CN115746815B - 基于阴阳离子对作用的表活剂组合物及其在钻完井中的应用 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种基于阴阳离子对作用的表面活性剂组合物及其在钻完井液中作为防水锁剂的应用。由结构相似的阴离子表面活性剂、阳离子表面活性剂、两性离子表面活性剂以及低碳醇和水组成，且阴离子表面活性剂、阳离子表面活性剂和两性离子表面活性剂是由相同的前驱体制备而成。本发明利用阴阳离子对表面活性剂的强表面活性，具有较低的表面张力性能和抗盐特性，在亲水中的表面张力最低达到17.6mN/m，在模拟盐水（含25%NaCl+5000ppmCa2+）中表面张力最低达到21.1 mN/m，相对原始岩心，其渗透率的恢复值能达到90%以上。
Description
技术领域
本发明涉及一种基于阴阳离子对作用的表活剂组合物及其在钻完井中的应用。
背景技术
水锁伤害是低渗油气藏、致密油气藏、页岩油气藏的主要伤害因素，损害率一般在70％～90％，可导致气井产量降至原来的1/3以下。如果对此类油藏实施油层保护，油井产量可提高10％～300％。
影响水锁损害的主要因素为毛细管力和液相滞留，毛管半径越小，排液时间越长，水锁损害越严重。毛细管阻力等于毛细管弯液面两侧的非润湿相压力和润湿相压力的差值，由毛细管压力计算公式P=2σcosθ/r可知，毛细管力和表面张力成正比，在毛管半径和驱替压差保持不变的前提下，减小表面张力可有效缩短排液时间和减小毛细管力，可有效预防和减轻水锁损害。在修井液中加入防水锁剂可以加快排液速率，降低滞留液相界面张力，从而达到预防和解除水锁损害的目的。
目前现场使用的防水锁措施主要有加入短链醇或表活剂，由于短链醇闪点低，现场使用浓度高，造成现场作业安全性差。使用表活剂防水锁成为当前研究的重点，为了达到低表面张力的性能，往往需要对不同种类的表面活性剂进行符合使用。
阴阳离子对表活剂复合物是目前研究的热点之一，一方面基于阴阳离子对的强的相互作用，使其具有较高的表面活性，而且阴离子表活剂和阳离子表活剂的结构越接近，其活性越高；另一方面，由于其阴阳离子对的强的相互作用，其又具有不稳定性，容易发生沉淀或絮凝，影响实际使用效果。
本发明提供一种基于阴阳离子对作用的表活剂组合物，一方面在复配体系由阴离子表活剂和阳离子表活剂复配的基础上，引入了两性离子表活剂，避免阴离子表活剂和阳离子表活剂直接的强离子对作用引起的沉淀等问题；另一方面，本发明提供的阴离子表活剂、阳离子表活剂以及两性离子表活剂是由相同的前驱体改性制备而成，其结构的类似性有助于其高表面活性的发挥。
发明内容
本发明一方面要解决阴离子表活剂和阳离子表活剂直接的强离子对作用引起的沉淀等问题；另一方面是要进一步提高阴阳离子对组合物的表面活性。 首先是通过在体系中引入了两性离子表活剂，避免阴离子表活剂和阳离子表活剂直接的强离子对作用引起的沉淀等问题；其次是用相同的前驱体改性制备阴离子表活剂、阳离子表活剂以及两性离子表活剂，使体系中全部组分具有类似的结构，有助于提高其表面活性。
为实现上述目的，本发明所采取的技术方案为：一种基于阴阳离子对作用的表面活性剂组合物，其特征在于：该表面活性剂组合物是由结构相似的阴离子表面活性剂、阳离子表面活性剂、两性离子表面活性剂以及低碳醇和水组成，且阴离子表面活性剂、阳离子表面活性剂和两性离子表面活性剂是由相同的前驱体制备而成；所述的前驱体的结构式为：
其中R1选自C8-C14的烷基、烯基中的至少一种；R2为C2或C3的一种，n为2-15。
所述表面活性剂组合物各组成部分的质量百分比如下：阴离子表面活性剂1%-15%、阳离子表面活性剂1%-15%、两性离子表面活性剂10%-30%、低碳醇5-20%，其余为水。
所述的阴离子表面活性剂是由前驱体经羧化反应制得，其结构式为：
其中R1选自C8-C14的烷基、烯基中的至少一种；R2为C2或C3的一种，n为2-15；
所述的阳离子表活剂制备工艺如下：前驱体在镍系催化剂作用下，与氢气和二甲胺经过高温高压临氢胺化制得中间体，中间体的结构为：
其中R1选自C8-C14的烷基、烯基中的至少一种；R2为C2或C3的一种，n为2-15；
再将中间体进行季胺化反应制得阳离子表活剂，其结构式为：
其中R1选自C8-C14的烷基、烯基中的至少一种；R2为C2或C3的一种，R3为甲基或苄基的一种；n为2-15；X为卤素。
所述的两性离子表活剂制备工艺如下：前驱体在镍系催化剂作用下，与氢气和二甲胺经过高温高压临氢胺化制得中间体，中间体的结构为：
其中R1选自C8-C14的烷基、烯基中的至少一种；R2为C2或C3的一种，n为2-15；
再将中间体进行季胺化反应制得阳离子表活剂，其结构式为：
其中R1选自C8-C14的烷基、烯基中的至少一种；R2为C2或C3的一种，R3为甲基或苄基的一种；n为2-15；X为卤素；
再将制得的阳离子表活剂磺化反应制得两性离子表活剂，其结构式为：
其中R1选自C8-C14的烷基、烯基中的至少一种；R2为C2或C3的一种，R3为甲基或苄基的一种；n为2-15；X为卤素。
所述的低碳醇为甲醇、乙醇、异丙醇、正丁醇。
本发明提供的表活剂组合物可用作油田钻井液、完井液中的防水锁剂。
本发明提供的组合物具有较低的表面张力性能和抗盐特性，在亲水中的表面张力最低达到17.6mN/m，在模拟盐水（含25% NaCl+5000ppmCa2+）中表面张力最低达到21.1 mN/m，相对原始岩心，其渗透率的恢复值能达到90%以上。
具体实施方式
实施例1
（1）选用前驱体的结构式为：
其中R1选自C12的烷基；R2为C3的烷基；n为8。
（2）将前驱体进行羧化反应，得到阴离子表面活性剂，其结构为：
其中R1选自C12的烷基；R2为C3的烷基；n为8。
（3）将前驱体进行临氢胺化和季胺化反应，得到阳离子表面活性剂，其结构为：
其中R1选自C12的烷基；R2为C3的烷基； R3为甲基；n为8；X为Cl。
（4）将阳离子表活剂进行磺化反应，得到两性离子表面活性剂，其结构为：
其中R1选自C12的烷基；R2为C3的烷基； R3为甲基；n为8；X为Cl。
（5）按照10%阴离子表活剂、10%阳离子表活剂、20%两性离子表活剂和10%正丁醇，其余为水配制，制得表面活性剂组合物。
实施例2
（1）选用前驱体的结构式为：
其中R1选自C8的烷基；R2为C2的烷基；n为15。
（2）将前驱体进行羧化反应，得到阴离子表面活性剂，其结构为：
其中R1选自C8的烷基；R2为C2的烷基；n为15。
（3）将前驱体进行临氢胺化和季胺化反应，得到阳离子表面活性剂，其结构为：
其中R1选自C8的烷基；R2为C2的烷基； R3为苄基；n为15；X为Cl。
（4）将阳离子表活剂进行磺化反应，得到两性离子表面活性剂，其结构为：
其中R1选自C8的烷基；R2为C2的烷基； R3为苄基；n为15；X为Cl。
（5）按照1%阴离子表活剂、15%阳离子表活剂、30%两性离子表活剂和20%异丙醇，其余为水配制，制得表面活性剂组合物。
实施例3
（1）选用前驱体的结构式为：
其中R1选自C14的烷基；R2为C3的烷基；n为2。
（2）将前驱体进行羧化反应，得到阴离子表面活性剂，其结构为：
其中R1选自C14的烷基；R2为C3的烷基；n为2。
（3）将前驱体进行临氢胺化和季胺化反应，得到阳离子表面活性剂，其结构为：
其中R1选自C14的烷基；R2为C3的烷基； R3为甲基；n为2；X为Br。
（4）将阳离子表活剂进行磺化反应，得到两性离子表面活性剂，其结构为：
其中R1选自C14的烷基；R2为C3的烷基； R3为甲基；n为2；X为Br。
（5）按照15%阴离子表活剂、1%阳离子表活剂、30%两性离子表活剂和20%乙醇，其余为水配制，制得表面活性剂组合物。
实施例4
（1）选用前驱体的结构式为：
其中R1选自C10的烷基；R2为C3的烷基；n为6。
（2）将前驱体进行羧化反应，得到阴离子表面活性剂，其结构为：
其中R1选自C10的烷基；R2为C3的烷基；n为6。
（3）将前驱体进行临氢胺化和季胺化反应，得到阳离子表面活性剂，其结构为：
其中R1选自C10的烷基；R2为C3的烷基； R3为甲基；n为6；X为Cl。
（4）将阳离子表活剂进行磺化反应，得到两性离子表面活性剂，其结构为：
其中R1选自C10的烷基；R2为C3的烷基； R3为甲基；n为6；X为Cl。
（5）按照5%阴离子表活剂、5%阳离子表活剂、10%两性离子表活剂和5%甲醇，其余为水配制，制得表面活性剂组合物。
实施例5
（1）选用前驱体的结构式为：
其中R1选自C9的烷基；R2为C2的烷基；n为12。
（2）将前驱体进行羧化反应，得到阴离子表面活性剂，其结构为：
其中R1选自C9的烷基；R2为C2的烷基；n为12。
（3）将前驱体进行临氢胺化和季胺化反应，得到阳离子表面活性剂，其结构为：
其中R1选自C9的烷基；R2为C2的烷基； R3为甲基；n为12；X为Cl。
（4）将阳离子表活剂进行磺化反应，得到两性离子表面活性剂，其结构为：
其中R1选自C9的烷基；R2为C2的烷基； R3为甲基；n为12；X为Cl。
（5）按照8%阴离子表活剂、15%阳离子表活剂、25%两性离子表活剂和15%乙醇，其余为水配制，制得表面活性剂组合物。
实施例6
（1）选用前驱体的结构式为：
其中R1选自C11的烷基；R2为C2的烷基；n为10。
（2）将前驱体进行羧化反应，得到阴离子表面活性剂，其结构为：
其中R1选自C11的烷基；R2为C2的烷基；n为10。
（3）将前驱体进行临氢胺化和季胺化反应，得到阳离子表面活性剂，其结构为：
其中R1选自C11的烷基；R2为C2的烷基； R3为甲基；n为10；X为Cl。
（4）将阳离子表活剂进行磺化反应，得到两性离子表面活性剂，其结构为：
其中R1选自C11的烷基；R2为C2的烷基； R3为甲基；n为10；X为Cl。
（5）按照3%阴离子表活剂、12%阳离子表活剂、15%两性离子表活剂和10%正丁醇，其余为水配制，制得表面活性剂组合物。
实施例7
（1）选用前驱体的结构式为：
其中R1选自C13的烷基；R2为C3的烷基；n为4。
（2）将前驱体进行羧化反应，得到阴离子表面活性剂，其结构为：
其中R1选自C13的烷基；R2为C3的烷基；n为4。
（3）将前驱体进行临氢胺化和季胺化反应，得到阳离子表面活性剂，其结构为：
其中R1选自C13的烷基；R2为C3的烷基； R3为甲基；n为4；X为Cl。
（4）将阳离子表活剂进行磺化反应，得到两性离子表面活性剂，其结构为：
其中R1选自C13的烷基；R2为C3的烷基； R3为甲基；n为4；X为Cl。
（5）按照12%阴离子表活剂、3%阳离子表活剂、20%两性离子表活剂和15%异丙醇，其余为水配制，制得表面活性剂组合物。
比较例1
将实施例1制得的表面活性剂组合物中两性离子表活剂去除。
比较例2
将实施例3制得的表面活性剂组合物中两性离子表活剂去除。
比较例3
用常规的阴离子表活剂十二烷基苯环酸钠代替实施例6中制得的阴离子表面活性剂，制得表面活性剂组合物。
比较例4
用常规的阳离子表活剂十六烷基三甲基氯化铵代替实施例6中制得的阳离子表面活性剂，制得表面活性剂组合物。
测试例1
本测试例将上述实施例1-7制得的基于阴阳离子对作用的表面活性剂组合物以及对比例1-4中的样品在清水和模拟盐水（含25% NaCl+5000ppmCa2+）中进行表面张力测试。
表面张力测试：采用TX500C旋转滴表界面张力仪测试，测试条件为：温度25℃，样品剂浓度0.05%。
测试结果如表1所示。从结果可以看出，无论是在清水溶液中，还是在模拟盐水（含25% NaCl+5000ppmCa2+）溶液中，实施例1-7的表面活性剂组合物在极低的浓度下（0.05%）具有较好的表面张力，说明其具有较高的表面活性和抗盐性能，通过与对比例对比发现，两性离子表活剂的引入有利于整个体系的稳定，可以避免沉淀或絮凝物的出现；结构相近的阴阳离子对表活剂的表面活性明显高于常规的阴阳离子对表活剂。
表1 实施例及对比例样品表面张力性能测试结果
测试例2
本测试例将上述实施例1-7制得的基于阴阳离子对作用的表面活性剂组合物以及对比例1-4中的样品进行岩心渗透率恢复性能测试。
岩心渗透率恢复性能测试：采用岩心流动试验对比测试工作液以及加入表面活性剂组合物后岩心渗透率恢复值。
测试结果如表2所示。从结果可以看出：本发明实施例提供的样品具有较好的恢复岩心渗透率的性能。
表2 实施例及对比例样品对岩心渗透率恢复性能测试结果
Claims (6)
1.一种基于阴阳离子对作用的表面活性剂组合物，其特征在于：该表面活性剂组合物是由结构相似的阴离子表面活性剂、阳离子表面活性剂、两性离子表面活性剂以及低碳醇和水组成，且阴离子表面活性剂、阳离子表面活性剂和两性离子表面活性剂是由相同的前驱体制备而成；
所述前驱体的结构式为：
，
所述阴离子表面活性剂的结构式为：
，
所述阳离子表面活性剂的结构式为：
，
所述两性离子表面活性剂的结构式为：
，
其中R1为C8-C14烷基、烯基中的至少一种；R2为C2或C3烷基中的一种，R3为甲基或苄基中的一种，n为2-15， X为卤素；
所述表面活性剂组合物各组成部分的质量百分比如下：
阴离子表面活性剂 1%-15%
阳离子表面活性剂 1%-15%
两性离子表面活性剂 10%-30%
低碳醇 5-20%
其余为水。
2.如权利要求1所述的表面活性剂组合物，其特征在于：所述阴离子表面活性剂是由前驱体经羧化反应制得。
3.如权利要求1所述的表面活性剂组合物，其特征在于：所述阳离子表面活性剂的制备工艺如下：前驱体在镍系催化剂作用下，与氢气和二甲胺经过高温高压临氢胺化制得中间体，中间体的结构为：，
其中R1为C8-C14烷基、烯基中的至少一种；R2为C2或C3烷基中的一种，n为2-15，再将中间体进行季胺化反应制得阳离子表面活性剂。
4.如权利要求1所述的表面活性剂组合物，其特征在于：所述两性离子表面活性剂制备工艺如下：前驱体在镍系催化剂作用下，与氢气和二甲胺经过高温高压临氢胺化制得中间体，中间体的结构为：，
其中R1为C8-C14烷基、烯基中的至少一种；R2为C2或C3烷基中的一种，n为2-15；
再将中间体进行季胺化反应制得阳离子表面活性剂，其结构式为：，
其中R1为C8-C14烷基、烯基中的至少一种；R2为C2或C3烷基中的一种，R3为甲基或苄基中的一种；n为2-15；X为卤素；
再将制得的阳离子表面活性剂磺化反应制得两性离子表面活性剂。
5.如权利要求1或2所述的表面活性剂组合物，其特征在于：所述低碳醇为甲醇、乙醇、异丙醇、正丁醇。
6.一种基于阴阳离子对作用的表面活性剂组合物在钻完井中的应用，将权利要求1-5中任一项所述表面活性剂组合物用作油田钻井液、完井液中的防水锁剂。
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