CN116640565A - 一种乳液型压裂液用稠化剂及其制备方法和应用 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及油田化学试剂技术领域，具体涉及一种乳液型压裂液用稠化剂及其制备方法和应用。使用特定原料制备高分子聚合物，并且配合纳米尺寸的纤维素组分，提高稠化剂增稠性能及耐剪切性能。各组分复配科学合理，稠化剂储存稳定性优异，无需现配现用，具有较好的使用便利性。加入吐温类组分作为增效剂，进一步提升试剂增稠效果，加快稠化剂溶解速度，减少配制压裂液所需时长。
Description
技术领域
本发明涉及油田化学试剂技术领域，具体涉及一种乳液型压裂液用稠化剂及其制备方法和应用。
背景技术
压裂作为一种改善低渗透油藏、为油田增产增注的主要技术，在各大油田具有广泛的应用。在压裂作业过程中使用的压裂液，需具有较高的粘度、较好的抗剪切性，因此，稠化剂是压力也的重要添加剂，具有提高压裂液粘度，降低滤失量，减小对岩心的伤害等作用。
传统的聚合物稠化剂主要为粉剂形式，使用时需充分溶胀后方可使用，然而此类稠化剂溶解速度慢，由此延长了施工作业时间，增加了压裂液配制成本，并且此类稠化剂还存在增稠性能不佳、抗剪切能力差等缺陷。
CN103484096A公开了一种用于水基压裂液稠化剂，由下列物质按重量份数组成：去离子水20～50份、2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸盐30～80份、丙烯酰胺15～25份、甲基丙烯酰胺5～10份、丙烯酸5～10份、络合剂0.1～1份、链转移剂0.1～1份和引发剂0.1～1份。该技术采用传统的单一聚合物体系增稠，增稠效果难以满足当今作业要求。
CN114479819A公开了一种稠化剂，其特征在于，以所述稠化剂的质量计，所述稠化剂包含：质量百分数为1％-2％的纳米SiO2；质量百分数为0.5％-1％的石墨烯；质量百分数为1％-2％的氟碳非离子表面活性剂；质量百分数为2％-4％的椰油酰胺甜菜碱；质量百分数为1％-2％的烯烃磺酸盐；余量为蒸馏水。该技术是为解决现有技术中压裂液破胶后粘度高、不具备促进渗吸采油的功能以及破胶后形成的絮状沉淀的技术问题，其并不能有效提高作业前压裂液的体系粘度。
CN115820238A公开了一种乳液型滑溜水压裂液可降解稠化剂，以重量份计，包括以下原料：甲苯二异氰酸酯60份-80份，马来酸酐40份-60份，丙烯酰胺5份-20份，2,2'-偶氮二异丁脒盐酸盐5份-15份，丙二醇二缩水甘油醚20份-40份，三氯化锆10份-20份，氯化石蜡5份-15份，十二烷基苯磺酸钠20份-40份，明胶42份-68份，氧化镁20份-40份，7号白油40份-60份，聚苯乙烯乳液15份-30份。根据该专利记载内容可知，该稠化剂增稠效果一般，并且组分体系组分复杂，制备过程较为繁琐，难以达到缩短施工时间，提升作业效率的效果。
基于此，有必要研发一种增稠性能优异，并且在剪切条件下具有良好粘度保持能力的乳液型压裂液用稠化剂。
发明内容
本发明的目的在于提供一种乳液型压裂液用稠化剂，改善现有稠化剂增稠效果不佳、不耐剪切等问题。
为实现上述目的，本发明采用下述技术方案：
一种乳液型压裂液用稠化剂，其特征在于，包括如下重量百分比的组分：高分子聚合物原料45%-60%、纳米纤维素5%-9%、乳化剂5%-8%、分散剂1%-3%、引发剂0.5%-2%、增效剂2%-4%，余量为去离子水；其中，所述高分子聚合物原料由2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸钠、丙烯酸、丙烯酰胺、双十八烷基二甲基氯化铵构成；所述乳化剂包括烷基乳化剂、醚基乳化剂、醇基乳化剂、酰胺基乳化剂、硅醇乳化剂中的一种或多种。
进一步地，所述2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸、丙烯酸、丙烯酰胺、双十八烷基二甲基氯化铵的质量比为15-20：5-8：55-60：15-20。
优选地，所述纳米纤维素与所述高分子聚合物原料质量比为（0.8-1）:（5-9）。
本发明中，所述乳化剂不包含吐温，且所述增效剂为吐温。优选地，所述引发剂为过硫酸钾、过硫酸铵或焦亚硫酸钠。
优选地，本发明稠化剂包含高分子聚合物原料50%-60%、纳米纤维素7%-9%、乳化剂6%-8%、分散剂2%-3%、引发剂1%-2%、增效剂2%-4%，余量为去离子水。
优选地，本发明稠化剂包含高分子聚合物原料55%-60%、纳米纤维素8%-9%、乳化剂7%-8%、分散剂2%-3%、引发剂1%-2%、增效剂2%-3%，余量为去离子水。
此外，本申请还提供一种所述的乳液型压裂液用稠化剂的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：将所述高分子聚合物原料与一定质量的去离子水混合均匀，加入纳米纤维素混合均匀得混合物A，再依次加入乳化剂、分散剂、引发剂、增效剂及剩余的去离子水，保温搅拌4-6h，静置降温，即得所述乳液型压裂液用稠化剂；其中，所述保温搅拌为水浴搅拌，水浴温度为50-60℃。
优选地，所述混合物A常温下粘度为2500-3000mPa.s。
根据本申请发明内容，纳米纤维素与吐温可复配用于提高乳液型压裂液用稠化剂性能，所述性能包括增稠性能及耐剪切性能。
本发明的有益效果：
使用特定原料制备高分子聚合物，配合纳米尺寸的纤维素组分，获得了优异的增稠性能及耐剪切性能，并且各组分复配科学合理，常温条件下储存6个月，稠化剂样品外观良好，无分层、无沉淀，在50℃条件下加速储存6个月，稳定性无明显劣化，稠化剂储存稳定性优异，无需现配现用，具有较好的使用便利性。此外，加入吐温类组分作为增效剂，利用其分子中羟基与体系中其他组分形成分子间氢键，进而形成空间位阻较大的分子团，进一步提升试剂增稠效果；吐温具有表面活性，在提升试剂增稠效果的同时还可促进其他组分润湿分散，加快稠化剂溶解速度，减少配制压裂液所需时长。
具体实施方式
下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。下面具体的实施方式对本发明作进一步的描述。
实施例1
一种乳液型压裂液用稠化剂，包括如下重量百分比的组分：高分子聚合物原料45%、纳米纤维素5%、烷基酚聚氧乙烯醚5%、丙酮1%、过硫酸钾0.5%、吐温-80 2%，余量为去离子水；其中，所述高分子聚合物原料由质量比为18：6：56：20的2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸钠、丙烯酸、丙烯酰胺、双十八烷基二甲基氯化铵构成；
该乳液型压裂液用稠化剂的制备方法包括如下步骤：将所述高分子聚合物原料与一定质量的去离子水混合均匀，加入纳米纤维素混合均匀得混合物A，再依次加入烷基酚聚氧乙烯醚、丙酮、过硫酸钾、吐温-80及剩余的去离子水，保温搅拌5h，静置降温，即得所述乳液型压裂液用稠化剂；其中，所述保温搅拌为水浴搅拌，水浴温度为60℃，且所述混合物A常温下粘度为2650mPa.s。
实施例2
一种乳液型压裂液用稠化剂，与实施例1区别在于，包括如下重量百分比的组分：高分子聚合物原料48%、纳米纤维素5%、烷基酚聚氧乙烯醚5%、丙酮1.5%、过硫酸钾0.8%、吐温-80 2%，余量为去离子水。
实施例3
一种乳液型压裂液用稠化剂，与实施例1区别在于，包括如下重量百分比的组分：高分子聚合物原料55%、纳米纤维素7%、烷基酚聚氧乙烯醚6%、丙酮2%、过硫酸钾1.4%、吐温-80 3%，余量为去离子水。
实施例4
一种乳液型压裂液用稠化剂，与实施例1区别在于，包括如下重量百分比的组分：高分子聚合物原料60%、纳米纤维素9%、烷基酚聚氧乙烯醚8%、丙酮3%、过硫酸钾2%、吐温-804%，余量为去离子水。
对比例1
一种乳液型压裂液用稠化剂，与实施例3区别在于，包括如下重量百分比的组分：高分子聚合物原料55%、烷基酚聚氧乙烯醚6%、丙酮2%、过硫酸钾1.4%、吐温-80 3%，余量为去离子水。
对比例2
一种乳液型压裂液用稠化剂，与实施例3区别在于，包括如下重量百分比的组分：高分子聚合物原料55%、纳米纤维素4%、烷基酚聚氧乙烯醚6%、丙酮2%、过硫酸钾1.4%、吐温-80 3%，余量为去离子水。
对比例3
一种乳液型压裂液用稠化剂，与实施例3区别在于，包括如下重量百分比的组分：高分子聚合物原料55%、纳米纤维素10%、烷基酚聚氧乙烯醚6%、丙酮2%、过硫酸钾1.4%、吐温-80 3%，余量为去离子水。
对比例4
一种乳液型压裂液用稠化剂，与实施例3区别在于，包括如下重量百分比的组分：纳米纤维素62%、烷基酚聚氧乙烯醚6%、丙酮2%、过硫酸钾1.4%、吐温-80 3%，余量为去离子水。
对比例5
一种乳液型压裂液用稠化剂，与实施例3区别在于，使用普通纤维素替代纳米纤维素。
对比例6
一种乳液型压裂液用稠化剂，与实施例3区别在于，不加入增效剂，余量用去离子水补足。
对比例7
一种乳液型压裂液用稠化剂，与实施例3区别在于，使用司盘-80替代吐温-80。
对比例8
一种乳液型压裂液用稠化剂，与实施例3区别在于，制备时调整去离子水加入量，使得所述混合物A常温下粘度为1500mPa.s。
对比例9
一种乳液型压裂液用稠化剂，与实施例3区别在于，制备时调整去离子水加入量，使得所述混合物A常温下粘度为4000mPa.s。
对比例10
一种乳液型压裂液用稠化剂，与实施例3区别在于，包括如下重量百分比的组分：高分子聚合物原料60%、纳米纤维素5%、烷基酚聚氧乙烯醚6%、丙酮2%、过硫酸钾1.4%、吐温-80 3%，余量为去离子水。即所述纳米纤维素与所述高分子聚合物原料质量比为0.083。
对比例11
一种乳液型压裂液用稠化剂，与实施例3区别在于，包括如下重量百分比的组分：高分子聚合物原料50%、纳米纤维素12%、烷基酚聚氧乙烯醚6%、丙酮2%、过硫酸钾1.4%、吐温-80 3%，余量为去离子水。即所述纳米纤维素与所述高分子聚合物原料质量比为0.240。
本发明物料来源：
2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸钠：获自济南远祥化工有限公司；丙烯酸：获自济南鑫真源化工有限公司；丙烯酰胺：获自济南世纪通达化工有限公司；双十八烷基二甲基氯化铵：获自江苏豪隆化工有限公司；纳米纤维素：获自武汉华翔科洁生物技术有限公司；纤维素：获自廊坊长林纤维素有限公司；司盘-80：获自济南国轩商贸有限公司；烷基酚聚氧乙烯醚：获自山东永旺化工有限公司；丙酮：获自深圳市吉田化工有限公司；吐温-80：获自济南国轩商贸有限公司；过硫酸钾：获自上海阿拉丁生化科技股份有限公司。
试验例1
首先测试本发明乳液型压裂液用稠化剂的稳定性。采用如下方法进行测试：将各稠化剂样品于20℃恒温静置，观察其在放置1个月、2个月、4个月和6个月时的样品外观情况，测试结果见表1。
表1
由表1结果可知，本发明乳液型压裂液用稠化剂具有优异的稳定性，在20℃条件下恒温静置6个月，试剂无分层、无沉淀，外观良好。此外，在50℃条件下恒温静置，加速储存6个月，仅实施例1在放置6个月时出现少许沉淀，实施例2-4加速储存6个月后均无分层、无沉淀，外观良好。可见本发明稠化剂储存稳定性优良，无需现配现用，使用便利性较好。
对比例1不含纳米纤维素，放置4个月时出现少许沉淀，对比例2含有4%纳米纤维素，放置6个月时出现少许沉淀，可见加入纳米纤维素对稠化剂体系的稳定性有一定积极效果，可能是由于纳米纤维素具有多个亲水羟基，并且纳米尺寸分散性优异，带动其他组分更好地分散，使得体系内部分布一致性提高，从而乳液不易在储存过程中出现劣化情况；对比例3含有10%纳米纤维素，放置4个月时出现少许沉淀，即加入更多纳米纤维素导致了更差的储存稳定性，可能是过多的纳米纤维素使得体系中形成了过多分子间氢键，使得储存过程中体系内部应力分布不均，导致在长期储存过程中稳定性下降。对比例4不含高分子聚合物原料，样品初始粘度较小，各组分难以长期稳定分散，因此在储存4个月时出现沉淀，并且在储存6个月时出现较多沉淀。对比例5使用普通纤维素替代纳米纤维素，从测试结果可以看到，对比例5的储存稳定性甚至比不加入纳米纤维素的对比例1更差，放置1个月即出现少许沉淀，放置4个月出现较多沉淀，放置6个月出现明显分层，难以满足性能要求；可能的原因是，虽然普通纤维素分子中同样含有众多羟基，但其分子尺寸较大，在稠化剂体系中难以良好分散，从而导致与其他组分形成的分子间氢键在空间分布上很不均匀，体系内部均一性差，造成稳定性显著下降。对比例6、7稳定性与本发明实施例没有差异，表明本发明中增效剂对稠化剂整体的储存稳定性不会造成明显影响。
对比例8、9在制备稠化剂时，工艺与本发明有所差异，导致所述混合物A粘度过小或过大。稳定性测试结果显示，对比例8、9样品在放置4个月时出现少许沉淀，稳定性不佳。可能的原因是，本发明稠化剂在制备时，高分子聚合物原料和纳米纤维素作为主要组分，需要在适宜的粘度条件下方可良好分散，粘度过小或过大，均可能导致纳米尺寸的纤维素无法与本发明高分子聚合物原料混合均匀，并且在后续与其他原料混合步骤中也难以充分良好分散，从而导致稠化剂无法长期稳定储存。
对比例10、11调整了高分子聚合物原料与纳米纤维素的用量比例，可以看到，该比例太大或太小，稠化剂稳定性均出现一定程度下降，放置6个月时出现少许沉淀，但优于对比例8、9的稳定性测试结果。
试验例2
其次，测试乳液型压裂液用稠化剂的溶解性能、增稠性能以及耐剪切性能。采用如下方法进行测试：准备矿化度35000的空白液，将各测试样品按0.8wt%加入所述空白液，搅拌分散。在搅拌1min、2min、4min、6min、9min时，参照SY/T 5107-2016《水基压裂液性能评价方法》测试表观粘度，各样品重复三次，测试数据取平均值并取整，结果见表2。其中，空白液表观粘度为30mPa.s。
表2
由表2测试结果可知，本发明稠化剂在较高矿化度的空白液中具有优良的增稠性能，加入空白液中可显著增大体系粘度，并且在搅拌2min时与搅拌9min时表观粘度差异不大，表明本发明稠化剂溶解性能优异，可在很短的时间内充分溶解，迅速发挥增稠功效。对比例1未添加纳米纤维素，体系所能达到的表观粘度显著下降，主要原因是纳米纤维素为三维网状结构且含有较多羟基，可与其他组分形成分子间氢键，分子间吸引力不易断开，使得组分之间连接较为稳定，从而可表现为体系表观粘度明显提高。对比例2添加了纳米纤维素但用量较少，虽相较于对比例1增稠效果有一定提升，但改善程度有限；对比例3添加了较为大量的纳米纤维素，体系粘度进一步提高，但与实施例1-4相比并无明显优势，可能是由于纳米纤维素用量与体系表观粘度并非呈完全的正相关关系，而是在某一用量区间内存在类似边际效应，超过适宜用量上限，对体系粘度的贡献减少甚至带来负面影响，因此，虽然加入纳米纤维素可带来增稠功效，但其用量并不是越多越好。对比例4不含高分子聚合物原料，体系中仅纳米纤维素具有一定增稠能力，因此该样品表观粘度比实施例1-4低得多，难以满足施工要求。对比例5使用普通纤维素，其在本发明体系中具有较好的增稠性能，但普通纤维素尺寸相对于较大，自身分散性能不佳，使得其增稠能力相较于纳米纤维素还存在明显差距。对比例6省略增效剂吐温-80，体系表观粘度出现较大程度降低，并且稠化剂溶解速度变慢，可能是由于吐温类物质分子结构中也含有数个羟基且支链较多，可与本发明高分子聚合物原料中的氨基形成分子间氢基，进而形成空间位阻较大的分子团，可进一步提升增稠效果；并且吐温具有相对较高的表面活性，对提高组分溶解速度具有积极作用。对比例7使用司盘-80替代吐温-80，司盘与吐温是油气化学领域的常见组分，具有表面活性，可用作乳化剂，通常来说二者可以混用或互相替代；但是，表2测试结果显示，使用司盘-80替代吐温-80的稠化剂增稠效果出现小幅下降，可能是因为司盘类物质分子结构中支链数量相对于较少且支链相对较小，形成较大位阻分子团的能力稍弱，导致增稠效果不如加入吐温的实施例3。对比例8、9与实施例3相比，增稠性能稍弱，但溶解速度与实施例并无显著差异。对比例10、11体系表观粘度较本发明实施例出现显著下降，表明本发明稠化剂中纳米纤维素与高分子聚合物原料的用量比例需要精准调控，方可发挥优异的增稠功效，用量比例过大或过小均可能导致产品增稠性能无法满足需求。
除优异的增稠性能之外，本发明乳液型压裂液用稠化剂还具有良好的耐剪切性能。由表2结果可知，在90℃、170s-1条件下连续剪切120min，实施例1-4表观粘度稳定在130mPa.s以上，表明该乳液型压裂液用稠化剂耐剪切能力强，增稠性能稳定，可满足长时间压裂施工要求。对比例7使用司盘替代吐温，增稠性能小幅下降，但耐剪切性显著降低，可能的原因是，司盘分子中支链数量相对于较少且支链相对较小，形成较大位阻分子团的能力稍弱，各链段在体系中更容易有序排列，因此加入司盘后虽然也能增稠，但在剪切力的作用下链段较快有序排列，无法形成较大空间位阻，导致剪切后粘度变出现显著下降。
由上述测试内容可知，纳米纤维素与吐温可复配使用，以用于提高乳液型压裂液用稠化剂的增稠性能及耐剪切性能。
上述实施例为本发明较佳的实现方案，除此之外，本发明还可以其他方式实现，在不脱离本发明构思的前提下任何显而易见的替换均在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种乳液型压裂液用稠化剂，其特征在于，包括如下重量百分比的组分：高分子聚合物原料45%-60%、纳米纤维素5%-9%、乳化剂5%-8%、分散剂1%-3%、引发剂0.5%-2%、增效剂2%-4%，余量为去离子水；其中，所述高分子聚合物原料由2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸钠、丙烯酸、丙烯酰胺、双十八烷基二甲基氯化铵构成；所述乳化剂包括烷基乳化剂、醚基乳化剂、醇基乳化剂、酰胺基乳化剂、硅醇乳化剂中的一种或多种。
2.根据权利要求1所述的乳液型压裂液用稠化剂，其特征在于，所述2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸、丙烯酸、丙烯酰胺、双十八烷基二甲基氯化铵的质量比为15-20：5-8：55-60：15-20。
3.根据权利要求1所述的乳液型压裂液用稠化剂，其特征在于，所述纳米纤维素与所述高分子聚合物原料质量比为（0.8-1）:（5-9）。
4.根据权利要求1所述的乳液型压裂液用稠化剂，其特征在于，所述乳化剂不包含吐温，且所述增效剂为吐温。
5.根据权利要求1所述的乳液型压裂液用稠化剂，其特征在于，所述引发剂为过硫酸钾、过硫酸铵或焦亚硫酸钠。
6.根据权利要求1所述的乳液型压裂液用稠化剂，其特征在于，包含高分子聚合物原料50%-60%、纳米纤维素7%-9%、乳化剂6%-8%、分散剂2%-3%、引发剂1%-2%、增效剂2%-4%，余量为去离子水。
7.根据权利要求1所述的乳液型压裂液用稠化剂，其特征在于，包含高分子聚合物原料55%-60%、纳米纤维素8%-9%、乳化剂7%-8%、分散剂2%-3%、引发剂1%-2%、增效剂2%-3%，余量为去离子水。
8.根据权利要求1-7任一项所述的乳液型压裂液用稠化剂的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：将所述高分子聚合物原料与一定质量的去离子水混合均匀，加入纳米纤维素混合均匀得混合物A，再依次加入乳化剂、分散剂、引发剂、增效剂及剩余的去离子水，保温搅拌4-6h，静置降温，即得所述乳液型压裂液用稠化剂；其中，所述保温搅拌为水浴搅拌，水浴温度为50-60℃。
9.根据权利要求8所述的乳液型压裂液用稠化剂的制备方法，其特征在于，所述混合物A常温下粘度为2500-3000mPa.s。
10.纳米纤维素与吐温复配用于提高乳液型压裂液用稠化剂性能的应用，其特征在于，所述性能包括增稠性能及耐剪切性能。
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