CN117986455A - 一种油田用稠化增粘剂的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及油田开采技术领域，且公开了一种油田用稠化增粘剂的制备方法，本发明的4,4‑丙烯酰胺基二苯甲酰胺季铵盐单体含有的双长链烷基可以通过自组装作用和物理交联作用，形成空间网络结构，具有更强的疏水缔合作用，有利于提高稠化增粘剂的黏弹性和增粘效果。并且其双季铵盐结构可以与2‑丙烯酰胺基‑2‑甲基丙磺酸的磺酸基团形成独特的双甜菜碱两性离子基团，使稠化增粘剂在水溶液中表现出“反聚电解质”效应，而疏水缔合作用又增强了稠化增粘剂的溶液性质，从而使稠化增粘剂具有更高的表观粘度。耐高温性能和热分解稳定性能。使稠化增粘剂在高温油藏开采的压裂液体系中有广阔的应用前景。
Description
技术领域
本发明涉及石油开采技术领域，具体为一种油田用稠化增粘剂的制备方法。
背景技术
聚丙烯酰胺的制备方法简单，成本低廉，并且具有一定的增粘作用，在压裂液稠化增粘剂和石油开采领域有广泛的发展和应用。随着油田开采的深度越来越大，所面临的油藏地质条件也越来越苛刻；因此对压裂液和稠化增粘剂的性能提出了更高的要求。开发增粘效果好、抗温、抗盐的稠化增粘剂和压裂液是研究重点。
目前的稠化增粘剂主要有甜菜碱型增粘剂、阳离子型增粘剂、疏水缔合型增粘剂等；中国专利CN115074106B公开了一种冻胶压裂液及其制备方法，以乙烯基三（二甲基硅氧烷基）硅烷等作为促进单体、2-(二异丙基氨基)甲基丙烯酸乙酯等作为增强单体、2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸等作为磺酸类单体，与丙烯酰胺、1-异丙烯基-2-苯并咪唑酮、结构调节剂进行聚合反应，得到用于冻胶压裂液的稠化剂。具有交联强度高，耐温性能好的优点。但是该稠化剂的反应单体过多，反应体系复杂，不适于工业化实际生成和应用。
本发明以丙烯酰胺、2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸、4,4-丙烯酰胺基二苯甲酰胺季铵盐单体进行聚合反应，制备得到增粘效果好，抗温性和抗热老化型优良的稠化增粘剂。
发明内容
本发明解决了聚丙烯酰胺稠化增粘剂增粘效果不佳，抗温性和抗热老化性较差的问题。
为解决上述技术问题，本发明采取的技术方案是：
一种油田用稠化增粘剂的制备方法，包括如下步骤：向烧瓶中加入比例为1L:（0.1-0.15）L的水、乙醇助溶剂，以及比例为1mol:（0.05-0.08）mol:（0.025-0.04）mol的丙烯酰胺、2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸、4,4-丙烯酰胺基二苯甲酰胺季铵盐单体，通入氮气，升温至60-75℃，滴加引发剂偶氮二异丁脒盐酸盐，反应8-12h，反应后加热挥发溶剂直至大量沉淀物析出，过滤后乙醇洗涤，干燥，得到油田用稠化增粘剂；
进一步的，丙烯酰胺、偶氮二异丁脒盐酸盐的比例为1mol:（0.0007-0.0008）mol。
进一步的，4,4-丙烯酰胺基二苯甲酰胺季铵盐单体的制备方法包括如下步骤：
（1）将烧瓶置于冰浴中，加入二氯甲烷、4,4’-亚胺基二苯甲酸、三乙胺、丙烯酰氯，混匀后撤去冰浴，室温下反应12-18h，浓缩溶剂，产物用乙酸乙酯重结晶，得到4,4-丙烯酰胺基二苯甲酸。
（2）向烧瓶中加入氯化亚砜、4,4-丙烯酰胺基二苯甲酸，加热至70-75℃并回流反应3-5h，浓缩除去氯化亚砜，中间体产物加入到反应溶剂，冰浴下滴加三乙胺、N,N-二甲基乙二胺，混匀后撤去冰浴，室温下反应12-24h，浓缩溶剂，产物用乙酸乙酯重结晶，得到4,4-丙烯酰胺基二苯甲酰胺基二甲基乙胺。
（3）向烧瓶中加入N,N-二甲基甲酰胺、4,4-丙烯酰胺基二苯甲酰胺基二甲基乙胺、长链烷基氯化物，升温至110-130℃，反应时间为60-72h，反应后减压浓缩，产物用乙醇重结晶，得到4,4-丙烯酰胺基二苯甲酰胺季铵盐单体。
进一步的，（1）中4,4’-亚胺基二苯甲酸、三乙胺、丙烯酰氯的比例为1mol:（1-1.2）mol:（1-1.1）mol。
进一步的，（2）中反应溶剂为二氯甲烷、三氯甲烷、1,4-二氧六环中的任意一种。
进一步的，（3）4,4-丙烯酰胺基二苯甲酰胺基二甲基乙胺、长链烷基氯化物的比例为1mol:（2-2.2）mol。
进一步的，长链烷基氯化物为1-氯十四烷或1-氯十六烷。
本发明的技术效果是：本发明利用4,4’-亚胺基二苯甲酸、丙烯酰氯、N,N-二甲基乙二胺、长链烷基氯化物等作为反应原料，制备了4,4-丙烯酰胺基二苯甲酰胺季铵盐单体，然后与丙烯酰胺、2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸进行聚合反应，得到新型的稠化增粘剂。
本发明的4,4-丙烯酰胺基二苯甲酰胺季铵盐单体含有双长链烷基和双季铵盐结构；相比于单烷基长链，双长链烷基可以通过自组装作用和物理交联作用，形成空间网络结构，具有更强的疏水缔合作用，有利于提高稠化增粘剂的黏弹性和增粘效果。并且其双季铵盐结构可以与2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸的磺酸基团形成独特的双甜菜碱两性离子基团，使稠化增粘剂在水溶液中表现出“反聚电解质”效应，而疏水缔合作用又增强了稠化增粘剂的溶液性质，从而使稠化增粘剂具有更高的表观粘度和增粘作用。
本发明的4,4-丙烯酰胺基二苯甲酰胺季铵盐单体含有耐热性的芳环结构，有利于改善稠化增粘剂的耐高温性能和热分解稳定性能。在高温测试下仍然具有较高的表观粘度，同时经过高温热老化处理，稠化增粘剂不易热分解，表观粘度保持率高。使稠化增粘剂在高温油藏开采的压裂液体系中有广阔的应用前景。
具体实施方式
本发明的4,4’-亚胺基二苯甲酸的CAS号为20800-00-4。丙烯酰氯的CAS号为814-68-6。N,N-二甲基乙二胺的CAS号为108-00-9。1-氯十四烷的CAS号为2425-54-9。1-氯十六烷的CAS号为4860-03-1。2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸的CAS号为15214-89-8。
实施例1
（1）将烧瓶置于冰浴中，加入15mL二氯甲烷、5mmol 4,4’-亚胺基二苯甲酸、6mmol三乙胺、5mmol丙烯酰氯，混匀后撤去冰浴，室温下反应12h，浓缩溶剂，产物用乙酸乙酯重结晶，得到4,4-丙烯酰胺基二苯甲酸。反应式为：
。
（2）向烧瓶中加入50mmol氯化亚砜、5mmol 4,4-丙烯酰胺基二苯甲酸，加热至75℃并回流反应3h，浓缩除去氯化亚砜，中间体产物加入到20mL二氯甲烷溶剂中，冰浴下滴加11mmol三乙胺、12mmol N,N-二甲基乙二胺，混匀后撤去冰浴，室温下反应24h，浓缩溶剂，产物用乙酸乙酯重结晶，得到4,4-丙烯酰胺基二苯甲酰胺基二甲基乙胺。反应式为：
。
（3）向烧瓶中加入50mL N,N-二甲基甲酰胺、10mmol 4,4-丙烯酰胺基二苯甲酰胺基二甲基乙胺、24mmol 1-氯十六烷，升温至110℃，反应72h，反应后减压浓缩，产物用乙醇重结晶，得到4,4-丙烯酰胺基二苯甲酰胺季铵盐单体。反应式为：
。
（4）向烧瓶中加入40mL水、4mL乙醇助溶剂，200mmol丙烯酰胺、10mmol 2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸、5mmol 4,4-丙烯酰胺基二苯甲酰胺季铵盐单体，通入氮气，升温至60℃，滴加引发剂0.14mmol偶氮二异丁脒盐酸盐，反应12h，反应后加热挥发溶剂直至大量沉淀物析出，过滤后乙醇洗涤，干燥，得到油田用稠化增粘剂。
实施例2
（1）将烧瓶置于冰浴中，加入20mL二氯甲烷、5mmol 4,4’-亚胺基二苯甲酸、5mmol三乙胺、5mmol丙烯酰氯，混匀后撤去冰浴，室温下反应18h，浓缩溶剂，产物用乙酸乙酯重结晶，得到4,4-丙烯酰胺基二苯甲酸。
（2）向烧瓶中加入50mmol氯化亚砜、5mmol 4,4-丙烯酰胺基二苯甲酸，加热至75℃并回流反应4h，浓缩除去氯化亚砜，中间体产物加入到25mL 1,4-二氧六环溶剂中，冰浴下滴加12mmol三乙胺、12mmol N,N-二甲基乙二胺，混匀后撤去冰浴，室温下反应18h，浓缩溶剂，产物用乙酸乙酯重结晶，得到4,4-丙烯酰胺基二苯甲酰胺基二甲基乙胺。
（3）向烧瓶中加入80mL N,N-二甲基甲酰胺、10mmol 4,4-丙烯酰胺基二苯甲酰胺基二甲基乙胺、20mmol 1-氯十四烷，升温至120℃，反应72h，反应后减压浓缩，产物用乙醇重结晶，得到4,4-丙烯酰胺基二苯甲酰胺季铵盐单体。结构式为。
（4）向烧瓶中加入40mL水、6mL乙醇助溶剂，200mmol丙烯酰胺、13mmol 2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸、6.5mmol 4,4-丙烯酰胺基二苯甲酰胺季铵盐单体，通入氮气，升温至60℃，滴加引发剂0.16mmol偶氮二异丁脒盐酸盐，反应12h，反应后加热挥发溶剂直至大量沉淀物析出，过滤后乙醇洗涤，干燥，得到油田用稠化增粘剂。
实施例3
（1）将烧瓶置于冰浴中，加入15mL二氯甲烷、5mmol 4,4’-亚胺基二苯甲酸、6mmol三乙胺、5.5mmol丙烯酰氯，混匀后撤去冰浴，室温下反应18h，浓缩溶剂，产物用乙酸乙酯重结晶，得到4,4-丙烯酰胺基二苯甲酸。
（2）向烧瓶中加入70mmol氯化亚砜、5mmol 4,4-丙烯酰胺基二苯甲酸，加热至70℃并回流反应5h，浓缩除去氯化亚砜，中间体产物加入到20mL三氯甲烷溶剂中，冰浴下滴加14mmol三乙胺、10mmol N,N-二甲基乙二胺，混匀后撤去冰浴，室温下反应12h，浓缩溶剂，产物用乙酸乙酯重结晶，得到4,4-丙烯酰胺基二苯甲酰胺基二甲基乙胺。
（3）向烧瓶中加入80mL N,N-二甲基甲酰胺、10mmol 4,4-丙烯酰胺基二苯甲酰胺基二甲基乙胺、24mmol 1-氯十六烷，升温至130℃，反应60h，反应后减压浓缩，产物用乙醇重结晶，得到4,4-丙烯酰胺基二苯甲酰胺季铵盐单体。
（4）向烧瓶中加入40mL水、6mL乙醇助溶剂，200mmol丙烯酰胺、16mmol 2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸、8mmol 4,4-丙烯酰胺基二苯甲酰胺季铵盐单体，通入氮气，升温至75℃，滴加引发剂0.16mmol偶氮二异丁脒盐酸盐，反应8h，反应后加热挥发溶剂直至大量沉淀物析出，过滤后乙醇洗涤，干燥，得到油田用稠化增粘剂。
对比例1
向烧瓶中加入40mL水、4mL乙醇助溶剂，200mmol丙烯酰胺、10mmol 2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸，通入氮气，升温至60℃，滴加引发剂0.14mmol偶氮二异丁脒盐酸盐，反应12h，反应后加热挥发溶剂直至大量沉淀物析出，过滤后乙醇洗涤，干燥，得到油田用稠化增粘剂。
对比例2
按实施例1的方法制备4,4-丙烯酰胺基二苯甲酰胺基二甲基乙胺，结构式为。
向烧瓶中加入40mL水、4mL乙醇助溶剂，200mmol丙烯酰胺、10mmol 2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸、5mmol 4,4-丙烯酰胺基二苯甲酰胺基二甲基乙胺，通入氮气，升温至60℃，滴加引发剂0.14mmol偶氮二异丁脒盐酸盐，反应12h，反应后加热挥发溶剂直至大量沉淀物析出，过滤后乙醇洗涤，干燥，得到油田用稠化增粘剂。
对比例3
向烧瓶中加入40mL水、4mL乙醇助溶剂，200mmol丙烯酰胺、10mmol 2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸、5mmol十六烷基二甲基烯丙基氯化铵（结构式为），通入氮气，升温至60℃，滴加引发剂0.14mmol偶氮二异丁脒盐酸盐，反应12h，反应后加热挥发溶剂直至大量沉淀物析出，过滤后乙醇洗涤，干燥，得到油田用稠化增粘剂。
将稠化增粘剂加入到水中，搅拌均匀配置成浓度为2-5g/L的溶液，采用的旋转黏度计，在25℃下测定溶液的表观黏度，剪切速率为170s-1，剪切时间为30min。各实施例和对比例稠化增粘剂的表观黏度测试结果见表1内容。
表1稠化增粘剂的表观黏度测试
将稠化增粘剂加入到水中，搅拌均匀配置成浓度为4g/L的溶液，采用的旋转黏度计，在25-100℃下测定溶液的表观黏度，剪切速率为170s-1，剪切时间为30min。各实施例和对比例稠化增粘剂的抗温测试结果见表2内容。
表2稠化增粘剂的抗温测试
保持率=W100÷W25×100%。W100是测试温度为100℃时的表观粘度。W25是测试温度为25℃时的表观粘度。
将稠化增粘剂放入干燥箱中，160℃中热老化处理48h，然后加入到水中，搅拌均匀配置成浓度为4g/L的溶液，采用的旋转黏度计，在25下测定溶液的表观黏度，剪切速率为170s-1，剪切时间为30min。各实施例和对比例稠化增粘剂的抗热老化测试结果见表3内容。
表3稠化增粘剂的抗热老化测试
保持率=W÷W1×100%。W1稠化增粘剂热老化后的表观粘度。W1是稠化增粘剂未热老化的表观粘度。
本发明的实施例利用丙烯酰胺、2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸、4,4-丙烯酰胺基二苯甲酰胺季铵盐单体进行聚合反应，得到新型的稠化增粘剂。4,4-丙烯酰胺基二苯甲酰胺季铵盐单体含有双长链烷基和双季铵盐结构；相比于单烷基长链，双长链烷基可以通过自组装作用和物理交联作用，形成空间网络结构，具有更强的疏水缔合作用，有利于提高稠化增粘剂的黏弹性和增粘效果。并且其双季铵盐结构可以与2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸的磺酸基团形成独特的双甜菜碱两性离子基团，使稠化增粘剂在水溶液中表现出“反聚电解质”效应，而疏水缔合作用又增强了稠化增粘剂的溶液性质，使稠化增粘剂具有更高的表观粘度。
本发明的4,4-丙烯酰胺基二苯甲酰胺季铵盐单体含有耐热性的芳环结构，有利于改善稠化增粘剂的耐高温性能和热分解稳定性能。在70-100℃的高温测试下，稠化增粘剂仍然具有较高的表观粘度，保持率优良。同时经过160℃热老化处理，稠化增粘剂不易热分解，表观粘度的保持率高。
对比例1的稠化增粘剂没有加入4,4-丙烯酰胺基二苯甲酰胺季铵盐单体，不含有双长链烷基和双季铵盐结构，无法形成疏水缔合作用，也不能生成双甜菜碱基团，稠化增粘剂的表观粘度低，增粘效果较差。并且稠化增粘剂不含有芳环基团，耐高温性能和热分解稳定性能不佳。在70-100℃的高温测试下，以及160℃热老化处理后，稠化增粘剂的表观粘度保持率较低。
对比例2用4,4-丙烯酰胺基二苯甲酰胺基二甲基乙胺代替4,4-丙烯酰胺基二苯甲酰胺季铵盐单体，不含有双长链烷基和双季铵盐结构，无法形成疏水缔合作用，也不能生成双甜菜碱基团，稠化增粘剂的表观粘度低，增粘效果较差。
对比例3用常规的十六烷基二甲基烯丙基氯化铵代替4,4-丙烯酰胺基二苯甲酰胺季铵盐单体，相比于双长链烷基结构，其单长链烷基的物理交联作用和疏水缔合作用较低，稠化增粘剂的表观粘度不佳。并且不含有芳环基团，耐高温性能和热分解稳定性能不佳。
Claims (9)
1.一种油田用稠化增粘剂的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括如下步骤：向烧瓶中加入水、乙醇助溶剂，比例为1mol:（0.05-0.08）mol:（0.025-0.04）mol的丙烯酰胺、2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸、4,4-丙烯酰胺基二苯甲酰胺季铵盐单体，通入氮气，升温至60-75℃，滴加引发剂偶氮二异丁脒盐酸盐，反应8-12h，反应后加热挥发溶剂，析出沉淀，过滤后洗涤，干燥，得到油田用稠化增粘剂；
所述4,4-丙烯酰胺基二苯甲酰胺季铵盐单体的结构通式如下：
。
2.根据权利要求1所述的油田用稠化增粘剂的制备方法，其特征在于，所述水、乙醇助溶剂的比例为1L:（0.1-0.15）L。
3.根据权利要求1所述的油田用稠化增粘剂的制备方法，其特征在于，所述丙烯酰胺、偶氮二异丁脒盐酸盐的比例为1mol:（0.0007-0.0008）mol。
4.根据权利要求1所述的油田用稠化增粘剂的制备方法，其特征在于，所述4,4-丙烯酰胺基二苯甲酰胺季铵盐单体的制备方法包括如下步骤：
（1）将烧瓶置于冰浴中，加入二氯甲烷、4,4’-亚胺基二苯甲酸、三乙胺、丙烯酰氯，混匀后撤去冰浴，室温下反应12-18h，浓缩溶剂，产物进行重结晶，得到4,4-丙烯酰胺基二苯甲酸；
（2）向烧瓶中加入氯化亚砜、4,4-丙烯酰胺基二苯甲酸，加热至70-75℃并回流反应3-5h，浓缩除去氯化亚砜，中间体产物加入到反应溶剂，冰浴下滴加三乙胺、N,N-二甲基乙二胺，混匀后撤去冰浴，室温下反应12-24h，浓缩溶剂，产物进行重结晶，得到4,4-丙烯酰胺基二苯甲酰胺基二甲基乙胺；
（3）向烧瓶中加入N,N-二甲基甲酰胺、4,4-丙烯酰胺基二苯甲酰胺基二甲基乙胺、长链烷基氯化物，反应后减压浓缩，产物进行重结晶，得到4,4-丙烯酰胺基二苯甲酰胺季铵盐单体。
5.根据权利要求4所述的油田用稠化增粘剂的制备方法，其特征在于，所述（1）中4,4’-亚胺基二苯甲酸、三乙胺、丙烯酰氯的比例为1mol:（1-1.2）mol:（1-1.1）mol。
6.根据权利要求4所述的油田用稠化增粘剂的制备方法，其特征在于，所述（2）中反应溶剂为二氯甲烷、三氯甲烷、1,4-二氧六环中的任意一种。
7.根据权利要求4所述的油田用稠化增粘剂的制备方法，其特征在于，所述（3）中控制反应温度为110-130℃，反应时间为60-72h。
8.根据权利要求4所述的油田用稠化增粘剂的制备方法，其特征在于，所述（3）4,4-丙烯酰胺基二苯甲酰胺基二甲基乙胺、长链烷基氯化物的比例为1mol:（2-2.2）mol。
9.根据权利要求8所述的油田用稠化增粘剂的制备方法，其特征在于，所述长链烷基氯化物为1-氯十四烷或1-氯十六烷。
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