一种环保型超支化聚季铵盐氨基酸制成的页岩插层抑制剂的制作方法

本发明涉及油气田钻井
技术领域：
，具体涉及一种超支化聚季铵盐氨基酸制成的页岩插层抑制剂。
背景技术：
：井壁不稳一直是钻井过程中需要克服的世界性难题。其经常导致井壁坍塌、缩径、卡钻等复杂事故，增加了钻井时间和钻井成本。据统计数据显示，75％的井壁不稳问题主要发生在泥页岩地层，尤其是水敏性地层，页岩地层黏土矿物含量高，页岩气水平井水平段长，钻井液与地层接触的时间长，页岩水化更严重，井壁失稳更加突出。油基钻井液虽具有能抗高温、抗盐钙侵、有利于井壁稳定、润滑性好和对油气层损害程度较小等优点，但是，油基钻井液的配制成本比水基钻井液高得多，使用时往往会对井场附近的生态环境造成严重影响，而且与使用水基钻井液相比机械钻速一般较低，以上缺点大大地限制了油基钻井液的推广应用。近年来随着环保要求的逐渐提高，开发出效果与油基钻井液相当且符合环保要求的水基钻井液来代替油基钻井液是当前钻井液技术发展的一种趋势。为了克服现有抑制剂的缺点，研究者们在抑制剂方面展开了大量实验研究，但真正被市场所接受的品种不多，尤其是适用于高温高密度且符合环保要求的水基钻井液尚待开发。近年来，氨基酸物质由于其生物无毒性，安全可降解等优点得到了众人的关注。但目前所研究和应用的聚胺类抑制剂多为线性结构，对于线性聚胺类抑制剂而言，其在水中溶解后通常呈无规则的线性构型，当其用于页岩气钻井过程中时，在粘土上的缠绕、包被是不均匀的，容易造成重复吸附或者没有吸附。超支化聚合物由于其低粘度、高流变性以及良好的溶解性和大量可修饰的末端官能团等一系列独特的物理化学特性，且结构上呈现三维立体结构，因此我们通过引进超支化聚合物来改善以上缺点。技术实现要素：本发明鉴于上述问题而提供一种超支化聚季铵盐氨基酸制成的页岩插层抑制剂，该抑制剂响应了环保要求，且抑制性能相比于同类产品有明显提升，能完全满足各种复杂井况的钻井需求，且合成工艺简单、环保，产率较高，生产成本低廉，适合工业化生产。为实现上述目的，本发明的技术方案为：一种超支化聚季铵盐氨基酸制成的页岩插层抑制剂，所述超支化聚季铵盐氨基酸制成的页岩插层抑制剂由超支化聚季铵盐氨基酸与水混合配制合成，其中超支化聚季铵盐氨基酸在页岩插层抑制剂中的质量比为0.5％-3％，所述超支化聚季铵盐氨基酸以胺类化合物及丁二酸酐为原料，季铵盐氨基酸类化合物为封端试剂采用如下步骤合成:(1)超支化聚合物的合成：取25mmol胺类化合物与25mmol丁二酸酐分别溶解在100ml的有机溶剂中，在冰水浴、通氮气搅拌条件下向胺类化合物的溶液中逐滴滴加丁二酸酐溶液，滴加完成后，再升温至25-35℃反应8-24h，反应完毕后，减压蒸馏得到淡黄色液体。(2)超支化聚合物的纯化：超支化聚合物的制备：将(1)所得的淡黄色液体用80-100ml有机溶剂溶解，在90-110℃，氮气氛围并搅拌的条件下，回流反应4h。将所得产物用有机溶剂重复沉淀洗涤3次，经真空干燥后得到淡黄色粉末。(3)超支化聚合物的封端：将(2)所得超支化聚合物溶于80-100ml溶剂中，在氮气氛围并搅拌的条件下逐滴滴加质量浓度为50％的封端试剂，滴定完毕后升温密闭反应。反应结束后，将产物经3-5次有机溶剂洗涤沉淀分离，真空干燥后即得到纯净的超支化聚季铵盐氨基酸。进一步的，所述胺类化合物为1-氨基哌嗪，1-哌嗪乙胺，1-己胺哌嗪，2-氨基哌啶，2-氨基哌啶，4-氨基哌啶，2-氨甲基哌啶，4-甲基-4-氨基哌啶中的一种。进一步的，所述有机溶剂为无水乙醇，无水甲醇，丙酮，四氢呋喃，dmf中的一种。进一步的，所述封端试剂为不同疏水链长度的季铵盐氨基酸，即2-氨基-4-三甲基铵丁酸，2-氨基-4-三氨基铵戊酸，2-氨基-6-三甲基铵己酸中的一种。进一步的，所述步骤(1)、(3)滴加时间控制在25-40min，步骤(1)减压蒸馏温度为80℃，绝对真空度小于3000pa。进一步的，所述步骤(2)、(3)真空干燥温度为40-60℃。进一步的，所述步骤s3密闭反应温度为35-55℃，反应时间为4-8h。本发明有益效果如下：1、本发明所设计的产品响应了环保要求，具有生物无毒性，安全可降解等优点；2、本发明的合成方法技术稳定可靠、产率较高、合成产品所需的原料价格低廉，适宜工业化生产；3、本发明提供的产品其分子末端含大量的季铵基团，除了可以增强水溶性外，还有一个优于其他抑制剂的特点：由于黏土表面带有负电荷，带正电荷的季铵基团可以吸附在黏土表面中和黏土表面的电性，削弱黏土之间的静电排斥作用，使得黏土更容易聚集絮凝，从而起到更好的抑制作用。具体实施方式下面将结合本发明实施例，对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。实施例1(1)超支化聚合物的合成：准确称取2.52g1-氨基哌嗪和2.50g丁二酸酐，分别将其用100ml四氢呋喃溶解。将1-氨基哌嗪溶液置于三口烧瓶中，在冰水浴，通氮气搅拌的条件下，向烧瓶中滴定加入丁二酸酐溶液,滴加完成后，升温至25℃反应8h。待反应完成，减压蒸馏得到淡黄色粘稠液体。(2)超支化聚合物的纯化：将(1)所得产物用80ml甲醇溶解，在温度为100℃，氮气氛围并搅拌的条件下，回流反应4h。将所得产物用甲醇溶解，再用丙酮洗涤，重复三次，经真空干燥后得到淡黄色粉末。(3)超支化聚合物的封端：取(2)所得超支化聚合物溶于80ml蒸馏水，取5.0g2-氨基-4-三甲基铵丁酸溶于100毫升蒸馏水中制成封端溶液。在氮气氛围搅拌的条件下，向超支化聚合物溶液中逐滴滴加氨基酸封端溶液，滴定完毕后，升高温度至50℃密闭回流反应4h。反应结束后，将产物经蒸馏水洗涤，丙酮沉淀分离，重复这一系列动作三次，后减压蒸馏得到纯净的超支化聚季铵盐氨基酸。超支化聚合物的结构式如下式所示，其结构式为理想的，完全支化的超支化聚合物。其中r1＝-coch2ch2co(c4n2h8)-。封端后得到的超支化聚季铵盐氨基酸的结构式如下式所示：其中r1＝-coch2ch2co(c4n2h8)-，r2＝co(nh2)ch2ch2n+(ch3)3。实施例2(1)超支化聚合物的合成：准确称取2.50g4-氨基哌啶和2.50g丁二酸酐，分别将其用80ml四氢呋喃溶解。将1-氨基哌嗪溶液置于三口烧瓶中，在冰水浴，通氮气搅拌的条件下，向烧瓶中滴定加入丁二酸酐溶液,滴加完成后，升温至25℃反应8h。待反应完成，减压蒸馏得到淡黄色粘稠液体。(2)超支化聚合物的纯化：将(1)所得产物用80ml甲醇溶解，在温度为100℃，氮气氛围并搅拌的条件下，回流反应4h。将所得产物用甲醇溶解，再用丙酮洗涤，重复三次，经真空干燥后得到淡黄色粉末。(3)超支化聚合物的封端：取(2)所得超支化聚合物溶于80ml蒸馏水，取5.0g2-氨基-4-三甲基铵丁酸溶于100毫升蒸馏水中。在氮气氛围搅拌的条件下，向超支化聚合物溶液中逐滴滴加氨基酸封端溶液，滴定完毕后，升高温度至50℃密闭回流反应4h。反应结束后，将产物经蒸馏水洗涤，丙酮沉淀分离，重复这一系列动作三次，后减压蒸馏得到纯净的超支化聚季铵盐氨基酸。超支化聚合物的结构式如下式所示，其结构式为理想的，完全支化的超支化聚合物。其中r1＝-co(ch2)co[n(ch2)4ch]-封端后得到的超支化聚季铵盐氨基酸的结构式如下式所示：其中r1＝-co(ch2)co[n(ch2)4ch]-，r2＝co(nh2)ch2ch2n+(ch3)3。为了进一步说明本发明环保型页岩插层抑制剂的效果，对实施例1和实施例2中的复合破乳剂进行性能测试。1、线性膨胀率测试将实施例1-2所得的超支化聚胍基酸与清水按比例(超支化聚季铵盐氨基酸质量比为1％，2％，3％)配置成页岩抑制剂与常规的页岩抑制剂(选用常规的聚胺类抑制剂与己二胺类抑制剂)进行对比实验，清水作为参照。采用线性膨胀率来评价上述实施例制备的抑制性能，其具体操作步骤参照石油天然气行业标准sy/t6335-1997《钻井液用页岩抑制剂评价方法》。线性膨胀率越低，说明抑制剂的抑制性能越好。实验结果如下表所示。表1线性膨胀率测试结果由表中的线性膨胀率测试结果表明，当乙二胺，聚胺，实施例1所得超支化季铵盐氨基酸，实施例2所得超支化季铵盐氨基酸在相同比例条件下，超支化季铵盐氨基酸的抑制性能明显高于己二胺和聚胺类页岩抑制剂。说明超支化季铵盐氨基酸类页岩抑制剂的抑制效果明显高于常规的页岩抑制剂。通过抑制剂含量对线性膨胀率的影响可知随着抑制剂质量比(0.5-3％)的增加，线性膨胀率降低，抑制性能更好。2.滚动回收率测试将实施例1-2所得的超支化聚季铵盐氨基酸与清水按比例(超支化聚季铵盐氨基酸质量比为1％，2％，3％)配置成页岩抑制剂与常规的页岩抑制剂(选用常规的聚胺类抑制剂与己二胺类抑制剂)进行对比实验，清水作为参照。采用滚动回收率来评价上述实施例制备的页岩抑制剂性能，其具体操作步骤参照sy/t5971-1994《注水用粘土稳定剂性能评价方法》。滚动回收率越高，说明页岩抑制剂的抑制性能越好。实验结果如下表所示。滚动回收率实验测试结果组分回收率(％)清水19.541％己二胺34.311％聚胺44.531％实施例1所得超支化聚季铵盐氨基酸85.232％实施例1所得超支化聚季铵盐氨基酸87.413％实施例1所得超支化聚季铵盐氨基酸90.021％实施例2所得超支化聚季铵盐氨基酸84.982％实施例2所得超支化聚季铵盐氨基酸87.373％实施例2所得超支化聚季铵盐氨基酸89.74由滚动回收率结果表明，当己二胺，聚胺以及实施例所得超支化聚季铵盐氨基酸在相同的质量比下，超支化聚季铵盐氨基酸的抑制性能明显高于己二胺和聚胺类页岩抑制剂，此结果说明超支化聚季铵盐氨基酸类页岩抑制剂的抑制效果明显高于常规的页岩抑制剂。且随着抑制剂质量比(0.5-3％)的增加，滚动回收率增加，抑制效果更好。3、环保性评价超支化聚季铵盐氨基酸作为页岩插层抑制剂其抑制性能优异，生产工艺简单，且具有易于生物降解的优点。聚合物的生物降解是指在微生物(真菌，霉菌等)的作用下将其转化为简单无机物的现象。生物降解性可用生化性(bod5/codcr)表示，通过接种与稀释法测定bod5(参考标准hj/t505-2009)，重铬酸钾法测定codcr(参考标准yj/t377-2007),测得其比值为56.2％，易于降解，表明本产品是一种环境友好型的页岩抑制剂。综上所述，本发明所提供的超支化聚季铵盐氨基酸的制备方法技术稳定可靠、产率较高、适用于工业化生产；合成的超支化聚季铵盐氨基酸产品无毒无害、水溶性良好、制成的页岩插层抑制剂其抑制性能相比于同类产品有明显提升，能满足各种复杂井况的钻井要求，有效降低页岩水化分散发生井壁不稳的发生概率。以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的技术内容作出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。当前第1页1 2 3 

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