CN112266780B - 一种改性纳米稳泡剂及其制备方法与应用 - Google Patents

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Abstract

本申请公开了一种改性纳米稳泡剂及其制备方法与应用。所述改性纳米稳泡剂通过纳米基材与聚合物单体、表面活性单体进行共聚改性而获得。本申请所提供的改性纳米稳泡剂可以增强泡沫在高温高盐环境下的稳定性，使用量低，且不降低泡沫体积。

Description

一种改性纳米稳泡剂及其制备方法与应用
技术领域
本申请涉及一种改性纳米稳泡剂及其制备方法与应用，属于采油化学品技术领域。
背景技术
在驱油增产、压裂酸化、钻井完井等油田领域中，泡沫有着广泛的应用。油田用泡沫主要有氮气泡沫、二氧化碳泡沫和空气泡沫三种，具有低摩阻、低密度、低伤害、低成本等特点。泡沫是气体分散在表面活性剂水溶液所形成的分散体系，可以降低油水界面张力，同时通过贾敏效应可以使液流转向，实现堵大不堵小、堵水不堵油的效果，显著提高波及效率，因此形成了泡沫驱油、泡沫调剖、泡沫钻井、泡沫水泥固井、泡沫酸化、泡沫冲沙洗井、泡沫压裂、泡沫采气等技术，具有非常广阔的发展前景。
泡沫作为多相分散体系具有极高的表面自由能，热力学上不稳定，会发生泡沫的破裂从而失效。因此泡沫稳定性是泡沫研究和应用的核心问题，由于高温高盐的油藏条件，加上复杂的渗流力学，在地层保持长时间稳泡非常的困难，因此限制了泡沫的发展与应用。
目前常用的稳泡剂主要有：表面活性剂、聚合物、纳米/微米颗粒，但表面活性剂型稳泡剂存在稳泡效果差、用量大等缺点，特别是阴离子表面活性剂不耐受高温高盐条件，会失去活性使得泡沫体积和半衰期都有明显的降低；聚合物可以延长泡沫的稳定时间，但会使起泡体积大幅减小，且抗剪切性能差、高盐易降粘、超过70℃易发生降解，不利于其在高温高盐油藏中使用，并且降解遗留的有机物残渣也会造成地层的损害；纳米、微米颗粒可改善泡沫稳定性，但也会小幅降低体系的起泡体积，而且需要和表面活性剂协同使用，使用浓度也较大，制约了纳米颗粒强化泡沫的发展。
发明内容
针对上述技术问题，本申请提供一种改性纳米稳泡剂，所述改性纳米稳泡剂可以增强泡沫在高温高盐环境下的稳定性，使用量低，且不降低泡沫体积。
一种改性纳米稳泡剂，所述改性纳米稳泡剂通过纳米基材与聚合物单体、表面活性单体进行共聚改性而获得。
可选地，所述改性纳米稳泡剂为片层状。
可选地，所述改性纳米稳泡剂的粒径为10nm～1000nm。
可选地，所述改性纳米稳泡剂的粒径为10nm～800nm。
可选地，所述改性纳米稳泡剂的粒径为10nm～400nm。
可选地，所述纳米基材选自矿物基片层材料、过渡金属二硫化物片层材料、碳基片层材料和二维材料中的至少一种。
可选地，所述矿物基片层材料选自纳米蒙脱土；
所述过渡金属二硫化物片层材料选自纳米二硫化钼、纳米二硫化钨中的至少一种；
所述碳基片层材料选自石墨烯量子点、纳米氧化石墨烯中的至少一种；
所述二维材料选自六方氮化硼纳米片。
可选地，所述六方氮化硼纳米片为羟基功能化的六方氮化硼纳米片。
可选地，所述聚合物单体选自2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸、甲基丙烯酸、丙烯酸钠、N-乙烯基吡咯烷酮、马来酸、异丙基丙烯酰胺、N,N-亚甲基双丙烯酰胺、黄原胶中的至少一种。
可选地，所述表面活性单体选自羧酸甜菜碱甲基丙烯酰胺、羧酸甜菜碱甲基丙烯酸酯、α-烯烃磺酸钠、烯丙基磺酸钠、油酸钠、2-丙酰胺基长碳链烷基磺酸钠中的至少一种。
根据本申请的另一个方面，提供一种如上述任意一项所述的改性纳米稳泡剂的制备方法，所述制备方法包括以下步骤：将含有纳米基材、聚合物单体、表面活性单体、引发剂的溶液I进行共聚反应，获得所述改性纳米稳泡剂。
可选地，所述共聚反应的条件为：除氧后进行反应，反应温度为40～90℃，反应时间为1～8小时。
可选地，所述除氧的具体步骤为：通入氮气或惰性气体10～60min。
可选地，所述除氧的具体步骤为：通入氮气或惰性气体10～20min。
可选地，所述除氧的具体步骤为：通入氮气或惰性气体20～60min。
可选地，所述除氧的具体步骤为：通入氮气或惰性气体20～30min。
可选地，所述反应温度上限选自50、60、70、80、85、90℃；下限选自40、50、60、70、80℃。
可选地，所述反应时间为1～4小时。
可选地，所述反应时间为4～8小时。
可选地，所述反应时间为3～5小时。
可选地，所述反应在搅拌下进行，所述搅拌速率为100～800rpm。
可选地，所述引发剂为水溶性引发剂。
可选地，所述水溶性引发剂选自过硫酸钾、过硫酸钠、过硫酸铵、偶氮二异丁脒盐酸盐、偶氮二异丁咪唑啉盐酸盐、亚硫酸钠、亚硫酸氢钠、甲醛合次亚硫酸钠、连二硫酸钠中的至少一种。
可选地，所述溶液I的溶剂选自水、乙醇、甲醇、N,N-二甲基甲酰胺、二氯甲烷、三氯甲烷中的至少一种。
可选地，所述纳米基材、聚合物单体、表面活性单体、引发剂的质量比(mg：g：g：mg)为(180～220)：(0.5～2)：(0.1～2)：(16～25)。
可选地，所述纳米基材、聚合物单体、表面活性单体、引发剂的质量比(mg：g：g：mg)为(190～200)：(1～2)：(1～2)：(18～23)。
可选地，所述纳米基材、聚合物单体、表面活性单体、引发剂的质量比(mg：g：g：mg)为(190～200)：(0.5～1)：(0.5～1)：(20～23)。
可选地，所述纳米基材、聚合物单体、表面活性单体、引发剂的质量比(mg：g：g：mg)为(200～210)：(0.8～1.5)：(0.8～1.5)：(18～20)。
可选地，所述溶液I中，所述纳米基材的浓度为1～3mg/ml。
可选地，所述溶液I中，所述纳米基材的浓度为1.5～2mg/ml。
可选地，所述溶液I中，所述聚合物单体的浓度为0.001～0.02g/ml。
可选地，所述溶液I中，所述聚合物单体的浓度为0.008～0.015g/ml。
可选地，所述溶液I中，所述表面活性单体的浓度为0.001～0.02g/ml。
可选地，所述溶液I中，所述表面活性单体的浓度为0.008～0.015g/ml。
可选地，所述溶液I中，所述引发剂的浓度为0.1～0.5mg/ml。
可选地，所述溶液I中，所述引发剂的浓度为0.15～0.2mg/ml。
可选地，所述溶液I的制备方法为：将纳米基材、聚合物单体、表面活性单体溶于溶剂后，除氧，滴加引发剂溶液；
所述引发剂溶液的滴加速率为0.2～0.7mL/min。
根据本申请的另一个方面，提供一种如上述任意一项所述的改性纳米稳泡剂；或根据上述任意一项所述的制备方法制备得到的改性纳米稳泡剂在效稳定泡沫中的应用。
可选地，所述泡沫包括氮气泡沫、二氧化碳泡沫、空气泡沫。
可选地，所述应用的技术领域为油田技术领域。
本申请能产生的有益效果包括：
1)本申请提供的改性纳米稳泡剂，提高了泡沫液膜的强度，抑制了液膜的排液，防止液膜的变薄，增加了泡沫的半衰期。
2)本申请提供的改性纳米稳泡剂，能够降低界面张力，在稳泡的同时不降低起泡体积。
3)本申请提供的改性纳米稳泡剂，可以使得整个泡沫体系的耐温耐盐性能提升，可以在更苛刻的油藏条件下保持泡沫的长期稳定。
4)本申请提供的改性纳米稳泡剂为片层纳米材料，相较于球型纳米颗粒具有更大比表面积，稳泡性能更好，使用量更低。
5)本申请提供的改性纳米稳泡剂使用方便，不需要多个组分复配。
6)本申请提供的改性纳米稳泡剂的制备方法步骤简单，易于操作，且制备得到的改性纳米稳泡剂具有良好的稳定泡沫的效果。
附图说明
图1为改性纳米稳泡剂S1的形貌图；
图2为改性纳米稳泡剂S1的红外谱图；
图3为改性纳米稳泡剂S1的粒径分布图。
具体实施方式
下面结合实施例详述本申请，但本申请并不局限于这些实施例。
如无特殊说明，本申请实施例所用的原料均通过市场购买。
本申请的实施例中分析方法如下：
利用Bruker ICON型原子力显微镜(:购自德国布鲁克公司)进行原子力显微镜AFM测试；
利用Nicolet iS50傅立叶变换红外光谱仪(购自赛默飞世尔科技股份有限公司)进行红外测试；
利用马尔文激光粒度仪(购自上海思百吉仪器系统有限公司)进行粒径测试。
实施例1
一种改性纳米稳泡剂，制备方法如下：
将200mg纳米蒙脱土(粒径100nm左右)、1.0g的2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸、1.0g的羧酸甜菜碱甲基丙烯酰胺加入于100mL去离子水中，搅拌混合，通氮气除氧20min后，升温至80℃，以0.5mL/min的滴加速度滴加引发剂过硫酸钾溶液(20mg过硫酸钾溶解于10mL去离子水中)，滴加结束后获得溶液I，溶液I继续保持80℃，500转每分搅拌反应4个小时，反应结束后，自然冷却，过滤、将滤液烘干得到改性纳米稳泡剂，记为S1。
在1000mL量筒中，将起泡剂十二烷基苯磺酸钠和改性纳米稳泡剂S1溶解于100mL15万矿化度的矿化水中，其中起泡剂质量分数为1％，改性纳米稳泡剂S1质量分数为0.3％。在量筒底部中央，用毛细管以50mL/min的流速向泡沫液中通入空气，注入5min，注气结束时产生的泡沫体积作为泡沫体系的起泡体积，泡沫在80℃下衰减至起泡体积一半所用的时间作为泡沫半衰期。
实施例2
一种改性纳米稳泡剂，制备方法如下：
将200mg纳米二硫化钼(粒径100nm左右)、1.0g的甲基丙烯酸、1.0g的α-烯烃磺酸钠加入于100mL去离子水中搅拌混合，通氮气除氧20min后，升温至80℃，以0.5mL/min的滴加速度滴加引发剂过硫酸钾溶液(20mg过硫酸钾溶解于10mL去离子水中)，滴加结束后获得溶液I，溶液I继续保持80℃，500转每分搅拌反应4个小时，反应结束后，自然冷却，过滤、将滤液烘干得到改性纳米稳泡剂，记为S2。
在1000mL量筒中，将起泡剂十二烷基苯磺酸钠和改性纳米材料稳泡剂S2溶解于100mL15万矿化度的矿化水中，其中起泡剂质量分数为1％，改性纳米稳泡剂S2质量分数为0.3％。在量筒底部中央，用毛细管以50mL/min的流速向泡沫液中通入空气，注入5min，注气结束时产生的泡沫体积作为泡沫体系的起泡体积，泡沫在80℃下衰减至起泡体积一半所用的时间作为泡沫半衰期。
实施例3
一种改性纳米材料稳泡剂，制备方法如下：
将200mg石墨烯量子点(粒径10nm左右)、1.0g的N-乙烯基吡咯烷酮、1.0g的油酸钠加入于100mL去离子水中搅拌混合，通氮气除氧20min后，升温至80℃，以0.5mL/min的滴加速度滴加引发剂过硫酸钾溶液(20mg过硫酸钾溶解于10mL去离子水中)，滴加结束后获得溶液I，溶液I继续保持80℃，以500转每分速度搅拌反应4个小时，反应结束后，自然冷却，过滤、将滤液烘干得到改性纳米稳泡剂，记为S3。
在1000mL量筒中，将起泡剂十二烷基苯磺酸钠和改性纳米材料稳泡剂S3溶解于100mL 15万矿化度的矿化水中，其中起泡剂质量分数为1％，改性纳米稳泡剂S3质量分数为0.3％。在量筒底部中央，用毛细管以50mL/min的流速向泡沫液中通入空气，注入5min，注气结束时产生的泡沫体积作为泡沫体系的起泡体积，泡沫在80℃下衰减至起泡体积一半所用的时间作为泡沫半衰期。
实施例4
一种改性纳米材料稳泡剂，制备方法如下：
将200mg六方氮化硼纳米片(粒径200nm左右)分散于100mL水中，加入5g氢氧化钠后搅拌混合1小时，超声处理30分钟后离心分离，过滤，洗涤，所得产物真空干燥，得到羟基功能化的六方氮化硼纳米片。将200mg羟基功能化的六方氮化硼纳米片、1.5g的丙烯酸钠、1.5g的烯丙基磺酸钠加入于100mL去离子水中搅拌混合，通氮气除氧20min后，升温至80℃，以0.5mL/min的滴加速度滴加引发剂过硫酸钾溶液(20mg过硫酸钾溶解于10mL去离子水中)，滴加结束后获得溶液I，溶液I继续保持80℃，以500转每分速度搅拌反应4个小时，反应结束后，自然冷却，过滤、将滤液烘干得到改性纳米稳泡剂，记为S4。
在1000mL量筒中，将起泡剂十二烷基苯磺酸钠和改性纳米材料稳泡剂S4溶解于100mL 15万矿化度的矿化水中，其中起泡剂质量分数为1％，改性纳米稳泡剂S4质量分数为0.3％。在量筒底部中央，用毛细管以50mL/min的流速向泡沫液中通入空气，注入5min，注气结束时产生的泡沫体积作为泡沫体系的起泡体积，泡沫在80℃下衰减至起泡体积一半所用的时间作为泡沫半衰期。
实施例5
将实施例1中的通入空气替换为通入二氧化碳气体，其它与实施例1相同。
实施例6
将实施例1中的通入空气替换为通入氮气，其它与实施例1相同。
实施例7
在1000mL量筒中，将起泡剂十二烷基苯磺酸钠和表面活性剂型稳泡剂十二烷基聚氧乙烯醚硫酸钠溶解于100mL 15万矿化度的矿化水中，其中起泡剂质量分数为1％，稳泡剂质量分数为0.3％。在量筒底部中央，用毛细管以50mL/min的流速向泡沫液中通入空气，注入5min，注气结束时产生的泡沫体积作为泡沫体系的起泡体积，泡沫在80℃下衰减至起泡体积一半所用的时间作为泡沫半衰期。
实施例8
将实施例7中的表面活性剂型稳泡剂十二烷基聚氧乙烯醚硫酸钠替换为聚合物型稳泡剂聚丙烯酰胺(分子量600万左右)，其他不变。
实施例9
将实施例7中的表面活性剂型稳泡剂十二烷基聚氧乙烯醚硫酸钠替换为颗粒型稳泡剂纳米SiO2,(粒径50nm左右)，其他不变。
实施例1-9的起泡体积和泡沫半衰期见表1。
表1.实施例1-9的起泡体积和泡沫半衰期
编号 起泡体积/mL 泡沫半衰期/h
实施例1 427 100.5
实施例2 413 96.4
实施例3 405 93.5
实施例4 379 76.2
实施例5 430 89.1
实施例6 418 74.3
实施例7 176 2.4
实施例8 91 13.3
实施例9 212 15.2
产物表征分析
对实施例1中的改性纳米稳泡剂S1进行微观形貌、红外谱图和粒径测定，结果如图1、2、3所示。从图1中可以看出，改性纳米稳泡剂S1为纳米级片状材料。从图2中可以看出，改性纳米稳泡剂S1的红外光谱上有强烈的仲酰胺键的红外特征吸收峰(1609cm-1)和丙磺酸的红外特征吸收峰(1048cm-1)，证明2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸接枝成功，而在1428cm-1和1342cm-1处的特征吸收峰归因于甜菜碱基团的碳氮键弯曲振动，证明羧酸甜菜碱甲基丙烯酰胺接枝成功。从图3中可以看出，改性纳米稳泡剂S1的平均粒径为162nm。
以上所述，仅是本申请的几个实施例，并非对本申请做任何形式的限制，虽然本申请以较佳实施例揭示如上，然而并非用以限制本申请，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本申请技术方案的范围内，利用上述揭示的技术内容做出些许的变动或修饰均等同于等效实施案例，均属于技术方案范围内。

Claims (17)

1.一种改性纳米稳泡剂，其特征在于，所述改性纳米稳泡剂通过纳米基材与聚合物单体、表面活性单体进行共聚改性而获得；
所述改性纳米稳泡剂为片层状；
所述聚合物单体选自2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸、甲基丙烯酸、丙烯酸钠、N-乙烯基吡咯烷酮、马来酸、异丙基丙烯酰胺、N,N-亚甲基双丙烯酰胺中的至少一种；
所述表面活性单体选自羧酸甜菜碱甲基丙烯酰胺、羧酸甜菜碱甲基丙烯酸酯、α-烯烃磺酸钠、烯丙基磺酸钠、油酸钠、2-丙酰胺基长碳链烷基磺酸钠中的至少一种。
2.根据权利要求1所述的改性纳米稳泡剂，其特征在于，所述改性纳米稳泡剂的粒径为10nm～1000nm。
3.根据权利要求1所述的改性纳米稳泡剂，其特征在于，所述纳米基材选自矿物基片层材料、过渡金属二硫化物片层材料、碳基片层材料和二维材料中的至少一种；
所述矿物基片层材料选自纳米蒙脱土；
所述过渡金属二硫化物片层材料选自纳米二硫化钼、纳米二硫化钨中的至少一种；
所述碳基片层材料选自石墨烯量子点、纳米氧化石墨烯中的至少一种；
所述二维材料选自六方氮化硼纳米片。
4.一种如权利要求1～3任意一项所述的改性纳米稳泡剂的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括以下步骤：将含有纳米基材、聚合物单体、表面活性单体、引发剂的溶液I进行共聚反应，获得所述改性纳米稳泡剂。
5.根据权利要求4所述的改性纳米稳泡剂的制备方法，其特征在于，所述共聚反应的条件为：除氧后进行反应，反应温度为40～90℃，反应时间为1～8小时。
6.根据权利要求4所述的改性纳米稳泡剂的制备方法，其特征在于，所述共聚反应在搅拌下进行，搅拌速率为100～800rpm。
7.根据权利要求4所述的改性纳米稳泡剂的制备方法，其特征在于，所述引发剂为水溶性引发剂。
8.根据权利要求7所述的改性纳米稳泡剂的制备方法，其特征在于，所述水溶性引发剂选自过硫酸钾、过硫酸钠、过硫酸铵、偶氮二异丁脒盐酸盐、偶氮二异丁咪唑啉盐酸盐、亚硫酸钠、亚硫酸氢钠、甲醛合次亚硫酸钠、连二硫酸钠中的至少一种。
9.根据权利要求4所述的改性纳米稳泡剂的制备方法，其特征在于，所述溶液I的溶剂选自水、乙醇、甲醇、N,N-二甲基甲酰胺、二氯甲烷、三氯甲烷中的至少一种。
10.根据权利要求4所述的改性纳米稳泡剂的制备方法，其特征在于，所述纳米基材、聚合物单体、表面活性单体、引发剂的质量比为(0.18～0.22)：(0.5～2)：(0.1～2)：(0.016～0.025)。
11.根据权利要求4所述的改性纳米稳泡剂的制备方法，其特征在于，所述溶液I中，所述纳米基材的浓度为1～3mg/ml。
12.根据权利要求4所述的改性纳米稳泡剂的制备方法，其特征在于，所述溶液I中，所述聚合物单体的浓度为0.001～0.02g/ml。
13.根据权利要求4所述的改性纳米稳泡剂的制备方法，其特征在于，所述溶液I中，所述表面活性单体的浓度为0.001～0.02g/ml。
14.根据权利要求4所述的改性纳米稳泡剂的制备方法，其特征在于，所述溶液I中，所述引发剂的浓度为0.1～0.5mg/ml。
15.一种如权利要求1～3任意一项所述的改性纳米稳泡剂和/或根据权利要求4～14任意一项所述制备方法制备得到的改性纳米稳泡剂在稳定泡沫中的应用。
16.根据权利要求15所述的应用，其特征在于，所述泡沫包括氮气泡沫、二氧化碳泡沫、空气泡沫。
17.根据权利要求15所述的应用，其特征在于，所述应用的技术领域为油田技术领域。
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