的通式；R1优选C4～C16的烃基，M优选自NH4或碱金属中的任意一种；R3和R4独立优选自C1～C4的烷基，R2优选为C12～C22的烷基，X优选为卤素，X更优选氯；
（I）；（II）。
上述技术方案中，所述自由基引发剂优选为氧化还原引发剂；所述自由基引发剂用量优选为占所述单体总重的0.003～0.5％；所述自由基引发剂优选由选自过硫酸铵或碱金属过硫酸盐中至少一种氧化剂和选自碱金属亚硫酸盐、碱金属亚硫酸氢盐或碱金属硫代硫酸盐中的至少一种还原剂组成。
为解决上述技术问题之三，本发明的技术方案如下：上述技术问题之一所述的页岩气压裂用减阻剂在页岩气开采中的应用。
例如所述应用的方法优选将所述0.005～0.2wt%的减阻剂水溶液大排量快速注入底层，可有效降低操作中的循环摩阻压力。
本发明中减阻剂的重量百分浓度，均以溶液中的聚合物含量计。
本发明的技术关键是将疏水缔合聚丙烯酰胺与表活剂及KCl复配，本发明减阻剂浓度为0.005～0.2wt%时降阻率可达到80%，未采取该复配体系的疏水缔合聚丙烯酰胺减阻剂的降阻率为75%以下，取得了较好的技术效果。
具体实施方式
【实施例1】
1、聚合物的合成
在聚合釜中先加入650g去离子水，加入100g丙烯酰胺（AM）、54g 2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸（AMPS）、1.5g 2-丙烯酰胺基十二烷基磺酸钠（NaAMC12S），搅拌至完全溶解，用NaOH调节pH值为9，并开始通入高纯氮气，30min后将釜内温度降至15℃，然后依次加入0.1wt%的亚硫酸氢钠水溶液15.5g和0. 1wt%的过硫酸钾水溶液15.5g作为引发剂，继续通氮气30min后封口。1小时后将反应温度逐渐升至45℃，反应3小时后得到含水的凝胶状聚合产物，切胶后在90 oC下鼓风干燥1.5h，用粉碎机打碎过筛得到干态的疏水缔合聚合物。
2、减阻剂的配制
在10L水中，加入1g疏水缔合聚合物、10gOP10和100gKCl，在机械搅拌200rpm的速度下搅拌20分钟，得到0.01wt%的减阻剂溶液。
3、减阻剂的性能测试
除了减阻剂溶液以10L/min流量流经1/2英寸圆管以外，其它按照SY/T 6376-2008压裂液通用技术条件中7.13.1的方法进行压裂液降阻剂室内降阻性能评价。将清水装入多功能流动回路仪，测定清水通过管路时的稳定压差Δp 1；按照同样的方法测定上述压裂液降阻剂流经管路时的稳定压差Δp 2，按公式（1）计算降阻率η：
（1）
结果见附表1。
本申请的发明人发现，当本发明所述页岩气压裂用减阻剂组成包括如下组份时降阻率高达80%以上，具有更好的技术效果：a) 1份疏水缔合聚合物；b) 5～15份的表面活性剂；c) 50～150份的KCl；d) 500～700份的水；其中所述疏水缔合聚合物由下列质量份表示的混合物经自由基聚合而得：a) 100份的丙烯酰胺；b) 50～60份的2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸；c) 0.5～2份的式（I）所示的阴离子疏水单体，其中R1为C8～C12的烷基，M选自NH4或碱金属中的任意一种；其中所述的表面活性剂选自壬基酚聚氧乙烯醚或辛基酚聚氧乙烯醚，EO结构单元数目为5～15。这也表1中实施例1与其它实施例和比较例的同比数据中直观看出。
【实施例2】
1、聚合物的合成
在反应釜中先加入650g去离子水，加入100g丙烯酰胺（AM）、60g2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸（AMPS）、15g 2-丙烯酰胺基十二烷基磺酸钠（NaAMC12S），搅拌至完全溶解，用NaOH调节pH值为9，并开始通入高纯氮气，30min后将釜内温度降至15℃，然后依次加入0. 1wt%的亚硫酸氢钠水溶液17.5g和0. 1wt%的过硫酸钾水溶液17.5 g作为引发剂，继续通氮气30min后封口。1小时后将反应温度逐渐升至45℃，反应3小时后得到凝胶状聚合产物，切胶后在90 oC下鼓风干燥1.5h，用粉碎机打碎过筛得到水溶性疏水缔合聚合物。
2、减阻剂的配制
在10L水中，加入1g疏水缔合聚合物、15gOP15和100gKCl，在机械搅拌200rpm的速度下搅拌20分钟，得到0.01wt%的减阻剂溶液。
3、减阻剂的性能测试
测试方法与实施例1相同，结果见附表1。
【实施例3】
1、聚合物的合成
在反应釜中先加入650g去离子水，加入100g丙烯酰胺（AM）、55.5g2-丙烯酰胺基十二烷基磺酸钠（NaAMC12S），搅拌至完全溶解，用NaOH调节pH值为9，并开始通入高纯氮气，30min后将釜内温度降至15℃，然后依次加入0.1wt%的亚硫酸氢钠水溶液15.5g和0. 1wt%的过硫酸钾水溶液15.5g作为引发剂，继续通氮气30min后封口。1小时后将反应温度逐渐升至45℃，反应3小时后得到凝胶状聚合产物，切胶后在90 oC下鼓风干燥1.5h，用粉碎机打碎过筛得到疏水缔合聚合物。
2、减阻剂的配制
在10L水中，加入1g水溶性疏水缔合聚合物、18gOP20和100gKCl，在机械搅拌200rpm的速度下搅拌20分钟，得到0.01wt%的减阻剂溶液。
3、减阻剂的性能测试
测试方法与实施例1相同，结果见附表1。
【实施例4】
1、聚合物的合成
在反应釜中先加入650g去离子水，加入100g丙烯酰胺（AM）、40g甲基丙烯酸（MAA）、12g十八烷基二甲基烯丙基氯化铵（C18DMAA），搅拌至完全溶解，用NaOH调节pH值为9，并开始通入高纯氮气，30min后将釜内温度降至15℃，然后依次加入0.1wt%的亚硫酸氢钠水溶液15.2g和0.1wt%的过硫酸钾水溶液15.2g作为引发剂，继续通氮气30min后封口。1小时后将反应温度逐渐升至45℃，反应3小时后得到凝胶状聚合产物，切胶后在90 oC下鼓风干燥1.5h，用粉碎机打碎过筛得到疏水缔合聚合物。
2、减阻剂的配制
在10L水中，加入1g水溶性疏水缔合聚合物，10gNP10和100gKCl在机械搅拌200rpm的速度下搅拌20分钟，得到0.01wt%的减阻剂溶液。
3、减阻剂的性能测试
测试方法与实施例1相同，结果见附表1。
【实施例5】
1、聚合物的合成
在反应釜中先加入650g去离子水，加入100g丙烯酰胺（AM）、30g丙烯酸（AA）、9g十六烷基二甲基烯丙基氯化铵（C16DMAA），搅拌至完全溶解，用NaOH调节pH值为9，并开始通入高纯氮气，30min后将釜内温度降至15℃，然后依次加入0.1wt%的亚硫酸氢钠水溶液13.9g和0.1wt%的过硫酸钾水溶液13.9g作为引发剂，继续通氮气30min后封口。1小时后将反应温度逐渐升至45℃，反应3小时后得到凝胶状聚合产物，切胶后在90 oC下鼓风干燥1.5h，用粉碎机打碎过筛得到疏水缔合聚合物。
2、减阻剂的配制
在10L水中，加入1g疏水缔合聚合物，20gNP20和100gKCl在机械搅拌200rpm的速度下搅拌20分钟，得到0.01wt%的减阻剂溶液。
3、减阻剂的性能测试
测试方法与实施例1相同，结果见附表1。
【实施例6】
1、聚合物的合成
在反应釜中先加入650g去离子水，加入100g丙烯酰胺（AM）、20g乙烯基苯磺酸（VBS）、6g2-丙烯酰胺基十四烷基磺酸钠（NaAMC14S）搅拌至完全溶解，用NaOH调节pH值为9，并开始通入高纯氮气，30min后将釜内温度降至15℃，然后依次加入0.1wt%的亚硫酸氢钠水溶液12.3g和0.1wt%的过硫酸钾水溶液12.3g作为引发剂，继续通氮气30min后封口。1小时后将反应温度逐渐升至45℃，反应3小时后得到凝胶状聚合产物，切胶后在90 oC下鼓风干燥1.5h，用粉碎机打碎过筛得到疏水缔合聚合物。
2、减阻剂的配制
在10L水中，加入1g疏水缔合聚合物，10gAEO9和100gKCl在机械搅拌200rpm的速度下搅拌20分钟，得到0.01wt%的减阻剂溶液。
3、减阻剂的性能测试
测试方法与实施例1相同，结果见附表1。
【实施例7】
1、聚合物的合成
在反应釜中先加入650g去离子水，加入100g丙烯酰胺（AM）、10g丙烯酸（AA）、3g 2-丙烯酰胺基十烷基磺酸钠（NaAMC10S），搅拌至完全溶解，用NaOH调节pH值为9，并开始通入高纯氮气，30min后将釜内温度降至15℃，然后依次加入0.1wt%的亚硫酸氢钠水溶液11.3g和0.1wt%的过硫酸钾水溶液11.3g作为引发剂，继续通氮气30min后封口。1小时后将反应温度逐渐升至45℃，反应3小时后得到凝胶状聚合产物，切胶后在90 oC下鼓风干燥1.5h，用粉碎机打碎过筛得到疏水缔合聚合物。
2、减阻剂的配制
在10L水中，加入1g疏水缔合聚合物，10gAEO7和100gKCl在机械搅拌200rpm的速度下搅拌20分钟，得到0.01wt%的减阻剂溶液。
3、减阻剂的性能测试
测试方法与实施例1相同，结果见附表1。
【实施例8】
1、聚合物的合成
在反应釜中先加入650g去离子水，加入100g丙烯酰胺（AM）、5g2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸（AMPS）、1g 2-丙烯酰胺基辛烷基磺酸钠（NaAMC8S），搅拌至完全溶解，用NaOH调节pH值为9，并开始通入高纯氮气，30min后将釜内温度降至15℃，然后依次加入0.1wt%的亚硫酸氢钠水溶液10.6g和0.1wt%的过硫酸钾水溶液10.6g作为引发剂，继续通氮气30min后封口。1小时后将反应温度逐渐升至45℃，反应3小时后得到凝胶状聚合产物，切胶后在90 oC下鼓风干燥1.5h，用粉碎机打碎过筛得到疏水缔合聚合物。
2、减阻剂的配制
在10L水中，加入1g疏水缔合聚合物，5gOP10，5gNP10和100gKCl在机械搅拌200rpm的速度下搅拌20分钟，得到0.01wt%的减阻剂溶液。
3、减阻剂的性能测试
测试方法与实施例1相同，结果见附表1。
【对比例1】
1、聚合物的合成
在反应釜中先加入650g去离子水，加入100g丙烯酰胺（AM）、55.5g 2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸（AMPS），搅拌至完全溶解，用NaOH调节pH值为9，并开始通入高纯氮气，30min后将釜内温度降至15℃，然后依次加入0.1wt%的亚硫酸氢钠水溶液15.5g和0.1wt%的过硫酸钾水溶液15.5g作为引发剂，继续通氮气30min后封口。1小时后将反应温度逐渐升至45℃，反应3小时后得到凝胶状聚合产物，切胶后在90 oC下鼓风干燥1.5h，用粉碎机打碎过筛得到丙烯酰胺共聚聚合物。
2、减阻剂的配制
在10L水中，加入1g丙烯酰胺共聚聚合物和100gKCl，在机械搅拌200rpm的速度下搅拌20分钟，得到0.01wt%的减阻剂溶液。
3、减阻剂的性能测试
测试方法与实施例1相同，结果见附表1。
【对比例2】
1、聚合物的合成
在反应釜中先加入2500g去离子水，加入390g丙烯酰胺（AM）、210g 2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸（AMPS）、6g 2-丙烯酰胺基十二烷基磺酸钠（NaAMC12S），搅拌至完全溶解，用NaOH调节pH值为9，并开始通入高纯氮气，30min后将釜内温度降至15℃，然后依次加入0.2wt%的亚硫酸氢钠水溶液20g和0.3wt%的过硫酸钾水溶液20g作为引发剂，继续通氮气30min后封口。1小时后将反应温度逐渐升至45℃，反应3小时后得到凝胶状聚合产物，切胶后在90 oC下鼓风干燥1.5h，用粉碎机打碎过筛得到疏水缔合聚合物。
2、减阻剂的配制
在10L水中，加入1g疏水缔合聚合物和10g脂肪醇聚氧乙烯醚磺酸盐（n=10）和100gKCl，在机械搅拌200rpm的速度下搅拌20分钟，得到溶解均匀的减阻剂。以质量百分比计，疏水缔合聚合物含量为0.01%。
3、减阻剂的性能测试
测试方法与实施例1相同，结果见附表1
【对比例3】
表活剂减阻剂的配制
在10L水中，加入10g OP10和100gKCl，在机械搅拌200rpm的速度下搅拌20分钟，得到溶解均匀的减阻剂。
表1 实施例与对比例降阻率结果
注：NP和OP分别表示壬基酚聚氧乙烯醚和辛基酚聚氧乙烯醚，后面的数值表示结构中EO结构单元的数目；AEO表示十六醇聚氧乙烯醚，其后的数值表示结构中EO结构单元的数目。
Claims (9)
1.页岩气压裂用减阻剂，以质量份数计，组成包括：
a) 1份的疏水缔合聚合物；
b) 0.05～20份的表面活性剂；
c) 5～200份的KCl；
d) 500～20000份的水；
其中所述疏水缔合聚合物由下列质量份表示的混合物经自由基聚合而得：
a) 100份的丙烯酰胺；
b) 0～60份的自由基聚合阴离子单体；
c) 0.1～60份的自由基聚合疏水单体；
d) 200～2000份的水。
2.权利要求1所述的页岩气压裂用减阻剂，其特征是所述表面活性剂选自非离子型表面活性剂。
3.权利要求1所述的页岩气压裂用减阻剂的制备方法，包括以下步骤：
(a) 在聚合釜中加入水、丙烯酰胺、自由基聚合阴离子单体、自由基聚合疏水单体，搅拌均匀形成溶液；
(b)调节溶液的pH值至7～10，加入自由基聚合引发剂，在10～30℃的温度引发0.5～1小时；
(c)在40～60℃的温度下聚合2～8小时，得到含水的凝胶状疏水缔合聚合物；
(d) 干燥，得到干态的疏水缔合聚合物；
(e) 将所需量的疏水缔合聚合物、表面活性剂、KCl和水混合均匀，得到页岩气压裂用减阻剂。
4.权利要求3所述的页岩气压裂用减阻剂的制备方法，其特征在于所述自由基聚合阴离子单体选自2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸、丙烯酸、甲基丙烯酸、乙烯基苯磺酸、乙烯基磺酸中的至少一种。
5.权利要求3所述的页岩气压裂用减阻剂的制备方法，其特征在于所述自由基聚合疏水单体选自阴离子疏水单体或阳离子疏水单体中的一种；所述阴离子疏水单体具有式（I）所示的通式；阳离子疏水单体具有式（II）所示的通式；R1是C4～C16的烃基，M选自NH4或碱金属中的任意一种；R3和R4独立选自C1～C4的烷基，R2为C12～C22的烷基，X为卤素；
（I）；（II） 。
6.权利要求3所述的页岩气压裂用减阻剂的制备方法，其特征是所述自由基引发剂为氧化还原引发剂。
7.权利要求3所述的页岩气压裂用减阻剂的制备方法，其特征是所述自由基引发剂用量为占所述单体总重的0.003～0.5％。
8.权利要求3所述的页岩气压裂用减阻剂的制备方法，其特征是所述自由基引发剂由选自过硫酸铵或碱金属过硫酸盐中至少一种氧化剂和选自碱金属亚硫酸盐、碱金属亚硫酸氢盐或碱金属硫代硫酸盐中的至少一种还原剂组成。
9.权利要求1或2所述的页岩气压裂用减阻剂在页岩气开采中的应用。
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