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葡萄糖改性有机硼交联剂在水基聚乙烯醇压裂液中的应用

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2011年3月 西安石油大学学报(自然科学版) Journal of Xi an Shiyou University(Naturla Science Edition) Mar.20l1 第26卷第2期 Vo1.26 No.2 文章编号:1673-064X(201 1)02-0089-04 葡萄糖改性有机硼交联剂在水基聚乙烯醇压裂液中的应用 隋明炜 ,沈一丁 ,李宪文 ,钟新荣 ,薛小佳 ,丁里 (1.陕西科技大学轻化工助剂化学与技术教育部重点实验室,陕西西安710021;2.中国石油长庆油田 油气工艺技术研究院,陕西西安710021;3.川庆钻探公庆井下技术作业公司,陕西西安710021) 摘要:为验证聚乙烯醇作为水基冻胶压裂液的可行性,提出葡萄糖改性有机硼交联剂的压裂液体 系.采用实验室自制葡萄糖改性有机硼交联剂,得出原料最佳配比n(硼砂): (葡萄糖)=1:1.5. 葡萄糖改性有机硼交联剂对聚乙烯醇有很好的延时性和耐高温性,其交联时间可以控制在60~ 500 s之间,耐热温度在70℃左右.以聚乙烯醇为稠化剂的水基冻胶压裂液的最低有效浓度可达 1.1%. 关键词:水基压裂液;交联剂;有机硼;葡萄糖;聚乙烯醇;交联延迟 中图分类号:TE39 文献标识码:A 交联剂是水基冻胶压裂液的一个重要组成部 分,通过与高聚物以多种键态形式络合而成可钩挂 的高黏度胶体,应用在压裂施工中的造缝和携砂.早 期的交联剂以无机金属化合物为主,随着深层油气 田的勘探与开采,在20世纪8O年代之后,出现了有 交联时间及耐温性能的影响 1 反应机理 1.1有机硼交联剂的合成机理 有机硼交联剂的合成分水解反应与络合反应两 步. 机钛(锆)等体系的交联剂¨4。,其优点是具有良好 的延缓交联时间和耐高温等性能,但缺点是难破胶, 反排率低,对支撑裂缝倒流能力有损害 J.随后又 出现了有机硼交联剂 剖,但在存放稳定性、交联时 (1)水解反应, Na2B4O7+7H2O—}2B(OH)3+2B(OH)4一+ 2Na B(OH)3+H20一B(OH)4一+H (1) (2) 间延时性等还存在一些不足,影响了应用效果 。。。. 现尝试采用聚乙烯醇作稠化剂制备水基冻胶压裂 液.因为聚乙烯醇分子中含有大量羟基_l H J,具有 易溶解易交联的特性,所以有成为水基冻胶压裂液 稠化剂的潜质 J.合成了葡萄糖改性有机硼交联 剂,初步测试用于以聚乙烯醇为稠化剂的压裂液的 效果. (2)络合反应.机理见式(3).有机硼交联剂是 硼酸盐水解生成的硼酸盐离子与某些有机配位体在 一定条件下发生络合的产物,即: B(OH)4一+C6Hl2O6 C6Hl2O6B ,凡<5 (3) 该反应得到的产物是透亮澄清液体,长时间放 置溶液没有发生明显变化.其反应机理是过量的葡 本实验研究反应温度、硼糖用量比例等因素对 有机硼交联剂实际使用性能的影响,找出葡萄糖改 萄糖分子包裹在胶体颗粒的周围,对硼酸盐离子可 以起到屏蔽的作用,从而延长聚乙烯醇的交联时间 性有机硼交联剂的最佳方案.依据实验数据得到不 同硼糖比例下,交联剂的用量对聚乙烯醇水溶液的 并提高冻胶的耐温性能.因此延时性和耐温性能优 于常规硼酸盐交联的压裂液.当反应条件不同时,得 收稿日期:2010-09—30 基金项目:国家重大专项示范工程子课题(编号:2008ZX 05044 4-17—1) 作者简介:隋明炜(1986一),男,主要从事精细化学品的开发与应用方面的研究.E-mail:suimingwei@126.com 一9O一 西安石油大学学报(自然科学版) 到的产物的结合程度会有所不同,将会直接影响产 品的使用性能.合成反应中的反应条件和硼糖用量 的选择将以实验结果为依据. 1.2有机硼交联聚乙烯醇机理 有机硼交联聚乙烯醇溶液首先是有机硼配合物 在碱性条件下,缓慢释放硼酸盐离子B(OH) 一, B(OH) 一再与聚乙烯醇分子上的羟基相互作用,产 生交联并形成可钩挂的高黏度冻胶.该冻胶体系比 较稳定,并在高温破坏后能够复原. 2实验部分 2.1主要材料 四硼酸钠(西安化学试剂厂),葡萄糖(天津市 津北精细化工有限公司),多元醇A,10%NaOH溶 液,聚乙烯醇;动态流变仪(AR2000ex,美国TA公 司),常数毛细管黏度计(上海申谊玻璃制品有限公 司). 2.2合成反应 在带有搅拌棒、温度计的三口烧瓶中依次加入 四硼酸钠、葡萄糖、多元醇A.控制温度在100℃,调 节溶液pH在7~8,搅拌2—3 h,得到葡萄糖改性有 机硼交联剂(以下简称交联剂). 2.3溶液制备 配制质量分数为1.8%的聚乙烯醇水溶液,放 置2.0 h后备用. 2.4测定 将2.2所得交联剂与质量分数为10%的NaOH 溶液按质量1:1的比例稀释,然后按质量(0.5~ 3.0):100的比例加入聚乙烯醇水溶液.用玻璃棒 不断搅拌至形成可挑挂冻胶,记下所用时问以及交 联剂用量;采用动态流变仪测定冻胶耐受温度. 3实验结果及讨论 在研究各种合成因素对交联剂性能的影响时, 基本的反应条件是:反应温度为100 cC,硼砂质量分 数为10%,葡萄糖质量分数为15%,多元醇A质量 分数为75%.实验采用控制变量法:在研究某一项 反应条件时,该项条件为变量,其他因素不变;在研 究化学剂用量时,按质量比例改变化学剂的用量,保 证其他因素不变. 3.1反应温度的确定 如图1、图2所示(测试温度均为室温).将压裂 液样品装入动态流变仪后,对样品加热,控制升温速 度为(3±0.2) ̄C/min,同时转子以170 S 的速度 剪切,直到压裂液的表观黏度至50 mPa・S为止,并 记录所示温度.数据表明反应温度高于100℃所得 到的交联剂的延时性能和破胶温度均不如100 cI=理 想,由此得出,合成反应温度应控制在100 oC. 图1反应温度为100℃、120℃、140℃时的 产物交联时间曲线图 Fig.1 The relationships between crossfinking time and the maSS fraction of crosslinking agent at 100℃。120℃。140 ̄C separately \ 赠 饪 交联剂)/% 图2反应温度为100 oC、120 oC、140 oC时的 产物形成胶冻的破胶温度曲线图 Fig.2 The relationships between gel-breaking temperature and the Imss farction of cross ̄agent at 100 oC,120℃。140'C separately 3.2硼糖比例的确定 图3(测试温度为室温)表明,随着硼糖比例的 变化,交联剂的用量也有着明显变化,可以得出硼糖 的最佳质量比为1.0:1.5.另外,硼质量分数的增加 还会导致交联延时能力不断下降.交联剂在交联聚 乙烯醇溶液时,其最低有效用量可降至0.4%. 图4表明,硼质量分数的增加使得体系的运动 黏度增加,当硼质量分数达到20%时,体系黏度增 加.这是因为硼质量分数的增加,使得有机硼分子过 大,此时得到的产品不适合实际应用(表1),硼质 量分数增加,交联剂的稳定性降低,存放时间缩短, 应用效果减弱,结合图3得出交联剂的硼质量分数 不超过10%.因此,考虑到交联剂的实际使用效果, 交联剂的硼质量分数为10%,葡萄糖质量分数为 】5%. 隋明炜等:葡萄糖改性有机硼交联剂在水基聚乙烯醇压裂液中的应用 一91一 图3反应温度为100 oC,硼砂葡萄糖不同比例 得到的产物交联时间曲线图 Fig.3 The relationships between crossnnking time and the massfraction of crosslinking agent underthe diferent ratio ofborax to glucose at reaction temperature of100 ̄C 图4硼质量分数与压裂液黏度关系曲线 Fig.4 The relationship between the viscosity offracturing lfuid and the mass fraction ofborax 表1不同硼质量分数交联剂的存放时间 Tab.1 The corresponding storage times of different mass fraction ofborax (硼)/% 存放时间(出现浑浊) 5 稳定 l0 稳定 l5 90 d 20 30 d 3.3反应时间的影响 图5是反应时间对交联剂的性能影响.数据得 出,反应时间较短生成的产物不够理想;反应时间延 长,则使得络合反应趋于完全,交联剂产品的性能提 高,最佳反应时间为3~4 h. 3.4聚乙烯醇溶液质量分数对交联效果的影响 如图6、图7(测试温度均为室温)所示,聚乙烯 醇溶液浓度降低,交联剂最低用量增加,交联时间延 长,胶冻耐热温度明显降低,因此在实际操作中,可 以根据需要配置不同质量分数的聚乙烯醇溶液;当 聚乙烯醇溶液质量分数为1.1%时,则交联剂的用 量过多,甚至不能够承受较高的温度,失去了降低成 本的效果,因而以聚乙烯醇为稠化剂的水基压裂质 量分数最低不得小于1.1%. ∞ \ 厘 曹 警 反应时间/h 图5反应时间与交联时间的关系曲线 Fig.5 The erlationship between crosslinking time and reaction time 交联剂)/% 图6质量分数为1.8%聚乙烯醇溶液交联时间和耐热 温度与交联剂用量之间的关系 Fig.6 The relationship between crosslinking time,heat resistant temperatureandthemassfractionof crosslinking agent in the polyvinyl alcohol solution of mass fraction of 1.8% 厘 富 番 图7质量分数为1.1%聚乙烯醇溶液交联时间和耐热 温度与交联剂用量之间的关系 Fig.7 The relationship between crosslinking time,heat resistant temperature and the mass fraction of crosslinking agent ni the polyvinyl alcohol solution ofmass farction of1.1% 4 结 论 (1)葡萄糖改性有机硼交联剂的最佳合成条件 是:反应温度为100℃,溶液pH在7~8,反应物配 比rt(硼砂):n(葡萄糖)为1.0:1.5.硼质量分数以 10%为宜,葡萄糖质量分数为15%,多元醇A质量 分数为75%. 一92一 西安石油大学学报(自然科学版) LI Jian—shan,SHI Jun,YAN Hai—long.Development of the crosslinker for polyhydroxy alcohol fracturing fluid system (2)以聚乙烯醇作为稠化剂的水基冻胶压裂 液,其交联时间在60~500 s之间,交联剂的最低质 量分数为0.4%. (3)交联剂交联聚乙烯醇溶液形成的胶冻耐热 [J].Journal of Xi"an Shiyou University:Natural Science Edition,2009,24(6):55-57. [7] 罗彤彤,卢亚平,潘英民.高温交联剂合成工艺研究 [J].矿冶,2006,15(3):56-58. LUO Tong—tong,LU Ya—ping,PAN Ying—min.The research on synthetic processing of high temperature crosslinker 温度可控制在70℃左右,其中聚乙烯醇溶液的最低 有效质量分数可达1.1%. 参考文献: [1]钱延龙,吕家琪,吕承炎,等.有机钛交联剂及其压裂 [J].Mining&Metallurgy,2006,15(3):56—58. [2] Zuzani[3]刘洪升,王俊英,王稳桃,等.高温延缓型有机硼交联 [4] 闰海龙,[5] 田顺,关蓬莱,任飞,[6]李建山,史俊,闫海龙.低伤害多羟基醇压裂体系研究 液的应用[J].油田化学,1992,9(3):220 224. QIAN Yan—long,LV Jia—qi,LV Cheng—yan,et a1.Cross— linking of tianqing gum in aqueous solution with organic titanate and fracturing fluids therefrom f J 1.Oilfield Chemistry,1992,9(3):220-224. uk V,Prins R.Synthesis and characteirzation of sil— ica.-supported transition--metal phosphides as HDN cata・- lysts[J].J Catal,2003,219(1):85-96. 剂OB一200合成研究[J].油田化学,2003,20(2):121— 124. 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