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(chǔ)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(shí)間、耐溫耐剪切及破膠性能等。近年來(lái)，課題組通過(guò)表面修飾技術(shù)在反應(yīng)性納米二氧化硅表面負(fù)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(duì)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(jìn)一步通過(guò)使用含有可反應(yīng)性官能團(tuán)的有機(jī)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(guò)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(shí)，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?jī)?nèi)容及研究結(jié)果包括以下幾個(gè)方面：
　　1、使用含胺基的有機(jī)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(duì)納米交

3、聯(lián)劑M-JL-1進(jìn)行了結(jié)構(gòu)表征。紅外圖譜顯示硼酸與KH550之間通過(guò)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(wú)定形態(tài)粉體，數(shù)量粒度分布圖顯示質(zhì)量分?jǐn)?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(jìn)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(shí)間在15 min左右，可有效解決使用硼交聯(lián)劑因交聯(lián)過(guò)快造成的壓裂液摩阻大、耗能高等問(wèn)題。

4、通過(guò)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(duì)交聯(lián)體系進(jìn)行了結(jié)構(gòu)-性能關(guān)系分析，證實(shí)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(shí)間、物

5、料比對(duì)M-JL-2交聯(lián)體系交聯(lián)時(shí)間的影響。利用FT-IR對(duì)納米交聯(lián)劑M-JL-2進(jìn)行了結(jié)構(gòu)表征，結(jié)果顯示修飾劑通過(guò)Si-OH的縮合作用負(fù)載到了納米二氧化硅上。進(jìn)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(shí)，其延遲交聯(lián)時(shí)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(huì)導(dǎo)致其體系粘度快速下降，這會(huì)限制其在中高溫深井的應(yīng)用。本文通過(guò)使用含胺基有機(jī)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(shí)間，物料比，反應(yīng)介質(zhì)對(duì)Ti-JL交聯(lián)體系交聯(lián)時(shí)間的影響。進(jìn)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(méi)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(shí)，20-40目標(biāo)準(zhǔn)陶粒的沉降速率都小于國(guó)內(nèi)外報(bào)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(guò)硫酸銨）用量0.3 wt‰、M-JL-1、M-JL-2、和Ti-JL交聯(lián)體系的殘