CN104099069A - 一种抗温型粘土防膨剂及其制备工艺 - Google Patents

一种抗温型粘土防膨剂及其制备工艺 Download PDF

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Abstract

本发明属于采油工程技术领域，本发明提供了一种抗温型粘土防膨剂及其制备工艺，该防膨剂是数均分子量小于5000的聚胺类物质，是以聚醚多元醇为原料，在氢气、胺化剂及催化剂存在下，通过催化还原胺化制备工艺而得，其特征包括以下几个步骤：a）选用专用骨架镍催化剂，质量百分比组成为：80～95%金属镍，5～20%金属铝，0.5～5%铬、铁、铜或锌中的一种、两种或三种；b)进行催化还原胺化反应，反应温度为120~260℃，反应压力为5.0~35.0MPa，反应时间为1.5~10h；c)将步骤b）中反应液冷却降温至25~60℃，排除未反应的气体，出料，反应产物经减压蒸馏脱去水分、胺化剂以及其他低沸点副产物即得防膨剂产品。本发明选择性好、转化率高、对环境污染少、后处理方便。

Description

一种抗温型粘土防膨剂及其制备工艺
技术领域
本发明属于采油工程技术领域，涉及到一种抗温型粘土防膨剂及其制备工艺。 
背景技术
粘土矿物广泛存在于油层中，全世界97％的油层都不同程度地含有粘土矿物。通常当油藏含粘土5％～20％时，则认为它是粘土含量较高的油层。如果在开发过程中措施不当，就会造成粘土矿物膨胀、分散和运移，从而堵塞地层孔隙结构的喉部，降低地层的渗透性，产生地层损害。为了保护油气地层的渗透性，必须使用化学处理剂稳定地层中的粘土矿物。能防止粘土矿物膨胀的处理剂称为防粘土膨胀剂(防膨剂)。能防止粘土微粒运移的处理剂称为防粘土微粒运移剂(防运移剂)，两者都属粘土稳定剂。 
粘土稳定剂根据不同的结构及所使用的化学药品的不同在这方面的研制大致可以分为三个阶段：①50年代到60年代后期，主要用无机盐类来稳定粘土；②70年代用无机多核聚合物和阳离子表面活性剂来稳定粘土；③80年代以后主要开展了用阳离子有机聚合物稳定粘土的研究和实验。 
无机盐是非永久性粘土稳定剂，在采油过程中，地层水中的钠离子将重新取代这些离子，当其浓度减少到一定程度时稳定粘土的作用就会消失。这类粘土稳定剂不能产生多点吸附，因此对防止粘土运移效果不明显，主要用在钻井、压裂、酸化等作业中。 
无机盐后又开发使用了羟基铝、羟基铁、羟基锆等无机阳离子聚合物粘土稳定剂，其稳定粘土的机理是三价和三价以上的金属离子(如A13+、Cr3+、Zr3+、Zr4+、Ti4+等)在一定条件下解离出多核羟桥络离子，这种络离子具有很高的正电价并且结构与粘土相似，能紧密吸附在粘土表面上，减少粘土表面的负电性，有效地控制粘土膨胀和微粒地运移，能处理大面积的储层。无机阳离子聚合物稳定粘土的有效期比无机盐长，但耐酸性差，不能用于碳酸盐含量高的砂岩地层。最好的无机阳离子聚合物是羟基铝和羟基锆。 
阳离子表面活性剂由于在水中可以解离出有表面活性的阳离子，能吸附在粘土颗粒的表面上，中和粘土表面的负电荷，所以可作为防膨剂。但阳离子表面活性剂作粘土防膨剂时易与其它阴离子化学药剂反应产生沉淀。另外，其最大的缺点是使储层的水润湿性变为油润湿性，导致水的相对渗透率下降。 
有机阳离子聚合物是含氮、硫和磷的聚合物。用的较多是聚季铵盐类物质，它在水中解离产生高正电价的高分子阳离子，可以同时与多个粘土颗粒形成多点吸附，吸附后，在粘土颗粒的表面形成一层吸附保护膜，防止粘土颗粒的膨胀与运移。但是该类物质由于分子量较大，容易对低渗透地层的孔隙喉道产生堵塞，同时聚季铵盐类物质，有一定的毒性，使用对环境会造成一定的污染。 
发明内容
本发明提供一种抗温型粘土防膨剂及其制备工艺。 
本发明的目的通过以下技术方案来实现的： 
抗温型粘土防膨剂，其特征在于该防膨剂是数均分子量小于5000的聚胺类物质，具以下结构通式a)或b)或c)：
a) 
                 （1）
R1、R2和R3是可独立选择的包含支链或者直链脂肪族C2~C4基团;m:0~80；n: 0~80，m+n:2~80；R4和R5是相同或不同的并且是氢或具有1至6个碳原子的脂肪族有机基团。
b) 
    （2）
R1、R2是可独立选择的包含支链或者直链脂肪族C2~C4基团; m:0~20；n: 0~20。
c) 
R2、R3是可独立选择的包含支链或者直链脂肪族C2~C4基团；m:0~25；n:0~25，m+n:2~25；R1、R4和R5是相同或不同的并且是氢或具有1至6个碳原子的脂肪族有机基团。
本发明抗温型粘土防膨剂的制备，是以聚醚多元醇为原料，在氢气、胺化剂及催化剂存在下，通过催化还原胺化制备工艺而得，其特征包括以下几个步骤： 
a）选用专用的骨架镍催化剂，其质量百分比组成为：80～95%金属镍，5～20%金属铝，0.5～5%铬、铁、铜或锌中的一种、两种或三种，将催化剂密封保存备用；
b)在反应器中采用步骤a)中所述的催化剂，进行催化还原胺化反应，所用原料为数均分子量5000以下的聚醚多元醇，催化剂加入量为原料聚醚多元醇质量的2~15%，胺化剂加入量为原料聚醚多元醇羟基摩尔数的1.5~20倍，氢气加入量为原料聚醚多元醇羟基摩尔数的0.4~15倍，反应温度为120~260℃，反应压力为5.0~35.0MPa，反应时间为1.5~10h；
c)将步骤b）中反应液冷却降温至25~60℃，排除未反应的气体，出料，反应产物经减压蒸馏脱去水分、胺化剂以及其他低沸点副产物即得防膨剂产品。
上述防膨剂的生产工艺，所制备的防膨剂 
上述防膨剂的生产工艺，所述的原料聚醚多元醇具有以下结构通式a）或b）：
 a）   
其中R1、R2和R3是可独立选择的包含支链或者直链脂肪族C2~C4基团；m：0~80；n：0~80；m+n：2~80；
 b)
           
其中R是氢或具有1至6个碳原子的脂肪族有机基团，R2和R3是可独立选择的包含支链或者直链脂肪族C2~C4基团；m：0~25；n：0~25；m+n：2~25。
上述防膨剂的生产工艺，所述胺化剂可以为氨、甲胺、二甲胺、乙胺、二乙胺、正丙胺、二正丙胺、异丙胺、二异丙胺、己胺或环己胺。 
上述防膨剂的生产工艺，减压蒸馏温度控制在100～120℃，真空度控制在-0.08～-0.1MPa，脱去水分、胺化剂以及其他低沸点副产物。 
本发明工艺中，骨架镍催化剂和胺化剂经处理后都进行循环套用，整个制备工艺路线选择性好、转化率高、对环境污染少、后处理方便。 
具体实施方式
下面结合实施例说明本发明的工艺。 
实施例1 
在0.5L高压反应釜中加入100g数均分子量240官能度为2的端羟基聚氧丙烯醚，三元骨架镍催化剂10g。分别用0.4MPa氮气和氢气置换反应釜2～3次，在搅拌状态下向反应釜内冲入氨气约为43.2L（标准状态下），调整氢气钢瓶出口压力4.0MPa，向反应釜内充氢气至压力平衡，加热升温，控制反应温度为190℃，反应时间为8h。反应结束后通冷却水至反应釜温度为50℃，缓慢排气，气体通过二级水吸收，出料。
将反应液趁热过滤分离催化剂和反应产物，将反应产物在转移至三口烧瓶中进行减压蒸馏，温度为105℃，真空度为-0.08MPa，蒸馏时间为2h，即得防膨剂胺产品1#。 
实施例2 
在0.5L高压反应釜中加入100g数均分子量400官能度为2的端羟基聚氧丙烯醚，四元骨架镍催化剂5g。分别用0.4MPa氮气和氢气置换反应釜2～3次，在搅拌状态下向反应釜内冲入氨气约为43.2L（标准状态下），调整氢气钢瓶出口压力4.0MPa，向反应釜内充氢气至压力平衡，加热升温，控制反应温度为220℃，反应时间为6h。反应结束后通冷却水至反应釜温度为50℃，缓慢排气，气体通过二级水吸收，出料。
将反应液趁热过滤分离催化剂和反应产物，将反应产物在转移至三口烧瓶中进行减压蒸馏，温度为120℃，真空度为-0.09MPa，蒸馏时间为1h，即得防膨剂胺产品2#。 
实施例3 
在0.5L高压反应釜中加入100g数均分子量983.0官能度为2的端羟基聚氧丙烯醚，四元骨架镍催化剂3g。分别用0.4MPa氮气和氢气置换反应釜2～3次，在搅拌状态下向反应釜内冲入氨气约为28.6L（标准状态下），调整氢气钢瓶出口压力2.5MPa，向反应釜内充氢气至压力平衡，加热升温，控制反应温度为200℃，反应时间为4h。反应结束后通冷却水至反应釜温度为60℃，缓慢排气，气体通过二级水吸收，出料。
将反应液趁热过滤分离催化剂和反应产物，将反应产物在转移至三口烧瓶中进行减压蒸馏，温度为105℃，真空度为-0.08MPa，蒸馏时间为1h，即得防膨剂胺产品3#。 
实施例4 
在0.5L高压反应釜中加入100g数均分子量2000官能度为2的端羟基聚氧乙烯醚，四元专用骨架镍催化剂3g。分别用0.4MPa氮气和氢气置换反应釜2～3次，在搅拌状态下向反应釜内冲入氨气约为30.0L（标准状态下），调整氢气钢瓶出口压力2.5MPa，向反应釜内充氢气至压力平衡，加热升温，控制反应温度为200℃，反应时间为2h。反应结束后通冷却水至反应釜温度为50℃，缓慢排气，气体通过二级水吸收，出料。
将反应液趁热过滤分离催化剂和反应产物，将反应产物在转移至三口烧瓶中进行减压蒸馏，温度为105℃，真空度为-0.08MPa，蒸馏时间为2h，即得防膨剂胺产品4#。 
实施例5 
在0.5L高压反应釜中加入100g数均分子量983.0官能度为2的端羟基聚氧丙烯醚，四元专用骨架镍催化剂4g。分别用0.4MPa氮气和氢气置换反应釜2～3次，在搅拌状态下向反应釜内冲入氨气约为43.0L（标准状态下），调整氢气钢瓶出口压力2.5MPa，向反应釜内充氢气至压力平衡，加热升温，控制反应温度为200℃，反应时间为4h。反应结束后通冷却水至反应釜温度为60℃，缓慢排气，气体通过二级水吸收，出料。
将反应液趁热过滤分离催化剂和反应产物，将反应产物在转移至三口烧瓶中进行减压蒸馏，温度为105℃，真空度为-0.08MPa，蒸馏时间为2h，即得防膨剂胺产品5#。 
实施例6 
在0.5L高压反应釜中加入100g数均分子量1000官能度为2的端羟基聚氧乙烯、丙烯共混醚，四元骨架镍催化剂5.0g。分别用0.4MPa氮气和氢气置换反应釜2～3次，在搅拌状态下向反应釜内冲入氨气约为28.2L（标准状态下），调整氢气钢瓶出口压力3.5MPa，向反应釜内充氢气至压力平衡，加热升温，控制反应温度为200℃，反应时间为2h。反应结束后通冷却水至反应釜温度为60℃，缓慢排气，气体通过二级水吸收，出料。
将反应液趁热过滤分离催化剂和反应产物，将反应产物在转移至三口烧瓶中进行减压蒸馏，温度为105℃，真空度为-0.08MPa，蒸馏时间为1h，即得防膨剂胺产品6#。 
实施例7 
在0.5L高压反应釜中加入100g数均分子量5000.0官能度为3的端羟基聚氧乙烯醚，四元专用骨架镍催化剂5.0g。分别用0.4MPa氮气和氢气置换反应釜2～3次，在搅拌状态下向反应釜内冲入氨气约为10.2L（标准状态下），调整氢气钢瓶出口压力3.0MPa，向反应釜内充氢气至压力平衡，加热升温，控制反应温度为200℃，反应时间为3h。反应结束后通冷却水至反应釜温度为60℃，缓慢排气，气体通过二级水吸收，出料。
将反应液趁热过滤分离催化剂和反应产物，将反应产物在转移至三口烧瓶中进行减压蒸馏，温度为105℃，真空度为-0.08MPa，蒸馏时间为2h，即得防膨剂产品7#。 
实施例8 
分别准确称取10.0 g上述1~7实施例中所的样品，精确至0.1 g，溶解于990.0 g蒸馏水中，精确至0.1 g，搅拌30 min，形成均匀溶液，分别标上1#~7#，待用。
实施例9 
按照中国石油天然气行业标准评价SY/T6335-1997进行1#~7#样品膨胀性实验。所用仪器为NP-3页岩膨胀测试仪。
称取8.00g在105℃士3℃下烘干4h的二级膨润土（直径为0.15-0.044mm），在压力机上制得压片（压力10MPa，时间5min）。把压片放入页岩膨胀仪中，加入配制好的一定浓度的防膨剂溶液（实施例8中所配溶液），测定试液浸泡后泥页岩压片的膨胀率。泥页岩压片的膨胀率越小，说明产品的抑制粘土水化膨胀的能力越强；反之则越差。实验结果如表1所示。 
表1 线性膨胀率试验 
由表1可见，制备的7种防膨剂产品能有效地抑制粘土的水化膨胀。
实施例10 
按照《SY/T5971-94注水用粘土稳定剂性能评价方法》评价了产品的防膨率。
取0.50g膨润土粉加入到10mL离心管中，加入10mL防膨剂溶液，充分摇匀，在室温下存放2h，在转速为1500/min下离心15min。读出膨润土膨胀体积V1。用10mL清水代替抑制剂溶液测定膨润土在清水中的膨胀体积V2；用10mL煤油代替抑制剂溶液测定膨润土在煤油中的膨胀体积V0。 
防膨率（B）计算公式： 
本实验所用抑制剂溶液为实施例8中所配溶液，试验结果见表2。
[0039] 表2产品防膨率试验 
 从防膨率数据可以看出，本发明研制的防膨剂都具有良好的防膨性能，其中1#和7#防膨效果比较突出。

Claims (5)

1.一种抗温型粘土防膨剂，其特征在于该防膨剂是数均分子量小于5000的聚胺类物质，具有以下结构通式a)或b)或c)：
a) 
             （1）
R1、R2和R3是可独立选择的包含支链或者直链脂肪族C2~C4基团;m:0~80；n: 0~80，m+n:2~80；R4和R5是相同或不同的并且是氢或具有1至6个碳原子的脂肪族有机基团；
b) 
    （2）
R1、R2是可独立选择的包含支链或者直链脂肪族C2~C4基团; m:0~20；n: 0~20；
c)
  
R2、R3是可独立选择的包含支链或者直链脂肪族C2~C4基团；m:0~25；n:0~25，m+n:2~25；R1、R4和R5是相同或不同的并且是氢或具有1至6个碳原子的脂肪族有机基团。
2.根据权利要求1所述抗温型粘土防膨剂制备工艺，其特征是以聚醚多元醇为原料，在氢气、胺化剂及催化剂存在下，通过催化还原胺化制备工艺而得，包括以下步骤：
a）选用专用的骨架镍催化剂，其质量百分比组成为：80～95%金属镍，5～20%金属铝，0.5～5%铬、铁、铜或锌中的一种、两种或三种，将催化剂密封保存备用；
b)在反应器中采用步骤a)中所述的催化剂，进行催化还原胺化反应，所用原料为数均分子量5000以下的聚醚多元醇，催化剂加入量为原料聚醚多元醇质量的2~15%，胺化剂加入量为原料聚醚多元醇羟基摩尔数的1.5~20倍,氢气加入量为原料聚醚多元醇羟基摩尔数的0.4~15倍，反应温度为120~260℃，反应压力为5.0~35.0MPa，反应时间为1.5~10h；
c)将步骤b）中反应液冷却降温至25~60℃，排除未反应的气体，出料，反应产物经减压蒸馏脱去水分、胺化剂以及其他低沸点副产物即得防膨剂产品。
3.根据权利要求2所述抗温型粘土防膨剂制备工艺，其特征是所述的原料聚醚多元醇具有以下结构通式a)或b)：
 a）   
其中R1、R2和R3是可独立选择的包含支链或者直链脂肪族C2~C4基团；m：0~80；n：0~80；m+n：2~80；
 b)
其中R是氢或具有1至6个碳原子的脂肪族有机基团，R2和R3是可独立选择的包含支链或者直链脂肪族C2~C4基团；m：0~25；n：0~25；m+n：2~25。
4.根据权利要求2所述的抗温型粘土防膨剂制备工艺，其特征是所述胺化剂为氨、甲胺、二甲胺、乙胺、二乙胺、正丙胺、二正丙胺、异丙胺、二异丙胺、己胺或环己胺。
5.根据权利要求2所述抗温型粘土防膨剂制备工艺，其特征是减压蒸馏温度控制在100～120℃，真空度控制在-0.08～-0.1MPa，脱去水分、胺化剂以及其他低沸点副产物。
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