CN111187606B - 一种用于海水基可循环清洁压裂液的表面活性剂及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于海水基可循环清洁压裂液的表面活性剂及其制备方法,其中用于海水基可循环清洁压裂液的表面活性剂包括兼具pH调控和耐盐的N‑脂酰‑O‑硫酸丝氨酸表面活性剂、N‑脂酰磺基丙氨酸盐表面活性剂、N‑脂酰‑O‑磷酸丝氨酸表面活性剂,以及上述表面活性剂和增粘助剂复配得到海水基可循环清洁压裂液,用于解决现有海水基压裂液无法循环利用、对地层伤害大和配液步骤繁琐等技术问题;本发明制备获取的N‑脂酰‑O‑硫酸丝氨酸表面活性剂、N‑脂酰磺基丙氨酸盐表面活性剂和N‑脂酰‑O‑磷酸丝氨酸表面活性剂,利用其自身pH响应性能实现清洁压裂液的多次循环利用,消除了返排液带来的环境污染难题,大大提高压裂改造效果和压裂施工效率,值得推广。
Description
技术领域
本发明涉及表面活性剂及其制备方法,尤其涉及一种用于海水基可循环清洁压裂液的表面活性剂及其制备方法。
背景技术
目前,水力压裂技术是开发海上低渗透油气藏的首选增产手段,但常规淡水基压裂液受空间、运输和成本等因素的限制,难以满足海上规模化压裂需求,同时压裂返排液需运回陆地处理后回注或外排,存在技术难度大、成本高昂的缺陷;海水基压裂液不受空间、运输和成本限制,满足连续混配需求,能实现多井多层多段的规模化压裂,显著降低生产成本。国内外相关学者逐渐开展海水基压裂液的相关技术研发:授权公告号为CN 106190088B、用于海水基压裂液的耐温抗盐速溶稠化剂及其制备方法,公开了一种可用于海水基压裂液的耐温抗盐速溶稠化剂及其制备方法,合成出一种抗盐能力强、溶胀速度快、清洁、抗高温、抗细菌能力强、适用范围广的聚合物稠化剂,适用于配制海水基压裂液;授权公告号为CN 105331352 B、一种海水基压裂液和海水基压裂液的制备方法中公开了一种海水基压裂液及海水基压裂液的制备方法,解决了现有技术中的海水基压裂液存在的不能满足连续混配、增黏性能不足,抗盐及抗剪切能力差的技术问题。但是目前海水基压裂液稠化剂以高分子聚合物居多,以高分子聚合物为稠化剂制备的压裂液缺陷依然存在以下问题:(1)通过添加氧化破胶剂对稠化剂分子链的化学切割破坏达到降黏目的,导致稠化剂无法循环利用,无法实现压裂液的循环利用;(2)破胶后固相残渣含量高,返排率低,地层伤害大;(3)压裂液由稠化剂、交联剂、破胶剂和减阻剂等多种添加剂构成,配液步骤繁琐;针对上述问题,本发明公开了一种兼具pH调控和耐盐表面活性剂,利用其与增粘助剂复配得到海水基可循环清洁压裂液,解决现有海水基压裂液无法循环利用、对地层伤害大和配液步骤繁琐的技术问题。
发明内容
为了解决上述问题,本发明公开了提供一种用于海水基可循环清洁压裂液的表面活性剂及其制备方法,其中用于海水基可循环清洁压裂液的表面活性剂包括兼具pH调控和耐盐的N-脂酰-O-硫酸丝氨酸表面活性剂、N-脂酰磺基丙氨酸盐表面活性剂、N-脂酰-O-磷酸丝氨酸表面活性剂,以及上述表面活性剂和增粘助剂复配得到海水基可循环清洁压裂液,用于解决现有海水基压裂液无法循环利用、对地层伤害大和配液步骤繁琐等技术问题,其具体技术方案如下:
一种用于海水基可循环清洁压裂液的表面活性剂,该表面活性剂兼具pH调控和耐盐特性,具体为N-脂酰-O-硫酸丝氨酸表面活性剂或N-脂酰磺基丙氨酸盐表面活性剂或N-脂酰-O-磷酸丝氨酸表面活性剂,其结构式分别为结构式I、结构式II、结构式III,其中:
一种用于海水基可循环清洁压裂液的表面活性剂的制备方法,包括如下步骤:
(1)于500mL三颈烧瓶中加入0.5mol脂肪酸和150mLDMF,水浴加热至30-40℃搅拌溶解;
(2)利用恒压漏斗在30min内缓慢滴加50ml氯化亚砜,然后升温至70-90℃冷凝回流反应1.5-2.5h;
(3)停止反应后,减压蒸馏回收过量氯化亚砜和DMF,获取中间体即得到脂肪酰氯;
其具体反应式为:
(4)于500mL三颈烧瓶加入100mL蒸馏水、0.5-1mol反应底物、50ml 20%的氢氧化钠水溶液和100ml无水丙酮,充分搅拌;
(5)混相搅拌均匀后利用恒压漏斗向容器中缓慢滴加步骤(3)中获取的脂肪酰氯,滴加过程控制在25-35min,同时利用恒压漏斗滴加质量浓度为20%的氢氧化钠水溶液使体系pH值控制在8-10的范围内,利用冰水浴控制滴加过程中的体系温度在0-10℃左右,滴加完后升温至20-30℃再反应1-2h;
(6)反应结束后旋蒸除去丙酮,使用6mol盐酸溶液将体系pH调节至1-2后析出大量白色结晶状固体,抽滤并水洗2-3次,干燥后得到白色粉末固体,即为表面活性剂。
进一步的,所述步骤(4)中反应底物为O-磺基-L-丝氨酸或DL-B-磺基丙氨酸或L-O-磷酸丝氨酸,其具体反应式分别为:
进一步的,所述步骤(6)中获取的表面活性剂为N-脂酰-O-硫酸丝氨酸表面活性剂或N-脂酰磺基丙氨酸盐表面活性剂或N-脂酰-O-磷酸丝氨酸表面活性剂。
一种包含表面活性剂的海水基可循环清洁压裂液的制备方法,包括如下步骤:
(1)按质量比配制海水基清洁压裂液,其中组成成分包括1%-4%表面活性剂、0.5%-2.5%增粘剂、0.03%-0.2%破胶剂、0.05%-0.3%修复剂,其余为海水;
(2)将表面活性剂溶解到海水中,搅拌20-30min待表面活性剂充分溶解;
(3)接着在搅拌的情况下加入增粘剂混合均匀,即可得到海水基可循环清洁压裂液;
(4)将破胶剂加入到清洁压裂液冻胶中,搅拌1min后可实现彻底破胶;
(5)将修复剂加入到清洁压裂液破胶液中,搅拌均匀后即可重新形成高黏弹性冻胶。
进一步的,所述步骤(1)和(2)中表面活性剂为N-脂酰-O-硫酸丝氨酸表面活性剂或N-脂酰磺基丙氨酸盐表面活性剂或N-脂酰-O-磷酸丝氨酸表面活性剂。
进一步的,所述步骤(1)中的增粘剂选自十六烷基三甲基氯化铵、十六烷基三甲基溴化铵、十六烷基二甲基苄基溴化铵、十六烷基二甲基苄基氯化铵、十六烷基二甲基乙基溴化铵、十六烷基二甲基乙基氯化铵、十八烷基三甲基氯化铵、十八烷基三甲基溴化铵、十八烷基二甲基苄基溴化铵、十八烷基二甲基苄基氯化铵、十八烷基二甲基乙基溴化铵、十八烷基二甲基乙基氯化铵中的任意一种或多种。
进一步的,所述步骤(1)中的破胶剂选自氢氟酸、苹果酸、葡萄糖酸、甲酸、乙酸中的任意一种或多种。
进一步的,所述步骤(1)中的修复剂选自氢氧化钾、氢氧化钠、氢氧化钡中的任意一种或多种。
与现有技术相比,本发明具有的有益效果如下:
本发明与现有技术相比具有以下优点:
1、本发明制备获取的N-脂酰-O-硫酸丝氨酸表面活性剂、N-脂酰磺基丙氨酸盐表面活性剂和N-脂酰-O-磷酸丝氨酸表面活性剂具有优异的耐盐性能,能够利用海水直接配制清洁压裂液,满足了海上油田压裂及其连续混配需求,能实现多井多层多段的规模化压裂,大大降低海上压裂成本;
2、本发明制备获取的N-脂酰-O-硫酸丝氨酸表面活性剂、N-脂酰磺基丙氨酸盐表面活性剂和N-脂酰-O-磷酸丝氨酸表面活性剂具有优异的pH响应性,利用该性能可以实现清洁压裂液的多次循环利用;现场简单处理后即可满足压裂液循环利用要求,既能够循环利用压裂破胶液中的有效成分,又消除了返排液带来的环境污染难题;
3、本发明的清洁压裂液破胶后无固相残渣,对地层渗透率伤害小,大大提高压裂改造效果;
4、本发明的清洁压裂液仅由稠化剂和增黏剂构成,配液步骤简单,满足海上油田压裂改造在线连续混注工艺要求,大大提高压裂施工效率。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案,下面将对实施例技术描述中所需要使用的附图做简单的介绍,显而易见地,下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例,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,还可以根据这些附图获得其它的附图。
图1为本发明实施例一海水基可循环清洁压裂液耐温耐剪切性能图。
图2为本发明实施例一测试修复后压裂液的循环利用性能图。
图3为本发明实施例二海水基可循环清洁压裂液耐温耐剪切性能图。
图4为本发明实施例二测试修复后压裂液的循环利用性能图。
图5为本发明实施例三海水基可循环清洁压裂液耐温耐剪切性能图。
图6为本发明实施例三测试修复后压裂液的循环利用性能图。
具体实施方式
下面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作出创作性劳动的前提下所获得的所有其它实施例,都属于本发明的保护的范围。
实施例一:
(1)N-脂酰-O-硫酸丝氨酸表面活性剂的合成
在500mL三颈烧瓶中加入0.5mol硬脂酸和150mlDMF,在30℃条件下搅拌溶解,通过恒压漏斗滴加50ml的氯化亚砜,然后升温至80℃回流反应2h;减压蒸馏回收过量氯化亚砜和DMF,残余油状液体即为硬脂酰氯中间体;在500mL三颈烧瓶中加入100mL蒸馏水、100ml丙酮和50ml的20%的氢氧化钠,将0.8mol O-磺基-L-丝氨酸加入烧瓶中并搅拌溶解,冰浴控制温度在5℃,用恒压漏斗缓慢滴加硬脂酰氯中间体至三颈烧瓶中,并同步滴加20%的氢氧化钠溶液以维持pH=9,脂酰氯中间体滴加完毕后调节水浴温度至25℃继续搅拌反应2h,反应完成后减压蒸馏回收丙酮,加入6mol/L的稀盐酸溶液酸化至pH=2,析出大量白色结晶状固体,抽滤并水洗2-3次,干燥后得到白色粉末固体,即为N-脂酰-O-硫酸丝氨酸表面活性剂。
(2)海水基可循环清洁压裂液的制备
将N-脂酰-O-硫酸丝氨酸表面活性剂1.4g加入到196.6g海水水溶液中,搅拌均匀后加入增黏剂十八烷基二甲基苄基溴化铵2.0g,持续搅拌至形成均匀的冻胶,即形成200g海水基可循环清洁压裂液。
(3)海水基可循环清洁压裂液的耐温耐剪切性能评价
依据中华人民共和国石油天然气行业标准《SY/T 5107-2005水基压裂液性能评价方法》中压裂液性能测试方法,对海水基可循环清洁压裂液的耐温耐剪切能力进行了评价,结果如图1所示:在80℃、170s-1剪切速率下剪切2小时后,压裂液的黏度依然保持在80mPa·s左右,满足中华人民共和国石油天然气行业标准《SY/T 6376-2008压裂液通用技术条件》中对黏弹性表面活性剂压裂液通用技术指标(黏度≥20mPa·s),表明海水基可循环清洁压裂液具有优异的耐温耐剪切性能。
(4)海水基可循环清洁压裂液的破胶性能评价
将柠檬酸0.15g加入到200g清洁压裂液冻胶中,搅拌1分钟后测试海水基可循环清洁压裂液的粘度为2.8mPa·s,实现破胶目的。
(5)海水基可循环清洁压裂液的残渣含量评价
依据中华人民共和国石油天然气行业标准《SY/T 5107-2005水基压裂液性能评价方法》中压裂液性能测试方法,对海水基可循环清洁压裂液的残渣含量进行了评价,经测定,在80℃条件下破胶液的固相残渣含量为0%。
(6)海水基可循环清洁压裂液的循环利用性能评价
将0.22g氢氧化钾加入到上述海水基可循环清洁压裂液破胶液中,搅拌5分钟后即可重新形成高黏弹性冻胶,恢复压裂性能。循环上述破胶-修复步骤3次,测试修复后压裂液的循环利用性能,结果见图2,从图2中可以看出,修复循环利用三次后清洁压裂液的黏度随温度的升高而下降,修复循环利用三次后清洁压裂液在80℃、170s-1剪切速率下剪切120min后,粘度仍保持在50mPa·s之上,说明海水基可循环清洁压裂液经三次修复循环利用后依然具有优异的性能。
实施例二:
(1)N-脂酰磺基丙氨酸盐表面活性剂的合成
在500mL三颈烧瓶中加入为0.5mol软脂酸和150mlDMF,在30℃条件下搅拌溶解,通过恒压漏斗滴加50ml的氯化亚砜,然后升温至80℃回流反应2h;减压蒸馏回收过量氯化亚砜和DMF,残余油状液体即为软脂酰氯中间体;在500mL三颈烧瓶中加入100mL蒸馏水、100ml丙酮和50ml的20%的氢氧化钠,将0.8mol DL-B-磺基丙氨酸加入烧瓶中并搅拌溶解,冰浴控制温度在5℃,用恒压漏斗缓慢滴加软脂酰氯中间体至三颈烧瓶中,并同步滴加20%的氢氧化钠溶液以维持pH=9,软脂酰氯中间体滴加完毕后调节水浴温度至25℃继续搅拌反应2h,反应完成后减压蒸馏回收丙酮,加入6mol/L的稀盐酸溶液酸化至pH=2,析出大量白色结晶状固体,抽滤并水洗2-3次,干燥后得到白色粉末固体,即为N-脂酰磺基丙氨酸盐表面活性剂。
(2)海水基可循环清洁压裂液的制备
将N-脂酰磺基丙氨酸盐表面活性剂1.6g加入到196g海水水溶液中,搅拌均匀后加入增黏剂十六烷基二甲基苄基氯化铵2.4g,持续搅拌至形成均匀的冻胶,即形成200g海水基可循环清洁压裂液。
(3)海水基可循环清洁压裂液的耐温耐剪切性能评价
依据中华人民共和国石油天然气行业标准《SY/T 5107-2005水基压裂液性能评价方法》中压裂液性能测试方法,对海水基可循环清洁压裂液的耐温耐剪切能力进行了评价,结果如图3所示:在80℃、170s-1剪切速率下剪切2小时后,压裂液的黏度依然保持在90mPa·s左右,满足中华人民共和国石油天然气行业标准《SY/T 6376-2008压裂液通用技术条件》中对黏弹性表面活性剂压裂液通用技术指标(黏度≥20mPa·s),表明海水基可循环清洁压裂液具有优异的耐温耐剪切性能。
(4)海水基可循环清洁压裂液的破胶性能评价
将柠檬酸0.16g加入到200g清洁压裂液冻胶中,搅拌1分钟后测试海水基可循环清洁压裂液的粘度为3.9mPa·s,实现破胶目的。
(5)海水基可循环清洁压裂液的残渣含量评价
依据中华人民共和国石油天然气行业标准《SY/T 5107-2005水基压裂液性能评价方法》中压裂液性能测试方法,对海水基可循环清洁压裂液的残渣含量进行了评价,经测定,在80℃条件下破胶液的固相残渣含量为0%。
(6)海水基可循环清洁压裂液的循环利用性能评价
将0.2g氢氧化钾加入到上述海水基可循环清洁压裂液破胶液中,搅拌5分钟后即可重新形成高黏弹性冻胶,恢复压裂性能,循环上述破胶-修复步骤3次,测试修复后压裂液的循环利用性能,结果见图4,从图4中可以看出:修复循环利用三次后清洁压裂液的黏度随温度的升高而下降,修复循环利用三次后清洁压裂液在80℃、170s-1剪切速率下剪切120min后,粘度仍保持在50mPa·s之上,说明海水基可循环清洁压裂液经三次修复循环利用后依然具有优异的性能。
实施例三:
(1)N-脂酰-O-磷酸丝氨酸表面活性剂的合成
在500mL三颈烧瓶中加入0.5mol软脂酸和150mlDMF,在30℃条件下搅拌溶解,通过恒压漏斗滴加50ml的氯化亚砜,然后升温至80℃回流反应2h,减压蒸馏回收过量氯化亚砜和DMF,残余油状液体即为软脂酰氯中间体;在500mL三颈烧瓶中加入100mL蒸馏水、100ml丙酮和50ml 20%的氢氧化钠水溶液,将0.8mol L-O-磷酸丝氨酸加入烧瓶中并搅拌溶解;冰浴控制温度在5℃,用恒压漏斗缓慢滴加软脂酰氯中间体至三颈烧瓶中,并同步滴加20%的氢氧化钠水溶液以维持pH=9;软脂酰氯中间体滴加完毕后调节水浴温度至25℃继续搅拌反应2h,反应完成后减压蒸馏回收丙酮,加入6mol/L的稀盐酸溶液酸化至pH=2,析出大量白色结晶状固体,抽滤并水洗2-3次,干燥后得到白色粉末固体,即为N-脂酰-O-磷酸丝氨酸表面活性剂。
(2)海水基可循环清洁压裂液的制备
将软脂酰-O-磷酸丝氨酸表面活性剂1.8g加入到196g海水水溶液中,搅拌均匀后加入增黏剂十六烷基三甲基溴化铵2.2g,持续搅拌至形成均匀的冻胶,即形成200g海水基可循环清洁压裂液。
(3)海水基可循环清洁压裂液的耐温耐剪切性能评价
依据中华人民共和国石油天然气行业标准《SY/T 5107-2005水基压裂液性能评价方法》中压裂液性能测试方法,对海水基可循环清洁压裂液的耐温耐剪切能力进行了评价,结果如图5所示,在80℃、170s-1剪切速率下剪切2小时后,压裂液的黏度依然保持在80mPa·s左右,满足中华人民共和国石油天然气行业标准《SY/T 6376-2008压裂液通用技术条件》中对黏弹性表面活性剂压裂液通用技术指标(黏度≥20mPa·s),表明海水基可循环清洁压裂液具有优异的耐温耐剪切性能。
(4)海水基可循环清洁压裂液的破胶性能评价
将柠檬酸0.18g加入到200g清洁压裂液冻胶中,搅拌1分钟后测试海水基可循环清洁压裂液的粘度为3.3mPa·s,实现破胶目的。
(5)海水基可循环清洁压裂液的残渣含量评价
依据中华人民共和国石油天然气行业标准《SY/T 5107-2005水基压裂液性能评价方法》中压裂液性能测试方法,对海水基可循环清洁压裂液的残渣含量进行了评价,经测定,在80℃条件下破胶液的固相残渣含量为0%。
(6)海水基可循环清洁压裂液的循环利用性能评价
将0.25g氢氧化钾加入到上述海水基可循环清洁压裂液破胶液中,搅拌3分钟后即可重新形成高黏弹性冻胶,恢复压裂性能。循环上述破胶-修复步骤3次,测试修复后压裂液的循环利用性能,结果见图6,从图,6中可以看出,修复循环利用三次后清洁压裂液的黏度随温度的升高而下降,修复循环利用三次后清洁压裂液在80℃、170s-1剪切速率下剪切120min后,粘度仍保持在50mPa·s之上,说明海水基可循环清洁压裂液经三次修复循环利用后依然具有优异的性能。
以上所述,仅为本发明的具体实施方式,但发明的保护范围并不局限于此,任何熟悉本领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内,可轻易想到的变化或替换,都应涵盖在发明的保护范围之内。
Claims (4)
1.一种用于海水基可循环清洁压裂液的制备方法,其特征在于:包括如下步骤:
(1)按质量比配制海水基清洁压裂液,其中组成成分包括1%-4%表面活性剂、0.5%-2.5%增粘剂、0.03%-0.2%破胶剂、0.05%-0.3%修复剂,其余为海水;
(2)将表面活性剂溶解到海水中,搅拌20-30min待表面活性剂充分溶解;
(3)接着在搅拌的情况下加入增粘剂混合均匀,即可得到海水基可循环清洁压裂液;
(4)将破胶剂加入到清洁压裂液冻胶中,搅拌1min后可实现彻底破胶;
(5)将修复剂加入到清洁压裂液破胶液中,搅拌均匀后即可重新形成高黏弹性冻胶;
上述步骤(1)-(5)中,所述表面活性剂为N-脂酰-O-硫酸丝氨酸表面活性剂或N-脂酰磺基丙氨酸盐表面活性剂或N-脂酰-O-磷酸丝氨酸表面活性剂,所述表面活性剂兼具pH调控和耐盐特性,其结构式分别为结构式I、结构式II、结构式III,其中:
所述增粘剂为十八烷基二甲基苄基溴化铵或十六烷基二甲基苄基氯化铵或十六烷基三甲基溴化铵,所述破胶剂为柠檬酸,所述修复剂为氢氧化钾。
2.根据权利要求1所述的一种用于海水基可循环清洁压裂液的制备方法,其特征在于:所述用于海水基可循环清洁压裂液的表面活性剂的制备包括如下步骤:
(1)于500mL三颈烧瓶中加入0.5mol脂肪酸和150mLDMF,水浴加热至30-40℃搅拌溶解;
(2)利用恒压漏斗在30min内缓慢滴加50mL氯化亚砜,然后升温至70-90℃冷凝回流反应1.5-2.5h;
(3)停止反应后,减压蒸馏回收过量氯化亚砜和DMF,获取中间体即得到脂肪酰氯;
(4)于500mL三颈烧瓶加入0.5-1mol反应底物、50ml 20%的氢氧化钠水溶液、100ml无水丙酮和100ml蒸馏水,充分搅拌;
(5)混相搅拌均匀后利用恒压漏斗向容器中缓慢滴加步骤(3)中获取的脂肪酰氯,滴加过程控制在25-35min,同时利用恒压漏斗滴加质量浓度为20%的氢氧化钠水溶液使体系pH值控制在8-10的范围内,利用冰水浴控制滴加过程中的体系温度在0-10℃,滴加完后升温至20-30℃再反应1-2h;
(6)反应结束后旋蒸除去丙酮,使用6mol盐酸溶液将体系pH调节至1-2后析出大量白色结晶状固体,抽滤并水洗2-3次,干燥后得到白色粉末固体,即为表面活性剂。
3.根据权利要求2所述的一种用于海水基可循环清洁压裂液的制备方法,其特征在于:所述步骤(4)中反应底物为O-磺基-L-丝氨酸或DL-B-磺基丙氨酸或L-O-磷酸丝氨酸。
4.根据权利要求2所述的一种用于海水基可循环清洁压裂液的制备方法,其特征在于:所述步骤(6)中获取的表面活性剂为N-脂酰-O-硫酸丝氨酸表面活性剂或N-脂酰磺基丙氨酸盐表面活性剂或N-脂酰-O-磷酸丝氨酸表面活性剂。
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Novel effect of N-palmitoyl-L-serine phosphoric acid on cytosolic Ca2+ levels in human osteoblasts;Chung-Ren Jan1,等;《PHARMACOLOGY & TOXICOLOGY 》;20030831;第93卷(第2期);第71-76页 * |
清洁压裂液的研究与应用进展;严志虎;戴彩丽;赵明伟;冯海顺;高波;李明;《油田化学》;20150325;第141-145页 * |
Also Published As
Publication number | Publication date |
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CN111187606A (zh) | 2020-05-22 |
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