[发明专利]端基为季铵基团的树状分子插层剂及其制备方法

说明书

本发明涉及一系列用于水基钻井液的端基为季铵基团的树状分子插层剂及其制备方法。该系列插层剂以一定比例的不同代数的聚酰胺树状大分子与烯基氯化铵为原料，通过在有机溶剂中进行迈克尔加成反应而得。本发明的系列插层剂均具有分子尺寸与结构可控，端基质子化基团密度大的特点，对膨润土与泥页岩均有着较强抑制性能，在较低的加量下即可有效抑制后两者的水化膨胀与分散运移，且抗温性能良好，抗温可达150℃。本发明的插层剂制备方法简单，条件温和，收率较高，适于大量制备与工业生产。

技术领域

本发明涉及石油钻井中的插层剂技术领域，尤其涉及端基为季铵基团的树状分子插层剂及其制备方法。

背景技术

对深部地层油气资源的勘探开发导致钻井深度不断增大，钻遇泥页岩地层的概率随之上升，若钻井液体系无法有效抑制地层的水化膨胀与造浆，则会引发缩径等井壁失稳现象，加之深井中钻井液循环周期较长，且井底温度较高，长期高温作用下，抑制剂的抑制性能难以保证，不利于钻井作业的顺利进行。

小分子的插层抑制剂一直以来都在钻井作业中得到了广泛应用，当其水化后，可凭借其适度的分子尺寸插入黏土层间域，并通过其分子结构上的质子化基团吸附于电负性的黏土颗粒晶层上，在降低其电负性的同时，挤出层间吸附水并拉紧相邻晶层，进而实现对黏土水化造浆的抑制作用。但现有插层剂多为柔性的线性分子，其在黏土层间域的吸附多为占用空间体积较小的环式与卧式，位于其分子结构两端的质子化基团往往吸附于同一晶层上，而非分别作用于相邻晶层，实现效率最优的尾式吸附，且当钻井液长期处于高温环境时，插层剂的分子结构易发生热降解，丧失官能团特性，且其分子热运动因受热而加剧，脱附几率增大，亦会导致插层剂失效。

与线性分子不同，树状分子的分子尺寸与结构均可在合成过程中得到有效控制，故而具有高度的几何对称性与精确的分子结构，且分子表面含有大量可修饰的端基官能团，若能对其分子结构与尺寸进行控制，同时对其表面端基进行阳离子化改性，则可获得端基为质子化基团，且基团密度极大的树状分子。当此类树状分子作为插层剂时，由于各支化链段彼此间存在空间位阻效应，导致位于各支链端基上的质子化基团无法同时吸附于同一晶层表面，而是各自吸附于相邻的不同晶层上，阻滞后者因受水化作用而彼此分离的趋势，加之其质子化基团众多，赋予了插层剂持久而稳定的吸附性能，如能保证其分子结构的稳定性，树状分子插层剂将具备良好的长期抑制性能。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的是提供一种水基钻井液用小分子插层剂，该插层剂可在较小的加量下实现对蒙脱石水化的有效抑制，同时具有较强的抗温性能，抗温可达150℃。本发明的另一个目的是提供该插层剂的制备方法，该插层剂通过在溶液中逐次进行加成与缩合反应而得，其制备方法操作简单，条件温和，收率较高。

本发明通过以下技术手段解决上述技术问题：

端基为季铵基团的树状分子插层剂，所述树状分子插层剂由不同代数的聚酰胺树状大分子与烯基氯化铵通过迈克尔加成反应生产的共聚物，所述烯基氯化铵为甲基丙烯酰氧基乙基三甲基氯化铵、(3-丙烯酰胺丙基)三甲基氯化铵中的一种。

进一步，所述树状分子插层剂的结构式如下：

其中，

本发明还公开了上述树状分子插层剂的制备方法，所述制备方法包括以下步骤：

制备G0.5 PAMAM，称取乙二胺和无水甲醇倒入反应容器，升温搅拌混匀，随后滴加丙烯酸甲酯反应，得到G0.5 PAMAM粗成品，将G0.5 PAMAM粗成品转入旋蒸仪中减压蒸馏，得到纯G0.5 PAMAM。该步骤的反应式如下：