[发明专利]一种交联剂及其制备方法和应用

说明书

本发明提供一种交联剂，包括：纳米核体和接枝在所述纳米核体上的交联官能基团R⁴，其中，R⁴选自硼酸酯基、铬酸酯基、钛酸酯基、锆酸酯基、铝酸酯基和氨基中的至少一种。本发明还进一步提供了所述交联剂的制备方法，及其在油气开发中的应用。根据本发明所制备的交联剂可与各种稠化剂发生高效交联反应，在极低稠化剂浓度下即可生成交联冻胶，使油气井工作液在油藏条件下的流变性能根据需要调节，以满足采油工程的需要。能够显著提高油气井工作液中的交联剂和稠化剂的有效交联率，从而降低了交联剂和稠化剂的使用量，节约了油气田的开发成本，提升了油气田的生产效益。

技术领域

本发明涉及油气开采领域，具体涉及一种交联剂及其制备方法和应用。

背景技术

在油气开采过程中，通过勘探确定井位并钻完井后，需要进行压裂、酸化、注水、堵水、调剖和驱油等作业过程，期间会用到多种工作流体，如：压裂液、酸化酸压液、隔离液、砾石充填液、修井液、堵水剂、调剖剂和驱替液等，这些工作流体统称为油气井工作液。

为了实现造缝、携砂和驱油等功能，需要油气井工作液在地下的高温高压条件下具有较高的黏度和粘弹性，并且其流变性易于调节，以满足油气开采的不同要求。因此油气井工作液中普遍使用稠化剂与交联剂相互反应，构成交联体系来实现较为经济有效的增粘和增稠效果。

现有技术中，油气开采领域使用的压裂液、酸化酸压液、隔离液、砾石充填液、修井液、堵水剂、调剖剂和驱替液等各种工作液体，都是依靠化学交联技术来提升工作液的流变学性能，满足施工技术要求，例如：压裂液通常采用植物胶或植物胶衍生物作为稠化剂、硼酸盐、锆酸盐等物质作为交联剂，利用稠化剂与交联剂之间发生的交联反应，使压裂液中的稠化剂分子的线性溶胶转变为具有空间交联网络的体型冻胶，从而使压裂液在高温高压下具有很好的粘弹性，可以完成造缝、携砂等功能；酸化酸压液中使用聚合物/锆(钛)酸盐交联体系来增稠提黏；砾石充填液中使用植物胶或聚合物/硼(锆)酸盐交联体系来增稠提黏；堵水剂和调剖剂中使用聚合物/铝(铬、锆、钛)酸盐或酚醛、乌洛托品等组成交联体系；驱替液中使用聚合物/铝酸盐组成交联体系。

但是，由于稠化剂分子和交联剂分子在水溶液中的水化体积的差别巨大，即R_{稠化剂分子半径}:R_{交联剂分子半径}≈10⁴:1，存在着数个数量级的差异，导致分子内交联现象频发，而真正能够建立空间交联网络的分子间交联反应的数量却很少，造成交联效率低下，不仅浪费大量昂贵的稠化剂和交联剂，还存在残渣增加、堵塞油气层等问题。以压裂液为例，瓜胶-有机硼交联体系在全世界范围内广泛应用，仅瓜胶的使用量就达50万吨左右，而近期美国莱斯大学纳米科学技术中心Bishop教授的研究却发现：压裂液的瓜胶-有机硼交联体系中，有效交联率仅为1wt％(参见Dalton Trans,2004，2621-2634页)。

发明内容

为解决上述现有技术中存在的问题，本发明提供一种交联剂，通过改变交联剂和稠化剂的尺度比例，从而在大幅度降低交联剂和稠化剂用量的情况下，交联剂能够高效率地与油气井工作液中使用的稠化剂进行交联反应，调控其流变性能，满足油田应用要求。

本发明提供的交联剂，是基于交联反应的尺度效应机理，通过将交联官能基团接枝在三维尺度为纳米范围的核体上，从而成百倍、千倍地增加交联剂粒径，减小其与稠化剂分子大小的差异，有效减少稠化剂分子内交联反应的发生，显著提升稠化剂和交联剂之间的交联反应有效率，降低交联剂和稠化剂的使用量，在降低油气田开发成本的同时提升油气田生产效益。

需要说明的是，在本申请中，尺度效应是指在交联反应中，由于参与反应物料分子尺寸(或参与反应最小单元尺寸)的变化，引起交联反应机理、反应规律以及交联冻胶性能表现出与常规交联反应显著差别的现象。