CN104830307B - 一种压裂液用有机硅聚醚乳液型消泡剂及其制备方法 - Google Patents

一种压裂液用有机硅聚醚乳液型消泡剂及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种压裂液用有机硅聚醚乳液型消泡剂及其制备方法，涉及精细化工领域。本发明消泡剂包含以下质量百分比的组分：聚硅氧烷4％‑8％，聚醚4％‑10％，乳化剂3％‑7％，分散剂0.1％‑1％，增稠剂0.1％‑0.5％。本发明通过上述质量百分比的组分与水复配得到一种压裂液用有机硅聚醚乳液型消泡剂。本发明以羟丙基胍尔胶为增稠剂，Span80、Tween80及二甲基硅油乳化剂1#作为乳化剂，用二甲基硅油与气相SiO2制得硅膏，以自来水作为分散介质，不需要胶体磨等额外设备，只需在反应釜中即可完成乳化，工艺简单且易于实现，成本低，具有无毒、无异味、化学性能稳定、易分散、消泡快、抑泡持久等特点。

Description

一种压裂液用有机硅聚醚乳液型消泡剂及其制备方法
技术领域
本发明涉及精细化工领域，具体而言，涉及一种压裂液用有机硅聚醚乳液型消泡剂及其制备方法。
背景技术
压裂是油气井增产，水井增注的有效措施之一，特别适于低渗透油气藏的整体改造。压裂形成具有高导流能力的填砂裂缝，能改善储集层流体向井内流动的能力，从而提高油气井产能。国内使用的常规压裂液包括水基压裂液、油基压裂液、泡沫压裂液、乳化压裂液、醇基压裂液和酸基压裂液等，目前应用量最大的是水基压裂液。在配制压裂原胶液过程中，因高排量循环可产生大量的泡沫并溢出罐外，造成有效原料的损失并影响对液体的准确计量，因而需要加入消泡剂以消除泡沫及抑制泡沫的产生。
目前，在种类繁多的消泡剂中，有机硅消泡剂以其表面张力低、热稳定性和化学稳定性高、无生理毒性、消泡力强、适用面广等优点，而获得了广泛的应用。按其产品形态，可分为油型、溶液型、乳液型、固体型四大类。油型有机硅消泡剂直接采用硅油作为载体，成本过高；溶液型有机硅消泡剂采用了有机溶剂，因对环境造成污染，应用范围日益缩小，这两种消泡剂很难分散于水相，主要用于非水体系；固体有机硅消泡剂产品形式比较特殊，加料比较困难，其使用受到一定限制；乳液型有机硅消泡剂由硅油或硅膏在强烈搅拌和乳化剂作用下，制成水包油型的乳液，化学稳定性、耐热性和抗氧化性均较高，无毒害，应用范围广，使用方便，在有机硅消泡剂中用量最大。
虽然有机硅消泡剂消泡力强，但抑泡性能较弱，且价格较贵。与之相对应的是聚醚消泡剂，它多是由起始剂和环氧乙烷、环氧丙烷开环聚合形成的聚合物，是一种性能优良的水溶性非离子表面活性剂。聚醚消泡剂最大的优点是抑泡力强，价格较低，但缺点是破泡率低、消泡缓慢不彻底。
目前使用的压裂液消泡剂存在消泡率低、消泡速度慢、抑泡效果差及工艺较复杂等问题。
有鉴于此，特提出本发明。
发明内容
本发明的第一目的在于提供一种压裂液用有机硅聚醚乳液型消泡剂，主要适用于水基压裂液体系，所述的压裂液用有机硅聚醚乳液型消泡剂兼具有机硅消泡剂和聚醚型消泡剂的优点，具有表面张力小、活性高、化学性质稳定、消泡能力强、抑泡时间长、成本低、用量少等优点。
本发明的第二目的在于提供一种所述的压裂液用有机硅聚醚乳液型消泡剂的制备方法，该方法具有制备条件容易控制、原料来源方便、性价比高、成本低等优点。
为了实现本发明的上述目的，特采用以下技术方案：
一种压裂液用有机硅聚醚乳液型消泡剂，所述消泡剂包含以下质量百分比的组分：
聚硅氧烷4％-8％，聚醚4％-10％，乳化剂3％-7％，分散剂0.1％-1％，增稠剂0.1％-0.5％，余量为溶剂。
本发明压裂液用有机硅聚醚乳液型消泡剂以聚硅氧烷连同聚醚作为主要活性成分，二者相互协同，并在乳化剂和分散剂的作用下，能够在起泡的介质中立即分散，更快更多地接触表面，进而提高极大地提高消泡剂的消泡效果和拟泡效果，该消泡剂具有无毒、无异味、化学性能稳定、易分散、消泡力强且快、抑泡力强且持久等特点。
所述消泡剂优选包含以下质量百分比的组分：
聚硅氧烷4.1％-8％，聚醚6％-9.7％，乳化剂4.3％-5.5％，分散剂0.4％，增稠剂0.1％；
进一步地，所述消泡剂优选包含以下质量百分比的组分：
聚硅氧烷8％，聚醚6％，乳化剂5.1％，分散剂0.4％，增稠剂0.1％。
所述溶剂为水。
所述聚硅氧烷为含甲基的聚硅氧烷，其分子式为：
RaR’b SiO(4-a-b)/2；
其中，R为C1-C18的取代或非取代烷基；R’为C2-C10的取代烷基；a为0-3中的整数，b为0-2中的整数，且1≤a+b≤3。
优选的，R为C1-C4的取代或非取代烷基；
更优选的，R或R’任选甲基、乙基、正丙基、甲苯基中的一种或多种；
进一步优选运动粘度为300CPS-1000CPS(25℃)的二甲基硅油。
本发明以特定结构的聚硅氧烷作为消泡剂的活性成分，该聚硅氧烷能赋予消泡剂很强的破泡作用，极大地提高消泡剂的消泡效果。
所述聚醚是主链含有醚键(-R-O-R-)，端基或侧基含有大于2个羟基(-OH)的低聚物。醚键中的氧原子能够与溶剂中的氢原子以氢键结合，分子链成为曲折形，疏水基团置于分子内侧，链周围变得容易与溶剂水结合，进而极大地提升消泡剂的消泡力。
所述聚醚以低分子量多元醇、多元胺或含活泼氢的化合物为起始剂，与氧化烯烃在催化剂作用下开环聚合而成；
所述氧化烯烃为氧化丙烯(环氧丙烷)和氧化乙烯(环氧乙烷)中的一种或两种，优选为环氧丙烷。
所述多元醇为丙二醇、乙二醇等二元醇，甘油三羟甲基丙烷等三元醇及季戊、四醇、木糖醇、山梨醇、蔗糖等多元醇中的一种或多种；
多元胺为二乙胺和二乙烯三胺中的一种或两种。
所述聚醚优选为分子量为800-2000的丙二醇聚醚；
所述聚醚进一步优选为分子量为2000、运动粘度为285CPS、pH为5.0-7.0(25℃，质量分数为1％的水溶液)的丙二醇嵌段聚醚(L61)。
所述乳化剂为山梨糖醇酐油酸酯(Span-80)、失水山梨醇单油酸酯聚氧乙烯醚(Tween-80)及专用硅油乳化剂中的一种或多种。
所述专用硅油乳化剂为二甲基硅油乳化剂1#，pH为5.0-7.0(25℃，质量分数为1％的水溶液)；
所述乳化剂的HLB值为5-9。
所述分散剂为气相SiO2，以BET法测定其比表面积为100m2/g-300m2/g；
所述气相SiO2的比表面积优选为150m2/g。
本发明以特定比较面积的气相SiO2作为分散剂，表面能高，含这种SiO2的聚硅氧烷乳液微粒在起泡液中构成颗粒非常小、数量非常多的基本消泡单元。由于SiO2微粒的存在，聚硅氧烷能迅速铺展在起泡液中，提高了聚硅氧烷的分散效率，使消泡剂达到最佳消泡效果，使体系储存稳定。而且由于气相SiO2粒径小、比表面积大，表面能高，具有三维网状结构，可以形成一种巨大的吸附气泡的作用力，它和聚硅氧烷一起构成攻击气泡的力，即SiO2吸附并冲击气泡造成薄弱点，在聚硅氧烷低表面张力的作用下使气泡破裂导致破泡，消泡力强，消泡快速。
所述增稠剂为羧甲基纤维素钠、黄原胶、羟丙基胍尔胶中的一种或多种。
所述增稠剂优选为羟丙基胍尔胶。
前述组分中，可用去离子水和自来水，因本发明采用的上述原料中，溶液电性对其性能影响不大，且经过比实验证实，从成本控制考虑，优选自来水。
上述压裂液用有机硅聚醚乳液型消泡剂的制备方法，包括如下步骤：
将聚硅氧烷与分散剂在150℃-200℃下搅拌混合均匀，制成硅膏，冷却，备用；将乳化剂加入到所得硅膏中，使其熔化并混合均匀，备用；然后在50℃-60℃的水中加入稠化剂、乳化剂及已加入了乳化剂的硅膏，搅拌使之充分乳化，冷却至室温得到一种压裂液用有机硅聚醚乳液型消泡剂。
本发明压裂液用有机硅聚醚乳液型消泡剂的制备方法不需要胶体磨等额外设备，只需在反应釜中即可完成乳化，工艺简单且易于实现，降低成本的同时保证了产品的质量。
所述聚硅氧烷与分散剂的搅拌混合时间为2小时以上。
一种优选的压裂液用有机硅聚醚乳液型消泡剂的制备方法，包括如下步骤：
将二甲基硅油与气相SiO2在150℃-200℃下搅拌混合均匀，制成硅膏，冷却，备用；将二甲基硅油乳化剂1#加入到所得硅膏中，使其熔化并混合均匀，备用；然后在50℃-60℃的水中加入稠化剂、Span80、Tween80及已加入了乳化剂的硅膏，搅拌使之充分乳化，冷却至室温得到一种压裂液用有机硅聚醚乳液型消泡剂。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
本发明以羟丙基胍尔胶为增稠剂，Span80、Tween80及二甲基硅油乳化剂1#作为乳化剂，用二甲基硅油与气相SiO2制得硅膏，以自来水作为分散介质，不需要胶体磨等额外设备，只需在反应釜中即可完成乳化，工艺简单且易于实现，降低成本的同时保证了产品的质量，具有无毒、无异味、化学性能稳定、易分散、消泡快、抑泡持久等特点。将其与市售同类产品用于压裂液的消泡比较，其消泡能力及抑泡能力均优于对比样品。此外，该消泡剂也可用于印染、电镀、造纸等相关领域。
具体实施方式
下面将结合实施例对本发明的实施方案进行详细描述，但是本领域技术人员将会理解，下列实施例仅用于说明本发明，而不应视为限制本发明的范围。实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市售购买获得的常规产品。
实施例1
一种压裂液用有机硅聚醚消泡剂，它由以下质量百分比的成分组成：二甲基硅油8.0％，L616.0％，Span802.8％，Tween800.7％，二甲基硅油乳化剂1#0.8％，气相SiO20.4％，羟丙基胍尔胶0.1％，余量为自来水。
上述压裂液用有机硅聚醚消泡剂的制备方法，包括以下步骤：
(1)在反应釜中将气相SiO2与二甲基硅油在150℃-200℃下搅拌2h以上，使其混合均匀，制成硅膏；
(2)将二甲基硅油乳化剂1#加入到硅膏中，使其熔化并混合均匀备用；
(3)将自来水加入反应釜中，加热到50℃-60℃，加入羟丙基胍尔胶，使其混合均匀；
(4)然后加入L61、Span80、Tween80及加入了二甲基硅油乳化剂1#的硅膏，充分搅拌使其均匀乳化；
(5)停止加热，让体系自然冷却，继续搅拌至室温，包装。
实施例2
一种压裂液用有机硅聚醚消泡剂，它由以下质量百分比的成分组成：二甲基硅油8.0％，L616.0％，Span803.6％，Tween800.9％，二甲基硅油乳化剂1#1.0％，气相SiO20.4％，羟丙基胍尔胶0.1％，余量为自来水。
上述压裂液用有机硅聚醚消泡剂的制备方法，包括以下步骤：
(1)在反应釜中将气相SiO2与二甲基硅油在150℃-200℃下搅拌2h以上，使其混合均匀，制成硅膏；
(2)将二甲基硅油乳化剂1#加入到硅膏中，使其熔化并混合均匀备用；
(3)将自来水加入反应釜中，加热到50℃-60℃，加入羟丙基胍尔胶，使其混合均匀；
(4)然后加入L61、Span80、Tween80及加入了二甲基硅油乳化剂1#的硅膏，充分搅拌使其均匀乳化；
(5)停止加热，让体系自然冷却，继续搅拌至室温，包装。
实施例3
一种压裂液用有机硅聚醚消泡剂，它由以下质量百分比的成分组成：二甲基硅油4.1％，L619.7％，Span803.6％，Tween800.9％，二甲基硅油乳化剂1#1.0％，气相SiO20.4％，羟丙基胍尔胶0.1％，余量为自来水。
上述压裂液用有机硅聚醚消泡剂的制备方法，包括以下步骤：
(1)在反应釜中将气相SiO2与二甲基硅油在150℃-200℃下搅拌2h以上，使其混合均匀，制成硅膏；
(2)将二甲基硅油乳化剂1#加入到硅膏中，使其熔化并混合均匀备用；
(3)将自来水加入反应釜中，加热到50℃-60℃，加入羟丙基胍尔胶，使其混合均匀；
(4)然后加入L61、Span80、Tween80及加入了二甲基硅油乳化剂1#的硅膏，充分搅拌使其均匀乳化；
(5)停止加热，让体系自然冷却，继续搅拌至室温，包装。
实施例4
一种压裂液用有机硅聚醚消泡剂，它由以下质量百分比的成分组成：二甲基硅油8.0％，L616.0％，Span803.0％，Tween800.5％，二甲基硅油乳化剂1#1.6％，气相SiO20.4％，羟丙基胍尔胶0.1％，余量为自来水。
上述压裂液用有机硅聚醚消泡剂的制备方法，包括以下步骤：
(1)在反应釜中将气相SiO2与二甲基硅油在150℃-200℃下搅拌2h以上，使其混合均匀，制成硅膏；
(2)将二甲基硅油乳化剂1#加入到硅膏中，使其熔化并混合均匀备用；
(3)将自来水加入反应釜中，加热到50℃-60℃，加入羟丙基胍尔胶，使其混合均匀；
(4)然后加入L61、Span80、Tween80及加入了二甲基硅油乳化剂1#的硅膏，充分搅拌使其均匀乳化；
(5)停止加热，让体系自然冷却，继续搅拌至室温，包装。
将实施例1-4所得压裂液有机硅聚醚乳液型消泡剂进行性能评估，结果如表1所示。表中配伍性评估是将其1滴消泡剂滴入10mL压裂液(起泡剂)中观察所得结果；稳定性评估是将其以3000r/m的转速离心30min，观察乳液现象；消泡性能评估是在25mL量筒中加入10mL压裂液(起泡剂)，摇动量筒使泡沫高度至25mL刻度，滴加1滴消泡剂样品并开始计时，其抑泡能力则是在滴加了消泡剂后的量筒再次进行摇动，观察泡沫变化情况。
表1实施例1-4性能评估结果表
由表1结果可知，本发明压裂液用有机硅聚醚乳液型消泡剂具有配伍性好、稳定性好、消泡时间短、消泡能力强、抑泡持久、抑泡效果明显等优点。
将本发明实施例4与市售同类有机硅消泡剂产品比较，本发明的消泡剂性能更优。
对比例1：FK(四川广汉阜康化工)
对比例2：AT-882D(广东佛山大田化学)
对比例3：LKR-600(山东临沂亿群化工)
对比例4：DT-135(广东佛山许氏化工)
将本发明实施例4与上述样品在水分散性、稳定性、耐酸性、消泡能力和抑泡能力进行比较，结果见表2所示。
表2中，水分散性的评估方法为：将少量乳液(2滴)加入装有去自来水的试管中(5mL水)，轻轻摇荡，观察在水中分散情况。
稳定性评估方法为：将乳液稀释5倍，置于3000r/min的离心机中离心30min，观察分层现象。
耐酸性评估方法为：取5mL样品于10mL离心试管中，滴加5滴浓度为1mol·L-1的硝酸，观察乳液外观，看是否有破乳现象。如有，记录时间；若没破乳，将其放入离心机中，以3000r/min的速度离心30min，观察是否破乳。
静态消泡能力评估方法为与表1方法相同。
动态消泡能力评估方法为：在250mL烧杯中，加入10mL的压裂液(起泡剂)，用磁力搅拌器在最高速度下搅拌，直到泡沫体积达到200mL时，向烧杯加2mL消泡剂，开始计时，直到泡沫全部消除停止计时，此段时间为动态消泡时间。
动态抑泡能力评估方法为：在上一操作结束后，继续搅拌，记录再次产生泡沫达到100mL时间，此段时间为动态抑泡时间。
表2消泡剂性能比较表
由表2结果可知，本发明压裂液用有机硅聚醚乳液型消泡剂相比现有技术中常规消泡剂，具有水分散性好、稳定性好、耐酸性好、消泡时间短、消泡能力强、抑泡持久、抑泡效果明显、综合性能好等优点。
附：乳液水分散性标准
0分—明显分层、底部沉淀极多、表面极多白色粒状物质、较稀透明状乳白色乳状液；
1分—明显分层、底部沉淀极多、表面较多白色粒状物质、较稀透明状乳白色乳状液；
2分—明显分层、底部沉淀极多、表面较少白色粒状物质、较稀透明状乳白色乳状液；
3分—明显分层、底部沉淀极多、表面极少白色粒状物质、较稀透明状乳白色乳状液；
4分—明显分层、底部沉淀极多、表面无白色粒状物质、较稀半透明状乳白色乳状液；
5分—明显分层、底部沉淀较多、表面极多白色粒状物质、较稀半透明状乳白色乳状液；
6分—无明显分层、底部沉淀较多、表面较少白色粒状物质、较稀乳白色乳状液；
7分—无明显分层、底部沉淀较少、表面较少白色粒状物质、较稀乳白色乳状液；
8分—无明显分层、底部沉淀极少、表面较少白色粒状物质、稠度适中乳白色乳状液；
9分—无明显分层、底部沉淀极少、表面极少白色粒状物质、稠度适中乳白色乳状液；
10分—不分层、底部无沉淀、表面无白色粒状物质、稠度适中乳白色乳状液。
尽管已用具体实施例来说明和描述了本发明，然而应意识到，在不背离本发明的精神和范围的情况下可以作出许多其它的更改和修改。因此，这意味着在所附权利要求中包括属于本发明范围内的所有这些变化和修改。

Claims (8)

1.一种压裂液用有机硅聚醚乳液型消泡剂，其特征在于，所述消泡剂包含以下质量百分比的组分：
聚硅氧烷4％-8％，聚醚4％-10％，乳化剂3％-7％，分散剂0.1％-1％，增稠剂0.1％-0.5％，余量为溶剂；
所述聚硅氧烷为含甲基的聚硅氧烷，其分子式为：RaR’bSiO(4-a-b)/2；其中，R为C1-C18的取代或非取代烷基；R’为C2-C10的取代烷基；a为0-3中的整数，b为0-2中的整数，且1≤a+b≤3；
所述聚醚是主链含有醚键、端基或侧基含有大于2个羟基的低聚物；
所述乳化剂为山梨糖醇酐油酸酯、失水山梨醇单油酸酯聚氧乙烯醚及专用硅油乳化剂中的一种或多种；
所述分散剂为气相SiO2，以BET法测定其比表面积为100m2/g-300m2/g；
所述增稠剂为羧甲基纤维素钠、黄原胶、羟丙基胍尔胶中的一种或多种。
2.根据权利要求1所述的一种压裂液用有机硅聚醚乳液型消泡剂，其特征在于，所述消泡剂包含以下质量百分比的组分：
聚硅氧烷4.1％-8％，聚醚6％-9.7％，乳化剂4.3％-5.5％，分散剂0.4％，增稠剂0.1％。
3.根据权利要求2所述的一种压裂液用有机硅聚醚乳液型消泡剂，其特征在于，所述消泡剂包含以下质量百分比的组分：
聚硅氧烷8％，聚醚6％，乳化剂5.1％，分散剂0.4％，增稠剂0.1％。
4.根据权利要求1所述的一种压裂液用有机硅聚醚乳液型消泡剂，其特征在于，所述溶剂为水。
5.根据权利要求1所述的一种压裂液用有机硅聚醚乳液型消泡剂，其特征在于，R为C1-C4的取代或非取代烷基。
6.根据权利要求1所述的一种压裂液用有机硅聚醚乳液型消泡剂，其特征在于，所述专用硅油乳化剂为二甲基硅油乳化剂1#。
7.如权利要求1-6任意一项所述的一种压裂液用有机硅聚醚乳液型消泡剂的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
将聚硅氧烷与分散剂在150℃-200℃下搅拌混合均匀，制成硅膏，冷却，备用；将乳化剂加入到所得硅膏中，使其熔化并混合均匀，备用；然后在50℃-60℃的水中加入聚醚、增稠剂、乳化剂及已加入了乳化剂的硅膏，搅拌使之充分乳化，冷却至室温得到一种压裂液用有机硅聚醚乳液型消泡剂。
8.根据权利要求7所述的一种压裂液用有机硅聚醚乳液型消泡剂的制备方法，其特征在于，所述聚硅氧烷与分散剂的搅拌混合时间为2小时以上。
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