CN116355599B - 一种环保型钻井液用褐煤树脂及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及油田钻井材料技术领域，尤其涉及一种环保型钻井液用褐煤树脂及其制备方法。褐煤树脂由以下质量份数的原料聚合而成：褐煤10‑15份、碱5‑7份、碳酸钠0.5‑0.8份、甲醛6‑9份、焦亚硫酸钠3‑5份、腐殖酸8‑12份、改性木质素9‑12份、丙烯酰胺1‑2份、丙烯腈盐2‑3份、2‑丙烯酰胺基‑2‑甲基丙磺酸1‑3份和溶剂70‑80份。本发明还公开了上述环保型钻井液用褐煤树脂的制备方法。本发明环保型钻井液用褐煤树脂具有降失水、降粘的作用，同时具有较佳的抗温、抗盐效果，热稳定性好，抗温可达200℃，能降低淡水和盐水钻井液的失水量，对环境友好，满足深井、高温、高压和高盐需要。

Description

一种环保型钻井液用褐煤树脂及其制备方法
技术领域
本发明涉及油田钻井材料技术领域，尤其涉及一种环保型钻井液用褐煤树脂及其制备方法。
背景技术
褐煤树脂通常是由硝基腐殖酸、磺甲基酚醛树脂等共聚而成的多元共聚型钻井液降滤失剂，并且具有降粘效果，而且有抗温抗盐性能，可用于各种淡水和盐水钻井液体系。该产品具有抗高温、抗盐化、降失水、防塌等作用，能在井壁形成薄而韧的泥饼，起到润滑效果和保持流变性，因此在全国各油田进行广泛的推广应用。但随着国内的环保要求逐步提高，褐煤树脂中的磺甲基酚醛树脂原料由于其性质太过稳定，且属于磺化材料，因而各油田在逐步取缔该材料的应用，其作为褐煤树脂的主要原材料，对褐煤树脂后期的应用具有较大的限制。
目前，在塔里木油田区块应用的褐煤树脂存在的主要问题有：1、热稳定差，不耐高温；2、抗盐性能差，导致钻井液易受到可溶性盐的污染，降低了钻井液的使用效率；3、降滤失效果不明显，需要添加大量的褐煤树脂才能起到降滤失的效果；4、产品的性能不稳定，高温容易起泡。
鉴于此，提供一种环保型钻井液用褐煤树脂，有十分重要的意义。
发明内容
本发明提供了一种环保型钻井液用褐煤树脂及其制备方法。本发明的环保型钻井液用褐煤树脂具有降失水、改善流变性的作用，同时具有较佳的抗温、抗盐效果，热稳定性好，抗温可达200℃，能降低淡水和盐水钻井液的失水量，对环境友好，能够满足国内各工区的高温、高压、高盐深井的钻井需要。
本发明的目的之一是提供一种环保型钻井液用褐煤树脂。
本发明的另一目的是提供一种环保型钻井液用褐煤树脂的制备方法。
根据本发明具体实施方式提供的环保型钻井液用褐煤树脂，所述褐煤树脂由以下质量份数的原料聚合而成：
褐煤10-15份、碱5-7份、碳酸钠0.5-0.8份、甲醛6-9份、焦亚硫酸钠3-5份、腐殖酸8-12份、改性木质素9-12份、丙烯酰胺1-2份、丙烯腈盐2-3份、2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸1-3份和溶剂70-80份。
根据本发明具体实施方式提供的环保型钻井液用褐煤树脂，所述碱包括氢氧化钠或氢氧化钾。
根据本发明具体实施方式提供的环保型钻井液用褐煤树脂，所述改性木质素是由褐腐木质素改性制备成含有儿茶酚基团的改性木质素，步骤包括：
取褐腐木质素，加入碱液，于65-75℃恒温反应1.5-2.5h，过滤，残渣再用碱液冲洗，合并滤液，得混合滤液；
将所述混合滤液，浓缩至20vol%，得到浓缩液。
向浓缩液中加入NaBH4，20-30℃下反应5-7h，反应完成后加入酸液沉淀出木质素，将所述木质素沉淀干燥后，即制得含有儿茶酚基团的改性木质。
本发明褐煤树脂改性的技术原理是：
通过对褐腐木质素改性得到儿茶酚基团，替代原磺甲基酚醛树脂将其接枝共聚提纯后的褐煤上，同时引入磺酸基团，增加水化能力，最终得到一种环保型钻井液用褐煤树脂，该降滤失剂可抗180℃，提高降滤失性、改善流变性，具有一定的抗盐能力且可自然降解，无毒无害，不会对地层和环境造成污染。
根据本发明具体实施方式提供的环保型环保型钻井液用褐煤树脂，所述褐腐木质素的粒径为60目。
根据本发明具体实施方式提供的环保型环保型钻井液用褐煤树脂，所述碱液为质量浓度1%的氢氧化钠溶液或氢氧化钾溶液；所述酸液为2mol/L的盐酸或硫酸。
根据本发明具体实施方式提供的环保型环保型钻井液用褐煤树脂，所述浓缩液与所述NaBH4的质量比为500：（1-2）。
根据本发明具体实施方式提供的环保型钻井液用褐煤树脂的制备方法，包括以下步骤：
S1提取：取10-15质量份的褐煤、70-80质量份的溶剂、5-7质量份的碱和0.5-0.8质量份的碳酸钠混合提取反应，得到提取液；
S2磺化：向所述提取液中加入1-2质量份的甲醛、8-12质量份的腐殖酸和1-2质量份的焦亚硫酸钠磺化反应，得到磺化液；
S3合成：向所述磺化液中加入9-12质量份的改性木质素、5-7质量份的甲醛、焦亚硫酸钠3-5份、1-2质量份的丙烯酰胺、2-3质量份的丙烯腈盐、2-3质量份的亚硫酸钠和1-3质量份的2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸进行合成反应，制得环保型钻井液用褐煤树脂。
根据本发明具体实施方式提供的环保型钻井液用褐煤树脂的制备方法，所述提取反应的温度为152-158℃，反应时间2-4h。
根据本发明具体实施方式提供的环保型钻井液用褐煤树脂的制备方法，所述磺化反应的温度为137-143℃，反应时间为1-1.5h。
根据本发明具体实施方式提供的环保型钻井液用褐煤树脂的制备方法，所述合成反应的温度为130-140℃，反应时间为4-5h。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1、本发明的环保型环保型钻井液用褐煤树脂不再使用磺甲基酚醛树脂及其原料作为原料制备褐煤树脂，利用改性木质素中儿茶酚基团超强的黏附特性，具有封堵微孔隙，提高强度的功能；通过对褐腐木质素改性得到儿茶酚基团，替代原磺甲基酚醛树脂作为共聚基团，提高了降滤失性、改善流变性，同时可自然降解，无毒无害，不会对地层和环境造成污染。
2本发明的环保型钻井液用褐煤树脂具有降失水、降粘的作用，同时具有较佳的抗温、抗盐效果，热稳定性好，抗温可达200℃，能降低淡水、盐水泥浆的失水量，对环境友好，能够满足国内各工区的高温、高压、高盐深井的钻井需要。
3、本发明中的环保型环保型钻井液用褐煤树脂制备过程中，通过提取和合成反应，在苯环单元引入了磺酸基，苯环间以碳原子相连，提升了褐煤树脂的抗高温性能；又在苯羟基的邻对位上引入了磺酸钠基，水化作用增强、缔合水的键能提高，因而解决了褐煤树脂的水溶性，具有抗盐、抗钙、降低高温高压降失水量的作用，对于巩固井壁，防塌、防卡具有重要作用。
4、本发明的环保型环保型钻井液用褐煤树脂还含有羟基、羰基、亚甲基、磺酸基、苯环、羧基、腈基等基团，且由于其聚合分子主链以-C-C链连接，芳环结构热稳定性好，通过引入对高价金属离子不敏感的磺酸基团，提高了褐煤树脂的抗盐和抗高价离子污染的能力。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明的技术方案进行详细的描述。显然，所描述的实施例仅仅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的前提下所得到的所有其它实施方式，都属于本发明所保护的范围。
实施例
本实施例提供一种环保型钻井液用褐煤树脂，所述褐煤树脂由以下质量份数的原料聚合而成：
褐煤10-15份、碱5-7份、碳酸钠0.5-0.8份、甲醛6-9份、焦亚硫酸钠3-5份、腐殖酸8-12份、改性木质素9-12份、丙烯酰胺1-2份、丙烯腈盐2-3份、2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸1-3份和溶剂70-80份。
在一些实例中，所述碱包括氢氧化钠或氢氧化钾。
在一些实例中，溶剂为水。
在一些实例中，所述改性木质素是由褐腐木质素改性制备成含有儿茶酚基团的改性木质素，步骤包括：
取褐腐木质素，加入碱液，于65-75℃恒温反应1.5-2.5h，过滤，残渣再用碱液冲洗，合并滤液，得混合滤液；
将所述混合滤液，浓缩至20vol%，得到浓缩液；
向浓缩液中加入NaBH4，20-30℃下反应5-7h，反应完成后加入酸液沉淀出木质素，将所述木质素沉淀干燥后，即制得含有儿茶酚基团的改性木质素。
在一些实例中，所述褐腐木质素的粒径为60目。
在一些实例中，所述碱液为质量浓度1%的氢氧化钠溶液或氢氧化钾溶液；所述酸液为2mol/L的盐酸或硫酸。
在一些实例汇总，所述浓缩液与所述NaBH4的质量比为500：（1-2）
本实施例还提供一种环保型钻井液用褐煤树脂的制备方法，包括以下步骤：
S1提取：取10-15质量份的褐煤、70-80质量份的溶剂、6-9质量份的碱和0.5-0.8质量份的碳酸钠混合提取反应，得到提取液；
S2磺化：向所述提取液中加入1-2质量份的甲醛、8-12质量份的腐殖酸和1-2质量份的焦亚硫酸钠磺化反应，得到磺化液；
S3合成：向所述磺化液中加入9-12份改性木质素、5-7质量份的甲醛、3-5质量份焦亚硫酸钠、1-2质量份的丙烯酰胺、2-3质量份的丙烯腈盐、2-3质量份的亚硫酸钠和1-3质量份的2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸进行合成反应，制得环保型钻井液用褐煤树脂。
在一些实例中，所述提取反应的温度为152-158℃，反应时间2-4h。
在一些实例中，所述磺化反应的温度为137-143℃，反应时间为1-1.5h。
在一些实例中，所述合成反应的温度为130-140℃，反应时间为4-5h。
为进一步说明本发明的环保型钻井液用褐煤树脂在改善钻井液抗温、抗盐的效果，提供了如下实验例和对比例：
实验例1
本实验例提供一种环保型钻井液用褐煤树脂，由以下质量份数的原料聚合而成：
褐煤12份、碱6份、碳酸钠0.6份、甲醛8份、焦亚硫酸钠4份、腐殖酸10份、改性木质素12份、丙烯酰胺2份、丙烯腈盐3份、2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸2份和溶剂75份。
根据实施例的制备方法制成环保型钻井液用褐煤树脂。
实验例2
本实验例提供一种环保型钻井液用褐煤树脂，由以下质量份数的原料聚合而成：
褐煤10份、碱5份、碳酸钠0.5份、甲醛6份、焦亚硫酸钠3份、腐殖酸8份、改性木质素9份、丙烯酰胺1份、丙烯腈盐2份、2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸1份和溶剂70份。
根据实施例的制备方法制成环保型钻井液用褐煤树脂。
实验例3
本实验例提供一种环保型钻井液用褐煤树脂，由以下质量份数的原料聚合而成：
褐煤15份、碱7份、碳酸钠0.8份、甲醛9份、焦亚硫酸钠5份、腐殖酸12份、改性木质素12份、丙烯酰胺2份、丙烯腈盐3份、2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸3份和溶剂80份。
根据实施例的制备方法制成环保型钻井液用褐煤树脂。
对比例1
本对比例与实验例1不同之处在于：不添加改性木质素。
对比例2
本对比例与实验例1不同之处在于：不添加2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸。
性能测试：
一、耐盐性能
测试样品的配制：
配制基浆:在盛有350mL蒸留水的样品杯中，加入0.79g(称准至0.01g)无水碳酸钠和2.50g(称准至0.01g)钻井液试验配浆用膨润土，高速搅拌20min,其间至少应中断两次以刮下黏附在杯壁上的样品，在25℃±1℃下密闭养护24h,作为基浆。
配制淡水试样浆：取基浆350mL加入10.50g(称准至0.01g)实验例1-3褐煤树脂,高速搅拌20min,其间应中断两次以刮下黏附在杯壁上的样品；将上述浆液转人高温罐中，在180℃下热滚16h。取出高温罐，冷却至室温后打开，倒入搅拌杯中，高速搅拌5min，制成淡水试样浆。
配制氯化钠污染浆：取基浆350mL加人17.50g(称准至0.01g)实验例1-3的褐煤树脂,高速搅拌20min,其间应中断两次以刮下黏附在杯壁上的样品，再加人52.50g(称准至0.01g)氯化钠，高速搅拌10min,加入20%氢氧化钠溶液2mL调节pH；将上述浆液转人高温罐中，在180℃下热滚16h；取出高温罐，冷却至室温后打开，倒入搅拌杯中，高速搅拌5min,配制得到氯化钠污染浆。
测试方法：
基于GB/T16783.1-2014《石油天然气工业 钻井液现场测试 第1部分：水基钻井液》中表观黏度和滤失量测试方法，测试淡水试样浆和氯化钠污染浆在24℃±3℃的表观黏度和高温高压(150℃/3450kPa)滤失量。
实验例1-3和对比例1-2褐煤树脂的表观黏度和高温高压滤失量的测试结果如表1所示。
表1
由表1中可见，与对比例1-2相比，本发明的环保型钻井液用褐煤树脂采用了改性木质素和2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸，可以降低褐煤树脂的表观黏度，增强滤失量。
二、抗温性能
测试样品的配制：
配制基浆：在盛有350mL蒸留水的样品杯中，加入0.79g(称准至0.01g)无水碳酸钠和2.50g(称准至0.01g)钻井液试验配浆用膨润土，高速搅拌20min,其间至少应中断两次以刮下黏附在杯壁上的样品，在25℃±1℃下密闭养护24h,作为基浆。
配制抗温试样浆：取基浆350mL加人17.50g(称准至0.01g)实验例1-3的褐煤树脂,高速搅拌20min,其间应中断两次以刮下黏附在杯壁上的样品，再加人52.50g(称准至0.01g)氯化钠，高速搅拌10min,加入20%氢氧化钠溶液2mL调节pH。
测试方法：
将上述浆液转人高温罐中，分别在180℃/190℃/200℃下热滚16h；取出高温罐，冷却至室温后打开，倒入搅拌杯中，高速搅拌5min。
基于GB/T16783.1-2014《石油天然气工业 钻井液现场测试 第1部分：水基钻井液》中表观黏度和滤失量测试方法，测试浆液在24℃±3℃的表观黏度和高温高压(150℃/3450kPa)滤失量。
实验例1-3和对比例1-2褐煤树脂经不同高温处理后的表观黏度和高温高压滤失量结果如表2所示。
表2
由表2可见，与对比例1-2相比，本发明的环保型钻井液用褐煤树脂在15%NaCl氯化钠污染浆中，分别180℃/190℃/200℃热滚16h后，表观黏度和滤失量能够维持稳定，抗温能力达到200℃。
三、环保型钻井液用褐煤树脂在KCl欠饱和盐水钻井液体系（ρ=2.0g/cm3，180℃×16h）中的效果。
原料准备：
实验例1的褐煤树脂；
同类产品1采购自新乡市鑫磊油田助剂有限公司按照SY/T 5679-2017于2022年1月生产的同类产品；
同类产品2采购自河南中昊石油科技有限责任公司按照GB/T5005-2010于2022年9月生产的同类产品。
配制KCl欠饱和盐水钻井液体系：300mL水+3%膨润土+0.2%烧碱+0.3%大分子聚合物（IND-30）+0.2% NH4PAN+4%磺甲基酚醛树脂（SMP-Ⅰ)+4%样品+3%磺化沥青(FT-1)+7%KCl+加重剂；在3个高搅杯中加入300mL蒸馏水后加入9g钻井液用钙膨润土，高速搅拌20min，期间应多次取下刮试杯壁；在（25±1）℃密闭养护24h；分别在养护好的膨润土浆依次加入0.6g烧碱，0.9g大分子聚合物（IND-30），0.6g NH4PAN，12g磺甲基酚醛树脂（SMP-Ⅰ)，9g磺化沥青(FT-1)，分别加入12g实验例1的褐煤树脂、同类产品1和同类产品2，再加入21g的KCl、重晶石（密度保持在2.00g/cm3），每加完一种药品先用玻棒搅匀，再高速搅拌15min，搅拌过程中中断两次，以刮下粘糊在容器壁上的粘附物；将配置好的试验浆装入老化罐中，放入滚子炉中在（180±5）℃下恒温滚动老化16 h，取出老化罐冷至室温，试验浆高速搅拌 5 min。
测试方法：基于按GB/T16783.1-2014《石油天然气工业 钻井液现场测试 第1部分：水基钻井液》的规定测定各试验浆的表观黏度和（150±3）℃高温高压滤失量。
实验例1褐煤树脂与同类产品1-2的测试结果如表3所示。
表3
注：表3中，A1-A6依次表示为φ600、φ300、φ200、φ100、φ6、φ3速度下的粘度值；切力表示为初切压力/终切压力。
由表1可见，与同类产品1-2相比，实验例1的滤失量较低，同时流变性能更好，由此可见：该环保型钻井液用褐煤树脂在钻井液体系中具有更优异的流变性能降滤失效果。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种环保型钻井液用褐煤树脂，其特征在于，所述褐煤树脂由以下质量份数的原料聚合而成：
褐煤10-15份、氢氧化钠或氢氧化钾5-7份、碳酸钠0.5-0.8份、甲醛6-9份、焦亚硫酸钠3-5份、腐殖酸8-12份、改性木质素9-12份、丙烯酰胺1-2份、丙烯腈盐2-3份、2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸1-3份和溶剂70-80份;
所述改性木质素由包括以下步骤的方法制备得到：
取褐腐木质素，加入碱液，于65-75℃恒温反应1.5-2.5h，过滤，残渣再用碱液冲洗，合并滤液，得混合滤液；
将所述混合滤液，浓缩至20vol%，得到浓缩液；
向浓缩液中加入NaBH4，20-30℃下反应5-7h，反应完成后加入酸液沉淀出木质素，将所述木质素沉淀干燥后，即制得改性木质素;
所述的褐煤树脂的制备方法，包括以下步骤：
S1提取：取10-15质量份的褐煤、70-80质量份的溶剂、5-7质量份的氢氧化钠或氢氧化钾、0.5-0.8质量份的碳酸钠混合提取反应，得到提取液；
S2磺化：向所述提取液中加入1-2质量份的甲醛、8-12质量份的腐殖酸和1-2质量份的焦亚硫酸钠磺化反应，得到磺化液；
S3合成：向所述磺化液中加入9-12质量份的改性木质素、5-7质量份的甲醛、1-2质量份的丙烯烯酰、2-3质量份的丙烯腈盐、2-3质量份的亚硫酸钠和1-3质量份的2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸进行合成反应，制得环保型钻井液用褐煤树脂。
2.根据权利要求1所述的环保型钻井液用褐煤树脂，其特征在于，所述褐腐木质素的粒径为60目。
3.根据权利要求1所述的环保型钻井液用褐煤树脂，其特征在于，所述碱液为质量浓度1%的氢氧化钠溶液或氢氧化钾溶液；所述酸液为2mol/L的盐酸或硫酸。
4.根据权利要求1所述的环保型钻井液用褐煤树脂，其特征在于，所述浓缩液与所述NaBH4的质量比为500：（1-2）。
5.一种权利要求1-4任一项所述的环保型钻井液用褐煤树脂的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1提取：取10-15质量份的褐煤、70-80质量份的溶剂、5-7质量份的氢氧化钠或氢氧化钾、0.5-0.8质量份的碳酸钠混合提取反应，得到提取液；
S2磺化：向所述提取液中加入1-2质量份的甲醛、8-12质量份的腐殖酸和1-2质量份的焦亚硫酸钠磺化反应，得到磺化液；
S3合成：向所述磺化液中加入9-12质量份的改性木质素、5-7质量份的甲醛、1-2质量份的丙烯烯酰、2-3质量份的丙烯腈盐、2-3质量份的亚硫酸钠和1-3质量份的2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸进行合成反应，制得环保型钻井液用褐煤树脂。
6.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，所述提取反应的温度为152-158℃，反应时间2-4h。
7.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，所述磺化反应的温度为137-143℃，反应时间为1-1.5h。
8.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，所述合成反应的温度为130-140℃，反应时间为4-5h。
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