CN113025300B - 一种交联剂及其制备方法与应用 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种交联剂及其制备方法与应用。该交联剂由硼酸酯和钛酸酯接枝到表面修饰后的纳米棒状氧化铝上制备得到。本发明还提供了上述交联剂在井温不高于140℃的致密砂岩储层压裂中的应用。本发明提供的交联剂能够提高与胍胶的交联效率，大幅度减少胍胶用量，降低成本、减轻对储层的伤害，耐温性更强，制备工艺简单，原料低廉且来源广泛。

Description

一种交联剂及其制备方法与应用

技术领域

本发明涉及石油开采用压裂液技术领域，具体涉及一种交联剂及其制备方法与应用。

背景技术

随着各个油田进入开发后期，低渗、致密等低品位油藏逐渐成为油田公司产量接替的主题，这些低品位油藏主要依靠压裂措施才能获得有效开发，但此类储层孔渗物性极差，对压裂液的要求极高，压裂液性能的好坏直接决定目标井的改造效果。就目前而言，胍胶压裂液在较长时间内仍将占据着市场上的主导地位，但高浓度的胍胶使用量不仅易对储层造成伤害，而且导致压裂液单位成本居高不下。因此，压裂液胍胶低浓度化已经成为压裂行业发展的必然趋势。

在施工过程中，胍胶压裂液中的胍胶的高分子链能否在交联剂的作用下形成稳定的具有网络结构的冻胶，决定着压裂液的悬砂、造缝性能以及整个压裂措施的成败。交联剂的交联能力强，将有利于压裂液冻胶获得更高的强度、粘弹性和悬砂性，同时也可以降低胍胶的浓度，有利于压裂成本的缩减。

最早使用的交联剂是无机的钛、锆、硼等，但无机交联剂的耐温性能极差，不适用于高温井。针对无机硼交联剂存在的问题，现在常用的解决方法是采用硼酸盐与有机配位体在特定条件下反应制备交联剂，这样既改善了无机硼交联剂耐温性差的缺点，同时又可以延缓交联。但是这样得到的有机硼交联剂在实际应用中并不能降低胍胶的使用浓度，其原因在于：胍胶分子和有机硼分子在水溶液中的水化体积差别巨大，基于交联反应的尺度效应机理，在上述交联体系中，硼与胍胶分子的交联主要以分子内交联为主，而真正能够建立空间交联网络的分子间交联却极少，造成交联效率低下，不仅浪费了大量的胍胶和有机硼交联剂，同时也加重了地层的污染。

为了解决上述问题，CN107641507A提供了一种交联剂的制备方法，将交联官能团嫁接在纳米核体上，制备出纳米交联剂，可以在较低稠化剂浓度下形成冻胶。CN105733548A也提供了一种纳米交联剂的制备方法，将可反应性的纳米二氧化硅表面负载硼酸，提高了交联效率，同时也使压裂液具有良好的耐温和耐剪切性能。以上方法所制备的纳米球状交联剂都可以在一定程度上提高交联效率，但仍有提升的空间。因此，需要开发研究出一种更高效、能够与超低浓度胍胶进行交联的交联剂。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提供了一种交联剂及其制备方法与应用。该交联剂由硼酸酯与钛酸酯接枝到纳米棒状氧化铝上制备得到，所述交联剂能够提高与胍胶的交联效率，大幅度减少胍胶用量，并且可应用于井温不高于140℃的储层中。

为了达到上述目的，本发明提供了一种交联剂的制备方法，该制备方法包括硼酸酯和钛酸酯接枝到表面修饰后的纳米棒状氧化铝上得到所述交联剂。

根据本发明的具体实施方案，所述交联剂的制备方法可以包括以下步骤：

步骤一，在分散剂中加入纳米棒状氧化铝，分散后得到均匀的体系；

步骤二，向步骤一的体系中加入硅烷偶联剂进行反应，然后过滤、洗涤，得到中间产物；

步骤三，将步骤二的中间产物加入硼酸酯与钛酸酯的混合物中进行反应，然后过滤、干燥，得到所述交联剂，

其中，以原料的总重为100％计，各原料的质量占比分别：纳米棒状氧化铝10-25％，硼酸酯5-8％，钛酸酯5-8％，硅烷偶联剂2-4％，分散剂60-75％。

在上述制备方法中，优选地，所述纳米棒状氧化铝的长度为50-100nm，直径为20-40nm。

在上述制备方法中，优选地，所述分散剂包括乙二醇、丙酮、环己烷、乙二胺四乙酸中的一种或两种以上的组合。

在上述制备方法中，优选地，所述硼酸酯包括硼酸三丁酯、硼酸三辛酯中的一种。

在上述制备方法中，优选地，所述钛酸酯包括钛酸四丁酯、钛酸四异丙酯中的一种。

在上述制备方法中，优选地，所述硅烷偶联剂包括γ-丙氨基三乙氧基硅烷、γ-缩水甘油醚氧丙基三甲氧基硅烷、γ-(甲基丙烯酰氧)丙基三甲氧基硅烷中的一种。

在一些实施方案中，步骤一中，所述分散可以采用超声震荡的方式进行，所述超声震荡的时间可以为20-30min。

在一些实施方案中，步骤二中，所述反应的温度可以为80-120℃，所述反应的时间可以为4-8h。

在一些实施方案中，步骤三中，所述反应的温度可以为80-120℃，所述反应的时间可以为4-8h。

在一些实施方案中，步骤三中，所述干燥的温度可以为80-120℃，所述干燥的时间可以为3-5h。

在上述制备方法中，优选地，所述纳米棒状氧化铝是由以下方法制备得到的：

步骤1，将模板剂与偏铝酸钠溶液混合，搅拌后得到溶液A，其中，所述模板剂与偏铝酸钠的质量比为1:(8-13)；

步骤2，将模板剂与过氧化氢溶液混合，搅拌后得到溶液B，其中，所述模板剂与过氧化氢的质量比为1:(0.9-1.5)；

步骤3，将所述溶液B加入搅拌中的溶液A，所述溶液B与溶液A的体积比为1:(4-6.5)，然后静置反应，得到反应体系；

步骤4，将步骤3的反应体系过滤、洗涤、干燥、煅烧，得到所述纳米棒状氧化铝。

在上述纳米棒状氧化铝的制备方法中，所述模板剂在制备棒状氧化铝的过程中起到成型、结构导向的作用，优选地，所述模板剂包括十六烷基三甲基氯化铵、十六烷基三甲基溴化铵、十八烷基三甲基氯化铵和十八烷基三甲基溴化铵中的一种。

在一些实施方案中，步骤1中，所述偏铝酸钠溶液的质量浓度可以为40-50％。

在一些实施方案中，步骤1中，所述搅拌的温度可以为50-70℃，所述搅拌的时间可以为5-20min。

在一些实施方案中，步骤2中，所述过氧化氢溶液的质量浓度可以为30％。

在一些实施方案中，步骤2中，所述搅拌的温度可以为50-70℃，所述搅拌的时间可以为5-20min。

在一些实施方案中，步骤3中，所述溶液B加入的速度可以为2-4ml/min。

在一些实施方案中，步骤3中，所述静置反应的时间可以为20-30h。

在一些具体实施方案中，步骤4中，所述洗涤的方式可以是采用去离子水洗涤3-5次。

在一些实施方案中，步骤4中，所述干燥的温度可以为80-120℃，所述干燥的时间可以为8-12h。

在一些实施方案中，步骤4中，通过煅烧去除模板剂，所述煅烧的温度可以为600-800℃，所述煅烧的时间可以为1-3h。

本发明还提供了一种交联剂，其是由上述制备方法得到的。

本发明还提供了上述交联剂在井温不高于140℃的致密砂岩储层压裂中的应用。

本发明提供的有益效果包括：

1.本发明提供的交联剂在与胍胶分子发生交联时大幅度增加了交联点，使交联效果相比于施工中常用的有机硼交联剂提高2倍。

2.本发明提供的交联剂应用于储层压裂时，可大幅度减少胍胶的用量，降低投资成本、同时也减轻对储层的伤害。

3.本发明提供的交联剂耐温性更强，可应用于井温不高于140℃的储层中。

4.本发明提供的交联剂不易腐败，制备工艺简单，原料来源广泛，价格低廉。

附图说明

图1为实施例1纳米棒状氧化铝的透射电镜照片。

图2为实施例2纳米棒状氧化铝的透射电镜照片。

具体实施方式

为了对本发明的技术特征、目的和有益效果有更加清楚的理解，现对本发明的技术方案进行以下详细说明，但不能理解为对本发明的可实施范围的限定。

实施例1

本实施例提供了一种交联剂的制备方法，包括以下步骤：

1、将3.4g十六烷基三甲基氯化铵加入100ml、质量浓度为40％的偏铝酸钠溶液中，60℃搅拌20min，形成均一溶液A。

2、将5.6g十六烷基三甲基氯化铵加入25ml质量浓度为30％的过氧化氢溶液中，60℃搅拌20min，形成均一溶液B。

3、将20ml溶液B以2ml/min的速度滴加到90ml搅拌中的溶液A中，添加完毕后静置反应24h，得到反应后的体系。

4、将反应后的体系过滤，用去离子水洗涤沉淀5次，再将沉淀在120℃的恒温干燥箱内干燥10h，然后置于马弗炉内，600℃煅烧2.5h，得到纳米棒状氧化铝。

5、以交联剂原料的总质量为100％计，称量18％的步骤4制备的纳米棒状氧化铝，66％的环己烷，3.2％的γ-氨丙基三乙氧基硅烷，7.3％的硼酸三丁酯，5.5％的钛酸四丁酯。

6、将称量后的纳米棒状氧化铝加入环己烷中，常温下超声震荡30min，再加入γ-氨丙基三乙氧基硅烷，在120℃搅拌反应7h，过滤、洗涤，得到中间产物。

7、将步骤6的中间产物加入硼酸三丁酯与钛酸四丁酯的混合物中，100℃搅拌反应5h，然后过滤、在100℃干燥4h，得到交联剂。

图1为本实施例制备的纳米棒状氧化铝的透射电镜照片。从图1中可以看出，纳米棒状氧化铝的平均长度为85nm，平均直径为27nm。

对本实施例制备的交联剂的交联性能进行测试，具体方法为：将质量浓度0.14％的羧甲基胍胶水溶液与本实施例制备的交联剂按100ml：0.2g的交联比混合，调节pH至9-10，搅拌1-2min，即可生成室温下可挑挂的冻胶。在130℃的条件下，该冻胶的粘度仍然能够维持在100mPa.S以上，符合标准SY/T 6376-2008对水基压裂液冻胶的粘度≥50mPa.s的要求。

对比例1

本对比例将常规有机硼交联剂RX-505C(陕西日新石油化工有限公司)与胍胶交联，具体方法为，将质量浓度为0.45％的羧甲基胍胶水溶液与有机硼交联剂RX-50C按100ml：0.2g的交联比混合，调节pH到9-10，搅拌1-2min形成可挑挂的冻胶。在130℃的条件下，该冻胶的粘度维持在60mPa.s左右。

对比例1中的胍胶用量是实施例1中的胍胶用量的3.2倍，在满足施工需要且交联剂质量相同的情况下，胍胶用量越少，证明交联剂的交联效率越高，由此可知，实施例1提供的交联剂的交联效率比常规的有机硼交联剂RX-505C提高了约2倍。

实施例2

本实施例提供了一种交联剂的制备方法，包括以下步骤：

1、将4.5g十六烷基三甲基溴化铵加入100ml、质量浓度为46％的偏铝酸钠溶液中，70℃搅拌10min，形成均一溶液A。

2、将5g十六烷基三甲基氯化铵加入18ml、质量浓度为30％的过氧化氢溶液中，60℃搅拌10min，形成均一溶液B。

3、将16ml溶液B以3ml/min的速度滴加到搅拌中的90ml溶液A中，添加完毕后静置反应28h，得到反应后的体系。

4、将步骤3中反应后的体系过滤，用去离子水洗涤沉淀3次，再将沉淀在100℃的恒温干燥箱内干燥12h，然后置于马弗炉内，700℃煅烧1.5h，得到纳米棒状氧化铝。

5、以交联剂原料的总质量为100％计，称量22％的步骤4制备的纳米棒状氧化铝，60％的乙二醇，3.6％的γ-缩水甘油醚氧丙基三甲氧基硅烷，8％的硼酸三辛酯，6.4％的钛酸四异丙酯。

6、将称量后的纳米棒状氧化铝加入乙二醇中，常温下超声震荡20min，再加入γ-缩水甘油醚氧丙基三甲氧基硅烷，在100℃搅拌5h进行反应，过滤、洗涤，得到中间产物。

7、将步骤6的中间产物加入硼酸三辛酯与钛酸四异丙酯的混合物中，100℃搅拌反应5h后，过滤、在120℃干燥3h得到交联剂。

图2为本实施例制备的纳米棒状氧化铝的透射电镜照片。从图2中可以看出，纳米棒状氧化铝的平均长度为94nm，平均直径为23nm。

对本实施例制备的交联剂的交联性能进行测试，具体方法为：将质量浓度0.14％的羧甲基胍胶水溶液与本实施例制备的交联剂按100ml：0.2g的交联比混合，调节pH至9-10，搅拌1-2min，生成室温下可挑挂的冻胶。在140℃的条件下，该冻胶的粘度仍然能够维持在100mPa.S以上，符合标准SY/T 6376-2008对水基压裂液冻胶的粘度≥50mPa.s的要求。

Claims (10)

1.一种交联剂的制备方法，该制备方法包括硼酸酯和钛酸酯接枝到表面修饰后的纳米棒状氧化铝上，得到所述交联剂；

所述制备方法包括以下步骤：

步骤一，在分散剂中加入纳米棒状氧化铝，分散后得到均匀的体系；

步骤二，向步骤一的体系中加入硅烷偶联剂进行反应，然后过滤、洗涤，得到中间产物；

步骤三，将步骤二的中间产物加入硼酸酯与钛酸酯的混合物中进行反应，然后过滤、干燥，得到所述交联剂，

其中，以原料的总重为100%计，各原料的质量占比分别为：纳米棒状氧化铝10-25%，硼酸酯5-8%，钛酸酯5-8%，硅烷偶联剂2-4%，分散剂60-75%；

所述硼酸酯包括硼酸三丁酯、硼酸三辛酯中的一种，所述钛酸酯包括钛酸四丁酯、 钛酸四异丙酯中的一种；

所述纳米棒状氧化铝的长度为50-100nm，直径为20-40nm。

2.根据权利要求1所述的制备方法，其中，所述分散剂包括乙二醇、丙酮、环己烷、乙二胺四乙酸中的一种或两种以上的组合。

3.根据权利要求1所述的制备方法，其中，所述硅烷偶联剂包括γ-丙氨基三乙氧基硅烷，γ-缩水甘油醚氧丙基三甲氧基硅烷，γ-(甲基丙烯酰氧)丙基三甲氧基硅烷中的一种。

4.根据权利要求1所述的制备方法，其中，步骤二中，所述反应的温度为80-120℃，所述反应的时间为4-8h。

5.根据权利要求1所述的制备方法，其中，步骤三中，所述反应的温度为80-120℃，所述反应的时间为4-8h。

6.根据权利要求1所述的制备方法，其中，所述纳米棒状氧化铝是由以下方法制备得到的：

步骤1，将模板剂与偏铝酸钠溶液混合，搅拌后得到溶液A，其中，所述模板剂与偏铝酸钠的质量比为1:(8-13)；

步骤2，将模板剂与过氧化氢溶液混合，搅拌后得到溶液B，其中，所述模板剂与过氧化氢的质量比为1:(0.9-1.5)；

步骤3，将所述溶液B加入搅拌中的溶液A，所述溶液B与溶液A的体积比为1:(4-6.5)，然后静置反应，得到反应体系；

步骤4，将步骤3的反应体系过滤、洗涤、干燥、煅烧，得到所述纳米棒状氧化铝。

7.根据权利要求6所述的制备方法，其中，在所述纳米棒状氧化铝的制备方法中，步骤1和步骤2中，所述的模板剂包括十六烷基三甲基氯化铵、十六烷基三甲基溴化铵、十八烷基三甲基氯化铵和十八烷基三甲基溴化铵中的一种。

8.根据权利要求6所述的制备方法，其中，在所述纳米棒状氧化铝的制备方法中，步骤3中，所述静置反应的时间为20-30h。

9.一种交联剂，其是由权利要求1-8任一项所述的制备方法得到的。

10.权利要求9所述的交联剂在井温不高于140℃的致密岩储层压裂中的应用。

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