水基壓裂液減阻劑及其制備方法和應(yīng)用
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001 ] 本發(fā)明涉及一種水基壓裂液減阻劑及其制備方法和應(yīng)用。
【背景技術(shù)】
[0002] 頁(yè)巖氣藏普遍屬于超低孔、低滲儲(chǔ)層，滲透率比致密碎屑巖氣藏的滲透率還要低 2-3個(gè)數(shù)量級(jí)，針對(duì)此類氣藏，壓裂改造是勘探開(kāi)發(fā)的重要手段。適用于開(kāi)采低滲、低孔非常 規(guī)儲(chǔ)層的壓裂技術(shù)在頁(yè)巖氣藏開(kāi)采中得到了越來(lái)越多的應(yīng)用。然而，注入水受到管道以及 巖石層中流動(dòng)剪切應(yīng)力的阻礙，流體排量會(huì)大大降低。有效降低液體的摩阻可以減少對(duì)設(shè) 備的需求，在一定程度上降低施工成本。因此，為了減低摩阻，滑溜水壓裂液中一般需要加 入減阻劑添加劑。
[0003] 最早的水基減阻劑是聚合物，但是溶液聚合物產(chǎn)物本身粘度大，聚合物含量低，溶 解時(shí)間長(zhǎng)，化學(xué)性質(zhì)不穩(wěn)定，因此給運(yùn)輸和使用帶來(lái)了極大的不變。最關(guān)鍵的是，聚合物減 阻劑高分子減阻劑一般為線性分子，分子量大于50萬(wàn)，但是在強(qiáng)剪切力、高溫等因素的作 用下，長(zhǎng)鏈結(jié)構(gòu)將被破壞，并且無(wú)法修復(fù)。因此，能夠形成蠕蟲(chóng)狀膠束的表面活性劑減阻劑 引起了廣泛的關(guān)注。而且表面活性劑可以有效減少注入流體與儲(chǔ)層流體、巖石之間的接觸 角和表面張力，降低減阻水在頁(yè)巖儲(chǔ)層中流動(dòng)的毛細(xì)管力，進(jìn)而提高壓裂效果。
[0004] 表面活性劑蠕蟲(chóng)狀膠束在低雷諾系數(shù)下（小于1〇4)以一種無(wú)序排列的方式存在 于水溶液中，對(duì)流動(dòng)剪切幾乎沒(méi)有作用。在高雷諾系數(shù)下（大于1〇4)，膠束的定向排列導(dǎo)致 了非常明顯的減阻效果。而在更高的雷諾系數(shù)下（大于1〇5)，高剪切應(yīng)力破壞了蠕蟲(chóng)狀膠 束，減阻效果快速降低。表面活性劑體系具有明顯減阻效果的雷諾系數(shù)范圍取決于很多因 素，比如：總濃度、配比、表面活性劑疏水鏈長(zhǎng)等等。
[0005] 大量文獻(xiàn)表明，陽(yáng)離子表面活性劑和有機(jī)鹽混合體系容易形成蠕蟲(chóng)狀膠束。其 中一些體系有效運(yùn)用到管道的熱交換應(yīng)用中（美國(guó)專利號(hào)：4705860,名稱，quaternary ammonium salts and their use as drag reduction agents)，但是大部分陽(yáng)離子表面活 性劑/有機(jī)鹽體系，比如十六烷基三甲基溴化銨/水楊酸鈉體系在高雷諾系數(shù)下容易從蠕 蟲(chóng)狀膠束變成球狀膠束，失去減阻性能。為了在高雷諾系數(shù)下具有減阻性能，需要表面活性 劑減阻劑具有較高的濃度，一般達(dá)到2000ppmw?，F(xiàn)在我們合成了寡聚陽(yáng)離子表面活性劑，發(fā) 現(xiàn)該類型的表面活性劑和有機(jī)鹽的復(fù)配可以有效降低減阻劑配方的濃度，取得了很好的 減阻效果。寡聚表面活性劑是由連接基團(tuán)將兩個(gè)或多個(gè)單鏈表面活性劑結(jié)構(gòu)通過(guò)化學(xué)鍵相 連而成的表面活性劑分子。根據(jù)表面活性劑分子中頭基和疏水鏈數(shù)量，寡聚表面活性劑通 常可以分為二聚、三聚、四聚、乃至更高聚合度等類型。本發(fā)明采用了四聚陽(yáng)離子表面活性 劑和有機(jī)鹽的復(fù)配組合物。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 本發(fā)明所要解決的技術(shù)問(wèn)題之一是現(xiàn)有技術(shù)中存在的表面活性劑減阻劑降阻率 低的問(wèn)題，提供一種新的水基壓裂液減阻劑，該減阻劑用于水基壓裂液中具有降阻率高、使 用濃度低的優(yōu)點(diǎn)。
[0007] 本發(fā)明所要解決的技術(shù)問(wèn)題之二是上述技術(shù)問(wèn)題之一所述水基壓裂液減阻劑的 制備方法。
[0008] 本發(fā)明所要解決的技術(shù)問(wèn)題之三是上述技術(shù)問(wèn)題之一所述水基壓裂液減阻劑在 壓裂液中的應(yīng)用。
[0009] 為了解決上述技術(shù)問(wèn)題之一，本發(fā)明的技術(shù)方案如下：水基壓裂液減阻劑組合物， 包括式（I)所述的陽(yáng)離子表面活性劑和有機(jī)酸鹽；其中，R是含有8~24個(gè)碳原子的飽和 或不飽和脂族基，&、R2和R6獨(dú)立選自1~4個(gè)碳原子的烷基或者2~4個(gè)碳原子的羥烷 基，私、1?4和1?5是1~6個(gè)碳原子的亞烷基，D為鹵素離子中的一種；
[0011] 其中，所述陽(yáng)離子表面活性劑與所述有機(jī)酸鹽的重量比為1: (1~50);所述有機(jī) 酸鹽選自脂肪羧酸鹽、脂肪磺酸鹽、芳香酸鹽中的至少一種。
[0012] 上述技術(shù)方案中，&、1?2和R6獨(dú)立優(yōu)選甲基、乙基或丙基。
[0013] 上述技術(shù)方案中，R3、R4和R5獨(dú)立優(yōu)選2~3個(gè)碳原子的亞烷基，R 3、R4和R5進(jìn)一 步優(yōu)選為相同的2~3個(gè)碳原子的亞烷基。
[0014] 上述技術(shù)方案中，所述脂肪羧酸鹽優(yōu)選為脂肪醇聚氧乙烯醚羧酸鹽、脂肪胺聚氧 乙烯醚羧酸鹽中的至少一種；更優(yōu)選為烴基醇聚氧乙烯醚羧酸鹽、烴基胺聚氧乙烯醚羧酸 鹽中的至少一種；進(jìn)一步優(yōu)選為C12~C1S烴基醇聚氧乙烯醚羧酸鹽、C12~C 1S烴基胺聚氧 乙烯醚羧酸鹽中的至少一種，其中E0鏈段的加和數(shù)優(yōu)選為1~20 ;最優(yōu)選為C12~C1S烴基 醇聚氧乙烯醚羧酸鉀、C12~C1S烴基胺聚氧乙烯醚羧酸鉀中的至少一種，其中E0鏈段的加 和數(shù)優(yōu)選為2~10。所述脂肪磺酸鹽優(yōu)選為脂肪醇聚氧乙烯醚磺酸鹽、脂肪胺聚氧乙烯醚 磺酸鹽中的至少一種；更優(yōu)選為烴基醇聚氧乙烯醚磺酸鹽、烴基胺聚氧乙烯醚磺酸鹽中的 至少一種；進(jìn)一步優(yōu)選為C12~C1S烴基醇聚氧乙烯醚磺酸鹽、C12~C 1S烴基胺聚氧乙烯醚 磺酸鹽中的至少一種，其中E0鏈段的加和數(shù)優(yōu)選為1~20 ;最優(yōu)選為C12~C1S烴基醇聚氧 乙烯醚磺酸鉀、C12~C1S烴基胺聚氧乙烯醚磺酸鉀中的至少一種，其中E0鏈段的加和數(shù)優(yōu) 選為2~10。
[0015] 上述技術(shù)方案中，所述芳香酸鹽優(yōu)選式（II)或者式（III)所示的芳香酸鹽中的至 少一種；
[0016]
[0017] 其中，R7優(yōu)選自一S03M或一C00W，Μ和W獨(dú)立優(yōu)選Η、堿金屬或NH 4 ;X選自Η或者 Ci~C4的烷基；Υ和Ζ獨(dú)立優(yōu)選取自Η、氟、氯、溴、碘、OH ;R7進(jìn)一步優(yōu)選為一C00W。
[0018] 上述技術(shù)方案中，所述芳香酸鹽優(yōu)選苯甲酸鹽、苯磺酸鹽、鹵代苯甲酸鹽、鹵代苯 甲酸鹽、羥基取代苯甲酸鹽或羥基取代苯磺酸鹽中的至少一種。
[0019] 上述技術(shù)方案中，最優(yōu)的技術(shù)方案是：水基壓裂液減阻劑，包括式（I)所述的陽(yáng)離 子表面活性劑和芳香酸鹽；所述芳香酸鹽選自式（II)或者式（III)所示的芳香酸鹽中的至 少一種；其中，R是含有12~24個(gè)碳原子的飽和或不飽和脂族基，更優(yōu)選為12~24個(gè)碳原 子的脂肪烴基，進(jìn)一步優(yōu)選為12~24個(gè)碳原子的烷基或烯烴基；Ri、R2和R6獨(dú)立選自1~ 4個(gè)碳原子的烷基或者2~4個(gè)碳原子的羥烷基，R3、R4和R5是2~3個(gè)碳原子的亞烷基， D為氯離子、溴離子或者碘離子；R7為一 C00W，W選自H、堿金屬或NH4;X選自Η或者(；~(； 的烷基；Υ和Ζ中僅一個(gè)為0Η，Υ和Ζ中另外一個(gè)取自Η、氟、氯、溴、碘。此時(shí)最高減阻率可 維持在80%以上。
[0020] 上述技術(shù)方案中，所述水基壓裂液減阻劑還可以包括水，其中所述陽(yáng)離子表面活 性劑和有機(jī)酸鹽（如芳香酸鹽）的質(zhì)量體積濃度優(yōu)選為〇. 1~l〇kg/m3。
[0021] 本發(fā)明的水基壓裂液減阻劑為便于儲(chǔ)運(yùn)可以分別以固體形式供應(yīng)，現(xiàn)場(chǎng)分別添加 到壓裂液中使用；也可以先混合均勻后以固體混合物形式供應(yīng)，現(xiàn)場(chǎng)加入到壓裂液中使用； 為便于現(xiàn)場(chǎng)使用也可以水溶液的形式供應(yīng)。本發(fā)明的水基壓裂液減阻劑還可以包括本領(lǐng)域 常用的其它組份，例如粘土穩(wěn)定劑、殺菌劑、阻垢劑、pH調(diào)節(jié)劑、抗濾失劑、破乳劑等等。
[0022] 當(dāng)本發(fā)明采用水溶液形式時(shí)，可以采用濃溶液的形式，當(dāng)使用時(shí)稀釋即可，或者優(yōu) 選直接配成現(xiàn)場(chǎng)使用的濃度，現(xiàn)場(chǎng)使用的濃度優(yōu)選所述陽(yáng)離子表面活性劑和芳香酸鹽總計(jì) 占所述壓裂液的〇. 1~l〇kg/m3。
[0023] 為了解決上述技術(shù)問(wèn)題之二，本發(fā)明的技術(shù)方案如下：上述技術(shù)問(wèn)題之一所述技 術(shù)方案中任一技術(shù)方案所述水基壓裂液減阻劑的制備方法，包括以下步驟：
[0024] a)所述陽(yáng)離子表面活性劑的制備
[0025] 通過(guò)4~8倍摩爾數(shù)的化學(xué)式為R-D的化合物與結(jié)構(gòu)式為 RsNO^)的四叔胺反應(yīng)制得所述陽(yáng)離子表面活性劑；
[0026] b)所述水基壓裂液減阻劑的制備將步驟a)中制得的陽(yáng)離子表面活性劑與所述的 有機(jī)酸鹽按所述比例混合均勻，得到所述水基壓裂液減阻劑。
[0027] 上述技術(shù)方案中，所述化學(xué)式為R-D的化合物與結(jié)構(gòu)式為 R4N 的四叔胺的反應(yīng)優(yōu)選在無(wú)水乙醇介質(zhì)中回流反應(yīng)，制得的陽(yáng) 離子表面活性劑優(yōu)選在無(wú)水乙醇介質(zhì)中重結(jié)晶制得；所述的四叔胺例如可以是 N，N，f，N"，N"，，N"，-六甲基三乙烯四胺、Ν,Ν,Ν，，N"，N"，，N"，-六甲基三 丙烯四胺、N，N，N'，N"，N" '，N"'-六甲基三己烯四胺等；所述的混合均勻可以進(jìn)一 步優(yōu)選將陽(yáng)離子表面活性劑與所述的有機(jī)酸鹽按所述比例與水混合均勻，可以進(jìn)一步與水 混合均勻?yàn)楦酄钗锘蛩芤盒问健?br>[0028] 為了解決上述技術(shù)問(wèn)題之三，本發(fā)明的技術(shù)方案如下：上述技術(shù)問(wèn)題之一所述技 術(shù)方案中任一項(xiàng)所述水基壓裂液減阻劑在壓裂液中的應(yīng)用。
[0029] 上述技術(shù)方案中，優(yōu)選方案為：所述壓裂液優(yōu)選為水基壓裂液；所述應(yīng)用的使用 溫度優(yōu)選為10~85°C ;所述陽(yáng)離子表面活性劑和有機(jī)酸鹽總計(jì)在壓裂液中的濃度優(yōu)選為 0. 1~10kg/m3,所述有機(jī)酸鹽優(yōu)選上述的芳香酸鹽。
[0030] 本發(fā)明的壓裂液減阻劑用于壓裂液中，對(duì)壓裂液的水質(zhì)沒(méi)有特別要求，可以使去 離子水、清水、河水、污水、礦化度水、地層水等本領(lǐng)域技術(shù)人員所熟知的水質(zhì)。
[0031] 本發(fā)明組合物的降阻率的測(cè)定方法如下：壓裂液減阻劑的減阻率使用流動(dòng)回路摩 阻測(cè)試系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試得到。實(shí)驗(yàn)測(cè)試水基溶液在長(zhǎng)為3米內(nèi)徑為1/2英寸的不銹鋼圓管內(nèi) 隨著流速變化的壓差變化。在進(jìn)行湍流減阻流動(dòng)研究時(shí)，測(cè)得湍流減阻流動(dòng)的范寧摩擦系 數(shù)隨雷諾數(shù)的變化結(jié)果后，通過(guò)與相同雷諾數(shù)下的水的范寧摩擦系數(shù)做比較得到減阻率的 大小。減阻率DR公式如下，由壓差數(shù)據(jù)獲得：
[0033] 式中：Λ P為配制好的減阻劑流體通過(guò)測(cè)試管路時(shí)的壓差，KPa ;
[0034] Λ Ps為清水通過(guò)測(cè)試管道時(shí)的壓差，KPa。
[0035] 雷諾數(shù)Re是通過(guò)流動(dòng)流體的參數(shù)定義：
[0037] μ為溶劑粘度，P為流體的密度，Q為流體流量，D為管道內(nèi)徑，因此雷諾數(shù)與流 量成