CN108218904B - 一种树枝状有机硼交联剂及其制备方法和应用 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种树枝状有机硼交联剂,属于有机硼交联剂技术领域。本发明以树枝状多羟基大分子作为络合剂,树枝状多羟基大分子具有球形结构,羟基分布于“球壳”表面以及“球体”内部。这两种羟基都能够参与含硼化合物中硼原子的络合。对于“球体”内部发生络合的硼原子,即使发生解离向“球体”外扩散,在扩散过程中又会与“球体”内其它羟基络合,因此扩散速率大大降低。与传统的小分子络合剂相比,树枝状多羟基大分子进一步延缓了硼原子与压裂液中其他组分的交联,降低施工摩阻的效果更加明显。实施例的数据表明,本发明制得的树枝状有机硼交联剂的延迟交联时间高达350s。

Description

一种树枝状有机硼交联剂及其制备方法和应用
技术领域
本发明涉及有机硼交联剂技术领域,尤其涉及一种树枝状有机硼交联剂及其制备方法和应用。
背景技术
水力压裂法已经成为非常规油气田开采、常规油气田增产稳产的一种重要技术手段。瓜尔胶与硼酸或硼酸衍生物交联形成的冻胶体系具备多种优点,是一种常用的水力压裂工作液。但是瓜尔胶与硼酸或硼酸衍生物的交联时间通常比较短,在泵注过程中会较快地形成高粘度的冻胶,造成管道摩阻快速上升,增加了施工的井口压力,带来较高的施工风险。因此需要将硼酸盐与多羟基的有机配位体形成络合物,以络合物的形式与瓜尔胶溶液混合,一定程度延缓硼原子与瓜尔胶的作用时间,有效降低施工摩阻。
通常情况下选择的多羟基有机配位体都是小分子化合物,对交联过程的延缓作用有限。如CN103396780A公开了以小分子有机醇(丙三醇、乙二醇和正丁醇)和硼化合物制备有机硼交联剂;CN106244123A公开了以甘露醇、山梨醇、丙三醇、乙二醇和硼化物为原料制备有机硼交联剂;CN105623640A公开了以木糖醇和四硼酸钠制备有机硼高温交联剂。现有技术中制得的有机硼交联剂存在延缓时间短的问题,延缓时间最高仅为180s。
发明内容
有鉴于此,本发明的目的在于提供一种树枝状有机硼交联剂及其制备方法和应用。本发明提供的树枝状有机硼交联剂能够延迟交联时间。
为了实现上述发明目的,本发明提供以下技术方案:
本发明提供了一种树枝状有机硼交联剂的制备方法,包括以下步骤:
(1)在氩气保护下,使具有式I所示结构的化合物与缩水甘油发生聚合反应,得到树枝状多羟基大分子,
Figure BDA0001601329380000011
(2)在pH值为11~13条件下,使所述步骤(1)得到的树枝状多羟基大分子与含硼化合物发生反应,得到树枝状有机硼交联剂。
优选地,所述步骤(1)中树枝状多羟基大分子的数均分子量为1万~100万
优选地,所述步骤(2)中pH值为12。
优选地,所述步骤(2)中通过使用氢氧化钠溶液调节所述pH值。
优选地,所述步骤(2)中树枝状多羟基大分子与含硼化合物的质量比为1:10~1:0.1。
优选地,所述含硼化合物为硼酸或硼砂。
优选地,所述步骤(2)中反应的温度为50~90℃,反应时间为0.5~5h。
本发明提供了上述技术方案所述制备方法得到的树枝状有机硼交联剂。
本发明还提供了上述技术方案所述树枝状有机硼交联剂在压裂液中的应用。
优选地,所述压裂液中树枝状有机硼交联剂的质量含量为0.1~1%。
本发明提供了一种树枝状有机硼交联剂的制备方法,包括以下步骤:在氩气保护下,使具有式I所示结构的化合物与缩水甘油发生聚合反应,得到树枝状多羟基大分子,
Figure BDA0001601329380000021
在pH值为11~13条件下,使树枝状多羟基大分子与含硼化合物发生反应,得到树枝状有机硼交联剂。本发明以树枝状多羟基大分子作为络合剂,树枝状多羟基大分子具有球形结构,羟基分布于“球壳”表面以及“球体”内部。这两种羟基都能够参与含硼化合物中硼原子的络合。对于“球体”内部发生络合的硼原子,即使发生解离向“球体”外扩散,在扩散过程中又会与“球体”内其它羟基络合,因此扩散速率大大降低。与传统的小分子络合剂相比,树枝状有机硼交联剂进一步延缓了硼原子与压裂液中其他组分的交联,降低施工摩阻的效果更加明显。实施例的数据表明,本发明制得的树枝状有机硼交联剂的延迟交联时间高达350s。
具体实施方式
本发明提供了一种树枝状有机硼交联剂的制备方法,包括以下步骤:
(1)在氩气保护下,使具有式I所示结构的化合物与缩水甘油发生聚合反应,得到树枝状多羟基大分子,
Figure BDA0001601329380000031
(2)在pH值为11~13条件下,使所述步骤(1)得到的树枝状多羟基大分子与含硼化合物发生反应,得到树枝状有机硼交联剂。
本发明在氩气保护下,使具有式I所示结构的化合物与缩水甘油发生聚合反应,得到树枝状多羟基大分子。本发明对所述具有式I所示结构的化合物的来源没有特殊的限定,采用本领域技术人员熟知的市售商品或常规的制备方法制得即可,如参考《Solvent-AssistedAnionic Ring Opening Polymerization of Glycidol:Toward medium andhigh molecular weight hyperbranched polyglycerols》,Miul-Haq Muhammad Imran等,Journal of polymer chemistry:Polymer chemistry,2013,51:2614~2621中公开的式I所述化合物的合成方法即可。
本发明对所述具有式I所示结构的化合物与缩水甘油发生聚合反应的具体方法没有特殊的限定,采用本领域技术人员熟知的方法即可,具体的如参考《Solvent-AssistedAnionic Ring Opening Polymerization of Glycidol:Toward medium and highmolecular weight hyperbranched polyglycerols》,Miul-Haq Muhammad Imran等,Journal of polymer chemistry:Polymer chemistry,2013,51:2614~2621中公开的聚合方法。
在本发明中,所述树枝状多羟基大分子的数均分子量优选为1万~100万,更优选为10万~50万。
得到树枝状多羟基大分子后,本发明在pH值为11~13条件下,使所述树枝状多羟基大分子与含硼化合物发生反应,得到树枝状有机硼交联剂。在本发明中,所述pH值优选为12。本发明中,所述pH值条件为强碱环境,为反应提供催化条件。
在本发明中,优选通过使用氢氧化钠溶液调节所述pH值。本发明对所述氢氧化钠溶液的浓度和用量没有特殊的限定,能够使pH值达到上述要求即可,具体的如使用浓度为5~10%的氢氧化钠溶液。
在本发明中,所述含硼化合物优选为硼酸(H3BO3)或硼砂(Na2B4O7·10H2O)。
在本发明中,所述树枝状多羟基大分子和含硼化合物优选以溶液的形式加入,如先将树枝状多羟基大分子和含硼化合物分别与水混合,得到树枝状多羟基大分子水溶液和含硼化合物水溶液,再将树枝状多羟基大分子水溶液和含硼化合物水溶液混合。在本发明中,所述树枝状多羟基大分子与含硼化合物的质量比优选为为1:10~1:0.1,更优选为1:5~1:0.2。
在本发明中,所述反应的温度优选为50~90℃,更优选为50~70℃;反应的时间优选为0.5~5h,更优选为0.5~2h。
本发明中,所述反应的原理以硼酸为例,如下反应式所示:
Figure BDA0001601329380000041
在本发明中,所述反应完成后还包括:对反应产物依次进行浓缩、析出沉淀、固液分离和干燥,得到树枝状有机硼交联剂。本发明对所述浓缩、析出沉淀、固液分离和干燥的方式没有特殊的限定,采用本领域技术人员熟知的方式即可,具体的,如采用减压蒸馏浓缩、加盐析出沉淀、离心分离以及烘干。
本发明提供了上述技术方案所述制备方法得到的树枝状有机硼交联剂。
本发明还提供了上述技术方案所述树枝状有机硼交联剂在压裂液中的应用。
在本发明中,所述压裂液中树枝状有机硼交联剂的质量含量优选为0.1~1%,更优选为0.3~0.8%。
下面结合实施例对本发明提供的树枝状有机硼交联剂及其制备方法和应用进行详细的说明,但是不能把它们理解为对本发明保护范围的限定。
实施例1
在三口瓶中将甲醇钾的甲醇溶液(质量浓度25%)0.67mL与三羟甲基丙烷1.2g混合搅拌均匀,减压蒸馏除去甲醇。安装机械搅拌,将三口瓶置于油浴锅,充入高纯氩气,并加热至95℃。加入有机溶剂二氧六环120mL。然后加入单体缩水甘油120mL,经过12h反应后,加入过量甲醇稀释。稀释的混合液体用阳离子交换树脂处理。然后使用过量丙酮沉淀出产物,得到树枝状多羟基大分子。
将树枝状多羟基大分子5g与水5g混合,得到树枝状多羟基大分子水溶液,再将硼酸15g与水100g混合,得到硼酸水溶液,将树枝状多羟基大分子水溶液与硼酸水溶液混合,用氢氧化钠溶液调节体系pH值为12,加热至60℃进行反应1h,减压蒸馏浓缩反应产物后,加入盐固体产物析出,分离沉淀物、干燥,得到树枝状有机硼交联剂。
配制0.45%瓜尔胶基液100mL,静置2h,pH调整至10.0;加入0.3mL(质量浓度2.3%)上述树枝状有机硼交联剂,延迟交联时间150s。
如果使用普通硼砂交联剂,配比相同的条件下,10s以内即可发生交联。
实施例2
制备树枝状多羟基大分子的步骤与实施例1相同。
将树枝状多羟基大分子5g与水5g混合,得到树枝状多羟基大分子水溶液,再将硼酸5g与水100g混合,得到硼酸水溶液,将树枝状多羟基大分子水溶液与硼酸水溶液混合,用氢氧化钠溶液调节体系pH值为13,加热至60℃进行反应1h,减压蒸馏浓缩反应产物后,加入盐固体产物析出,分离沉淀物、干燥,得到树枝状有机硼交联剂。
配制0.45%瓜尔胶基液100mL,静置2h,pH调整至11.0;加入0.1mL(质量浓度3.5%)上述树枝状有机硼交联剂溶液,延迟交联时间350s。
如果使用普通硼砂交联剂,配比相同的条件下,10s以内即可发生交联。
实施例3
制备树枝状多羟基大分子的步骤与实施例1相同。
将树枝状多羟基大分子5g与水5g混合,得到树枝状多羟基大分子水溶液,再将硼酸10g与水100g混合,得到硼酸水溶液,将树枝状多羟基大分子水溶液与硼酸水溶液混合,用氢氧化钠溶液调节体系pH值为11,加热至60℃进行反应1h,减压蒸馏浓缩反应产物后,加入盐固体产物析出,分离沉淀物、干燥,得到树枝状有机硼交联剂。
配制0.45%瓜尔胶基液100mL,静置2h,pH调整至10.5;加入0.15mL(质量浓度5.2%)上述树枝状有机硼交联剂溶液,延迟交联时间200s。
如果使用普通硼砂交联剂,配比相同的条件下,10s以内即可发生交联。
以上所述仅是本发明的优选实施方式,应当指出,对于本技术领域的普通技术人员来说,在不脱离本发明原理的前提下,还可以做出若干改进和润饰,这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种树枝状有机硼交联剂的制备方法,包括以下步骤:
(1)在氩气保护下,使具有式I所示结构的化合物与缩水甘油发生聚合反应,得到树枝状多羟基大分子,所述步骤(1)中树枝状多羟基大分子的数均分子量为1万~100万;
Figure FDA0002284884630000011
(2)在pH值为11~13条件下,使所述步骤(1)得到的树枝状多羟基大分子与含硼化合物发生反应,得到树枝状有机硼交联剂;所述步骤(2)中树枝状多羟基大分子与含硼化合物的质量比为1:10~1:0.1。
2.根据权利要求1所述的制备方法,其特征在于,所述步骤(2)中pH值为12。
3.根据权利要求1或2所述的制备方法,其特征在于,所述步骤(2)中通过使用氢氧化钠溶液调节所述pH值。
4.根据权利要求1所述的制备方法,其特征在于,所述含硼化合物为硼酸或硼砂。
5.根据权利要求1或2所述的制备方法,其特征在于,所述步骤(2)中反应的温度为50~90℃,反应时间为0.5~5h。
6.权利要求1~5任意一项所述制备方法得到的树枝状有机硼交联剂。
7.权利要求6所述的树枝状有机硼交联剂在压裂液中的应用。
8.根据权利要求7所述的应用,其特征在于,所述压裂液中树枝状有机硼交联剂的质量含量为0.1~1%。
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