[发明专利]基于动态共价键的CO2

说明书

本发明的公开了基于动态共价键的CO₂响应性智能水凝胶及其制备方法和应用。利用聚乙烯亚胺结构单元含有大量伯胺基，支链结构能够较好地形成三维方向的网状交联结构，每个支链的端伯氨基均可提供交联反应位点等特性，与苯甲醛基改性的聚乙二醇反应，通过改性后聚乙二醇的苯甲醛基团与伯氨基反应形成亚胺键，制备含有动态亚胺键的CO₂响应性智能水凝胶。该体系够在中性和碱性环境下形成交联水凝胶，在酸性环境下亚胺键断裂而解除交联变为流体，实现体系可逆地凝胶‑流体转变。本发提供了一种新的具有CO₂响应性、可逆的凝胶‑流体转变性能，且能够自我修复的智能水凝胶，其能够用作油层水力压裂的暂堵剂，解决传统暂堵剂封堵强度与解堵难易度的矛盾。

技术领域

本发明属于智能水凝胶领域，具体涉及一种CO₂响应性智能水凝胶及其制备方法。

背景技术

水凝胶是一类非常重要的软物质材料，通常被定义为以水为介质被溶胀的三维分子网络结构的材料。组成这些分子网络的通常是亲水性交联聚合物大分子，此类聚合 物网络结构在水介质中能够吸收水并发生膨胀(即溶胀过程)。由于内部网络结构的长 久维持，水凝胶仅能被溶胀而难以被完全溶解。智能水凝胶通常是指刺激-响应性水凝 胶材料，在对水凝胶输入一定的刺激因素时，其分子结构能够发生显著的变化，且结构 变化具备较高灵敏度和特异性。这些刺激因素非常多样，包括pH值、温度、离子强度、 电磁场、机械力以及特定的分析物或生物标志物等。智能水凝胶的响应性变化同样多种 多样，包括水凝胶的流体-凝胶转变、亲疏水表面转变、溶胀度改变等。流体-凝胶的转 变能够直接来源于交联结构的破坏/形成，物理相互作用通常能较好地实现该过程，例如 氢键交联的水凝胶具有良好的温度响应性，在高温环境下氢键断裂而引发交联网络结构 的破坏，从而凝胶可转变为流体。暂堵剂是针对油层中存在高渗透区问题的解决方案， 在水力压裂、堵水以及修井工序中有着广泛应用，暂堵剂能够起到临时封堵高渗透岩层 区的作用，其被注入岩层后可将原本较大的孔隙或流动通道封堵或变窄，增大高渗透区 的流动阻力，从而将油层的整体渗透率分布得到改善。

根据水力压裂暂堵剂的成分进行划分，其类型包括颗粒型暂堵剂、不含固相暂堵剂、 聚合物暂堵剂等。颗粒型暂堵剂是在液态流体中加入一定量的固体颗粒，例如油溶性、水溶性颗粒，颗粒的大小是根据目标油藏的高渗区域孔喉半径进行匹配定制。颗粒封堵 的微观机理包括卡堵和栓塞,简要而言是含固相暂堵剂被注入地层后颗粒流至高渗区内 将孔隙封堵，从而使该区域的流动阻力增大实现油藏渗透率的调控作用。其优点为固体 颗粒价格低廉，且封堵强度高可承受后期的压裂作业，但由于我国大部分油藏含水量高， 不适于采用油溶性颗粒暂堵剂，而适用于我国油藏的水溶性颗粒暂堵剂存在解堵难度大、 地层内残留量高的问题。

纤维型暂堵剂是利用液态流体中加入一定量纤维进行封堵，通常添加的纤维是改性 聚乙烯醇。注入地层后流体自发地流入高渗区域，经过裂缝的捕获、架桥、压实等作用形成密实的滤饼结构，停留在高渗孔隙内引起高渗区域流动阻力的增大，从而确保压裂 作业或后期注入开采时流体能够流向低渗区。纤维型暂堵剂针对岩层中的小尺寸裂缝具 有独特优势，能够利用其弹性更为致密地填充到微小缝隙中实现封堵，并且聚乙烯醇是 一种可生物降解纤维；而针对较大尺寸的缝隙封堵作用欠佳。

聚合物胶塞型暂堵剂的成分主要为预聚物和交联剂，其施工方法为将上述成分的水 溶液注入到地层下，由于地层内部温度较高诱发交联反应的发生，在高渗区内生成凝胶将流道封闭。其优缺点与颗粒型暂堵剂类似，聚合物凝胶具备良好的封堵强度。然而由 于传统聚合物胶塞型暂堵剂内置破胶剂进行解堵，地层内的破胶时间控制难度较高，其 解堵比较困难。

综上所述的传统水力压裂暂堵剂存在封堵强度与解堵难易度的矛盾。

发明内容