CN110950782B - 一种耐温抗盐双子两性表面活性剂及其制备方法和应用 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种耐温抗盐双子两性表面活性剂及其制备方法和应用，表明了其具体的结构式，并提供了耐温抗盐双子两性表面活性剂的制备方法，以及耐温抗盐双子两性表面活性剂在清洁压裂液中的应用。本发明将磺酸根、超长疏水链以及阳离子引入到表面活性剂分子中，再将其与反离子盐复配得到清洁压裂液，具有优异的悬砂性能、耐温耐剪切性能和耐盐性能，现场配制简单，成本较低，能自动破胶，对地层伤害小，有效解决了耐温性较差、稳定性差、压裂液体系组成复杂和现场配液不便等问题。

Description

一种耐温抗盐双子两性表面活性剂及其制备方法和应用
技术领域
本发明属于表面活性剂及其制备技术领域，具体涉及一种耐温抗盐双子两性表面活性剂及其制备方法和应用。
背景技术
随着钻井技术的快速发展，油田开发逐渐面向深层、高温、低渗透难动用储层。但由于深井井下环境恶劣，常规开采技术难以获得理想的采收率。因此，水力压裂增产改造成为了非常规低渗储层开采的重要手段之一。压裂液作为施工过程的工作液，其性能的好坏直接影响着施工的成败及压后储层的增产效果。
使用压裂液的目的在于两方面：一是提供足够的粘度，使用水力尖劈作用形成裂缝使之延伸，并在裂缝沿程输送及填充压裂支撑剂；二是压裂完成后，压裂液迅速化学分解破胶到低粘度，保证大部分压裂液返排到地面以净化裂缝，保护油气藏。目前国内外使用的压裂液有很多种，主要有油基压裂液、水基压裂液、酸基压裂液，乳化压裂液、泡沫压裂液以及黏弹性表面活性剂(Viscoelastic Surfactant，简称VES)基清洁压裂液等。其中水基压裂液和油基压裂液因具有成本较低、配液方便等优点而应用比较广泛。据报道，目前全世界已开采的油田中采用水基压裂技术增产的油田占70％。然而水基压裂液体系较为复杂，稠化剂分子量较大，在高温下难以彻底破碎，导致压裂液返排率低，残留在裂缝中的聚合物将严重降低支撑剂充填层的渗透率，造成严重的地层伤害。
VES清洁压裂液的出现就是为了解决常规压裂液在返排过程中由于破胶不彻底对油气藏渗透率造成了很大伤害的问题。其特点是配置简单，不需要交联剂，只需要加入表面活性剂和稳定剂，粘度低，但能有效地输送支撑剂，反排迅速而彻底、伤害低，携砂性能好，滤失控制性能好，在压裂施工中既能够在目的油气层造成更理想的裂缝长度，保持压裂后较高的裂缝导流能力，提高油气井的采收率，又能降低对地层的伤害。
但是，当前VES压裂液体系也面临着一些突出问题，如耐温性较差，不能适用于高温深层的油层改造；高矿化度地层水中稳定性差；压裂液体系组成复杂，需要助表面活性剂、电解质等多种添加组分，配制复杂。
目前，为解决上述问题，国内外学者已进行了诸多研究，例如，以烷基酚和卤代烃为原料进行磺化、中和反应得到双子表面活性剂，将所合成的表面活性剂再与醇助剂混合形成清洁压裂液。该压裂液体系虽然耐温性能较好，但是反应复杂，现场配液不便，成本较高。又如，近年来，低伤害VES清洁压裂液研究的一个热点方向是阴离子型清洁压裂液。现场实际施工中使用最多的是阳离子型清洁压裂液。但是，阴阳离子型清洁压裂液耐温性能有限。目前研究的VES压裂液体系耐温性能一般只能达到90～100℃，难以适用于深层超高温地层的增产改造。
发明内容
针对现有技术中存在的上述问题，本发明提供一种耐温抗盐双子两性表面活性剂及其制备方法和应用，将磺酸根、超长疏水链以及阳离子引入到表面活性剂分子中，再将其与反离子盐复配得到清洁压裂液，具有优异的悬砂性能、耐温耐剪切性能和耐盐性能，现场配制简单，成本较低，能自动破胶，对地层伤害小，有效解决了耐温性较差、稳定性差、压裂液体系组成复杂和现场配液不便等问题。
为实现上述目的，本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：提供一种耐温抗盐双子两性表面活性剂，耐温抗盐双子两性表面活性剂的结构如下：
Figure BDA0002320533710000031
其中，R1为芥酸酰胺丙基、油酸酰胺丙基或硬脂酸酰胺丙基；R2为乙基、丁基或戊基。
上述耐温抗盐双子两性表面活性剂的制备方法，包括以下步骤：
(1)将叔胺与环氧氯丙烷溶于有机溶剂一中，然后加入盐酸，在50～60℃温度下反应2～4h，蒸发去除溶剂和过量与环氧氯丙烷，得中间体一；其反应过程如下：
Figure BDA0002320533710000032
其中，R1为芥酸酰胺丙基、油酸酰胺丙基或硬脂酸酰胺丙基。
(2)向步骤(1)所得中间体一中加入牛磺酸、蒸馏水和有机溶剂二，再加入缚酸剂一，在50～60℃温度下回流8～10h，然后加入丙酮，在2～4℃温度下静置3～5h，得中间体二；其反应过程如下：
Figure BDA0002320533710000033
(3)向步骤(2)所得中间体二中加入卤代烷烃和有机溶剂三，再加入缚酸剂二，在50～60℃温度下反应10～12h，然后加入丙酮，2～4℃温度下重结晶3～5h，蒸发去除溶剂后，得耐温抗盐双子两性表面活性剂。其反应过程如下：
Figure BDA0002320533710000034
其中，R2为乙基、丁基或戊基。
进一步，叔胺为油酸酰胺丙基二甲胺或芥酸酰胺丙基二甲胺。
进一步，叔胺、环氧氯丙烷和盐酸摩尔比为1:1～1.5:1～1.5。
进一步，叔胺、环氧氯丙烷和盐酸摩尔比为1:1.5:1.2。
进一步，中间体一、牛磺酸和缚酸剂一摩尔比为1:1～1.5:1～1.5。
进一步，中间体一、牛磺酸和缚酸剂一摩尔比为1:1.2:1.3。
进一步，中间体二、卤代烷烃、缚酸剂二摩尔比为2:1～1.5:2～3。
进一步，中间体二、卤代烷烃、缚酸剂二摩尔比为2:1.3:2.6。
进一步，叔胺与丙酮摩尔体积比为100:300mmol/mL。
进一步，有机溶剂一为乙醇、异丙醇或乙腈；所述有机溶剂二为异丙醇或乙腈，所述有机溶剂三为乙醇或异丙醇。
进一步，缚酸剂一和缚酸剂二为氢氧化钠、碳酸氢钠或三乙胺。
进一步，卤代烷烃中卤素为溴或氯。
上述耐温抗盐双子两性表面活性剂在清洁压裂液制备中的应用。
一种清洁压裂，包括以下重量百分比组分：权利要求1所述的耐温抗盐双子两性表面活性剂1～3％、反离子盐0.6～1.3％，余量为水。
进一步，反离子盐为水杨酸钠、氯化钾、氯化钠或氯化铵。
综上所述，本发明具备以下优点：
1、本发明将磺酸根、超长疏水链以及阳离子引入到表面活性剂分子中，再将其与反离子盐复配得到清洁压裂液，具有优异的悬砂性能、耐温耐剪切性能和耐盐性能，现场配制简单，成本较低，能自动破胶，对地层伤害小，有效解决了耐温性较差、稳定性差、压裂液体系组成复杂和现场配液不便等问题。
2、本发明的原材料芥酸、油酸等均能在植物中提取，属于天然油脂，分布广泛易获取。表面活性剂成本低廉，反应易进行，制备方法简单，制备过程中没有工业废渣产生，具有经济效益及环保价值。
3、传统的压裂液通常会使用多种添加剂，且无机盐含量较高，导致现场配液复杂，成本较高。而本发明中的清洁压裂液配制简单，使用方便，无机盐含量较低，成本低廉。
4、本发明中的清洁压裂液在140℃、170s-1下120min后的黏度仍能维持在50mPa·s左右，满足现场施工对清洁压裂液的黏度要求，且良好的耐温耐剪切性，可用于深层高温油气藏的压裂增产改造。
附图说明
图1为实施例1中清洁压裂液在120℃的流变曲线；
图2为实施例1中清洁压裂液在140℃的流变曲线；
图3为实施例1中清洁压裂液在120℃的流变曲线；
图4为不同浓度水杨酸钠和SDES表观黏度曲线。
具体实施方式
实施例1
一种耐温抗盐双子两性表面活性剂的制备方法，包括以下步骤：
(1)将100mmol的油酸酰胺丙基二甲胺溶于250mL异丙醇中，然后加入120mmol盐酸，室温下搅拌10min，再逐滴加入150mmol的环氧氯丙烷，在50℃温度下反应3h，蒸发去除溶剂和过量与环氧氯丙烷，得中间体一；
(2)向步骤(1)所得中间体一中加入120mmol的牛磺酸、250mL蒸馏水和200mL异丙醇，再加入130mmol碳酸氢钠，在50℃温度下回流10h，然后加入300mL丙酮，在3℃温度下静置3h，得中间体二；
(3)向步骤(2)所得中间体二中加入65mmol的1，4-二溴丁烷和200mL乙醇，再加入130mmol碳酸氢钠，在60℃温度下反应12h，然后加入300mL丙酮，3℃温度下重结晶3h，蒸发去除溶剂后，得耐温抗盐双子两性表面活性剂。
将15mmol/L的耐温抗盐双子两性表面活性剂与200mmol/L的氯化钠组成清洁压裂液，并测其黏度，结果如图1所示。由图1可知，清洁压裂液体系在120℃、170s-1下剪切120min后黏度能维持在50mPa·s以上。
实施例2
一种耐温抗盐双子两性表面活性剂的制备方法，包括以下步骤：
(1)将100mmol的芥酸酰胺丙基二甲胺溶于250mL乙醇中，然后加入120mmol盐酸，室温下搅拌10min，再逐滴加入150mmol的环氧氯丙烷，在60℃温度下反应2h，蒸发去除溶剂和过量与环氧氯丙烷，得中间体一；
(2)向步骤(1)所得中间体一中加入120mmol的牛磺酸、300mL蒸馏水和200mL异丙醇，再加入130mmol碳酸氢钠，在50℃温度下回流8h，然后加入300mL丙酮，在3℃温度下静置3h，得中间体二；
(3)向步骤(2)所得中间体二中加入70mmol的二溴乙烷和200mL乙醇，再加入130mmol碳酸氢钠，在50℃温度下反应12h，然后加入300mL丙酮，3℃温度下重结晶4h，蒸发去除溶剂后，得耐温抗盐双子两性表面活性剂。
将15mmol/L的耐温抗盐双子两性表面活性剂与250mmol/L的水杨酸钠组成清洁压裂液，并测其黏度，结果如图2所示。由图2可知，清洁压裂液体系在140℃、170s-1下剪切120min后黏度能维持在50mPa·s以上。
实施例3
一种耐温抗盐双子两性表面活性剂的制备方法，包括以下步骤：
(1)将100mmol的芥酸酰胺丙基二甲胺溶于250mL乙醇中，然后加入120mmol盐酸，室温下搅拌10min，再逐滴加入150mmol的环氧氯丙烷，在60℃温度下反应2h，蒸发去除溶剂和过量与环氧氯丙烷，得中间体一；
(2)向步骤(1)所得中间体一中加入120mmol的牛磺酸、300mL蒸馏水和200mL乙醇，再加入130mmol碳酸氢钠，在50℃温度下回流9h，然后加入300mL丙酮，在3℃温度下静置3h，得中间体二；
(3)向步骤(2)所得中间体二中加入70mmol的二溴戊烷和200mL乙醇，再加入120mmol碳酸氢钠，在50℃温度下反应11h，然后加入300mL丙酮，3℃温度下重结晶4h，蒸发去除溶剂后，得耐温抗盐双子两性表面活性剂。
将15mmol/L的耐温抗盐双子两性表面活性剂加入25％标准盐水(2％KCl、5.5％NaCl、0.45％MgCl2和0.55％CaCl2)中组成清洁压裂液，并测其黏度，结果如图3所示。由图3可知，清洁压裂液体系在120℃、170s-1下剪切120min后黏度能维持在50mPa·s以上。
对比例
测定不同浓度NaSal对实施例2中15mmol/L耐温抗盐双子两性表面活性剂与同等浓度的类似双子两性表面活性剂SDES的表观黏度影响，其结果如图4所示。
由图4可知，本发明所提供的耐温抗盐双子两性表面活性剂相比于SDES，具有更宽的“盐窗口”，具有更强的耐盐性。因此，本发明所提供的耐温抗盐双子两性表面活性剂耐温耐剪切性能更好。
虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了详细地描述，但不应理解为对本专利的保护范围的限定。在权利要求书所描述的范围内，本领域技术人员不经创造性劳动即可作出的各种修改和变形仍属本专利的保护范围。

Claims (10)

1.一种耐温抗盐双子两性表面活性剂，其特征在于，所述耐温抗盐双子两性表面活性剂的结构如下：
Figure FDA0003264998320000011
其中，R1为芥酸酰胺丙基、油酸酰胺丙基或硬脂酸酰胺丙基；R2为乙基、丁基或戊基。
2.权利要求1所述的耐温抗盐双子两性表面活性剂的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)将叔胺与环氧氯丙烷溶于有机溶剂一中，然后加入盐酸，在50～60℃温度下反应2～4h，蒸发去除溶剂和过量的环氧氯丙烷，得中间体一；
(2)向步骤(1)所得中间体一中加入牛磺酸、蒸馏水和有机溶剂二，再加入缚酸剂一，在50～60℃温度下回流8～10h，然后加入丙酮，在2～4℃温度下静置3～5h，得中间体二；
(3)向步骤(2)所得中间体二中加入卤代烷烃和有机溶剂三，再加入缚酸剂二，在50～60℃温度下反应10～12h，然后加入丙酮，2～4℃温度下重结晶3～5h，蒸发去除溶剂后，得耐温抗盐双子两性表面活性剂。
3.如权利要求2所述的耐温抗盐双子两性表面活性剂的制备方法，其特征在于，所述叔胺、环氧氯丙烷和盐酸摩尔比为1:1～1.5:1～1.5。
4.如权利要求2所述的耐温抗盐双子两性表面活性剂的制备方法，其特征在于，所述中间体一、牛磺酸和缚酸剂一摩尔比为1:1～1.5:1～1.5。
5.如权利要求2所述的耐温抗盐双子两性表面活性剂的制备方法，其特征在于，所述中间体二、卤代烷烃、缚酸剂二摩尔比为2:1～1.5:2～3。
6.如权利要求2所述的耐温抗盐双子两性表面活性剂的制备方法，其特征在于，所述有机溶剂一为乙醇、异丙醇或乙腈；所述有机溶剂二为异丙醇或乙腈，所述有机溶剂三为乙醇或异丙醇。
7.如权利要求2所述的耐温抗盐双子两性表面活性剂的制备方法，其特征在于，所述缚酸剂一和缚酸剂二为氢氧化钠、碳酸氢钠或三乙胺。
8.如权利要求2所述的耐温抗盐双子两性表面活性剂的制备方法，其特征在于，所述卤代烷烃中卤素为溴或氯。
9.权利要求1所述的耐温抗盐双子两性表面活性剂在清洁压裂液制备中的应用。
10.一种清洁压裂液，其特征在于，包括以下重量百分比组分：权利要求1所述的耐温抗盐双子两性表面活性剂1～3％、反离子盐0.6～1.3％，余量为水。
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