胍膠壓裂液高效納米交聯(lián)劑的制備及其性能研究.pdf

1、油氣儲層壓裂改造是油氣井增產(chǎn)增注的主要措施之一，壓裂液體系的選擇直接影響著壓裂施工效率，交聯(lián)劑作為構(gòu)建壓裂液粘度的重要組分，可以調(diào)控胍膠壓裂液交聯(lián)效率和時間、耐溫耐剪切及破膠性能等。近年來，課題組通過表面修飾技術(shù)在反應性納米二氧化硅表面負載硼酸，研發(fā)了具有體型結(jié)構(gòu)的系列納米交聯(lián)劑，其交聯(lián)體系相對硼酸交聯(lián)體系表現(xiàn)出較好的延遲交聯(lián)性能、耐溫耐剪切性能、粘彈性能、破膠性能等。在前期研究基礎(chǔ)上，本文進一步通過使用含有可反應性官能團的有機硅烷偶聯(lián)

2、劑（KH550）為載體，分別制備了表面修飾有硼酸和過渡金屬鈦離子的水分散納米交聯(lián)劑和鈦功能化的納米交聯(lián)劑。同時，以納米二氧化硅為載體，表面修飾硼的烷氧基硅化合物為修飾劑，制備了硼酸功能化的納米交聯(lián)劑。主要研究內(nèi)容及研究結(jié)果包括以下幾個方面：
　　1、使用含胺基的有機硅烷偶聯(lián)劑KH550為載體，硼酸為修飾劑制備了表面修飾硼的水分散納米交聯(lián)劑M-JL-1。利用傅里葉紅外光譜儀（FT-IR）、X射線衍射（XRD）、激光粒度分布儀對納米交

3、聯(lián)劑M-JL-1進行了結(jié)構(gòu)表征。紅外圖譜顯示硼酸與KH550之間通過N-B鍵結(jié)合，XRD圖顯示納米交聯(lián)劑M-JL-1是由許多微晶組成的無定形態(tài)粉體，數(shù)量粒度分布圖顯示質(zhì)量分數(shù)1％、2%、3%、4%的M-JL-1的平均粒徑分別為10 nm、20 nm、30 nm、35 nm。進一步考察了M-JL-1交聯(lián)體系的延遲交聯(lián)性能、流變性能，結(jié)果表明其延遲交聯(lián)時間在15 min左右，可有效解決使用硼交聯(lián)劑因交聯(lián)過快造成的壓裂液摩阻大、耗能高等問題。

4、通過流變性能曲線圖發(fā)現(xiàn)，與硼酸交聯(lián)體系相比，M-JL-1交聯(lián)體系在有效硼的含量降低88%的情況下，表現(xiàn)更優(yōu)異的耐溫耐剪切性能和粘彈性能。采用環(huán)境掃描電鏡（ESEM）對交聯(lián)體系進行了結(jié)構(gòu)-性能關(guān)系分析，證實了M-JL-1交聯(lián)體系具有優(yōu)異的耐溫耐剪切性能和粘彈性能，是由于其交聯(lián)體系的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)更緊密。
　　2、以納米二氧化硅為載體，表面修飾硼的烷氧基硅化合物為修飾劑，制備了一種硼酸功能化的納米交聯(lián)劑M-JL-2。系統(tǒng)研究了溫度、時間、物

5、料比對M-JL-2交聯(lián)體系交聯(lián)時間的影響。利用FT-IR對納米交聯(lián)劑M-JL-2進行了結(jié)構(gòu)表征，結(jié)果顯示修飾劑通過Si-OH的縮合作用負載到了納米二氧化硅上。進一步考察了M-JL-2交聯(lián)體系的延遲交聯(lián)性能，流變性能，結(jié)果顯示交聯(lián)體系pH為9時，其延遲交聯(lián)時間7 min左右，流變性能曲線圖顯示M-JL-2交聯(lián)體系在有效硼的含量降低98%左右的情況下，比M-JL-1交聯(lián)體系和硼酸交聯(lián)體系具有更優(yōu)異的耐溫耐剪切性能和粘彈性能。ESEM結(jié)果顯示

6、M-JL-2交聯(lián)胍膠形成的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)更緊密。
　　3、油氣層溫度影響著壓裂液的性能，溫度的升高會導致其體系粘度快速下降，這會限制其在中高溫深井的應用。本文通過使用含胺基有機硅烷偶聯(lián)劑KH550，制備了鈦功能化的納米交聯(lián)劑Ti-JL，其平均粒徑在2 nm。系統(tǒng)研究了溫度，時間，物料比，反應介質(zhì)對Ti-JL交聯(lián)體系交聯(lián)時間的影響。進一步考察了Ti-JL交聯(lián)胍膠的流變性能，結(jié)果顯示Ti-JL交聯(lián)體系具有良好的耐溫性能，即Ti-JL交聯(lián)體系

7、的粘度隨溫度的升高下降的很緩慢。ESEM結(jié)果顯示Ti-JL交聯(lián)胍膠形成的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)很緊密，幾乎沒有什么空隙。
　　4、本文所述的納米交聯(lián)劑M-JL-1、M-JL-2、Ti-JL在胍膠濃度0.3 wt%、體系pH為9時，20-40目標準陶粒的沉降速率都小于國內(nèi)外報道的0.48 cm/min，懸砂性能優(yōu)異。胍膠溶液濃度0.3 wt%、體系pH為9、破膠劑（過硫酸銨）用量0.3 wt‰、M-JL-1、M-JL-2、和Ti-JL交聯(lián)體系的殘