CN103642483A - 一种用于酸化压裂高温胶凝剂及其合成方法 - Google Patents

一种用于酸化压裂高温胶凝剂及其合成方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种用于酸化压裂中的高温胶凝剂，其由甲基丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵酰胺(DMC)、二甲基二烯丙基氯化铵(DADMAC)、2-丙烯酰胺-2-甲基丙烷磺酸盐(AMPS)、N-乙烯基-2-吡咯烷酮(PVN)四种单体共聚而成。本发明还公开了一种用于酸化压裂中的胶凝剂的制备方法。与现有技术相比，本发明的胶凝剂具有具有低残渣、适用范围广、耐高温150℃、耐剪切、酸中易溶解的特点，高温胶凝剂可以满足150℃以上碳酸盐地层的酸化压裂施工。具有增粘好、抗温好、无残渣、成本低、易返排等特点。

Description

一种用于酸化压裂高温胶凝剂及其合成方法
技术领域
本发明涉及一种酸化压裂中的高温胶凝剂，具体来说，本发明涉及用于酸压中的提高酸液粘度同时控制酸液缓慢释放的一种聚合物胶凝剂以及该胶凝剂的合成方法。
背景技术
酸化及酸压裂是油气井增产、注水井增注的主要措施之一。砂岩基质酸化和碳酸盐基质酸化都是在低于储层破裂压力的条件下向地层中注入酸液，溶解地层中的可溶物质，清除空隙或裂缝中的堵塞物质，从而使油气井增产或注水井增注的一种工艺措施。其主要目的是解除堵塞、恢复和提高油气井产能。酸压裂是在高于储层破裂压力或裂缝延伸压力条件下，以较大的排量压开地层形成裂缝，或者扩展底层的天然裂缝，利用酸液溶蚀裂缝壁面，在裂缝闭合后形成较高的酸蚀裂缝导流能力，使得地层的渗流能力得到改善和提高。其主要目的是改造地层，提高油气井产量。
酸化效果的好坏，特别是高温、低渗透井深的酸化效果，在很大程度上取决于酸液体系、使用的化学药剂及酸化工艺。在进行碳酸盐地层酸化作业时，由于酸液与碳酸盐地层反应速度很快，严重地影响了活性酸的穿透距离。通过添加酸液稠化剂提高酸液粘度，来降低滤失、减缓酸与岩石的反应速度，以达到缓速的目的。
目前一般采用普通阳离子均聚物来作为较新型的酸液增稠剂，可满足一般的作业，一般产品的特点是随着地层的温度升高，酸液粘度逐渐降低，甚至在更高的温度下150℃条件下，几乎没有粘度，不能够起到很好的缓速的作用。因此，研发抗高温、缓速效果明显的酸液稠化剂是非常必要。
发明内容
本发明的目的是提供一种应用于高温酸化压裂中的胶凝剂，该胶凝剂具有低残渣、适用范围广、耐高温150℃、耐剪切、酸中易溶解的优点。
本发明的另一个目的在于提供一种合成上述胶凝剂的方法，该方法能够简便易行且高效地合成胶凝剂。
本发明采用了如下的技术方案：
一种酸化压裂中的高温胶凝剂，其由甲基丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵酰胺(DMC)、二甲基二烯丙基氯化铵(DADMAC)、2-丙烯酰胺-2-甲基丙烷磺酸盐(AMPS)、N-乙烯基-2-吡咯烷酮(PVN)四种单体共聚而成，其中，四种单体的重量比依次对应为(3-4)：(1-1.5)：1：1。
上述胶凝剂中，各单体与水的重量百分比组成为：
(a)20至30重量％的甲基丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵酰胺(DMC)；
(b)10至20重量％的二甲基二烯丙基氯化铵(DADMAC)；
(c)5至8重量％的2-丙烯酰胺-2-甲基丙烷磺酸盐(AMPS)；
(d)5至10重量％的N-乙烯基-2-吡咯烷酮(PVN)；
(e)余量为水。
更优选地是，各单体与水的重量百分比组成为：
甲基丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵酰胺(DMC)：30重量％；
二甲基二烯丙基氯化铵(DADMAC)：20重量％；
2-丙烯酰胺-2-甲基丙烷磺酸盐(AMPS)：5重量％；
N-乙烯基-2-吡咯烷酮(PVN)：5重量％；
水：40％。
其中，甲基丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵酰胺(DMC)、二甲基二烯丙基氯化铵(DADMAC)、2-丙烯酰胺-2-甲基丙烷磺酸盐(AMPS)、N-乙烯基-2-吡咯烷酮(PVN)四种单体共聚形成带有支链结构的不可水解聚合物。
其中，所述共聚物的分子量为200-800万。优选为600-800万。
其中，上述胶凝剂通过水溶液催化剂法产生自由基的方式共聚制的。
一种合成上述胶凝剂的方法，其包括如下步骤：
(1)甲基丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵酰胺(DMC)、二甲基二烯丙基氯化铵(DADMAC)、2-丙烯酰胺-2-甲基丙烷磺酸盐(AMPS)、N-乙烯基-2-吡咯烷酮(PVN)四种单体按比例称量并进行混配；
(2)将上述混配好的单体放入蒸馏水中进行溶液的配制；
(3)调节溶液的pH值和温度，使溶液的pH值在4.5±0.5，所述温度为10±1℃；
(4)通过水溶液催化剂法产生自由基来使上述单体发生共聚聚合。
其中，所述水溶液催化剂法产生自由基是指在胶凝剂的合成过程中，向配制好的单体溶液中吹氮气进行保护15-20分钟，然后向溶液中加入催化剂，并密闭反应釜诱发15-20分钟以产生自由基，从而使单体发生共聚聚合。
其中，对溶液吹氮气以除去水中的溶解氧，然后在氮气的保护下加入催化剂，停止吹氮气并将聚合釜密闭，诱发15-20分钟，观察是否有温升，当诱发期内有2℃的温升，视为引发成功，否则需要重新加入催化剂再次引发。
在保温密闭条件下温度由10±1℃升到85-95℃的最高温后不再有升温的迹象结束，并从这一刻开始记录时间，保温5小时。
本发明的引发起始温度控制在5-20℃范围之内，优选的起始温度是10±1℃。pH值控制在3.5-5.5之间，优选的pH值控制在4.5±0.5。
其中，pH碱性调解剂包括氢氧化钠、碳酸钠或氨水。pH酸性调节剂包括磷酸、硫酸、盐酸或乙酸。
对于所述催化剂没有特别限制。聚合催化剂的氧化剂为过硫酸盐或过氧化物，例如过硫酸铵、过硫酸钾、过硫酸钠、过氧化氢、过氧化苯甲酰或叔丁基过氧化物。
本发明中可以使用氧化剂与还原剂一起组成氧化还原体系，所述还原剂可为亚硫酸盐、亚硫酸氢盐如甲醛合次硫酸氢钠、有机胺等。偶氮化合物也是本发明优选的催化剂之一，适用的典型偶氮化合物为偶氮二异丁腈(AZDN)、偶氮二异庚腈(V65)、偶氮二异丁基脒盐酸盐(V50)等。
可以同时使用两种或两种以上上述催化剂，催化剂的量一般为单体的0.001-5％重量。
与现有技术相比，本发明的高温胶凝剂应用于酸化压裂的酸液增稠中，具有具有低残渣、适用范围广、耐高温150℃、耐剪切、酸中易溶解的特点，高温胶凝剂可以满足150℃以上碳酸盐地层的酸化压裂施工。并可广泛应用于各类储层的酸化增产改造措施中。
具体实施方式
以下根据具体的实施方式对本发明的胶凝剂及其生产过程做详细地说明，实施例仅为示例的目的，并不旨在对保护范围进行任何限定。
实施例1
在本实施例中，各单体与水的重量百分比为：DMC：DADMAC：AMPS：PVN：H2O=30：20：5∶5：40。
溶液的配制：在2000ml烧杯中加入蒸馏水400g，加入DMC单体300g，DADMAC单体200g，加入AMPS单体50g，加入PVN单体50g，搅拌溶解30分钟，在搅拌条件下缓慢加入中和剂(氢氧化钠)至pH4.5。继续搅拌溶液熟化30分钟。
溶液的调整：根据熟化后的pH值范围，利用氢氧化钠(pH值碱性调节剂)或磷酸(pH值酸性调节剂)再次调节pH值到4.5±0.5，调节温度10±1℃。
溶液的聚合：吹氮气除氧15-20分钟，在氮气保护下依次加入催化剂AZDN1g／L，V650.5g／L，V500.1g／L，过硫酸铵0.08g／L，甲醛合次硫酸氢钠0.08g／L，停止吹氮气并将聚合釜密闭，诱发15-20分钟，观察是否有温升，当诱发期内有2℃的温升，视为引发成功，否则需要重新加入相同数量的催化剂再次引发，在保温密闭条件下直至温度由10±1℃升到85-95℃的最高温后不再有升温的迹象结束，并从这一刻开始记录时间，保温5小时。
产品的后处理：将已聚合好的胶体进行造粒，烘干，粉碎成40目，编号为DC4099-1。
实施例2
在本实施例中，各单体与水的重量百分比为：DMC：DADMAC：AMPS：PVN：H2O=30：20：8：10：32。
溶液的配制：在2000ml烧杯中加入蒸馏水320g，加入DMC单体300g，DADMAC单体200g，加入AMPS单体80g，加入PVN单体100g，搅拌溶解30分钟，在搅拌条件下缓慢加入中和剂(氢氧化钠)至pH4.5。继续搅拌溶液熟化30分钟。
溶液的调整：根据熟化后的pH值范围，利用氢氧化钠(pH值碱性调节剂)或磷酸(pH值酸性调节剂)再次调节pH值到4.5±0.5，调节温度10±1℃。
溶液的聚合：吹氮气除氧15-20分钟，在氮气保护下依次加入催化剂AZDN1g／L，V650.5g／L，V500.1g／L，过硫酸铵0.1g／L，甲醛合次硫酸氢钠0.1g/L，停止吹氮气并将聚合釜密闭，诱发15-20分钟，观察是否有温升，当诱发期内有2℃的温升，视为引发成功，否则需要重新加入相同数量的催化剂再次引发，在保温密闭条件下直至温度由10±1℃升到85-95℃的最高温后不再有升温的迹象结束，并从这一刻开始记录时间，保温5小时。
产品的后处理：将已聚合好的胶体进行造粒，烘干，粉碎成40目，编号为DC4099-2。
实施例3
在本实施例中，各单体与水的重量百分比为：DMC：DADMAC：AMPS：PVN：H2O=20：10：5：5：60。
溶液的配制：在2000ml烧杯中加入蒸馏水600g，加入DMC单体200g，DADMAC单体100g，加入AMPS单体50g，加入PVN单体50g，搅拌溶解30分钟，在搅拌条件下缓慢加入中和剂(氢氧化钠)至pH4.5。继续搅拌溶液熟化30分钟。
溶液的调整：根据熟化后的pH值范围，利用氢氧化钠(pH值碱性调节剂)或磷酸(pH值酸性调节剂)再次调节pH值到4.5±0.5，调节温度10±1℃。
溶液的聚合：吹氮气除氧15-20分钟，在氮气保护下依次加入催化剂AZDN1g／L，V650.5g／L，V500.2g／L，过硫酸铵0.1g/L，甲醛合次硫酸氢钠0.1g/L，停止吹氮气并将聚合釜密闭，诱发15-20分钟，观察是否有温升，当诱发期内有2℃的温升，视为引发成功，否则需要重新加入相同数量的催化剂再次引发，在保温密闭条件下直至温度由10±1℃升到85-95℃的最高温后不再有升温的迹象结束，并从这一刻开始记录时间，保温5小时。
产品的后处理：将已聚合好的胶体进行造粒，烘干，粉碎成40目，编号为DC4099-3。
实施例4
在本实施例中，各单体与水的重量百分比为：DMC：DADMAC：AMPS：PVN：H2O=20：10：8：10：52。
溶液的配制：在2000ml烧杯中加入蒸馏水520g，加入DMC单体200g，DADMAC单体100g，加入AMPS单体80g，加入PVN单体100g，搅拌溶解30分钟，在搅拌条件下缓慢加入中和剂(氢氧化钠)至pH4.5。继续搅拌溶液熟化30分钟。
溶液的调整：根据熟化后的pH值范围，利用氢氧化钠(pH值碱性调节剂)或磷酸(pH值酸性调节剂)再次调节pH值到4.5±0.5，调节温度10±1℃。
溶液的聚合：吹氮气除氧15-20分钟，在氮气保护下依次加入催化剂AZDN1g／L，V650.5g／L，V500.2g／L，过硫酸铵0.1g/L，甲醛合次硫酸氢钠0.1g／L，停止吹氮气并将聚合釜密闭，诱发15-20分钟，观察是否有温升，当诱发期内有2℃的温升，视为引发成功，否则需要重新加入相同数量的催化剂再次引发，在保温密闭条件下直至温度由10±1℃升到85-95℃的最高温后不再有升温的迹象结束，并从这一刻开始记录时间，保温5小时。
产品的后处理：将已聚合好的胶体进行造粒，烘干，粉碎成40目，编号为DC4099-4。
实施例5
在本实施例中，各单体与水的重量百分比为：DMC：DADMAC：AMPS：PVN：H2O=25∶15：5：5：50。
溶液的配制：在2000ml烧杯中加入蒸馏水500g，加入DMC单体250g，DADMAC单体150g，加入AMPS单体50g，加入PVN单体50g，搅拌溶解30分钟，在搅拌条件下缓慢加入中和剂(氢氧化钠)至pH4.5。继续搅拌溶液熟化30分钟。
溶液的调整：根据熟化后的pH值范围，利用氢氧化钠(pH值碱性调节剂)或磷酸(pH值酸性调节剂)再次调节pH值到4.5±0.5，调节温度10±1℃。
溶液的聚合：吹氮气除氧15-20分钟，在氮气保护下依次加入催化剂AZDN1g／L，V650.5g／L，V500.1g／L，过硫酸铵0.08g／L，甲醛合次硫酸氢钠0.08g／L，停止吹氮气并将聚合釜密闭，诱发15-20分钟，观察是否有温升，当诱发期内有2℃的温升，视为引发成功，否则需要重新加入相同数量的催化剂再次引发，在保温密闭条件下直至温度由10±1℃升到85-95℃的最高温后不再有升温的迹象结束，并从这一刻开始记录时间，保温5小时。
产品的后处理：将已聚合好的胶体进行造粒，烘干，粉碎成40目，编号为DC4099-5。
实施例6
在本实施例中，各单体与水的重量百分比为：DMC：DADMAC：AMPS：PVN：H2O=25：15：8：10：42。
溶液的配制：在2000ml烧杯中加入蒸馏水420g，加入DMC单体250g，DADMAC单体150g，加入AMPS单体80g，加入PVN单体100g，搅拌溶解30分钟，在搅拌条件下缓慢加入中和剂(氢氧化钠)至pH4.5。继续搅拌溶液熟化30分钟。
溶液的调整：根据熟化后的pH值范围，利用氢氧化钠(pH值碱性调节剂)或磷酸(pH值酸性调节剂)再次调节pH值到4.5±0.5，调节温度10±1℃。
溶液的聚合：吹氮气除氧15-20分钟，在氮气保护下依次加入催化剂AZDN1g／L，V650.5g／L，V500.1g／L，过硫酸铵0.08g／L，甲醛合次硫酸氢钠0.08g／L，停止吹氮气并将聚合釜密闭，诱发15-20分钟，观察是否有温升，当诱发期内有2℃的温升，视为引发成功，否则需要重新加入相同数量的催化剂再次引发，在保温密闭条件下直至温度由10±1℃升到85-95℃的最高温后不再有升温的迹象结束，并从这一刻开始记录时间，保温5小时。
产品的后处理：将已聚合好的胶体进行造粒，烘干，粉碎成40目，编号为DC4099-6。
对上述实施例主要聚合催化剂配方汇总(如表1)。
表1
对上述实施例产品进行物理化学指标检测(结果如表2)。
表2
对上述产品进行应用性能方面的检测(结果如表3)
表3
Figure BSA0000099025780000091
从上面的检测结果来看，DC4099-1至DC4099-6产品是按照本发明的胶凝剂的配方进行聚合得到的产品，其中DC4099-1产品是最优配方得到的，其各项应用指标均符合酸化压裂的最佳指标，尤其是，本发明产品的在160℃条件下，剪切速率在170s-1的剪切下，粘度仍然达到30mPa.s以上，而普通胶凝剂在160℃条件下，剪切速率在170s-1的剪切下，粘度仅有15mPa.s。由此可以看出本发明的胶凝剂抗温性能上的优势明显，适合高温碳酸盐地层的酸压使用
尽管上文对本发明的具体实施方式进行了详细的描述和说明，但应该指明的是，我们可以对上述实施方式进行各种改变和修改，但这些都不脱离本发明的精神和所附的权利要求所记载的范围。

Claims (10)

1.一种用于酸化压裂中的高温胶凝剂，其由甲基丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵酰胺(DMC)、二甲基二烯丙基氯化铵(DADMAC)、2-丙烯酰胺-2-甲基丙烷磺酸盐(AMPS)、N-乙烯基-2-吡咯烷酮(PVN)四种单体共聚而成，其中，四种单体的重量比依次对应为(3-4)：(1-1.5)：1：1，所述稠化剂通过水溶液催化剂法产生自由基的方式共聚制得。
2.如权利要求1所述的胶凝剂，其中，各单体与水的重量百分比组成为：
(a)20至30重量％的甲基丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵酰胺(DMC)；
(b)10至20重量％的二甲基二烯丙基氯化铵(DADMAC)；
(c)5至8重量％的2-丙烯酰胺-2-甲基丙烷磺酸盐(AMPS)；
(d)5至10重量％的N-乙烯基-2-吡咯烷酮(PVN)；
(e)余量为水。
3.如权利要求1或2所述的胶凝剂，其中，甲基丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵酰胺(DMC)、二甲基二烯丙基氯化铵(DADMAC)、2-丙烯酰胺-2-甲基丙烷磺酸盐(AMPS)、N-乙烯基-2-吡咯烷酮(PVN)四种单体共聚形成带有支链结构的不可水解聚合物。
4.如权利要求1或2任一项所述的胶凝剂，其中，所述共聚物的分子量为200-800万。
5.一种合成权利要求1-4任一项述胶凝剂的方法，其包括如下步骤：
(1)将甲基丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵酰胺(DMC)、二甲基二烯丙基氯化铵(DADMAC)、2-丙烯酰胺-2-甲基丙烷磺酸盐(AMPS)、N-乙烯基-2-吡咯烷酮(PVN)四种单体按比例称量并进行混配；
(2)将上述混配好的单体放入蒸馏水中进行溶液的配制；
(3)利用pH碱性调节剂或pH酸性调节剂调节溶液的pH值和温度，使溶液的pH值在4.5±0.5，所述温度为10±1℃；
(4)通过水溶液催化剂法产生自由基来使上述单体发生共聚聚合。
6.如权利要求5所述的方法，其中，所述水溶液催化剂法产生自由基是指在胶凝剂的合成过程中，向配制好的单体溶液中吹氮气进行保护15-20分钟，然后向溶液中加入催化剂以产生自由基，从而使单体发生共聚聚合。
7.如权利要求6所述的方法，其中，对溶液吹氮气以除去水中的溶解氧，然后在氮气的保护下加入催化剂，停止吹氮气并将聚合釜密闭，诱发15-20分钟，观察是否有温升，当诱发期内有2℃的温升，视为引发成功，否则需要重新加入催化剂再次引发。
8.如权利要求5-7任一项所述的方法，其中，在引发后，于保温密闭条件下温度由10±1℃升到85-95℃的最高温后不再有升温的迹象，此时开始记录时间，保温5小时。
9.如权利要求5-7任一项所述的方法，其中，所述催化剂为氧化剂与还原剂组成的氧化还原体系，氧化剂为过硫酸铵、过硫酸钾、过硫酸钠、过氧化氢、过氧化苯甲酰或叔丁基过氧化物，所述还原剂为亚硫酸盐、亚硫酸氢盐或有机胺。
10.如权利要求5-7任一项所述的方法，其中，催化剂为偶氮二异丁腈(AZDN)、偶氮二异庚腈(V65)或偶氮二异丁基脒盐酸盐(V50)，催化剂的量为单体的0.001-3％重量。
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