CN117143284B - 一种耐170℃以上温度的压裂用聚合物增稠剂及其合成方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于石油开采技术领域,具体涉及一种耐170℃以上温度的压裂用聚合物增稠剂及其合成方法。所述合成方法如下:反应器中依次加入2‑苯基咪唑啉、乙醇、1,4‑二溴‑2‑丁烯,加热回流,减压蒸馏,重结晶,烘干得到功能单体;在反应釜中依次加入功能单体、蒸馏水、缓冲盐,搅拌溶解,依次加入1‑乙烯基‑2‑吡咯烷酮、2‑(烯丙基二甲基甲硅烷基)吡啶、对苯乙烯磺酸钠,搅拌均匀;高位滴加槽加入引发剂,缓慢向反应釜滴加,滴加完毕后,保温反应,继续升温,保温反应,加入反应终止剂,搅拌,降温,烘干造粒,得到产品增稠剂。本发明具有合成简单、表观粘度高、耐剪切能力强、耐高温、降阻率高的优点。
Description
技术领域
本发明属于石油开采技术领域,具体涉及一种耐170℃以上温度的压裂用聚合物增稠剂及其合成方法。
背景技术
伴随着常规油气藏的大规模开采和消耗,致密砂岩气、煤层气、页岩气等低渗透特低渗、深层高温非常规油气资源亟待开发利用。压裂技术是广泛用于低渗、特低渗油气井增产、注水井增注的重要技术手段之一,而稠化剂为压裂液的主剂,经常也被称为增稠剂。
压裂增稠剂的主要作用是增加液体黏度,从而产生更大的压力,进一步将裂缝扩大,提高油气采收率。具体来说,压裂增稠剂通过以下三个方面实现其作用:
(1)增加液体黏度:压裂增稠剂可在水中形成高分子聚合物的网状结构,从而增加液体的黏度,减小流动性,使得裂缝石英颗粒停留在掉落层上,形成了足够的压力,导致石英颗粒裂开;
(2)防止颗粒沉积:压裂增稠剂中的聚合物可以吸附在石英颗粒表面,防止其沉积,起到稳定作用;
(3)润滑作用:压裂增稠剂中的某些物质具有润滑作用,降低运动的摩擦阻力,进一步提高压力,促进油气挤出。
增稠剂的研究经历了从天然聚合物到合成聚合物的发展,目前主要形成了三类稠化增粘剂体系:天然髙分子聚合物类、生物聚合物类和合成髙分子聚合物类。
天然髙分子聚合物主要包括植物胶及其衍生物和纤维素及其衍生物。植物胶类包含胍胶、田菁胶、香豆胶、魔芋胶及各类植物胶衍生物,它们主要是由半乳甘露聚糖组成,由于其分子链上羟基含量较多,很容易与水分子形成缔合体,在溶液中伸展并伸长产生稠化作用。但其价格较高且不溶物含量高,同时对地表产生的伤害较大。
生物聚合物类稠化增粘剂主要是指黄原胶,又称黄胞胶、汉生胶,它是由黄单胞杆菌发酵产生的微生物多糖,具有较好的增稠能力和耐温耐剪切性,但易受细菌和酶的降解,需配合杀菌剂使用。
合成高分子聚合物与天然高分子聚合物相比,具有更好的耐温耐剪切性,增稠能力强,悬砂能力强,破胶性好,对地层伤害小,且对细菌不敏感,在各个方面性能都优于天然聚合物。目前,国内外对合成聚合物的研究较多,主要产品有:丙烯酰胺类聚合物、乙烯类聚合物和交联的聚合物。
CN1073194A公开了一种压裂液增稠剂,适用于低渗透油气层的压裂改造作业。采用草本植物天豆粉,经乙醇、烧碱、环氧丙烷和水对其进行化学改性而成。其含残渣量明显低于目前压裂液用的植物胶田菁增稠剂,因此对地层伤害小,可获得增产效果。但该压裂液增稠剂相比合成聚合物增稠剂含残渣量高,耐温效果不好。
CN111019042A公开了一种压裂液用抗高温稠化剂及其制备方法和应用,包括一种压裂液用抗高温稠化剂,其特征在于,稠化剂包括丙烯酰胺、抗盐功能单体和温敏功能单体自由基;丙烯酰胺、抗盐功能单体、温敏功能单体的摩尔比为1:(0.01~0.08):(0.05~0.15)。该发明通过溶液共聚的方式,在丙烯酰胺分子链上引入温敏单元和抗盐单元,赋予共聚物优异的耐高温性和抗盐性同时具有良好的溶解性、粘弹性、携砂性。但是该发明并没有实际上解决压裂液增稠剂在高温下交联键断裂的问题,导致压裂液增稠剂稳定性不佳。
发明内容
本发明针对上述现有技术存在的不足而提供一种耐170℃以上温度的压裂用聚合物增稠剂及其合成方法。本发明具有合成简单、表观粘度高、耐剪切能力强、耐高温、降阻率高的优点。
本发明第一个目的公开了一种耐170℃以上温度的压裂用聚合物增稠剂,所述的增稠剂的分子结构式如下:
,
其中:
a=6000-60000;
b=1500-30000;
c=500-10000;
d=500-10000。
优选地,所述的增稠剂粘均分子量为15000000-25000000。
本发明另一个目的公开了一种耐170℃以上温度的压裂用聚合物增稠剂的合成方法,所述合成方法的具体步骤如下:
(1)功能单体的制备:
反应器中依次加入2-苯基咪唑啉、乙醇、1,4-二溴-2-丁烯,加热回流,得到混合液,反应过程中用氢氧化钠溶液维持pH7-8;
将上述混合液减压蒸馏,得到粘稠固体,用乙酸乙酯重结晶2-3遍,烘干,得到功能单体。
(2)增稠剂的合成:
在反应釜中依次加入功能单体、蒸馏水、缓冲盐,搅拌溶解,用氮气吹扫反应器及管路,依次加入1-乙烯基-2-吡咯烷酮、2-(烯丙基二甲基甲硅烷基)吡啶、对苯乙烯磺酸钠,搅拌均匀,用氢氧化钠溶液调节pH7.5-8;
高位滴加槽加入引发剂,缓慢向反应釜滴加,滴加完毕后,保温反应1-2h,继续升温到65-70℃,保温反应1-2h,加入反应终止剂,搅拌10-30min,降温到40℃以下,得到粘稠液体,用氢氧化钠溶液调节pH7.5-8;将上述粘稠液体烘干造粒,得到产品增稠剂。
在本发明中,优选地,步骤(1)中,基于1摩尔份的2-苯基咪唑啉,所述1,4-二溴-2-丁烯为0.45-0.55摩尔份。
在本发明中,优选地,步骤(1)中所述乙醇与2-苯基咪唑啉的重量比为8-10:1。
在本发明中,优选地,步骤(1)中所述的加热回流时间为3-5h。
在本发明中,优选地,步骤(2)中,基于1摩尔份的功能单体,所述的1-乙烯基-2-吡咯烷酮、2-(烯丙基二甲基甲硅烷基)吡啶、对苯乙烯磺酸钠为0.3-0.5、0.1-0.2、0.1-0.2摩尔份。
在本发明中,优选地,步骤(2)中,所述的蒸馏水与功能单体的重量比为4-6:1。
在本发明中,优选地,步骤(2)中,所述的缓冲盐为磷酸二氢钾、磷酸氢二钾、磷酸二氢钠、磷酸氢二钠、磷酸二氢铵、磷酸氢二铵中的一种,与功能单体的重量比为0.01-0.02:1。
在本发明中,优选地,步骤(2)中,所述的引发剂为10wt%过硫酸钾+2wt%亚硫酸氢钠混合水溶液、10wt%过硫酸钠+2wt%亚硫酸氢钠混合水溶液、10wt%过硫酸铵+2wt%亚硫酸氢钠混合水溶液中的一种,与功能单体的重量比为0.1-0.2:1。
在本发明中,优选地,步骤(2)中,所述的反应终止剂为亚硫酸氢钠、亚硫酸钠、硫代硫酸钠中的一种,与功能单体的重量比为0.002-0.005:1。
本发明所述的压裂用聚合物增稠剂合成反应方程式如下:
,
,
,
本发明的压裂用聚合物增稠剂是四元高分子聚合物。其中功能单体是主要聚合单体,咪唑啉基团具有较高的表面活性,苯基是耐温耐盐基团,整体结构具有耐高温耐盐高表面活性的特点;1-乙烯基-2-吡咯烷酮是典型的廉价刚性单体,可以进一步提高耐温耐剪切能力;2-(烯丙基二甲基甲硅烷基)吡啶属于含硅表面活性剂,可以提供常规表面活性剂无法达到的表界面活性,提高大孔道的堵塞效率,同时可以减少运移过程中的摩擦阻力;对苯乙烯磺酸钠属于廉价耐高温表面活性剂,可以进一步提高耐温耐盐性,降低运移过程中的摩擦阻力,提高大孔道的堵塞效率,还可以提高产品的聚合质量。
本发明与现有技术相比具有如下优点和有益效果:
本发明的压裂用聚合物增稠剂在5wt%的氯化钠溶液中配置成0.2wt%的浓度后:
(1)具有较高的表观粘度,在60℃条件下表观粘度达到58mPa•s以上;
(2)具有较强的耐剪切能力,60℃、170S-1的条件下连续按剪切120min,粘度保持率达到79%以上;
(3)具有较高的耐温能力,180℃放置24h,粘度保持率达到90%以上;
(4)具有较好的降阻效应,降阻率达到80%以上。
具体实施方式
在本文中所披露的范围的端点和任何值都不限于该精确的范围或值,这些范围或值应当理解为包含接近这些范围或值的值。对于数值范围来说,各个范围的端点值之间、各个范围的端点值和单独的点值之间,以及单独的点值之间可以彼此组合而得到一个或多个新的数值范围,这些数值范围应被视为在本文中具体公开。
实施例1
1、功能单体的制备
(1)反应器中依次加入0.2mol 2-苯基咪唑啉、233.6g乙醇、0.09mol 1,4-二溴-2-丁烯,加热回流3h,反应过程中用氢氧化钠溶液维持pH7-8;
(2)将(1)中的混合液减压蒸馏,得到粘稠固体,用乙酸乙酯重结晶2遍,烘干,得到功能单体。
2、产品的合成
(1)在反应釜中依次加入0.05mol功能单体、68.8g蒸馏水、0.172g磷酸二氢钾,搅拌溶解,用氮气吹扫反应器及管路,依次加入0.015mol 1-乙烯基-2-吡咯烷酮、0.01mol 2-(烯丙基二甲基甲硅烷基)吡啶、0.005mol对苯乙烯磺酸钠,搅拌均匀,用氢氧化钠溶液调节pH7.5-8;
(2)高位滴加槽加入1.72g引发剂,引发剂为10wt%过硫酸钾+2wt%亚硫酸氢钠混合水溶液,缓慢向反应釜滴加,滴加完毕后,保温反应1h,继续升温到65℃,保温反应1h,加入0.0344g亚硫酸氢钠,终止反应,搅拌10min,降温到40℃以下,得到粘稠液体,用氢氧化钠溶液调节pH7.5-8;
(3)将上述粘稠液体烘干造粒,得到产品增稠剂。
实施例2
1、功能单体的制备
(1)反应器中依次加入0.2mol 2-苯基咪唑啉、258.7g乙醇、0.11mol 1,4-二溴-2-丁烯,加热回流4h,反应过程中用氢氧化钠溶液维持pH7-8;
(2)将(1)中的混合液减压蒸馏,得到粘稠固体,用乙酸乙酯重结晶2遍,烘干,得到功能单体。
2、产品的合成
(1)在反应釜中依次加入0.05mol功能单体74.9g蒸馏水、0.288g磷酸氢二钾,搅拌溶解,用氮气吹扫反应器及管路,依次加入0.018mol 1-乙烯基-2-吡咯烷酮、0.009mol 2-(烯丙基二甲基甲硅烷基)吡啶、0.006mol对苯乙烯磺酸钠,搅拌均匀,用氢氧化钠溶液调节pH7.5-8;
(2)高位滴加槽加入1.98g引发剂,引发剂为10wt%过硫酸钾+2wt%亚硫酸氢钠混合水溶液,缓慢向反应釜滴加,滴加完毕后,保温反应2h,继续升温到70℃,保温反应1h,加入0.086g亚硫酸氢钠,终止反应,搅拌30min,降温到40℃以下,得到粘稠液体,用氢氧化钠溶液调节pH7.5-8;
(3)将上述粘稠液体烘干造粒,得到产品增稠剂。
实施例3
1、功能单体的制备
(1)反应器中依次加入0.2mol 2-苯基咪唑啉、292g乙醇、0.095mol 1,4-二溴-2-丁烯,加热回流5h,反应过程中用氢氧化钠溶液维持pH7-8;
(2)将(1)中的混合液减压蒸馏,得到粘稠固体,用乙酸乙酯重结晶3遍,烘干,得到功能单体。
2、产品的合成
(1)在反应釜中依次加入0.05mol功能单体、103.2g蒸馏水、0.255g磷酸二氢钠,搅拌溶解,用氮气吹扫反应器及管路,依次加入0.02mol 1-乙烯基-2-吡咯烷酮、0.008mol 2-(烯丙基二甲基甲硅烷基)吡啶、0.01mol对苯乙烯磺酸钠,搅拌均匀,用氢氧化钠溶液调节pH7.5-8;
(2)高位滴加槽加入3.44g引发剂,引发剂为10wt%过硫酸钠+2wt%亚硫酸氢钠混合水溶液,缓慢向反应釜滴加,滴加完毕后,保温反应1.5h,继续升温到66℃,保温反应2h,加入0.0542g硫代硫酸钠,终止反应,搅拌20min,降温到40℃以下,得到粘稠液体,用氢氧化钠溶液调节pH7.5-8;
(3)将上述粘稠液体烘干造粒,得到产品增稠剂。
实施例4
1、功能单体的制备
(1)反应器中依次加入0.2mol 2-苯基咪唑啉、284g乙醇、0.107mol 1,4-二溴-2-丁烯,加热回流5h,反应过程中用氢氧化钠溶液维持pH7-8;
(2)将(1)中的混合液减压蒸馏,得到粘稠固体,用乙酸乙酯重结晶2遍,烘干,得到功能单体。
2、产品的合成
(1)在反应釜中依次加入0.05mol功能单体、92.7g蒸馏水、0.344g磷酸氢二钠,搅拌溶解,用氮气吹扫反应器及管路,依次加入0.021mol 1-乙烯基-2-吡咯烷酮、0.007mol2-(烯丙基二甲基甲硅烷基)吡啶、0.008mol对苯乙烯磺酸钠,搅拌均匀,用氢氧化钠溶液调节pH7.5-8;
(2)高位滴加槽加入2.74g引发剂,引发剂为10wt%过硫酸钠+2wt%亚硫酸氢钠混合水溶液,缓慢向反应釜滴加,滴加完毕后,保温反应1.2h,继续升温到67℃,保温反应1.5h,加入0.0498g亚硫酸氢钠,终止反应,搅拌15min,降温到40℃以下,得到粘稠液体,用氢氧化钠溶液调节pH7.5-8;
(3)将上述粘稠液体烘干造粒,得到产品增稠剂。
实施例5
1、功能单体的制备
(1)反应器中依次加入0.2mol 2-苯基咪唑啉、260g乙醇、0.099mol 1,4-二溴-2-丁烯,加热回流4h,反应过程中用氢氧化钠溶液维持pH7-8;
(2)将(1)中的混合液减压蒸馏,得到粘稠固体,用乙酸乙酯重结晶3遍,烘干,得到功能单体。
2、产品的合成
(1)在反应釜中依次加入0.05mol功能单体、81.4g蒸馏水、0.214g磷酸二氢铵,搅拌溶解,用氮气吹扫反应器及管路,依次加入0.023mol 1-乙烯基-2-吡咯烷酮、0.006mol2-(烯丙基二甲基甲硅烷基)吡啶、0.009mol对苯乙烯磺酸钠,搅拌均匀,用氢氧化钠溶液调节pH7.5-8;
(2)高位滴加槽加入2.88g引发剂,引发剂为10wt%过硫酸铵+2wt%亚硫酸氢钠混合水溶液,缓慢向反应釜滴加,滴加完毕后,保温反应1.8h,继续升温到68℃,保温反应1h,加入0.0711g亚硫酸钠,终止反应,搅拌25min,降温到40℃以下,得到粘稠液体,用氢氧化钠溶液调节pH7.5-8;
(3)将上述粘稠液体烘干造粒,得到产品增稠剂。
实施例6
1、功能单体的制备
(1)反应器中依次加入0.2mol 2-苯基咪唑啉、281g乙醇、0.102mol 1,4-二溴-2-丁烯,加热回流5h,反应过程中用氢氧化钠溶液维持pH7-8;
(2)将(1)中的混合液减压蒸馏,得到粘稠固体,用乙酸乙酯重结晶2遍,烘干,得到功能单体。
2、产品的合成
(1)在反应釜中依次加入0.05mol功能单体、98.8g蒸馏水、0.312g磷酸氢二铵,搅拌溶解,用氮气吹扫反应器及管路,依次加入0.025mol 1-乙烯基-2-吡咯烷酮、0.005mol2-(烯丙基二甲基甲硅烷基)吡啶、0.007mol对苯乙烯磺酸钠,搅拌均匀,用氢氧化钠溶液调节pH7.5-8;
(2)高位滴加槽加入3.11g引发剂,引发剂为10wt%过硫酸铵+2wt%亚硫酸氢钠混合水溶液,缓慢向反应釜滴加,滴加完毕后,保温反应1.6h,继续升温到66℃,保温反应1.2h,加入0.0644g亚硫酸钠,终止反应,搅拌20min,降温到40℃以下,得到粘稠液体,用氢氧化钠溶液调节pH7.5-8;
(3)将上述粘稠液体烘干造粒,得到产品增稠剂。
实施例7
表观粘度的测试
将本发明的增稠剂(实施例1-6)用5wt%氯化钠溶液配置成2000mg/L浓度的溶液,在60℃、170S-1的条件下,用DV-III布氏粘度测试表观粘度μ。
用山东宝莫生物化工股份有限公司酸化压裂增稠剂做对比样品,测试结果见表1。
从表1可以看出:本发明的增稠剂(实施例1-6)在60℃、170S-1的条件下,质量浓度为0.2%的表观粘度均大于58mPa•s,其中,最高达到66mPa•s(实施例6),而对比例山东宝莫生物化工股份有限公司酸化压裂增稠剂的表观粘度大于20mPa•s,明显低于本发明。本发明的增稠剂具有较高的表观粘度。
实施例8
耐剪切能力测试
将实施例7中的样品在60℃、170S-1的条件下连续按剪切120min后,用DV-III布氏粘度测试表观粘度μ1,计算粘度保持率η1。
η1=μ1/μ×100%
用山东宝莫生物化工股份有限公司酸化压裂增稠剂做对比样品,测试结果见表1。
从表1可以看出:本发明的增稠剂(实施例1-6)在60℃、170S-1的条件下连续按剪切120min后,粘度保持率均大于79%,其中,最高达到88%(实施例6),而对比例山东宝莫生物化工股份有限公司酸化压裂增稠剂的粘度保持率为60%,明显低于本发明。本发明的增稠剂具有较好的耐剪切能力。
实施例9
耐高温测试
将实施例7中的样品置于密闭容器,180℃烘箱放置24h,冷却后在60℃、170S-1的条件下,用DV-III布氏粘度测试表观粘度μ2,计算粘度保持率η2。
η2=μ2/μ×100%
用山东宝莫生物化工股份有限公司酸化压裂增稠剂做对比样品,测试结果见表1。
从表1可以看出:本发明的增稠剂(实施例1-6)在180℃烘箱放置24h,冷却后在60℃、170S-1的条件下,粘度保持率均大于90%,其中,最高达到97%(实施例6),而对比例山东宝莫生物化工股份有限公司酸化压裂增稠剂的粘度保持率为70%,明显低于本发明。本发明的增稠剂具有较好的耐温性能。
实施例10
降阻率测试
将本发明的增稠剂(实施例1-6)用5wt%氯化钠溶液配置成2000mg/L浓度的溶液,参考SY/T 6376-2008《压裂液通用技术条件》测试降阻率η3。
用山东宝莫生物化工股份有限公司酸化压裂增稠剂做对比样品,测试结果见表1。
表1 表观粘度、耐剪切能力、降阻率测试结果
,
从表1可以看出:
本发明的增稠剂实施例(1-6)在质量浓度为0.2%条件下的降阻率均大于80%,其中,最高达到84%(实施例1),而对比例山东宝莫生物化工股份有限公司酸化压裂增稠剂的降阻率为45%,明显低于本发明,本发明的增稠剂具有较好的降阻效应。
以上详细描述了本发明的优选实施方式,但是,本发明并不限于此。在本发明的技术构思范围内,可以对本发明的技术方案进行多种简单变型,包括各个技术特征以任何其它的合适方式进行组合,这些简单变型和组合同样应当视为本发明所公开的内容,均属于本发明的保护范围。
Claims (7)
1.一种耐170℃以上温度的压裂用聚合物增稠剂的合成方法,其特征在于,所述合成方法的具体步骤如下:
(1)功能单体的制备:
反应器中依次加入2-苯基咪唑啉、乙醇、1,4-二溴-2-丁烯,加热回流,得到混合液,反应过程中用氢氧化钠溶液维持pH7-8;
将上述混合液减压蒸馏,得到粘稠固体,用乙酸乙酯重结晶2-3遍,烘干,得到功能单体;
基于1摩尔份的2-苯基咪唑啉,所述1,4-二溴-2-丁烯为0.45-0.55摩尔份;
(2)增稠剂的合成:
在反应釜中依次加入功能单体、蒸馏水、缓冲盐,搅拌溶解,用氮气吹扫反应器及管路,依次加入1-乙烯基-2-吡咯烷酮、2-(烯丙基二甲基甲硅烷基)吡啶、对苯乙烯磺酸钠,搅拌均匀,用氢氧化钠溶液调节pH7.5-8;
高位滴加槽加入引发剂,缓慢向反应釜滴加,滴加完毕后,保温反应1-2h,继续升温到65-70℃,保温反应1-2h,加入反应终止剂,搅拌10-30min,降温到40℃以下,得到粘稠液体,用氢氧化钠溶液调节pH7.5-8;将上述粘稠液体烘干造粒,得到产品增稠剂;
基于1摩尔份的功能单体,所述的1-乙烯基-2-吡咯烷酮、2-(烯丙基二甲基甲硅烷基)吡啶、对苯乙烯磺酸钠为0.3-0.5、0.1-0.2、0.1-0.2摩尔份。
2.根据权利要求1所述一种耐170℃以上温度的压裂用聚合物增稠剂的合成方法,其特征在于,步骤(1)中所述的加热回流时间为3-5h。
3.根据权利要求1所述一种耐170℃以上温度的压裂用聚合物增稠剂的合成方法,其特征在于,步骤(2)中,所述的缓冲盐为磷酸二氢钾、磷酸氢二钾、磷酸二氢钠、磷酸氢二钠、磷酸二氢铵、磷酸氢二铵中的一种,与功能单体的重量比为0.01-0.02:1。
4.根据权利要求1所述一种耐170℃以上温度的压裂用聚合物增稠剂的合成方法,其特征在于,步骤(2)中,所述的引发剂为10wt%过硫酸钾+2wt%亚硫酸氢钠混合水溶液、10wt%过硫酸钠+2wt%亚硫酸氢钠混合水溶液、10wt%过硫酸铵+2wt%亚硫酸氢钠混合水溶液中的一种,与功能单体的重量比为0.1-0.2:1。
5.根据权利要求1所述一种耐170℃以上温度的压裂用聚合物增稠剂的合成方法,其特征在于,步骤(2)中,所述的反应终止剂为亚硫酸氢钠、亚硫酸钠、硫代硫酸钠中的一种,与功能单体的重量比为0.002-0.005:1。
6.一种耐170℃以上温度的压裂用聚合物增稠剂,其特征在于,所述增稠剂的分子结构式如下:
,
其中:
a=6000-60000;
b=1500-30000;
c=500-10000;
d=500-10000。
7.根据权利要求6所述一种耐170℃以上温度的压裂用聚合物增稠剂,其特征在于,所述增稠剂粘均分子量为15000000-25000000。
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GR01 | Patent grant | ||
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