CN115109569A - 一种降滤失剂及其制备方法、应用 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种降滤失剂及其制备方法、应用，该种降滤失剂，包括结构单元改性的木质素分子，结构单元包括磺酸基团和酰胺基团。本发明所提供的降滤失剂具有较强抗温能力。该降滤失剂合成原料来源广，制备步骤简单，设备要求低，易于实施。
Description
技术领域
本发明涉及油田化学助剂领域，具体地，涉及一种降滤失剂及其制备方法、应用。
背景技术
天然物质及其改性产物因其具有环境友好、来源广泛、价格低廉、加工方便等优势，而被广泛应用用作为钻井液处理剂。其中，以淀粉、纤维素、木质素、栲胶和腐殖酸为原料的天然改性产品的研究最为深入。木质素作为自然界中储量仅次于纤维素的天然产物天然物质，是由苯基丙烯单元、香豆醇、松柏醇和介子醇单体通过酶的脱氢聚合及自由基耦合而成，。木质素也是唯一的一种天然芳香族高分子化合物，且具有良好热稳定性和生物降解性。
根据提取分离方式的不同，可以将木质素分为以下6种类型：硫酸盐木质素、亚硫酸盐木质素、碱木质素、有机溶剂木质素、蒸汽爆破木质素和酶解木质素。目前，对木质素类产品的研究主要集中在源于造纸废液的木质素磺酸盐上，包括其与烯类单体接枝所得到共聚物，以及其与金属化合物络合所得到的络合物，其相关产品则主要用作钻井液用降滤失剂和降粘剂。其中，铁铬木质素磺酸盐(FCLS)是利用木质素为原料而改性的最成功的钻井液处理剂。该处理剂是将烟硫酸制浆废液用硫酸处理后滤除硫酸钙，然后母液中加入FeSO4和KCrO4，直接烘干即得FCLS。该产品不仅具有一定的降滤失的作用，且具有良好的降粘效果。从木质素分子的分子结构来看，虽然木质素的分子结构中存在大量的芳香基、酚羟基、醇羟基、甲氧基，少量的羰基、醛基、羧基、共轭双键等活性基团，然而由于木质素分子刚性强，吸附基团以羟基为主，其亲水能力和吸附能力十分有限。可接枝的反应位点则主要集中在化学活性相对惰性的酚羟基，这在很大程度上限制得了木质素的化学改性。目前，对于利用木质素为原料而制备降滤失剂的研究，主要是利用自由基聚合的方法将含有功能基团(酰胺基、磺酸基、羧基等)的烯基单体与木质素发生接枝共聚，其目的则即是向木质素分子链中引入吸附基团和水化基团，增加木质素分子链在黏土表面的吸附能力和水化能力。从反应机理上来看，木质素的酚羟基在中性或碱性条件下发生解离，给出电子而生成自由基，进而与烯基单体所产生的自由基结合生成共价键，实现了烯基单体在木质素分子中的接枝共聚。值得注意的是，采用该种接枝聚合方法所得到的木质素改性降滤失剂的分子，其木质素分子的本体与烯基单体的连接是通过醚键来实现的。众所周知，醚键极容易被氧化，抗温能力和耐候性较差，这极大地限制了改性木质素类降滤失剂的使用范围。
发明内容
针对现有技术存在的上述问题中的至少一个，本发明提供一种降滤失剂及其制备方法、应用，该种降滤失剂具有较强抗温能力。
本发明第一方面提供一种降滤失剂，包括结构单元改性的木质素分子，所述结构单元包括磺酸基团和酰胺基团。
本发明所提供的降滤失剂，酰胺基团实现木质素与接枝单体的连接，并可作为吸附基团，提高木质素分子吸附基团的数量。另外，通过酰胺基团所连接的磺酸基团增加了木质素水化基团的数量。
根据本发明所述降滤失剂的一些实施方式，所述结构单元满足以下通式：
其中，R1为—H或C1～C6的烷基，优选为—H、—CH3和—C2H5中的一种；
R2为—H或C1～C6的烷基，优选为—H、—CH3和—C2H5中的一种；
n为0～10的自然数，优选地为0～10的自然数；
A为H、Na、K、NH4、Ca、Fe、Mn、Zn和Mg中的至少一种。
根据本发明所述降滤失剂的一些实施方式，所述木质素分子的数均分子量为(Mn)>2000g/mol，优选为3200～32000g/mol；所述木质素分子的重均分子量(Mw)与所述木质素分子的数均分子量(Mn)之比为1.02～3.60，优选为1.04～2.36，更优选为1.08～1.68。
本发明的第二方面提供一种降滤失剂的制备方法，a)将木质素原料与溶剂进行混合，形成溶液I；
b)将步骤a)中的溶液I与氰基磺酸混合，形成酸性混合物；
c)将所述步骤b)中形成的酸性混合物进行加热，并加入催化剂进行反应，生成预产物溶液；
d)调节步骤c)中所述预产物溶液的pH值至7.5～8.5，过滤得到上清液，调节所述上清液pH值至2.5～5.0，并分离得到沉淀，将所述沉淀进行洗涤和干燥。
根据本发明一种具体实施方式，降滤失剂的制备方法包括以下步骤：
a)将木质素原料与溶剂进行混合，形成溶液I；
b)将步骤a)中的溶液I与氰基磺酸混合，形成酸性混合物；
c)在氮气气氛中，加热所述步骤b)中形成的酸性混合物，随后向加热后的所述酸性混合物中加入催化剂，反应生成预产物溶液；
d)向步骤c)中所述预产物溶液中加入碱溶液，例如，使用质量分数为10％的氢氧化钠溶液，pH值调节至7.5～8.5，析出蓝色固体，过滤去除，将过滤去除后的上清液中加入酸溶液，例如使用质量分数为10％的硫酸溶液调整至pH值为2.5～5.0，离心，取沉淀部分，将所述沉淀部分进行洗涤、干燥，得到所述降滤失剂。
本发明所提供的降滤失剂制备方法设备步骤简单，对设备要求低，易于实施。
根据本发明所述降滤失剂的制备方法的一些实施方式，在步骤a)中，所述木质素原料在所述溶剂中的浓度为5.0wt％～15.0wt％。
进一步地，所述木质素原料为磺化木质素，优选为木质素磺酸钠、木质素磺酸钙、木质素磺酸钾、木质素磺酸铵、木质素磺酸镁、木质素磺酸铁、木质素磺酸锰和木质素磺酸锌中的至少一种。
更进一步地，可从针叶木、阔叶木和草本植物中获取所述磺化木质素(又称木质素磺酸盐)原料，优选地，可以从针叶木或阔叶木中获取所述磺化木质素。
所述溶剂为水、丙酮、丁酮、氯仿、二氯甲烷、1,1-二氯乙烷、1,2-二氯乙烷、甲基乙基酮、四氢呋喃、石油醚、乙醚、乙腈、乙酸乙酯、苯、甲苯、间二甲苯、环己烷、乙二醇二甲醚、硝基甲烷、1,4-二氧六环、吡啶、吗啉、N,N-二甲基甲酰胺、N,N-二甲基乙酰胺和二甲亚砜中的至少一种，优选为水、1,4-二氧六环、N,N-二甲基甲酰胺、N,N-二甲基乙酰胺和二甲亚砜中的至少一种。
根据本发明所述降滤失剂的制备方法的一些实施方式，在步骤b)中，所述氰基磺酸的质量为所述木质素原料质量的8.0wt％～16.0wt％；和
所述氰基磺酸满足以下通式：
其中，R1为—H或C1～C6的烷基，优选为—H、—CH3和—C2H5中的一种；
R2为—H或C1～C6的烷基，优选为—H、—CH3和—C2H5中的一种；
n为0～10的自然数，优选地为0～10的自然数；
A为H、Na、K、NH4、Ca、Fe、Mn、Zn和Mg中的至少一种。
根据本发明所述降滤失剂的制备方法的一些实施方式，在步骤c)中，所述反应生成预产物溶液的反应温度为80～150℃，优选为90～130℃；
所述反应生成预产物溶液的反应时间为8～60h，优选为16～48h，更优选为20～40小时。
根据本发明所述降滤失剂的制备方法的一些实施方式，在步骤c)中，所述催化剂摩尔量为所述氰基磺酸摩尔量的0.02％～10.0％，优选为0.5％～8.0％，更优选为2.0％～6.0％。
所述催化剂为硫酸、邻苯二磺酰亚胺、三氟甲磺酸、三氟甲磺酸酐、三氟甲磺酸铋、三氟甲磺酸钙、三氟甲磺酸铜、三氟甲磺酸铟、双三氟甲烷磺酰亚胺、三氟化硼、三氟化硼乙醚、全氟磺酸树脂、2,4-二硝基苯磺酸、十二磷钨酸、磷钨酸铯的酸式盐(Cs2.5H0.5PW12O40)、硫酸铯、硫酸高铈(Ce(SO4)2)、五氧化二磷、碘单质、氯化亚铜、溴化亚铜、碘化亚铜、氯化铜、氯化钴、氯化锌和六水合氯化铁(FeCl3·6H2O)中的至少一种，优选为三氟甲磺酸铋、三氟甲磺酸钙、三氟甲磺酸铜、三氟甲磺酸铟、全氟磺酸树脂、氯化铜和六水合氯化铁中的至少一种，更优选为三氟甲磺酸铜。
根据本发明所述降滤失剂的制备方法的一些实施方式，在步骤d)中，将经过硫酸溶液调整的沉淀部分用去离子水洗涤，搅拌均匀后再次离心，取沉淀部分，冷冻干燥4h以上，优选为4～12h，得到所述降滤失剂。
进一步地，在步骤d)中，
本发明第三方面提供上述实施方式所述的降滤失剂或上述降滤失剂的制备方法所制得的降滤失剂在钻井液中的应用。
本发明的有益效果在于：
首先，本发明所提供的降滤失剂通过酰胺基团实现木质素与接枝单体的连接，改变了通过醚键实现木质素与接枝单体连接的常规连接方法，避免了连接键因高温作用而断裂的情况。
另外，由于本发明所提供的降滤失剂的木质素分子中引入酰胺基团(仲酰胺基团)，可作为吸附基团，提高木质素分子吸附基团的数量，提高降滤失剂在黏土表面的吸附量，增强降滤失剂的作用效果。
此外，本发明的降滤失剂所包含木质素分子中还引入结构单元还包括磺酸基团，增加了木质素分子水化基团的数量，增加黏土表面水化膜的厚度，提高在高温条件下的降滤失的效果。
在环境敏感地区，本发明所提供的降滤失剂应用于高温深井油气资源开发中，可有效提高钻井液的降滤失效果。
附图说明
图1为本发明实施例1的磺化木质素原料的1H NMR谱。
图2为本发明实施例1改性后的木质素降滤失剂的1H NMR谱。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
【降滤失剂】
有鉴于上述背景技术所涉及的技术问题，本发明提供一种降滤失剂，包括结构单元改性的木质素分子，该种结构单元中包括磺酸基团和酰胺基团。结构单元中的磺酸基团通过酰胺基团与木质素分子连接，取代了现有技术中通过醚键实现木质素与接枝单体的连接方式
根据示例性实施例，本发明所提供的构成降滤失剂的木质素分子通式如下所示：
其中，
为木质素；
结构单元满足以下通式：
其中，R1为—H或C1～C6的烷基，优选为—H、—CH3和—C2H5中的一种；
R2为—H或C1～C6的烷基，优选为—H、—CH3和—C2H5中的一种；
n为0～10的自然数，优选地为0～10的自然数；
A为H、Na、K、NH4、Ca、Fe、Mn、Zn和Mg中的至少一种。
根据示例性实施例，构成本发明所提供的降滤失剂的木质素分子的数均分子量(Mn)为>2000g/mol，优选为3200～32000g/mol；重均分子量(Mw)与数均分子量(Mn)之比为1.02～3.60，优选为1.04～2.36，更优选为1.08～1.68。
本发明所提供的降滤失剂通过木质素分子中引入结构单元，该结构单元中包括磺酸基团和酰胺基团。该种降滤失剂通过酰胺基团实现了木质素与接枝单体的连接，改变了通过醚键实现木质素与接枝单体的连接方式，避免了连接键因高温作用而断裂的情况，另外，酰胺基团还可作为吸附基团，提高降滤失剂分子吸附基团的数量，提高其在黏土表面的吸附量，增加降滤失剂的作用效果。除此之外，本发明的降滤失剂所包含的磺酸基团增加了木质素分子水化基团的数量，增加黏土表面水化膜的厚度，提高在高温条件下的降滤失作用。
【降滤失剂的制备方法】
根据示例性实施例，本发明提供一种降滤失剂的制备方法，包括以下步骤：
步骤a)将木质素原料与溶剂进行混合，形成溶液I。
根据一些实施例，步骤a)中木质素原料在溶剂中的浓度为5.0wt％～15.0wt％。
在一些实施例中，木质素原料为磺化木质素，优为木质素磺酸钠、木质素磺酸钙、木质素磺酸钾、木质素磺酸铵、木质素磺酸镁、木质素磺酸铁、木质素磺酸锰和木质素磺酸锌中的至少一种。在一些实施例中，上述磺化木质素可以从针叶木、阔叶木和草本植物中获取原料，优选地，可以从针叶木或阔叶木中获取磺化木质素。
根据示例性实施例，步骤a)中选取磺化木质素原料，本发明各实施例中所选取的磺化木质素原料为市售产品，或为工业品，其中包含一些天然产物，本发明此处不做限制。
根据示例性实施例，步骤a)所选取的溶剂包括水、丙酮、丁酮、氯仿、二氯甲烷、1,1-二氯乙烷、1,2-二氯乙烷、甲基乙基酮、四氢呋喃、石油醚、乙醚、乙腈、乙酸乙酯、苯、甲苯、间二甲苯、环己烷、乙二醇二甲醚、硝基甲烷、1,4-二氧六环、吡啶、吗啉、N,N-二甲基甲酰胺、N,N-二甲基乙酰胺和二甲亚砜中的至少一种。在一些实施例中，步骤a)溶剂可以为水、1,4-二氧六环、N,N-二甲基甲酰胺、N,N-二甲基乙酰胺和二甲亚砜中的至少一种。
步骤b)将步骤a)中得到的溶液I与氰基磺酸混合，形成酸性混合物。
需要说明的是，本发明各实施例中所用试剂，均为可以通过市购获得的常规产品，氰基磺酸盐和三氟甲磺酸铜均为化学纯，其他试剂均为分析纯。
根据示例性实施例，步骤b)中所用氰基磺酸的质量相对于步骤a)所选用木质素原料的质量百分比为8.0wt％～16.0wt％。
根据一些实施例，在步骤b)中，氰基磺酸满足以下通式：
其中，R1为—H或C1～C6的烷基，优选为—H、—CH3或—C2H5中一种；
R2为—H或C1～C6的烷基，优选为—H、—CH3或—C2H5中一种；
n为0～10的自然数，优选地为0～10的自然数；
A为H、Na、K、NH4、Ca、Fe、Mn、Zn或Mg中的至少一种。
随后进入步骤c)，在氮气气氛中，加热步骤b)中形成的酸性混合物至特定温度，随后向加热后的酸性混合物中加入催化剂，反应生成预产物溶液。
根据示例性实施例，步骤c)中，在氮气保护的情况下，加热步骤b)中形成的酸性混合物。
根据示例性实施例，在步骤c)中，经过大量反复的实验，使用催化剂的摩尔量占比于氰基磺酸摩尔量的0.02％～10.0％，优选为0.5％～6.0％，更优选为2.0％～5.0％。在一些实施例中，催化剂可以为硫酸、邻苯二磺酰亚胺、三氟甲磺酸、三氟甲磺酸酐、三氟甲磺酸铋、三氟甲磺酸钙、三氟甲磺酸铜、三氟甲磺酸铟、双三氟甲烷磺酰亚胺、三氟化硼、三氟化硼乙醚、全氟磺酸树脂、2,4-二硝基苯磺酸、十二磷钨酸、磷钨酸铯的酸式盐(Cs2.5H0.5PW12O40)、硫酸铯、硫酸高铈(Ce(SO4)2)、五氧化二磷、碘单质、氯化亚铜、溴化亚铜、碘化亚铜、氯化铜、氯化钴、氯化锌和六水合氯化铁(FeCl3·6H2O)中的至少一种，优选为三氟甲磺酸铋、三氟甲磺酸钙、三氟甲磺酸铜、三氟甲磺酸铟、全氟磺酸树脂、氯化铜和六水合氯化铁中的至少一种，更优选为三氟甲磺酸铜。
根据一些实施例，在步骤c)中在催化剂作用下的反应温度范围在80～150℃。在一些实施例中，酸性混合物在催化剂作用下的温度可以为90～130℃，在此温度下，催化剂活性较高。
根据示例性实施例，在步骤c)中，反应温度时间为8～80h。在一些实施例中，反应时间在16～60h内。此外，在一些实施例中，可以将反应时间控制在20～50h内，从而获得预产物溶液。
随后进入步骤d)，向步骤c)反应完成中预产物溶液中缓慢滴加入质量分数为10％的氢氧化钠溶液至pH值为7.5～8.5，逐渐有浅蓝色絮状固体析出。在一些实施例中，将析出的固体过滤去除。
根据一些实施例，取步骤d)中过滤去除固体后的上清液，在清液中加入质量分数为10％的硫酸溶液调整至pH值为2.5～5.0，离心，取沉淀部分。在一些实施例中，将硫酸处理过后所获得的沉淀部分用去离子水洗涤，搅拌均匀后再次离心，取得沉淀部分，冷冻干燥4h以上，即可得到降滤失剂。
在一些实施例中，在催化剂作用下，木质素原料分子中的羟基和/或羰基(醛羰基或酮羰基)相邻的碳原子极易形成碳正离子中间体，即为一种亲电试剂，而氰基磺酸可以接受强亲电试剂的进攻，从而生成N-取代的酰胺，使得氰基磺酸中的结构单元通过酰胺键与木质素分子相连，具体地，木质素原料中的羟基结构单元与所述氰基磺酸反应化学方程式如下：
木质素原料中的羰基(醛羰基或酮羰基)结构单元与氰基磺酸反应化学方程式如下：
更进一步地，如本领域技术人员可理解的，木质素原料分子中具有大量的羟基、羰基等基团，上述化学方程式仅示例性地表明木质素与氰基磺酸的连接次序和连接方式，并不对连接结构单元的个数构成限定。
【降滤失剂的表征及性能测定】
1、本发明降滤失剂的木质素分子的C9结构单元(苯丙烷结构单元)、羟基(醇羟基和酚羟基)、羰基的测定：
C9结构单元的测定方法为高效液相色谱法，具体操作程序来自参见：陈俊，赵凤仙，刘欣，等.高效液相色谱法测定饮料中的苯含量[J].饮料工业，2009，12(10)，34-36.；
总羟基的测定方法为乙酰化法，具体操作程序来自参见：郎维宽，赵英淑.乙酰化法快速测定化合物中羟基含量[J].化学世界，1965，2，57-58.；
酚羟基的测定方法为Folin-Ciocalteu法，具体操作程序来自参见：Ainsworth EA，Gillespie K M.Estimation of total phenolic content and other oxidationsubstrates in plant tissues using Folin-Ciocalteu reagent[J].Nature Protocls，2017，2，875-877.；
羰基的测定方法为核磁共振法，具体操作程序来自：Capanema E A，Balakshin MY，Kadla J F.A comprehensive approach for quantitative lignin characterizationby NMR spectroscopy[J].Journal of Agricultural and Food Chemistry，2004，52(7)，1850-1860.
2、本发明降滤失剂的木质素分子的酰胺基的存在测定：
测试方法，通常采用1H NMR所显示的特征峰，即仲酰胺基团中H的化学位移峰，以确定各实施例产物中酰胺基的存在。
具体步骤包括：
(i)将各实施例中所使用磺化木质素(原料)，用丙酮对粗产品进行洗涤3次，再以体积比为3：2的冰醋酸-乙二醇混合溶剂为抽提剂对产品用索氏抽提器抽提24h，置于真空干燥箱中烘干至恒重，以(CD3)2SO为溶剂，25℃下测定其1H NMR(例如，图1为本发明实施例1的1H NMR谱)；
(ii)以(CD3)2SO为溶剂，在25℃下，同理于步骤(i)制备的改性木质素降滤失剂的1H NMR(例如，图2为本发明实施例1改性后的1H NMR谱)。
3、降滤失剂的抗温性能测试：
测试方法，采用ZB/TE13004-90：钻井液测试程序。
步骤I)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0.8g碳酸钠(Na2CO3)。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。
步骤II)降滤失剂-淡水钻井液体系：分别称取各实施例与对比例的12.0g木质素降滤失剂，将其加入到400mL淡水基浆中，充分搅拌后在密封容器中养护24h。
步骤III)将降滤失剂-淡水钻井液体系高速搅拌5min后装入高温老化罐中，分别在150℃、180℃条件下高温老化，每隔8h取出实验浆，用高温高压滤失仪测定钻井液的高温高压滤失量(FLHTHP)。
实施例1
取30g木质素磺酸钠(Mn＝3600g/mol，Mw/Mn＝1.08)，充分搅拌溶解于300mL水中。取3.0g(0.0191mol)2-氰基乙烷磺酸钠(CP)，加入木质素磺酸钠水溶液中，形成酸性混合物。通入氮气30min后，在氮气气氛中，将酸性混合物升温至90℃，随后加入0.217g(0.0006mol)三氟甲磺酸铜(CP)，搅拌，反应40h。
反应结束后，缓慢滴加质量分数为10.0％的氢氧化钠溶液至pH值为8.0，过滤去除固体析出物，并取上层清液。将上层清液通过将质量分数为10.0％的硫酸溶液调整pH值至3.0，离心取沉淀部分，将该沉淀部分用去离子水洗涤，重复离心操作再取沉淀部分，冷冻干燥6h，获得本实施例的木质素降滤失剂。通过上述降滤失剂的表征方法测定基团含量见表1。
实施例2
取80g木质素磺酸钙(Mn＝12000g/mol，Mw/Mn＝1.28)，充分搅拌溶解于500mL(520g)1,4-二氧六环中，形成溶液I。取12.8g(0.0748mol)3-氰基丙烷-1-磺酸钠，加入溶液I中，形成酸性混合物。通入氮气30min后，在氮气气氛中，将酸性混合物升温至96℃，随后加入1.085g(0.003mol)三氟甲磺酸铜，搅拌，反应32h。
反应结束后，缓慢滴加质量分数为10.0％的氢氧化钠溶液至pH值为8.0，过滤去除固体析出物，并取上层清液。将上层清液通过质量分数为10.0％的硫酸溶液调整pH值至3.0，离心取沉淀部分，将该沉淀部分用去离子水洗涤，重复离心操作再取沉淀部分，冷冻干燥4h，获得本实施例的木质素降滤失剂。通过上述降滤失剂的表征方法测定基团含量见表1。
实施例3
取40g木质素磺酸钾(Mn＝24500g/mol，Mw/Mn＝1.42)，充分搅拌溶解于400mL(360g)N,N-二甲基乙酰胺和40mL水中，形成溶液I。取6.1612g(0.036mol)3-氰基丙烷-1-磺酸钠，加入溶液I中，形成酸性混合物。通入氮气30min后，在氮气气氛中，将酸性混合物升温至120℃，随后加入0.7234g(0.002mol)三氟甲磺酸铜，搅拌，反应28h。
反应结束后，缓慢滴加质量分数为10.0％的氢氧化钠溶液至pH值为8.0，过滤去除固体析出物，并取上层清液。将上层清液通过质量分数为10.0％的硫酸溶液调整pH值至3.0，离心取沉淀部分，将该沉淀部分用去离子水洗涤，重复离心操作再取沉淀部分，冷冻干燥10h，获得本实施例的木质素降滤失剂。通过上述降滤失剂的表征方法测定基团含量见表1。
实施例4
取40g木质素磺酸铵(Mn＝8000g/mol，Mw/Mn＝1.36)，充分搅拌溶解于600mL(660g)二甲亚砜中，形成溶液I。取4.9964g(0.0318mol)2-氰基乙烷磺酸钠，加入溶液I中，形成酸性混合物。通入氮气30min后，在氮气气氛中，将酸性混合物升温至130℃，随后加入0.651g(0.0018mol)三氟甲磺酸铜，搅拌，反应20h。
反应结束后，缓慢滴加质量分数为10.0％的氢氧化钠溶液至pH值为8.0，过滤去除固体析出物，并取上层清液。将上层清液通过质量分数为10.0％的硫酸溶液调整pH值至3.0，离心取沉淀部分，将该沉淀部分用去离子水洗涤，重复离心操作再取沉淀部分，冷冻干燥12h，获得本实施例的木质素降滤失剂。通过上述降滤失剂的表征方法测定基团含量见表1。
实施例5
取50g木质素磺酸钙(Mn＝18000g/mol，Mw/Mn＝1.68)，充分搅拌溶解于600mL(567g)N,N-二甲基甲酰胺中，形成溶液I。取7.846g(0.05mol)2-氰基乙烷磺酸钠，加入溶液I中，形成酸性混合物。通入氮气30min后，在氮气气氛中，将酸性混合物升温至116℃，随后加入1.085g(0.003mol)三氟甲磺酸铜，搅拌，反应24h。
反应结束后，缓慢滴加质量分数为10.0％的氢氧化钠溶液至pH值为8.0，过滤去除固体析出物，并取上层清液。将上层清液通过质量分数为10.0％的硫酸溶液调整pH值至3.0，离心取沉淀部分，将该沉淀部分用去离子水洗涤，重复离心操作再取沉淀部分，冷冻干燥8h，获得本实施例的木质素降滤失剂。通过上述降滤失剂的表征方法测定基团含量见表1。
实施例6
取80g木质素磺酸钠(Mn＝6000g/mol，Mw/Mn＝1.24)，充分搅拌溶解于800mol(880g)二甲亚砜中，形成溶液I。取12.57g(0.08mol)2-氰基乙烷磺酸钠，加入溶液I中，形成酸性混合物。通入氮气30min后，在氮气气氛中，将酸性混合物升温至116℃，随后加入1.4467g(0.004mol)三氟甲磺酸铜，搅拌，反应30h。
反应结束后，缓慢滴加质量分数为10.0％的氢氧化钠溶液至pH值为8.0，过滤去除固体析出物，并取上层清液。将上层清液通过质量分数为10.0％的硫酸溶液调整pH值至3.0，离心取沉淀部分，将该沉淀部分用去离子水洗涤，重复离心操作再取沉淀部分，冷冻干燥9h，获得本实施例的木质素降滤失剂。通过上述降滤失剂的表征方法测定基团含量见表1。
实施例7
取80g木质素磺酸镁(Mn＝32000g/mol，Mw/Mn＝1.16)，充分搅拌溶解于800mL(880g)二甲亚砜中，形成溶液I。取7.4385g(0.04mol)2-氰基乙烷磺酸钠，加入溶液I中，形成酸性混合物。通入氮气30min后，在氮气气氛中，将酸性混合物升温至116℃，随后加入1.4467g(0.004mol)三氟甲磺酸铜，搅拌，反应30h。
反应结束后，缓慢滴加质量分数为10.0％的氢氧化钠溶液至pH值为8.0，过滤去除固体析出物，并取上层清液。将上层清液通过质量分数为10.0％的硫酸溶液调整pH值至3.0，离心取沉淀部分，将该沉淀部分用去离子水洗涤，重复离心操作再取沉淀部分，冷冻干燥8h，获得本实施例的木质素降滤失剂。通过上述降滤失剂的表征方法测定基团含量见表1。
实施例8
取800g木质素磺酸钠(Mn＝6000g/mol，Mw/Mn＝1.24)，充分搅拌溶解于8000mL(8800g)二甲亚砜中，形成溶液I。取125.7g(0.8mol)2-氰基乙烷磺酸钠，加入溶液I中，形成酸性混合物。通入氮气30min后，在氮气气氛中，将酸性混合物升温至116℃，随后加入0.0579g(0.00016mol)三氟甲磺酸铜，搅拌，反应30h。
在反应结束后，缓慢滴加为10.0％的氢氧化钠溶液至pH值为8.0，过滤去除固体析出物，并取上层清液。将上层清液通过为10.0％的硫酸溶液调整pH值至3.0，离心取沉淀部分，将该沉淀部分用去离子水洗涤，重复离心操作再取沉淀部分，冷冻干燥10h，获得本实施例的木质素降滤失剂。通过上述降滤失剂的表征方法测定基团含量见表1。
实施例9
制备的降滤失剂的合成条件与实施例6的合成条件保持相同，与之不同的是，酸性混合物升温至80℃。通过上述降滤失剂的表征方法测定基团含量见表1。
实施例10
所制备的降滤失剂的合成条件与实施例6的合成条件保持相同，与之不同的是，酸性混合物升温至150℃。通过上述降滤失剂的表征方法测定基团含量见表1。
实施例11
所制备的降滤失剂的合成条件与实施例6的合成条件保持相同，与之不同的是，酸性混合物反应时间为8h。通过上述降滤失剂的表征方法测定基团含量见表1。
实施例12
所制备的降滤失剂的合成条件与实施例6的合成条件保持相同，与之不同的是，酸性混合物反应时间为60h。通过上述降滤失剂的表征方法测定基团含量见表1。
对比例1
根据参考文献《一锅法木质素/丙烯酸/乙烯基苯磺酸钠接枝共聚降滤失剂合成研究》(精细与专用化学品，2017年第25卷第5期)中记载的最优合成条件制备对比接枝改性木质素改性降滤失剂。通过上述降滤失剂的表征方法测定本对比例基团含量见表1。
对比例2
所制备的降滤失剂的合成条件与实施例6的合成条件保持相同，与之不同的是，反应温度为180℃。通过上述降滤失剂的表征方法测定基团含量见表1。
对比例3
所制备的降滤失剂的合成条件与实施例6的合成条件保持相同，与之不同的是，反应温度为50℃。
对比例4
所制备的降滤失剂的合成条件与实施例6的合成条件保持相同，与之不同的是，反应时间为80h。
对比例5
所制备的降滤失剂的合成条件与实施例6的合成条件保持相同，与之不同的是，反应时间为6h。
对比例6
所制备的降滤失剂的合成条件与实施例6的合成条件保持相同，与之不同的是，三氟甲磺酸铜的加量为3.6168g(0.01mol)。
对比例7
所制备的降滤失剂的合成条件与实施例6的合成条件保持相同，与之不同的是，木质素磺酸钠(Mn＝6000g/mol，Mw/Mn＝1.24)的加量为60g。
根据上文降滤失剂的表征方法，将各实施例和对比例的降滤失剂官能团含量(个/100个C9单元)，如表1所示：
表1
从表1可以看出，本发明的实施例木质素分子链中的酚羟基无变化，而醇羟基和羰基的数量显著减少，表明接枝反应主要是木质素分子中的醇羟基和羰基与氰基磺酸发生了反应。
具体地，从实施例8中可以看出，催化剂的量过少，反应效率相对差，结果中体现的参与反应的基团较少。从对比例1中可以观察到，参与接枝反应的不仅有醇羟基，还有酚羟基，羰基是没有参加到反应中。从对比例2中可以看出，应温度过高，催化剂并不能很好地发挥作用，仅仅有极少数的基团(醇羟基)参加了反应。从对比例3中可以看出反应温度过低，反应无法进行。从对比例4中可以观察到，即便在最佳反应时间上再延长反应时间，也不会对实验结果产生影响。从对比例5中可以观察到反应时间过短，参与反应的基团就少。从对比例6中可以观察到，即便是增加了催化剂的用量，也不会对参加反应基团的数量产生影响。从对比例7可以观察到，即便氰基磺酸与木质素质量比高于16％，也不会对参加反应基团的数量产生影响。
另外，根据上文降滤失剂的性能测试方法，各实施例在不同时间的FLHTHP测试结果如表2(FLHTHP的测定条件为：150℃，3.5MPa)、表3(FLHTHP的测定条件为：180℃，3.5MPa)所示：
表2
注：FLHTHP的测定条件为：150℃，3.5MPa。
表3
注：FLHTHP的测定条件为：180℃，3.5MPa
根据上文降滤失剂的性能测试方法，实施例6与各对比例在不同时间的FLHTHP测试结果如表4(FLHTHP的测定条件为：150℃，3.5MPa)、表5(FLHTHP的测定条件为：180℃，3.5MPa)所示：
表4
表5
从上测试结果中可以看出，添加实施例1～12和对比例1～7中的降滤失剂在淡水基浆中，随着时间的延长，其FLHTHP逐渐增大，这主要是由于高温引起了改性木质素降滤失剂的降解，且高温作用时间越长，降解程度越高，降滤失性能越弱。相比于对比例1～7，添加实施例1～12制备的改性木质素降滤失剂的淡水基浆的FLHTHP的增大趋势明显较为缓慢，即高温条件下，实施例1～12制备的改性木质素降滤失剂的降滤失效果更具有持久性。
由此可见，本发明所提供的改性木质素降滤失剂不仅适宜在高温的地质条件下使用，且可长时间维持良好的降滤失效果。
以上所述的仅是本发明的优选实例。应当指出对于本领域的普通技术人员来说，在本发明所提供的技术启示下，作为本领域的公知常识，还可以做出其它等同变型和改进，也应视为本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种降滤失剂，包括结构单元改性的木质素分子，所述结构单元包括磺酸基团和酰胺基团。
2.根据权利要求1所述的降滤失剂，其特征在于，所述结构单元满足以下通式：
其中，R1为—H或C1～C6的烷基，优选为—H、—CH3和—C2H5中的一种；
R2为—H或C1～C6的烷基，优选为—H、—CH3和—C2H5中的一种；
n为0～10的自然数；
A为H、Na、K、NH4、Ca、Fe、Mn、Zn和Mg中的至少一种。
3.根据权利要求1所述的降滤失剂，其特征在于，所述木质素分子的数均分子量(Mn)为>2000g/mol，优选为3200～32000g/mol；
所述木质素分子的重均分子量(Mw)与所述木质素分子的数均分子量(Mn)之比为1.02～3.60，优选为1.04～2.36，更优选为1.08～1.68。
4.一种降滤失剂的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
a)将木质素原料与溶剂进行混合，形成溶液I；
b)将步骤a)中的溶液I与氰基磺酸混合，形成酸性混合物；
c)将所述步骤b)中形成的酸性混合物进行加热，并加入催化剂进行反应，生成预产物溶液；
d)调节步骤c)中所述预产物溶液的pH值至7.5～8.5，过滤得到上清液，调节所述上清液pH值至2.5～5.0，并分离得到沉淀，将所述沉淀进行洗涤和干燥。
5.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，在步骤a)中，所述木质素原料在所述溶剂中的浓度为5.0wt％～15.0wt％；
所述溶剂为水、丙酮、丁酮、氯仿、二氯甲烷、1,1-二氯乙烷、1,2-二氯乙烷、甲基乙基酮、四氢呋喃、石油醚、乙醚、乙腈、乙酸乙酯、苯、甲苯、间二甲苯、环己烷、乙二醇二甲醚、硝基甲烷、1,4-二氧六环、吡啶、吗啉、N,N-二甲基甲酰胺、N,N-二甲基乙酰胺和二甲亚砜中的至少一种，优选为水、1,4-二氧六环、N,N-二甲基甲酰胺、N,N-二甲基乙酰胺和二甲亚砜中的至少一种。
6.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，在步骤b)中，所述氰基磺酸的质量为所述木质素原料质量的8.0wt％～16.0wt％；和
所述氰基磺酸满足以下通式：
其中，R1为—H或C1～C6的烷基，优选为—H、—CH3和—C2H5中的一种；
R2为—H或C1～C6的烷基，优选为—H、—CH3和—C2H5中的一种；
n为0～10的自然数；
A为H、Na、K、NH4、Ca、Fe、Mn、Zn和Mg中的至少一种。
7.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，在步骤c)中，所述反应的条件包括：温度为80～150℃，优选为90～130℃；时间为8～80h，优选为16～60h，更优选为20～50h。
8.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，在步骤c)中，所述催化剂加入的摩尔量为所述氰基磺酸摩尔量的0.02％～10.0％，优选为0.5％～8.0％，更优选为2.0％～6.0％；
所述催化剂优选为硫酸、邻苯二磺酰亚胺、三氟甲磺酸、三氟甲磺酸酐、三氟甲磺酸铋、三氟甲磺酸钙、三氟甲磺酸铜、三氟甲磺酸铟、双三氟甲烷磺酰亚胺、三氟化硼、三氟化硼乙醚、全氟磺酸树脂、2,4-二硝基苯磺酸、十二磷钨酸、磷钨酸铯的酸式盐、硫酸铯、硫酸高铈、五氧化二磷、碘单质、氯化亚铜、溴化亚铜、碘化亚铜、氯化铜、氯化钴、氯化锌和六水合氯化铁中的至少一种，更优选为三氟甲磺酸铋、三氟甲磺酸钙、三氟甲磺酸铜、三氟甲磺酸铟、全氟磺酸树脂、氯化铜和六水合氯化铁中的至少一种，进一步优选为三氟甲磺酸铜。
9.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，在步骤d)中，所述洗涤采用去离子水洗涤；
优选地，所述干燥为冷冻干燥，优选地，所冷冻干燥的时间为4h以上，优选为4～12h。
10.根据权利要求1-3中任一项所述的降滤失剂或由权利要求4-9中任一项所述的制备方法所制得的降滤失剂在钻井液中的应用。
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