CN106946743A - 一种双子阳离子表面活性剂及其制备方法和压裂液 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种双子阳离子表面活性剂，具有式I结构：式I中，R为碳原子数为10～30的烷基，n为11～17；m为2～6；X为O或N；Y为卤素。与现有技术相比，本发明通过巧妙的分子结构设计，将自降解、自生气功能创新性的结合在一起，提供了一种同时具有无机盐用量低、可自降解、自生气等性能优越的压裂液，这种压裂液降解后产物为亲水性小分子和亲油分子，对地层无损害，因而无须返排。本发明还提供了一种双子阳离子表面活性剂的制备方法和压裂液。

Description

一种双子阳离子表面活性剂及其制备方法和压裂液
技术领域
本发明涉及水力压裂技术领域，尤其涉及一种双子阳离子表面活性剂及其制备方法和压裂液。
背景技术
目前国内应用的表面活性剂型压裂液由于存在以下问题，使其工业化应用受到了限制：一是单链的表面活性剂头部之间的静电排斥力比较大，需要加入大量的盐以屏蔽，配置压裂液所需盐量比较大；二是目前表面活性剂的碳链长度比较短，所配置的压裂液的耐温能力比较差，一般≤60℃；三是为国内老油田较多，地层压力系数降低明显，压裂液返排困难，容易对储层造成二次伤害，同时返排液也容易带来严重的环境污染问题。
针对以上问题，专利CN103756662公开了一种多功能不返排表面活性剂压裂液。该发明设计合成了一种六亚甲基α-和ω-双油基二甲基氯化铵组成的Gemini表面活性剂，分子中含有两个亲水、亲油基团，通过顺式双键的共价键结构将两个表面活性剂分子的离子头基连接起来，有效地阻止了离子头基之间的电荷排斥作用，只需加入少量的无机盐就可使其形成蠕虫状胶束相互缠结的网络结构，携砂性能优异，实验表明该种压裂液无需返排，对地层的损伤也较小。专利US7704926公开了一种主要成分为含酯键或酰胺键的可降解单链阳离子表面活性剂的压裂液。该发明通过在普通单链阳离子表面活性剂分子中引入可断裂的酯键或酰胺键，使其可以在一定的pH环境和温度条件下发生降解，失去表面活性。从而避免了在压裂过程中表活剂分子遇到原油之后，形成乳液颗粒，对后续的驱油过程造成不利影响。
另外，在油田采油技术中，采用自生气体系对油井进行解堵增能处理，可以有效地改善地层渗透性、增加地层能量、调整地层剖面以及提高压裂液返排率，达到提高采油量的目标。目前常见的自生气技术是把一种或两种化学成分以及多种添加剂组成的复合体系，注入地层后，在催化剂或一定地层温度作用下使生气体系反应产生大量的CO2或碱性气体，增加地层能量，降低油水界面张力，降低原油粘度，促进压裂液返排。专利US4178993公开了一种利用亚硝酸钠和氯化铵在一定温度下反应产生大量的氮气进行解堵增能的技术方案。专利CN101671553A将亚硝酸钠和发泡剂作为A剂，氯化铵、乙二胺四乙酸、酸性物质催化剂和稳泡剂作为B剂制成球状，A剂和B剂在地层条件下混合产生气体并放出热量，达到增能的目的。然而这些方法在施工过程中气体产生剂和酸液都不能在地面上混合，需要采用隔离液，多段塞注入，施工工艺复杂。
综合看来，现有技术并未报道同时具有无机盐用量低、自降解和自生气功能的压裂液，以满足市场的使用需求。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种双子阳离子表面活性剂及其制备方法和压裂液，本发明提供双子阳离子表面活性剂制得的压裂液同时具有无机盐用量低、自降解和自生气功能。
本发明提供了一种双子阳离子表面活性剂，具有式I结构：
式I中，R为碳源子数为10～30的烷基，n为11～17；m为2～6；X为O或N；Y为卤素。
本发明提供了一种上述技术方案所述的双子阳离子表面活性剂的制备方法，包括以下步骤：
(1)将式1结构化合物和双(三氯甲基)碳酸酯进行反应，得到式2结构化合物；
(2)将式2结构化合物与式3结构化合物进行反应，得到式4结构化合物；
(3)将式4结构化合物与式5结构化合物进行反应，得到式I结构的双子阳离子表面活性剂；
其中，式1、式2、式4和式I中的R为碳原子数为10～30的烷基；
式3、式4和式I中的X为O或N，n为11～17；
式5和式I中的m为2～6，Y为卤素。
优选的，所述步骤(1)中反应的温度为35～150℃，反应的时间为0.5～10小时。
优选的，所述步骤(2)中的反应在催化剂的存在下进行。
本发明提供了一种压裂液，包括上述技术方案所述的双子阳离子表面活性剂。
优选的，所述压裂液包括：
上述技术方案所述的双子阳离子表面活性剂；
交联剂；
水。
优选的，所述交联剂选自氯化钾、氯化铵、氯化钠、溴化钾、溴化铵、溴化钠或水杨酸钠。
优选的，所述双子阳离子表面活性剂在压裂液中的质量含量为0.5～3％。
优选的，所述交联剂在压裂液中的质量含量为0.5～3％。
优选的，所述压裂液还包括pH值调节剂。
与现有技术相比，本发明通过巧妙的分子结构设计，将自降解、自生气功能创新性的结合在一起，提供了一种同时具有无机盐用量低、可自降解、自生气等性能优越的压裂液，这种压裂液降解后产物为亲水性小分子和亲油分子，对地层无损害，因而无须返排。本发明中压裂液的关键成分在于含有一种特殊结构的双子阳离子表面活性剂：
这种表面活性剂在水溶液中能够自组装形成蠕虫状胶束并进一步发生缠结形成网状结构，从而达到增黏的目的以满足压裂液携砂的需求。表面活性剂在水溶液中自组装行为主要由其疏水尾巴和亲水头基的结构所决定，疏水尾巴越长，亲水头基之间的排斥作用越小，越有利于组装形成蠕虫状胶束，但同时溶解性变差。现有技术中的单链表面活性剂分子因亲水头基之间的电荷排斥作用而导致其在水溶液中更倾向于自组装形成球状胶束，因而需要加入大量的无机盐以屏蔽亲水头基的电荷，促使其自组装形貌由球状胶束转变为蠕虫状胶束。而具有更长疏水碳链的表面活性剂分子因原料不易得到而成本高昂，且溶解性很差难以实际应用。本发明采用的双子阳离子表面活性剂，在亲水头基之间加入了化学键，同时由于采用了氨基甲酸酯键结构，亲水头基之间可以形成氢键，在化学和物理的共同作用下减少了亲水头基之间的排斥作用，因而可以大大减少无机盐的用量，且进一步提高其增黏效果。
现有技术中阳离子表面活性剂压裂液还容易在岩石表面吸附，使原本呈亲水性的岩石表面变得疏水而造成储层损害和破胶不彻底，同时若压裂结束后还继续留存在储层中，在后续采油过程中会和原油一同被采出而造成原油乳化问题，因而必须返排。本发明中的表面活性剂分子在合适的pH和温度的作用下连接疏水链和亲水头基的氨基甲酸酯键可以断裂，使得表活剂分子降解成带电荷的极性小分子和非极性的疏水碳链。而且在断裂过程中可产生气体，达到增能的目的，极性小分子产物可以吸附在岩石表面，在不改变岩石润湿性的同时充当黏土稳定剂，疏水碳链可以直接溶解到原油中被一同采出而不造成原油乳化，因而既不会损害地层也不会干扰后续采油过程，同时破胶也更加完全，不需返排。
因此，本发明提供的双子阳离子表面活性剂制备得到的压裂液同时具有无机盐用量少，可自降解和自生气的功能，携砂效果好，无需返排。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
图1为本发明提供的双子阳离子表面活性剂的结构示意图；
图2为表1中样品1在不同温度下黏度随时间的变化；
图3为表2中样品1在不同温度下黏度随时间的变化；
图4为表3中样品1在不同温度下黏度随时间的变化；
图5为实施例7得到的压裂液在90℃不同pH条件下降解不同时间后在25℃测试的黏度变化；
图6为实施例8得到的压裂液在90℃不同pH条件下降解不同时间后在25℃测试的黏度变化；
图7为实施例9得到的压裂液在90℃不同pH条件下降解不同时间后在25℃测试的黏度变化。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明提供了一种双子阳离子表面活性剂，具有式I结构：
式I中，R为碳原子数为10～30的烷基，优选为碳原子数为14～18的直链烷基，更优选为-C16H33或-C18H37；
n为11～17，优选为12～16，更优选为13～15；
m为2～6，优选为2～4；
X为O或N；
Y为卤素，优选为Cl或Br。
图1为本发明提供的双子阳离子表面活性剂的结构示意图，包括与离子连接的降解基团，离子之间的间隔基团。
本发明提供了一种上述技术方案所述的双子阳离子表面活性剂的制备方法，包括以下步骤：
(1)将式1结构化合物和双(三氯甲基)碳酸酯进行反应，得到式2结构化合物；
(2)将式2结构化合物与式3结构化合物进行反应，得到式4结构化合物；
(3)将式4结构化合物与式5结构化合物进行反应，得到式I结构的双子阳离子表面活性剂；
其中，式1、式2、式4和式I中的R为碳原子数为10～30的烷基；
式3、式4和式I中的X为O或N，n为11～17；
式5和式I中的m为2～6，Y为卤素。
在本发明中，式1、式2、式4和式I中的R与上述技术方案所述R一致；式3、式4和式I中的X和n与上述技术方案所述X和n一致；式5和式I中的m和Y与上述技术方案所述m和Y一致；在此不再赘述。
在本发明中，所述步骤(1)中优选将式1结构的化合物溶液滴加到双(三氯甲基)碳酸酯(BTC)溶液中，所述滴加温度优选为0～5℃。在本发明中，所述式1结构化合物溶液和双(三氯甲基)碳酸酯(BTC)溶液中的溶剂优选为同种溶剂，优选为甲苯、二甲苯或氯苯。在本发明中，所述步骤(1)中的反应优选在搅拌的条件下进行。在本发明中，所述步骤(1)中反应的温度优选为35～150℃，更优选为50～120℃，最优选为80～100℃。在本发明中，所述步骤(1)中反应的时间优选为0.5～10小时，更优选为1～8小时，最优选为3～6小时。
在本发明中，所述反应完成后，优选将得到的反应产物通氮气以除去氯化氢气体后回收有机溶剂，得到式2结构化合物。在本发明中，回收有机溶剂的方法优选为蒸馏。
在本发明中，所述步骤(2)中的反应温度优选为20～30℃；反应时间优选为6～18小时，更优选为10～14小时。在本发明中，所述步骤(2)中的反应优选在催化剂的存在下进行，所述催化剂优选为二丁基锡二月桂酸酯。在本发明中，所述步骤(2)中的反应优选在高温下进行，所述高温的温度优选为35～45℃。本发明步骤(2)中的反应在催化剂和高温条件下进行能够加快反应速度。
在本发明中，所述步骤(3)中反应的温度优选为50～100℃，更优选为60～80℃；反应的时间优选为48～72小时。在本发明中，所述步骤(3)中的反应优选在搅拌的条件下进行。在本发明中，所述步骤(3)反应完成后优选将得到的反应产物蒸馏除去其中的有机溶剂，得到式I结构的化合物。
在本发明中，所述式1结构化合物和双(三氯甲基)碳酸酯的摩尔比优选为1：(0.3～0.4)，更优选为1：0.35；式2结构化合物和式3结构化合物的摩尔比优选为1：(0.8～1.2)，更优选为1：1；式4结构化合物和式5结构化合物的摩尔比优选为1：(0.3～0.7)，更优选为1：0.5。本发明对所述式1结构化合物、双(三氯甲基)碳酸酯、式3结构化合物和式5结构化合物的来源没有特殊的限制，可采用本领域技术人员熟知的方法合成，也可由市场购买获得。
本发明提供了一种压裂液，包括上述技术方案所述的双子阳离子表面活性剂。在本发明中，所述压裂液优选包括双子阳离子表面活性剂；交联剂；水。在本发明中，所述双子阳离子表面活性剂为上述技术方案所述的双子阳离子表面活性剂，在此不再赘述。在本发明中，所述双子阳离子表面活性剂在压裂液中的质量含量优选为0.5～3％，更优选为1～2.5％，最优选为1.5～2％。在本发明中，所述交联剂优选选自氯化钾、氯化铵、氯化钠、溴化钾、溴化铵、溴化钠或水杨酸钠，更优选为氯化铵。在本发明中，所述交联剂在压裂液中的质量含量优选为0.5～3％，更优选为1～2.5％，最优选为1.5～2％。在本发明中，所述水优选为去离子水。本发明提供的压裂液中优选还包括pH值调节剂，可根据压裂液所应用的储层本身条件(储层本身的pH值、温度等)选择添加pH值调节剂。在本发明中，所述pH值调节剂使压裂液的pH值在6.8～8.5的范围内。本发明可通过调节压裂液的pH值调节其降解速度。在本发明中，所述pH值调节剂优选为碱性化合物，如氢氧化钠、氢氧化钾、三乙胺或碳酸氢钠，考虑到二氧化碳的溶解平衡优选为碳酸氢钠。在本发明中，所述压裂液的pH值优选为6.5～8.5。
本发明对所述压裂液的制备方法没有特殊的限制，采用本领域技术人员熟知的压裂液的制备方法进行制备即可，如可按照下述方法进行制备：
将双子阳离子表面活性剂、交联剂和水搅拌溶解，得到压裂液。在必要时添加pH值调节剂。
本发明提供的压裂液可以用作水井和油井压裂，所需无机盐用量少，增黏效果好；且在地层温度下可发生自降解，不改变地层润湿性，对地层无伤害，无需返排；同时伴随降解过程可释放二氧化碳气体补充地层能量。
本发明以下实施例所用到的原料和设备均为市售商品，使用上海安耐吉试剂有限公司生产的十八烷基胺、N,N-二甲基乙醇胺；国药集团化学试剂有限公司生产的双(三氯甲基)碳酸酯、1,2-二溴乙烷、氯化铵、二丁基锡二月桂酸酯、丙酮、二氯甲烷。
采用北京欣维尔玻璃仪器有限公司生产的四口烧瓶、两口烧瓶和单口烧瓶，采用德国IKA公司生产的EUROSTAR型磁力加热搅拌器进行加热及搅拌，采用美国生产的TAAR-G2型多功能流变仪对压裂液的黏度以及可降解性能进行测试。
实施例1C18-氨基甲酸酯键-二甲基乙胺(表面活性剂1)合成
C18-氨基甲酸酯键-二甲基乙胺合成的合成路线如下：
在装有机械搅拌器、温度计、恒压滴液漏斗、回流冷凝管的四口烧瓶中加入双(三氯甲基)碳酸酯29.7g(0.1mol)和二氯甲烷(70mL)，开启搅拌，冷却至0～5℃。将十八胺(合成路线中(1)化合物)80.7g(0.3mol的二氯甲烷(90mL)溶液经恒压滴液漏斗以1.5mL/min左右的速度滴入反应体系中，滴加完毕后，在室温下搅拌0.5h后再升温至50℃回流反应5h。反应结束，通氮气除去氯化氢气体，真空蒸馏回收二氯甲烷后蒸出产品十八烷基异氰酸酯(合成路线中(2)化合物69.4g，产率78.2％)。
在单口烧瓶中加入十八烷基异氰酸酯29.5g(0.1mol)，N,N-二甲基乙醇胺8.9g(0.1mol)，二丁基锡二月桂酸酯1mL，二氯甲烷100mL，开启磁力搅拌，室温反应8h。反应结束后，反应液用100mL水洗，分离出有机相，无水硫酸钠干燥后真空除去二氯甲烷得产物十八烷氨基甲酸二甲氨基乙醇酯(合成路线中(3)化合物)(36.2g，产率94.3％)。
在装有回流冷凝管的两口烧瓶中加入十八氨基甲酸二甲氨基乙醇酯(38.4g,0.1mol)，1,2-二溴乙烷(11.3g,0.06mol)，丙酮80mL，开启磁力搅拌，并升温回流反应36h，过滤，得固体白色粉末状双阳离子表面活性剂产物(合成路线中(4)化合物)(38.2g，产率80％)。
对本发明实施例1制备得到的双阳离子表面活性剂产物进行核磁氢谱检测，检测结果为1H-NMR(500MHz,Chloroform-d)δ5.34(s,1H),4.52(s,2H),3.68(s,2H),3.52(s,2H),3.14(d,8H),1.61(s,2H),1.26(m,31H),0.89(s,3H)，双阳离子表面活性剂具有以下结构：
实施例2C16-氨基甲酸酯键-二甲基乙胺(表面活性剂2)合成
合成路线与实施例1类似，将合成路线中的化合物(1)十八胺替换为十六胺，具体合成方式为：
在装有机械搅拌器、温度计、恒压滴液漏斗、回流冷凝管的四口烧瓶中加入双(三氯甲基)碳酸酯29.7g(0.1mol)和二氯甲烷(70mL)，开启搅拌，冷却至0～5℃。将十六胺72.5g(0.3mol)的二氯甲烷(90mL)溶液经恒压滴液漏斗以1.5mL/min左右的速度滴入反应体系中，滴加完毕后，在室温下搅拌0.5h后再升温至50℃回流反应5h。反应结束，通氮气除去氯化氢气体，真空蒸馏回收二氯甲烷后蒸出产品十六烷基异氰酸酯(65g，产率81％)。
在单口烧瓶中加入十六烷基异氰酸酯26.7g(0.1mol)，N,N-二甲基乙醇胺8.9g(0.1mol)，二丁基锡二月桂酸酯1mL，二氯甲烷100mL，开启磁力搅拌，室温反应8h。反应结束后，反应液用100mL水洗，分离出有机相，无水硫酸钠干燥后真空除去二氯甲烷得产物十六烷氨基甲酸二甲氨基乙醇酯(34.8g，产率97.6％)。
在装有回流冷凝管的两口烧瓶中加入十六烷氨基甲酸二甲氨基乙醇酯(35.7g,0.1mol)，1,2-二溴乙烷(11.3g,0.06mol)，丙酮80mL，开启磁力搅拌，并升温回流反应36h，过滤，得固体白色粉末状双阳离子表面活性剂产物(36.5g，产率81％)。
按照实施例1中的方法进行检测，检测结果为，本发明实施例2制备得到的双阳离子表面活性剂具有以下结构：
实施例3C18-氨基甲酸酯键-二甲基羟基丙胺(表面活性剂3)合成
合成路线与实施例1类似，将实施例1中的1,2-二溴乙烷替换为环氧氯丙烷，具体合成方式为：
在装有机械搅拌器、温度计、恒压滴液漏斗、回流冷凝管的四口烧瓶中加入双(三氯甲基)碳酸酯29.7g(0.1mol)和二氯甲烷(70mL)，开启搅拌，冷却至0～5℃。将十八胺80.7g(0.3mol)的二氯甲烷(90mL)溶液经恒压滴液漏斗以1.5mL/min左右的速度滴入反应体系中，滴加完毕后，在室温下搅拌0.5h后再升温至50℃回流反应5h。反应结束，通氮气除去氯化氢气体，真空蒸馏回收二氯甲烷后蒸出产品十八烷基异氰酸酯(69.4g，产率78.2％)。
在单口烧瓶中加入十八烷基异氰酸酯29.5g(0.1mol)，N,N-二甲基乙醇胺8.9g(0.1mol)，二丁基锡二月桂酸酯1mL，二氯甲烷100mL，开启磁力搅拌，室温反应8h。反应结束后，反应液用100mL水洗，分离出有机相，无水硫酸钠干燥后真空除去二氯甲烷得产物十八烷氨基甲酸二甲氨基乙醇酯(36.2g，产率94.3％)。
在装有回流冷凝管的两口烧瓶中加入十八氨基甲酸二甲氨基乙醇酯(38.4g,0.1mol)，环氧氯丙烷(5.6g,0.06mol)，丙酮80mL，开启磁力搅拌，并升温回流反应36h，过滤，得固体白色粉末状双阳离子表面活性剂产物(36.2g，产率78％)。
按照实施例1所述的方法进行检测，检测结果为，本发明实施例3制备的双阳离子表面活性剂具有以下结构：
实施例4
将实施例1制备得到的双阳离子表面活性剂溶解于去离子水中，完全溶解后加入氯化铵和水杨酸钠，制备得到压裂液。
表面活性剂、氯化铵和水杨酸钠的质量含量以及得到的压裂液状态如表1所示。表1为本发明实施例4得到的压裂液的状态。
表1本发明实施例4得到的压裂液的状态
图2为表1中样品1在不同温度下黏度随时间的变化，在固定剪切频率下，随着温度升高，压裂液黏度下降，但在短时间内(1h)保持稳定，而且即便在高温条件下(110℃)，粘度也可达28mPa·s，符合油气田要求。
由表2和图2可知，加入水杨酸钠可以有效提高表面活性剂溶液的克拉夫点，使其耐温性变好，但会降低其溶解度，因而更适用于高温储层。
实施例5
与实施例4制备压裂液的方法相同，将实施例1制备的双阳离子表面活性剂替换为实施例2制备的双阳离子表面活性剂。
表面活性剂、氯化铵和水杨酸钠的质量含量以及得到的压裂液状态如表2所示。表2为本发明实施例5得到的压裂液的状态。
表2本发明实施例5得到的压裂液的状态
图3为表2中样品1在不同温度下黏度随时间的变化，在固定剪切频率下，随着温度升高，压裂液黏度下降，但在短时间内(1h)保持稳定，而且即便在高温条件下(110℃)，黏度也可达31mPa·s，符合油气田要求。
由表2和图3可知，加入水杨酸钠可以有效提高表面活性剂溶液的克拉夫点，使其耐温性变好，但会降低其溶解度，因而更适用于高温储层。
实施例6
与实施例4制备压裂液的方法相同，将实施例1制备的双阳离子表面活性剂替换为实施例3制备的双阳离子表面活性剂。
表面活性剂、氯化铵和水杨酸钠的质量含量以及得到的压裂液状态如表3所示。表3为本发明实施例6得到的压裂液的状态。
表3本发明实施例6得到的压裂液的状态
图4为表3中样品1在不同温度下黏度随时间的变化，在固定剪切频率下，随着温度升高，压裂液黏度下降，但在短时间内(1h)保持稳定，而且即便在高温条件下(110℃)，黏度也可达25mPa·s，符合油气田要求。
由表3和图4可知，加入水杨酸钠可以有效提高表面活性剂溶液的克拉夫点，使其耐温性变好，但会降低其溶解度，因而更适用于高温储层。
实施例7
将实施例1制备得到的双阳离子表面活性剂、氯化铵和水混合，得到压裂液，双阳离子表面活性剂在压裂液中的含量为2.0wt％，氯化铵在压裂液中的含量为1.0wt％。
通过向压裂液中加入不同含量的碳酸氢钠调节体系pH值，图5显示了实施例7得到的压裂液在90℃不同pH条件下降解不同时间后在25℃测试的黏度变化。可以看出，一段时间后压裂液体系的黏度从160mPa·s左右降低到了约7mPa·s，化学反应式为：
一分子双阳离子表面活性剂可释放两分子二氧化碳气体，其他产物分别为油溶性十八胺和水溶性小分子季铵盐，不乳化，对油水分离无影响。
实施例8
将实施例2制备得到的双阳离子表面活性剂、氯化铵和水混合，得到压裂液，双阳离子表面活性剂在压裂液中的含量为3.0wt％，氯化铵在压裂液中的含量为1.0wt％。
通过向压裂液中加入不同含量的碳酸氢钠调节体系pH值，图6显示了实施例8得到的压裂液在90℃不同pH条件下降解不同时间后在25℃测试的黏度变化。可以看出，一段时间后压裂液体系的黏度从100mPa·s左右降低到了约8mPa·s，化学反应式为：
一分子双阳离子表面活性剂可释放两分子二氧化碳气体，其他产物分别为油溶性十六胺和水溶性小分子季铵盐，不乳化，对油水分离无影响。
实施例9
将实施例3制备得到的双阳离子表面活性剂、氯化铵和水混合，得到压裂液，双阳离子表面活性剂在压裂液中的含量为2.5wt％，氯化铵在压裂液中的含量为1.0wt％。
通过向压裂液中加入不同含量的碳酸氢钠调节体系pH值，图7显示了实施例9得到的压裂液在90℃不同pH条件下降解不同时间后在25℃测试的黏度变化。可以看出，一段时间后压裂液体系的黏度从90mPa·s左右降低到了约3mPa·s，化学反应式为：
一分子双阳离子表面活性剂可释放两分子二氧化碳气体，其他产物分别为油溶性十八胺和水溶性小分子季铵盐，不乳化，对油水分离无影响。
实施例10
采用高温高压装置试验模拟试剂地层情况，研究压力、温度对压裂液生气量、生气速度的影响。压裂液配方为实施例1制备得到的双阳离子表面活性剂、氯化铵和水，双阳离子表面活性剂在压裂液中含量为2.0wt％，氯化铵在压裂液中含量为1.0wt％，加入碳酸氢钠调节溶液pH值为7.5。由工作站实时检测反应体系压力随时间的变化规律，由PV＝nRT计算产生的气体的量，检测结果如表4所示，表4为本发明实施例10得到的压裂液生气性能检测结果。(其中空白压力增加是指等体积的水受热蒸发所导致的压力增加，实验压力增加是指压裂液中水蒸发和表活剂受热分解所产生气体导致的总压力变化，生气压力增加是指实验增压减去空白增压)
表4本发明实施例10得到的压裂液生气性能检测结果
由表4可知，常温常压，预测1L压裂液生气体积为10.4L。
实施例11
采用高温高压装置试验模拟试剂地层情况，研究压力、温度对压裂液生气量、生气速度的影响。压裂液配方为实施例2制备得到的双阳离子表面活性剂、氯化铵和水，双阳离子表面活性剂在压裂液中含量为3.0wt％，氯化铵在压裂液中含量为1.0wt％，加入碳酸氢钠调节溶液pH值为7.5。由工作站实时检测反应体系压力随时间的变化规律，由PV＝nRT计算产生的气体的量，检测结果如表5所示，表5为本发明实施例11得到的压裂液生气性能检测结果。
表5本发明实施例11得到的压裂液生气性能检测结果
由表5可知，常温常压，预测1L压裂液生气体积为16.6L。
实施例12
采用高温高压装置试验模拟试剂地层情况，研究压力、温度对压裂液生气量、生气速度的影响。压裂液配方为实施例3制备得到的双阳离子表面活性剂、氯化铵和水，双阳离子表面活性剂在压裂液中含量为2.5wt％，氯化铵在压裂液中含量为1.0wt％，加入碳酸氢钠调节溶液pH值为7.5。由工作站实时检测反应体系压力随时间的变化规律，由PV＝nRT计算产生的气体的量，检测结果如表6所示，表6为本发明实施例12得到的压裂液生气性能检测结果。
表6本发明实施例12得到的压裂液生气性能检测结果
由表6可知，常温常压，预测1L压裂液生气体积为13.0L。
由以上实施例可知，本发明提供了一种双子阳离子表面活性剂，具有式I结构：式I中，R为碳原子数为10～30的烷基，n为11～17；m为2～6；X为O或N；Y为卤素。与现有技术相比，本发明通过巧妙的分子结构设计，将自降解、自生气功能创新性的结合在一起，提供了一种同时具有无机盐用量低、可自降解、自生气等性能优越的压裂液，这种压裂液降解后产物为亲水性小分子和亲油分子，对地层无损害，因而无须返排。

Claims (10)

1.一种双子阳离子表面活性剂，具有式I结构：
式I中，R为碳原子数为10～30的烷基，n为11～17；m为2～6；X为O或N；Y为卤素。
2.一种权利要求1所述的双子阳离子表面活性剂的制备方法，包括以下步骤：
(1)将式1结构化合物和双(三氯甲基)碳酸酯进行反应，得到式2结构化合物；
(2)将式2结构化合物与式3结构化合物进行反应，得到式4结构化合物；
(3)将式4结构化合物与式5结构化合物进行反应，得到式I结构的双子阳离子表面活性剂；
R-NH2 式1； R-NCO 式2；
其中，式1、式2、式4和式I中的R为碳原子数为10～30的烷基；
式3、式4和式I中的X为O或N，n为11～17；
式5和式I中的m为2～6，Y为卤素。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述步骤(1)中反应的温度为35～150℃，反应的时间为0.5～10小时。
4.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述步骤(2)中的反应在催化剂的存在下进行。
5.一种压裂液，包括权利要求1所述的双子阳离子表面活性剂。
6.根据权利要求5所述的压裂液，其特征在于，所述压裂液包括：
权利要求1所述的双子阳离子表面活性剂；
交联剂；
水。
7.根据权利要求6所述的压裂液，其特征在于，所述交联剂选自氯化钾、氯化铵、氯化钠、溴化钾、溴化铵、溴化钠或水杨酸钠。
8.根据权利要求6所述的压裂液，其特征在于，所述双子阳离子表面活性剂在压裂液中的质量含量为0.5～3％。
9.根据权利要求6所述的压裂液，其特征在于，所述交联剂在压裂液中的质量含量为0.5～3％。
10.根据权利要求6所述的压裂液，其特征在于，所述压裂液还包括pH值调节剂。
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