新型優(yōu)質(zhì)抗鹽降阻劑的研制及評價

李春穎，張志全，林飛，盛 萍，陳曉宇

（1. 長江大學(xué)，湖北 武漢 430100； 2. 新疆油田分公司，新疆 克拉瑪依 834008）

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新型優(yōu)質(zhì)抗鹽降阻劑的研制及評價

李春穎1，張志全1，林飛1，盛 萍2，陳曉宇1

（1. 長江大學(xué)，湖北 武漢 430100； 2. 新疆油田分公司，新疆 克拉瑪依 834008）

摘 要：針對現(xiàn)有的降阻劑抗鹽性能較差的問題，研制出一種新型表面活性劑類抗鹽降阻劑。該降阻劑采用陰-陽離子表面活性劑復(fù)配而成，主表面活性劑為雙子季銨鹽陽離子表面活性劑，助表面活性劑為長碳鏈有機(jī)胺聚氧乙烯醚羧酸。室內(nèi)實(shí)驗(yàn)表明，新型降阻劑抗鹽性能良好，加量0.04%時，在標(biāo)準(zhǔn)鹽水配制的溶液中降阻率可達(dá)63.95%。在四川地區(qū)的現(xiàn)場施工也取得較好效果，加量0.06%時，平均降阻率可達(dá)78.8%。

關(guān) 鍵 詞：降阻劑；抗鹽；研制；表面活性劑；合成；評價

四川地區(qū)非常規(guī)氣藏壓裂返排液中的Ca2+、Mg2+、Cl-和總礦化度對降阻水體系的性能有一定影響，而室內(nèi)測試結(jié)果表明現(xiàn)有的降阻劑在鹽水中的降阻率大幅下降，滿足不了返排液的配置要求，因此需要研制新型抗鹽降阻劑，實(shí)現(xiàn)非常規(guī)壓裂返排液的重復(fù)利用。

現(xiàn)有的降阻劑主要采用高聚物，但是高聚物存在降解問題，在高剪切的機(jī)械作用下，降阻效果迅速下降，此外，高分子聚合物降阻劑的另一個缺點(diǎn)在于容易吸附到儲層壁面上，造成水鎖傷害。除了具備傳統(tǒng)聚合物的優(yōu)良特點(diǎn)外［1］，表面活性劑降阻劑還有以下三方面的優(yōu)勢：一是降阻性能優(yōu)良；二是具有較高的抗剪切能力；三是可以有效降低壓裂液的表面張力，抑制水鎖傷害。

本項(xiàng)目研制的降阻劑為達(dá)到較高的降阻效果和減少原料成本目的，采用兩種表面活性劑復(fù)配［2］的形式進(jìn)行研制，在相關(guān)理論研究成果指導(dǎo)下通過實(shí)驗(yàn)室研制出了具有良好粘彈性能及鹽水中降阻性能的表面活性劑降阻體系。

1 主表面活性劑的制備

1.1 實(shí)驗(yàn)原料及儀器（表1）

表1 制備主劑實(shí)驗(yàn)原料及儀器Table 1 Materials and equipments for main agent

1.2 合成路線（圖1）

圖1 主表面活性劑合成路線圖Fig.1 Roadmap for main surfactant

α，ω-亞烷基胺二甲基胺和1-溴代烷在溶劑中加熱回流，進(jìn)行季銨化反應(yīng)，合成連接基團(tuán)為2的m-s-m型雙子季銨鹽陽離子表面活性劑［3-9］。

1.3 制備方法

按摩爾比為2.1～2.2∶1的比例在裝有冷凝管和攪拌裝置的l 000 mL玻璃反應(yīng)裝置中加入1，4-二溴丁烷與十六烷基二甲基叔胺，再加入一定量的異丙醇，開啟攪拌和加熱電源，調(diào)節(jié)反應(yīng)溫度在82～85℃之間，等待回流反應(yīng)40 h。反應(yīng)結(jié)束后將反應(yīng)液置于旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)器中，蒸發(fā)掉溶劑得到表面活性劑粗品（淡黃色蠟狀物），然后用丙酮重結(jié)晶2～3次，所得結(jié)晶物在真空烘箱內(nèi)于50 ℃條件下干燥12 h，得到白色粉末成品，送紅外檢測并性能測試。

1.4 紅外結(jié)構(gòu)表征

將適量產(chǎn)品放入瑪瑙研缽，按產(chǎn)品：KBr（質(zhì)量比）為1∶100的比例加入一定量的KBr，研磨成細(xì)粉狀后壓片，將壓好的片放入紅外測試儀中測試。合成產(chǎn)物的紅外圖譜如圖2所示。

圖2 主表面活性劑紅外光譜圖Fig.2 Main surfactant IR spectrogram

由圖2可知：2 917、2 850 cm-1處分別為甲基、亞甲基 C-H 鍵的對稱伸縮振動頻率；1 050 cm-1為C-N 鍵伸縮振動頻率；1 486 cm-1為甲基和亞甲基的反對稱彎曲振動頻率；720 cm-1為長鏈亞甲基-（CH2）n-（n≥4）的-CH2-平面的搖擺振動頻率。譜圖中 3 410～3 500 cm-1處的吸收峰是由于產(chǎn)品吸濕性很強(qiáng)，在制備及儲存過程中樣品吸收空氣中的水分導(dǎo)致的。證明合成的產(chǎn)品確實(shí)為雙子季銨鹽陽離子表面活性劑。

2 助表面活性劑的制備

2.1 實(shí)驗(yàn)原料（表2）

表2 制備助表面活性劑實(shí)驗(yàn)原料Table 2 Materials for co-surfactant

2.2 合成路線

助表面活性劑采用長碳鏈有機(jī)胺聚氧乙烯醚羧鹽，結(jié)構(gòu)通式為：

反應(yīng)方程式如下：

步驟一：

步驟二：

2.3 制備方法

目標(biāo)化合物以長碳鏈脂肪胺為起始劑，經(jīng)過乙氧基化、羧甲基化等步驟合成。

（1）脂肪胺氧乙烯醚的合成

在反應(yīng)釜中加入適量的長碳鏈脂肪胺和少量的KOH水溶液，加熱至90 ℃后抽真空，脫水60 min后，氮?dú)獯祾呦到y(tǒng)4次，升溫至130 ℃，通入計算量的EO進(jìn)行聚合反應(yīng)，聚合反應(yīng)時壓力控制在0.30～0.35 MPa之間，溫度控制在125～135 ℃之間，物料加完待體系壓力不變后，繼續(xù)熟化30～60分鐘，然后降溫至60 ℃后加入冰醋酸中和KOH催化劑，取樣分析羥值合格后，再加熱至90 ℃，抽真空，脫除低沸點(diǎn)物質(zhì)60 min后趁熱出料，產(chǎn)品為乳白色固體物。參照《GB/T7384-1996》中規(guī)定的羥值分析法測定EO聚合度。

（2）脂肪胺聚氧乙烯醚羧酸鈉的合成

把（1）中制得的脂肪胺聚氧乙烯醚與氯乙酸鈉、有機(jī)溶劑、在堿性催化劑存在下，按一定的配比在60～90 ℃溫度范圍內(nèi)反應(yīng)6～8 h，反應(yīng)結(jié)束后，反應(yīng)液經(jīng)酸化、水洗、脫水脫溶劑、中和等步驟后，得到目標(biāo)產(chǎn)物脂肪胺聚氧乙烯醚羧酸鈉。

3 降阻劑性能評價

3.1 室內(nèi)實(shí)驗(yàn)

室內(nèi)對新型抗鹽降阻劑的降阻性能進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，結(jié)果如表3所示。

表3 新型降阻劑在清水和鹽水中的降阻性能（0.04%濃度）Table 3 Reducing resistance of new friction reducer in waterand saline （0.04% in concentration）

由表3可知，加量0.04%，剪切速率4 000 s-1時，新研制的降阻劑在清水配置液體中的降阻率達(dá)到72%，而在相同條件下，在標(biāo)準(zhǔn)鹽水配制的溶液中降阻率也達(dá)到了63.95%。

3.2 現(xiàn)場試驗(yàn)

現(xiàn)場試驗(yàn)見表4。

表4 新型降阻劑在四川地區(qū)部分井壓裂中的應(yīng)用Table 4 New friction reducer application in some wells fracturing of Sichuan

四川地區(qū)的現(xiàn)場試驗(yàn)表明，新研制的降阻劑在加量0.06%時，平均降阻率可達(dá)78.8%。

4 結(jié) 論

（1）新型抗鹽降阻劑采用兩種表面活性劑復(fù)配的形式研制而成。主表面活性劑為m-s-m型雙子季銨鹽陽離子表面活性劑，通過季銨化反應(yīng)合成；助表面活性劑為長碳鏈有機(jī)胺聚氧乙烯醚羧酸鹽，經(jīng)過乙氧基化、羧甲基化等步驟合成。

（2）室內(nèi)實(shí)驗(yàn)及現(xiàn)場試驗(yàn)均表明，該表面活性劑降阻劑有較好的抗鹽性能，且與其他商品化高分子降阻劑相比，具有降阻性能優(yōu)良、對儲層吸附小、低傷害的特點(diǎn)，在頁巖氣等非常規(guī)氣藏壓裂改造中具有很好的應(yīng)用前景。

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Development and Evaluation of New High Quality Salt-resisting Friction Reducer

LI Chun-ying1，ZHANG Zhi-quan1，LIN Fei1，SHENG Ping2，CHEN Xiao-yu1
（1.Yangtze University， Hubei Wuhan 430100， China；2. Xinjiang Oilfield Branch， Xinjiang Karamay 834008， China）

Abstract:Aiming at the poor salt resistance of current friction reducers， a novel salt-resisting friction reducer was developed， which was prapared from anionic-cationic surfactants. The main surfactant is Gemini quaternary ammonium cationic surfactant，and the co-surfactant is long carbon chain organic amine polyoxyethylene ether carboxylate. Indoor experiments show that new salt-resisting friction reducer has good performance. When adding amount is 0.04%， the resistance-reducing rate is 63.95% in the solution. Field construction has also achieved preferable results in Sichuan:with an average resistance-reducing rate of 78.8% under 0.06% adding amount.

Key words:Friction reducer； Salt-resisting； Development； Surfactants； Composition； Evaluation

中圖分類號：TE 624.8

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1671-0460（2016）02-0285-03

收稿日期：2015-11-07

作者簡介：李春穎（1992-），女，江蘇揚(yáng)州人，在讀研究生，研究方向：油氣田開發(fā)方向。E-mail：1062103893@qq.com。