CN113372488B - 具有反聚电解质行为的盐水基压裂液增稠剂及其制备方法 - Google Patents

具有反聚电解质行为的盐水基压裂液增稠剂及其制备方法 Download PDF

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Abstract

具有反聚电解质行为的盐水基压裂液增稠剂及其制备方法，属于油田采油助剂技术领域。本发明以三苄基胺、环氧氯丙烷、N,N‑二甲基‑1,3‑丙二胺、2‑丙烯酰胺基‑2‑甲基丙磺酸钠和丙烯酰胺为主要原料制备的两性离子聚合物具有显著的反聚电解质行为，能够在高矿化度盐水中保持较高的粘度，在一定矿化度范围内水溶液的粘度随矿化度的增大而增大，且具有携砂能力强和易破胶等优点。总体上由该聚合物配置的盐水基压裂液具有优秀的携砂能力和造缝能力。本发明具有反聚电解质行为的盐水基压裂液增稠剂具有优良的耐盐水能力，且制备工艺可靠，能够制备目前急需的盐水基的压裂液增稠剂。

Description

具有反聚电解质行为的盐水基压裂液增稠剂及其制备方法
技术领域
本发明属于油田采油助剂技术领域，涉及一种具有反聚电解质行为的盐水基压裂液增稠剂及其制备方法，特别涉及由三苄基胺、环氧氯丙烷、N,N-二甲基-1，3-丙二胺、2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸钠和丙烯酰胺为主要原料得到的具有反聚电解质行为的盐水基压裂液增稠剂及其制备方法。
背景技术
国内外的压裂液以天然植物胶和人工合成聚合物为稠化剂的水基压裂液应用最广。多数压裂液的配制需要使用大量的淡水，随着淡水资源的匮乏，对压裂施工尤其是干旱地区的压裂作业带来了很大的淡水使用压力；另外，由于低渗透致密油藏多为水敏感油藏，大量淡水的浸入造成了油层的破坏，严重影响了压裂效果。因此，能够使用矿化度较高的地层水配制的压裂液增稠剂是目前压裂施工的迫切需要。
发明内容
具有反聚电解质溶液行为的两性聚合物指其大分子链上同时含有正负电荷基团且二者数目相等或相近的电中性两性聚电解质，这类聚合物在盐溶液中的粘度在一定条件下不会随外加盐浓度的增加而减小，而是随外加盐浓度的增加而增大，呈现出十分明显的反聚电解质溶液行为。利用这类聚电解质的特殊溶液行为，可以制备目前急需的盐水基的压裂液增稠剂。
本发明以三苄基胺、环氧氯丙烷、N,N-二甲基-1，3-丙二胺、2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸钠和丙烯酰胺为主要原料制备的两性离子聚合物具有显著的反聚电解质行为，能够在高矿化度盐水中保持较高的粘度，在一定矿化度范围内水溶液的粘度随矿化度的增大而增大，且具有携砂能力强和易破胶等优点。总体上由该聚合物配置的盐水基压裂液具有优秀的携砂能力和造缝能力。
鉴于压裂施工对盐水基压裂液增稠剂的强烈技术需求，本发明的目的在于提供一种具有反聚电解质行为的盐水基压裂液增稠剂及其制备方法。首先以三苄基胺和环氧氯丙烷为原料制备N-（2, 3-环氧丙基）三苄基胺，将其与N, N-二甲基-1, 3-丙二胺反应制备N-（3-苄基胺基-2-羟基-丙基）-N’, N’-二甲基-1, 3-丙二胺，再以此与环氧氯丙烷和丙烯酰胺反应制备出阳离子单体；然后将该单体与2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸钠和丙烯酰胺按比例溶解于蒸馏水中，以过硫酸钾为引发剂引发聚合，制备出一种具有显著反聚电解质行为的两性离子共聚物。具体技术方案如下。
具有反聚电解质行为的盐水基压裂液增稠剂，其特征在于，所述压裂液增稠剂是以一种阳离子单体、一种阴离子单体和丙烯酰胺在水溶液中共聚生成的聚合物凝胶。
进一步地，所述压裂液增稠剂的单体分别为：以三苄基胺和环氧氯丙烷为原料制备N-（2, 3-环氧丙基）三苄基胺，将其与N, N-二甲基-1, 3-丙二胺反应制备N-（3-苄基胺基-2-羟基-丙基）-N’, N’-二甲基-1, 3-丙二胺，再以此与环氧氯丙烷和丙烯酰胺反应制备出阳离子单体；2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸钠和丙烯酰胺。
进一步地，所述压裂液增稠剂的单体比例为：以阳离子单体为100份计，2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸钠为100~120份，丙烯酰胺为270~330份。
本发明中除另有说明的以外，份数基准为物质的量（摩尔）。
进一步地，具有反聚电解质行为的盐水基压裂液增稠剂的制备方法，包括以下步骤：
（1）以三苄基胺和环氧氯丙烷为原料制备N-（2, 3-环氧丙基）三苄基胺，将其与N,N-二甲基-1, 3-丙二胺反应制备N-（3-苄基胺基-2-羟基-丙基）-N’, N’-二甲基-1, 3-丙二胺，再以此与环氧氯丙烷和丙烯酰胺反应制备出阳离子单体；
（2）将阳离子单体、2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸钠和丙烯酰胺按比例溶解于蒸馏水中，通入保护气体，然后在引发剂作用下引发聚合反应，制备得到具有反聚电解质行为的盐水基压裂液增稠剂。
进一步地，步骤（1）制备阳离子单体的具体过程为：将100份三苄基胺和无水乙醇加入反应容器中，通入氮气，搅拌溶解；再加入对甲苯磺酸，搅拌溶解，升温至30~40℃，然后缓慢滴加100~120份环氧氯丙烷，滴完后于30~40℃反应10~14h，减压蒸去乙醇，冷却，过滤，得浅黄色晶体粉末；将其与100~120份N,N-二甲基-1, 3-丙二胺一起溶解于蒸馏水中，加入反应器中升温至75~85℃，搅拌反应3~5h，冷却至45~55℃，搅拌下缓慢滴加100-120份环氧氯丙烷，滴完后于45~55℃反应2~4h，得浅黄色透明液体；然后加入100~120份丙烯酰胺，搅拌溶解，升温至60~70℃，反应3~5h，生成黄色透明液体，冷却至室温待用。
进一步地，步骤（2）中阳离子单体、2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸钠和丙烯酰胺的比例为：以阳离子单体为100份计，2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸钠为100~120份，丙烯酰胺为270~330份。
进一步地，步骤（2）中所述引发剂为过硫酸钾。
进一步地，步骤（2）中所述保护气体为氮气，聚合反应温度为60~70℃，聚合反应时间为4~6h。
本发明具有以下有益技术效果：本发明得到的具有反聚电解质行为的盐水基压裂液增稠剂具有优良的耐盐水能力，且制备工艺可靠，能够制备目前急需的盐水基的压裂液增稠剂。
具体实施方式
下面对本发明的技术方案进行清楚、完整的描述。显然，所描述的实施方式仅仅是本发明一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本发明的实施方式，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本发明的保护范围。
实施例1
具有反聚电解质行为的盐水基压裂液增稠剂的制备方法，包括如下步骤：
步骤（1）：将0.02mol三苄基胺和30mL无水乙醇加入100mL三口反应瓶中，通入氮气，搅拌溶解，再加入0.1克对甲苯磺酸，搅拌溶解，升温至35℃，然后缓慢滴加0.02mol环氧氯丙烷，需2小时，滴完后于35℃保温反应12小时，得微黄色透明液体，减压蒸去乙醇，冷却，过滤，得浅黄色晶体粉末，将其与0.02molN,N-二甲基-1，3-丙二胺一起溶解于50mL蒸馏水中，于250mL反应瓶内升温至80℃，搅拌反应4小时，冷却至50℃，搅拌下缓慢滴加0.02mol环氧氯丙烷，需1小时，滴完后于50℃保温反应3小时，得浅黄色透明液体，然后加入0.02mol丙烯酰胺，搅拌溶解，升温至65℃，保温反应4小时，生成黄色透明液体，冷却中室温待用。
步骤（2）：往上述（1）中加入0.02mol2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸钠、0.06mol丙烯酰胺和50mL蒸馏水，搅拌溶解，然后再加入0.005g过硫酸钾，通入氮气30分钟，升温至65℃引发聚合，需5小时，冷却至室温，得黄色胶体。
实施例2
准确称取实施例1步骤（2）得到的胶体样品，切成小块，加入清水中，搅拌溶解，配制成1.0%清水溶液。然后分别用清水、矿化度为10000mg/L（其中Ca2+含量为100mg/L）、30000mg/L（其中Ca2+含量为300mg/L）、50000mg/L（其中Ca2+含量为500mg/L）、100000mg/L（其中Ca2+含量为1000mg/L）、150000mg/L（其中Ca2+含量为1500mg/L）和200000mg/L（其中Ca2 +含量为2000mg/L）模拟地层水稀释，配制出药剂浓度分别为0.1%、0.3%和0.5%的样品溶液。用BROOKFILD DV-III+型流变仪测定各溶液在30ºC、60ºC和90ºC三种温度下的粘度；结果见表1至表7。
表1 样品清水溶液粘度（mPa.s）
Figure 667706DEST_PATH_IMAGE002
表2 矿化度为10000mg/L的样品溶液粘度（mPa.s）
Figure 647163DEST_PATH_IMAGE004
表3 矿化度为30000mg/L的样品溶液粘度（mPa.s）
Figure 223638DEST_PATH_IMAGE006
表4 矿化度为50000mg/L的样品溶液粘度（mPa.s）
Figure 166317DEST_PATH_IMAGE008
表5 矿化度为100000mg/L的样品溶液粘度（mPa.s）
Figure 511848DEST_PATH_IMAGE010
表6 矿化度为150000mg/L的样品溶液粘度（mPa.s）
Figure DEST_PATH_IMAGE012AAAA
表7 矿化度为200000mg/L的样品溶液粘度（mPa.s）
Figure 475256DEST_PATH_IMAGE014
从表1至表7可以看出，矿化度从10000ppm到150000ppm，随着矿化度的增大，三种浓度溶液的粘度均增大，说明盐对样品溶液具有增粘的能力。
实施例3
准确称取实施例1步骤（2）得到的胶体样品，切成小块，加入矿化度为100000mg/L（其中Ca2+含量为1000mg/L）模拟地层水中，搅拌溶解，分别配制成药剂浓度为0.1%、0.3%、0.5%样品溶液，在60ºC和90ºC两种温度条件下，对各种溶液进行剪切，剪切速率为7.34s-1，剪切时间为120分钟，然后测定剪切后各溶液的粘度，结果见表8。
表8 不同浓度和温度下剪切后样品溶液的粘度（mPa.s）
Figure 273448DEST_PATH_IMAGE016
从表8可以看出，在60ºC和90ºC两种温度条件下，样品溶液被剪切后粘度有一定的降低。
实施例4
准确称取实施例1步骤（2）得到的胶体样品，切成小块，搅拌，溶解于矿化度为100000mg/L（其中Ca2+含量为1000mg/L）模拟地层水中，配置出药剂浓度分别为0.1%、0.3%和0.5%的溶液。在30ºC、60ºC和90ºC三种温度条件下，以过硫酸铵微胶囊为破胶剂，加量为溶液的0.05%，对各种溶液进行破胶，测定30分钟后各溶液的粘度，结果见表9。
表9 不同浓度和温度下破胶30分钟后各溶液的粘度（mPa.s）
Figure 31537DEST_PATH_IMAGE018
对比表8与表9的数据可以看出，溶液被过硫酸铵氧化破胶后，粘度大为降低，均低于5 mPa.s，说明样品溶液具有较好的被破胶能力。
尽管上面已经示出和描述了本发明的部分实施方式，可以理解的是，上述实施方式是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下在本发明的范围内可以对上述实施方式进行变化、修改、替换和变型。本发明的保护范围由权利要求书及其等同技术方案限定。

Claims (7)

1.具有反聚电解质行为的盐水基压裂液增稠剂，其特征在于，所述压裂液增稠剂是以一种阳离子单体、一种阴离子单体和丙烯酰胺在水溶液中共聚生成的聚合物凝胶；所述压裂液增稠剂的单体分别为：以三苄基胺和环氧氯丙烷为原料制备N-（2, 3-环氧丙基）三苄基胺，将其与N, N-二甲基-1, 3-丙二胺反应制备N-（3-三苄基胺基-2-羟基-丙基）-N’,N’-二甲基-1, 3-丙二胺，再以此与环氧氯丙烷和丙烯酰胺反应制备出阳离子单体；2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸钠和丙烯酰胺。
2.根据权利要求1所述的压裂液增稠剂，其特征在于，所述压裂液增稠剂的单体比例为：以阳离子单体为100份计，2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸钠为100~120份，丙烯酰胺为270~330份。
3.根据权利要求1或2所述的压裂液增稠剂的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
（1）以三苄基胺和环氧氯丙烷为原料制备N-（2, 3-环氧丙基）三苄基胺，将其与N, N-二甲基-1, 3-丙二胺反应制备N-（3-三苄基胺基-2-羟基-丙基）-N’, N’-二甲基-1, 3-丙二胺，再以此与环氧氯丙烷和丙烯酰胺反应制备出阳离子单体；
（2）将阳离子单体、2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸钠和丙烯酰胺按比例溶解于蒸馏水中，通入保护气体，然后在引发剂作用下引发聚合反应，制备得到具有反聚电解质行为的盐水基压裂液增稠剂。
4.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，步骤（1）制备阳离子单体的具体过程为：将100份三苄基胺和无水乙醇加入反应容器中，通入氮气，搅拌溶解；再加入对甲苯磺酸，搅拌溶解，升温至30~40℃，然后缓慢滴加100~120份环氧氯丙烷，滴完后于30~40℃反应10~14h，减压蒸去乙醇，冷却，过滤，得浅黄色晶体粉末；将其与100~120份N,N-二甲基-1,3-丙二胺一起溶解于蒸馏水中，加入反应器中升温至75~85℃，搅拌反应3~5h，冷却至45~55℃，搅拌下缓慢滴加100-120份环氧氯丙烷，滴完后于45~55℃反应2~4h，得浅黄色透明液体；然后加入100~120份丙烯酰胺，搅拌溶解，升温至60~70℃，反应3~5h，生成黄色透明液体，冷却至室温待用。
5.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，步骤（2）中阳离子单体、2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸钠和丙烯酰胺的比例为：以阳离子单体为100份计，2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸钠为100~120份，丙烯酰胺为270~330份。
6.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，步骤（2）中所述引发剂为过硫酸钾。
7.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，步骤（2）中所述保护气体为氮气，聚合反应温度为60~70℃，聚合反应时间为4~6h。
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