CN113265056A - 一种改性丙烯酰胺聚合物压裂液的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种改性丙烯酰胺聚合物压裂液的制备方法，包括以下步骤：步骤(1)丙烯酰胺阳离子干粉的制备；步骤(2)聚丙烯酰胺基的制备；步骤(3)聚丙烯酰胺基的表面改性。本发明中的改性丙烯酰胺聚合物压裂液所采用的生物高分子壳聚糖具有无毒、自然资源丰富等特点，且其分子中含有大量的羟基、氨基、羟甲基，可参与多种反应；其次，相比较其他的压裂液而言，本发明的压裂液抗剪切性良好，通过引入丙烯酰胺阳离子干粉，改性丙烯酰胺聚合物压裂液具有更佳的耐温耐盐性；改性丙烯酰胺聚合物压裂液的突破压力和突破压力梯度均大于普通丙烯酰胺聚合物压裂液的，即改性丙烯酰胺聚合物压裂液较能够封堵大孔径、渗透率高的地层。

Description

一种改性丙烯酰胺聚合物压裂液的制备方法
技术领域
本发明涉及油田开发技术领域，具体涉及一种改性丙烯酰胺聚合物压裂液的制备方法。
背景技术
我国油藏类型繁多，沉积环境各不相同，储层物性特点各异，油藏温度高低不一，原油性质千差万别，油藏水性千变万化。截止2000年底，我国东部地区油田综合含水率已高达86.4％，可采储量采出程度达到65.4％，总体进入开发中晚期的产量总递减阶段，1900年至2000年油田产量下降达128万吨。渤海湾盆地包括辽河、大港、华北、胜利、冀东和中原六大油田。渤海湾盆地石油产量多年来持续递减，平均递减幅度达100万t/a，资源接替严重不足，稠油产量逐年上升，经济效益下滑。所以油田除通过滚动勘探开发扩大含油面积和发现新的含油区块、含油层系已增加储量外，主要的增产方式包括利用水力压裂和油井酸化等措施对老油田储层进行改造。我国已探明的低渗透地质储量约为40亿吨，占全球储量的24.5％，这部分储量只有通过压裂改造才具备工业开采价值。特别是我国部分油田进入三采阶段，所以寻找适用于不同条件的压裂液体系、适合不同闭合压力条件的支撑剂系列，研制出性能更加的新材料，完善压裂工艺技术以达到油田增产的目的。
为了提高石油的采收率，绝大多数油井都采用压裂技术，在压裂开采过程中，现场常采用经济有效且简便易行的压裂液暂堵的方法，以提高油气产量。然而目前常用的压裂液普遍存在解堵时间长、承压强度低、封堵强度低等缺点。因此，优化压裂技术，研究和开发新型的压裂液已经迫在眉睫。
发明内容
为了解决上述技术问题，本发明公开一种改性丙烯酰胺聚合物压裂液的制备方法，该压裂液在酸液中具有良好的溶解性，且具有温敏性和pH敏感性，随着温度的升高以及酸岩反应的发生，溶液的粘度大幅增加，进而增加裂缝宽度，提高地层渗透率。本发明通过下述技术方案实现：
一种改性丙烯酰胺聚合物压裂液的制备方法，包括以下步骤：步骤(1)丙烯酰胺阳离子干粉的制备；步骤(2)聚丙烯酰胺基的制备；步骤(3)聚丙烯酰胺基的表面改性。
作为较佳实施例，优选地，所述步骤(1)中的丙烯酰胺阳离子干粉是通过以下的方法实现：①将丙烯酰胺单体加入到水溶液中，置于烧杯中，加蒸馏水稀释到质量分数为1-2％，向其中加入氯化氢调节PH值为4-6；②通氮气15min，加入金属离子螯合剂、助溶剂尿素、乙二胺四乙酸四钠，搅拌均匀；③加入氯化钠和丙烯酰吗啉作为辅助添加剂，搅拌均匀，继续通氮气5min，然后放入30～50℃的烘箱中反应6～8h；④待反应体系降至室温后，取出胶块，将产物用水稀释溶解后，用无水丙酮沉淀，再用丙酮浸泡1天以上，然后用乙醇回流抽提24h，以除去未反应的单体，真空干燥3天，造粒，过筛，得到阳离子干粉，置于干燥器中待用。
作为较佳实施例，优选地，所述步骤(2)中的聚丙烯酰胺基是通过以下的方法实现：①在装有磁子的250mL烧杯中，加入5.5mL丙烯酸的精馏液和2.13g氢氧化钠固体，60mL蒸馏水的一部分，开启磁力搅拌器，得到中和度80％的丙烯酸水溶液；②缓慢加入10.16g步骤(1)中的阳离子干粉，同时加入剩下的蒸馏水，保证没有固体停留在杯壁；③加入基于丙烯酸与丙烯酰胺总质量1:1的海藻酸钠，使反应较为均匀；④加入交联剂硝酸铝0.036g，2mL7％双氧水和4％抗坏血酸溶液，待反应体系剧烈放热之后，处于较为平和的状态时，用保鲜膜密封烧杯，将烧杯置于65℃的恒温水浴锅中保温反应2h；⑤将产品在四氟板上，铺成3mm的薄膜状，自然干燥一定时间之后，置于恒温干燥箱中进行干燥，待其还未完全干燥的时候取出，剪成长宽各3mm的颗粒物，再放入干燥箱，干燥至恒重，然后研磨成聚丙烯酰胺基粉末装袋备用。
作为较佳实施例，优选地，所述步骤(3)中的聚丙烯酰胺基的表面改性是包括自由基接枝反应和交联反应。
作为较佳实施例，优选地，所述的自由基接枝反应为：在一定温度下，K2S2O8分解形成初级自由基，引发壳聚糖形成大分子自由基，然后与聚丙烯酰胺基进行自由基接枝共聚。接枝共聚大致可分为以下几步：K2S2O8分裂形成初级自由基；初级自由基与壳聚糖分子发生反应，将自由基转移到壳聚糖分子上，得到壳聚糖大分子自由基；壳聚糖大分子自由基与聚丙烯酰胺基进行链增长反应，形成聚丙烯酰胺基壳聚糖接枝聚合物。
作为较佳实施例，优选地，所述的壳聚糖是通过以下的方法得到：①将甲壳素经过脱乙酰化处理后，得到的能溶于稀酸溶液中的产物，壳聚糖的结构化学名称是聚(1-4)-2-氨基-β-D葡萄糖。
作为较佳实施例，优选地，所述的交联反应为：聚丙烯酰胺基分子上的酰胺基(-NH2)与壳聚糖上的羟甲基(-CH2OH)发生交联反应。一个壳聚糖分子中含有不止一个-CH2OH，即具有多个交联点，在一定反应条件下，进行亲核反应即可得到具有三维网状结构的聚丙烯酰胺基壳聚糖聚合物凝胶。
作为较佳实施例，优选地，将甲壳素经过脱乙酰化处理后，得到的能溶于稀酸溶液中的产物，其中脱乙酰度为50％以上。
有益效果：
(1)针对油田的高温高盐等地质特点和目前聚合物凝胶易受剪切作用影响、耐温耐盐性差、使用过程中会对环境造成污染等问题。生物高分子壳聚糖具有无毒、自然资源丰富等特点，且其分子中含有大量的羟基、氨基、羟甲基，可参与多种反应。
(2)相比较其他的压裂液而言，本发明的压裂液抗剪切性良好，通过引入丙烯酰胺阳离子干粉，改性丙烯酰胺聚合物压裂液具有更佳的耐温耐盐性；改性丙烯酰胺聚合物压裂液的突破压力和突破压力梯度均大于普通丙烯酰胺聚合物压裂液的，相对而言，在孔隙大小相同的情况下，普通丙烯酰胺聚合物压裂液较适合封堵小孔径、渗透率低的地层；改性丙烯酰胺聚合物压裂液较适合封堵大孔径、渗透率高的地层。
附图说明
图1壳聚糖接枝丙烯酰胺反应机理；
图2突破压力测试和封堵率测试的装置示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明中的技术方案进行进出、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例，基于本发明中的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得所有其它实施例，都属于本发明的保护范围。
步骤(1)丙烯酰胺阳离子干粉的制备：
①将丙烯酰胺单体加入到水溶液中，置于烧杯中，加蒸馏水稀释到质量分数为1-2％，向其中加入氯化氢调节PH值为4-6；②通氮气15min，加入金属离子螯合剂、助溶剂尿素、乙二胺四乙酸四钠，搅拌均匀；③加入氯化钠和丙烯酰吗啉作为辅助添加剂，搅拌均匀，继续通氮气5min，然后放入30～50℃的烘箱中反应6～8h；④待反应体系降至室温后，取出胶块，将产物用水稀释溶解后，用无水丙酮沉淀，再用丙酮浸泡1天以上，然后用乙醇回流抽提24h，以除去未反应的单体，真空干燥3天，造粒，过筛，得到阳离子干粉，置于干燥器中待用。
步骤(2)聚丙烯酰胺基的制备：
①在装有磁子的250mL烧杯中，加入5.5mL丙烯酸的精馏液和2.13g氢氧化钠固体，60mL蒸馏水的一部分，开启磁力搅拌器，得到中和度80％的丙烯酸水溶液；②缓慢加入10.16g步骤(1)中的阳离子干粉，同时加入剩下的蒸馏水，保证没有固体停留在杯壁；③加入基于丙烯酸与丙烯酰胺总质量1:1的海藻酸钠，使反应较为均匀；④加入交联剂硝酸铝0.036g，2mL7％双氧水和4％抗坏血酸溶液，待反应体系剧烈放热之后，处于较为平和的状态时，用保鲜膜密封烧杯，将烧杯置于65℃的恒温水浴锅中保温反应2h；⑤将产品在四氟板上，铺成3mm的薄膜状，自然干燥一定时间之后，置于恒温干燥箱中进行干燥，待其还未完全干燥的时候取出，剪成长宽各3mm的颗粒物，再放入干燥箱，干燥至恒重，然后研磨成聚丙烯酰胺基粉末装袋备用。
步骤(3)聚丙烯酰胺基的表面改性：
①将甲壳素经过脱乙酰化处理(一般认为，脱乙酰度达到50％以上时)后，得到的能溶于稀酸溶液中的产物，壳聚糖的结构化学名称是聚(1-4)-2-氨基-β-D葡萄糖。与甲壳素分子相比，壳聚糖分子结构中的C-2位主要以氨基为主，在酸性介质中，壳聚糖分子结构上氨基会发生质子化，从而将壳聚糖转化为一种聚电解质，提高了壳聚糖的溶解性。
②自由基接枝反应：在一定温度下，K2S2O8分解形成初级自由基，引发壳聚糖形成大分子自由基，然后与聚丙烯酰胺基进行自由基接枝共聚。接枝共聚分为以下几步：第一步，K2S2O8分裂形成初级自由基；第二步，初级自由基与壳聚糖分子发生反应，将自由基转移到壳聚糖分子上，得到壳聚糖大分子自由基；第三步，壳聚糖大分子自由基与聚丙烯酰胺基进行链增长反应，形成聚丙烯酰胺基壳聚糖接枝聚合物；
③交联反应：聚丙烯酰胺基分子上的酰胺基(-NH2)与壳聚糖上的羟甲基(-CH2OH)发生交联反应。一个壳聚糖分子中含有不止一个-CH2OH，即具有多个交联点，在一定反应条件下，进行亲核反应即可得到具有三维网状结构的聚丙烯酰胺基壳聚糖聚合物凝胶。
通过实验室自制模拟实验装置图，如图2所示，进行测试。实验装置说明：该测试装置主要由真空泵(最大真空度0.1MPa)、抽滤瓶、岩心管(自制)、带刻度的玻璃管(内径8mm、壁厚1mm、长度250mm)和烧杯及阀门、橡胶管组成。
突破压力测试：确保整个装置的密封性良好的情况下，打开阀门1、2，开真空泵，记录凝胶开始进入玻璃管时的真空泵上的压力，此压力即为凝胶的突破压力。对各体系的最优配方的第一步产物和第二步产物分别进行测试，测三次求平均值。
通过模拟岩心封堵实验，测试被聚合物凝胶压裂液封堵后的岩心的封堵率，反应聚合物凝胶调剖剂的封堵程度，改善吸水剖面的情况，从而评价凝胶的性能。
关于封堵率测试，具体为：烧杯中先呈250mL水，开通阀门1、2，开真空泵，分别测试岩心管被壳聚糖交联改性丙烯酰胺类凝胶压裂液封堵前后，烧杯中剩余水的体积和抽滤瓶中水的体积。通过公式(E＝(250-V1-V2)÷(250-V2))计算封堵率E，以评价聚合物凝胶对自来水的封堵率。式中：E为封堵率，％；V1为抽滤瓶中水的体积(单位mL)；V2为烧杯中剩余水的体积，(单位mL)。
本领域的技术人员可以对本发明进行各种改型和改变。因此，本发明覆盖了落入所附的权利要求书及其等同物的范围内的各种改型和改变。以上实施例仅供说明本发明之用，而非对本发明的限制，有关技术领域的技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以作出各种变换或变型，因此所有等同的技术方案也应该属于本发明的范畴，应由各权利要求所限定。

Claims (8)

1.一种改性丙烯酰胺聚合物压裂液的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤(1)丙烯酰胺阳离子干粉的制备；步骤(2)聚丙烯酰胺基的制备；步骤(3)聚丙烯酰胺基的表面改性。
2.如权利要求1所述的改性丙烯酰胺聚合物压裂液的制备方法，其特征在于，所述步骤(1)中的丙烯酰胺阳离子干粉是通过以下的方法实现：①将丙烯酰胺单体加入到水溶液中，置于烧杯中，加蒸馏水稀释到质量分数为1-2％，向其中加入氯化氢调节PH值为4-6；②通氮气15min，加入金属离子螯合剂、助溶剂尿素、乙二胺四乙酸四钠，搅拌均匀；③加入氯化钠和丙烯酰吗啉作为辅助添加剂，搅拌均匀，继续通氮气5min，然后放入30～50℃的烘箱中反应6～8h；④待反应体系降至室温后，取出胶块，将产物用水稀释溶解后，用无水丙酮沉淀，再用丙酮浸泡1天以上，然后用乙醇回流抽提24h，以除去未反应的单体，真空干燥3天，造粒，过筛，得到阳离子干粉，置于干燥器中待用。
3.如权利要求1所述的改性丙烯酰胺聚合物压裂液的制备方法，其特征在于，所述步骤(2)中的聚丙烯酰胺基是通过以下的方法实现：①在装有磁子的250mL烧杯中，加入5.5mL丙烯酸的精馏液和2.13g氢氧化钠固体，60mL蒸馏水的一部分，开启磁力搅拌器，得到中和度80％的丙烯酸水溶液；②缓慢加入10.16g步骤(1)中的阳离子干粉，同时加入剩下的蒸馏水，保证没有固体停留在杯壁；③加入基于丙烯酸与丙烯酰胺总质量1:1的海藻酸钠，使反应较为均匀；④加入交联剂硝酸铝0.036g，2mL7％双氧水和4％抗坏血酸溶液，待反应体系剧烈放热之后，处于较为平和的状态时，用保鲜膜密封烧杯，将烧杯置于65℃的恒温水浴锅中保温反应2h；⑤将产品在四氟板上，铺成3mm的薄膜状，自然干燥一定时间之后，置于恒温干燥箱中进行干燥，待其还未完全干燥的时候取出，剪成长宽各3mm的颗粒物，再放入干燥箱，干燥至恒重，然后研磨成聚丙烯酰胺基粉末装袋备用。
4.如权利要求1所述的改性丙烯酰胺聚合物压裂液的制备方法，其特征在于，所述步骤(3)中的聚丙烯酰胺基的表面改性是包括自由基接枝反应和交联反应。
5.如权利要求4所述的改性丙烯酰胺聚合物压裂液的制备方法，其特征在于，所述的自由基接枝反应为：在一定温度下，K2S2O8分解形成初级自由基，引发壳聚糖形成大分子自由基，然后与聚丙烯酰胺基进行自由基接枝共聚；接枝共聚大致可分为以下几步：K2S2O8分裂形成初级自由基；初级自由基与壳聚糖分子发生反应，将自由基转移到壳聚糖分子上，得到壳聚糖大分子自由基；壳聚糖大分子自由基与聚丙烯酰胺基进行链增长反应，形成聚丙烯酰胺基壳聚糖接枝聚合物。
6.如权利要求4所述的改性丙烯酰胺聚合物压裂液的制备方法，其特征在于，所述的壳聚糖是通过以下的方法得到：①将甲壳素经过脱乙酰化处理后，得到的能溶于稀酸溶液中的产物，壳聚糖的结构化学名称是聚(1-4)-2-氨基-β-D葡萄糖。
7.如权利要求5或6中任一项所述的改性丙烯酰胺聚合物压裂液的制备方法，其特征在于，所述的交联反应为：聚丙烯酰胺基分子上的酰胺基与壳聚糖上的羟甲基发生交联反应，得到具有三维网状结构的聚丙烯酰胺基壳聚糖聚合物凝胶。
8.如权利要求5-7中任一项所述的改性丙烯酰胺聚合物压裂液的制备方法，其特征在于，将甲壳素经过脱乙酰化处理后，得到的能溶于稀酸溶液中的产物，其中脱乙酰度为50％以上。
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