水基压裂液减阻剂组合物的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及水基压裂液减阻剂的组合物合成以及所述组合物作为压裂液减阻剂 的应用。
【背景技术】
[0002] 页岩气藏普遍属于超低孔、低渗储层，渗透率比致密碎屑岩气藏的渗透率还要低 2-3个数量级，针对此类气藏，压裂改造是勘探开发的重要手段。适用于开采低渗、低孔非常 规储层的压裂技术在页岩气藏开采中得到了越来越多的应用。然而，注入水受到管道以及 岩石层中流动剪切应力的阻碍，流体排量会大大降低。有效降低液体的摩阻可以减少对设 备的需求，在一定程度上降低施工成本。因此，为了减低摩阻，滑溜水压裂液中一般需要加 入减阻剂添加剂。
[0003] 最早的水基减阻剂是聚合物，但是溶液聚合物产物本身粘度大，聚合物含量低，溶 解时间长，化学性质不稳定，因此给运输和使用带来了极大的不变。最关键的是，聚合物减 阻剂高分子减阻剂一般为线性分子，分子量大于50万，但是在强剪切力、高温等因素的作 用下，长链结构将被破坏，并且无法修复。因此，能够形成蠕虫状胶束的表面活性剂减阻剂 引起了广泛的关注。而且表面活性剂可以有效减少注入流体与储层流体、岩石之间的接触 角和表面张力，降低减阻水在页岩储层中流动的毛细管力，进而提高压裂效果。
[0004] 表面活性剂蠕虫状胶束在低雷诺系数下(小于IO4)以一种无序排列的方式存在于 水溶液中，对流动剪切几乎没有作用。在高雷诺系数下(大于1〇4)，胶束的定向排列导致了 非常明显的减阻效果。而在更高的雷诺系数下(大于1〇5)，高剪切应力破坏了蠕虫状胶束， 减阻效果快速降低。表面活性剂体系具有明显减阻效果的雷诺系数范围取决于很多因素， 比如：总浓度、配比、表面活性剂疏水链长等等。
[0005] 大量文献表明，阳离子表面活性剂和有机盐混合体系容易形成蠕虫状胶束。其 中一些体系有效运用到管道的热交换应用中（美国专利号：US4705860,名称，quaternary ammonium salts and their use as drag reduction agents),但是大部分阳离子表面活 性剂/有机盐体系，比如十六烷基三甲基溴化铵/水杨酸钠体系不适用于低温体系，在20°C 或更低温度时容易析出失去减阻效果。现在我们合成了带有酰胺基团的阳离子表面活性 剂，发现该类型的表面活性剂水溶性好，耐高温性好，和有机盐的复配可以有效提高水基体 系的减阻率。
【发明内容】
[0006] 本发明所要解决的技术问题之一是现有技术中存在的减阻剂降阻率低的问题，提 供一种水基压裂液减阻剂组合物，该组合物用于水基压裂液减阻剂具有降阻率高的优点。
[0007] 本发明所要解决的技术问题之二是上述技术问题之一所述组合物的制备方法。
[0008] 本发明所要解决的技术问题之三是上述技术问题之一所述组合物作为压裂液减 阻剂的应用。
[0009] 为了解决上述技术问题之一，本发明的技术方案如下：水基压裂液减阻剂组合物， 包括式（I)所述的阳离子表面活性剂和芳香酸盐；所述芳香酸盐选自式（II)或者式（III) 所示的芳香酸盐中的至少一种；其中，R是含有8~24个碳原子的饱和或不饱和脂族基，R1是1~4个碳原子的亚烷基，R2和R3独立选自1~4个碳原子的烷基或者2~4个碳原子 的羟烷基，R4是1~4个碳原子的烷基或者苄基，D为氯离子、溴离子或者碘离子；R5和R 6独立选自一 SO3M或一 C00G，M和G独立选自H、碱金属或NH4 ;X选自H或者C1~C4的烷基； Y和Z独立取自H、氟、氯、溴、碘、OH ;
[0010]
[0011] 所述阳离子表面活性剂与所述芳香酸盐的重量比为1:1~1:50。
[0012] 上述技术方案中，R1优选2~3个碳原子的亚烷基。
[0013] 上述技术方案中，R4优选甲基、乙基、丙基或苄基。
[0014] 上述技术方案中，所述芳香酸盐优选自苯甲酸盐、苯磺酸盐、卤代苯甲酸盐、卤代 苯甲酸盐、羟基取代苯甲酸盐或羟基取代苯磺酸盐中的至少一种。
[0015] 上述技术方案中，1?5和R6优选自一C00G。
[0016] 上述技术方案中，最优的技术方案是：水基压裂液减阻剂组合物，包括式（I)所述 的阳离子表面活性剂和芳香酸盐；所述芳香酸盐选自式（II)或者式（III)所示的芳香酸盐 中的至少一种；其中，R是含有12~24个碳原子的饱和或不饱和脂族基，R1是1~4个碳 原子的亚烷基，R2和R3独立选自1~4个碳原子的烷基或者2~4个碳原子的羟烷基，R 4是苄基，D为氯离子、溴离子或者碘离子；R5和R6为一 C00G，G选自H、碱金属或NH4 ;X选自 H或者C1~C4的烷基；Y和Z中仅一个为0H，Y和Z中另外一个取自H、氟、氯、溴、碘。此时 最商减阻率可维持在70%以上。
[0017] 上述技术方案中，所述组合物优选包括水，其中所述阳离子表面活性剂和芳香酸 盐总计优选占所述组合物0. 1~l〇kg/m3。
[0018] 本发明的组合物为便于储运可以以固体形式供应，为便于现场使用也可以水溶的 形式供应。本发明组合物还可以包括本领域常用的其它组份，例如粘土稳定剂、杀菌剂、阻 垢剂、pH调节剂、抗滤失剂、破乳剂等等。
[0019] 当本发明采用水溶液形式时，可以采用浓溶液的形式，当使用时稀释即可，或者优 选直接配成现场使用的浓度，现场使用的浓度优选所述阳离子表面活性剂和芳香酸盐总计 占所述组合物0. 1~l〇kg/m3。
[0020] 为解决上述技术问题之二，本发明的技术方案如下：上述技术问题之一的技术方 案中任一项所述组合物的制备方法，包括以下步骤：
[0021] (a) RCONHR1Nr2R3 的制备
[0022] 采用如下步骤（1)或者步骤（2)进行制备：
[0023] (1)以碱为催化剂使RCOOCH3与H2NR1NR 2R3在80~170°C反应3~10小时，其中 RCOOCH3与H2NR1NR2R3的摩尔比为（1. 2~2. 5) :1，除去生成的甲醇即得所述RCONHR1Nr2R3 ;
[0024] (2)以N，N-二甲基甲酰胺为催化剂，二氯亚砜或三卤化磷与RCOOH反应3~10 小时，其中RCOOH与二氯亚砜或RCOOH与三卤化磷的摩尔比为（0.9~1) :1，然后加入相当 于RC00H1. 2~1. 5倍摩尔量的H2NR1NR2R3，相当于RC00H1. 2~1. 5倍摩尔量的三乙胺为缚 酸剂，在30~80°C反应3~10小时，生成所述RCONHR1Nr2R3 ;
[0025] (b)式（I)所述阳离子表面活性剂的制备：RCONHR1Nr2R 3和R4D在50~100°C反应 3~10小时，反应得到所述阳离子表面活性剂，反应原料中RCONHR1Nr2R3与R 4D的摩尔比为 I : (1. 2 ~2. 5)。
[0026] 为了解决上述技术问题之三，本发明的技术方案如下：上述技术问题之一所述技 术方案中任一项所述组合物作为压裂液减阻剂的应用。
[0027] 上述应用的方法优选使用温度为10~85°C。本发明组合物以水溶液的形式使用， 所述阳离子表面活性剂和芳香酸盐总计在水溶液中的浓度优选为〇. 1~l〇kg/m3。
[0028] 本发明组合物的降阻率的测定方法如下：
[0029] 压裂液减阻剂的减阻率使用流动回路摩阻测试系统进行测试得到。实验测试水基 溶液在长为3米内径为1/2英寸的不锈钢圆管内随着流速变化的压差变化。在进行湍流减 阻流动研究时，测得湍流减阻流动的范宁摩擦系数随雷诺数的变化结果后，通过与相同雷 诺数下的水的范宁摩擦系数做比较得到减阻率的大小。减阻率DR公式如下，由压差数据获 得：
[0030]
[0031] 式中：ΛΡ为配制好的减阻剂流体通过测试管路时的压差，KPa ;
[0032] Λ Ps为清水通过测试管道时的压差，KPa。
[0033] 雷诺数Re是通过流动流体的参数定义：
[0034]
[0035] μ为溶剂粘度，P为流体的密度，Q为流体流量，D为管道内径，因此雷诺数与流 量成正比关系