表面活性剂、清洁压裂液及其制备方法

表面活性剂、清洁压裂液及其制备方法
【专利摘要】本发明公开了一种表面活性剂、清洁压裂液及其制备方法，表面活性剂为溴代1-甲基-4-烷基咪唑，其分子式：C26H59N2Br，结构式为：清洁压裂液包括以下重量份数的原料：表面活性剂5.60-10.50份、活化剂0.15-0.40份、反离子1.00-2.00份、以及水87.10-93.25份。本发明的表面活性剂，制备方法简单，反应条件温和，反应产率高；本发明的清洁压裂液，通过上述表面活性剂及活化剂、反离子和水按一定重量份数制成，成本低，制作简单，耐高温性好，可达到140℃，适用于不同区域的水；且该清洁压裂液与地层水配伍性好，可以克服和降低二次沉淀造成的伤害。
【专利说明】表面活性剂、清洁压裂液及其制备方法

【技术领域】
[0001]本发明涉及一种清洁压裂液，尤其涉及一种可用于清洁压裂液的表面活性剂、清洁压裂液及其制备方法。

【背景技术】
[0002]清洁压裂液以其一系列优良的性能而被人们所熟知，并且国内各油田已经在这方面做了大量基础性研究工作，同时也取得了较好的现场应用结果。但是清洁压裂液耐温性能较差这一难题一直限制了其适应范围。国内研究在中低温层次的比较多，而耐高温的清洁压裂液虽有研究报导(未超过120°C)，但是成功应用的不多。国外虽有高温的应用例子，但适用温度最高为135°C，还未有超过140°C的应用。


【发明内容】

[0003]本发明要解决的一技术问题在于，提供一种可用于清洁压裂液的表面活性剂。
[0004]本发明要解决的另一技术问题在于，提供一种耐高温的清洁压裂液及其制备方法。
[0005]本发明解决其一技术问题所采用的技术方案是:提供一种表面活性剂，该表面活性剂为溴代1-甲基-4-烷基咪唑，其分子式=C26H59N2Br,结构式为:
[0006]
—一 I
HqC.* I *
/C22H45
N 'N
\ IBr







9
[0007]该表面活性剂由以下方法制得:称取N-甲基咪唑并转移到含有乙酸乙酯的圆底烧瓶中；称取溴代烷烃置于滴液漏斗中，在加热搅拌回流下将所述溴代烷烃逐滴加入所述烧瓶中，与所述N-甲基咪唑、乙酸乙酯形成混合物；滴加完毕之后对混合物进行回流，直至所述混合物呈粘稠的浅黄色且无明显分层；将装有所述混合物的所述烧瓶置于低温下冷冻，析出白色固体产物；然后将所述混合物的上层液体倒出，再加入乙酸乙酯加热使所述固体产物溶解，再冷冻；反复多次后，在旋转蒸发器里减压蒸馏，获得白色固体产物并置于真空干燥箱中，高温干燥后冷却至室温，即得表面活性剂。
[0008]在本发明的表面活性剂中，所述溴代烷烃为溴代二十二烷；滴加所述溴代烷烃时控制滴速为每分钟一滴；加热搅拌回流的加热温度为80°C ±2°C ;所述混合物的回流时间为24-48h ;高温干燥的温度为70-80°C，干燥时间为12_24h
[0009]本发明解决其另一技术问题所采用的技术方案是:提供一种清洁压裂液，包括以下重量份数的原料:上述的表面活性剂5.60-10.50份、活化剂0.15-0.40份、反离子1.00-2.00 份、以及水 87.10-93.25 份。
[0010]在本发明的清洁压裂液中，该清洁压裂液包括以下重量份数的原料:表面活性剂
6.00份、活化剂0.20份、反离子1.50份、以及水92.30份。
[0011]在本发明的清洁压裂液中，所述活化剂为用于络合水中高价金属离子的高效络合剂。
[0012]在本发明的清洁压裂液中，所述活化剂为乙二胺四乙酸二钠。
[0013]在本发明的清洁压裂液中，所述反离子为水杨酸钠。
[0014]本发明还提供一种上述清洁压裂液的制备方法，包括如下步骤:
[0015]将87.10-93.25重量份的水、0.15-0.40重量份的活化剂以及5.60-10.50重量份的表面活性剂混合制得基液；
[0016]将1.00-2.00重量份的反离子加入到所述基液中，混合即得清洁压裂液。
[0017]在本发明的清洁压裂液的制备方法中，在所述基液制备中，先将所述重量份数的水加入带有磁力搅拌器的烧杯中，开动搅拌器并以500rpm转速搅拌，然后于常温条件下依次加入所述重量份数的活化剂、表面活性剂，待溶胀完全后，制得所述基液。
[0018]实施本发明具有以下有益效果:本发明的表面活性剂，制备方法简单，反应条件温和，且反应产率高；本发明的清洁压裂液，通过上述表面活性剂及活化剂、反离子和水按一定重量份数制成，成本低，制作简单，耐高温性好，可达到140°C，适用于不同区域的水；且该清洁压裂液与地层水配伍性好，可以克服和降低二次沉淀造成的伤害。

【具体实施方式】
[0019]本发明的表面活性剂，为溴代1-甲基-4-烷基咪唑，其分子式=C26H59N2Br,其结构式为:
[0020]
r~—? I
ΓI +
|3C/C22H45
N xN
\ IBr'
X=J
L_」ο
[0021]该溴代1-甲基-4-烷基咪唑为季铵盐结构的表面活性剂，与常规表面活性剂相t匕，其侧链更长，疏水性更大，使得CMC(临界胶束浓度)值更低，耐温性增加。另外，其咪唑头基的亲水性较常规表面活性剂高，故水溶性也较好。
[0022]上述表面活性剂由以下方法制得:称取N-甲基咪唑并转移到含有乙酸乙酯的圆底烧瓶中；称取溴代烷烃置于滴液漏斗中，在加热搅拌回流下将溴代烷烃逐滴加入烧瓶中，与所述N-甲基咪唑、乙酸乙酯形成混合物；滴加完毕之后对混合物进行回流，直至混合物呈粘稠的浅黄色且无明显分层；将装有混合物的烧瓶置于低温下冷冻，析出白色固体产物；然后将混合物的上层液体倒出，再加入乙酸乙酯加热使固体产物溶解，再冷冻；反复多次如5次后，在旋转蒸发器里减压蒸馏，获得白色固体产物并置于真空干燥箱中，高温干燥后冷却至室温，即得表面活性剂。
[0023]其中，溴代烷烃为溴代二十二烷；滴加时控制滴速为每分钟一滴；加热搅拌回流的加热温度为80°C ±2°C;混合物的回流时间根据加热温度调节，如24-48h ;高温干燥时间根据温度调节，干燥温度可为70-80°C，干燥时间可为12-24h ;上述各种温度和时间可根据实际操作适当增减。
[0024]上述的表面活性剂制备方法，相较于现有技术中的条件苛刻的制备方法，简单、反应条件温和且反应产率高。
[0025]本发明的清洁压裂液，包括以下重量份数的原料:表面活性剂5.60-10.50份、活化剂0.15-0.40份、反离子1.00-2.00份、以及水87.10-93.25份。其中表面活性剂采用上述的表面活性剂。
[0026]该清洁压裂液优选包括以下重量份数的原料:表面活性剂6.00份、活化剂0.20份、反尚子1.50份、以及水92.30份。
[0027]其中，活性剂为用于络合水中高价金属离子的高效络合剂；活化剂在清洁压裂液中，将钙镁离子等高价金属离子络合，避免高价金属离子在压裂液中对表面活性剂产生聚沉作用。该活化剂可为乙二胺四乙酸二钠、二巯基丙醇、二巯基丙烷磺酸钠或巯基乙胺等；优选地，该活化剂为乙二胺四乙酸二钠。适当重量份数的活化剂保证了压裂液的粘度，活化剂过少会使得压裂液的粘度下降。
[0028]在清洁压裂液中，反离子的作用是促使压裂液中表面活性剂的胶束结构向线状或网状结构转变，进而增加压裂液粘度。过少的反离子无法达到增粘的作用，过多则会使胶束结构崩裂，使表面活性剂胶束由线状变成球状，从而失去粘度。反离子可为苯甲酸钠、水杨酸钠、邻苯二甲酸氢钾、间羧基苯磺酸钠以及磺基水杨酸钠中的一种或多种；反离子优选为水杨酸钠。表面活性剂的使用重量份数可根据纯度增减；根据表面活性剂重量份数的适当增多，压裂液的耐温性相应提高。
[0029]本发明的清洁压裂液的制备方法包括如下步骤:
[0030]将87.10-93.25重量份的水、0.15-0.40重量份的活化剂以及5.60-10.50重量份的表面活性剂混合制得基液；
[0031]将1.00-2.00重量份的反离子加入到所述基液中，混合即得清洁压裂液。
[0032]其中，在基液制备中，先将水加入带有磁力搅拌器的烧杯中，开动搅拌器并以500rpm转速搅拌，然后于常温条件下依次加入活化剂、表面活性剂，待溶胀完全后，制得基液。然后再将反离子加入烧杯中与基液混合在一起，即得清洁压裂液。
[0033]以下结合具体实施例对本发明作进一步说明。
[0034]首先制备表面活性剂:称取41.5gN-甲基咪唑，转移到含有300ml乙酸乙酯的圆底烧瓶中，称取1.1mol的溴代二十二烷置于滴液漏斗中，在80±2°C搅拌回流下逐滴加入溴代二十二烷，控制滴速为每分钟一滴；滴加完毕之后对混合物进行回流24-48h。随着反应的进行，混合物颜色逐渐变深，反应结束后可观察到溶液呈粘稠的浅黄色，但无明显分层，将烧瓶置于低温下冷冻，产物则以白色固体析出。然后将上层液体倒出，再加入200ml乙酸乙酯加热使其溶解，再冷冻。如此反复，经过5次洗涤之后，在旋转蒸发器里减压蒸馏，除去大部分溶剂，将所得的含微量溶剂的白色固体产物置于真空干燥箱中，70-80°C干燥12-24h，冷却至室温后取出备用。
[0035]根据上述各原料重量份数制得的表面活性剂理论产量为579.5g，而实际产量为558g，产率为96.3%，从而可知产率高。
[0036]实施例1:
[0037]用量筒量取87.1ml水倒入带有磁力搅拌器的烧杯中，开动搅拌器并以约500rpm转速搅拌，然后于常温条件下依次加入0.40g的活化剂、10.50g的表面活性剂，待溶胀完全后(约30分钟)，向烧杯中添加2.0Og反离子，反应持续至使配制成的压裂液具有良好的粘弹性。
[0038]实施例2:
[0039]用量筒量取92.3ml水倒入带有磁力搅拌器的烧杯中，开动搅拌器并以约500rpm转速搅拌，然后于常温条件下依次加入0.2g的活化剂、6g的表面活性剂，待溶胀完全后(约30分钟)，向烧杯中添加1.5g反离子，反应持续至使配制成的压裂液具有良好的粘弹性。
[0040]实施例3:
[0041]用量筒量取93.25ml水倒入带有磁力搅拌器的烧杯中，开动搅拌器并以约500rpm转速搅拌，然后于常温条件下依次加入0.15g的活化剂、5.60g的表面活性剂，待溶胀完全后(约30分钟)，向烧杯中添加1.0Og反离子，反应持续至使配制成的压裂液具有良好的粘弹性。
[0042]上述实施例1-3中，活化剂采用乙二胺四乙酸二钠，反离子采用水杨酸钠。
[0043]性能评价:
[0044]按照SY/T6376-2008《压裂液通用技术条件》对本发明实施例1_3制得的清洁压裂液及常规的清洁压裂液进行性能评价:采用RS-6000流变仪，在140°C、170s-l剪切速率下剪切lh，测定高温清洁压裂液性能；破胶方式采用地层水稀释或者地层原油、烃类物质等自动破胶。常规的清洁压裂液:按照本领域的常规方法制得，作为比较例。
[0045]表1、本发明实施例1-3清洁压裂液与比较例的清洁压裂液性能对比
[0046]
初始凝I父粘度30分钟后粘度I小时后粘度破胶jS粘度
—/mPa.S/mPa.SW S/mPa.s —
实施伊『 355144 — 107 _ 2.8 清澈透明_
实施例T 387164 一 115 — 2.9 清澈透明
实施例1 406170 — 124 — 3.1 清澈透明比较例M 8117413 9
________Y牟浊
[0047]从表I数据结果显示，本发明的清洁压裂液初始粘度和Ih剪切后粘度比常规清洁压裂液体系大，表明本发明的清洁压裂液的抗温性能、抗剪切性能比常规清洁压裂液好。且破胶后体系状态描述显示，本发明的清洁压裂液对稳定高价金属、变价金属，防止二次沉淀伤害比常规压裂液好。
[0048]将实施例1-3制得的清洁压裂液与地层水(采用惠州24-7区块的地层水以及冀东地层水)进行配伍性试验:按SY/T6376-2008《压裂液通用技术条件》之粘弹性表面活性剂压裂液通用技术指标中压裂液与地层流体配伍性测定方法，测定压裂液破胶液与惠州25-7区块地层水作用能否产生沉淀。试验结果见表2和表3。
[0049]表2、实施例1-3清洁压裂液破胶液与惠州24-7区块的地层水配伍性结果
[0050]
+Λ FtI 压裂液破胶液、、,日_/
Hf 地层水体积imcI现象

B匕惠州25-72:19524 无沉淀、不分层，溶液清澈、透明。
区块地层 1:2 — 95 — 24 无沉淀、不分层，溶液清澈、透明。_水 1:1 95 24 I无沉淀、不分层，溶液清澈、透明。备注:惠州25-7区块地层水矿化度3700,破胶液表观粘度1.88nim2/s,表面张力_=24.64niN/m,破胶液界面张力=L 62mN/m0_
[0051]表3、实施例1-3清洁压裂液破胶液与冀东地层水配伍性结果
[0052]
地层水~压裂液破胶液与温度/ 时间/ ■兔名称地层水体积比 °C h__^_
F=.2:195 24 无沉淀、不分层，溶液清澈、透明。
異东地层----
水1:2__95 24 无沉淀、不分层，溶液清澈、透明。
__1:1 I 95 I 24丨无沉淀、不分层，溶液清澈、透明备注:冀东地层水矿化度4100，破胶液表观粘度1.9ImPa.s,表面张力=25.77wN/m，破胶
_液界面张力=1.48mN/m。_
[0053]从上述表2、3结果可知，得出清洁压裂液破胶液与地层水的配伍性良好，可以克服和降低二次沉淀造成的伤害。且表明压裂液采用的添加剂性能优良，符合SY/T6376-2008《压裂液通用技术条件》之粘弹性表面活性剂压裂液通用技术指标要求。
[0054]以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的【技术领域】，均同理包括在本发明的专利保护范围内。
【权利要求】
1.一种表面活性剂,其特征在于,该表面活性剂为溴代1-甲基-4-烷基咪唑，其分子式=C26H59N2Br,结构式为:r一 + i \Sx ζI NH； I \ /Br-1L.......................J 该表面活性剂由以下方法制得:称取N-甲基咪唑并转移到含有乙酸乙酯的圆底烧瓶中；称取溴代烷烃置于滴液漏斗中，在加热搅拌回流下将所述溴代烷烃逐滴加入所述烧瓶中，与所述N-甲基咪唑、乙酸乙酯形成混合物；滴加完毕之后对混合物进行回流，直至所述混合物呈粘稠的浅黄色且无明显分层；将装有所述混合物的所述烧瓶置于低温下冷冻，析出白色固体产物；然后将所述混合物的上层液体倒出，再加入乙酸乙酯加热使所述固体产物溶解，再冷冻；反复多次后，在旋转蒸发器里减压蒸馏，获得白色固体产物并置于真空干燥箱中，高温干燥后冷却至室温，即得表面活性剂。
2.根据权利要求1所述的表面活性剂，其特征在于，所述溴代烷烃为溴代二十二烷；滴加所述溴代烷烃时控制滴速为每分钟一滴；加热搅拌回流的加热温度为80°C ±2°C ;所述混合物的回流时间为24-48h ;高温干燥的温度为70-80°C，干燥时间为12_24h。
3.一种清洁压裂液，其特征在于，包括以下重量份数的原料:权利要求1-2任一项所述的表面活性剂5.60-10.50份、活化剂0.15-0.40份、反离子1.00-2.00份、以及水87.10-93.25 份。
4.根据权利要求3所述的清洁压裂液，其特征在于，该清洁压裂液包括以下重量份数的原料:表面活性剂6.00份、活化剂0.20份、反离子1.50份、以及水92.30份。
5.根据权利要求3所述的清洁压裂液，其特征在于，所述活化剂为用于络合水中高价金属离子的高效络合剂。
6.根据权利要求5所述的清洁压裂液，其特征在于，所述活化剂为乙二胺四乙酸二钠。
7.根据权利要求3所述的清洁压裂液，其特征在于，所述反离子为水杨酸钠。
8.—种权利要求3-7任一项所述的清洁压裂液的制备方法，其特征在于，包括如下步骤: 将87.10-93.25重量份的水、0.15-0.40重量份的活化剂以及5.60-10.50重量份的表面活性剂混合制得基液； 将1.00-2.00重量份的反离子加入到所述基液中，混合即得清洁压裂液。
9.根据权利要求8所述的清洁压裂液的制备方法，其特征在于，在所述基液制备中，先将所述重量份数的水加入带有磁力搅拌器的烧杯中，开动搅拌器并以500 rpm转速搅拌，然后于常温条件下依次加入所述重量份数的活化剂、表面活性剂，待溶胀完全后，制得所述基液。
【文档编号】C09K8/68GK104128121SQ201410357341
【公开日】2014年11月5日 申请日期:2014年7月24日 优先权日:2014年7月24日
【发明者】韦红术, 张俊斌, 张伟国, 魏裕森, 王杏尊, 郭布民, 鲍文辉, 黄杰 申请人:中国海洋石油总公司, 中海石油(中国)有限公司深圳分公司, 中海油田服务股份有限公司