CN116333718A - 一种膨胀材料组合物、自增粘颗粒及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种自增粘颗粒用膨胀材料组合物，该组合物包括丙烯酸‑丙烯酰胺共聚物和三种助剂材料，其中丙烯酸‑丙烯酰胺共聚物中丙烯酸分子片段和丙烯酰胺分子片段物质的量的比值在15:85至35:65之间，三种助剂包括尿素、硫脲和表面活性剂。同时公开了采用该膨胀材料组合物制备的自增粘颗粒的制备方法。本发明膨胀材料组合物制备的自增粘颗粒，可以作为油气田开发中充填防砂和压裂增产的颗粒，其与水混合后即可增加液体的粘度同时表面层膨胀水化，并悬浮于水中。混合而成的液固混合物可以应用于油气田开发充填防砂和压裂增产作业，其颗粒悬浮时间长，在泵入填充层的过程中能够有效减少砂堵，输送的距离更远，大大增加油气井的采收率。

Description

一种膨胀材料组合物、自增粘颗粒及其制备方法
本申请是申请日为2020年10月08日、申请号为202011068189.X、发明名称为《自增粘颗粒用丙烯酸-丙烯酰胺共聚组合膨胀材料及自增粘颗粒的制备方法》的分案申请。
技术领域
本发明属于地热、石油、天然气等流体矿产开采领域，具体涉及一种可以作为地热等流体矿产开发中充填防砂和压裂增产用支撑颗粒的制备方法。
背景技术
油田原油粘度大、油藏的裂缝狭小，为了提高采油量、降低成本，通常采用石英砂和陶粒支撑压裂裂缝，以改善裂缝渗流能力。石英砂和陶粒沉积在地层的形成裂缝中，防止裂缝在压力减小时闭合。根据文献介绍，美国页岩气压裂中主要应用了三种液体体系：液氮直接注入、注氮气泡沫和减阻水。除了成本优势外，减阻水能在高排量下泵入大量水和少量颗粒，可携带颗粒进入更深的裂缝网络，从而形成更大的裂缝网络和泄气面积，目前已成为压裂作业的标准做法。减阻水组成中清水占绝大部分(99.5％)，故又被称为清水压裂(赵杰等，页岩气水平井完井压裂技术综述，天然气与石油，2012年2月)。然而，随着油气田专家研究的深入，发现即便是大排量，也不足以把石英砂和陶粒泵入地下携带到裂缝的远端。研究发现，被减阻水携带入裂缝中的石英砂或者陶粒主要集中在井筒外围50米距离范围内。这使得近三分之二的压开裂缝无颗粒支撑，随着排采的进行，二次闭合，油气井产量急剧下降。
现有常规支撑压裂技术中，主要包括颗粒和压裂液(活性水、线性胶或者冻胶)两部分，压裂液与颗粒是两个独立的体系，压裂液高速流动，利用湍流悬浮颗粒，然而随着泄流面积的增加，流体流速大幅下降，颗粒快速沉降于裂缝底部(专利CN 102159797 A)。另一方面，压裂液中使用的高分子化合物随同清水进入地层，粘度增大，消耗很大的泵功率，且不利于全部返排；部分留在地下的高分子化合物堵住地层的孔，导致储层渗流能力的下降。
发明内容
针对现有技术存在的不足之处，本发明的目的是提供一种膨胀材料组合物和自增粘颗粒以及自增粘颗粒的制备方法。
为了实现上述目的，本发明第一方面，提供一种膨胀材料组合物，该组合物包括丙烯酸-丙烯酰胺共聚物和三种助剂材料。
所述丙烯酸-丙烯酰胺共聚物中丙烯酸分子片段和丙烯酰胺分子片段物质的量的比值在15:85至35:65之间；所述丙烯酸-丙烯酰胺共聚物可以是通过丙烯酸和丙烯酰胺共聚制得也可以通过丙烯酰胺自聚后在进行水解制得；所述丙烯酸-丙烯酰胺共聚物的分子量在800万至2200万之间；所述丙烯酸-丙烯酰胺共聚物的颗粒直径在300微米至40微米之间。
所述三种助剂包括尿素、硫脲和表面活性剂；尿素在组合物中的质量比在0.5％-4％，硫脲在组合物中的质量比在0.0％-2％，表面活性剂在组合物中的质量比在0.001‰-1‰；所述表面活性剂为阳离子、阴离子和非离子表面活性剂的一种或者两种，优选十二烷基苯磺酸钠、十二烷基硫酸钠、十六烷基三甲基溴化铵、平平加、土温以及OP-10等。
本发明第二方面，提供一种自增粘颗粒，包括颗粒本体、树脂、固化剂和包覆在颗粒本体表面的膨胀材料组合物；该膨胀材料为本发明第一方面的膨胀材料组合物，经树脂和固化剂固定在所述颗粒本体上形成自增粘颗粒；所述颗粒本体与所述膨胀材料组合物的质量比为100:(0.2-4)；所述颗粒本体、树脂与固化剂的质量比为100:(0.2-5):(0.01-1)。
所述颗粒本体为石英砂、陶粒、玻璃颗粒、预固化覆膜颗粒和其他矿物颗粒中的至少一种；所述颗粒的粒径为1700微米-62微米。
所述树脂为酚醛树脂和环氧树脂中的至少一种；其中，所述酚醛树脂为热塑性酚醛树脂；所述的环氧树脂优选为双酚A型环氧树脂，更优选环氧树脂E-42(634)、E-35(637)、E-20(601)、E-12(604)、E-06(607)、E-03(609)中的一种或多种。
所述固化剂为选自脂肪族胺及其加成物、叔胺及其盐、芳香族胺及其改性体、咪唑、酚醛胺和六次甲基四胺中的至少一种。
本发明第三方面，提供本发明第二方面的自增粘颗粒的制备方法，该方法包括：
(1)将颗粒本体和树脂在第一温度下混合均匀，其中，所述颗粒本体与树脂的质量比为100:(0.2-5)；
(2)将(1)所制备的混合物和膨胀材料组合物在第二温度下混合均匀，然后加入固化剂，以使所述膨胀材料组合物包覆在所述颗粒本体上，得到颗粒状的自增粘颗粒。其中所述颗粒本体、所述膨胀材料组合物与固化剂的质量比为100:(0.2-4):(0.1-1)。
所述第一温度为140-260℃；所述第二温度为100-160℃。
本发明的其他特征和优点将在随后的具体实施方式部分予以详细说明。
具体实施方式
以下对本发明的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。
本发明第一方面：提供一种膨胀材料组合物，所述组合物包括丙烯酸-丙烯酰胺共聚物和三种助剂材料。
根据本发明的第一方面，丙烯酸-丙烯酰胺共聚物和三种助剂材料的质量比在较大范围内都可以实现本发明的目的，例如，丙烯酸-丙烯酰胺共聚物、尿素、硫脲和表面活性剂的质量比可以为100:(0.5-4):(0-2):(0.0001-0.1)。
根据本发明的第一方面，丙烯酸-丙烯酰胺共聚物结构式如式(1)所示的水性高分子聚合物，其中，n和m比值介于15:85至35:65之间；其重均分子量在800万至2200万之间；膨胀材料组合物的颗粒直径在300微米至40微米之间
Figure SMS_1
丙烯酸-丙烯酰胺共聚物结构中含有大量的羧基极性基团以及合适的颗粒直径，在水中溶胀性能好，有利于水溶性组合物在水中快速溶胀。合适占比的羧基负离子可以促使聚合物分子长链延伸于水中，帮助稳定形成的水化层，以进一步增加水的粘度；合适的粒径能够在颗粒表面形成合适的膨胀层，颗粒膨胀体积增大，进一步降低在水中的平均密度。水粘度的增加与颗粒体积膨胀双重作用，使得颗粒长时间悬浮于水中。
根据本发明的第一方面，三种助剂包括尿素、硫脲和表面活性剂；尿素在组合物中的质量比在0.5％-4％，硫脲在组合物中的质量比在0.0％-2％，表面活性剂在组合物中的质量比在0.001‰-1‰；所述表面活性剂为阳离子、阴离子和非离子表面活性剂的一种或者两种。合适的尿素和表面活性剂的添加量可以加速丙烯酸-丙烯酰胺共聚物在水中的溶胀溶解速度；合适的硫脲添加量可以增加共聚物在水中的耐温性；膨胀材料合适的粒径能够在颗粒表面形成合适厚度的水化膨胀层。
上述膨胀材料组合物形成的水溶性膨胀材料可以迅速在水中溶胀并部分溶于水中；溶于水中的部分对液体增粘；颗粒表面溶胀的部分，均衡颗粒密度；两者协同作用可使颗粒长时间处于悬浮状态；此种膨胀组合材料具有起粘快、悬浮好以及成本低的优点。
本发明第二方面：提供一种自增粘颗粒，包括颗粒本体、树脂、固化剂和包覆在颗粒本体表面的膨胀材料组合物；该膨胀材料为本发明第一方面的膨胀材料组合物，经树脂和固化剂固定在所述颗粒本体上形成自增粘颗粒；所得到的自增粘颗粒在常温下与水混合后可以在水中部分溶解并膨胀，使得自增粘颗粒的沉降速度变慢，具有悬浮能力。
根据本发明的第二方面，为了达到本发明的目的，膨胀材料组合物至少部分包覆于颗粒本体表面，优选地，颗粒本体与膨胀材料组合物的质量比可以为100:(0.2-4)，在上述配比下得到的自增粘颗粒更易于在水中的长时间悬浮。
根据本发明的第二方面，颗粒本体为石英砂、陶粒、球状玻璃颗粒中的至少一种；在上述颗粒表面也可以包覆一层预固化树脂层形成预固化覆膜颗粒。因此，所述颗粒本体还可以包括在上述颗粒表面包覆预固化树脂层所形成的预固化覆膜颗粒，例如覆膜砂和覆膜陶粒等。颗粒本体的粒径可以为1700微米-62微米。
根据本发明的第二方面，将膨胀材料粘附在颗粒本体表面的过程中，还要加入树脂和固化剂，从而使膨胀材料层粘连在颗粒本体上。树脂可以为选自酚醛树脂和环氧树脂中的至少一种。进一步优选地，酚醛树脂可以为热塑性酚醛树脂；环氧树脂可以为双酚A型环氧树脂，更优选为选自环氧树脂E-20(601)、E-12(604)、E-06(607)和E-03(609)中的至少一种。固化剂可以为选自脂肪族胺及其加成物、叔胺及其盐、芳香族胺及其改性体、咪唑、酸酐、酚醛胺、二乙烯三胺、三乙烯四胺和六次甲基四胺中的至少一种。采用上述种类的树脂和固化剂可使得膨胀材料层与颗粒本体粘连效果更好。
根据本发明的第三方面，自增粘颗粒的制备方法为：
(1)将颗粒本体和树脂在第一温度下混合均匀，其中，所述颗粒本体与树脂的质量比为100:(0.2-5)；
(2)将(1)所制备的混合物和膨胀材料组合物在第二温度下混合均匀，然后加入固化剂，以使所述膨胀材料组合物包覆在所述颗粒本体上，得到颗粒状的自增粘颗粒，其中，所述颗粒表面树脂与固化剂的质量比为100:(5-25)。
所述第一温度为140-260℃；所述第二温度为100-160℃。采用上述树脂、膨胀材料组合物和固化剂的加入顺序和加入温度可使得膨胀材料层与颗粒本体粘连效果更好，并能充分发挥溶胀材料在水中的增粘溶胀性能，使得颗粒更好的悬浮于水中。
以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
实施例1
1)以1000g石英砂为原料，加热至160℃，加入环氧树脂E12(604)10g，搅拌均匀；
2)步骤1)混合物的温度降至140℃，加入阴离子聚丙烯酰胺(市售，40目左右)颗粒13g，搅拌均匀；
3)加入酚醛胺T-31固化剂1.95g，搅拌均匀加入硬脂酸钙0.5g；
4)冷却后，筛分。
筛分后得到的颗粒粒径20-40目，表面包覆、或部分包覆有聚丙烯酰胺颗粒。
实施例2
1)以1000g石英砂为原料，加热至160℃，加入环氧树脂E12(604)10g，搅拌均匀；
2)步骤1)混合物的温度降至140℃，加入阴离子聚丙烯酰胺(市售，80目以下)颗粒13g，搅拌均匀；
3)加入脂环胺固化剂TCY-450(河南省天择实业有限责任公司)1.95g，搅拌均匀加入硬脂酸钙0.5g；
4)冷却后，筛分。
实施例3
1)选择分子量为2200万、水解度为25％的阴离子聚丙烯酰胺13g，溶解在200ml水中，加入0.2g尿素，0.1g硫脲和0.001g OP-10，搅匀，在102摄氏度烘干，粉碎为80目以下；
2)以1000g石英砂为原料，加热至160℃，加入环氧树脂E12(604)10g，搅拌均匀；
3)步骤2)混合物的温度降至140℃，加入步骤1)的膨胀组合颗粒，搅拌均匀；
4)加入脂环胺固化剂TCY-450(河南省天择实业有限责任公司)1.95g，搅拌均匀加入硬脂酸钙0.5g；
5)冷却后，筛分。
实施例4
1)选择丙烯酸和丙烯酰胺共聚高分子、尿素、硫脲和OP-10的组合物(市售9026，北京化科开源新材料科技有限公司)13g；
2)以1000g石英砂为原料，加热至160℃，加入环氧树脂E12(604)10g，搅拌均匀；
3)步骤2)混合物的温度降至140℃，加入步骤1)的膨胀组合颗粒，搅拌均匀；
4)加入脂环胺固化剂TCY-450(河南省天择实业有限责任公司)1.95g，搅拌均匀加入硬脂酸钙0.5g；
5)冷却后，筛分。
实施例5
1)选择丙烯酸和丙烯酰胺共聚高分子、尿素、硫脲和OP-10的组合物(市售9026，北京化科开源新材料科技有限公司)15g；
2)以1000g陶粒为原料，加热至160℃，加入环氧树脂E12(604)10g，搅拌均匀；
3)步骤2)混合物的温度降至140℃，加入步骤1)的膨胀组合颗粒，搅拌均匀；
4)加入脂环胺固化剂TCY-450(河南省天择实业有限责任公司)1.95g，搅拌均匀加入硬脂酸钙0.5g；
5)冷却后，筛分。
实施例6
1)选择丙烯酸和丙烯酰胺共聚高分子、尿素、硫脲和OP-10的组合物(市售9026，北京化科开源新材料科技有限公司)13g；
2)以1000g石英砂为原料，加热至240℃，加入环氧树脂E12(604)10g，搅拌均匀；加入脂环胺固化剂TCY-450(河南省天择实业有限责任公司)1.95g，搅拌均匀；加入热塑性酚醛树脂10g，乌洛托品2g(2g乌洛托品溶解于6g水中)；加入环氧树脂E12(604)10g，搅拌均匀；
3)步骤2)混合物的温度降至140℃，加入步骤1)的膨胀组合颗粒，搅拌均匀；
4)加入脂环胺固化剂TCY-450(河南省天择实业有限责任公司)1.95g，搅拌均匀加入硬脂酸钙0.5g；
5)冷却后，筛分。
实施例7
1)选择丙烯酸和丙烯酰胺共聚高分子、尿素、硫脲和OP-10的组合物(市售9026，北京化科开源新材料科技有限公司)13g；
2)以1000g陶粒为原料，加热至240℃，加入环氧树脂E12(604)10g，搅拌均匀；加入脂环胺固化剂TCY-450(河南省天择实业有限责任公司)1.95g，搅拌均匀；加入热塑性酚醛树脂10g，乌洛托品2g(2g乌洛托品溶解于6g水中)；加入环氧树脂E12(604)10g，搅拌均匀；
3)步骤2)混合物的温度降至140℃，加入步骤1)的膨胀组合颗粒，搅拌均匀；
4)加入脂环胺固化剂TCY-450(河南省天择实业有限责任公司)1.95g，搅拌均匀加入硬脂酸钙0.5g；
5)冷却后，筛分。
对比例1
颗粒：陶粒颗粒，粒度20-40目；清水。
对比例2
颗粒：石英砂，粒度20-40目；清水
对比例3
颗粒：覆膜砂；清水。
对比例4
颗粒：陶粒颗粒，粒度20-40目；粘度为160mPa·s的聚丙烯酰胺粘稠溶液。
对比例5
颗粒：石英砂，粒度20-40目；粘度为160mPa·s的聚丙烯酰胺粘稠溶液。
对比例6
颗粒：覆膜砂；粘度为160mPa·s的聚丙烯酰胺粘稠溶液。
试验方法：对实施例1-7、对比例1-6的颗粒分别在清水或压裂液(粘度为160mPa·s的聚丙烯酰胺粘稠溶液)中进行了液体粘度和沉降时间的测试，粘度测试方法参见标准(SYT5107-2005)；沉降速度测定采用高度为25cm的透明直筒塑料瓶，装入15cm高的清水和5cm高的颗粒，剧烈摇晃60s，测试颗粒的沉降速度和液体的粘度。测试结果如下表1-表2：
表1加入颗粒后清水的粘度
Figure SMS_2
Figure SMS_3
表1中，颗粒与清水的体积比为30:100。序号1、2…表示实施例1、实施例2…，序号“对1”表示对比例1。
表2清水或压裂液中颗粒的沉降速度
Figure SMS_4
测试结果显示，本发明提出的自增粘颗粒在清水中具有优异的增粘和悬浮能力，与粘稠压裂液悬砂相比也具有明显优势。

Claims (5)

1.一种膨胀材料组合物，其特征在于，具体为以下组分：丙烯酸-丙烯酰胺共聚物、尿素、硫脲和表面活性剂；
所述丙烯酸-丙烯酰胺共聚物中丙烯酸分子片段和丙烯酰胺分子片段物质的量的比值在15:85至35:65之间；所述丙烯酸-丙烯酰胺共聚物是通过丙烯酸和丙烯酰胺共聚制得或通过丙烯酰胺自聚后再进行水解制得；所述丙烯酸-丙烯酰胺共聚物的重均分子量在800万至2200万之间；所述膨胀材料组合物的颗粒直径在300微米至40微米之间；
所述尿素在膨胀材料组合物中的质量比在0.5％-4％，所述硫脲在膨胀材料组合物中的质量比在0.0％-2％，所述表面活性剂在膨胀材料组合物中的质量比在0.001‰-1‰；所述表面活性剂为阳离子、阴离子和非离子表面活性剂的一种或者两种。
2.一种自增粘颗粒，其特征在于，所述自增粘颗粒包括颗粒本体、树脂、固化剂和包覆在所述颗粒本体表面的膨胀材料组合物；所述膨胀材料组合物为权利要求1所述的膨胀材料组合物，所述膨胀材料组合物经树脂和固化剂固定在所述颗粒本体上形成自增粘颗粒；所述颗粒本体与所述膨胀材料组合物的质量比为100:(0.2-4)；所述颗粒本体、树脂与固化剂的质量比为100:(0.2-5):(0.01-1)；
所述自增粘颗粒的制备方法包括以下步骤：
(1)将颗粒本体和树脂在第一温度下混合均匀；
(2)将步骤(1)所制备的混合物和膨胀材料组合物在第二温度下混合均匀，然后加入固化剂，以使所述膨胀材料组合物包覆在所述颗粒本体上，得到颗粒状的自增粘颗粒；
所述第一温度为140-260℃；所述第二温度为100-160℃。
3.根据权利要求2所述的自增粘颗粒，其特征在于，所述颗粒本体为选自石英砂、陶粒、玻璃颗粒、覆膜砂、覆膜陶粒和其他矿物颗粒中的至少一种；所述颗粒的粒径为1700微米-62微米。
4.根据权利要求2所述的自增粘颗粒，其特征在于，所述树脂为选自酚醛树脂和环氧树脂中的至少一种；所述固化剂为选自脂肪族胺及其加成物、叔胺及其盐、芳香族胺及其改性体、咪唑、酚醛胺和六次甲基四胺中的至少一种。
5.权利要求2-4任意一项所述的自增粘颗粒的制备方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
(1)将颗粒本体和树脂在第一温度下混合均匀，其中，所述颗粒本体与树脂的质量比为100:(0.2-5)；
(2)将步骤(1)所制备的混合物和膨胀材料组合物在第二温度下混合均匀，然后加入固化剂，以使所述膨胀材料组合物包覆在所述颗粒本体上，得到颗粒状的自增粘颗粒，其中，所述颗粒本体、所述膨胀材料组合物与固化剂的质量比为100:(0.2-4):(0.1-1)；
所述第一温度为140-260℃；所述第二温度为100-160℃。
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