压裂用双季铵盐表面活性剂的合成与性能评价

论文摘要

水力压裂作为一种油气层改造的重要方法,是油气增产、水井增注的有效措施。压裂液性能的好坏直接关系到施工作业的成败,常规水基聚合物压裂液由于破胶不彻底,液体返排率较低,其残渣会堵塞充填层的孔隙,降低裂缝的渗透率,使压裂效果降低甚至无效。而新型的表面活性剂压裂液由于具有独特的流变性,不需要破胶剂,可在地层环境中自行破胶,对地层伤害低等优点,备受国内外油气田科技人员的广泛关注。本文以双季铵盐表面活性剂在压裂液中的应用作为研究主线,主要进行了两方面工作。第一是合成高产率、高纯度的双季铵盐表面活性剂,并筛选出适合作为压裂液的配方,第二是对筛选出来的压裂液配方进行一些性能评价。研究进展如下：1由三种长直链伯胺、甲酸、甲醛、环氧氯丙烷和浓盐酸为原料,合成了3种高产率的2-羟基丙撑连接的双季铵盐型（DQ）表面活性剂（12-3-12、16-3-16和18-3-18）；在混合指示剂溶液中测定了三种目标物中季铵盐阳离子的含量,并得到了相应的纯度。2以12-3-12为例,用单因素和正交实验确定了反应的最佳条件：水作溶剂,原料摩尔比2：1：1.5,反应温度60℃,反应时间3.5h,目标物产率可达到96.27%,并利用IR和1H NMR对目标物进行了结构表征。3目标产物具有很好的表面活性。12-3-12,16-3-16,18-3-18各自的cmc为5.0×104,3.1×10-5,9.1×10-6 mol/L,是对应DTAC的1/32,CTAC的1/29,OTAC的1/31；Ycmc各自是24.8,29.5,32.1 mN/m,比DTAC, CTAC, OTAC分别低12.1,10.6,10.7 mN/m。4考察了主剂、激活剂和温度对DQ水溶液粘度的影响,由此选择出16-3-16和18-3-18作为配制压裂液的主剂,并得到了相应的压裂液配方。5测定了16-3-16和18-3-18两种压裂液体系的流变参数。两个体系均为假塑性流体,压裂液的稠度系数K较大,流动指数n较小,随温度的升高K下降；且18-3-18体系的K大于16-3-16。两种体系还具有良好的剪切稀释特性、恢复性和时间稳定性。6测定了16-3-16和18-3-18两种压裂液体系的耐温性,考察了pH值和矿化度对体系粘度的影响。两种体系具有很好的耐低温性和耐高温性,18-3-18体系还具有很好的温度稳定性；增加表面活性剂的浓度还能提高压裂液体系的最高使用温度；无论在高温还是低温下,其粘度基本上都不随pH值发生变化,与地层水具有良好的配伍性。7通过小幅振荡剪切实验分别测定了16-3-16和18-3-18两种压裂液体系溶液的储能模量G’,损耗模量G"和复合模量G‘,两种体系都具有明显的粘弹性。8测定了16-3-16和18-3-18压裂液体系的悬砂性能。虽然聚合物溶液的粘度更高,但支撑剂在两压裂液体系中的静态沉降速度却更低,两类压裂液的悬浮机理有所不同。9测定了16-3-16和18-3-18压裂液体系的破胶性。两体系遇油水后均自发破胶,水化液的粘度分别小于3mPa·s和2mPa-s；破胶液表面张力和界面张力都很低,无残渣。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 文献综述
• 1.1 水力压裂的发展概况
• 1.2 压裂液的发展史
• 1.2.1 压裂液的概况
• 1.2.2 压裂液的作用
• 1.2.3 压裂液的基本性能
• 1.2.4 常用压裂液体系
• 1.3 新型压裂液
• 1.3.1 聚丙烯酰胺水基冻胶压裂液
• 1.3.2 低聚合物压裂液
• 1.3.3 醇基压裂液
• 1.3.4 无聚合物压裂液
• 1.4 粘弹性表面活性剂压裂液
• 1.4.1 粘弹性表面活性剂压裂液的国内外研究现状
• 1.4.2 粘弹性表面活性剂压裂液的作用机理
• 1.5 双季铵盐表面活性剂
• 1.5.1 双季铵盐表面活性剂的结构
• 1.5.2 双季铵盐表面活性剂的发展史
• 1.6 论文的选题背景及主要研究内容
• 1.6.1 选题背景
• 1.6.2 主要研究内容
• 第二章 DQ表面活性剂的合成与结构表征
• 2.1 实验试剂和仪器
• 2.2 DQ表面活性剂的合成
• 2.2.1 合成原理与反应方程式
• 2.2.2 合成实验方法
• 2.3 目标物产率的计算
• 2.4 目标物的纯度分析
• 2.4.1 测定原理
• 2.4.2 实验试剂
• 2.4.3 实验仪器
• 2.4.4 实验方法
• 2.4.5 计算方法
• 2.4.6 活性物含量测定结果
• 2.5 反应条件对目标物产率的影响
• 2.5.1 单因素实验
• 2.5.2 正交实验
• 2.5.3 最佳反应条件下的重复实验
• 2.6 DQ表面活性剂的结构表征
• 2.6.1 目标物的红外光谱分析
• 1HNMR）分析'>2.6.2 目标物的核磁共振氢谱（¹HNMR）分析
• 2.7 本章小结
• 第三章 DQ表面活性剂的性能测定和压裂液的配方筛选
• 3.1 DQ表面活性剂的性能测定
• 3.1.1 溶解性能
• 3.1.2 表面活性
• 3.1.3 表面活性剂分子聚集体的电性
• 3.2 DQ表面活性剂压裂液体系的配方筛选
• 3.2.1 DQ表面活性剂浓度对压裂液粘度的影响
• 3.2.2 激活剂对压裂液粘度的影响
• 3.2.3 温度的影响
• 3.3 本章小结
• 第四章 DQ表面活性剂压裂液的性能评价
• 4.1 DQ表面活性剂压裂液的流变性
• 4.1.1 流变学基础
• 4.1.2 DQ表面活性剂压裂液流变参数的测定
• 4.1.3 DQ压裂液的剪切稀释性和恢复性
• 4.1.4 DQ压裂液的时间稳定性
• 4.1.5 DQ压裂液的耐温性
• 4.1.6 PH值对DQ压裂液粘度的影响
• 4.1.7 矿化度对DQ压裂液粘度的影响
• 4.2 DQ表面活性剂压裂液的粘弹性
• 4.2.1 粘弹性基础
• 4.2.2 DQ表面活性剂压裂液的粘弹性测定
• 4.3 DQ表面活性剂压裂液的悬砂性能
• 4.3.1 实验样品
• 4.3.2 实验仪器
• 4.3.3 实验方法
• 4.3.4 实验结果与讨论
• 4.4 DQ表面活性剂压裂液的破胶性能
• 4.4.1 破胶液粘度的测定
• 4.4.2 破胶液表面张力和油水界面张力的测定
• 4.4.3 DQ表面活性剂压裂液残渣含量的测定
• 4.5 本章小结
• 第五章 结论与建议
• 5.1 结论
• 5.2 建议
• 致谢
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表的论文及科研成果