CN111378070B - 一种压裂增稠剂的制备方法及其用途 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种压裂增稠剂的制备方法及其用途。本发明压裂增稠剂是按照下述方法制备得到的：将非离子单体、阴离子单体、阳离子单体和改性β‑环糊精功能单体以及多阳离子功能单体经水溶液自由基共聚反应得到。本发明提供的压裂增稠剂具有显著的抗盐能力和耐温耐剪切能力，适用于油田水基压裂工艺要求。
Description
技术领域
本发明属于石油化工技术领域，具体涉及一种压裂增稠剂及其制备方法和用途。
背景技术
增稠剂是水基压裂液的重要组成部分。水基压裂液增稠剂的研究与应用至今已半个多世纪，国内外目前常用的水基压裂液增稠剂，主要可分为天然多糖及其衍生物、粘弹性表面活性剂(VES)和合成聚合物几大类。
天然多糖及其衍生物通常具有增稠能力强、易交联、冻胶性能稳定、易于破胶等优点，成为目前应用最为广泛的压裂液增稠剂。天然多糖例如脈胶、香豆胶、田菁胶、魔芋等，由于粉末加入水中后不能够快速溶胀水合、溶速缓慢并且不溶物含量高，因而其直接应用受到了限制。通过对天然多糖进行羟丙基、羟丁基、羧甲基、羧乙基、羧甲基羟丙基、疏水改性和阳离子化改性，可以大幅提高溶解速率，降低水不溶物含量，同时提高热稳定性。
黄原胶具有较好的增稠、耐温、耐酸碱性能，但单独作为压裂增稠剂使用时存在交联不理想、耐剪切性较差、破胶困难等问题，因而通常与其他天然多糖及其衍生物增稠剂复配使用。
纤维素是自然界中分布最广、含量最多的一种多糖，纤维素衍生物中应用最多的是羧甲基纤维素、羟乙基纤维素、羟丙基纤维素和羧甲基羟乙基纤维素。虽然此类增稠剂成本可控，并且在冻胶体系中可以通过形成缠绕结构而提高交联网络的强度，但是由于其对盐类敏感、增稠作用有限、地层中残留含量高等缺点，应用受到很大限制。
粘弹性表面活性剂(VES)压裂增稠剂是一种由低分子量表面活性剂与盐类物质组成的增稠体系。与常规压裂液相比，此类压裂液具有高剪切恢复率、返排残留量低等特点，因此常被称为清洁压裂液。但是，此类稠化剂使用浓度较大、原料成本高，同时压裂液的温度敏感性强，随温度升高携砂能力显著降低。
合成聚合物压裂液是近年来压裂增稠剂研究开发的重点。与天然多糖及其衍生物相比，这些聚合物具有增稠能力强、破胶性能好、残留量小等特点，同时功能基团、聚合物分子量、溶液中聚合物分子空间构型、交联网络结构、交联强度等易于控制与调节。目前合成聚合物类压裂液增稠剂主要分为部分水解聚丙烯酰胺、聚丙烯酸酯、聚乙烯基胺和聚乙烯醇等。
聚乙烯基胺和聚乙烯醇作为压裂增稠剂的主要特点是具有良好的抗温耐盐性能和耐酸性，可用于较高温度下的地层酸化压裂作业。聚乙烯醇本身具备良好的增稠能力，可与硼酸盐交联剂交联形成强度较高的冻胶。
部分水解聚丙烯酰胺类增稠剂原料价廉易得，经交联后粘弹性好、耐温抗盐、抗剪切、破胶彻底、底层残留量少，有利于后续施工作业，目前已经在各大油田得到了广泛的应用。
疏水改性水溶性聚合物类增稠剂近年来也受到了学者们的广泛关注与重视。疏水改性水溶性聚合物由亲水基团与少量的疏水基团组成。随着引入疏水基团，改性聚合物溶液中存在分子内与分子间疏水缔合作用，同时也受到离子基团静电排斥或吸引、分子缠绕以及范德华力等作用的影响，因而大分子呈现出多种聚集形态，宏观也表现出流变等性质的多样性。当聚合物浓度高于临界缔合浓度时，溶液粘度随浓度增加呈现显著非线性增长，表现出优异的增稠特性；另一方面，由于分子间相互作用形成了空间网状结构，改性聚合物溶液粘度表现出良好的剪切恢复能力。
发明内容
本发明的目的在于提供一种压裂增稠剂的制备方法及其用途。通过在聚合物主链上引入功能基团，使其具备显著的抗盐能力和耐温耐剪切能力，适用于油田水基压裂工艺要求。
本发明采用以下技术方案实现上述目的。
本发明所提供的压裂增稠剂是按照下述方法制备得到的：将非离子单体、阴离子单体、阳离子单体和改性β-环糊精功能单体以及多阳离子功能单体经聚合反应得到；
所述改性β-环糊精功能单体为式1-式3所示单体中的一种或几种；
其中，n为1-15的整数；
所述多阳离子功能单体为式4所示单体的一种；
式4中，R1为H或CH3，R2为碳链长度1-16的烷基，X-和Y-分别独立地选自Cl-和Br-。
按照压裂增稠剂分子结构中全部重复单元摩尔总数为100mol％计算，非离子单体所占的摩尔百分数为60-92mol％，阴离子单体所占的摩尔百分数为2-35mol％，阳离子单体所占的摩尔百分数为1-12mol％，改性β-环糊精功能单体所占的摩尔百分数为0.1-6mol％，多阳离子功能单体所占的摩尔百分数为0.1-8mol％。
非离子单体为丙烯酰胺、甲基丙烯酰胺、羟乙基丙烯酰胺、N-甲基丙烯酰胺、N，N-二甲基丙烯酰胺、N，N-二乙基丙烯酰胺、乙烯基吡咯烷酮中的一种或几种。阴离子单体为丙烯酸碱金属盐、烯丙基磺酸钠、乙烯基磺酸钠、苯乙烯磺酸钠、2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸钠中的一种或几种。
阳离子单体为丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵、甲基丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵、二甲基二烯丙基氯化铵、丙烯酰氧丙基三甲基氯化铵、甲基丙烯酰氧丙基三甲基氯化铵、二甲基丙基丙烯酰氧乙基氯化铵、二甲基苄基丙烯酰氧乙基氯化铵中的一种或几种。
本发明压裂增稠剂的合成过程如下：
将一定量反应单体(非离子单体、阴离子单体、阳离子单体和改性β-环糊精功能单体以及多阳离子功能单体)与去离子水加入反应釜中，搅拌至反应单体溶解完全。加入盐酸或碳酸钠调节至反应体系pH 6.0～9.5，而后通氮气60min以除去体系中的氧气。在3～18℃下加入引发剂，继续反应5-12h。对得到的共聚反应产物进行切割、干燥、粉碎，得到粉末状压裂增稠剂最终产物。
本发明压裂增稠剂具有显著的抗盐能力和耐温耐剪切能力，适用于油田水基压裂工艺要求。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明作进一步说明，但本发明并不限于以下实施例。
实施例1
本实施例合成的压裂增稠剂如式(Ⅰ)所示：
式Ⅰ中各重复单元的摩尔百分数m、p、q、r、s依次为73％、18％、5％、2.5％、2.5％。X-为Cl-，Y-为Br-。
式Ⅰ中改性β-环糊精功能单体的合成路线如下：
实施例1-9中多阳离子功能单体的合成过程如下：
R1为H或CH3，R2为碳链长度1-16的烷基；X-和Y-分别独立地选自Cl-和Br-。
本实施例压裂增稠剂的合成过程如下：
将反应单体(非离子单体、阴离子单体、阳离子单体和改性β-环糊精功能单体以及多阳离子功能单体)与去离子水加入反应釜中，反应单体占反应体系质量百分比为26.5wt％，搅拌至反应单体溶解完全。加入碳酸钠调节反应体系pH为8.1，通氮气60min以除去体系中的氧气。在10℃下加入引发剂，继续反应7h。所得胶状物经切割、干燥、粉碎，得到粉末状压裂增稠剂。
实施例2
本实施例合成的压裂增稠剂如式(Ⅱ)所示：
式Ⅱ中各重复单元的摩尔百分数m、m′、p、q、r、s依次为54％、9％、21％、7％、5.5％、3.5％。X-为Cl-，Y-为Br-。
式Ⅱ中改性β-环糊精功能单体的合成路线如下：
n为1-20的整数。
本实施例压裂增稠剂的合成过程如下：
将反应单体(非离子单体、阴离子单体、阳离子单体和改性β-环糊精功能单体以及多阳离子功能单体)与去离子水加入反应釜中，反应单体占反应体系质量百分比为27.3wt％，搅拌至反应单体溶解完全。加入碳酸钠调节反应体系pH为7.5，通氮气60min以除去体系中的氧气。在8℃下加入引发剂，继续反应8h。所得胶状物经切割、干燥、粉碎，得到粉末状压裂增稠剂。
实施例3
本实施例合成的压裂增稠剂如式(Ⅲ)所示：
式Ⅲ中各重复单元的摩尔百分数m、m′、p、q、r、s依次为44％、23％、15％、10.3％、6.6％、1.1％。X-为Cl-，Y-为Br-。
本实施例压裂增稠剂的合成过程如下：
将反应单体(非离子单体、阴离子单体、阳离子单体和改性β-环糊精功能单体以及多阳离子功能单体)与去离子水加入反应釜中，反应单体占反应体系质量百分比为25.1wt％，搅拌至反应单体溶解完全。加入盐酸调节反应体系pH为6.6，通氮气60min以除去体系中的氧气。在6℃下加入引发剂，继续反应9h。所得胶状物经切割、干燥、粉碎，得到粉末状压裂增稠剂。
实施例4
本实施例合成的压裂增稠剂如式(Ⅳ)所示：
式Ⅳ中各重复单元的摩尔百分数m、m′、p、q、r、s依次为61％、15.5％、11.5％、5％、5.7％、1.3％。X-为Cl-，Y-为Br-。
本实施例压裂增稠剂的合成过程如下：
将反应单体(非离子单体、阴离子单体、阳离子单体和改性β-环糊精功能单体以及多阳离子功能单体)与去离子水加入反应釜中，反应单体占反应体系质量百分比为28.4wt％，搅拌至反应单体溶解完全。加入盐酸调节反应体系pH为6.8，通氮气60min以除去体系中的氧气。在12℃下加入引发剂，继续反应10.5h。所得胶状物经切割、干燥、粉碎，得到粉末状压裂增稠剂。
实施例5
本实施例合成的压裂增稠剂如式(Ⅴ)所示：
式Ⅴ中各重复单元的摩尔百分数m、m′、p、q、r、s依次为53％、19.5％、6.5％、11.5％、6％、3.5％。X-为Br-，Y-为Cl-。
本实施例压裂增稠剂的合成过程如下：
将反应单体(非离子单体、阴离子单体、阳离子单体和改性β-环糊精功能单体以及多阳离子功能单体)与去离子水加入反应釜中，反应单体占反应体系质量百分比为27.6wt％，搅拌至反应单体溶解完全。加入碳酸钠调节反应体系pH为8.5，通氮气60min以除去体系中的氧气。在7℃下加入引发剂，继续反应9.5h。所得胶状物经切割、干燥、粉碎，得到粉末状压裂增稠剂。
实施例6
本实施例合成的压裂增稠剂如式(Ⅵ)所示：
式Ⅵ中各重复单元的摩尔百分数m、p、q、r、s依次为73％、12.5％、8.5％、3.7％、2.3％。X-为Br-，Y-为Cl-。
本实施例压裂增稠剂的合成过程如下：
将反应单体(非离子单体、阴离子单体、阳离子单体和改性β-环糊精功能单体以及多阳离子功能单体)与去离子水加入反应釜中，反应单体占反应体系质量百分比为24.6wt％，搅拌至反应单体溶解完全。加入盐酸调节反应体系pH为6.5，通氮气60min以除去体系中的氧气。在15℃下加入引发剂，继续反应8h。所得胶状物经切割、干燥、粉碎，得到粉末状压裂增稠剂。
实施例7
本实施例合成的压裂增稠剂如式(Ⅶ)所示：
式Ⅶ中各重复单元的摩尔百分数m、m′、p、q、r、s依次为66％、5.5％、8.5％、6.5％、5.5％、8％。X-为Br-，Y-为Cl-。
本实施例压裂增稠剂的合成过程如下：
将反应单体(非离子单体、阴离子单体、阳离子单体和改性β-环糊精功能单体以及多阳离子功能单体)与去离子水加入反应釜中，反应单体占反应体系质量百分比为25.6wt％，搅拌至反应单体溶解完全。加入碳酸钠调节反应体系pH为7.5，通氮气60min以除去体系中的氧气。在5℃下加入引发剂，继续反应7.5h。所得胶状物经切割、干燥、粉碎，得到粉末状压裂增稠剂。
实施例8
本实施例合成的压裂增稠剂如式(Ⅷ)所示：
式Ⅷ中各重复单元的摩尔百分数m、p、q、r、s依次为79％、6.8％、3.5％、4.2％、6.5％。X-为Cl-，Y-为Br-。
本实施例压裂增稠剂的合成过程如下：
将反应单体(非离子单体、阴离子单体、阳离子单体和改性β-环糊精功能单体以及多阳离子功能单体)与去离子水加入反应釜中，反应单体占反应体系质量百分比为29.2wt％，搅拌至反应单体溶解完全。加入碳酸钠调节反应体系pH为7.2，通氮气60min以除去体系中的氧气。在8℃下加入引发剂，继续反应8.5h。所得胶状物经切割、干燥、粉碎，得到粉末状压裂增稠剂。
实施例9
对实施例1-8合成的压裂增稠剂进行抗盐能力和耐温耐剪切能力的评价。
按照《SY/T6276-2008压裂液通用技术条件》与石油天然气行业标准《水基压裂性能评价方法SY/T5107-2005》的规定，测定压裂液在10×104mg/L矿化度盐水中和高剪切速率下的表观粘度。
压裂增稠剂抗盐能力测定过程如下：
在流变仪样品杯中加入用10×104mg/L矿化度盐水配制的浓度为0.35％的压裂增稠剂液；剪切速率为170s-1，30℃，测定压裂增稠剂液的表观粘度。
压裂增稠剂耐温耐剪切能力测定过程如下：
在流变仪样品杯中加入用清水配制浓度为0.35％的压裂增稠剂液；加热样品，控制升温速率为3℃/min±0.2℃/min，剪切速率为170s-1，测试温度为90℃，保持剪切速率和温度不变，测定并记录压裂增稠剂液在60min连续剪切条件下达到的表观粘度。
实施例1-8合成的压裂增稠剂的抗盐能力和耐温耐剪切能力测定结果见表1。
表1实施例1-8合成的压裂增稠剂的抗盐能力和耐温耐剪切能力测定结果
表1结果表明，实施例1-8合成的压裂增稠剂具有显著的抗盐能力和耐温耐剪切能力，在90℃、170s-1、60min持续剪切条件下，压裂液表观粘度仍能达到57mPa.s。
Claims (8)
1.一种压裂增稠剂，其特征在于：将非离子单体、阴离子单体、阳离子单体和改性β-环糊精功能单体以及多阳离子功能单体经聚合反应得到；
所述改性β-环糊精功能单体为式1-3所示单体中的一种或几种，
其中，n为1-20的整数；
所述多阳离子功能单体为式4所示单体的一种
式4中，R1为H或CH3，R2为碳链长度1-16的烷基，X-、Y-分别独立地选自Cl-或Br-；按照压裂增稠剂分子结构中全部重复单元摩尔总数为100mol％计算，所述非离子单体所占的摩尔百分数为60-92mol％；所述阴离子单体所占的摩尔百分数为2-35mol％；所述阳离子单体所占的摩尔百分数为1-12mol％；所述改性β-环糊精功能单体所占的摩尔百分数为0.1-6mol％；所述多阳离子功能单体所占的摩尔百分数为0.1-8mol％。
2.如权利要求1所述的一种压裂增稠剂，其特征在于：所述的非离子单体为丙烯酰胺、甲基丙烯酰胺、羟乙基丙烯酰胺、N-甲基丙烯酰胺、N，N-二甲基丙烯酰胺、N，N-二乙基丙烯酰胺、乙烯基吡咯烷酮中的一种或几种。
3.如权利要求1所述的一种压裂增稠剂，其特征在于：所述的阴离子单体为丙烯酸碱金属盐、烯丙基磺酸钠、乙烯基磺酸钠、苯乙烯磺酸钠、2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸钠中的一种或几种。
4.如权利要求1所述的一种压裂增稠剂，其特征在于：所述的阳离子单体为丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵、甲基丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵、二甲基二烯丙基氯化铵、丙烯酰氧丙基三甲基氯化铵、甲基丙烯酰氧丙基三甲基氯化铵、二甲基丙基丙烯酰氧乙基氯化铵、二甲基苄基丙烯酰氧乙基氯化铵中的一种或几种。
5.如权利要求1所述的一种压裂增稠剂，其特征在于：所述聚合反应为水溶液自由基共聚反应。
6.如权利要求5所述的一种压裂增稠剂，其特征在于：共聚反应反应体系的pH为6.0～9.5，反应的引发温度为3～18℃，反应时间为5-12h，反应在惰性气体保护下进行。
7.如权利要求1-6任一项所述的压裂增稠剂，其特征在于：制备方法还包括对得到的共聚反应产物进行切割、干燥、粉碎，得到粉末状压裂增稠剂最终产物。
8.如权利要求1-7任一项所述的压裂增稠剂在油田水基压裂中的用途。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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| PE01 | Entry into force of the registration of the contract for pledge of patent right | ||
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Denomination of invention: Preparation method and application of a fracturing thickener Effective date of registration: 20230310 Granted publication date: 20220614 Pledgee: Dongying laishang Village Bank Co.,Ltd. Xindian sub branch Pledgor: DONGYING SHENGJU CHEMICAL Co.,Ltd. Registration number: Y2023980034403 |