專利名稱：水基鉆井液用超高粘度聚陰離子纖維素的制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及聚陰離子纖維素生產(chǎn)技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種水基鉆井液用超高粘度聚陰離子纖維素的制備方法。
背景技術(shù)：
鉆井液分為油基鉆井液和水基鉆井液。隨著全世界越來越嚴(yán)格的環(huán)境法規(guī)，水基鉆井液因污染小而成為主流。而纖維素類的降濾失劑、流變改性劑，具有來源豐富、可生物降解、污染小的特點(diǎn)，主要產(chǎn)品為羧甲基纖維素鈉(CMC-Na)和聚陰離子纖維素(PAC)。它們是迄今為止用量最大，用途最廣泛，環(huán)境友好的鉆井液降濾失劑、流變改性劑。隨著石油勘探向海洋地層下發(fā)展，開鉆地層條件日趨苛刻，鉆井深度在增加。一般講，鉆井深度向下每延伸1000米，井下溫度會(huì)升高30°C，當(dāng)井深達(dá)4000米時(shí)，溫度會(huì)升高120°C。所以對(duì)于鉆井液組分的抗高溫、耐鹽要求越來越高,對(duì)降濾失性和粘度值及粘度的抗降解要求也隨之提高。普通CMC-Na和PAC已不能滿足要求。國內(nèi)的CMC-Na和PAC生產(chǎn)廠家由于均采用簡單的捏合工藝，低倍量乙醇作溶媒。只能生產(chǎn)普通的CMC-Na和PAC產(chǎn)品。這些產(chǎn)品大多只能滿足在陸地上和淺井的鉆井液的需要。究其原因，是因?yàn)閲鴥?nèi)的反應(yīng)設(shè)備及工藝中，傳熱不迅速，散熱面積小。在堿化和添加氯乙酸時(shí)，不可避免地使物料處在強(qiáng)堿性和較高的溫度；物料的局部過熱導(dǎo)致醚化溫度也必然會(huì)升高。其后果是纖維素的裂解，粘度的降低，還有醚化反應(yīng)不均勻等問題。所以國產(chǎn)PAC性能均達(dá)不到國外發(fā)達(dá)國家用異丙醇為溶媒的淤漿法所生產(chǎn)的PAC。為了滿足日益增加的海上鉆井和其它復(fù)雜地層條件的鉆井，對(duì)國內(nèi)現(xiàn)有主體設(shè)備及工藝進(jìn)行改進(jìn)和必要的補(bǔ)充是勢在必行。公告號(hào)CN101838333A的發(fā)明公開了一種高粘度聚陰離子纖維素的制備方法。該制備方法以精制棉為纖維素原料，包括的步驟有纖維素的堿化、纖維素的加醚化劑混合、纖維素的醚化、中和洗滌、產(chǎn)品的后處理；所述的制備方法還包括交聯(lián)反應(yīng)步驟，所述交聯(lián)反應(yīng)步驟是在所述纖維素的醚化和所述中和洗滌步驟之間進(jìn)行，所述交聯(lián)反應(yīng)步驟是將交聯(lián)劑N，N'-亞甲基雙丙烯酰胺加入到聚陰離子纖維素中進(jìn)行交聯(lián)反應(yīng)。其中存在的不足之處是:1、堿化前，堿、醇等原料在進(jìn)捏合機(jī)前未經(jīng)任何處理，只在捏合機(jī)里進(jìn)行10-30min短時(shí)間予混，(更長時(shí)間也不可能，因?yàn)榉磻?yīng)物在這一設(shè)備里的長期逗留，會(huì)嚴(yán)重影響整個(gè)生產(chǎn)線的產(chǎn)量)，這樣，因?yàn)槠鹗紲囟雀?，纖維素因?yàn)閴A性裂解又是放熱反應(yīng)，造成堿化起始溫度會(huì)較高，堿化起始溫度是影響產(chǎn)品粘度的關(guān)鍵因素之一，這樣會(huì)導(dǎo)致最終產(chǎn)品粘度的下降；2、整個(gè)堿化期間溫度也較高，在15-40°C，較大程度影響了高粘度產(chǎn)品的獲得，產(chǎn)品粘度不高，用于水基鉆井液時(shí)導(dǎo)致濾失量較高，耐鹽性能較差。3、醚化劑仍然使用單一的氯乙酸，這樣必然會(huì)使堿的用量很大，堿化、醚化時(shí)反應(yīng)的放熱量較大，導(dǎo)致產(chǎn)品的粘度有較大下降。雖然他們的產(chǎn)品當(dāng)取代度到達(dá)0.99-1.03時(shí)，1%水溶液的Brookfield粘度為6300-7000mpa.s的PAC ( 即取代均勻的CMC)產(chǎn)品，但距離國外的高水平還有差距。美國專利7，384，892 B2 亦即CN1989219A的專利采用原棉棉短絨作原料，用異丙醇-甲醇混合溶劑作溶媒，用漿液法制備了取代度到達(dá)1.18時(shí)，1%水溶液的Brookfield粘度為9913 mpa.s的PAC (即取代均勻的CMC)產(chǎn)品。但國外這種高性能的PAC產(chǎn)品的生產(chǎn)工藝是漿液法，也就是高倍溶劑法。制備PAC成本太高，所用溶劑為異丙醇的價(jià)格又是國內(nèi)CMC廠家所用乙醇溶劑價(jià)格的一倍。用漿液法制備的PAC產(chǎn)品在市場上顯然缺乏竟?fàn)幜Α?br>
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)上存在的上述缺陷，提供一種性能相當(dāng)于國外高性能的PAC產(chǎn)品的水基鉆井液用超高粘度聚陰離子纖維素的制備方法，所制得的聚陰離子纖維素具有超高的粘度，用于水基鉆井液時(shí)，耐鹽性能佳，表觀粘度高，濾失量低。本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是:
一種水基鉆井液用超高粘度聚陰離子纖維素的制備方法，所述的制備方法步驟如下:
(I)在低溫水冷卻下，把質(zhì)量濃度45-50%氫氧化鈉水溶液和質(zhì)量濃度85-95%乙醇水溶液按1: 1.4-2.5的重量比攪拌混合均勻，得到8-13°C的醇-堿混合液。本步驟是本發(fā)明的關(guān)鍵發(fā)明點(diǎn)之一，本發(fā)明突破常規(guī)，首先將堿化使用的醇-堿原料在捏合機(jī)外進(jìn)行低溫處理，然后再進(jìn)捏合機(jī)與精制棉堿化反應(yīng)，這樣能明顯降低堿化反應(yīng)的溫度(尤其是起始時(shí)的溫度)，不會(huì)存在局部過熱的發(fā)生，精制棉堿化的均勻性好，降低了精制棉即纖維素的裂解，從而提高產(chǎn)品粘度。(2)將高聚合度精制棉撕碎后`，與醇-堿混合液投入捏合機(jī)中，精制棉與醇-堿混合液中堿的摩爾比為1:1.9-2.5，對(duì)精制棉進(jìn)行低溫堿化，堿化溫度8-13°C，堿化時(shí)間30_60mino堿化溫度、及堿化原料醇-堿混合液的溫度控制一致，能保證堿化的精制棉堿化的均勻性好，產(chǎn)品的質(zhì)量佳。堿化原料醇-堿混合液的溫度控制及堿化溫度的控制對(duì)產(chǎn)品粘度的影響異常關(guān)鍵，發(fā)明人經(jīng)過長期探索實(shí)踐發(fā)現(xiàn)，堿化溫度13°c是個(gè)臨界值，這是個(gè)對(duì)于常規(guī)技術(shù)人員而言非顯而易見的特征，堿化溫度超過13°C，隨著溫度的升高，產(chǎn)品的粘度會(huì)明顯下降，因此本發(fā)明控制堿化溫度13°C以下，溫度低降低了精制棉即纖維素的裂解，利于提高產(chǎn)品粘度，但是在工業(yè)化生產(chǎn)過程中，溫度越低，需要的設(shè)備昂貴，且條件苛刻，生產(chǎn)成本高，因此，為滿足工業(yè)化生產(chǎn)需求(較低的生產(chǎn)成本)與產(chǎn)品性能(較佳的性能)的平衡考慮，控制堿化溫度、及堿化原料醇-堿混合液的溫度均在8-13°C。(3)堿化結(jié)束后，加入醚化劑，醚化劑與精制棉的摩爾比為1.4-2.0:1，醚化劑加完后，加入二次氫氧化鈉，氫氧化鈉與精制棉的摩爾比為0.1-0.2:1，然后升溫至75-80°C醚化反應(yīng)35_90min?，F(xiàn)有技術(shù)中，通常將堿即氫氧化鈉在堿化時(shí)一次性加入，這樣勢必造成堿化反應(yīng)的放熱量大，而且捏合機(jī)中堿濃度也較大，加入醚化劑(常規(guī)為氯乙酸)的需求也相應(yīng)增大，導(dǎo)致加入醚化劑時(shí)大量的酸與堿中和反應(yīng)放熱，產(chǎn)生大量熱量，嚴(yán)重降低產(chǎn)品的粘度。因此，本發(fā)明采取堿化結(jié)束、醚化劑加完后再加入氫氧化鈉，將原來的一次加堿分開成現(xiàn)在的兩次加堿，這樣能有效控制反應(yīng)的放熱量過大，保證產(chǎn)品具有高粘度。(4)醚化反應(yīng)結(jié)束后，產(chǎn)物中和至pH到7-7.5，經(jīng)洗滌、烘干、粉碎得到水基鉆井液用超高粘度聚陰離子纖維素。作為優(yōu)選，步驟(3)所述醚化劑為氯乙酸鈉與氯乙酸按摩爾比為0.5-3:1的混合物，醚化劑以乙醇溶液形式加入，所述醚化劑占乙醇溶液的質(zhì)量百分比為50-75%。氯乙酸鈉以細(xì)粉加入。采用組合醚化劑是本發(fā)明的又一關(guān)鍵發(fā)明點(diǎn)，發(fā)明人突破常規(guī)加單一氯乙酸醚化劑的模式，開發(fā)一種新型的組合醚化劑，通過氯乙酸鈉的加入，既能降低堿化時(shí)的堿用量，又能降低醚化時(shí)酸(氯乙酸)用量，這樣，無論堿化還是醚化，反應(yīng)體系的放熱被最大限度的控制降低，這樣能有效減少精制棉的粘度損失，大大提高產(chǎn)品粘度。堿化的目的是獲得纖維素鈉，還剩余部分堿，下一步醚化中，醚化劑(氯乙酸)能中和堿化剩余的堿，獲得氯乙酸鈉，然后纖維素鈉與氯乙酸鈉反應(yīng)獲得聚陰離子纖維素。而采用本發(fā)明的組合醚化劑，氯乙酸鈉直接就有相當(dāng)份額，無需大量的堿(堿化剩余部分堿)與氯乙酸反應(yīng)獲得，這樣能有效降低堿化所需的堿量，也能降低醚化所需的酸量，無論堿化還是醚化，反應(yīng)體系的放熱被最大限度的控制降低，這樣能有效減少精制棉的粘度損失，大大提聞廣品粘度。作為優(yōu)選，步驟(3)所述醚化劑的加入時(shí)間控制在20_50min，醚化劑加入期間溫度控制在25°C以下。利于提高產(chǎn)品粘度。作為優(yōu)選，醚化劑加入期間加入交聯(lián)劑，交聯(lián)劑的用量為精制棉重量的0.2-1.0%。作為優(yōu)選，所述交聯(lián)劑選自二氯乙酸、表氯醇、氯丙醇中的一種，交聯(lián)劑用乙醇稀釋到質(zhì)量濃度為3%-5%后再加入。使用交聯(lián)劑能大大提高產(chǎn)品的粘度，發(fā)明人通過實(shí)踐探索發(fā)明，交聯(lián)劑選自二氯乙酸、表氯醇、氯丙醇中的一種，使用效果最佳，對(duì)產(chǎn)品的粘度提高效果好。作為優(yōu)選，步驟(2)所述高聚合度精制棉的聚合度在2600以上。這樣精制棉的原始粘度聞，所得廣品粘度也有保障。作為優(yōu)選，步驟(2)將高聚合度精制棉撕碎后，與醇-堿混合液投入捏合機(jī)中后，向捏合機(jī)中充入氮?dú)馀懦蠛蠙C(jī)中的氧氣。排除氧氣可以降低精制棉即纖維素的裂解，利于提聞廣品粘度。作為優(yōu)選，步驟(3)加入氫氧化鈉的氫氧化鈉為片狀固體或水溶液的形式加入，水溶液中的氫氧化鈉質(zhì)量濃度為45-50%。本發(fā)明的有益效果是:所制得的聚陰離子纖維素具有超高的粘度，生產(chǎn)成本低，用于水基鉆井液時(shí)，耐鹽性能佳，表觀粘度高，濾失量低。
具體實(shí)施例方式下面通過具體實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案作進(jìn)一步的具體說明。本發(fā)明中，若非特指，所采用的原料和設(shè)備等均可從市場購得或是本領(lǐng)域常用的。下述實(shí)施例中的方法，如無特別說明，均為本領(lǐng)域的常規(guī)方法。實(shí)施例1:
(O在低溫水冷卻下，把質(zhì)量濃度45%氫氧化鈉水溶液和質(zhì)量濃度95%乙醇水溶液按1:1.4的重量比攪拌混合均勻，得到8°C左右的醇-堿混合液；
(2)將高聚合度精制棉(聚合度在2600以上)撕碎后，與醇-堿混合液投入捏合機(jī)中后，向捏合機(jī)中充入氮?dú)馀懦蠛蠙C(jī)中的氧氣；精制棉與醇-堿混合液中堿的摩爾比為1:1.9，對(duì)精制棉進(jìn)行低溫堿化，堿化溫度控制8°C左右，堿化時(shí)間60min ； (3)堿化結(jié)束后，加入醚化劑，醚化劑與精制棉的摩爾比為1.4:1，所述醚化劑為氯乙酸鈉與氯乙酸按摩爾比為2.6:1的混合物，醚化劑中的氯乙酸以乙醇溶液形式加入，所述醚化劑中的氯乙酸占乙醇溶液的質(zhì)量百分比為75%;氯乙酸鈉以細(xì)粉加入。所述醚化劑的加入時(shí)間控制在20min，醚化劑加入期間溫度控制在25°C以下；醚化劑加入期間加入交聯(lián)劑，交聯(lián)劑的用量為精制棉重量的0.2%，交聯(lián)劑為二氯乙酸，交聯(lián)劑用乙醇稀釋到質(zhì)量濃度為3%后再加入；醚化劑加完后，加入氫氧化鈉，氫氧化鈉與精制棉的摩爾比為0.1:1，然后升溫至80 °C醚化反應(yīng)35min ；
(4)醚化反應(yīng)結(jié)束后，產(chǎn)物中和至pH到7-7.5，經(jīng)洗滌、烘干、粉碎得到水基鉆井液用超高粘度聚陰離子纖維素，檢測數(shù)據(jù)見表I。表I
權(quán)利要求
1.種水基鉆井液用超高粘度聚陰離子纖維素的制備方法，其特征在于:所述的制備方法步驟如下: (1)在低溫水冷卻下，把質(zhì)量濃度45-50%氫氧化鈉水溶液和質(zhì)量濃度85-95%乙醇水溶液按1: 1.3-2.5的重量比攪拌混合均勻，得到8-13°C的醇-堿混合液； (2)將高聚合度精制棉撕碎后，與醇-堿混合液投入捏合機(jī)中，精制棉與醇-堿混合液中堿的摩爾比為1: 1.9-2.5，對(duì)精制棉進(jìn)行低溫堿化，堿化溫度8-13°C，堿化時(shí)間30_60min ； (3)堿化結(jié)束后，加入醚化劑，醚化劑與精制棉的摩爾比為1.3-3.5:1，醚化劑加完后，加入氫氧化鈉，氫氧化鈉與精制棉的摩爾比為0.1-1.4:1,然后升溫至75-80°C醚化反應(yīng)35_90min ； (4)醚化反應(yīng)結(jié)束后，產(chǎn)物中和至pH到7-7.5，經(jīng)洗滌、烘干、粉碎得到水基鉆井液用超高粘度聚陰離子纖維素。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制備方法，其特征在于:步驟(3)所述醚化劑為氯乙酸鈉與氯乙酸按摩爾比為0.5-3:1的混合物，醚化劑以乙醇溶液形式加入，所述醚化劑占乙醇溶液的質(zhì)量百分比為50-75%。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的制備方法，其特征在于:步驟(3)所述醚化劑的加入時(shí)間控制在20-50min，醚化劑加入期間溫度控制在25°C以下。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的制備方法，其特征在于:醚化劑加入期間加入交聯(lián)劑，交聯(lián)劑的用量為精制棉重量的0.2-1.0%。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的制備方法，其特征在于:所述交聯(lián)劑選自二氯乙酸、表氯醇、氯丙醇中的一種，交聯(lián)劑用乙醇稀釋到質(zhì)量濃度為3%-5%后再加入。
6.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的制備方法，其特征在于:步驟(2)所述高聚合度精制棉的聚合度在2600以上。
7.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的制備方法，其特征在于:步驟(2)將高聚合度精制棉撕碎后，與醇-堿混合液投入捏合機(jī)中后，向捏合機(jī)中充入氮?dú)馀懦蠛蠙C(jī)中的氧氣。
8.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的制備方法，其特征在于:步驟(3)加入氫氧化鈉的氫氧化鈉為片狀固體或水溶液的形式加入，水溶液中的氫氧化鈉質(zhì)量濃度為45-50%。
全文摘要
本發(fā)明涉及聚陰離子纖維素生產(chǎn)技術(shù)領(lǐng)域，公開了一種水基鉆井液用超高粘度聚陰離子纖維素的制備方法。本發(fā)明步驟為(1)把氫氧化鈉水溶液和乙醇水溶液混勻，得到8-13℃的醇-堿混合液；(2)將高聚合度精制棉撕碎后，與醇-堿混合液投入捏合機(jī)中，對(duì)精制棉進(jìn)行低溫堿化；(3)堿化結(jié)束后，加入醚化劑，醚化劑加完后，加入氫氧化鈉，然后升溫至75-80℃醚化反應(yīng)；(4)醚化反應(yīng)結(jié)束后，產(chǎn)物中和至pH到7-7.5，經(jīng)洗滌、烘干、粉碎得到水基鉆井液用超高粘度聚陰離子纖維素。本發(fā)明所制得的聚陰離子纖維素具有超高的粘度，生產(chǎn)成本低，用于水基鉆井液時(shí)，耐鹽性能佳，表觀粘度高，濾失量低。
文檔編號(hào)C08B11/12GK103087202SQ20121055526
公開日2013年5月8日 申請(qǐng)日期2012年12月20日 優(yōu)先權(quán)日2012年12月20日
發(fā)明者陳網(wǎng)根, 朱國生 申請(qǐng)人:杭州弘博化工有限公司