[发明专利]一种高强度聚合物微球及其制备方法和应用

说明书

技术领域

本发明涉及一种聚合材料，具体涉及一种高强度的聚合物微球，及其制备方法。

技术背景

与高含量储油层相比，低渗透油藏由于自身条件的限制，需要利用水力压裂技术在油层中制造有效支撑裂缝来作为油层的渗流通道，以增加石油的导流能力，并最终达到增产的效果。实践证明，使用陶支撑剂压裂的油井可提高产量30－50％，还能延长油气井服务年限。为了提高有效支撑裂缝面积，通常的做法为加大压裂液和支撑剂的使用量，但这一方法将导致增产成本的上升，并且其增产效果也并不明显，从而导致最终的压裂效益偏低。除压裂之外，固体颗粒物还可用于油井完井过程中的砾石填充和钻探过程中的润滑。这些功能都要求固体颗粒具有较高的强度以及能够和钻井液相配合的恰当密度。

目前工业上常用的支撑剂为陶瓷基支撑剂和石英砂类支撑剂，它们都具有很高的压裂强度，其真密度均大于1.5g/cm³，属于中高密度支撑剂。由于其密度较大，造成其输送困难，对压裂液要求更高，并且更难铺置在裂缝中。针对这一问题，研究人员提出了超轻支撑剂的概念。与传统支撑剂相比，超轻支撑剂能够更加容易地被铺置在裂缝内，并且具有极高的抗压能力以及卓越的环境适应力。超轻支撑剂的应用能够实现裂缝单层支撑，其导流能力高于多层支撑剂充填的裂缝，并且利用超轻支撑剂所达到的支撑效果是普通支撑剂的10倍之多。超轻支撑剂易于输送的特点使得压裂液能够更加容易地将其铺置在裂缝内，其总体填充面积更大。因此，与传统支撑剂的充填效果相比，超轻支撑剂的使用意味着相同体积的支撑剂能够产生更大更有效的支撑裂缝和更高的导通率。

超轻支撑剂在满足低密度要求的同时，应达到支撑裂缝所需要的高强度。常用的超轻支撑剂包括树脂包覆石英砂，核桃壳树脂等。这些超轻支撑剂外观结构均不是球型，因此也存在输送困难的问题。US2009286698、US2009305044和US2010319916提出了一种以聚苯乙烯类树脂微球为基础的支撑剂的制备方法，通过向聚苯乙烯中添加炭黑，煅烧氧化硅，煅烧氧化铝，碳纳米管，碳纳米纤维，纤维素纳米纤维，天然粘土，合成粘土，粉煤灰，多面体低聚硅倍半氧烷，金属簇，金属合金簇，金属氧化物簇或其混合物的方法，得到具有较高强度的球型支撑剂。

发明内容

本发明的主要目的在于：提供一种同时具有高强度和较低密度的聚合物微球。

本发明的另一个目的在于：提供所述的聚合物微球的制备方法。

本发明的再一个目的在于：提供所述的聚合物微球在油田钻井和完井过程岩层压裂，砾石填充和润滑中的应用。

为了实现上述目的，本发明提供以下技术方案：

首先，提供一种聚合物微球，它基本上由苯乙烯、二乙烯基苯和甲基丙烯酸甲酯作为单体共聚得到；所述的共聚前要向苯乙烯、二乙烯基苯、甲基丙烯酸甲酯组成的聚合单体中添加金属氧化物，并在聚合过程中向聚合体系中引入氢气，最终共聚得到纳米金属颗粒。

上述方案中，所添加金属氧化物优选为氧化镍、氧化钨、氧化铜、氧化铁，氧化锌，氧化钴中的一种或两种以上的混合物，进一步优选氧化镍或氧化钴中的一种或两种。

所添加的金属氧化物的质量优选为共聚单体质量的0.05-1％；进一步优选0.08～0.5％；最优选0.09～0.12％。

所添加的金属氧化物均为粉末状，其颗粒直径优选为0.1-0.5微米。

本发明还提供制备所述的聚合物微球的方法，包括以下步骤：

1)将苯乙烯、二乙烯基苯和甲基丙烯酸甲酯与引发剂混合后，向其中加入金属氧化物，混合均匀，得到共聚单体混合物；

2)将磷酸钙、水溶性高分子化合物和水混合均匀得到分散体系；

3)将步骤1)得到的共聚单体混合物加入步骤2)得到的分散体系中，形成悬浮聚合体系，同时向悬浮聚合体系中通入氢气，进行聚合反应，产物洗涤干燥后得到所述的聚合微球。

上述方案中，步骤1)所使用的苯乙烯在共聚单体中含量优选为55-95％，二乙烯基苯在共聚单体中的含量优选为1-15％，甲基丙烯酸甲酯在共聚单体中的含量优选为2-30％；进一步优选的方案中，苯乙烯在共聚单体中含量为70～80％，二乙烯基苯在共聚单体中的含量为5-10％，甲基丙烯酸甲酯在共聚单体中的含量为12～18％；最优选的方案中，苯乙烯在共聚单体中含量为75～77％，二乙烯基苯在共聚单体中的含量为7.5～8％，甲基丙烯酸甲酯在共聚单体中的含量为15～16％。