一种利用造纸废液制作深井钻井液添加剂的工艺方法

摘要

一种利用造纸废液制作深井钻井液添加剂的工艺方法，主要步骤为：（一）在造纸废液中添加耐盐活性剂、耐盐破乳剂提纯木质素；（二）将木质素、亚硫酸氢钠、甲醛、水按配比加入反应釜中升温反应，合成磺甲基化木质素；（三）将负载杂多酸、苯酚、溴化钾按配比混合均匀，再按配比加入醋酸和过氧化氢，搅拌反应，萃取液体反应产物，制成溴代苯酚；（四）将溴代苯酚、亚硫酸氢钠、亚硫酸氢钠、水、甲醛按配比混合，进行聚合反应，合成磺甲基化（溴碳）酚醛树脂；（五）将同为40%浓度的磺甲基化木质素和磺甲基化（溴碳）酚醛树脂混合搅拌、加热，再加入甲醛进行聚合反应，制成磺甲基化木质素磺甲基化（溴碳）酚醛树脂。用作深井钻井液添加剂，耐高温、耐高压、耐盐，降滤失效果好。

说明书

技术领域

 本发明涉及油田深井钻井液，尤其涉及钻井液添加剂的制备方法。

背景技术

在油气可采、易采储量不断减少的情况下，油田可采已向深井、超深井方向发展，例如中国西部油田和南方海相油藏，基本处于6000米左右的地层。井底温度随着井深的增加迅速提高，加之地层的复杂性对钻井液提出了很高的要求。在深井、超深井钻井过程中，高密度钻井液的技术和性能尤其重要，它是钻井成功与否的重要保障。在20世纪70年代初，我国研制成功深井高密度钻井液——三磺钻井液（磺化单宁或栲胶、磺化褐煤、磺化酚醛树脂），并在全国范围内推广应用。随着钻井深度的逐渐增加，对钻井液提出了更高的要求，钻井液添加剂的性能对于确保深井及超深井的安全、快速所具有的重要作用日益突出。国外相继研制并推广了聚合醇钻井液、正电胶钻井液、甲酸盐钻井液、稀硅酸盐钻井液和微泡钻井液等具有国际先进水平的水基防塌钻井液新体系，以及环保型第二代合成基钻井液和逆乳化钻井液新体系。国内借鉴国外新技术，逐步形成了两性离子聚合物钻井液、正电胶钻井液、硅酸盐钻井液、甲基葡萄糖苷钻井液、聚合醇钻井液等钻井液体系。磺甲基酚醛树脂是国内外推崇的油田深井钻井液添加剂之一，目前在国内油田的应用已较成熟，但其抗盐性较差，对高矿化度或盐层钻井效果不够理想，高温和降滤失效果常达不到设计要求。高密度钻井添加剂已成为当前钻井液技术研究的关键。国内外在开展钻井液添加剂的研究中，将耐盐、耐高温、强化降滤失效果作为重要攻关方向，并将木质素作为主要原料之一。造纸业属于高污染行业，是我国水污染最大的污染源，造纸废水占到全国工业废水量的30%，其中的主要污染物就是木质素，每生产1吨纸所排出的废液中的木质素接近0.5吨。治理造纸业的黑液污染一直是环境保护的难点和重要内容。

发明内容

本发明的目的，就是提供一种耐高温、耐高压、耐盐、降低滤失水量效果好的油田深井钻井液添加剂，满足高矿度化及盐层钻井的需要，能够充分利用造纸废液资源，回收有用成份，减少环境污染，使用方便，易于保存，降低生产成本，提高经济效益和社会效益。

本发明的任务是这样完成的：根据木质素是一种大量存在于木、竹、草等造纸原料中的高分子有机物的特点，通过从造纸废液中提取木质素、研制改性磺甲基木质素，并与自主研制的溴代苯酚合成一种改性磺甲基化木质素磺甲基化（溴碳）酚醛树脂的物质，用作钻井行业中的油田深井钻井液的添加剂。本发明的技术方案为：研究设计一种利用造纸废液制作深井钻井液添加剂的工艺方法，采用以下步骤：（一）提纯木质素：将pH值≥12的造纸废液调pH值至3～4，根据测定的液体表面张力变化，依次添加耐盐活性剂、耐盐破乳剂，提纯木质素；（二）合成磺甲基化木质素：将木质素、亚硫酸氢钠、甲醛、水按配比依次加入反应釜中，升温反应，调节pH值保持在11，合成磺甲基化木质素，备用；（三）制备溴代苯酚：将负载杂多酸、苯酚、溴化钾按照配比混合均匀，再按配比加入醋酸和30%的过氧化氢，搅拌反应3～9个小时，再加碱调节pH值至中性，分离并洗涤负载杂多酸，萃取液体反应产物，对萃取物进行干燥，制成溴代苯酚；（四）将溴代苯酚、亚硫酸氢钠、亚硫酸钠、水、甲醛按照配比混合，进行聚合反应，合成磺甲基化（溴碳）酚醛树脂；（五）将同样为40%浓度的磺甲基化木质素和磺甲基化（溴碳）酚醛树脂混合搅拌、加热，再加入甲醛，进行聚合反应，反应后降温，在干燥塔内进行脱水、喷雾、干燥，制成磺甲基化木质素磺甲基化（溴碳）酚醛树脂的粉末状成品。

以上各个步骤的工艺过程分别详述如下：（一）提纯木质素步骤的工艺过程为：（a）将pH值≥12的造纸废液经筛网过滤去除杂质，再加入硫酸进行酸化，用超低界面张力仪测定液体表面张力，调pH值至3～4，（b）加入适量的耐盐活性剂DM-5522，混合均匀，（c）再测定液体表面张力，达到35mN/m以下时，加入适量的耐盐破乳剂ROD-1609，混合均匀，使木质素与盐水分离，（d）加温至80℃，保温30分钟，（e）加入离心机内旋转离心5分钟，测定废液分离状态，（f）将上层的絮状物进行过滤、洗涤、干燥，得到纯木质素。（二）合成磺甲基化木质素步骤的工艺过程为：（a）将提纯脱盐后的木质素、亚硫酸氢钠、水、甲醛按照30～50:6～8:80～110:15～25的重量配比，依次加入反应釜中，搅拌均匀，（b）加热升温至90℃，开始回流，（c）继续升温至100℃，保温、回流，反应2.5个小时，反应过程中加入氢氧化钠调节pH值保持在10～11，形成磺甲基化木质素。（三）制备溴代苯酚步骤的工艺过程为：（a）将负载杂多酸、苯酚、溴化钾按照摩尔比3～6:8～10:8～11的配比混合均匀，（b）再将醋酸和30%的过氧化氢按照摩尔比25～30:8～11的配比加入，在室温下搅拌，反应3～9个小时，（c）反应完后用碱调节pH值至中性，（d）将固体的负载杂多酸与液体的反应产物分离，并用醚类有机溶剂洗涤负载杂多酸，（e）用醚类有机溶剂对液体反应产物进行萃取，（f）用无水硫酸钠或硫酸镁对萃取物进行干燥处理，得到溴代苯酚成品。（四）磺甲基化（溴碳）酚醛树脂合成步骤的工艺过程为：（a）取亚硫酸氢钠6～8份、亚硫酸钠5～7份、水5～7份，依次加入反应釜中，搅拌均匀，升温至60℃，（b）加入溴代苯酚14～17份，完全混合溶化，（c）取甲醛25～30份备用，缓慢加入甲醛，不断进行搅拌，测pH值为9时，控制温度为60～70℃，保温反应1个小时，（d）滴加甲醛，自然升温至80～90℃，保温反应1个小时，（e）继续加入甲醛，自然升温至100～107℃，保温反应3个小时，（f）反应结束，得到固含量为40～50%的红棕色粘稠流体磺甲基化（溴碳）酚醛树脂。（五）磺甲基木质素磺甲基化（溴碳）酚醛树脂合成步骤的工艺过程为：（a）将同样为40%浓度的磺甲基化木质素25～35份和磺甲基化（溴碳）酚醛树脂60～80份加入反应釜中，混合搅拌均匀，加热至60℃充分溶化，保温1.5～2个小时，（b）停止加热，缓慢滴加甲醛15～25份，自然升温至100～107℃并保温回流，进行聚合反应3个小时，（c）停止滴加甲醛，降温至40～50℃，得到棕褐色粘稠流体，（d）将粘稠流体加入干燥塔内，进行脱水、喷雾干燥，生成磺甲基化木质素磺甲基化（溴碳）酚醛树脂的成品。磺甲基化木质素磺甲基化（溴碳）酚醛树脂的成品为棕褐色或淡黄色可流动粉末，成品理化指标为：细度（筛孔为φ0.59mm筛余）≤5.0%，水分≤10.0%，有效物≥80.0%，1%水溶液的pH值为7～10，1%水溶液的表现粘度≥20mPa·s，室温养护后的滤失量≤20ml，120℃/16h养护后的滤失量≤25ml。将制成品装入容器，检验合格后即可入库。

使用时，将本发明制成品按3～4%的比例加入钻井液，与磺化褐煤、磺化单宁等共同使用，可大大增强钻井液处理剂的水化能力，且遇钙不会产生沉淀，钠离子也不易压缩磺酸基上的双电层，因此加入该剂的钻井液在高温深井中仍具有一定的流变性，具有耐高温、耐高压、耐盐性高的优点，能适应高矿度化或盐层钻井的需要。在制备过程中，采用耐盐活性剂DM-5522可将造纸废液的表面张力降至35mN/m以下，采用耐盐破乳剂ROD-1609能促使木质素聚结絮凝，经过离心处理得到高纯度的脱盐木质素。溶有无机盐的水溶液返回造纸厂可再利用。将提纯的木质素进行改性后制作钻井液添加剂，在石油钻井和开采方面具有比已有的木质素产品更优良的效果，不会给环境造成二次污染，经济效益和社会效益良好。利用溴代苯酚的阻燃性能。对合成酚醛树脂进行磺甲基化，先在酸性条件下使甲醛与溴代苯酚反应，生成溴碳酚醛树脂，再在碱性条件下进行分步磺化反应，合成磺化度较高和相对分子质量较大的磺甲基化（溴碳）酚醛树脂。最后与磺甲基化木质素缩合，制成磺甲基化木质素磺甲基化（溴碳）酚醛树脂作为深井钻井液的添加剂。

按照上述技术方案进行实施、试验，证明本发明的配方合理，工艺路线配套、完善，利用造纸废液提取木质素，成功地实现了变废为宝，减少了环境污染，降低了生产成本，经过用破乳酸析法进行改性脱盐，并采用溴代苯酚参与聚合反应，成功地研制出耐高压、耐高温、耐盐的油田深井钻井液添加剂——磺甲基化木质素磺甲基化（溴碳）酚醛树脂。本产品保存使用方便，适于高矿度化及盐层钻井广泛应用，降滤失量效果好，具有良好的经济社会效益，较好地达到了预定目的。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明的实施方式进一步加以说明。

实施例1：（一）将pH值为13的造纸黑液过滤去除杂质，输入酸化槽内，加入硫酸调节pH值为3～4，用超低界面张力仪测定液体表面张力，加入适量的耐盐活性剂DM-5522（根据情况每L液体最少加入10mg、最多不超过1g），混合均匀后，再测定液体表面张力降至35mN/m以下时，然后加入耐盐破乳剂ROD-1609（根据情况每L液体最少加入10mg、最多不超过1g），混合均匀，使木质素与盐水分离，加温至80℃，保温30分钟，再加进离心机中，进行旋转离心5分钟，将漂浮在废液上层的絮状物进行过滤、洗涤，干燥后即得提纯脱盐的木质素。

（二）将提纯脱盐后的木质素与亚硫酸氢钠、水、甲醛按照40：7：110：15的重量比加入反应釜中，搅拌混合均匀，加热升温至90℃开始回流，升温至100℃保温、回流、反应2.5个小时。在反应过程中加入氢氧化钠调节pH值保持在10～11，形成磺甲基化木质素。存放备用。

（三）制作溴代苯酚，将负载杂多酸、苯酚、溴化钾按照摩尔比3：10：8的配比混合均匀，再按摩尔比25：11的配比加入醋酸和30%的过氧化氢，搅拌均匀，反应3个小时，用碱调节pH值至7，将固体的负载杂多酸，与液体的反应产物分离，并用醚类有机溶剂洗涤负载杂多酸，然后用醚类有机溶剂对液体产物进行萃取，最后用无水硫酸钠对萃取物进行干燥，得到溴代苯酚成品。存放备用。

（四）合成磺甲基化（溴碳）酚醛树脂，取亚硫酸氢钠6份、亚硫酸钠7份、纯水7份依次加入反应釜中，搅拌均匀，升温至60℃，加入溴代苯酚14份，混合溶化。取甲醛25份备用。缓慢加入甲醛，不断进行搅拌，测得pH值为9时，控制温度在60～70℃，保温反应1个小时。滴加甲醛，自然升温至80℃，保温反应1个小时。继续滴加甲醛，自然升温至100℃，保温反应3个小时。反应结束后，得到固含量为40～50%的红棕色流体磺甲基化（溴碳）酚醛树脂。

（五）合成最终产品。将同样为40%浓度的磺甲基化木质素25份和磺甲基化（溴碳）酚醛树脂70份加入反应釜中，混合搅拌均匀，加热至60℃充分溶化，保温1.5个小时。停止加热，缓慢滴加甲醛15份，自然升温至100℃保温回流，进行聚合反应3个小时。停止滴加甲醛，降温至40℃，得到棕褐色粘稠流体，加入干燥塔内进行脱水、喷雾干燥，生成磺甲基化木质素磺甲基化（溴碳）酚醛树脂的棕褐色或淡黄色粉末状成品。

实施例2：（一）将pH值为13的造纸黑液过滤去除杂质，输入酸化槽内，加入硫酸调节pH值为3～4，用超低界面张力仪测定液体表面张力，加入适量的耐盐活性剂DM-5522（根据情况每L液体最少加入10mg、最多不超过1g），混合均匀后，再测定液体表面张力降至35mN/m以下时，然后加入耐盐破乳剂ROD-1609（根据情况每L液体最少加入10mg、最多不超过1g），混合均匀，使木质素与盐水分离，加温至80℃，保温30分钟，再加进离心机中，进行旋转离心5分钟，将漂浮在废液上层的絮状物进行过滤、洗涤，干燥后即得提纯脱盐的木质素。

（二）将提纯脱盐后的木质素与亚硫酸氢钠、水、甲醛按照30：8：80：20的重量比加入反应釜中，搅拌混合均匀，加热升温至90℃开始回流，升温至100℃保温、回流、反应2.5个小时。在反应过程中加入氢氧化钠调节pH值保持在10～11，形成磺甲基化木质素。存放备用。

（三）制作溴代苯酚，将负载杂多酸、苯酚、溴化钾按照摩尔比5：8：11的配比混合均匀，再按摩尔比30：8的配比加入醋酸和30%的过氧化氢，搅拌均匀，反应3个小时，用碱调节pH值至7，将固体的负载杂多酸，与液体的反应产物分离，并用醚类有机溶剂洗涤负载杂多酸，然后用醚类有机溶剂对液体产物进行萃取，最后用无水硫酸镁对萃取物进行干燥，得到溴代苯酚成品。存放备用。

（四）合成磺甲基化（溴碳）酚醛树脂，取亚硫酸氢钠8份、亚硫酸钠5份、纯水6份依次加入反应釜中，搅拌均匀，升温至60℃，加入溴代苯酚17份，混合溶化。取甲醛28份备用。缓慢加入甲醛，不断进行搅拌，测得pH值为9时，控制温度在60～70℃，保温反应1个小时。滴加甲醛，自然升温至80℃，保温反应1个小时。继续滴加甲醛，自然升温至107℃，保温反应3个小时。反应结束后，得到固含量为40～50%的红棕色流体磺甲基化（溴碳）酚醛树脂。

（五）合成最终产品。将同样为40%浓度的磺甲基化木质素35份和磺甲基化（溴碳）酚醛树脂60份加入反应釜中，混合搅拌均匀，加热至60℃充分溶化，保温1.5个小时。停止加热，缓慢滴加甲醛20份，自然升温至104℃保温回流，进行聚合反应3个小时。停止滴加甲醛，降温至40℃，得到棕褐色粘稠流体，加入干燥塔内进行脱水、喷雾干燥，生成磺甲基化木质素磺甲基化（溴碳）酚醛树脂的棕褐色或淡黄色粉末状成品。

实施例3：（一）将pH值为13的造纸黑液过滤去除杂质，输入酸化槽内，加入硫酸调节pH值为3～4，用超低界面张力仪测定液体表面张力，加入适量的耐盐活性剂DM-5522（根据情况每L液体最少加入10mg、最多不超过1g），混合均匀后，再测定液体表面张力降至35mN/m以下时，然后加入耐盐破乳剂ROD-1609（根据情况每L液体最少加入10mg、最多不超过1g），混合均匀，使木质素与盐水分离，加温至80℃，保温30分钟，再加进离心机中，进行旋转离心5分钟，将漂浮在废液上层的絮状物进行过滤、洗涤，干燥后即得提纯脱盐的木质素。

（二）将提纯脱盐后的木质素与亚硫酸氢钠、水、甲醛按照50：6：90：25的重量比加入反应釜中，搅拌混合均匀，加热升温至90℃开始回流，升温至100℃保温、回流、反应2.5个小时。在反应过程中加入氢氧化钠调节pH值保持在10～11，形成磺甲基化木质素。存放备用。

（三）制作溴代苯酚，将负载杂多酸、苯酚、溴化钾按照摩尔比6：9：10的配比混合均匀，再按摩尔比27：10的配比加入醋酸和30%的过氧化氢，搅拌均匀，反应3个小时，用碱调节pH值至7，将固体的负载杂多酸，与液体的反应产物分离，并用醚类有机溶剂洗涤负载杂多酸，然后用醚类有机溶剂对液体产物进行萃取，最后用无水硫酸钠对萃取物进行干燥，得到溴代苯酚成品。存放备用。

（四）合成磺甲基化（溴碳）酚醛树脂，取亚硫酸氢钠7份、亚硫酸钠6份、纯水7份依次加入反应釜中，搅拌均匀，升温至60℃，加入溴代苯酚15份，混合溶化。取甲醛30份备用。缓慢加入甲醛，不断进行搅拌，测得pH值为9时，控制温度在60～70℃，保温反应1个小时。滴加甲醛，自然升温至80℃，保温反应1个小时。继续滴加甲醛，自然升温至103℃，保温反应3个小时。反应结束后，得到固含量为40～50%的红棕色流体磺甲基化（溴碳）酚醛树脂。

（五）合成最终产品。将同样为40%浓度的磺甲基化木质素32份和磺甲基化（溴碳）酚醛树脂80份加入反应釜中，混合搅拌均匀，加热至60℃充分溶化，保温1.5个小时。停止加热，缓慢滴加甲醛25份，自然升温至107℃保温回流，进行聚合反应3个小时。停止滴加甲醛，降温至40℃，得到棕褐色粘稠流体，加入干燥塔内进行脱水、喷雾干燥，生成磺甲基化木质素磺甲基化（溴碳）酚醛树脂的棕褐色或淡黄色粉末状成品。

按照上述工艺过程制作的成品，经过最后检验合格后，即可包装入库，理化指标为：细度（筛孔为φ0.59mm筛余）≤5.0%，水分≤10.0%，有效物≥80.0%，1%水溶液的pH值为7～10，1%水溶液的表现粘度≥20mPa·s，室温养护后的滤失量≤20ml，120℃/16h养护后的滤失量≤25ml。技术方案中的负载杂多酸，是由粒径为75～800微米的活性炭、二氧化硅、分子筛，负载1～50%的磷钨酸、磷钼酸、硅钨酸，磷硅钨酸构成。

本发明的制成品作为油田深井钻井液的添加剂，在实际使用中按照钻井液的3～4%的比例添加。在降低钻井液滤失量的同时，还具有优良的稀释作用，耐高温、耐高压、抗盐、抗钙，同时具有防塌、润滑作用，是一种优良的油田深井钻井液添加剂，能与各种处理剂复配使用，效果良好。由于本发明是利用造纸废液提取木质素，能够变废为宝，非常有利于解决造纸废液造成的环境污染问题，加强环境保护。与规模造纸厂配合，一条达到年提取木质素1万吨规模的生产线，可实现销售收入1800万元；年生产磺甲基化木质素5000吨，可实现销售收入2000万元；年生产磺甲基化木质素磺甲基化（溴碳）酚醛树脂8000吨，可实现销售收入4800万元。合计可实现年销售收入8600万元，税金1124万元，利润1520万元。经济效益和社会效益显著，具有良好的发展前景。