CN117050742B - 一种基于改性聚丙烯酰胺的压裂液及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于油气开采技术领域，具体涉及一种基于改性聚丙烯酰胺的压裂液及其制备方法。该压裂液包括如下重量份组分：改性聚丙烯酰胺1‑2份；两性离子表面活性剂15‑20份；助表面活性剂10‑15份；无机盐15‑20份；有机溶剂10‑15份；水120‑150份；本发明提供的压裂液具有良好的粘弹性、耐高温、耐剪切性能，携砂能力强、无残渣，遇水或油自动破胶，易返排，对地层伤害小，更能满足市场需求。
Description
技术领域
本发明属于油气开采技术领域，具体涉及一种基于改性聚丙烯酰胺的压裂液及其制备方法。
背景技术
随着油气资源需求量的增加，非常规油气资源的勘探开发已刻不容缓，传统的胍胶压裂液、聚合物压裂液对储层伤害大、易堵塞裂缝，因此，无残渣、低伤害且破胶返排性能好的清洁压裂液受到研究者的广泛关注；清洁压裂液主要指以粘弹性表面活性剂为主剂的水基压裂体系，粘弹性表面活性剂清洁压裂液（VES）是一种能在一定条件下于水溶液中形成柔性棒状胶束并相互缠绕形成可逆三维空间网状结构并表面出特殊的流变性能的表面活性剂溶液体系，其具有配制容易、施工简单、用量少、摩阻小、携砂能力强、返排容易，更为重要的是破胶后无残渣、对地层或地下造成的伤害小，不需要用酶或氧化剂来降低粘度，容易水化可以更快地形成最佳粘度，能够使整个压裂作业变得简单高效。
现有的粘弹性表面活性剂包括单链粘弹性表面活性剂和双子表面活性剂。其中，单链粘弹性表面活性剂常常存在耐温性差、用量较大的问题；双子表面活性剂耐温性强，但是由于表面活性较强，在反离子的作用下容易团聚，从而导致较高矿化度下的双子表面活性剂极易出现相分离现象，使溶液体系失去粘度从而无法实现携砂、造缝等功能，极大地限制了其在油气田开发中的应用。
申请号为202111112288.8的专利公开了一种基于改性聚丙烯酰胺的超分子压裂液及其制备方法，压裂液组分包括如下重量份组分：改性聚丙烯酰胺0.01-3份、磺酸盐阴离子表面活性剂0.1-30份、助水溶盐0.01-20份、有机溶剂0.1-20份、反离子盐0.1-30份、水80-150份；所制得的超分子压裂液具有良好的粘弹性和耐温耐剪切特性，且能够减少表面活性剂用量、降低压裂液成本，同时对钙、镁离子具有较高耐受能力，其组分简单、配制方便，但其耐高温性能仍然存在改进空间。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种基于改性聚丙烯酰胺的压裂液及其制备方法，所制得的压裂液具有良好的粘弹性、耐高温、耐剪切性能，携砂能力强、无残渣，遇水或油自动破胶，易返排，对地层伤害小，更能满足市场需求。
本发明为实现上述目的所采取的技术方案为：
一种基于改性聚丙烯酰胺的压裂液，所述压裂液包括如下重量份组分：改性聚丙烯酰胺1-2份；两性离子表面活性剂15-20份；助表面活性剂10-15份；无机盐15-20份；有机溶剂10-15份；水120-150份；
进一步地，所述助表面活性剂为月桂酰胺基丙基甜菜碱、椰油酰胺基丙基甜菜碱、十八酰胺基丙基甜菜碱中的一种或几种混合；优选助表面活性剂为椰油酰胺基丙基甜菜碱。
进一步地，所述无机盐为氯化钾、氯化镁、氯化钙、氯化钠、碳酸氢钠中的一种或几种混合；优选所述无机盐为氯化钙。
进一步地，所述有机溶剂为甲醇、乙醇、异丙醇中的一种或几种混合；优选有机溶剂为乙醇。
进一步地，所述改性聚丙烯酰胺的制备方法为：将丙烯酰胺、2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸、功能单体加入到水中，搅拌溶解，加入过硫酸铵，升温至80-90℃，反应3-4h，得到改性聚丙烯酰胺；所述丙烯酰胺、2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸、功能单体的摩尔比为1:1.0-1.1:0.5-0.6；所述过硫酸铵的用量为丙烯酰胺、2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸、功能单体总质量的0.5-0.8%。
进一步地，所述两性离子表面活性剂的化学结构式为：
；制备方法为：将化合物2加入到50-60%乙醇溶液中，加入氢氧化钠，室温反应1-2h，得到两性表面活性剂；所述化合物2、氢氧化钠的摩尔比为1:1.2-1.4。
进一步地，所述功能单体的化学结构式为：
；制备方法为：
S1、将氨基苯磺酸依次加入到二氯甲烷中，滴加环氧氯丙烷，升温至30-40℃，反应2-3h，得到化合物1，所述氨基苯磺酸、环氧氯丙烷的摩尔比为1:1.1-1.2；反应过程为：
；
S2、将化合物1、十二烷基二甲基叔胺加入到乙醇中，升温至80℃，回流反应8-10h，得到化合物2，所述化合物1、十二烷基二甲基叔胺的摩尔比为1:1.1-1.2；反应过程为：
；
S3、将化合物2、丙烯酸加入到氯仿中，升温至50-60℃，滴加浓硫酸，滴毕，继续反应3-4h，得到功能单体，所述化合物1、丙烯酸、浓硫酸的摩尔比为1:1.1-1.2:0.1-0.2。
本发明提供了一种基于改性聚丙烯酰胺的压裂液的制备方法，包括如下步骤：按重量配比，先将有机溶剂和水混合均匀，然后加入改性聚丙烯酰胺、两性离子表面活性剂、助表面活性剂，30-40℃下搅拌40-60min，再加入无机盐，继续搅拌20-30min，即得。
本发明具有如下有益效果：
本发明以氨基苯磺酸为原料，依次与环氧氯丙烷、十二烷基二甲基叔胺、丙烯酸发生反应，得到结构中含有刚性苯环基团、磺酸基团、长链季铵盐基团、丙烯酸酯基的功能单体，进一步将功能单体与丙烯酰胺、2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸通过聚合反应，得到改性聚丙烯酰胺，改性聚丙烯酰胺分子结构中长链季铵盐基团，能够使其具有一定的表面活性特性，有助于其在压裂液中分散均匀存在，提高了压裂液的稳定性；同时，其分子中含有的刚性苯环基团、较多的磺酸基团，能够提高聚合物的耐高温性能及耐盐性能，将其加入到压裂液中，也有助于提高压裂液的耐高温性及耐盐性能。本发明将化合物2与氢氧化钠反应，得到具有良好耐盐性能的两性离子表面活性剂，由于改性聚丙烯酰胺与两性离子表面活性剂的结构中存在部分共同的结构，两者的相容性较高，将两者联合应用到压裂液中，相辅相成，从而获得了综合性能较好的压裂液。
本发明提供的压裂液制备方法简单，具有良好的粘弹性、耐高温、耐剪切性能，携砂能力强、无残渣，遇水或油自动破胶，易返排，对地层伤害小，更能满足市场需求。
附图说明
图1为压裂液在剪切速率为170s-1下的粘温曲线图。
具体实施方式
下面将结合本申请实施例，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，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他实施例，都属于本申请保护的范围。
月桂酰胺基丙基甜菜碱CAS号4292-10-8；椰油酰胺基丙基甜菜碱CAS号86243-76-7；氯化钙CAS号10043-52-4；氯化钾CAS号7447-40-7；氯化钠CAS号7647-14-5；碳酸氢钠CAS号144-55-8；丙烯酰胺CAS号79-06-1；2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸CAS号15214-89-8；氨基苯磺酸CAS号121-47-1；环氧氯丙烷CAS号106-89-8；十二烷基二甲基叔胺CAS号112-18-5；丙烯酸CAS号79-10-7；浓硫酸CAS号7664-93-9；氢氧化钠CAS号1310-73-2；过硫酸铵CAS号7727-54-0；二氯甲烷CAS号75-09-2；氯仿CAS号67-66-3；乙醇CAS号64-17-5；甲醇CAS号67-56-1；异丙醇CAS号67-63-0；所有化学试剂均为市售。
实施例1
一种基于改性聚丙烯酰胺的压裂液，包括如下重量份组分：改性聚丙烯酰胺2份；两性离子表面活性剂20份；助表面活性剂15份；无机盐20份；有机溶剂15份；水150份；其中助表面活性剂为椰油酰胺基丙基甜菜碱；无机盐为氯化钙；有机溶剂为乙醇。
一种基于改性聚丙烯酰胺的压裂液的制备方法，包括如下步骤：按重量配比，先将有机溶剂和水混合均匀，然后加入改性聚丙烯酰胺、两性离子表面活性剂、助表面活性剂，40℃下搅拌40min，再加入无机盐，继续搅拌20min，即得。
改性聚丙烯酰胺的制备方法为：将丙烯酰胺、2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸、功能单体加入到水中，搅拌溶解，加入过硫酸铵，升温至90℃，反应3h，冷却后，抽滤，滤渣烘干后粉碎，得到改性聚丙烯酰胺；其中丙烯酰胺、2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸、功能单体的摩尔比为1:1:0.5；过硫酸铵的用量为丙烯酰胺、2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸、功能单体总质量的0.8%。
两性离子表面活性剂的制备方法为：将30.0g化合物2加入到300mL 50%乙醇溶液中，加入3.0g氢氧化钠，室温反应2h，得到29.8g两性表面活性剂；其中化合物2、氢氧化钠的摩尔比为1:1.2；反应过程为：
。
功能单体的制备方法为：
S1、将34.6g氨基苯磺酸依次加入到1000mL二氯甲烷中，滴加20.3g环氧氯丙烷，升温至40℃，反应3h，反应完成后，加入1000mL水进行萃取，有机相减压浓缩得到48.5g化合物1，其中氨基苯磺酸、环氧氯丙烷的摩尔比为1:1.1；反应过程为：
；
化合物1：ESI(m/z)：266.1[M+H]+，1H-NMR(600MHz，DMSO-d6，δppm)：9.54（s，1H），8.52（s，1H），7.33（d，2H），7.21（d，2H），5.37（s，1H），3.78-3.80（m，2H），3.33-3.38（m，2H），3.06-3.10（m，1H）。
S2、将48.5g化合物1、42.9g十二烷基二甲基叔胺加入到900mL乙醇中，升温至80℃，回流反应9h，反应完成后，除去乙醇，加入600mL水和600mL二氯甲烷进行萃取，水相减压浓缩得到75.4g化合物2，其中化合物1、十二烷基二甲基叔胺的摩尔比为1:1.1；反应过程为：
；
化合物2：ESI(m/z)：479.2[M+H]+，1H-NMR(600MHz，DMSO-d6，δppm)：9.53（s，1H），8.51（s，1H），7.34（d，2H），7.22（d，2H），5.39（s，1H），4.17-4.18（m，1H），3.50-3.53（m，1H），3.28-3.31（m，8H），3.22-3.24（m，2H），3.06-3.09（m，1H），1.71-1.73（m，2H），1.26-1.29（m，18H），0.88（t，3H）。
S3、将20.0g化合物2、3.3g丙烯酸加入到250mL氯仿中，升温至60℃，滴加0.4g浓硫酸，滴毕，继续反应4h，除去氯仿，加入250mL水和250mL二氯甲烷进行萃取，水相减压浓缩得到20.5g功能单体，化合物1、丙烯酸、浓硫酸的摩尔比为1:1.1:0.1，反应过程为：
；
功能单体：ESI(m/z)：533.2[M+H]+，1H-NMR(600MHz，DMSO-d6，δppm)：9.54（s，1H），8.52（s，1H），7.33（d，2H），7.22（d，2H），6.21-6.24（m，2H），5.83（d，1H），5.24-5.26（m，1H），3.57-3.59（m，1H），3.33-3.37（m，8H），3.17-3.20（m，3H），1.72-1.73（m，2H），1.26-1.29（m，18H），0.88（t，3H）。
实施例2
一种基于改性聚丙烯酰胺的压裂液，包括如下重量份组分：改性聚丙烯酰胺1份；两性离子表面活性剂15份；助表面活性剂10份；无机盐15份；有机溶剂10份；水120份；其中助表面活性剂为月桂酰胺基丙基甜菜碱；无机盐为氯化钾；有机溶剂为甲醇。
一种基于改性聚丙烯酰胺的压裂液的制备方法，包括如下步骤：按重量配比，先将有机溶剂和水混合均匀，然后加入改性聚丙烯酰胺、两性离子表面活性剂、助表面活性剂，30℃下搅拌60min，再加入无机盐，继续搅拌30min，即得。
改性聚丙烯酰胺、两性离子表面活性剂的制备方法与实施例1相同。
实施例3
一种基于改性聚丙烯酰胺的压裂液，包括如下重量份组分：改性聚丙烯酰胺1.5份；两性离子表面活性剂18份；助表面活性剂13份；无机盐17份；有机溶剂14份；水140份；其中助表面活性剂为十八酰胺基丙基甜菜碱；无机盐为氯化钠；有机溶剂为异丙醇。
一种基于改性聚丙烯酰胺的压裂液的制备方法，包括如下步骤：按重量配比，先将有机溶剂和水混合均匀，然后加入改性聚丙烯酰胺、两性离子表面活性剂、助表面活性剂，35℃下搅拌50min，再加入无机盐，继续搅拌25min，即得。
改性聚丙烯酰胺、两性离子表面活性剂的制备方法与实施例1相同。
实施例4
一种基于改性聚丙烯酰胺的压裂液，包括如下重量份组分：改性聚丙烯酰胺1份；两性离子表面活性剂20份；助表面活性剂10份；无机盐15份；有机溶剂10份；水150份；其中助表面活性剂为椰油酰胺基丙基甜菜碱；无机盐为碳酸氢钠；有机溶剂为乙醇。
一种基于改性聚丙烯酰胺的压裂液的制备方法，包括如下步骤：按重量配比，先将有机溶剂和水混合均匀，然后加入改性聚丙烯酰胺、两性离子表面活性剂、助表面活性剂，40℃下搅拌50min，再加入无机盐，继续搅拌20min，即得。
改性聚丙烯酰胺、两性离子表面活性剂的制备方法与实施例1相同。
对比例1
与实施例1相比，压裂液的组分不同。
一种基于改性聚丙烯酰胺的压裂液，包括如下重量份组分：聚丙烯酰胺2份；两性离子表面活性剂20份；助表面活性剂15份；无机盐20份；有机溶剂15份；水150份；其中助表面活性剂为椰油酰胺基丙基甜菜碱；无机盐为氯化钙；有机溶剂为乙醇。
一种基于改性聚丙烯酰胺的压裂液的制备方法，包括如下步骤：按重量配比，先将有机溶剂和水混合均匀，然后加入聚丙烯酰胺、两性离子表面活性剂、助表面活性剂，40℃下搅拌40min，再加入无机盐，继续搅拌20min，即得。
两性离子表面活性剂的制备方法与实施例1相同。
对比例2
与实施例1相比，压裂液的组分不同。
一种基于改性聚丙烯酰胺的压裂液，包括如下重量份组分：两性离子表面活性剂20份；助表面活性剂15份；无机盐20份；有机溶剂15份；水150份；其中助表面活性剂为椰油酰胺基丙基甜菜碱；无机盐为氯化钙；有机溶剂为乙醇。
一种基于改性聚丙烯酰胺的压裂液的制备方法，包括如下步骤：按重量配比，先将有机溶剂和水混合均匀，然后加入两性离子表面活性剂、助表面活性剂，40℃下搅拌40min，再加入无机盐，继续搅拌20min，即得。
两性离子表面活性剂的制备方法与实施例1相同。
相关测试
1.两性离子表面活性剂的耐盐性能测试
将两性离子表面活性剂分别配制成质量分数为2%、4%、6%、8%、10%的水溶液，取20mL水溶液与800ppm Ca+及400ppm Mg+混合均匀，观察沉淀情况，结果如表1所示。
表1两性离子表面活性剂的耐盐性能
| 样品 | 沉淀情况 |
| 2% | 未出现沉淀 |
| 4% | 未出现沉淀 |
| 6% | 未出现沉淀 |
| 8% | 未出现沉淀 |
| 10% | 未出现沉淀 |
由表1可知，不同质量分数的两性离子表面活性剂水溶液在加入钙、镁离子后均未出现沉淀，说明本发明提供的两性离子表面活性剂对地层水中的钙、镁离子具有较高的耐受能力，从而能够避免表面活性剂沉淀而影响压裂液性能。
2.压裂液的抗温抗剪切性能测试
参照石油天然气行业标准SY/T 5107-2016《水基压裂液性能评价方法》，对实施例1-4及对比例1-2的压裂液进行抗温抗剪切性能测试，结果如图1所示，与对比例1-2相比，实施例1中所加入的改性聚丙烯酰胺，能够提高压裂液的粘弹性和耐高温性；实施例1-4所制得的压裂液的整体粘度均高于对比例1-2，在较高温度下，实施例1-4的压裂液粘度保持在70mPa·s左右，说明本发明制得的压裂液具有良好的粘弹性及耐高温性。
3.压裂液的携砂性能测试
通过单颗陶粒沉降的实验方法，对实施例1-4及对比例1-2的压裂液进行静态携砂测试，测试结果如表2所示
表2压裂液在80℃下陶粒的沉降速率
| 样品 | 沉降时间（s） | 沉降速率（mm/s） |
| 实施例1 | 1024 | 0.14 |
| 实施例2 | 1016 | 0.15 |
| 实施例3 | 1004 | 0.16 |
| 实施例4 | 1012 | 0.15 |
| 对比例1 | 145 | 1.42 |
| 对比例2 | 124 | 1.84 |
由表2可知，实施例1-4压裂液的沉降速率为0.14-0.16mm/s，远小于对比例1-2，80℃下单颗陶粒在实施例1-4压裂液中的完全沉降时间为1012-1024s，远大于对比例1-2，说明实施例1-4的压裂液在80℃下具有良好的静态携砂性能。
4.压裂液的破胶性能测试
清洁压裂液配方中无破胶剂，在地层中遇到油气会自动破胶，对实施例1-4及对比例1-2的压裂液进行破胶性能测试，其破胶结果如表3所示。
表3压裂液在80℃下的破胶性能
| 样品 | 破胶后粘度（mPa·s） | 破胶时间（min） | 破胶液表面张力（mN/m） |
| 实施例1 | 3 | 62 | 22.5 |
| 实施例2 | 3 | 63 | 22.7 |
| 实施例3 | 3 | 62 | 22.1 |
| 实施例4 | 3 | 64 | 22.8 |
| 对比例1 | 3 | 85 | 28.6 |
| 对比例2 | 3 | 95 | 30.2 |
由表3结果可知，实施例1-4的压裂液的破胶时间为62-64min，少于对比例1-2，其破胶液的表面张力更低，有利于破胶液的返排，说明实施例1-4的压裂液具有更好的破胶性能。
需要说明的是，在本文中，诸如术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素；尽管已经示出和描述了本申请的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本申请的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本申请的范围由所附权利要求及其等同物限定。
Claims (7)
1.一种基于改性聚丙烯酰胺的压裂液，其特征在于，所述压裂液包括如下重量份组分：改性聚丙烯酰胺1-2份；两性离子表面活性剂15-20份；助表面活性剂10-15份；无机盐15-20份；有机溶剂10-15份；水120-150份；
所述助表面活性剂为月桂酰胺基丙基甜菜碱、椰油酰胺基丙基甜菜碱、十八酰胺基丙基甜菜碱中的一种或几种混合；所述无机盐为氯化钾、氯化镁、氯化钙、氯化钠、碳酸氢钠中的一种或几种混合；所述有机溶剂为甲醇、乙醇、异丙醇中的一种或几种混合；
所述改性聚丙烯酰胺的制备方法为：将丙烯酰胺、2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸、功能单体加入到水中，搅拌溶解，加入过硫酸铵，升温至80-90℃，反应3-4h，得到改性聚丙烯酰胺；所述功能单体的化学结构式为：
；
所述两性离子表面活性剂的化学结构式为：
。
2.根据权利要求1所述的一种基于改性聚丙烯酰胺的压裂液，其特征在于，所述功能单体的制备方法为：
S1、将氨基苯磺酸依次加入到二氯甲烷中，滴加环氧氯丙烷，升温至30-40℃，反应2-3h，得到化合物1，化学结构式为：
；
S2、将化合物1、十二烷基二甲基叔胺加入到乙醇中，升温至80℃，回流反应8-10h，得到化合物2，化学结构式为：
；
S3、将化合物2、丙烯酸加入到氯仿中，升温至50-60℃，滴加浓硫酸，滴毕，继续反应3-4h，得到功能单体。
3.根据权利要求2所述的一种基于改性聚丙烯酰胺的压裂液，其特征在于，步骤S1中所述氨基苯磺酸、环氧氯丙烷的摩尔比为1:1.1-1.2；步骤S2中所述化合物1、十二烷基二甲基叔胺的摩尔比为1:1.1-1.2；步骤S3中所述化合物1、丙烯酸、浓硫酸的摩尔比为1:1.1-1.2:0.1-0.2。
4.根据权利要求1所述的一种基于改性聚丙烯酰胺的压裂液，其特征在于，所述两性离子表面活性剂的制备方法为：将化合物2加入到50-60%乙醇溶液中，加入氢氧化钠，室温反应1-2h，得到两性表面活性剂。
5.根据权利要求4所述的一种基于改性聚丙烯酰胺的压裂液，其特征在于，所述化合物2、氢氧化钠的摩尔比为1:1.2-1.4。
6.根据权利要求1所述的一种基于改性聚丙烯酰胺的压裂液，其特征在于，所述丙烯酰胺、2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸、功能单体的摩尔比为1:1.0-1.1:0.5-0.6；所述过硫酸铵的用量为丙烯酰胺、2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸、功能单体总质量的0.5-0.8%。
7.根据权利要求1-6任一所述的一种基于改性聚丙烯酰胺的压裂液的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：按重量配比，先将有机溶剂和水混合均匀，然后加入改性聚丙烯酰胺、两性离子表面活性剂、助表面活性剂，30-40℃下搅拌40-60min，再加入无机盐，继续搅拌20-30min，即得。
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