[发明专利]一种含β-环糊精结构的聚合物粘土稳定剂及其合成方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种石油工业用于油井抑制粘土膨胀的聚合物粘土稳定剂及其合成方法。 

背景技术

粘土矿物（Clay mineral）广泛存在于油层中，全世界97％的油层都不同程度地含有粘土矿物。如果在开发过程中措施不当，就会造成粘土矿物水化膨胀（Hydration expansion）、分散(Dispersion)和运移(Migration)，从而堵塞地层孔隙结构的喉部，降低地层的渗透性，产生地层损害。因此，对粘土含量高、水敏性强的储层，在钻井、固井、注水、压裂、酸化、修井和压井等任何工艺措施中， 只要有水基工作液的侵入，都有可能引起水敏伤害。故使用粘土稳定剂（Clay stabilizer）成为了解决这一难题的有效手段。

目前, 粘土稳定剂根据化学组成的不同可分为四大类(J. Swenson et al. Interlayer Structure of a Clay-Polymer-Salt-Water System. Langmuir 2001，17 (13)：3813–3818；陈智敏. 粘土稳定剂合成及评价研究进展. 化学工程与装备. 2009，8：130-150)。其中无机盐类粘土稳定剂货源广、价格低、使用维护简单，但只能暂时稳定粘土颗粒，不耐冲刷，且这类粘土稳定剂不能产生多点吸附，如：KCl、NaCl、CaCl₂等（Boek, E.S et al. Monte carlo molecular modeling studies of hydrated Li⁺，Na⁺，and K⁺ Smectites：Understanding the Role of Potassium as a Clay Swelling Inhibitor. J. Am. Chem. Soc.，1995，117 (50)：12608–12617；刘向君等. 溶液矿化度及加量对钠-蒙脱石晶间距的影响研究. 岩土力学. 2011，32(1)：137-140）。无机阳离子类粘土稳定剂的优点是吸附作用强，可抗水冲洗，缺点是会使地层转变成亲油性（叶坚等. 低渗透油田粘土稳定剂研制. 大庆石油地质与开发. 2007，26（4）：92-95）。有机阳离子聚合物类使用范围广, 稳定效果好,有效时间长, 既能抑制粘土的水化膨胀又能控制微粒的分散运移，且抗酸、碱、油、水的冲洗能力都较强，主要以季铵盐型及聚季铵盐型粘土稳定剂为主，如：聚二甲基二烯丙基氯化铵（PDMDAAC）（宫本敬等. 低分子质量PDMDAAC粘土稳定剂的合成. 辽宁化工. 2009，38(4)：229-232），聚三甲基烯丙基氯化铵（PTMAAC）（冯莉等. 季铵盐单体在蒙脱土中的插层原位聚合反应. 高等学校化学学报.2006，11：2213-2216）。 两性离子聚合物类粘土稳定剂耐温抗盐性能好，抑制粘土水化膨胀能力强，越来越受到各大油气田开发者的广泛关注（刘燕等. 新型两性离子粘土稳定剂的合成与性能评价. 化学与生物工程.2011，28(6)：53-55）。

β-环糊精（β-Cyclodextrin）是由7个葡萄糖分子连接而成的环状结构化合物，主体构型像个中间有空洞，两端不封闭的筒。在空洞结构中，空腔内由于受到C—H键的屏蔽作用形成了疏水区。较大开口端（上端）由C₂和C₃的仲羟基构成，较小开口端（下端）由C₆的伯羟基构成，具有亲水性（廖才智.β-环糊精的应用研究进展. 化工科技. 2010，18(5)：69-72）。利用这个特殊的筒结构，β-环糊精可与许多无机、有机分子结合成主客体包合物，并能改变被包合物的化学和物理性质，具有保护、稳定、增溶客体分子和选择性定向分子的特性。将β-环糊精结构引入聚合物链上，将极大地增加共聚物的水溶性，并利用其包合性能使聚合物更易吸附在粘土的表面从而降低粘土和水接触的机会，大大地抑制粘土的水化膨胀。基于此，设计合成一种水溶性β-环糊精衍生物：2-O-(烯丙氧基-2-羟基丙基)-β-环糊精，并与丙烯酰胺、丙烯酸钠、2-丙烯酰胺基-甲基丙磺酸共聚合成一种新型的粘土稳定剂。

发明内容

 本发明的目的在于：为了使聚合物具有良好的耐温耐盐、抗剪切性以及吸附能力，能较好地抑制粘土的水化膨胀，特提供一种含β-环糊精结构的聚合物粘土稳定剂及其合成方法。