CN110665431A - 一种磺酸两性双子黏弹性表面活性剂的制备及其在压裂液中的应用 - Google Patents

一种磺酸两性双子黏弹性表面活性剂的制备及其在压裂液中的应用 Download PDF

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Abstract

一种磺酸两性双子黏弹性表面活性剂的制备及其在压裂液中的应用包括：首先将长链脂肪叔胺与环氧氯丙烷进行季铵化反应得到中间体DNPC；然后将DNPC与对氨基苯磺酸钠反应得到磺酸两性双子表面活性剂VBS。本发明的制备方法产率较高且没有工业废渣，对环境友好的特点。此外，将磺酸两性双子黏弹性表面活性剂VBS与无机盐反离子进行复配得到一种流变性能优异的清洁压裂液体系。该体系悬砂性能强，现场配制简单，自动破胶，地层伤害小。含有10mmol/L的VBS压裂液体系在90℃，170s‑1下剪切90min后黏度能维持在50mPa·s左右，满足现场施工对清洁压裂液的黏度要求。

Description

一种磺酸两性双子黏弹性表面活性剂的制备及其在压裂液中 的应用
技术领域
本发明属于油田化学领域，涉及一种磺酸两性双子黏弹性表面活性剂的制备及其在压裂液中的应用。
背景技术
随着石油工业向低渗透油藏的发展，由于深井井下环境恶劣，常规技术开采油气的量越来越少。因此，迫切需要寻找一种新的方法来开发这些资源。同时，水力压裂技术对低渗透油藏进行增产改造，是提高油气采收率的有效手段。压裂液作为水力压裂改造油气储层过程当中的工作液，其性能的好坏直接影响着压裂施工的成败和压后储层增产效果。常规的聚合物压裂液和瓜胶压裂液体系较为复杂，且这两种压裂液稠化剂分子重量较大，在高温下难以彻底破碎，导致孔隙喉道被不溶性残基堵塞，造成严重的地层损害。此外，产品中残留的丙烯酰胺单体和降解的丙烯酰胺聚合物对地下环境有害。因此，应尽快开发出稳定、环保的替代材料。幸运的是，以小分子粘弹性表面活性剂(ViscoelasticSurfactant，简称VES)为稠化剂的清洁压裂液与地层水或者油气相遇时，即可发生破胶，没有任何不溶物残渣。除此之外，清洁压裂液体系的出现成功解决了上述问题。
从1997年Schlumberger首次将黏弹性表面活性剂压裂液应用于水力压裂中，经过了二十多年的发展，国内外的学者已经研制出的粘弹表面活性剂主要以阳离子、阴离子、非离子和两性离子体系或混合体系为主，其中阳离子粘弹性表面活性剂是最常用的清洁压裂液，但这些表面活性剂的耐温耐盐性能均限制了其在增产改造中的进一步应用。
为了使得制备的粘弹性表面活性剂具有优异的耐温耐盐性能，本次研究将磺酸根、苯环、超长疏水链以及阴阳离子引入到表面活性剂分子中，从而制备得到磺酸两性双子表面活性剂VBS，然后将其与无机盐反离子进行复配得到了耐温耐盐性能优异的清洁压裂液体系，这对深层油气藏的改造具有重要的意义。
发明内容
本发明的目的是提供一种磺酸两性双子黏弹性表面活性剂的制备及其在压裂液中的应用。将磺酸两性双子黏弹性表面活性剂VBS与无机盐反离子进行复配得到一种流变性能优异的清洁压裂液体系。该压裂液体系具有优异的悬砂性能，现场配制简单，自动破胶，地层伤害小。
本发明采取的技术方案是：
一种磺酸两性双子黏弹性表面活性剂VBS，其特征在于，其具体结构如下：
Figure BDA0002234306260000021
其中，R为碳原子数17-21的饱和或不饱和烃链。
进一步地，在本发明较佳的实施例中，R为芥酸、油酸或硬脂酸的疏水碳链。
上述两性双子黏弹性表面活性剂的制备方法，其特征在于，包括：
(1)首先将脂肪酸酰胺丙基二甲胺与环氧氯丙烷溶于有机溶剂中在80℃反应12h，从而得到中间体DNPC，反应式如下所示：其中，脂肪酸酰胺丙基二甲胺与环氧氯丙烷的摩尔比为1.0:(1.0-1.5)。
(2)向上述反应得到的中间体DNPC中加入一定量的对氨基苯磺酸钠和蒸馏水，接着在90℃的条件下回流反应18-24h，最终得到了一定浓度的磺酸两性双子表面活性剂VBS溶液，反应式如下所示；其中，中间体DNPC与对氨基苯磺酸钠的摩尔比为(2.0-2.5):1.0。
Figure BDA0002234306260000023
进一步的，所述的脂肪酸酰胺丙基二甲胺与环氧氯丙烷的摩尔比为1.0:1.1；
进一步的，所述的中间体DNPC和对氨基苯磺酸钠的摩尔比为2.05:1。
进一步的，所述脂肪酸酰胺丙基二甲胺为芥酸酰胺丙基二甲胺、油酸酰胺丙基二甲胺和硬脂酸酰胺丙基二甲胺中的一种或多种的组合。
进一步的，所述的有机溶剂为乙醇或乙酸乙酯或异丙醇。
进一步的，所述的磺酸两性双子黏弹性表面活性剂在清洁压裂液中的应用。
进一步的，所述的清洁压裂液包括：1-3wt％的两性双子黏弹性表面活性剂、1-1.4wt％的无机盐反离子，余量为水。
进一步的，所述的无机盐反离子盐为水杨酸钠、氯化钾、氯化钠、氯化铵中的一种或多种组合。
本发明的有益效果是：
1.本发明提供了一种利用环氧氯丙烷、脂肪酸酰胺丙基二甲胺以及对氨基苯磺酸钠制备磺酸两性双子黏弹性表面活性剂VBS的方法，该制备方法中没有工业废渣产生，对环境保护具有重要的意义。
2.将VBS与无机盐反离子复配制备的清洁压裂液在90℃、170s-1下90min后黏度能维持在50mPa·s左右，满足现场施工对清洁压裂液的黏度要求。并且优异的耐温耐剪切性、黏弹性，可用于高温油气藏的压裂增产改造。
附图说明
图1为实施例1中的两性双子黏弹性表面活性剂VBS的核磁氢谱图；
图2为实施例1中用20mmol/L的磺酸两性双子黏弹性表面活性剂VBS与120mmol/L的NaSal配制清洁压裂液在90℃的流变曲线；
图3为实施例2中用30mmol/L的磺酸两性双子黏弹性表面活性剂VBS与120mmol/L的NaSal配制清洁压裂液在120℃的流变曲线。
图4为实施例2中用30mmol/L的磺酸两性双子黏弹性表面活性剂VBS在25％标准盐水时的120℃的流变曲线(标准盐水组成：2.0％KCl+5.5％NaCl+0.45％MgCl2+0.55％CaCl2)。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。
实施例一：
(1)首先将100mmol的芥酸酰胺丙基二甲胺溶于含有150mL异丙醇的500mL单口圆底烧瓶中，接着向圆底烧瓶中加入110mmol的环氧氯丙烷，在80℃下搅拌12h，反应结束后，从而得到中间体DNPC。
(2)向第一步得到的中间体DNPC中加入50mmol的对氨基苯磺酸钠和200mL的蒸馏水，并在90℃下反应24h，反应结束后用旋转蒸发仪除去溶剂，从而得到淡黄色粘稠状液体，即磺酸两性双子黏弹性表面活性剂VBS。
(3)磺酸两性双子黏弹性表面活性剂VBS的核磁氢谱图如附图1所示。
(4)将20mmol/L的磺酸两性双子黏弹性表面活性剂VBS与120mmol/L的NaSal组成的清洁压裂液体系在90℃、170s-1下剪切90min后黏度能维持在25mPa·s以上，如附图2所示。
实施例二：
(1)首先将100mmol的芥酸酰胺丙基二甲胺溶于含有200mL乙醇的500mL单口圆底烧瓶中，接着向圆底烧瓶中加入140mmol的环氧氯丙烷，在80℃下搅拌12h，反应结束后，从而得到中间体DNPC。
(2)向第一步得到的中间体DNPC中加入48mmol的对氨基苯磺酸钠和200mL的蒸馏水，并在80℃下反应18h，反应结束后用旋转蒸发仪除去溶剂，从而得到淡黄色粘稠状液体，即磺酸两性双子黏弹性表面活性剂VBS。
(3)将30mmol/L的磺酸两性双子黏弹性表面活性剂VBS与120mmol/L的NaSal组成的清洁压裂液体系在120℃、170s-1下剪切90min后黏度能维持在25mPa·s以上，如附图3所示。

Claims (10)

1.一种磺酸两性双子黏弹性表面活性剂VBS，其特征在于，其具体结构如下：
Figure FDA0002234306250000011
其中，R为碳原子数17-21的饱和或不饱和烃链。
2.权利要求1所述的磺酸两性双子黏弹性表面活性剂，其特征在于，R为芥酸、油酸或硬脂酸的疏水碳链。
3.权利要求1所述的两性双子黏弹性表面活性剂的制备方法，其特征在于，包括：
(1)首先将脂肪酸酰胺丙基二甲胺与环氧氯丙烷溶于有机溶剂中在80℃反应12h，从而得到中间体DNPC，反应式如下所示：其中，脂肪酸酰胺丙基二甲胺与环氧氯丙烷的摩尔比为1.0:(1.0-1.5)；
(2)向上述反应得到的中间体DNPC中加入一定量的对氨基苯磺酸钠和蒸馏水，接着在90℃的条件下回流反应18-24h，最终得到了一定浓度的磺酸两性双子表面活性剂VBS溶液，反应式如下所示；其中，中间体DNPC与对氨基苯磺酸钠的摩尔比为(2.0-2.5):1.0。
4.权利要求3所述的磺酸两性双子黏弹性表面活性剂的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括：
(1)将脂肪酸酰胺丙基二甲胺与环氧氯丙烷溶于乙醇在80℃反应12h，从而得到中间体DNPC，其中脂肪酸酰胺丙基二甲胺与环氧氯丙烷的摩尔比为1.0:1.1；
(2)向上述反应得到的中间体DNPC中加入一定量的对氨基苯磺酸钠和蒸馏水，在90℃的条件下回流反应24h后，最终得到了一定浓度的磺酸两性双子表面活性剂VBS溶液；其中，中间体DNPC和对氨基苯磺酸钠的摩尔比为2.05:1。
5.根据权利要求3所述的两性双子黏弹性表面活性剂的制备方法，其特征在于，所述脂肪酸酰胺丙基二甲胺为芥酸酰胺丙基二甲胺、油酸酰胺丙基二甲胺和硬脂酸酰胺丙基二甲胺中的一种或多种的组合。
6.根据权利要求3所述的磺酸两性双子黏弹性表面活性剂的制备方法，其特征在于，所述有机溶剂为乙醇或乙酸乙酯或异丙醇。
7.权利要求1-6任一项所述的磺酸两性双子黏弹性表面活性剂在制备清洁压裂液中的应用。
8.一种清洁压裂液，其特征在于，包括无机盐反离子以及权利要求1所述的两性双子黏弹性表面活性剂。
9.根据权利要求8所述的清洁压裂液，其特征在于，所述清洁压裂液包括：1-3wt％的两性双子黏弹性表面活性剂、1-1.4wt％的无机盐反离子，余量为水。
10.根据权利要求8所述的清洁压裂液，其特征在于，所述无机盐反离子为水杨酸钠、氯化钾、氯化钠、氯化铵、羧基苯磺酸盐、苯甲酸钠和苯甲酸氢钾中的一种或多种组合。
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