一种聚丙烯酰胺纳米复合压裂液的制备方法技术

本发明专利技术采用聚丙烯酰胺与纳米无机相经原位聚合复合方法制备聚丙烯酰胺纳米复合材料，形成压裂液稠化剂。所述的纳米无机相，是有机长链插层剂与层状硅酸盐经插层反应后，与硝酸镁和硝酸铝混合所组成。该纳米无机相与丙烯酰胺单体、偶联剂、络合剂、引发剂、氧化剂、还原剂、助溶剂、助剂和去离子水构成悬浮液反应体系，然后经过聚合插层复合反应过程形成聚丙烯酰胺纳米复合材料。将质量分数0.25％的该聚丙烯酰胺纳米复合材料作为稠化剂，与质量分数0.20％的交联剂及质量分数0.20％的破胶剂与助剂组成压裂液体系，经170s-1剪切速率，150℃温度下剪切70min，形成粘度大于50mPa.s的压裂液，可产生耐高温、抗剪切、低摩阻、破胶彻底及与地层流体配伍性好的特性。

【技术实现步骤摘要】
一种聚丙烯酰胺纳米复合压裂液的制备方法
本文涉及一种聚丙烯酰胺纳米复合材料压裂液的制备方法，属于石油开采工程的压裂液

技术介绍
压裂是油气开采的一种工程作业过程，是利用压力装备，在高压下把具有一定粘度的液体压入地下岩石裂缝的工艺，在压裂工艺中所用的这种具有粘度的液体就是压裂液。压裂液在高压作用下进入地层岩石，使岩石产生破裂而出现裂缝，在压裂液中加入支撑剂材料可以支撑地下裂缝的张开状态，从而在停止泵送压裂液后形成一条明显张开的岩石裂缝，提高油气层的渗透率，增加油气通过裂缝通道的流量或产量。目前，国内外现有的压裂液技术，主要分为水基压裂液、油基压裂液、醇基压裂液以及泡沫压裂液。由于水基压裂液具有成本低、性能好等优点，被广泛使用。近年来，随着对油气能源的需求不断增加，油气田开采由浅层向深层发展，由高渗透层向低渗透层发展。低渗透的高温油气储层要求压裂液具有耐高温、抗剪切、低滤失、破胶彻底及与地层流体配伍性好的特性。现有技术的压裂液主要包括稠化剂、破胶剂、交联剂。稠化剂的功能是增粘性，通过其交联反应大幅度提高压裂液粘度，形成压裂液冻胶；同时，它具有降滤失、降摩阻的功能，是压裂液的核心部分。现有技术的稠化剂主要包括：(1)天然植物胶及其衍生物；(2)纤维素衍生物；(3)合的成水性溶聚合物。现有技术的天然植物胶及其衍生物来源广泛，应用技术成熟，但是，它在破胶后残渣多、易堵塞裂缝而造成二次伤害。现有技术的纤维素耐温性差、易生物降解，只能在工程现场现配现用，应用受限制。现有技术的合成聚丙烯酰胺，由于粘度高、摩阻小、携砂能力强等优点常被用作水基压裂液稠化剂，但其缺点是剪切安定性差、耐温性差、泵送时产生严重机械降解，及对矿化水与多价金属离子敏感的诸多缺点，使现有技术的聚丙烯酰胺在有多价金属离子盐水溶液的粘度锐减，甚至出现沉淀。为了克服现有技术的缺点，需对聚丙烯酰胺进行改性。现有技术的纳米无机颗粒具有高比表面积、高活性及高渗透率特性，当无机粒子尺寸进入纳米量级(1～100nm)时，由于其本身的小尺寸效应、量子尺寸效应、表面效应和宏观量子隧道效应，使纳米材料表现出吸收、催化、杀菌、吸附等特性。现有技术的纳米材料，用于制备悬浮稳定与功能性的液体，应用于油气开发的钻井、压裂工程，产生高效的携带、保护功效及油气增产效应。此外，现有技术中，专利技术专利201110223102.6(公开号CN102352232A)提供了一种抗温抗盐聚合物清洁压裂液增稠剂及其制备方法，采用单体N-十六烷基丙烯酰胺经聚合反应制备增稠剂，配制压裂液，但此压裂液的耐温性不是很好，用哈克流变仪测定在50℃时，粘度为50mPa·s左右。显然，在这些现有技术中，无论是采用单纯聚丙烯酰胺共聚物压裂液，还是采用单纯纳米无机颗粒压裂液，都产生高温不稳定、持久稳定性差、易高温降解、纳米分散性与及抗环境性差的缺点。所述的纳米无机颗粒，是指具有1～100nm尺度的无机物质单元所组成的颗粒聚集体。所述的纳米分散性，是指纳米无机颗粒在聚丙烯酰胺稠化剂溶液中的空间分布状态。现有的科学与技术研究已表明，具有均匀空间分布的纳米无机颗粒可以提高聚丙烯酰胺稠化剂或者聚丙烯胺压裂液的综合性能。由于压裂液在现场使用时，配制方法和施工条件的不同，可能受到温度、空气、细菌等条件的影响，而使性能发生变化，尤其是配制时间与施工时间间隔时间较长，产生问题更为突出，这使这些现有技术的压裂液的粘度受温度影响变化很大，因此，在一些高温井施工时，应选择粘温性好的压裂液，在施工前和施工过程中压裂液性能应尽量保持稳定，而压裂液进入地层后则应迅速降低粘度并容易从地层排出以减少对裂缝的损害。通常按石油天然气行业标准SY/T5107-2005《水基压裂液性能评价方法》进行高温压裂液性能评价，即在剪切速率为170s-1与连续剪切下，检测压裂液表观粘度在50mPa·s以上，视为符合压裂工程要求。在现有技术中，纳米无机颗粒在聚合物中的均匀分散被认为是最需要根本解决的关键问题。即解决纳米颗粒在油气开采压裂液中团聚问题，是形成高性能压裂液的关键技术。现有技术的无机相压裂液，具有易损害岩石裂缝表面特性的缺点，这是油气井压裂效率低、开采周期短及油气产量低的主要因素。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种聚丙烯酰胺无机纳米复合材料压裂液的制备方法，以解决现有技术的压裂液抗剪切、抗高温性差及应用效率低的问题。本专利技术采用层状结构硅酸盐，它具有层状晶体结构，晶体单元尺寸为1～100nm。该晶体片层结构具有天然的可膨胀性和剥离分散性，将该层状硅酸盐进行表面处理后与丙烯酰胺单体混合，然后引发聚合反应以原位形成聚丙烯酰胺纳米复合材料。这种原位形成的聚丙烯酰胺纳米复合材料，纳米片层剥离分散可使聚丙酰胺大分子链形成桥接、物理交联或者轻微化学交联作用，大幅度提高其溶液或者压裂液的粘度；经剥离分散的无机片层具有高耐温性，由它与聚丙烯酰胺分子链形成稳定胶体，可抑制高分子链氧化降解性，提高其耐温性；此外，分散的纳米片层具有很强的离子交换和吸附特性，它吸附金属离子而减少金属离子干扰聚丙烯酰胺大分子链的电荷互斥状态，即减少粘度损失而产生高耐盐性；特别是，这些分散的纳米片层本身具有触变性，它与聚丙烯酰胺高分子间产生物理或化学交联，使其溶液产生良好触变性，即聚丙烯酰胺高分子链产生更易恢复的物理交联特性而保持高粘性、降低泵送其溶液时的粘度降及地层中的抗剪切应力性，由此，配制的压裂液具有高抗剪切性能。本专利技术采用通用的插层反应原理，使经过层间交换反应处理的层状硅酸盐与丙烯酰胺单体，在引发剂引发下产生聚合反应，经原位聚合复合过程，形成聚丙烯酰胺纳米复合材料。所述的原位聚合复合纳米复合材料可直接作为稠化剂，在通常的溶剂中均匀分散，配制成具有高性能实用性的压裂液。所述的聚丙烯酰胺纳米复合材料稠化剂及其压裂液，具有抗高温、抗盐、降解残渣少的特性，可用于油气压裂工程提高油气产量。本专利技术的技术实施方案如下。本专利技术提供的一种聚丙烯酰胺纳米复合材料压裂液，其特征是各组分按照质量份为：所述的聚丙烯酰胺纳米复合材料稠化剂，按照如下的质量份组成：所述的一种聚丙烯酰胺纳米复合压裂液的稠化剂制备方法如下，氧化剂为过硫酸铵、还原剂为亚硫酸氢钠、引发剂为偶氮引发剂，丙烯酰胺单体和纳米无机相，通过水溶液聚合法制备而成。所述的纳米无机相制备方法为，首先，将100份层状硅酸盐与1～15份插层剂混合，将该混合物与水按质量份比例1∶(10～20)进行混合，然后进行剧烈搅拌，在80℃插层反应共计16小时，制成有机化的层状硅酸盐浆液；其次，采用共沉淀法，将工业级硝酸镁、硝酸铝、氢氧化钠、2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸(AMPS)、乙烯基三乙氧基硅烷(KH-151)，在35℃条件下混合，进行反应得到含镁铝的水滑石无机相浆液；最后，将所制备的水滑石浆液按照等质量比加入有机化的层状硅酸盐浆液混合及在65℃反应4小时，再将该体系降温到至30℃，制成用于本专利技术的纳米无机相。所述的一种聚丙烯酰胺纳米复合压裂液，其制备方法如下：在1000mL三口烧瓶中加入100～500份水，层状硅酸盐5～30份、表面活性剂2～10份，然后用0.1mol/L的盐酸调节pH值为5左右，在80℃水浴中进行插层反应12个小时。停止反应后待溶本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种聚丙烯酰胺纳米复合压裂液，其特征是由如下的质量份组成：所述的聚丙烯酰胺纳米复合材料稠化剂，按照如下的质量份组成：所述的一种聚丙烯酰胺纳米复合压裂液的稠化剂制备方法如下，氧化剂为过硫酸铵、还原剂为亚硫酸氢钠、引发剂为偶氮引发剂，丙烯酰胺单体和纳米无机相，通过水溶液聚合法制备而成；所述的纳米无机相制备方法为，首先，将100份层状硅酸盐与1～15份插层剂混合，将该混合物与水按质量份比例1∶(10～20)进行混合，然后进行剧烈搅拌，在80℃插层反应共计16小时，制成有机化的层状硅酸盐浆液；其次，采用共沉淀法，将工业级硝酸镁、硝酸铝、氢氧化钠、2‑丙烯酰胺基‑2‑甲基丙磺酸(AMPS)、乙烯基三乙氧基硅烷(KH‑151)，在35℃条件下混合，进行反应得到含镁铝的水滑石无机相浆液；最后，将所制备的水滑石浆液按照等质量比加入有机化的层状硅酸盐浆液混合及在65℃反应4小时，再将该体系降温到至30℃制成用于本专利技术的纳米无机相；所述的一种聚丙烯酰胺纳米复合压裂液，其制备方法如下：在1000mL三口烧瓶中加入100～500份水，层状硅酸盐5～30份、表面活性剂2～10份，然后用0.1mol/L的盐酸调节pH值为5左右，在80℃水浴中进行插层反应12个小时。停止反应后待溶液温度降到室温时，在高速搅拌机5000r/min下加入0.1～10份的聚丙烯酰胺纳米复合材料稠化剂，继续搅拌30min，等到稠化剂全部溶解完全后，在加入0.5～10份的交联剂、1～10份的破胶剂、0.05～10份的粘土稳定剂、0.05～10份的杀菌剂、0.05～10份的工业产品助排剂，制得聚丙烯酰胺纳米复合压裂液，无机相分散相尺寸为20～25nm。...

【技术特征摘要】
1.一种聚丙烯酰胺纳米复合压裂液，其特征是由如下的质量份组成：所述的聚丙烯酰胺纳米复合材料稠化剂，按照如下的质量份组成：所述的一种聚丙烯酰胺纳米复合压裂液的稠化剂制备方法如下，氧化剂为过硫酸铵、还原剂为亚硫酸氢钠、引发剂为偶氮引发剂，丙烯酰胺单体和纳米无机相，通过水溶液聚合法制备而成；所述的纳米无机相制备方法为，首先，将100份层状硅酸盐与1～15份插层剂混合，将该混合物与水按质量份比例1∶(10～20)进行混合，然后进行剧烈搅拌，在80℃插层反应共计16小时，制成有机化的层状硅酸盐浆液；其次，采用共沉淀法，将工业级硝酸镁、硝酸铝、氢氧化钠、2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸(AMPS)、乙烯基三乙氧基硅烷(KH-151)，在35℃条件下混合，进行反应得到含镁铝的水滑石无机相浆液；最后，将所制备的水滑石浆液按照等质量比加入有机化的层状硅酸盐浆液混合及在65℃反应4小时，再将该体系降温到至30℃制成用于本发明的纳米无机相；所述的一种聚丙烯酰胺纳米复合压裂液，其制备方法如下：在1000mL三口烧瓶中加入100～500份水，层状硅酸盐5～30份、表面活性剂2～10份，然后用0.1mol/L的盐酸调节pH值为5左右，在80℃水浴中进行插层反应12个小时；停止反应后待溶液温度降到室温时，在高速搅拌机5000r/min下加入0.1～10份的聚丙烯酰胺纳米复合材料稠化剂，继续搅拌30min，等到稠化剂全部...

【专利技术属性】
技术研发人员：柯扬船，赵洋洋，
申请(专利权)人：中国石油大学北京，
类型：发明
国别省市：北京;11