本发明涉及一种阳离子聚合物表面接枝维纶纤维及其制备方法，属于油气田开发压裂施工材料领域。
背景技术：
水力压裂技术是低渗透油藏主要的增产技术措施，携砂性能是影响压裂工艺实施的重要因素之一。水力压裂施工过程中，支撑陶粒在压裂液体系中的沉降或携砂液在压裂裂缝中运移时的陶粒脱砂是不可避免的，这往往会降低支撑裂缝的导流能力，从而对储层压裂改造效果产生较大影响。特别是对于高导流通道压裂工艺而言，加入纤维后的压裂携砂液，其体系中纤维分散性能和携砂性能是影响该工艺实施的最为关键因素，是决定压裂裂缝的高导流通道形成与否的核心。该压裂工艺的压裂液体系中添加纤维后，当纤维均匀分散在压裂液体系中时，纤维与瓜胶等存在稳定分子间结合，形成了瓜胶-纤维网络体系，增加了压裂液的粘度和携砂性能，能有效降低陶粒的沉降速度，从而有效提高支撑裂缝的导流能力和压裂改造效果。
在油气井压裂施工后，压裂液返排过程及后续油井正常生产过程中，常常会在近井地带出现支撑剂回流(吐砂)现象，甚至有些井回流出的支撑剂达到支撑剂总量20％以上。支撑剂回流会导致支撑缝长、缝宽和导流能力下降，影响压裂改造效果。回流出的支撑剂如果被返排液或产液带到地面，可能侵蚀油嘴、阀门等设备；如果回流支撑剂沉降在近井筒，则可能导致砂埋射孔孔眼甚至近井筒。这些都严重影响压后油气井的产量，增加不必要的作业工序和费用。纤维压裂技术通过纤维与支撑剂间形成空间网络结构，将支撑剂稳定在原始位置，而流体可以自由通过。压裂液开始返排后，由于流体冲刷作用，促使形成一系列稳定的拱形砂拱结构，有利于控制支撑剂返吐，同时可以提高返排速度，缩短返排时间，提高最终压裂液返排效率和压裂改造效果。
目前，现有技术中的水力压裂用纤维材料在压裂液体系中容易出现成团、成缕、成束等分散状态，往往难以均匀分散，其携砂性能也有待提高，难以满足低渗透油气藏压裂携砂的需求，有必要对压裂用纤维材料表面进行改性处理。
技术实现要素：
针对上述现有技术，本发明提供了一种阳离子聚合物表面接枝维纶纤维，及其制备方法，以及在制备压裂液、提高压裂液体系的携砂性能、抑制支撑剂回流中的应用。本发明通过阳离子聚合物对基础纤维材料表面进行接枝，得到了能显著提高分散性能和携砂性能的改性维纶纤维。
本发明是通过以下技术方案实现的：
一种阳离子聚合物表面接枝维纶纤维的制备方法：取环氧氯丙烷-二甲胺阳离子聚合物，加水配置成质量浓度为0.8％～1.2％的阳离子聚合物水溶液，加入氢氧化钠溶液调节ph值至12±0.5；加入维纶纤维，升温至70℃±3℃，搅拌使其浸润，保温反应40～80分钟(反应时密封，以防止水分蒸发)，取出，用水充分冲洗以去除残留在纤维上的阳离子聚合物，烘干，即得阳离子聚合物表面接枝维纶纤维；所述阳离子聚合物水溶液与维纶纤维的用量比为：每升阳离子聚合物水溶液加入2～5克维纶纤维。
所述环氧氯丙烷-二甲胺阳离子聚合物，是由以下重量份的原料制成的：40～60份二甲胺水溶液，2～7份交联剂，30～50份环氧氯丙烷，2～5份氢氧化钠水溶液；是通过以下方法制备得到的：将质量分数为30％～35％的二甲胺水溶液与交联剂混合，置于冰水浴(0～10℃)中，搅拌均匀，缓慢滴加环氧氯丙烷(约3小时滴完)；滴加完毕后，升温至80℃±3℃，恒温反应1.5～2.5小时；再加入质量分数为17％～23％的氢氧化钠水溶液，加入后0.5～1.0小时出现爬轴现象，加入少量水抑制直至不再发生爬轴现象；加入盐酸终止反应，并用盐酸调节ph至弱酸性(ph值5～6)，然后加入适量甲醇，沉淀并过滤，将过滤后的产物在50℃下真空干燥，即得环氧氯丙烷-二甲胺阳离子聚合物。
所述交联剂选自乙二胺、己二胺、二乙烯三胺、三乙烯四胺。
利用上述方法制备得到的阳离子聚合物表面接枝维纶纤维，可以用于制备压裂液，可以有效增加压裂液体系的粘度，有效提高压裂液体系的携砂性能，并可有效抑制支撑剂的回流。
本发明的方法，通过阳离子聚合物对基础纤维材料表面进行接枝，通过纤维表面的化学改性，大大改善了纤维的润湿性能和分散性能。本发明的改性维纶纤维，分散于压裂液体系中时，可实现均匀分散，形成瓜胶-纤维空间网络结构，大大提高了纤维压裂液体系的携砂性能，有助于提高压裂支撑裂缝的导流能力；同时纤维-支撑剂在压裂裂缝中形成稳固的砂拱，可以有效抑制支撑剂的回流，显著提升压裂改造效果。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步的说明。
下述实施例中所涉及的仪器、试剂、材料等，若无特别说明，均为现有技术中已有的常规仪器、试剂、材料等，可通过正规商业途径获得。下述实施例中所涉及的实验方法，检测方法等，若无特别说明，均为现有技术中已有的常规实验方法，检测方法等。
实施例1制备阳离子聚合物表面接枝维纶纤维
步骤如下：
(1)制备环氧氯丙烷-二甲胺阳离子聚合物
首先，将50份(重量份，下同)二甲胺水溶液(质量分数33％)与3份交联剂二乙烯三胺于250ml四口烧瓶中混合，在冰水浴(0～10℃)中搅拌均匀；再将40份环氧氯丙烷置于滴液漏斗中，缓慢滴加于烧瓶中(滴加时温度始终保持在10℃以下，滴加时间约为3.0小时)；环氧氯丙烷滴加完毕后，梯度升温至80℃，恒温反应2.0小时；然后加入3份氢氧化钠水溶液(质量分数20％)，在加氢氧化钠水溶液后0.5～1.0小时，有爬轴现象出现，加入少量水进行抑制，直到不再发生爬轴现象；最后加入盐酸终止反应，并用盐酸调至弱酸性(ph值6)，然后加入适量甲醇，沉淀并过滤，将过滤后的产物在50℃下真空干燥，即得环氧氯丙烷-二甲胺阳离子聚合物。
(2)制备阳离子聚合物水溶液
取环氧氯丙烷-二甲胺阳离子聚合物，配置质量浓度为1％的阳离子聚合物水溶液，在酸度计的测量下，用氢氧化钠水溶液将阳离子聚合物水溶液的ph值调至12。
(3)阳离子聚合物接枝改性维纶纤维
按照每升阳离子聚合物水溶液中加入2.5克维纶纤维的比例，将维纶纤维放入阳离子聚合物水溶液中，升温至70℃，一边浸泡润湿，一边搅拌，同时注意密封，防止水分的蒸发，持续反应1.0小时；将改性好的维纶纤维取出，用水充分冲洗，去除残留在纤维上的改性液，之后放进烘箱里烘干，即得环氧氯丙烷-二甲胺阳离子聚合物表面接枝维纶纤维。
实施例2
配制质量分数为0.5％的瓜胶水溶液，取100.0g若干份，分别加入不同量的维纶纤维或改性维纶纤维(实施例1制备)，搅拌均匀后，再加入0.05g有机硼交联剂，交联后升温至90℃，保温12.0小时，得不同凝胶样品；用dv-ⅲ布氏粘度计测90℃下各凝胶样品的粘度，测试结果如表1所示。由表1可见，本发明的改性维纶纤维，应用于压裂液体系时，可显著增加压裂液体系的粘度，明显优于维纶纤维。
表190℃、不同纤维加量的凝胶体系粘度(剪切速率：7.34s-1)
注：维纶纤维平均长度6mm；维纶纤维平均直径15μm；维纶纤维密度1.28g/ml；改性维纶纤维平均长度6mm；改性维纶纤维平均直径15μm；改性维纶纤维密度1.28g/ml。
实施例3
配制质量分数为0.5％的瓜胶水溶液，取100.0g若干份，加入不同量的维纶纤维或改性维纶纤维(实施例1制备)，搅拌均匀后，加入50.0g陶粒砂(粒径：0.425mm～0.85mm)，再搅匀，再加入0.05g有机硼交联剂，升温至90℃，得不同的压裂携砂液样品。测定陶粒在不同压裂携砂液样品中的沉降速度，测试结果如表2所示。由表2可见，本发明的改性维纶纤维，可明显降低陶粒砂的沉降速度，提高其携砂性能，明显优于维纶纤维。
表290℃、不同纤维加量下陶粒在携砂液中沉降速度
实施例4制备阳离子聚合物表面接枝维纶纤维
步骤如下：
(1)制备环氧氯丙烷-二甲胺阳离子聚合物
首先，将40份二甲胺水溶液(质量分数33％)与2份交联剂己二胺于250ml四口烧瓶中混合，在冰水浴(0～10℃)中搅拌均匀；再将50份环氧氯丙烷置于滴液漏斗中，缓慢滴加于烧瓶中(滴加时温度始终保持在10℃以下，滴加时间约为3.0小时)；环氧氯丙烷滴加完毕后，梯度升温至80℃，恒温反应1.5小时；然后加入2份氢氧化钠水溶液(质量分数20％)，在加氢氧化钠水溶液后0.5～1.0小时，有爬轴现象出现，加入少量水进行抑制，直到不再发生爬轴现象；最后加入盐酸终止反应，并用盐酸调至弱酸性(ph值6)，然后加入适量甲醇，沉淀并过滤，将过滤后的产物在50℃下真空干燥，即得环氧氯丙烷-二甲胺阳离子聚合物。
(2)制备阳离子聚合物水溶液
取环氧氯丙烷-二甲胺阳离子聚合物，配置质量浓度为0.8％的阳离子聚合物水溶液，在酸度计的测量下，用氢氧化钠水溶液将阳离子聚合物水溶液的ph值调至12。
(3)阳离子聚合物接枝改性维纶纤维
按照每升阳离子聚合物水溶液中加入2克维纶纤维的比例，将维纶纤维放入阳离子聚合物水溶液中，升温至70℃，一边浸泡润湿，一边搅拌，同时注意密封，防止水分的蒸发，持续反应40分钟；将改性好的维纶纤维取出，用水充分冲洗，去除残留在纤维上的改性液，之后放进烘箱里烘干，即得环氧氯丙烷-二甲胺阳离子聚合物表面接枝维纶纤维。
实施例5制备阳离子聚合物表面接枝维纶纤维
步骤如下：
(1)制备环氧氯丙烷-二甲胺阳离子聚合物
首先，将50份二甲胺水溶液(质量分数35％)与7份交联剂乙二胺于250ml四口烧瓶中混合，在冰水浴(0～10℃)中搅拌均匀；再将30份环氧氯丙烷置于滴液漏斗中，缓慢滴加于烧瓶中(滴加时温度始终保持在10℃以下，滴加时间约为3.0小时)；环氧氯丙烷滴加完毕后，梯度升温至80℃，恒温反应2.5小时；然后加入4份氢氧化钠水溶液(质量分数20％)，在加氢氧化钠水溶液后0.5～1.0小时，有爬轴现象出现，加入少量水进行抑制，直到不再发生爬轴现象；最后加入盐酸终止反应，并用盐酸调至弱酸性(ph值5)，然后加入适量甲醇，沉淀并过滤，将过滤后的产物在50℃下真空干燥，即得环氧氯丙烷-二甲胺阳离子聚合物。
(2)制备阳离子聚合物水溶液
取环氧氯丙烷-二甲胺阳离子聚合物，配置质量浓度为1.2％的阳离子聚合物水溶液，在酸度计的测量下，用氢氧化钠水溶液将阳离子聚合物水溶液的ph值调至12。
(3)阳离子聚合物接枝改性维纶纤维
按照每升阳离子聚合物水溶液中加入5克维纶纤维的比例，将维纶纤维放入阳离子聚合物水溶液中，升温至70℃，一边浸泡润湿，一边搅拌，同时注意密封，防止水分的蒸发，持续反应80分钟；将改性好的维纶纤维取出，用水充分冲洗，去除残留在纤维上的改性液，之后放进烘箱里烘干，即得环氧氯丙烷-二甲胺阳离子聚合物表面接枝维纶纤维。
实施例6制备阳离子聚合物表面接枝维纶纤维
步骤如下：
(1)制备环氧氯丙烷-二甲胺阳离子聚合物
首先，将50份二甲胺水溶液(质量分数30％)与5份交联剂三乙烯四胺于250ml四口烧瓶中混合，在冰水浴(0～10℃)中搅拌均匀；再将40份环氧氯丙烷置于滴液漏斗中，缓慢滴加于烧瓶中(滴加时温度始终保持在10℃以下，滴加时间约为3.0小时)；环氧氯丙烷滴加完毕后，梯度升温至80℃，恒温反应2.0小时；然后加入5份氢氧化钠水溶液(质量分数20％)，在加氢氧化钠水溶液后0.5～1.0小时，有爬轴现象出现，加入少量水进行抑制，直到不再发生爬轴现象；最后加入盐酸终止反应，并用盐酸调至弱酸性(ph值6)，然后加入适量甲醇，沉淀并过滤，将过滤后的产物在50℃下真空干燥，即得环氧氯丙烷-二甲胺阳离子聚合物。
(2)制备阳离子聚合物水溶液
取环氧氯丙烷-二甲胺阳离子聚合物，配置质量浓度为1％的阳离子聚合物水溶液，在酸度计的测量下，用氢氧化钠水溶液将阳离子聚合物水溶液的ph值调至12。
(3)阳离子聚合物接枝改性维纶纤维
按照每升阳离子聚合物水溶液中加入3克维纶纤维的比例，将维纶纤维放入阳离子聚合物水溶液中，升温至70℃，一边浸泡润湿，一边搅拌，同时注意密封，防止水分的蒸发，持续反应50分钟；将改性好的维纶纤维取出，用水充分冲洗，去除残留在纤维上的改性液，之后放进烘箱里烘干，即得环氧氯丙烷-二甲胺阳离子聚合物表面接枝维纶纤维。
实施例7制备阳离子聚合物表面接枝维纶纤维
步骤如下：
(1)制备环氧氯丙烷-二甲胺阳离子聚合物
首先，将60份二甲胺水溶液(质量分数33％)与5份交联剂三乙烯四胺于250ml四口烧瓶中混合，在冰水浴(0～10℃)中搅拌均匀；再将40份环氧氯丙烷置于滴液漏斗中，缓慢滴加于烧瓶中(滴加时温度始终保持在10℃以下，滴加时间约为3.0小时)；环氧氯丙烷滴加完毕后，梯度升温至80℃，恒温反应2.0小时；然后加入4份氢氧化钠水溶液(质量分数20％)，在加氢氧化钠水溶液后0.5～1.0小时，有爬轴现象出现，加入少量水进行抑制，直到不再发生爬轴现象；最后加入盐酸终止反应，并用盐酸调至弱酸性(ph值5)，然后加入适量甲醇，沉淀并过滤，将过滤后的产物在50℃下真空干燥，即得环氧氯丙烷-二甲胺阳离子聚合物。
(2)制备阳离子聚合物水溶液
取环氧氯丙烷-二甲胺阳离子聚合物，配置质量浓度为1％的阳离子聚合物水溶液，在酸度计的测量下，用氢氧化钠水溶液将阳离子聚合物水溶液的ph值调至12。
(3)阳离子聚合物接枝改性维纶纤维
按照每升阳离子聚合物水溶液中加入4克维纶纤维的比例，将维纶纤维放入阳离子聚合物水溶液中，升温至70℃，一边浸泡润湿，一边搅拌，同时注意密封，防止水分的蒸发，持续反应70分钟；将改性好的维纶纤维取出，用水充分冲洗，去除残留在纤维上的改性液，之后放进烘箱里烘干，即得环氧氯丙烷-二甲胺阳离子聚合物表面接枝维纶纤维。
上述虽然结合实施例对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。