CN114891493A - 一种海水基免混配多功能压裂液稠化剂及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种海水基免混配多功能压裂液稠化剂及其制备方法。本发明海水基压裂液稠化剂按重量比计，包含以下组分：40～50％的改性聚丙烯酰胺，1～3％的稳定剂，1～3％的增效剂，1～5％的分散剂，45～55％的油相。本发明海水基免混配多功能压裂液的制备方法是将上述组分按照一定顺序投加，并在一定转速一定温度下共搅拌制得。本发明海水基免混配多功能压裂液稠化剂兼具超快速增粘、耐温抗盐、破乳助排、粘土稳定、高砂比等多种功能，在海上压裂施工现场使用时无需配液装置，可以免混配加注，无需配套加注交联剂、破乳助排剂、粘土稳定剂等助剂，简化施工程序、降低成本、提高施工效率。
Description
技术领域：
本发明涉及低渗油气资源压裂增产技术领域，更具体地说，涉及一种海水基免混配多功能压裂液稠化剂及其制备方法。
背景技术：
目前，与陆地压裂相比，海上压裂有以下几个受限条件：一是海上低渗储层相比陆地致密气、页岩气，渗透率一般高一到两个数量级，实施大规模体积压裂的必要性不强；二是海上单个井槽以及综合建井成本远高于陆地，经济开发门槛高，试错成本高；三是海上作业空间有限，无法摆放大量的压裂装备，传统海上压裂配液一般采用陆上淡水配制后再通过运输船转运到压裂平台施工，配液成本高、周期长、易受自然条件等外部因素制约。同时，海上低渗储层具有埋藏深、温度高的特点，因此，设计高温海水基压裂液体系，实现连续混配以满足海上平台施工，降低成本、提高施工效率和节约淡水资源，是目前海水基压裂液的研究重点。
国内外目前研究和开发的高温海水基压裂液体系主要包括：胍胶等天然聚合物、黏弹性表面活性剂和合成聚合物三类。CN110437815A公开的海水基压裂液使用浓度为0.25～0.45％的改性胍胶，在160℃，170s-1下，连续剪切60min，粘度保持在30mPa.s以上，海水基压裂液交联时间15～90s可调，360min完全破胶，破胶液粘度≤2mPa.s,残渣含量≤200mg/L。CN109575904B公开的海水基压裂液使用浓度为0.8～1.2％的合成聚合物增稠剂，在190℃、170s-1下连续剪切90min的粘度≥50mPa.s，破胶时间≤12h，破胶液粘度≤5mPa.s，破胶液残渣含量≤100mg/L，岩心伤害率≤30％，破胶液防膨率≥80％，表面张力≤28mN/m，界面张力≤2mN/m。张鹏远等(海水基连续混配清洁压裂液的合成与性能评价。石油工程建设，2020，46：242-245.)公开的海水基清洁压裂液使用黏弹性表面活性剂为稠化剂，现场加量为3.5％，在120℃、170s-1下连续剪切120min的粘度≥50mPa.s，稠化剂溶解时间小于1min。以上各种海水基压裂液，黏弹性表面活性剂压裂液使用浓度高、使用温度较低，不适合海上高温油气藏应用；天然聚合物及合成聚合物压裂液使用浓度较低、耐温等级高，但天然聚合物及合成聚合物粉剂溶解时间长，配液装置占用更多的作业空间，不利于空间有限的海上压裂作业。
乳液型合成聚合物稠化剂可实现超快速溶解、配制方便等性能效果，无需配液装置，可以免混配使用，节省作业空间，极大地方便海上压裂作业，CN106350053A、CN110791278A、CN112500845A等公开的海水基压裂液均使用乳液型合成聚合物作为稠化剂，使用浓度为1～2％，耐温等级为130～180℃，但乳液型合成聚合物稠化剂制备时采用油包水的反相聚合方式，最终产品中含有大量水，因此固含量不高，CN106350053A、CN110791278A、CN112500845A等使用的乳液型稠化剂固含量均低于30％。近两年在陆地油田大规模体积压裂中广泛应用的悬浮液型合成聚合物稠化剂采用将聚合物固体粉末均匀分散于油相的方法制备，产品固含量高，如CN 108659809 B和CN 110317600 A公开的悬浮液固含量均在40～50％。同时，乳液型稠化剂的聚合物在加入具有耐温抗盐功能的单体时，因耐温抗盐功能单体均具有两亲性，为确保油包水乳液的稳定性，功能单体的加量受限，最终得到聚合物的分子量也偏低，因此，同样的加药浓度下，悬浮液型合成聚合物稠化剂因固含量和聚合物分子量更高具有更好的增粘效果以及携砂能力，但因制备工艺简单，目前悬浮液产品在耐温抗盐、一剂多能等方面的性能不满足海上高温油气藏压裂施工使用。
发明内容：
本发明所要解决的技术难题是克服现有海水基压裂液的缺陷，提供一种新型海水基免混配多功能压裂液稠化剂及其制备方法，即在悬浮液较为简单的制备工艺基础上，通过引入具有耐温抗盐、自交联、粘土稳定等功能基团的改性聚丙烯酰胺，与聚合物协同增粘并且具有破乳助排效果的增效剂，使得制备的悬浮液兼具高固含、超快速增粘、耐温抗盐、高砂比、破乳助排、粘土稳定等多种功能。
为实现上述目的，采用了如下技术方案：
一种海水基免混配多功能压裂液稠化剂，其特征在于，由下列组分按重量比配制而成：40～50％的改性聚丙烯酰胺，1～3％的稳定剂，1～3％的增效剂，1～5％的分散剂，45～55％的油相；
所述改性聚丙烯酰胺是由主链单体A、耐温抗盐单体B、自交联单体C及粘稳单元D进行聚合反应得到的共聚物；
所述主链单体A是丙烯酰胺，以及丙烯酸和甲基丙烯酸两者中至少一种物质构成，添加量占单体总摩尔量的80～90％；
所述耐温抗盐单体B是N,N-二甲基丙烯酰胺、N,N-二乙基丙烯酰胺、2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸、乙烯基苯磺酸、丙烯酰吗啉、1-丙烯酰基-4-甲基哌嗪、N-乙烯基吡咯烷酮中至少一种物质构成，添加量占单体总摩尔量的10～15％；
所述自交联单体C是丙烯酸十六酯、顺丁烯二酸十六烷基酯、丙烯酸聚氧乙烯十八烷基酯、壬基酚聚氧乙烯丙烯酸酯、2-丙烯酰胺基十六烷基磺酸钠中至少一种物质构成，添加量占单体总摩尔量的1～5％；
所述粘稳单元D是巯基壳聚糖、2-甲氨基乙硫醇盐酸盐、2-乙氨基乙硫醇盐酸盐中至少一种物质构成，添加量占单体总摩尔量的0～0.5％；
所述改性聚丙烯酰胺是固体颗粒，分子量1000万～2000万；
所述稳定剂是司盘系列、吐温系列、Op系列、AEO系列中一种或几种物质构成。
所述增效剂是长链烷基硫酸盐、长链烷基磺酸盐、多元醇中一种或几种物质构成。
所述分散剂是有机季铵盐改性的膨润土。
所述油相是煤油、柴油、润滑油、白油、异构烷烃油、脱芳烃溶剂油中的一种或几种物质构成。
上述技术方案中，所述的海水基免混配多功能压裂液稠化剂的制备方法为：在反应釜转速为90～110r/min、温度为25～35℃条件下，依次将油相、稳定剂、分散剂按比例加入反应釜中，搅拌均匀后依次将改性聚丙烯酰胺和增效剂按比例加入反应釜中，继续搅拌0.5～1.5h至后制得。
本发明的有益效果在于，多功能悬浮液型稠化剂制备工艺简单，超快速溶解，固含量高(40～50％)，在较低浓度就可以满足压裂液的粘度要求，悬浮液型稠化剂中的改性聚丙烯酰胺中除耐温抗盐单体外，还引入自交联单体，使聚合物在水中呈网状交联状态，取代交联剂；引入粘稳单元，在改性聚丙烯酰胺聚合中作为链转移剂最终接入聚合物的端基，压裂液破胶后断裂的粘稳单元可以防止粘土膨胀、运移，取代粘土稳定剂；悬浮液型稠化剂中的增效剂，一方面可与改性聚丙烯酰胺协同作用进一步增粘，另一方面起到破乳助排的效果，取代破乳助排剂。由本发明的多功能悬浮液型稠化剂配制的海水基压裂液兼具超快速溶解、耐温抗盐、破乳助排、粘土稳定、高砂比多种功能，与现有的海水基压裂液相比，可以免混配加注，无需配液装置，同时一剂多能，现场加注时无需配套使用交联剂、破乳助排剂、粘土稳定剂等助剂，减少相应的药剂储罐及加药管线，简化加药流程，提高压裂施工效率。
附图说明：
图1为海水基免混配多功能压裂液稠化剂配制压裂液的160℃流变曲线。
具体实施方式：
下面结合具体实施例对本发明的技术方案及技术效果作进一步描述。
下述实施例中所使用的实验方法如无特殊说明，均为常规方法；所用的材料、试剂等，如无特殊说明，均可从商业途径得到。
实施例1
在转速为100r/min、温度为30℃条件下，依次将白油、有机膨润土、司盘80加入反应釜中，搅拌1h后依次将改性聚丙烯酰胺和十二烷基硫酸钠加入反应釜中，继续搅拌1h后制得海水基免混配多功能压裂液稠化剂A。
在上述海水基免混配多功能压裂液稠化剂中
白油占总质量的52％；
有机膨润土占总质量的1％；
司盘80占总质量的1％；
改性聚丙烯酰胺占总质量的45％；
十二烷基硫酸钠占总质量的1％；
其中改性聚丙烯酰胺由摩尔百分比84.5％的丙烯酰胺和丙烯酸，摩尔百分比12％的N,N-二甲基丙烯酰胺，摩尔百分比3％的丙烯酸十六酯和壬基酚聚氧乙烯丙烯酸酯，以及摩尔百分比0.5％的巯基壳聚糖共聚制得，分子量1500万。
实施例2
在转速为100r/min、温度为30℃条件下，依次将柴油、有机膨润土、吐温80加入反应釜中，搅拌1h后依次将改性聚丙烯酰胺和十四烷基硫酸钠加入反应釜中，继续搅拌1h后制得海水基免混配多功能压裂液稠化剂B。
在上述海水基免混配多功能压裂液稠化剂中
柴油占总质量的50％；
有机膨润土占总质量的4％；
吐温80占总质量的2.5％；
改性聚丙烯酰胺占总质量的42％；
十四烷基硫酸钠占总质量的1.5％；
其中改性聚丙烯酰胺由摩尔百分比86.8％的丙烯酰胺和丙烯酸，摩尔百分比11％的N,N-二乙基丙烯酰胺，摩尔百分比2％的丙烯酸十六酯，以及摩尔百分比0.2％的2-甲氨基乙硫醇盐酸盐共聚制得，分子量1200万。
实施例3
在转速为100r/min、温度为30℃条件下，依次将煤油、有机膨润土、Op-10加入反应釜中，搅拌1h后依次将改性聚丙烯酰胺和十二烷基磺酸钠加入反应釜中，继续搅拌1h后制得海水基免混配多功能压裂液稠化剂C。
在上述海水基免混配多功能压裂液稠化剂中
煤油占总质量的47％；
有机膨润土占总质量的3％；
Op-10占总质量的2％；
改性聚丙烯酰胺占总质量的46％；
十二烷基磺酸钠占总质量的2％；
其中改性聚丙烯酰胺由摩尔百分比85.7％的丙烯酰胺和丙烯酸，摩尔百分比12.5％的2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸，摩尔百分比1.5％的顺丁烯二酸十六烷基酯，以及摩尔百分比0.3％的2-乙氨基乙硫醇盐酸盐共聚制得，分子量1300万。
实施例4
在转速为100r/min、温度为30℃条件下，依次将润滑油、有机膨润土、AEO-7加入反应釜中，搅拌1h后依次将改性聚丙烯酰胺和十四烷基磺酸钠加入反应釜中，继续搅拌1h后制得海水基免混配多功能压裂液稠化剂D。
在上述海水基免混配多功能压裂液稠化剂中
润滑油占总质量的51％；
有机膨润土占总质量的1.5％；
AEO-7占总质量的1％；
改性聚丙烯酰胺占总质量的44％；
十四烷基磺酸钠占总质量的2.5％；
其中改性聚丙烯酰胺由摩尔百分比84％的丙烯酰胺和甲基丙烯酸，摩尔百分比13.5％的乙烯基苯磺酸和摩尔百分比2.5％的丙烯酸聚氧乙烯十八烷基酯共聚制得，分子量1400万。
实施例5
在转速为100r/min、温度为30℃条件下，依次将异构烷烃油、有机膨润土、司盘80和吐温60加入反应釜中，搅拌1h后依次将改性聚丙烯酰胺和丙二醇加入反应釜中，继续搅拌1h后制得海水基免混配多功能压裂液稠化剂E。
在上述海水基免混配多功能压裂液稠化剂中
异构烷烃油占总质量的48％；
有机膨润土占总质量的1％；
司盘80和吐温60占总质量的2％；
改性聚丙烯酰胺占总质量的47％；
丙二醇占总质量的2％；
其中改性聚丙烯酰胺由摩尔百分比82.6％的丙烯酰胺和甲基丙烯酸，摩尔百分比13％的丙烯酰吗啉，摩尔百分比4％的壬基酚聚氧乙烯丙烯酸酯，以及摩尔百分比0.4％的巯基壳聚糖共聚制得，分子量1600万。
实施例6
在转速为100r/min、温度为30℃条件下，依次将脱芳烃溶剂油、有机膨润土、司盘85和Op-5加入反应釜中，搅拌1h后依次将改性聚丙烯酰胺和己二醇加入反应釜中，继续搅拌1h后制得海水基免混配多功能压裂液稠化剂F。
在上述海水基免混配多功能压裂液稠化剂中
脱芳烃溶剂油占总质量的49％；
有机膨润土占总质量的5％；
司盘85和Op-5占总质量的2％；
改性聚丙烯酰胺占总质量的41％；
己二醇占总质量的3％；
其中改性聚丙烯酰胺由摩尔百分比81.9％的丙烯酰胺和丙烯酸，摩尔百分比14.5％的1-丙烯酰基-4-甲基哌嗪，摩尔百分比3.5％的2-丙烯酰胺基十六烷基磺酸钠，以及摩尔百分比0.1％的2-甲氨基乙硫醇盐酸盐共聚制得，分子量1100万。
实施例7
在转速为100r/min、温度为30℃条件下，依次将柴油和白油、有机膨润土、司盘60和AEO-4加入反应釜中，搅拌1h后依次将改性聚丙烯酰胺和二丙二醇加入反应釜中，继续搅拌1h后制得海水基免混配多功能压裂液稠化剂G。
在上述海水基免混配多功能压裂液稠化剂中
柴油和白油占总质量的45％；
有机膨润土占总质量的3.5％；
司盘60和AEO-4占总质量的1.5％；
改性聚丙烯酰胺占总质量的48％；
二丙二醇占总质量的2％；
其中改性聚丙烯酰胺由摩尔百分比80.8％的丙烯酰胺和甲基丙烯酸，摩尔百分比14％的N-乙烯基吡咯烷酮，摩尔百分比5％的顺丁烯二酸十六烷基酯和丙烯酸聚氧乙烯十八烷基酯，以及摩尔百分比0.2％的2-乙氨基乙硫醇盐酸盐共聚制得，分子量1700万。
对比例1
将摩尔比为84：16的丙烯酰胺和甲基丙烯酸、乙烯基苯磺酸单体配制成质量百分比50％的单体水溶液，调节pH值至中性，强力搅拌的同时将单体水溶液加入司盘80、白油以及偶氮引发剂构成的油相体系中，油水比为3：7。乳液配制过程中通过循环水浴控制温度在10～15℃之间，通高纯氮气驱氧1小时，保持搅拌，期间滴加氧化剂，通氮除氧后，排空循环水浴，缓慢滴加还原剂1小时，当温度升至40℃时停止滴加，同时通入40℃的循环水浴，停止搅拌，静置2小时，当温度升至50℃时，排空循环水浴，开始慢速搅拌，期间通过调节搅拌速度控制最高温度不超过60℃，当温度下降至低于50℃时，通入50℃的循环水浴，保持慢速搅拌3小时，聚合完成，调节循环水浴温度至20℃，当体系温度降至20～30℃之间后，滴加反相剂Op-10，搅拌均匀后制得乳液型海水基压裂液稠化剂，固含量为35％，聚合物分子量1100万。
对比例2
在转速为100r/min、温度为30℃条件下，依次将润滑油、有机膨润土、AEO-7加入反应釜中，搅拌1h后依次将改性聚丙烯酰胺加入反应釜中，继续搅拌1h后制得悬浮液型海水基压裂液稠化剂。
在上述悬浮液型海水基压裂液稠化剂中
润滑油占总质量的53％；
有机膨润土占总质量的2％；
AEO-7占总质量的1％；
改性聚丙烯酰胺占总质量的44％；
其中改性聚丙烯酰胺由摩尔百分比84％的丙烯酰胺和甲基丙烯酸，摩尔百分比16％的乙烯基苯磺酸共聚制得，分子量1400万。
实施例9
实施例1～7及对比例1、对比例2制备的海水基压裂液稠化剂性能评价：
取南海西部涠洲油田压裂用海水(水质数据见表1)，按照1.6％的稠化剂加量配制压裂液溶液，结合《SY/T 5107-2016水基压裂液性能评价方法》、《Q/HS2111-2018海水基压裂液性能指标及评价方法》，使用六速粘度计、离心机、表界面张力仪、流变仪等，分别对海水基压裂液的溶解时间、耐温耐剪切性能、防膨率、破乳性能及破胶液的表界面张力进行评价；配制的1.6％加量的压裂液溶液加入不同量的40～70目陶粒，混合后倒入量筒静置半小时后观察压裂液静态悬砂能力。其他实验条件：破胶温度90℃，破胶时间1h，破胶剂过硫酸铵加量0.1％。实验结果如表2所示。
表1南海西部涠洲油田压裂用海水水质数据
表2海水基免混配多功能压裂液稠化剂性能评价实验结果
结合现场对于稠化剂加量≤2％，压裂液耐温耐剪切需≥50mPa·s、防膨率≥80％、平均砂比≥20％的实际要求，以及《Q/HS 2111-2018海水基压裂液性能指标及评价方法》规定的海水基压裂液破乳率需≥95％，破胶液表面张力需≤28mN/m、界面张力≤2mN/m的要求，从表2中数据可以看出，本发明海水基免混配多功能压裂液稠化剂，在相同条件下，其溶解时间与乳液型及常规悬浮液型海水基压裂液稠化剂相当，都能做到免混配，而其耐温耐剪切、携砂、破乳助排、粘土稳定性能优于乳液型及常规悬浮液型海水基压裂液稠化剂。
Claims (2)
1.一种海水基免混配多功能压裂液稠化剂，其特征在于，由下列组分按重量比配制而成：40～50％的改性聚丙烯酰胺，1～3％的稳定剂，1～3％的增效剂，1～5％的分散剂，45～55％的油相；
所述改性聚丙烯酰胺是由主链单体A、耐温抗盐单体B、自交联单体C及粘稳单元D进行聚合反应得到的共聚物；
所述主链单体A是丙烯酰胺，以及丙烯酸和甲基丙烯酸两者中至少一种物质构成，添加量占单体总摩尔量的80～90％；
所述耐温抗盐单体B是N,N-二甲基丙烯酰胺、N,N-二乙基丙烯酰胺、2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸、乙烯基苯磺酸、丙烯酰吗啉、1-丙烯酰基-4-甲基哌嗪、N-乙烯基吡咯烷酮中至少一种物质构成，添加量占单体总摩尔量的10～15％；
所述自交联单体C是丙烯酸十六酯、顺丁烯二酸十六烷基酯、丙烯酸聚氧乙烯十八烷基酯、壬基酚聚氧乙烯丙烯酸酯、2-丙烯酰胺基十六烷基磺酸钠中至少一种物质构成，添加量占单体总摩尔量的1～5％；
所述粘稳单元D是巯基壳聚糖、2-甲氨基乙硫醇盐酸盐、2-乙氨基乙硫醇盐酸盐中至少一种物质构成，添加量占单体总摩尔量的0～0.5％；
所述改性聚丙烯酰胺是固体颗粒，分子量1000万～2000万；
所述稳定剂是司盘系列、吐温系列、Op系列、AEO系列中一种或几种物质构成；
所述增效剂是长链烷基硫酸盐、长链烷基磺酸盐、多元醇中一种或几种物质构成；
所述分散剂是有机季铵盐改性的膨润土；
所述油相是煤油、柴油、润滑油、白油、异构烷烃油、脱芳烃溶剂油中至少一种物质构成。
2.一种根据权利要求1所述的海水基免混配多功能压裂液稠化剂的制备方法，其特征在于，在反应釜转速为90～110r/min、温度为25～35℃条件下，依次将油相、稳定剂、分散剂按比例加入反应釜中，搅拌均匀后依次将改性聚丙烯酰胺和增效剂按比例加入反应釜中，继续搅拌0.5～1.5h至后制得。
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