气悬砂剂、气悬砂和气悬砂剂、气悬砂的制备方法及应用与流程

本发明涉及油气田压裂增产技术领域，尤其涉及一种油田压裂用气悬砂剂floatx，通过对石英砂进行表面改性以使其能够产生并吸附气泡，实现石英砂悬浮的技术。

背景技术：

随着石油天然气勘探开发的发展，油气田增产离不开水力加砂压裂技术，通过向地层中压开的裂缝内注入支撑剂,在地层中可以形成多条长且拥有一定导流能力的填砂裂缝，最终实现油气的增产。大位移水平井、密切割分段、高加砂强度(7.5t/m)是油气田开发新趋势，要求更高的悬砂、携砂能力。

滑溜水压裂液体系与传统的凝胶压裂液体系相比,具有高效和低成本的特点,因此在页岩气开发中得到广泛应用。滑溜水压裂液中主体是混砂水以及少量添加剂，添加剂包含降阻剂、表面活性剂、粘土稳定剂、杀菌剂等，添加剂主要为0.3‰-1.0‰体积浓度的聚丙烯酰胺。滑溜水因能够产生更复杂、体积更大的裂缝网络，增加储层有效增产体积，是非常规页岩气储层及其他致密油气储层改造技术应用最广泛的压裂液。由于滑溜水只含少量减阻剂，易反排，对地层伤害低，与瓜胶压裂液相比，成本可降低40％-60％，经济效益好。

但是，滑溜水压裂液粘度低造成滑溜水的输砂能力差，支撑剂沉降速度快，不能在裂缝中均匀铺置和过早沉降，使裂缝的导流能力下降，造成脱砂。因此，施工时须使用大排量、大液量、大砂量、低砂比、小粒径进行施工，这对泵设备的要求高。

为了延缓支撑剂颗粒的沉降，目前的一种做法是添加增稠剂提高压裂液粘度，形成粘弹性流体。增稠剂本质上是表面活性剂，增稠原理是在溶液中形成胶束。在cn1389538a涉及的“压裂地下岩层的方法”专利文献，公开的粘弹性流体中，则是用烷基甜菜碱等两性离子表面活性剂，以形成蠕虫状、棒状、球状胶束。通过添加甜菜碱等增稠剂提高压裂液粘度形成粘弹性流体的方式，虽可延缓支撑剂沉降，但这种方式不仅增稠剂需求量大导致成本高，也由于粘度增加导致流动阻力增大所以返排时的功率消耗很大，不利于全部返排。为了平衡沉降和返排的矛盾，一般要求粘度在50-150mpa·s。

另一种做法是，提高支撑剂本身的自悬浮能力，是采用在支撑剂骨料上粘附有水溶性高分子材料：

比如cn104946233a，采用淀粉、植物胶、动物胶或海藻胶等天然高分子材料，或者聚丙烯酰胺、聚乙二醇等人工合成高分子材料，或者改性纤维素等半人工合成材料，砂比为12%时沉降速度为0.1cm.min^-1。

cn106832145a，则是在骨料颗粒外固化有疏水亲气涂层以吸附氮气，通过在滑溜水中形成微小气泡来提高自悬浮能力，疏水亲气乳液由含氟聚合物单体、高分子粘合剂、硅烷偶联剂和表面活性剂组成，取得了较好的悬浮效果，但这种自悬浮支撑剂需要进行交联反应，制备复杂成本较高，而且实际应用时还需要在滑溜水压裂过程中伴注10～20％氮气，增加了施工难度。

因此，研发一种悬浮能力强、生产工艺简单的气悬砂有重要的现实意义。

技术实现要素：

针对现有技术存在的上述问题，本发明的目的在于提供一种气悬砂剂，是通过对石英砂表面改性使其具有气悬性能。

本发明的气悬砂剂是由下述重量份数的原料混合得到：烷基二甲基胺乙内酯9-15份、乙二醇10-20份和无水乙醇65-85份，其中所述烷基二甲基胺乙内酯的分子式为cnh2n+1n⁺（ch3）2ch2coo^-，式中n=12-16。

上述气悬砂剂的生产方法，是先将烷基二甲基胺乙内酯加入反应釜，在搅拌下加入无水乙醇和乙二醇，常温下搅拌均匀。

本发明还提供一种气悬砂，这种气悬砂自悬浮能力强，不易沉降，且生产工艺简单，使用方便。

本发明的气悬砂，是在石英砂表面复合有改性作用的气悬砂剂，所述气悬砂剂是由烷基二甲基胺乙内酯9-15份、乙二醇10-20份和无水乙醇65-85份组成，所述烷基二甲基胺乙内酯分子式为cnh2n+1n⁺（ch3）2ch2coo^-，式中n=12-16。

本发明还提供了一种前述气悬砂的生产方法，包括如下步骤：

（1）将烷基二甲基胺乙内酯、乙二醇、无水乙醇按比例混合均匀，制得改性剂；

（2）将气悬砂剂与石英砂混合均匀。

经过实验，烷基二甲基胺乙内酯是产生气悬性的主要成份，但乙二醇和无水乙醇对改性石英砂的悬浮性具有重要影响。经过分析认为，天然石英砂表面有吸附水，与气悬砂剂混合后，乙二醇顶替掉石英砂表面的水，水溶于乙醇，从而增加了烷基二甲基胺乙内酯与石英砂的结合力。烷基二甲基胺乙内酯为两性表面活性剂，其分子为两亲分子，分子中含有季铵阳离子及羧基阴离子，可以在石英砂表面形成牢固吸附，从而提高了石英砂的表面活性，使石英砂颗粒表面在剪切作用下易起泡，同时长的分子链可以束缚气体泡沫到石英砂颗粒的周围，气泡吸附在石英砂表面，降低了石英砂支撑剂的相对密度使其在水中悬浮。

本发明还提供了一种上述气悬砂在油气田压裂增产中的应用。

本发明具有如下有益效果：

1、本发明提供的气悬砂剂不需要进行交联反应，制备和使用方便，与石英砂混合后制备的气悬砂悬浮效果好，悬砂能力强，因此其铺砂效果更理想，石英砂支撑剂运移更远、分布更广，可以有效改善石英砂支撑剂的运移与分布。

2、本发明提供的气悬砂剂组成成分中不含对环境有害组分，环境效益好。

附图说明

图1本发明的气悬砂悬浮状态图。

图2为气悬砂悬浮状态局部状态图。

图3气悬砂剂滑溜水实验效果图。

图4未改性石英砂悬浮情况图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，以助于理解本发明的内容。

在下面的实施例中，重量份是均是以纯品进行计算。

实施例1

按重量比取9份十二烷基二甲基胺乙内酯加入到反应釜中，在搅拌下加入65份工业级无水乙醇、10份工业优级乙二醇，常温下搅拌均匀，得到无色透明液体，即得到本实施例的气悬砂剂。

实施例2

按重量比取12份十二烷基二甲基胺乙内酯加入到反应釜中，在搅拌下加入70份工业级无水乙醇、18份工业优级乙二醇，常温下搅拌均匀，得到无色透明液体，即得到本实施例的气悬砂剂。

实施例3

按重量比取15份十二烷基二甲基胺乙内酯加入到反应釜中，在搅拌下加入85份工业级无水乙醇、20份工业优级乙二醇，常温下搅拌均匀，得到无色透明液体，即得到本实施例的气悬砂剂。

实施例4

按重量比取13份十四烷基二甲基胺乙内酯加入到反应釜中，在搅拌下加入78份工业级无水乙醇、15份工业优级乙二醇，常温下搅拌均匀，得到无色透明液体，即得到本实施例的气悬砂剂。

实施例5

按重量比取10份十六烷基二甲基胺乙内酯加入到反应釜中，在搅拌下加入82份工业级无水乙醇、16份工业优级乙二醇，常温下搅拌均匀，得到无色透明液体，即得到本实施例的气悬砂剂。

实施例6

按重量比取12份十二烷基二甲基胺乙内酯加入到反应釜中，在搅拌下加入85份工业级无水乙醇、18份工业优级乙二醇，常温下搅拌均匀，得到无色透明液体，即得到本实施例的气悬砂剂。

实施例7

按重量比取12份十二烷基二甲基胺乙内酯加入到反应釜中，在搅拌下加入65份工业级无水乙醇、18份工业优级乙二醇，常温下搅拌均匀，得到无色透明液体，即得到本实施例的气悬砂剂。

实施例8

按重量比取12份十二烷基二甲基胺乙内酯加入到反应釜中，在搅拌下加入70份工业级无水乙醇、10份工业优级乙二醇，常温下搅拌均匀，得到无色透明液体，即得到本实施例的气悬砂剂。

实施例9

按重量比取12份十二烷基二甲基胺乙内酯加入到反应釜中，在搅拌下加入70份工业级无水乙醇、20份工业优级乙二醇，常温下搅拌均匀，得到无色透明液体，即得到本实施例的气悬砂剂。

实施例10

按重量比取12份十二烷基二甲基胺乙内酯加入到反应釜中，在搅拌下加入85份工业级无水乙醇、20份工业优级乙二醇，常温下搅拌均匀，得到无色透明液体，即得到本实施例的气悬砂剂。

实施例11-20

使用40目、60目标准筛筛取石英砂获得粒径范围（40目-60目）石英砂，准确称取1000g石英砂（40目-60目之间）置于干燥洁净烧杯中，用移液管准确移取5ml（精确至0.01ml）上述各实施例1-10得到的油气田压裂液用气悬砂剂加入石英砂中，搅拌均匀，烘干，得到气悬砂实施例11-20，即实施例1的气悬砂剂得到的气悬砂为实施例11，实施例2的气悬砂剂得到的气悬砂为实施例12，依次类推。

一、气悬砂性能评价

（1）悬浮性能评价

1.1配制滑溜水

量取500ml蒸馏水倒入高速搅拌杯中，在高速（11000rpm）搅拌中加入0.25g（精确至0.01g，下同）聚丙烯酰胺，高速搅拌20min，其表观粘度为：1mpas。

1.2悬浮性能

量取200ml上述滑溜水，倒入waring组织捣碎机玻璃杯中，并称取40.0g（精确至0.01g）实施例11-20的气悬砂（40目-60目）加入滑溜水中。将waring组织捣碎机调至7000-8000rpm，打开开关搅拌10-20s，关上开关，观察气悬砂悬浮情况，将悬浮于滑溜水顶部的气悬砂取出烘干后称重，计算实施例气悬砂悬浮比结果见表1。

表1.实施例气悬砂悬浮比值表

图1为实施例12的气悬砂的悬浮状态照片，气悬砂悬浮在滑溜水液面。图2为局部照片，在图2中清晰地显示在悬浮的气悬砂砂粒表面起了很多气泡，气泡的存在将气悬砂托举悬浮在了低表观粘度的滑溜水表面位置。

1.4悬浮时间

量取200ml上述滑溜水，倒入waring组织捣碎机玻璃杯中，并称取40.0g（精确至0.01g）实施例11-20气悬砂（40目-60目）加入滑溜水中。将waring组织捣碎机调至7000-8000rpm，打开开关搅拌10-20s，关上开关，观察气悬砂悬浮情况，当石英砂全部沉降后，记录悬浮时间，结果见表2。

表2.实施例气悬砂悬浮时间表

上述实验数据表明，通过实施例16可以看出，与实施例12比较，无水乙醇采用上限85时悬浮效果比采用70份时降低，无水乙醇用量超过上限后有效浓度降低，悬浮性能减弱，故无水乙醇上限用量定为85份；通过实施例17可以看出，与实施例12比较，无水乙醇采用下限65份时悬浮效果比采用70份时低很多，若无水乙醇用量继续减小，则原料不能充分溶解，悬浮性能变差，故无水乙醇下限用量定为65份；通过实施例18可以看出，与实施例12比较，乙二醇采用下限10份时悬浮效果比采用18份时低很多，若乙二醇用量继续减小，则悬浮性能变差，故乙二醇下限用量定为10份；通过实施例19可以看出，与实施例12比较，乙二醇采用上限20时与采用18时悬浮效果的差别较小，乙二醇用量超过上限后悬浮性能提升不明显，故无水乙醇上限用量定为85份；通过实施例20可以看出，与实施例13比较，随十二烷基二甲胺乙内酯用量减少，悬浮效果略微出现降低。总体来看，采用本发明制得的油田压裂液用气悬砂剂制得的气悬砂悬浮性能良好，悬浮比高达85%以上，悬浮时间长，悬砂能力强，可以有效改善石英砂支撑剂的运移与分布。

对比实验例1

按重量比取12份十二烷基二甲基胺乙内酯加入到反应釜中，在搅拌下加入70份工业级无水乙醇、18份去离子水，常温下搅拌均匀，得到无色透明液体，即得到本对比例的气悬砂剂。准确称取1000g石英砂（40目-60目之间）置于干燥洁净烧杯中，用移液管准确移取5ml（精确至0.01ml）上述气悬砂剂加入石英砂中，搅拌均匀，烘干，得气悬砂。

对比实验例2

按重量比取12份十二烷基二甲基胺乙内酯加入到反应釜中，在搅拌下加入70份去离子水、18份工业优级乙二醇，常温下搅拌均匀，得到无色透明液体，即得到本对比例的气悬砂剂。准确称取1000g石英砂（40目-60目之间）置于干燥洁净烧杯中，用移液管准确移取5ml（精确至0.01ml）上述气悬砂剂加入石英砂中，搅拌均匀，烘干，得气悬砂。

对比实验例3

按重量比取12份十二烷基二甲基氧化胺加入到反应釜中，在搅拌下加入70份工业级无水乙醇、18份工业优级乙二醇，常温下搅拌均匀，得到无色透明液体，即得到本对比例的气悬砂剂。准确称取1000g石英砂（40目-60目之间）置于干燥洁净烧杯中，用移液管准确移取5ml（精确至0.01ml）上述气悬砂剂加入石英砂中，搅拌均匀，烘干，得气悬砂。

对比实验例4

按重量比取12份十六烷基二甲基氧化胺加入到反应釜中，在搅拌下加入70份工业级无水乙醇、18份工业优级乙二醇，常温下搅拌均匀，得到无色透明液体，即得到本对比例的气悬砂剂。准确称取1000g石英砂（40目-60目之间）置于干燥洁净烧杯中，用移液管准确移取5ml（精确至0.01ml）上述气悬砂剂加入石英砂中，搅拌均匀，烘干，得气悬砂。

对比实施例5

按重量比取12份十二烷基二甲基氧化胺加入到反应釜中，在搅拌下加入70份工业级无水乙醇、200份工业优级乙二醇，常温下搅拌均匀，得到无色透明液体，即得到本对比例的气悬砂剂。准确称取1000g石英砂（40目-60目之间）置于干燥洁净烧杯中，用移液管准确移取5ml（精确至0.01ml）上述气悬砂剂加入石英砂中，搅拌均匀，烘干，得气悬砂。

对比实施例6

按重量比取12份十二烷基二甲基氧化胺加入到反应釜中，在搅拌下加入300份工业级无水乙醇、18份工业优级乙二醇，常温下搅拌均匀，得到无色透明液体，即得到本对比例的气悬砂剂。准确称取1000g石英砂（40目-60目之间）置于干燥洁净烧杯中，用移液管准确移取5ml（精确至0.01ml）上述气悬砂剂加入石英砂中，搅拌均匀，烘干，得气悬砂。

根据上述悬浮性能评价方法，计算对比实验例气悬砂悬浮比，结果见表3。

表3.对比实验例气悬砂悬浮比值表

对比实施例7

将实施例1制得的气悬砂剂直接加入制得的滑溜水中，搅拌均匀，得含气悬砂剂的滑溜水，其表观粘度为1mpa·s。量取200ml上述滑溜水，倒入waring组织捣碎机玻璃杯中，并称取40.0g石英砂（40目-60目，精确至0.01g）加入滑溜水中。将waring组织捣碎机调至7000-8000rpm，打开开关搅拌10-20s，关上开关，观察石英砂悬浮情况和沉降时间，结果见图3，石英砂全部沉于玻璃杯底部，不能有效悬浮，不能达到本发明的悬浮效果。

对比实施例8

量取200ml滑溜水，倒入waring组织捣碎机玻璃杯中，并称取40.0g石英砂（40目-60目，精确至0.01g）加入滑溜水中。将waring组织捣碎机调至7000-8000rpm，打开开关搅拌10-20s，关上开关，观察石英砂悬浮情况和沉降时间，结果见图4，石英砂全部沉于玻璃杯底部，不能有效悬浮，不能达到本发明的悬浮效果。

上述实验数据表明，当原料中乙二醇由水代替时，石英砂失去悬浮能力，烷基二甲基胺乙内酯不能牢固吸附于石英砂支撑剂表面，剪切时容易脱落从而不能有效改善石英砂表面活性；当原料中无水乙醇由水代替时，烷基二甲基胺乙内酯溶解性能减弱，只有微量石英砂悬浮，悬浮性能差；当原料中的烷基二甲基胺乙内酯由相似表面活性剂代替时，同时考查无水乙醇及乙二醇过量情况下，石英砂同样失去悬浮能力，可以说明原料中的烷基二甲基胺乙内酯、无水乙醇、乙二醇是不可或缺的，只有当烷基二甲基胺乙内酯与无水乙醇、乙二醇特定组合时，才能改善石英砂的表面活性，使石英砂获得悬浮能力。根据对比实施例7可以看出，当将气悬砂剂直接加入滑溜水，对于未经改性处理的石英砂悬浮能力很差，沉降速度快，溶液的表观粘度为1mpa·s，与滑溜水粘度相当，可以看出悬浮原理不是提高液相粘度使石英砂悬浮，同时可以说明此时的气悬砂剂未能有效的牢固吸附于石英砂表面，只有当使用气悬砂剂对石英砂表面改性、并牢固吸附于石英砂表面后，气悬砂在滑溜水中才能获得有效悬浮。表明气悬砂的悬浮，确系由石英砂表面改性获得，而不是滑溜水中加入。

本文中应用了具体个例对发明构思进行了详细阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离该发明构思的前提下，所做的任何显而易见的修改、等同替换或其他改进，均应包含在本发明的保护范围之内。

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