纳米二氧化硅交联剂的合成及其交联形成羟丙基胍胶压裂液的性能研究-学兔兔 www.xuetutu.com.pdf

第32卷第5期
精细石油化
2015年9月
SPECIALITY PETROCHEMICALS
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纳米二氧化硅交联剂的合成及其
交联形成羟丙基胍胶压裂液的性能研究
贾文峰2,陈作,姚奕明,蒋廷学1,王宝峰1,张旭东',魏娟明,杜涛1
(1.中国石化石油工程技术研究院,北京100101;2.中国石油大学(北京)石油工程学院,北京102249)
摘要:利用St6ber法制备了单分散二氧化硅颗粒,对纳米二氧化硅表面进行化学修饰,合成了新型纳米二氧
化硅有机硼交联剂。对合成的纳米交联剂的性能进行了评价,并对其交联的低浓度羟丙基胍胶压裂液的延迟
交联性能、耐温耐剪切性能、破胶性能、滤失性能等进行了研究。纳米二氧化硅交联剂交联的0.25%羟丙基
胍胶压裂液,随着交联比变化,延迟交联时间在80~130s可调,并且耐温性能最高可达120℃。证明通过简
单方法合成的纳米二氧化硅交联剂具有优良的性能,可有效交联低浓度羟丙基胍胶压裂液。
关键词:纳米二氧化硅有机硼交联剂羟丙基胍胶压裂液
中图分类号:TE357.1+2文献标识码:A
羟丙基胍胶(HPG)作为水基压裂液的增稠正硅酸乙酯、3-氨丙基三乙氧基硅烷均为分析纯,
剂,具有增稠能力强、抗剪切性好、热稳定性好、控国药集团化学试剂;乙醇、甲醛均为分析纯,天津
制滤失能力强等特点而被广泛应用于国内油气田光复精细化工研究所;氨水,分析纯,天津光复精
压裂中。目前有机硼交联的HPG压裂液普遍细化工研究所;硼酸、正丁醇均为分析纯,北京化
存在存在稠化剂用量大、成本高、残渣高和伤害大工厂;乙二醇,分析纯,天津光复精细化工研究所
等不足,因此亟需新技术提高HPG压裂液性能,pH值调节剂,工业品,北京化工
降低压裂液伤害
Anton Paar MCR102高温高压流变仪,奥地
纳米技术在压裂液中的应用研究越来越受到利安东帕公司;S-4800Ⅰ型场发射扫描电子显微
青睐,但目前研究主要集中在增强VES压裂液性镜,日本日立公司,OFI高温高压滤失仪,美国
能方面,在交联冻胶压裂液体系中的研究还未见OFI公司
报道21。 Lafitte等?利用微乳液聚合法合成了1,2纳米二氯化硅合成与表征
硼酸盐纳米功能化合物,并考察了它的交联性质
纳米二氧化硅球通过 Stober法制备7。将3
研究发现,相比普通硼酸盐,该纳米材料由于交联mL氨水加入到40mL无水乙醇中,然后在剧烈
位点多而具有优异的交联性能,可在低浓度聚合搅拌的条件下通过滴液漏斗向其上述乙醇溶液中
物中获得更强的冻胶结构,证明纳米交联剂具有逐滴加入1.8mL正硅酸乙酯(TEOS),将得到的
广泛的研究与应用前景。但是,此纳米交联剂存混合溶液在25℃搅拌24h。将得到的二氧化硅
在合成过程复杂,成本较高的问题,需要进一步改球用乙醇离心洗涤多次,然后将离心产物烘干(40
善合成方法。同时,对纳米交联剂的压裂液体系℃条件下放置3h)
的性能评价还未见报道。本文通过对合成的纳米
将上述纳米二氧化硅颗粒超声分散在一定量
二氧化硅颗粒表面改性,将硼酸修饰到纳米二氧的乙醇中,然后将一滴上述分散液滴加在干净的
化硅表面,制备了新型纳米二氧化硅硼交联剂,并
对纳米二氧化硅交联剂性能进行了评价研究。
收稿日期:2015-04-13;修改稿收到日期:2015-08-24
作者简介:贾文峰(1984-),博士后,工程师,主要从事油田
1实验部分
化学助剂研发工作。E-mail:jawf@iccas.ac.cn。
1.1原料与仪器
基金项目:国家自然科学基金重大项目(51490653);国家重
大科技专项(2011ZX05031-004-003);中国石化石油エ程技术服
HPG,一级品,江苏昆山京昆油田科技公司
务有限公司重点项目(10010099-13-ZC0607-0037)。
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精细石油化工
2015年9月
硅片上,室温干燥以后,对试样进行表面喷金处交联时间为100s,交联冻胶结构具有良好的吐舌
理,然后在场发射扫描电子显微镜上观察试样现象,说明交联冻胶结构具有良好的黏弹性能;在
形貌
破胶剂(过硫酸铵)为0.03%时,在90℃条件下
1.3纳米二氧硅交联剂合成
可彻底破胶,破胶液黏度为4.0mPa?s。
1)将一定比例的正丁醇、乙二醇、硼酸混合均
匀,加热搅拌,在一定温度下用分水器进行分水,
直到反应结束,生成硼酸酯。
2)以乙醇为溶剂,加入二氧化硅,然后超声
0.5h使二氧化硅充分分散,按比例加入3-氨丙
基三乙氧基硅烷修饰剂,回流反应过夜,旋转蒸发
去除乙醇,得到表面为氨基的纳米二氧化硅。
将上述表面为氨基的二氧化硅加人到步骤1
生成的硼酸酯中,在100℃条件下搅拌反应3~5
h,得到浅黄色透明纳米有机硼交联剂。
图1纳米二氧化硅场发射扫描电子显微镜照片
1.4压裂液配制
在一定量蒸馏水中加入KCI(1%),在快速搅
表1纳米二氧化硅变联基本性能
拌条件下,缓慢加入HPG稠化剂,配制质量分数
项目
性能
备注
为0.25%的HPG溶液,然后加入一定量的pH
外观
浅黄色
值调节剂,搅拌10min,水浴恒温(30℃)放置4
密度/(g·cm3)
1.2-1.3
值
7.5~8.0
h,然后加入0.2%甲醛(杀菌剂)和0.1%助排剂,
表观黏度/(mPa:s)
3.5
得到压裂液基液。
延迟交联时间/s
100
0.25%HPG,100:0.16
向上述基液中加入不同量的纳米有机硼交联
破胶性能/(mPa:s)
4.0
0.25%HPG,0.03%
剂,搅拌1min形成压裂液冻胶。
1.5试验方法
2.2.2交联比对压裂液耐温性能和延迟交联性
交联剂性能评价按照中国石油天然气行业标能影响
准SY/T6216-1996《压裂用交联剂性能实验方
交联剂浓度对胍胶类压裂液的延迟交联性
法》进行实验。
能、耐温性能都有一定的影响。交联剂浓度过低,
压裂液性能评价按照中国石油天然气行业标交联速度缓慢,交联的冻胶体系黏度低,不能满足
准SY/T5107-2005《水基压裂液性能评价方法》现场压裂液要求;交联剂浓度过高,交联速度过
进行测定。
快,产生过交联,冻胶体系发脆,进而影响悬砂
2结果与讨论
性能。
2.1纳米二氧化硅合成与表征
在其他参数固定不变条件下,研究了交联比
采用 Stober法制备单分散纳米二氧化硅。通过对压裂液的耐温性能和延迟交联性能的影响,
纳米二氧化硅场发射扫描电子显微镜照片可以看进而进一步了解交联剂的性能。交联比对压裂
出纳米二氧化硅颗粒为球形,单分散性良好,粒径液的耐温性能和延迟交联性能的影响见图2。
在300nm左右。纳米二氧化硅场发射扫描电子
从图2中可以看出,随交联比的增加压裂液
显微镜照片见图1。
耐温性能逐渐增强,在交联比为100:0.2时最
2.2纳米二氧化硅变联剂性能评价
高耐温温度为120℃;随着交联比增大,压裂液
2.2.1纳米交联剂的基本物理化学性质
延迟交联时间逐渐减少,在交联用