水基壓裂液減阻劑組合物的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及水基壓裂液減阻劑的組合物合成以及所述組合物作為壓裂液減阻劑 的應(yīng)用。
【背景技術(shù)】
[0002] 頁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，壓裂改造是勘探開發(fā)的重要手段。適用于開采低滲、低孔非常 規(guī)儲(chǔ)層的壓裂技術(shù)在頁巖氣藏開采中得到了越來越多的應(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，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，并且無法修復(fù)。因此，能夠形成蠕蟲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] 表面活性劑蠕蟲狀膠束在低雷諾系數(shù)下(小于IO4)以一種無序排列的方式存在于 水溶液中，對(duì)流動(dòng)剪切幾乎沒有作用。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，陽離子表面活性劑和有機(jī)鹽混合體系容易形成蠕蟲狀膠束。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)：US4705860,名稱，quaternary ammonium salts and their use as drag reduction agents),但是大部分陽離子表面活 性劑/有機(jī)鹽體系，比如十六烷基三甲基溴化銨/水楊酸鈉體系不適用于低溫體系，在20°C 或更低溫度時(shí)容易析出失去減阻效果?，F(xiàn)在我們合成了帶有酰胺基團(tuán)的陽離子表面活性 劑，發(fā)現(xiàn)該類型的表面活性劑水溶性好，耐高溫性好，和有機(jī)鹽的復(fù)配可以有效提高水基體 系的減阻率。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題之一是現(xiàn)有技術(shù)中存在的減阻劑降阻率低的問題，提 供一種水基壓裂液減阻劑組合物，該組合物用于水基壓裂液減阻劑具有降阻率高的優(yōu)點(diǎn)。
[0007] 本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題之二是上述技術(shù)問題之一所述組合物的制備方法。
[0008] 本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題之三是上述技術(shù)問題之一所述組合物作為壓裂液減 阻劑的應(yīng)用。
[0009] 為了解決上述技術(shù)問題之一，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8~24個(gè)碳原子的飽和或不飽和脂族基，R1是1~4個(gè)碳原子的亞烷基，R2和R3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，R4是1~4個(gè)碳原子的烷基或者芐基，D為氯離子、溴離子或者碘離子；R5和R 6獨(dú)立選自一 SO3M或一 C00G，M和G獨(dú)立選自H、堿金屬或NH4 ;X選自H或者C1~C4的烷基； Y和Z獨(dú)立取自H、氟、氯、溴、碘、OH ;
[0010]
[0011] 所述陽離子表面活性劑與所述芳香酸鹽的重量比為1:1~1:50。
[0012] 上述技術(shù)方案中，R1優(yōu)選2~3個(gè)碳原子的亞烷基。
[0013] 上述技術(shù)方案中，R4優(yōu)選甲基、乙基、丙基或芐基。
[0014] 上述技術(shù)方案中，所述芳香酸鹽優(yōu)選自苯甲酸鹽、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。
[0015] 上述技術(shù)方案中，1?5和R6優(yōu)選自一C00G。
[0016] 上述技術(shù)方案中，最優(yōu)的技術(shù)方案是：水基壓裂液減阻劑組合物，包括式（I)所述 的陽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，R1是1~4個(gè)碳 原子的亞烷基，R2和R3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，R 4是芐基，D為氯離子、溴離子或者碘離子；R5和R6為一 C00G，G選自H、堿金屬或NH4 ;X選自 H或者C1~C4的烷基；Y和Z中僅一個(gè)為0H，Y和Z中另外一個(gè)取自H、氟、氯、溴、碘。此時(shí) 最商減阻率可維持在70%以上。
[0017] 上述技術(shù)方案中，所述組合物優(yōu)選包括水，其中所述陽離子表面活性劑和芳香酸 鹽總計(jì)優(yōu)選占所述組合物0. 1~l〇kg/m3。
[0018] 本發(fā)明的組合物為便于儲(chǔ)運(yùn)可以以固體形式供應(yīng)，為便于現(xiàn)場(chǎng)使用也可以水溶的 形式供應(yīng)。本發(fā)明組合物還可以包括本領(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。
[0019] 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)選所述陽離子表面活性劑和芳香酸鹽總計(jì) 占所述組合物0. 1~l〇kg/m3。
[0020] 為解決上述技術(shù)問題之二，本發(fā)明的技術(shù)方案如下：上述技術(shù)問題之一的技術(shù)方 案中任一項(xiàng)所述組合物的制備方法，包括以下步驟：
[0021] (a) RCONHR1Nr2R3 的制備
[0022] 采用如下步驟（1)或者步驟（2)進(jìn)行制備：
[0023] (1)以堿為催化劑使RCOOCH3與H2NR1NR 2R3在80~170°C反應(yīng)3~10小時(shí)，其中 RCOOCH3與H2NR1NR2R3的摩爾比為（1. 2~2. 5) :1，除去生成的甲醇即得所述RCONHR1Nr2R3 ;
[0024] (2)以N，N-二甲基甲酰胺為催化劑，二氯亞砜或三鹵化磷與RCOOH反應(yīng)3~10 小時(shí)，其中RCOOH與二氯亞砜或RCOOH與三鹵化磷的摩爾比為（0.9~1) :1，然后加入相當(dāng) 于RC00H1. 2~1. 5倍摩爾量的H2NR1NR2R3，相當(dāng)于RC00H1. 2~1. 5倍摩爾量的三乙胺為縛 酸劑，在30~80°C反應(yīng)3~10小時(shí)，生成所述RCONHR1Nr2R3 ;
[0025] (b)式（I)所述陽離子表面活性劑的制備：RCONHR1Nr2R 3和R4D在50~100°C反應(yīng) 3~10小時(shí)，反應(yīng)得到所述陽離子表面活性劑，反應(yīng)原料中RCONHR1Nr2R3與R 4D的摩爾比為 I : (1. 2 ~2. 5)。
[0026] 為了解決上述技術(shù)問題之三，本發(fā)明的技術(shù)方案如下：上述技術(shù)問題之一所述技 術(shù)方案中任一項(xiàng)所述組合物作為壓裂液減阻劑的應(yīng)用。
[0027] 上述應(yīng)用的方法優(yōu)選使用溫度為10~85°C。本發(fā)明組合物以水溶液的形式使用， 所述陽離子表面活性劑和芳香酸鹽總計(jì)在水溶液中的濃度優(yōu)選為〇. 1~l〇kg/m3。
[0028] 本發(fā)明組合物的降阻率的測(cè)定方法如下：
[0029] 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：
[0030]
[0031] 式中：ΛΡ為配制好的減阻劑流體通過測(cè)試管路時(shí)的壓差，KPa ;
[0032] Λ Ps為清水通過測(cè)試管道時(shí)的壓差，KPa。
[0033] 雷諾數(shù)Re是通過流動(dòng)流體的參數(shù)定義：
[0034]
[0035] 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 量成正比關(guān)系