CN116082539A - 一种抗高温改性聚乙烯醇及其制备方法和应用 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种抗高温改性聚乙烯醇及其制备方法和应用，该抗高温改性聚乙烯醇在碱性条件下，通过改性剂对聚乙烯醇进行改性后得到。本发明通过氯乙酸、2‑氯乙基‑三甲基氯化铵、2‑溴乙基‑三甲基溴化铵、3‑氯‑2‑羟基丙基‑三甲基氯化铵及其组合物作为改性剂，改性后提高了基体的溶解性，羧基、铵基等离子化基团的引入使主链之间的斥力增大，从而使主链更加充分的伸展，更易交联形成网状结构，增强降失水剂分子的稳定性，且高温条件下不会分解或水解，可以增加降失水剂分子的体积和空间位阻，提高降失水剂分子的耐高温性能；同时羧基、铵基等大极性基团的引入还增强了其与水泥浆中颗粒表面的吸附作用，有利于提高其降失水作用。

Description

一种抗高温改性聚乙烯醇及其制备方法和应用

技术领域

本发明属于油气田固井技术领域，具体涉及一种抗高温改性聚乙烯醇及其制备方法和应用。

背景技术

油气田在开发过程中，一般是先进行钻井作业，然后进行固井作业。钻井作业一般采用钻井液，固井作业一般采用水泥浆。固井作业主要是由套管向井壁与套管的环空注入水泥浆，并让其上返至一定高度，水泥浆凝结固化后，将井壁与套管固结起来，从而起到固井的作用。但水泥浆在泵入过程中，在泵压以及地层压力作用下通过渗透性地层时会产生失水现象。若失水较多，则会影响水泥浆性能，严重时引起固井憋堵，造成安全事故。因此，在配制水泥浆时一般会加入降失水剂，减少水泥浆的失水量，避免影响水泥浆性能。

油田常用聚乙烯醇作为固井水泥浆的降失水剂，适用于50～85℃，温度进一步升高时会引起分子链的卷缩，分子间的缠绕作用降低，网络结构变弱直至拆散，降失水作用显著降低。随着油田开发的深入，井深逐渐加深，也就对降失水剂的抗温性要求逐渐提高，因此，在85℃以上的环境下就不能使用聚乙烯醇。虽然可以使用其他聚合物类降失水剂，但是成本大幅度提高，且环保性有所降低。

除此之外，常用聚合物降水剂还有AMPS ( 2 - A c r y l a m i d o - 2 - M et h y l Propanesulfonic Acid，2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸)、丙烯酰胺、N ,N-二甲基丙烯酰胺、丙烯酸、甲基丙烯酸、马来酸酐或衣康酸等。但水泥浆注入的地层较深，地层温度较高时，相关技术中所用的降失水剂在高温情况下，AMPS、丙烯酰胺、N ,N-二甲基丙烯酰胺中的酰胺基团易发生分解或水解，分子链易伸展或断裂，导致采用该降失水剂配制的水泥浆剪切变稀，流变性能发生大幅度变化，水泥浆顶替钻井液的顶替效率低，固井质量差。

发明内容

本发明的目的在于提供一种抗高温改性聚乙烯醇，克服现有技术中存在的上述技术问题。

本发明的另一个目的在于提供一种抗高温改性聚乙烯醇的制备方法，在碱性条件下，通过对聚乙烯醇改性后增加了聚乙烯醇链上的水溶性基团，提高了基体的溶解性。

本发明的另一个目的在于提供一种抗高温改性聚乙烯醇的应用，用于水泥浆中有优异的控失水性能，固井效果好。

为此，本发明提供的技术方案如下：

一种抗高温改性聚乙烯醇，在碱性条件下，通过改性剂对聚乙烯醇进行改性后得到，所述改性剂为有机氯化物或有机溴化物。

所述改性剂为氯乙酸、2-氯乙基-三甲基氯化铵、2-溴乙基-三甲基溴化铵、3-氯-2-羟基丙基-三甲基氯化铵中的一种或几种组成的组合物。

所述改性剂用量为聚乙烯醇质量的0.1-2%。

所述聚乙烯醇为40-200目的聚乙烯醇1788、聚乙烯醇1799或聚乙烯醇2099。一种抗高温改性聚乙烯醇的制备方法，包括以下步骤：

步骤1）在容器中将聚乙烯醇分散在溶剂中，搅拌均匀后边搅拌边加入配方量的改性剂；

步骤2）将容器中的反应物在60-100℃下搅拌加热1-6小时，反应过程中向反应体系中加入碱溶液，调节pH值保持在7-8，反应结束后冷却到室温；

步骤3）过滤后干燥1-12小时，即得到抗高温改性聚乙烯醇。

所述溶剂质量为聚乙烯醇质量的5-50倍，所述述溶剂为醇水混合物，所述醇水混合物中醇与水的体积比为100:1-10。

所述醇为工业级及其以上纯度的甲醇、乙醇、丙醇、异丙醇及其组合物；所述水为工业级及其以上纯度的自来水、去离子水、蒸馏水及其组合物。

所述碱溶液为工业级及其以上纯度的氢氧化钠、氢氧化钾及其组合物的水溶液。

一种抗高温改性聚乙烯醇在水泥浆中的应用，所述抗高温改性聚乙烯醇在水泥浆中作为降失水剂，用量占水泥浆的质量百分数为0.3-3%。

本发明的有益效果是：

本发明提供的这种抗高温改性聚乙烯醇，通过氯乙酸、2-氯乙基-三甲基氯化铵、2-溴乙基-三甲基溴化铵、3-氯-2-羟基丙基-三甲基氯化铵及其组合物作为改性剂，改性后增加了聚乙烯醇链上的水溶性基团，提高了基体的溶解性，羧基、铵基等离子化基团的引入使主链之间的斥力增大，从而使主链更加充分的伸展，同时羧基、铵基等大极性基团的引入还增强了其与水泥浆中颗粒表面的吸附作用，有利于提高其降失水作用。

将质量百分数为0.3-3%的抗高温聚乙烯醇加入油田固井水基水泥浆中，在90-120℃下测定其失水量，与未改性聚乙烯醇相比失水量降低30-80%。由于羧基、铵基等离子化基团的引入，使改性后的聚乙烯醇主链更加充分的伸展，更易交联形成网状结构，增强降失水剂分子的稳定性，且高温条件下不会分解或水解，可以增加降失水剂分子的体积和空间位阻，提高降失水剂分子的耐高温性能，从而采用该降失水剂配制的水泥浆在高温条件下，可以在保证其控失水性能的前提下，保持流变性能基本不变，从而可以提高高温条件下水泥浆顶替钻井液的顶替效率，提高固井质量。

下面将做进一步详细说明。

具体实施方式

以下由特定的具体实施例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭示的内容轻易地了解本发明的其他优点及功效。

现介绍本发明的示例性实施方式，然而，本发明可以用许多不同的形式来实施，并且不局限于此处描述的实施例，提供这些实施例是为了详尽地且完全地公开本发明，并且向所属技术领域的技术人员充分传达本发明的范围。对于表示在示例性实施方式中的术语并不是对本发明的限定。

本发明提供了一种抗高温改性聚乙烯醇，在碱性条件下，通过改性剂对聚乙烯醇进行改性后得到，所述改性剂为有机氯化物或有机溴化物。

所述改性剂为氯乙酸、2-氯乙基-三甲基氯化铵、2-溴乙基-三甲基溴化铵、3-氯-2-羟基丙基-三甲基氯化铵中的一种或几种组成的组合物。

所述改性剂用量为聚乙烯醇质量的0.1-2%。

所述聚乙烯醇为40-200目的聚乙烯醇1788、聚乙烯醇1799或聚乙烯醇2099。实施例1：

本实施例提供了一种抗高温改性聚乙烯醇，在碱性条件下，通过改性剂氯乙酸对聚乙烯醇进行改性后得到。其中，氯乙酸加入量为聚乙烯醇质量的0.3%。

制备方法包括以下步骤：

第一步，在容器中将聚乙烯醇粉分散于5倍质量的溶剂中，聚乙烯醇粉为工业级40-80目的聚乙烯醇1788，溶剂为比例为100:1的醇水混合溶液，其中醇为工业级甲醇，水为工业级去离子水；

第二步，搅拌下向容器中加入配方量的工业级氯乙酸；

第三步，将容器中的反应物在60℃下搅拌加热6小时，反应过程中向反应体系中加入质量浓度为1%的碱溶液，调节pH值保持在7-8，反应结束后冷却到室温，其中，碱为工业级氢氧化钠；

第四步，过滤，室温下干燥12小时，即得到抗高温聚乙烯醇。

反应原理如下：

本实施例通过在碱性条件下，采用氯乙酸对聚乙烯醇进行改性，改性后增加了聚乙烯醇链上的水溶性基团，提高了基体的溶解性，羧基的引入使主链之间的斥力增大，从而使主链更加充分的伸展，同时羧基的引入还增强了其与水泥浆中颗粒表面的吸附作用，有利于提高其降失水作用。

实施例2：

本实施例提供了一种抗高温改性聚乙烯醇，在碱性条件下，通过改性剂2-氯乙基-三甲基氯化铵对聚乙烯醇进行改性后得到。其中，2-氯乙基-三甲基氯化铵为化学纯，加入量为聚乙烯醇质量的0.5%。

制备方法包括以下步骤：

第一步，在容器中将聚乙烯醇粉分散于10倍质量的溶剂中，聚乙烯醇粉为化学纯80-100目的聚乙烯醇1799，溶剂为比例为100:5的醇水混合溶液，其中醇为化学纯的乙醇，水为蒸馏水；

第二步，搅拌下向容器中加入配方量的2-氯乙基-三甲基氯化铵；

第三步，将容器中的反应物在70℃下搅拌加热5小时，反应过程中向反应体系中加入质量浓度为2%的碱溶液，调节pH值保持在7-8，反应结束后冷却到室温，其中，所用碱为化学纯氢氧化钾；

第四步，过滤，30℃下干燥12小时，即得到抗高温聚乙烯醇。

反应原理如下：

本实施例通过在碱性条件下，采用2-氯乙基-三甲基氯化铵对聚乙烯醇进行改性，改性后增加了聚乙烯醇链上的水溶性基团，提高了基体的溶解性，铵基的引入使主链之间的斥力增大，从而使主链更加充分的伸展，分子间易缠绕形成网状结构，同时铵基的引入还增强了其与水泥浆中颗粒表面的吸附作用，有利于提高其降失水作用。

实施例3：

本实施例提供了一种抗高温改性聚乙烯醇，在碱性条件下，通过改性剂2-溴乙基-三甲基溴化铵对聚乙烯醇进行改性后得到。其中，2-溴乙基-三甲基溴化铵为分析纯，加入量为聚乙烯醇质量的1%。

制备方法包括以下步骤：

第一步，在容器中将聚乙烯醇粉分散于20倍质量的溶剂中，聚乙烯醇粉为分析纯120-200目的聚乙烯醇2099，溶剂为比例为100:10的醇水混合溶液，其中醇为分析纯丙醇，水为蒸馏水；

第二步，搅拌下向容器中加入配方量的2-溴乙基-三甲基溴化铵；

第三步，将容器中的反应物在90℃下搅拌加热2小时，反应过程中向反应体系中加入质量浓度为5%的碱溶液，调节pH值保持在7-8，反应结束后冷却到室温，所述碱为分析纯氢氧化钠；

第四步，过滤，45℃下干燥8小时，即得到抗高温聚乙烯醇。

反应原理通实施例2。

改性后得到的抗高温改性聚乙烯醇，具有优异的控失水性能。并且，随着温度的升高，降失水剂的分子形态不发生变化，粘度基本不变。因此，该降失水剂配制的水泥浆在高温情况下，可以在保证其控失水性能的前提下，保持其流变数据基本不变，从而可以提高水泥浆顶替钻井液的顶替效率，提高固井质量。

实施例4：

本实施例提供了一种抗高温改性聚乙烯醇，在碱性条件下，通过改性剂3-氯-2-羟基丙基-三甲基氯化铵对聚乙烯醇进行改性后得到。其中，3-氯-2-羟基丙基-三甲基氯化铵为工业级，加入量为聚乙烯醇质量的1.5%。

制备方法包括以下步骤：

第一步，在容器中将聚乙烯醇粉分散于30倍质量的溶剂中，聚乙烯醇粉为工业级140-200目的聚乙烯醇1788，溶剂为比例为100:8的醇水混合溶液，其中醇为工业级异丙醇，水为工业级自来水；

第二步，搅拌下向容器中加入配方量的3-氯-2-羟基丙基-三甲基氯化铵；

第三步，将容器中的反应物在80℃下搅拌加热3小时，反应过程中向反应体系中加入质量浓度为10%的碱溶液，调节pH值保持在7-8，反应结束后冷却到室温。其中，所用碱为工业级氢氧化钾；

第四步，过滤， 60℃下干燥3小时，即得到抗高温聚乙烯醇。

反应原理通实施例2。

通过对聚乙烯醇进行改性，引入羧基或铵基，使主链更加充分的伸展，分子间易缠绕形成网状结构，增强分子的稳定性，避免水泥浆变稀，影响水泥浆的流变性能。

实施例5：

本实施例提供了一种抗高温改性聚乙烯醇，在碱性条件下，通过改性剂氯乙酸和3-氯-2-羟基丙基-三甲基氯化铵对聚乙烯醇进行改性后得到。其中，氯乙酸和3-氯-2-羟基丙基-三甲基氯化铵均为工业级，加入量为聚乙烯醇质量的2%，两者质量比为1:2。

制备方法包括以下步骤：

第一步，在容器中将聚乙烯醇粉分散于20倍质量的溶剂中，聚乙烯醇粉为工业级聚乙烯醇2099，溶剂为比例为100:5的醇水混合溶液，其中醇为工业级乙醇，水为工业级去离子水；

第二步，搅拌下向容器中加配方量的入改性剂；

第三步，将容器中的反应物在75℃下搅拌加热4小时，反应过程中向反应体系中加入质量浓度为8%的碱溶液，调节pH值保持在7-8，反应结束后冷却到室温；其中所用碱为工业级氢氧化钠；

第四步，过滤，60℃下干燥2小时，即得到抗高温聚乙烯醇。

反应原理通实施例1和实施例2。

实施例6：

本实施例提供了一种抗高温改性聚乙烯醇，在碱性条件下，通过改性剂对聚乙烯醇进行改性后得到。其中，改性剂为氯乙酸、2-氯乙基-三甲基氯化铵和3-氯-2-羟基丙基-三甲基氯化铵的组合物，氯乙酸、2-氯乙基-三甲基氯化铵和3-氯-2-羟基丙基-三甲基氯化铵均为工业级，加入量为聚乙烯醇质量的1%，三者的质量比为2:1:3。

制备方法包括以下步骤：

第一步，在容器中将聚乙烯醇粉分散于15倍质量的溶剂中，聚乙烯醇粉为分析纯80-100目的聚乙烯醇1799，溶剂为比例为100:5的醇水混合溶液，其中醇为分析纯丙醇，水为工业级蒸馏水；

第二步，搅拌下向容器中加入配方量的改性剂；

第三步，将容器中的反应物在85℃下搅拌加热3小时，反应过程中向反应体系中加入质量浓度为7.5%的碱溶液，调节pH值保持在7-8，反应结束后冷却到室温；其中，所用碱为工业级氢氧化钾；

第四步，过滤，50℃下干燥4小时，即得到抗高温聚乙烯醇。

反应原理通实施例1和实施例2。

该抗高温改性聚乙烯醇可以提高降失水剂分子的耐高温性能，从而采用该降失水剂配制的水泥浆在高温条件下，可以在保证其控失水性能的前提下，保持流变性能基本不变，从而可以提高高温条件下水泥浆顶替钻井液的顶替效率，提高固井质量。

实施例7：

本实施例提供了一种抗高温改性聚乙烯醇在水泥浆中的应用，所述抗高温改性聚乙烯醇在水泥浆中作为降失水剂，用量占水泥浆的质量百分数为0.3-3%。

本实施例对实施例1-6制备的不同质量分数的降失水剂配制的水泥浆在90-120℃下的失水性能进行测试，测试方法按照“SY/T 5504.2-2013油井水泥外加剂评价方法第2部分：降失水剂”进行，其测试结果见表1所示。未改性前聚乙烯醇同样按照上述测试方法进行失水性能测试，结果见表2。

表1 实施例1-6降失水剂配制的水泥浆失水量

表2 未改性聚乙烯醇在不同用量及温度下的失水量

从表1的测试结果可以看出：改性后聚乙烯醇配制的水泥浆，随着降失水剂

质量分数的增加，该水泥浆的失水量逐渐减少。在100℃，改性聚乙烯醇的质量分数为1.2%时，该水泥浆可以将失水量控制在35ml，说明该改性聚乙烯醇具有优异的控失水性能。

由表1和表2相比可知，90-120℃下测定其失水量，与未改性聚乙烯醇相比失水量降低30-80%。

以上例举仅仅是对本发明的举例说明，并不构成对本发明的保护范围的限制，凡是与本发明相同或相似的设计均属于本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种抗高温改性聚乙烯醇，其特征在于：在碱性条件下，通过改性剂对聚乙烯醇进行改性后得到，所述改性剂为有机氯化物或有机溴化物。

2.根据权利要求1所述的一种抗高温改性聚乙烯醇，其特征在于：所述改性剂为氯乙酸、2-氯乙基-三甲基氯化铵、2-溴乙基-三甲基溴化铵、3-氯-2-羟基丙基-三甲基氯化铵中的一种或几种组成的组合物。

3.根据权利要求1所述的一种抗高温改性聚乙烯醇，其特征在于：所述改性剂用量为聚乙烯醇质量的0.1-2%。

4.根据权利要求1-3任一项所述的一种抗高温改性聚乙烯醇，其特征在于：所述聚乙烯醇为40-200目的聚乙烯醇1788、聚乙烯醇1799或聚乙烯醇2099。

5.根据权利要求3所述的一种抗高温改性聚乙烯醇的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤1）在容器中将聚乙烯醇分散在溶剂中，搅拌均匀后边搅拌边加入配方量的改性剂；

步骤2）将容器中的反应物在60-100℃下搅拌加热1-6小时，反应过程中向反应体系中加入碱溶液，调节pH值保持在7-8，反应结束后冷却到室温；

步骤3）过滤后干燥1-12小时，即得到抗高温改性聚乙烯醇。

6.根据权利要求5所述的一种抗高温改性聚乙烯醇的制备方法，其特征在于：所述溶剂质量为聚乙烯醇质量的5-50倍，所述述溶剂为醇水混合物，所述醇水混合物中醇与水的体积比为100:1-10。

7.根据权利要求6所述的一种抗高温改性聚乙烯醇的制备方法，其特征在于：所述醇为工业级及其以上纯度的甲醇、乙醇、丙醇、异丙醇及其组合物；所述水为工业级及其以上纯度的自来水、去离子水、蒸馏水及其组合物。

8.根据权利要求6所述的一种抗高温改性聚乙烯醇的制备方法，其特征在于：所述碱溶液为工业级及其以上纯度的氢氧化钠、氢氧化钾及其组合物的水溶液。

9.根据权利要求1-3任一项所述的一种抗高温改性聚乙烯醇在水泥浆中的应用，其特征在于：所述抗高温改性聚乙烯醇在水泥浆中作为降失水剂，用量占水泥浆的质量百分数为0.3-3%。