CN115584250A - 耐高温的强酸性黏弹性流体及其制备及应用 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了耐高温的强酸性黏弹性流体及其制备及应用，包含二十二烷基三甲基氯化铵和盐酸，其中二十二烷基三甲基氯化铵的质量百分比为1~10%，余量为盐酸。所述盐酸中HCl的质量浓度为5~28%。二十二烷基三甲基氯化铵由于其分子结构简单，无不稳定基团，因此在高温强酸环境下能够保持稳定，使黏弹性流体仍然具有一定的增粘能力，且耐温性达到150oC。所述黏弹性流体通过添加少量的聚合物增稠剂不仅可以提升体系的流动性，改善现场施工性能，减少现场应用困难，还能够改善其增粘性能。本发明进一步提高了变黏酸液的耐高温性能，同时简化了组分和配方，降低使用量，节约成本。
Description
技术领域
本发明属于酸化和酸化压裂技术领域，具体涉及一种耐高温强酸性黏弹性流体。
背景技术
在油气开采过程中，油、气井产量低的重要原因之一是储层渗透率低。酸化和酸化压裂技术是恢复和提高低渗油气井产量的有效办法。基于表面活性剂的变黏酸液可以有效控制酸岩反应速率、降低滤失，使低渗地层得到有效处理。基于黏弹性表面活性剂（viscoelastic surfactant，VES）的自转向酸体系，是一种pH值调控的黏弹性表面活性剂变黏酸液，称之为黏弹性表面活性剂自转向酸（VDA）。VDA在缓速、分流、造缝等方面具有优异性能，并且对地层伤害小，增油效果显著，是理想的变黏酸。
但黏弹性表面活性剂在溶液中的黏弹性源于分子自组装形成的棒状或蠕虫状胶束以及这些胶束相互纠缠形成的三维网络结构。酸性环境中存在的H+和阴离子容易对表面活性剂分子的自组装形貌造成影响，从而影响VES的流变性能。此外，表面活性剂分子结构中的一些固有的低键能的基团（例如酯基、酰胺基等）在强酸环境中不稳定、易水解，会对其组装形貌造成影响。另一方面，随着目前油气开发技术和开采需求的不断提高，井深不断增加，温度越来越高，而高温会加速表面活性剂分子的运动，影响胶束的稳定性。因此，如何在强酸环境下保持体系的黏弹性，以及如何提高体系的耐温性是基于黏弹性表面活性剂变黏酸液一直存在的难题。
现有油田使用的基于黏弹性表面活性剂变黏酸液耐温性能普遍不好，绝大多数变黏酸液耐温低于
，而能够在酸性高温环境下保持较高黏度的体系则更少。因此现有变黏酸液体系难以进一步在强酸、高温等恶劣环境下得到应用。这对于发展深井酸化、压裂等作业具有明显的限制性。
此外， 现有基于黏弹性表面活性剂变黏酸液中VES使用浓度偏高，分数多在5%以上才能达到使用效果，成本较高。因此，有必要研制出低质量分数、稠化能力强的表面活性剂。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供了一种耐高温的强酸性黏弹性流体及其制备及应用，以进一步提高变黏酸液的耐高温性能，简化组分和配方，降低使用量，节约成本。
本发明提供的第一种耐高温的强酸性黏弹性流体，包含二十二烷基三甲基氯化铵和盐酸，其中二十二烷基三甲基氯化铵的质量百分比为1%~10%，余量为盐酸。
进一步地，所述盐酸中HCl的质量浓度为5%~28%。
本发明提供的另一种耐高温的强酸性黏弹性流体，包含
二十二烷基三甲基氯化铵、聚甲基丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵（PDMC）和盐酸，其中二十二烷基三甲基氯化铵的质量百分比为1%~10%， PDMC的质量百分比为0.5%~3%，余量为盐酸。
进一步地，所述盐酸中HCl的质量浓度为5~28%。
进一步地，所述二十二烷基三甲基氯化铵与PDMC的总质量含量不低于2%，优选为2%～6%。
进一步地，所述PDMC分子量范围为500~1000万。
本发明还提供了了上述第一种耐高温强酸性黏弹性流体的制备方法，按照配方量，将二十二烷基三甲基氯化铵溶解于盐酸溶液中，置于50oC及以上温度下搅拌至完全溶解，得到强酸性黏弹性流体。
本发明还提供了上述第二种耐高温强酸性黏弹性流体的制备方法，按照配方量，将二十二烷基三甲基氯化铵与PDMC溶解于盐酸溶液中，置于50oC及以上温度并搅拌至完全溶解，得到强酸性黏弹性流体。
本发明还提供了上述两种耐高温强酸性黏弹性流体在油气田开采中的应用。优选地，所述应用包括但不限于钻井液、减阻剂、清洁压裂液、驱油剂等。
本发明还提供了二十二烷基三甲基氯化铵在油气田开采中的应用。
进一步地，所述应用是在制备基于黏弹性表面活性剂的自转向酸体系中的应用。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
1.本发明所述黏弹性流体中二十二烷基三甲基氯化铵具有良好的热稳定性，满足其在高温环境下的工作要求，而且具有很好的表面活性，临界胶束浓度仅为
，在较低用量下即可获得良好的增黏能力，有利于降低成本。
2.本发明所述述黏弹性流体中二十二烷基三甲基氯化铵由于其分子结构简单，无不稳定基团，因此在高温强酸环境下能够保持稳定，仍然具有一定的增黏能力，且耐温性达到150oC，满足实际高温应用环境需求。
2.本发明所述黏弹性流体通过添加少量的聚合物增稠剂不仅可以提升体系的流动性，改善现场施工性能，减少现场应用困难，还能够改善其增黏性能。
3. 本发明所述黏弹性流体各组分均为商业化商品，组分简单容易获得，使用量低，成本低廉，适用于大规模生产应用。
附图说明
图1为实施例1二十二烷基三甲基氯化铵热失重曲线；
图2为实施例2制备的溶液的冷冻透射电镜观察照片；
图3为实施例3制备的溶液的冷冻透射电镜观察照片；
图4为二十二烷基三甲基氯化铵以质量浓度3%溶于20%盐酸溶液所得流体的流变行为；
图5为二十二烷基三甲基氯化铵以质量浓度4.5%溶于20%盐酸溶液所得流体的流变行为；
图6为质量浓度为3% 二十二烷基三甲基氯化铵和质量浓度为1% 的PDMC在20%盐酸溶液中室温下的照片；
图7为质量浓度3% 二十二烷基三甲基氯化铵和3% PDMC溶于20%盐酸溶液所得流体的流变行为；
图8为质量浓度3% 二十二烷基三甲基氯化铵和1% PDMC溶于20%盐酸溶液所得流体的流变行为；
图9为质量浓度2.5% 二十二烷基三甲基氯化铵和0.5% PDMC溶于20%盐酸溶液所得流体的流变行为；
图10为质量浓度2% 二十二烷基三甲基氯化铵和2% PDMC溶于20%盐酸溶液所得流体的流变行为；
图11为质量浓度2% 二十二烷基三甲基氯化铵和1% PDMC溶于20%盐酸溶液所得流体的流变行为。
具体实施方式
下面通过实施例对本发明做进一步说明。有必要指出，以下实施例只用于对本发明作进一步说明，不能理解为对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员根据上述发明内容，对本发明做出一些非本质的改进和调整进行具体实施，仍属于发明保护的范围。
以下实施例中，配方各组分均来自市售。
实施例1
对二十二烷基三甲基氯化铵进行热稳定性进行测试，二十二烷基三甲基氯化铵为商化品产品。
热失重分析见图1。
由图1可知，随着温度逐渐升高，二十二烷基三甲基氯化铵略有失重，当升温到250℃左右时，开始明显失重，说明此时二十二烷基三甲基氯化铵分子开始发生分解。由此可知，二十二烷基三甲基氯化铵具有较好的热稳定性，分子结构本身满足在250℃以内高温环境不分解的要求。
实施例 2
本实施例所述耐高温强酸性黏弹性流体由二十二烷基三甲基氯化铵和盐酸组成，其中二十二烷基三甲基氯化铵的质量百分比为1.2%，余量为盐酸，所述盐酸中HCl的质量浓度为10%。
制备方法：
按照所示组分及相应配比，将二十二烷基三甲基氯化铵溶于10%盐酸溶液中，升温至70oC并搅拌至完全溶解。使用冷冻透射电镜对上述溶液进行观察。结果如附图2所示，可以看到溶液中形成了蠕虫状胶束。
实施例3
本实施例所述耐高温强酸性黏弹性流体由二十二烷基三甲基氯化铵和盐酸组成，其中二十二烷基三甲基氯化铵的质量百分比为1.2%，余量为盐酸，所述盐酸中HCl的质量浓度为20%。
制备方法：
按照所示组分及相应配比，按照所示组分及相应质量，将二十二烷基三甲基氯化铵溶于20%的盐酸溶液中，升温至70oC并搅拌至完全溶解。使用冷冻透射电镜对上述溶液进行观察。结果如附图3所示，可以看到溶液中形成了大量的蠕虫状胶束，并相互缠绕形成了三维网络结构。表明盐酸浓度越高，越容易形成三维网络结构，赋予流体优异的黏弹性。
实施例4
本实施例所述耐高温强酸性黏弹性流体由二十二烷基三甲基氯化铵和盐酸组成，其中二十二烷基三甲基氯化铵的质量百分比为4.5%，余量为盐酸，所述盐酸中HCl的质量浓度为20%。
制备方法：
按照所示组分及相应配比，将二十二烷基三甲基氯化铵溶于质量浓度为20%的盐酸溶液中，升温至70oC并搅拌至完全溶解。使用冷冻透射电镜对上述溶液进行观察，可以看到溶液中形成了大量的蠕虫状胶束，并相互缠绕形成了三维网络结构。
实施例5
本实施例所述耐高温强酸性黏弹性流体由二十二烷基三甲基氯化铵和盐酸组成，其中二十二烷基三甲基氯化铵的质量百分比为3.75%，余量为盐酸，所述盐酸中HCl的质量浓度为20%。
制备方法：
按照所示组分及相应质量配比，将二十二烷基三甲基氯化铵溶于质量浓度为20%的盐酸溶液中，升温至70oC并搅拌至完全溶解。使用冷冻透射电镜对上述溶液进行观察，可以看到溶液中形成了大量的蠕虫状胶束，并相互缠绕形成了三维网络结构。
实施例6
本实施例所述耐高温强酸性黏弹性流体由二十二烷基三甲基氯化铵和盐酸组成，其中二十二烷基三甲基氯化铵的质量百分比为3%，余量为盐酸，所述盐酸中HCl的质量浓度为20%。
制备方法：
按照所示组分及相应质量配比，将二十二烷基三甲基氯化铵溶于质量浓度为20%的盐酸溶液中，升温至70oC并搅拌至完全溶解。使用冷冻透射电镜对上述溶液进行观察，可以看到溶液中形成了大量的蠕虫状胶束，并相互缠绕形成了三维网络结构。
按照所示组分及相应质量，将二十二烷基三甲基氯化铵溶于设定浓度的盐酸溶液中，升温至70oC并搅拌至完全溶解。使用冷冻透射电镜对上述溶液进行观察，可以看到溶液中形成了大量的蠕虫状胶束，并相互缠绕形成了三维网络结构。
实施例7
本实施例所述耐高温强酸性黏弹性流体由二十二烷基三甲基氯化铵和盐酸组成，其中二十二烷基三甲基氯化铵的质量百分比为3%， PDMC的质量百分比为3%，余量为盐酸，所述盐酸中HCl的质量浓度为20%。
制备方法：
按照所示组分及相应质量配比，将二十二烷基三甲基氯化铵和PDMC，溶于质量浓度为20%的盐酸溶液中，升温至70oC并搅拌至完全溶解。
实施例8
本实施例所述耐高温强酸性黏弹性流体由二十二烷基三甲基氯化铵和盐酸组成，其中二十二烷基三甲基氯化铵的质量百分比为3%， PDMC的质量百分比为1%，余量为盐酸，所述盐酸中HCl的质量浓度为20%。
制备方法：
按照所示组分及相应质量配比，将二十二烷基三甲基氯化铵和PDMC，溶于质量浓度为20%的盐酸溶液中，升温至70oC并搅拌至完全溶解。
实施例9
本实施例所述耐高温强酸性黏弹性流体由二十二烷基三甲基氯化铵和盐酸组成，其中二十二烷基三甲基氯化铵的质量百分比为2.5%， PDMC的质量百分比为0.5%，余量为盐酸，所述盐酸中HCl的质量浓度为20%。
制备方法：
按照所示组分及相应质量配比，将二十二烷基三甲基氯化铵和PDMC，溶于质量浓度为20%的盐酸溶液中，升温至70oC并搅拌至完全溶解。
实施例10
本实施例所述耐高温强酸性黏弹性流体由二十二烷基三甲基氯化铵和盐酸组成，其中二十二烷基三甲基氯化铵的质量百分比为2%， PDMC的质量百分比为2%，余量为盐酸，所述盐酸中HCl的质量浓度为20%。
制备方法：
按照所示组分及相应质量配比，将二十二烷基三甲基氯化铵和PDMC，溶于质量浓度为20%的盐酸溶液中，升温至70oC并搅拌至完全溶解。
实施例11
本实施例所述耐高温强酸性黏弹性流体由二十二烷基三甲基氯化铵和盐酸组成，其中二十二烷基三甲基氯化铵的质量百分比为2%， PDMC的质量百分比为1%，余量为盐酸，所述盐酸中HCl的质量浓度为20%。
制备方法：
按照所示组分及相应质量配比，将二十二烷基三甲基氯化铵和PDMC，溶于质量浓度为20%的盐酸溶液中，升温至70oC并搅拌至完全溶解。
应用例1
考察表面活性剂黏弹性流体的流变性能。
将二十二烷基三甲基氯化铵以在所得黏弹性流体中的质量浓度为3.0%和4.5%，分别溶解于质量浓度为20%盐酸溶液中，充分搅拌后，再置于70℃中，使表面活性剂充分溶解，得到不同表面活性剂浓度的黏弹性流体。用流变仪对所得三种黏弹性流体的流变性能进行测试，测试条件：剪切速率，170s–1；温度从70℃以
的速率升温到150℃，再保持60min。使用HAAKE流变仪及其耐腐蚀PZ39转子进行测试。
测试结果如图４和图5所示。由图可知，随着温度增加，三种不同浓度溶液的黏度都表现为先升高再降低。表明随着温度增加，蠕虫状胶束进一步增长并更好的相互缠绕，导致动态网络更加紧密，在宏观上表现为黏度上升。但当温度升高到110℃以后，形成的蠕虫状胶束逐渐发生断裂，因此导致黏度降低。升温到150℃，并继续保持60min后，三个体系的黏度都超过了
，表明都具有较好的耐温抗剪切性能。
将测试后的液体取出，发现在温度高于60℃时，液体呈无色透明状，冷却后逐渐变浑浊，呈均匀的混合物液体，再次加热后又可得到无色透明状的液体，表明二十二烷基三甲基氯化铵在强酸环境下经过高温后分子结构没有发生变化，即具有优异的耐温耐酸性能。
应用例2
考察表面活性剂/聚合物复合物流体的流变性能。
二十二烷基三甲基氯化铵在室温下不能完全溶解于水中，而只能形成均匀的分散液，且流动性较差，对现场施工应用有一定的困难。将二十二烷基三甲基氯化铵溶解于一定浓度的聚合物溶液中，可显著增强其流动性，有效解决在现场施工中遇到的困难。
将一定浓度的PDMC（分子量为600w）溶于20%的盐酸溶液中，制备得均匀透明的溶液。再将一定量的二十二烷基三甲基氯化铵加入并在70℃溶解形成均匀的溶液。溶液冷却后二十二烷基三甲基氯化铵逐渐析出，但均匀地分散在聚合物溶液中，不分相，得到流动性很好的混合流体。如图6所示，即使仅加入0.5% PDMC也能够明显提高混合液体的流动性。
对实施例7-11制备的黏弹性流体进行流变性能测试，同时以相同二十二烷基三甲基氯化铵浓度，不含PDMC的黏弹性流体的流变性能相对比。测试条件：剪切速率，170s–1；温度从70℃以
的速率升温到150℃，再保持60min。使用HAAKE流变仪及其耐腐蚀PZ39转子进行测试。
测试结果见图7-11。由图可知，混合流变动的流变曲线与二十二烷基三甲基氯化铵盐酸溶液的流变曲线很类似。随着温度升高，流体黏度先增加，再降低，降低到最低黏度后，随着温度的稳定，黏度又逐渐回升。二十二烷基三甲基氯化铵浓度和PDMC浓度越高，最终稳定后的黏度越大。质量分数为2%的二十二烷基三甲基氯化铵和1%的PDMC的混合流体的最终黏度约为
，超过3%的二十二烷基三甲基氯化铵溶液的最终黏度（
），说明聚合物增稠剂的加入不仅改善了二十二烷基三甲基氯化铵体系的流动性，还能够改善其增黏性能，提升了其耐高温性。因此，在实际应用可以向二十二烷基三甲基氯化铵体系中加入少量的聚合物增稠剂，在增强性能的同时，减少现场应用困难。
Claims (10)
1.一种耐高温的强酸性黏弹性流体，其特征在于，包含二十二烷基三甲基氯化铵和盐酸，其中二十二烷基三甲基氯化铵的质量百分比为1%~10%，余量为盐酸。
2.根据权利要求1所述耐高温的强酸性黏弹性流体，其特征在于，所述盐酸中HCl的质量浓度为5%~28%。
3.一种耐高温的强酸性黏弹性流体，其特征在于包含二十二烷基三甲基氯化铵、聚甲基丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵和盐酸，其中二十二烷基三甲基氯化铵的质量百分比为1%~10%，聚甲基丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵的质量百分比为0.5%~3%，余量为盐酸。
4.根据权利要求3所述耐高温的强酸性黏弹性流体，其特征在于，所述盐酸中HCl的质量浓度为5%~28%。
5.根据权利要求4所述耐高温的强酸性黏弹性流体，其特征在于，所述二十二烷基三甲基氯化铵与聚甲基丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵的总质量含量不低于2%，优选为2%～6%。
6.根据权利要求4所述耐高温的强酸性黏弹性流体，其特征在于，所述聚甲基丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵分子量范围为500~1000万。
7.权利要求1所述耐高温强酸性黏弹性流体的制备方法，其特征在于，按照配方量，将二十二烷基三甲基氯化铵溶解于盐酸溶液中，置于50oC及以上温度下搅拌至完全溶解，得到强酸性黏弹性流体。
8.权利要求3所述耐高温强酸性黏弹性流体的制备方法，其特征在于，按照配方量，将二十二烷基三甲基氯化铵与聚甲基丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵溶解于盐酸溶液中，置于50oC及以上温度并搅拌至完全溶解，得到强酸性黏弹性流体。
9.权利要求1或3所述耐高温强酸性黏弹性流体在油气田开采中的应用。
10.二十二烷基三甲基氯化铵在油气田开采中的应用。
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