CN115895609A - 基于超分子自组装的强耐温抗盐蠕虫状胶束体系及其制备方法和应用 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了基于超分子自组装的强耐温抗盐蠕虫状胶束体系及其制备方法和应用，包括的组分及各组分的质量百分比如下：阳离子表面活性剂0.5%~10.0%，水溶性无机盐2.0%~20.0%，余量为水；所述阳离子表面活性剂二十二烷基三甲基氯化铵、二十二烷基三甲基溴化铵、二十二烷基三甲基碘化铵中的至少一种；所述水溶性无机盐为氯化钠、氯化镁和氯化钙中的至少一种。本发明所述蠕虫状胶束体系具有优异的耐温抗盐性能，耐盐达20wt%以上，耐温达到140oC，能够更好地在高温高盐油气藏开发领域中应用，所述应用包括但不限于用于钻井液、减阻剂、清洁压裂液、驱油剂等。同时组分的选择降低了成本，简便制备和使用。
Description
技术领域
本发明属于油气藏开发领域，具体涉及一种强耐温抗盐蠕虫状胶束体系、制备及应用。
背景技术
具有特定结构的表面活性剂溶于水中在一定条件下能够经自组装由球形胶束沿非轴向一维增长形成长度达数微米直径为数纳米的蠕虫状胶束。随着浓度升高，蠕虫状胶束相互缠绕形成瞬时三维网络结构，赋予体系类似于高分子溶液的优异的黏弹性。由于构成胶束的表面活性剂分子与溶液中的表面活性剂分子处于动态平衡中，因此，蠕虫状胶束也被称为“平衡”聚合物或“活”聚合物。蠕虫状胶束溶液特殊的流变学特性使其在医药、日化、食品以及油气开采领域有着广阔的应用，引起了广泛关注，各类体系逐渐被开发与应用。
在油气开采领域中，水力压裂是提高油气井产能和油藏采收率的重要增产措施。水力压裂是指利用地面高压设备，通过油、气井筒向地层注入超过地层吸收能力的具有一定携砂能力的黏弹性流体（即压裂液），当地层压力超过破裂压力时就会产生具有一定导流能力的裂缝，当撤掉地面压力后，压裂液所携带的砂粒支撑裂缝，保证油、气流动通道，从而实现油气井增产目的。压裂液是决定压裂效果的关键。基于蠕虫状胶束的黏弹性流体在压裂过程中遇油会自动破胶，不产生残渣，对储层伤害小，且摩阻低，弹性高，携砂性能好，因此被广泛用作清洁压裂液。此外，基于蠕虫状胶束的黏弹性流体还广泛用作钻井液、减阻剂、驱油剂等应用于油气开采领域。
近年，随着油气开采不断向非常规区域推进，高含盐、高温油气藏越来越多。一方面，高含盐油气藏地层水以及海水的主要成分都是氯化钠，同时主要伴随氯化镁和氯化钙。因此，研制强耐氯化钠、氯化镁和氯化钙的蠕虫状胶束，不仅可以制备得到高耐盐的清洁压裂液或钻井液等，还可以直接使用地层水或海水或现场返排污水配制相关油气开采用化学助剂，简化施工程序，降低成本。另一方面，目前的蠕虫状胶束体系耐温性较差，大多数体系的黏度在温度高于90oC后即快速降低，耐温普遍低于100oC。总体上，目前亟需低成本的耐温或耐盐的蠕虫状胶束体系，尤其缺乏同时兼具耐温抗盐的蠕虫状胶束体系。
CN103351857A公开了一种耐盐蠕虫状胶束体系、其制备方法及其在驱油中用途。其主要组成为烷基磺基甜菜碱、烷基硫酸钠表面活性剂以及任选的助剂。使用矿化水的总矿化度为5000-20000mg/L，换算成质量浓度仅约为0.5-2%，且其使用温度仅为60oC，未涉及压裂液相关应用。CN113600095A公开了β-CD双子粘弹性表面活性剂及其制备方法和耐温抗盐清洁压裂液，其主要组成为β-CD双子粘弹性表面活性剂1-3%，反离子盐或无机盐3-6.4%，余量为水。其无机盐含量较低，无强耐盐性能。Schubert等人(Langmuir 2004, 20, 3564-3573)报道了一种不饱和超长链阳离子蠕虫状胶束体系，所用表面活性剂为顺-二十二碳-13-烯基-二羟乙基-甲基氯化铵，但当氯化钠含量为1200mM，换算成质量浓度为6.6%时，即现出相分离，导致不能使用。
综上所述，现有公开的耐盐蠕虫状胶束体系均存在所用表面活性剂结构特殊、合成复杂、成本高等问题，特别是存在无机盐含量低，在高盐含量下容易出现相分离或黏度大幅度降低，不具备耐极高盐含量和耐高温的问题。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供基于超分子自组装的强耐温抗盐蠕虫状胶束体系及其制备方法和应用，进一步提高蠕虫状胶束体系的耐盐耐温性，同时降低成本，简便制备和使用。
本发明提供的基于超分子自组装的强耐温抗盐蠕虫状胶束体系，包括的组分及各组分的质量百分比如下：
阳离子表面活性剂0.5%~10.0%，水溶性无机盐2.0%~20.0%，余量为水；
所述阳离子表面活性剂二十二烷基三甲基氯化铵、二十二烷基三甲基溴化铵、二十二烷基三甲基碘化铵中的至少一种。
进一步地，所述水溶性无机盐为氯化钠、或氯化镁和氯化钙中的至少一种。
进一步地，所述阳离子表面活性剂与水溶性无机盐中氯离子的摩尔比例为1：（10～140）。
本发明还提供了上述超分子自组装的强耐温抗盐蠕虫状胶束体系的制备方法，在室温下将阳离子表面活性剂、水溶性无机盐和水按配方量混合，在一定温度下搅拌至完全溶解。
本发明还提供了上述超分子自组装的强耐温抗盐蠕虫状胶束体系在油气藏开发领域中的应用。所述应用包括但不限于用于钻井液、减阻剂、清洁压裂液、驱油剂等。
本发明使用饱和超长链阳离子表面活性剂在盐水中自组装形成蠕虫状胶束，一方面，阳离子表面活性剂溶解性好，在高盐环境中不容易产生相分离，氯离子可以作为抗衡离子对阳离子表面活性剂头基的电荷进行屏蔽，诱导形成蠕虫状胶束，因此具有优异的耐盐性能。另一方面，阳离子表面活性剂的超长疏水尾链间会产生较强的超分子疏水作用，因此具有优异的耐高温特性。
本发明还提供了阳离子表面活性剂在油气藏开发领域中的应用，所述阳离子表面活性剂二十二烷基三甲基氯化铵、二十二烷基三甲基溴化铵、二十二烷基三甲基碘化铵中的至少一种。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。所述应用中，二十二烷基三甲基氯化铵与水溶剂无机盐复合自组装形成的黏弹性流体。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
1.本发明所述蠕虫状胶束体系组成简单，制备工艺简单，成本低，可大规模生产和使用。
2.本发明所述蠕虫状胶束体系所使用的表面活性剂为商业化产品，无需合成，可大规模生产和使用。
3.本发明所述蠕虫状胶束体系对盐的容纳能力好，耐盐达20wt%以上，适用于包括海水、地层水或现场污水，适用范围广；同时，可耐温高达140oC，在140oC时继续恒温剪切90min后，黏度稳定在22mPa‧s。
4.本发明所述蠕虫状胶束体系不含任何聚合物，遇油可快速破胶，且无残渣，对地层伤害小，可用作清洁压裂液、减阻剂、钻井液、驱油剂等油气开采用助剂。
5.本发明所述蠕虫状胶束体系的配方中，可通过改变表面活性剂含量、盐的含量，实现对压裂液流变性能的调节，以符合成本控制要求和不同温度范围的施工要求。
附图说明
图1为实施例1所得溶液冷冻透射电镜观察照片；
图2为施例2所得溶液冷冻透射电镜观察照片；
图3为实施例3中蠕虫状胶束流体的抗温抗剪切性能进行测试结果；
图4为实施例4中蠕虫状胶束流体的抗温抗剪切性能进行测试结果；
图5为实施例5中蠕虫状胶束流体的抗温抗剪切性能进行测试结果；
图6为实施例6中蠕虫状胶束流体的抗温抗剪切性能进行测试结果；
图7为实施例7中蠕虫状胶束流体的耐盐性能测试结果（a）和抗温抗剪切性能进行测试结果（b）；
图8为实施例8中蠕虫状胶束流体的抗温抗剪切性能进行测试结果；
图9为实施例9中蠕虫状胶束流体的抗温抗剪切性能进行测试结果；
图10为实施例13中蠕虫状胶束流体的抗温抗剪切性能进行测试结果；
图11为实施例14中蠕虫状胶束流体的抗温抗剪切性能进行测试结果；
以上附图中的曲线，三角形图例对应的曲线为黏度曲线，正方形图例对应的曲线为温度曲线。
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。
实施例1
本实施例中，所述基于超分子自组装的强耐温抗盐蠕虫状胶束体系中各组分及组分的质量百分比如下：
按照表1所示组分及相应质量，将二十二烷基三甲基氯化铵和氯化钠加入水中，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1所示，可以看到溶液中形成了大量的蠕虫状胶束及其三维网络结构。
实施例2
本实施例中，所述基于超分子自组装的强耐温抗盐蠕虫状胶束体系中各组分及组分的质量百分比如下：
按照表2所示组分及相应质量，将二十二烷基三甲基氯化铵和氯化钠加入水中，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大量的蠕虫状胶束及其三维网络结构。
实施例3
本实施例中，所述基于超分子自组装的强耐温抗盐蠕虫状胶束体系中各组分及组分的质量百分比如下：
制备方法：在室温下将配方设计量的二十二烷基三甲基氯化铵和氯化钠加入到水中，升温至55oC及以上温度并搅拌至完全溶解，即得到蠕虫状胶束流体。
利用旋转流变仪（Anton Paar, MCR 302）对所配制的蠕虫状胶束流体的抗温抗剪切性能进行测试。测试中，固定剪切速率为170s–1，监测流体的黏度随温度、时间的变化。测试从初始温度以3oC/min的升温速率，升温至120oC，再恒温剪切90min。
测试结果见附图3。由附图3可知，初始温度时流体黏度为106mPa‧s，随温度升高，流体黏度先略微升高，再逐渐降低。当升温到120oC时，体系黏度降低到42mPa‧s，继续恒温剪切90min后，黏度稳定在24mPa‧s。
实施例4
本实施例中，所述基于超分子自组装的强耐温抗盐蠕虫状胶束体系中各组分及组分的质量百分比如下：
制备方法：在室温下将配方设计量的二十二烷基三甲基氯化铵和氯化钠加入到水中，升温至55oC及以上温度并搅拌至完全溶解，即得到蠕虫状胶束流体。
利用旋转流变仪（Anton Paar, MCR 302）对所配制的蠕虫状胶束流体的抗温抗剪切性能进行测试。测试中，固定剪切速率为170s–1，监测流体的黏度随温度、时间的变化。测试从初始温度以3oC/min的升温速率，升温至120oC，再恒温剪切90min。
测试结果见附图4。由附图4可知，初始温度时流体黏度为340mPa‧s，随温度升高，流体黏度先略微升高，再逐渐降低。当升温到120oC时，体系黏度降低到56mPa‧s，继续恒温剪切90min后，黏度稳定在38mPa‧s。
实施例5
本实施例中，所述基于超分子自组装的强耐温抗盐蠕虫状胶束体系中各组分及组分的质量百分比如下：
制备方法：在室温下将配方设计量的二十二烷基三甲基氯化铵和氯化钠加入到水中，升温至55oC及以上温度并搅拌至完全溶解，即得到蠕虫状胶束流体。
利用旋转流变仪（Anton Paar, MCR 302）对所配制的蠕虫状胶束流体的抗温抗剪切性能进行测试。测试中，固定剪切速率为170s–1，监测流体的黏度随温度、时间的变化。测试从初始温度以3oC/min的升温速率，升温至120oC，再恒温剪切90min。
测试结果见附图5。由附图5可知，初始温度时流体黏度为610mPa‧s，随温度升高，流体黏度先略微升高，再逐渐降低。当升温到120oC时，体系黏度降低到78mPa‧s，继续恒温剪切90min后，黏度稳定在56mPa‧s。
实施例6
本实施例中，所述基于超分子自组装的强耐温抗盐蠕虫状胶束体系中各组分及组分的质量百分比如下：
制备方法：在室温下将配方设计量的二十二烷基三甲基氯化铵和氯化钠加入到水中，升温至55oC及以上温度并搅拌至完全溶解，即得到蠕虫状胶束流体。
利用旋转流变仪（Anton Paar, MCR 302）对所配制的蠕虫状胶束流体的抗温抗剪切性能进行测试。测试中，固定剪切速率为170s–1，监测流体的黏度随温度、时间的变化。测试从初始温度以3oC/min的升温速率，升温至120oC，再恒温剪切90min。
测试结果见附图6。由附图6可知，初始温度时流体黏度为233mPa‧s，随温度升高，流体黏度先略微升高，再逐渐降低。当升温到120oC时，体系黏度降低到70mPa‧s，继续恒温剪切90min后，黏度稳定在40mPa‧s。
实施例7
本实施例中，所述基于超分子自组装的强耐温抗盐蠕虫状胶束体系中各组分及组分的质量百分比如下：
制备方法：在室温下将配方设计量的二十二烷基三甲基氯化铵和氯化钠加入到水中，升温至55oC及以上温度并搅拌至完全溶解，即得到蠕虫状胶束流体。
利用旋转流变仪（Anton Paar, MCR 302）对所配制的蠕虫状胶束流体的抗温抗剪切性能进行测试。测试中，固定剪切速率为170s–1，监测流体的黏度随温度、时间的变化。测试从初始温度以3oC/min的升温速率，升温至90oC，再恒温剪切40min。
样品外观见附图7a。可以看到，在20%NaCl溶液样品外观呈现为澄清透明状，无盐析出，无沉淀产生，未发现有分层现象，说明在高浓度NaCl中可以很好地溶解。流变测试结果见附图7b。由图可知，初始温度时流体黏度为84mPa‧s，随温度升高，流体黏度先略微升高，再逐渐降低，当升温到90oC时，体系黏度变为100mPa‧s，继续恒温剪切40min后，黏度稳定在20mPa‧s。
实施例8
本实施例中，所述基于超分子自组装的强耐温抗盐蠕虫状胶束体系中各组分及组分的质量百分比如下：
制备方法：在室温下将配方设计量的二十二烷基三甲基氯化铵和氯化钠加入到水中，升温至55oC及以上温度并搅拌至完全溶解，即得到蠕虫状胶束流体。
利用旋转流变仪（Anton Paar, MCR 302）对所配制的蠕虫状胶束流体的抗温抗剪切性能进行测试。测试中，固定剪切速率为170s–1，监测流体的黏度随温度、时间的变化。测试从初始温度以3oC/min的升温速率，升温至120oC，再恒温剪切90min。
测试结果见附图8。由附图8可知，初始温度时流体黏度为280mPa‧s，随温度升高，流体黏度先略微升高，再逐渐降低。当升温到120oC时，体系黏度降低到104mPa‧s，继续恒温剪切90min后，黏度稳定在66mPa‧s。
实施例9
本实施例中，所述基于超分子自组装的强耐温抗盐蠕虫状胶束体系中各组分及组分的质量百分比如下：
制备方法：在室温下将配方设计量的二十二烷基三甲基氯化铵和氯化钠加入到水中，升温至55oC及以上温度并搅拌至完全溶解，即得到蠕虫状胶束流体。
利用旋转流变仪（Anton Paar, MCR 302）对所配制的蠕虫状胶束流体的抗温抗剪切性能进行测试。测试中，固定剪切速率为170s–1，监测流体的黏度随温度、时间的变化。测试从初始温度以3oC/min的升温速率，升温至130oC，再恒温剪切90min。
测试结果见附图9。由附图9可知，初始温度时流体黏度为365mPa‧s，随温度升高，流体黏度先降低，后升高，再逐渐降低。当升温到130oC时，体系黏度降低到44mPa‧s，继续恒温剪切90min后，黏度稳定在25mPa‧s。
实施例10
本实施例中，所述基于超分子自组装的强耐温抗盐蠕虫状胶束体系中各组分及组分的质量百分比如下：
实施例11
本实施例中，所述基于超分子自组装的强耐温抗盐蠕虫状胶束体系中各组分及组分的质量百分比如下：
制备方法：在室温下将配方设计量的二十二烷基三甲基氯化铵和氯化钠加入到水中，升温至55oC及以上温度并搅拌至完全溶解，即得到蠕虫状胶束流体。
实施例12
本实施例中，所述基于超分子自组装的强耐温抗盐蠕虫状胶束体系中各组分及组分的质量百分比如下：
制备方法：在室温下将配方设计量的二十二烷基三甲基氯化铵和氯化钠加入到水中，升温至55oC及以上温度并搅拌至完全溶解，即得到蠕虫状胶束流体。
实施例13
本实施例中，所述基于超分子自组装的强耐温抗盐蠕虫状胶束体系中各组分及组分的质量百分比如下：
制备方法：在室温下将配方设计量的二十二烷基三甲基氯化铵和氯化钙加入到水中，升温至60oC及以上温度并搅拌至完全溶解，即得到蠕虫状胶束流体。
利用旋转流变仪（Anton Paar, MCR 302）对所配制的蠕虫状胶束流体的抗温抗剪切性能进行测试。测试中，固定剪切速率为170s–1，监测流体的黏度随温度、时间的变化。测试从初始温度以3oC/min的升温速率，升温至140oC，再恒温剪切90min。
测试结果见附图10。由附图10可知，初始温度时流体黏度为390mPa‧s，随温度升高，流体黏度先略微升高，再逐渐降低。当升温到130oC时，体系黏度降低到78mPa‧s，继续恒温剪切90min后，黏度稳定在43mPa‧s。
实施例14
本实施例中，所述基于超分子自组装的强耐温抗盐蠕虫状胶束体系中各组分及组分的质量百分比如下：
制备方法：在室温下将配方设计量的二十二烷基三甲基氯化铵和氯化钙加入到水中，升温至60oC及以上温度并搅拌至完全溶解，即得到蠕虫状胶束流体。
利用旋转流变仪（Anton Paar, MCR 302）对所配制的蠕虫状胶束流体的抗温抗剪切性能进行测试。测试中，固定剪切速率为170s–1，监测流体的黏度随温度、时间的变化。测试从初始温度以3oC/min的升温速率，升温至140oC，再恒温剪切90min。
测试结果见附图11。由附图11可知，初始温度时流体黏度为620mPa‧s，随温度升高，流体黏度先略微升高，再逐渐降低。当升温到140oC时，体系黏度降低到48mPa‧s，继续恒温剪切90min后，黏度稳定在22mPa‧s。
Claims (9)
1.基于超分子自组装的强耐温抗盐蠕虫状胶束体系，其特征在于，包括的组分及各组分的质量百分比如下：
阳离子表面活性剂0.5%~10.0%，水溶性无机盐2.0%~20.0%，余量为水；
所述阳离子表面活性剂二十二烷基三甲基氯化铵、二十二烷基三甲基溴化铵、二十二烷基三甲基碘化铵中的至少一种。
2.根据权利要求1所述基于超分子自组装的强耐温抗盐蠕虫状胶束体系，其特征在于，所述水溶性无机盐为氯化钠、氯化镁和氯化钙中的至少一种。
3.根据权利要求3所述基于超分子自组装的强耐温抗盐蠕虫状胶束体系，其特征在于，所述阳离子表面活性剂与水溶性无机盐中氯离子的摩尔比例为1：（10～140）。
4.权利要求1所述基于超分子自组装的强耐温抗盐蠕虫状胶束体系的制备方法，其特征在于，在室温下将阳离子表面活性剂、水溶性无机盐和水按配方量混合，在一定温度下搅拌至完全溶解。
5.权利要求1所述基于超分子自组装的强耐温抗盐蠕虫状胶束体系在油气藏开发领域中的应用。
6.根据权利要求5所述应用，其特征在于，所述应用包括但不限于用于钻井液、减阻剂、清洁压裂液、驱油剂。
7.阳离子表面活性剂在油气藏开发领域中的应用，所述阳离子表面活性剂二十二烷基三甲基氯化铵、二十二烷基三甲基溴化铵、二十二烷基三甲基碘化铵中的至少一种。
8.根据权利要求7所述应用，其特征在于，所述应用包括但不限于钻井液、减阻剂、清洁压裂液、驱油剂。
9.根据权利要求8所述应用，其特征在于，所述应用中，二十二烷基三甲基氯化铵与水溶性无机盐复合自组装形成的黏弹性流体。
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