一种耐高温清洁压裂液用甜菜碱类表面活性剂及其制备和应用的制作方法

：本发明涉及石油开采过程中使用的压裂液体系，尤其涉及一种耐高温清洁压裂液用甜菜碱类表面活性剂及其制备和应用。

背景技术

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背景技术：

1、水力压裂是开发低压、低渗透油藏，解放产能的重要手段，通过压裂施工，具有一定粘度的压裂液，会大大提高压裂施工效率，降低向地层滤失量，产生较宽的裂缝和很好的携砂效果，降低了压裂施工的工艺风险，成为提高压裂施工成功的关键因素。我国目前使用较多的仍为植物胶聚合物压裂液体系，采用的增稠剂主要是天然植物胶，其具有携砂能力强、耐剪切、抗盐性好的特点，成为目前国内90％压裂施工的水基压裂液增稠剂。随着压裂工艺要求的提高和油气藏勘探开采的深入，特别是超低渗透、非常规油气藏开发已经进入我国未来发展的主要方向，压裂目的层埋藏深、井温高、有效渗透率低于毫达西，利用传统的水基压裂液已经不能满足要求。同时传统水基压裂液体系破胶后的水不溶物堵塞岩石裂缝孔隙，对地层造成污染。清洁压裂液(ves)最早由美国传入中国，主要是依靠液体的塑性和结构来携带支撑剂，而不是液体的粘度，其特有的流体性质还能降低摩阻力。清洁压裂液配制简单，对地层伤害小，并且能形成高导流能力的裂缝。由于其形成的蠕虫状胶束与油、气、水均能破胶，几乎无残渣等优点而广泛接受认可，具备携砂强、无污染等诸多优势。

2、在耐高温清洁压裂液体系中，表面活性剂是关键因素之一，不同的分子结构对压裂液的性能具有重要的影响。传统的阳离子季铵盐型、阴离子型和非离子型清洁压裂液在井温大于90℃时携砂性能和抗剪切性能差，在高温深层油藏的应用中受到很大限制。

技术实现思路

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技术实现要素：

1、本发明目的在于克服背景技术中存在的现有使用传统的压裂液在井温大于90℃时携砂性能和抗剪切性能差、在高温深层油藏的应用中受到很大限制的问题，而提供一种耐高温清洁压裂液用甜菜碱类表面活性剂。该甜菜碱表面活性剂在高温条件下具有优异的抗剪切性能、界面性能和渗吸洗油性能。本发明还提供了一种耐高温清洁压裂液用甜菜碱类表面活性剂的制备和应用。

2、为了实现上述目的，本发明第一方面提供一种耐高温清洁压裂液用甜菜碱类表面活性剂，其化学结构式如下；

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4、其中：r＝c12-c24；r1＝r2＝ch3，c2h5，c3h7，c4h9或c5h11。

5、本发明第二方面提供一种耐高温清洁压裂液用甜菜碱类表面活性剂制备方法，包括以下步骤：

6、(1)以脂肪酸甲酯和二取代脲作为原料，经过缩合反应得到n,n-二烷基-1-烷酰胺脲中间体(i)；

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8、(2)将n,n-二烷基-1-烷酰胺脲中间体i与3-氯-2-羟基丙磺酸钠季铵化反应制备得到丙基羟基磺基甜菜碱(ii)。

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10、优选的，所述脂肪酸甲酯和二取代脲的摩尔比为1:1.1。

11、优选的，所述n,n-二烷基-1-烷酰胺脲中间体i与3-氯-2-羟基丙磺酸钠的摩尔比为1:1。

12、优选的，所述步骤1中n,n-二烷基-1-烷酰胺脲中间体(i)的制备方法为:

13、一次性加入氢氧化钠、二取代脲，逐渐升温搅拌至溶解；升温至110℃，平衡加料器滴加脂肪酸甲脂，滴加完毕后，常压110℃下，搅拌反应3h至无甲醇回流分出；降温至70℃，减压-0.03mpa左右，抽真空2h左右，至无甲醇回流分出，降至室温，即得淡黄色固体n,n-二烷基-1-烷酰胺脲(i)；

14、优选的，所述二取代脲和脂肪酸甲脂物质的量比为1.1∶1，氢氧化钠按脂肪酸甲脂质量的1％加料。

15、优选的，所述步骤2中丙基羟基磺基甜菜碱(ii)的制备方法为:

16、在装有回流冷凝器和搅拌器的250ml四口烧瓶中加入一定量3-氯2-羟基丙磺酸钠，调节体系ph值为9～10；加入与3-氯-2-羟基丙磺酸钠等物质量的n,n-二烷基-1-烷酰胺脲(i)，加完后快速升温并搅拌,温度维持在90℃反应8～12h；产物用盐酸中和成中性后蒸干，用石油醚和无水乙醇反复溶解，抽滤后蒸干得到淡黄色固体丙基羟基磺基甜菜碱(ii)。

17、本发明第三方面提供一种耐高温清洁压裂液用甜菜碱类表面活性剂在高温低渗砂岩储层、致密油储层和页岩储层的清洁压裂液中的应用。

18、优选的，所述清洁压裂液的组分按质量百分比配比如下：丙基羟基磺基甜菜碱表面活性剂1％-5％、十二烷基苯磺酸钠0.1％-1.0％、丙三醇1％-6％、氯化钾0.5％-3％，余量为水。

19、优选的，丙基羟基磺基甜菜碱表面活性剂2％-4％，十二烷基苯磺酸钠0.4％-0.8％、丙三醇2％-5％、氯化钾1％-2％。

20、通过对粘弹性表面活性剂作为压裂液增稠剂的机理进行研究，甜菜碱型表面活性剂兼具了阴离子型和阳离子型表面活性剂的耐温性能、界面性能好的优点，改进了传统表面活性剂存在的技术问题，具有粘弹性好、临界胶束浓度低的特点，比传统ves清洁压裂液更抗温。根据表面活性剂聚集缠绕的特性，通过设计并合成出了一种新型丙基羟基磺基甜菜碱甜菜碱型表面活性作为耐高温清洁压裂液使用的增稠剂，优选出配套的助剂，并根据压裂液评价标准开发出适应120℃的耐高温粘弹性表面活性剂压裂液体系。这种新型耐高温压裂液体系沿袭了以往ves体系的低伤害特点，同时还能够以高砂比、低摩阻和较高温度下进行施工，成为可以在高温低渗砂岩油藏、致密油油藏和页岩油藏应用的新型清洁压裂液体系。

21、本发明与上述背景技术相比较可具有如下有益效果：

22、本发明提供的丙基羟基磺基甜菜碱表面活性剂适用于在高温条件下用作清洁压裂液，依靠表面活性剂分子间的疏水作用而聚集形成蠕虫状胶束，胶束互相缠结便可以形成黏弹性胶体，利用反离子盐的电荷屏蔽作用促进胶束的形成和提高胶束体系的稳定性，适合在高温低渗砂岩油藏、致密油藏和页岩油藏中应用。

23、同时，本发明的新型丙基羟基磺基甜菜碱表面活性剂不仅大大地降低了油水界面张力，而且在一定的盐浓度范围内可以生成中相微乳液，微乳液的微纳米级粒径尺寸小与页岩岩心的空隙半径具有良好的匹配关系，能够有效渗入页岩基质中渗吸洗油，提升了渗吸采收率，适合用作低渗砂岩油藏、致密油油藏和页岩储层的清洁压裂液，应用于高温油藏的压裂施工。

技术特征：

1.一种耐高温清洁压裂液用甜菜碱类表面活性剂，其特征在于：其化学结构式如下；

2.一种权利要求1所述的耐高温清洁压裂液用甜菜碱类表面活性剂的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：

3.根据权利要求2所述的一种耐高温清洁压裂液用甜菜碱类表面活性剂的制备方法，其特征在于：所述脂肪酸甲酯和二取代脲的摩尔比为1:1.1。

4.根据权利要求2所述的一种耐高温清洁压裂液用甜菜碱类表面活性剂的制备方法，其特征在于：所述n,n-二烷基-1-烷酰胺脲中间体i与3-氯-2-羟基丙磺酸钠的摩尔比为1:1。

5.根据权利要求2所述的一种耐高温清洁压裂液用甜菜碱类表面活性剂的制备方法，其特征在于：所述步骤1中n,n-二烷基-1-烷酰胺脲中间体(i)的制备方法为:

6.根据权利要求5所述的一种耐高温清洁压裂液用甜菜碱类表面活性剂的制备方法，其特征在于：所述二取代脲和脂肪酸甲脂物质的量比为1.1∶1，氢氧化钠按脂肪酸甲脂质量的1％加料。

7.根据权利要求2所述的一种耐高温清洁压裂液用甜菜碱类表面活性剂的制备方法，其特征在于：所述步骤2中丙基羟基磺基甜菜碱(ii)的制备方法为:

8.如权利要求1所述的一种耐高温清洁压裂液用甜菜碱类表面活性剂在高温低渗砂岩储层、致密油储层和页岩储层的清洁压裂液中的应用。

9.根据权利要求8所述的应用，其特征在于：所述清洁压裂液的组分按质量百分比配比如下：丙基羟基磺基甜菜碱表面活性剂1％-5％、十二烷基苯磺酸钠0.1％-1.0％、丙三醇1％-6％、氯化钾0.5％-3％，余量为水。

10.根据权利要求9所述的应用，其特征在于：丙基羟基磺基甜菜碱表面活性剂2％-4％，十二烷基苯磺酸钠0.4％-0.8％、丙三醇2％-5％、氯化钾1％-2％，余量为水。

技术总结
本发明涉及一种耐高温清洁压裂液用甜菜碱类表面活性剂。主要解决传统清洁压裂液在井温大于90℃时携砂性能和抗剪切性能差，导致在高温油藏中应用受到极大限制的问题。其特征在于：其制备方法包括以下步骤：（1）以脂肪酸甲酯和二取代脲作为原料，经过缩合反应得到N,N‑二烷基‑1‑烷酰胺脲中间体（I）；（2）将N,N‑二烷基‑1‑烷酰胺脲中间体I与3‑氯‑2‑羟基丙磺酸钠季铵化反应制备得到丙基羟基磺基甜菜碱（II）。该甜菜碱表面活性剂在高温条件下具有优异的抗剪切性能、界面性能和渗吸洗油效率，可应用于高温低渗砂岩储层、致密油储层和页岩储层的清洁压裂液。

技术研发人员：朱国文,伍晓林,侯兆伟,陈劼,王海峰,杨勇,郝金生,赵新,王双华
受保护的技术使用者：大庆油田有限责任公司
技术研发日：
技术公布日：2024/7/15