CN105061694A - 一种抗高温降滤失剂及其制备方法 - Google Patents

一种抗高温降滤失剂及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种抗高温降滤失剂及其制备方法，抗高温降滤失剂是由木质素、丙烯酰胺、对甲基苯酚和2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸组成，其中各组分的重量份为：木质素2.5-11.5份、丙烯酰胺1-4份、对甲基苯酚0.5-1.5份、2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸1-6份，制备方法：第一步、将造纸黑液过滤，提取木质素；第二步、构建含反应单体水相溶液；第三步、构建反应单体微乳液溶液；第四步、添加其他反应要素，制备抗高温降滤失剂成品抗高温降滤失剂成品，本发明的有益效果：提高了该降滤失剂的抗温性能，适用于工业化应用推广。

Description

一种抗高温降滤失剂及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种降滤失剂及其制备方法，特别涉及一种抗高温降滤失剂及其制备方法。
背景技术
目前，造纸工业广泛采用碱法制浆造纸工艺(包括烧碱法、硫酸盐法)，无论以木本还是草本植物为原料，在碱性蒸煮过程中均会产生黑褐色废水，称为造纸黑液。造纸黑液中富含木质素、纤维素和半纤维素等有机物，另外还含有色素和无机盐。如果将未经处理的造纸黑液直接排放到水体中，将使水体变黑发臭，大量消耗水中的溶解氧，严重破坏生态平衡。烧碱回收技术作为目前主要的造纸黑液的处理方法，是将黑液中的木质素作为燃料，并将燃烧后的固体中回收碱，但该处理方法使造纸黑液中的木质素完全没有得到利用，并且需要消耗大量的水，还存在使蒸发器结垢、回收率低和成本较高的问题。
目前，利用木质素制备油田用钻井液降滤失剂的报道中多是采用甲醛与木质素缩合，得到与酚醛树脂具有相似功能的降滤失剂产品，但该制备方法中所涉及的木质素纯度较高，从而增加了成本，且甲醛易污染环境，反应速度难以控制。2012年4月王平全等在《AM/AOPS/木质素磺酸接枝共聚物降滤失剂的合成与性能评价》《重庆科技学院学报(自然科学版)》报道了以丙烯酰胺和2-丙烯酰氧基-2-甲基丙基磺酸为反应单体与木质素磺酸钙接枝共聚生成抗高温降滤失剂及其制备方法，但该方法中所使用的木质素磺酸钙为木质素深加工产品，制备成本较高，采用的自由基聚合方法则会引起反应单体转化率低和产物相对分子质量分布宽，进而影响降滤失剂性能分发挥。
因此，需要开发新的技术方法，在治理造纸黑液污染的基础上使用最简洁的处理方法，变废为宝，并且使得到的降滤失剂产品具备良好的抗温性能和切实可行的制备工艺，以适应高温深井钻探的需要。
发明内容
本发明的目的是为了解决上述存在的诸多问题和缺陷而提供的一种抗高温降滤失剂及其制备方法。
本发明所提供的抗高温降滤失剂是由木质素、丙烯酰胺、对甲基苯酚和2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸组成，其中各组分的重量份为：木质素2.5-11.5份、丙烯酰胺1-4份、对甲基苯酚0.5-1.5份、2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸1-6份。
木质素以造纸黑液为原料进行提取。
本发明所述的抗高温降滤失剂的制备方法，其具体方法如下所述：
第一步、将造纸黑液过滤，去掉杂质，加热至60℃-90℃，加入硫酸调节pH值至2-5，60℃下烘1.0-5.0h至有红棕色细小沉淀析出，离心分离得到木质素，常温条件下真空干燥至恒重；2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸在水中配成5.0wt％-50.0wt％的溶液后，用50.0wt％的KOH或NaOH溶液中和至pH值至6.0-7.0，置于真空干燥箱20～25℃烘干至恒重，得到2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸钾或2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸钠；
第二步、将新制的2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸钾或2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸钠和木质素、丙烯酰胺、对甲基苯酚溶解在pH值为6.0-8.0的缓冲溶液中，得到混合单体溶液，其浓度为5.0wt％-30.0wt％；
第三步、将油相液和亲油亲水平衡值(HLB)范围为7.0-9.0的非离子表面活性剂加入到反应器中，搅拌条件下加入辣根过氧化物酶、还原底物和第二步得到的混合单体溶液，以得到油/水体积比为(2-5)：1的微乳液，其中非离子表面活性剂在微乳液中的浓度为10.0wt％-20.0wt％，辣根过氧化物酶在微乳液中的浓度为0.005wt％-0.05wt％，还原底物的质量为丙烯酰胺、对甲基苯酚和2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸钾三种单体总质量的0.005-0.02倍；
第四步、在2.0-6.0h内，将第三步中的微乳液缓慢升高至25-35℃，并同时将质量为对甲基苯酚质量0.2-1.0倍的氢受体底物加入到该微乳液反应体系中，继续反应1.0-5.0h，即得到抗高温降滤失剂的粗产品，将该粗产品经沉淀、洗涤、抽提、真空干燥即得到抗高温降滤失剂成品。
缓冲溶液可以是醋酸盐缓冲溶液、氨-氯化铵缓冲溶液、醋酸-醋酸钠缓冲溶液、醋酸-醋酸铵缓冲溶液、醋酸-醋酸钾缓冲溶液、磷酸盐-三乙胺缓冲溶液、磷酸盐缓冲溶液、邻苯二甲酸盐缓冲溶液、甲酸钠缓冲溶液、乙醇-醋酸铵缓冲溶液中的一种或多种。
油相液是苯、甲苯、邻二甲苯、硅油、白油、煤油、正庚烷、环己烷、正己烷、异辛烷中的一种或多种。
非离子表面活性剂是聚氧乙烯型非离子表面活性剂、多元醇型非离子表面活性剂、烷基醇酰胺型非离子表面活性剂中的一种或多种。
还原底物为乙酰丙酮。
氢受体底物为H2O2。
本发明的有益效果：
本发明提供的是一种利用造纸黑液为原料的抗高温降滤失剂及其制备方法，该降滤失剂在分子结构上属于木质素接枝型聚合物，通过将对甲基苯酚引入到木质素分子结构来增强分子刚性，进而提高了该降滤失剂的抗温性能。另外，制备方法采用的是反相微乳液聚合方法，该制备方法简单易行，反应条件温和可控，接枝率高，适用于工业化应用推广。
具体实施方式
实施例一：
本发明提供的抗高温降滤失剂是由木质素、丙烯酰胺、对甲基苯酚和2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸组成，其中各组分的用量为：木质素25g、丙烯酰胺10g、对甲基苯酚5g、2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸10g。
本发明所述的抗高温降滤失剂的制备方法，其具体方法如下所述：
第一步、将造纸黑液过滤，去掉杂质，加热至75℃，加入硫酸调节pH值至4.0，60℃下烘1.0h至有红棕色细小沉淀析出，离心分离得到木质素，常温条件下真空干燥至恒重；
取2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸10g在水中配成15.0wt％的溶液后，用50.0wt％的KOH溶液中和至pH值至7.0，置于真空干燥箱烘干至恒重，得到2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸钾；
第二步、将新制的2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸钾和25g木质素、10g丙烯酰胺、5g对甲基苯酚和溶解在pH值为8.0的400mLNaH2PO4-Na2HPO4缓冲溶液中，得到混合单体溶液；
第三步、将800mL甲苯、200mL苯和60g失水山梨醇单棕榈酸酯和120g失水山梨醇月桂酸酯类加入到反应器中，搅拌条件下加入0.15g辣根过氧化物酶和0.20g乙酰丙酮第二步得到的混合单体溶液，得到微乳液；
第四步、在5.0h内，将第三步中的微乳液缓慢升高至30℃，并同时将15mLH2O2(5.0wt％)加入到该微乳液反应体系中，继续反应4.5h，即得到抗高温降滤失剂的粗产品，将该粗产品经沉淀、洗涤、抽提、真空干燥即得到抗高温降滤失剂成品。
实施例二：
本发明所提供的抗高温降滤失剂是由木质素、丙烯酰胺、对甲基苯酚和2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸组成，其中各组分的用量为：木质素115g、丙烯酰胺40g、对甲基苯酚15g、2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸60g。
本发明所述的抗高温降滤失剂的制备方法，其具体方法如下所述：
第一步、将造纸黑液过滤，去掉杂质，加热至75℃，加入硫酸调节pH值至4.0，60℃下烘1.0h至有红棕色细小沉淀析出，离心分离得到木质素，常温条件下真空干燥至恒重；
取2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸60g在水中配成15.0wt％的溶液后，用50.0wt％的KOH溶液中和至pH值至7.0，置于真空干燥箱烘干至恒重，得到2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸钾；
第二步、将新制的2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸钾和115g木质素、40g丙烯酰胺和15g对甲基苯酚溶解在pH值为8.0的400mLNaH2PO4-Na2HPO4缓冲溶液中，得到混合单体溶液；
第三步、将800mL甲苯、200mL苯和60g失水山梨醇单棕榈酸酯和120g失水山梨醇月桂酸酯类加入到反应器中，搅拌条件下加入0.15g辣根过氧化物酶和0.20g乙酰丙酮第二步得到的混合单体溶液，得到微乳液；
第四步、在5.0h内，将第三步中的微乳液缓慢升高至30℃，并同时将15mLH2O2(5.0wt％)加入到该微乳液反应体系中，继续反应4.5h，即得到抗高温降滤失剂的粗产品，将该粗产品经沉淀、洗涤、抽提、真空干燥即得到抗高温降滤失剂成品。
实施例三：
本发明所提供的抗高温降滤失剂是由木质素、丙烯酰胺、对甲基苯酚和2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸组成，其中各组分的用量为：木质素80g、丙烯酰胺30g、对甲基苯酚10g、2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸40g。
本发明所述的抗高温降滤失剂的制备方法，其具体方法如下所述：
第一步、将造纸黑液过滤，去掉杂质，加热至75℃，加入硫酸调节pH值至4.0，60℃下烘1.0h至有红棕色细小沉淀析出，离心分离得到木质素，常温条件下真空干燥至恒重；
取2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸40g在水中配成15.0wt％的溶液后，用50.0wt％的KOH溶液中和至pH值至7.0，置于真空干燥箱烘干至恒重，得到2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸钾；
第二步、将新制的2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸钾和80g木质素、30g丙烯酰胺和10g对甲基苯酚溶解在pH值为8.0的400mLNaH2PO4-Na2HPO4缓冲溶液中，得到混合单体溶液；
第三步、将800mL甲苯、200mL苯和60g失水山梨醇单棕榈酸酯和120g失水山梨醇月桂酸酯类加入到反应器中，搅拌条件下加入0.15g辣根过氧化物酶和0.20g乙酰丙酮第二步得到的混合单体溶液，得到微乳液；
第四步、在5.0h内，将第三步中的微乳液缓慢升高至30℃，并同时将15mLH2O2(5.0wt％)加入到该微乳液反应体系中，继续反应4.5h，即得到抗高温降滤失剂的粗产品，将该粗产品经沉淀、洗涤、抽提、真空干燥即得到抗高温降滤失剂成品。
以上制得的抗高温降滤失剂产品的抗温性能、抗盐和抗钙能力评价如下：
测试方法：采用ZB/TE13004-90，钻井液测试程序。
1、在淡水基浆中测试
淡水基浆：在高搅杯中加入400mL自来水，在不断搅拌下定量加入16.0g钙膨润土和0.8gNa2CO3。搅拌20min，其间至少停两次，以刮下粘附在容器壁上的膨润土，在密封容器中养护24h。
抗高温降滤失剂-淡水钻井液体系：定量称取抗高温降滤失剂，将其加入到淡水基浆中，充分搅拌后在密封容器中养护24h。
将淡水基浆和抗高温降滤失剂-淡水钻井液体系高速搅拌5min后装入高温老化罐中，在不同的温度下(120℃，150℃，180℃)滚热16h，用常温中压滤失仪测定钻井液的常温中压滤失量(FLAPI)，用高温高压滤失仪测定钻井液的高温高压滤失量(FLHTHP)，其结果如下表所示：
表1
表中，FLAPI—常温中压滤失量；FLHTHP—高温高压滤失量，测定温度与相应的老化温度相同，测试压强为3.5MPa。
从以上实施例可以看出，利用造纸黑液为原料制备的抗高温降滤失剂加量为2.0wt％、老化温度为120℃、150℃时，可以将FLAPI控制在15.0mL以下，将FLHTHP控制在30.0mL以下；当老化温度为180℃时，钻井液的滤失量有一定增大，出现了FLAPI在15.0mL以下，而FLHTHP则大于30.0mL的实验结果，但未出现恶性滤失现象。与抗高温降滤失剂加量为2.0wt％的钻井液相比，加量为3.0wt％的钻井液体系则表现出更加的滤失性能，当老化温度为180℃时，可以将钻井液FLHTHP控制在30.0mL以下。由此可知，可以适当提高该种抗高温降滤失剂在钻井液中的用量来提高高温条件下钻井液的滤失性能。根据以上实验结果可知，这种利用造纸黑液制备的抗高温降滤失剂的抗温性能良好，适宜高温的深井、超深井的条件下使用。

Claims (8)

1.一种抗高温降滤失剂，其特征在于：是由木质素、丙烯酰胺、对甲基苯酚和2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸组成，其中各组分的重量份为：木质素2.5-11.5份、丙烯酰胺1-4份、对甲基苯酚0.5-1.5份、2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸1-6份。
2.根据权利要求1所述的一种抗高温降滤失剂，其特征在于：所述的木质素以造纸黑液为原料进行提取。
3.一种抗高温降滤失剂的制备方法，其特征在于：具体方法如下所述：
第一步、将造纸黑液过滤，去掉杂质，加热至60℃-90℃，加入硫酸调节pH值至2-5，60℃下烘1.0-5.0h至有红棕色细小沉淀析出，离心分离得到木质素，常温条件下真空干燥至恒重；2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸在水中配成5.0wt％～50.0wt％的溶液后，用50.0wt％的KOH或NaOH溶液中和至pH值至6.0-7.0，置于真空干燥箱20-25℃烘干至恒重，得到2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸钾或2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸钠；
第二步、将新制的2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸钾或2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸钠和木质素、丙烯酰胺、对甲基苯酚溶解在pH值为6.0-8.0的缓冲溶液中，得到混合单体溶液，其浓度为5.0wt％-30.0wt％；
第三步、将油相液和亲油亲水平衡值(HLB)范围为7.0-9.0的非离子表面活性剂加入到反应器中，搅拌条件下加入辣根过氧化物酶、还原底物和第二步得到的混合单体溶液，以得到油/水体积比为(2-5)：1的微乳液，其中非离子表面活性剂在微乳液中的浓度为10.0wt％-20.0wt％，辣根过氧化物酶在微乳液中的浓度为0.005wt％-0.05wt％，还原底物的质量为丙烯酰胺、对甲基苯酚和2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸钾三种单体总质量的0.005-0.02倍；
第四步、在2.0-6.0h内，将第三步中的微乳液缓慢升高至25-35℃，并同时将质量为对甲基苯酚质量0.2-1.0倍的氢受体底物加入到该微乳液反应体系中，继续反应1.0-5.0h，即得到抗高温降滤失剂的粗产品，将该粗产品经沉淀、洗涤、抽提、真空干燥即得到抗高温降滤失剂成品。
4.根据权利要求3所述的一种抗高温降滤失剂的制备方法，其特征在于：所述的缓冲溶液为醋酸盐缓冲溶液、氨-氯化铵缓冲溶液、醋酸-醋酸钠缓冲溶液、醋酸-醋酸铵缓冲溶液、醋酸-醋酸钾缓冲溶液、磷酸盐-三乙胺缓冲溶液、磷酸盐缓冲溶液、邻苯二甲酸盐缓冲溶液、甲酸钠缓冲溶液、乙醇-醋酸铵缓冲溶液中的一种或多种。
5.根据权利要求3所述的一种抗高温降滤失剂的制备方法，其特征在于：所述的油相液为苯、甲苯、邻二甲苯、硅油、白油、煤油、正庚烷、环己烷、正己烷、异辛烷中的一种或多种。
6.根据权利要求3所述的一种抗高温降滤失剂的制备方法，其特征在于：所述的非离子表面活性剂是聚氧乙烯型非离子表面活性剂、多元醇型非离子表面活性剂、烷基醇酰胺型非离子表面活性剂中的一种或多种。
7.根据权利要求3所述的一种抗高温降滤失剂的制备方法，其特征在于：所述的还原底物为乙酰丙酮。
8.根据权利要求3所述的一种抗高温降滤失剂的制备方法，其特征在于：所述的氢受体底物为H2O2。
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