阅读说明：本技术 钻井液用增粘剂改性植物胶及其制备方法 (Tackifier modified vegetable gum for drilling fluid and preparation method thereof ) 是由 李万强 钱帆 胡宗建 邓宇 陈智 王君 王姝蕾 吴义 王燕 于 2019-09-29 设计创作，主要内容包括：本发明提供了一种钻井液用增粘剂改性植物胶及其制备方法,改性植物胶包括以下重量份组分：瓜尔胶7～11份、水解聚丙烯酰胺0.6～1份、硼砂1.1～1.3份、氢氧化钠水溶液0.8～1.5份、环氧乙烷1.2～1.5份和聚氨酯6～6.5份。本发明还提供了上述改性植物胶的制备方法。本发明在碱性条件下改性植物胶,进一步提高植物胶的黏度和降失水性,以及护壁防塌等能力,同时简化改性植物胶的制备工艺,降低成产成本,使得植物胶价格回落,有利于推广使用。(The invention provides tackifier modified vegetable gum for drilling fluid and a preparation method thereof, wherein the modified vegetable gum comprises the following components in parts by weight: 7-11 parts of guar gum, 0.6-1 part of hydrolyzed polyacrylamide, 1.1-1.3 parts of borax, 0.8-1.5 parts of sodium hydroxide aqueous solution, 1.2-1.5 parts of ethylene oxide and 6-6.5 parts of polyurethane. The invention also provides a preparation method of the modified vegetable gum. The modified vegetable gum is modified under the alkaline condition, so that the viscosity and the water loss of the vegetable gum are further improved, the wall protection and collapse prevention capabilities are further improved, the preparation process of the modified vegetable gum is simplified, the production cost is reduced, the price of the vegetable gum falls, and the popularization and the use are facilitated.)

钻井液用增粘剂改性植物胶及其制备方法

技术领域

本发明属于钻井液用植物胶技术领域，具体涉及一种钻井液用增粘剂改性植物胶及其制备方法。

背景技术

钻井液，是钻井过程中以其多种功能满足钻井工作需要的各种循环流体总称。地下钻井作业的严酷环境促进了对钻井液的研究和开发，要求能够在钻井过程中完成以下多项关键任务：悬浮、压力控制、岩层稳定性、浮力、润滑和冷却。为满足工程要求及环境保护的需要，人们通常采用一些性能良好的植物胶冲洗液作为钻井液进行钻探。植物胶冲洗液是指来源于植物资源，经过一定的加工处理后可以应用于钻探冲洗液的一大类植物，大多数属于天然高分子聚合物。瓜尔胶、田菁胶和香豆胶等植物胶属于天然的多糖高分子化合物，具有较好的水溶性和交联性，并且粘度很高，可广泛应用于石油等行业。

但上述植物胶原粉在使用过程中，往往不能达到工业生产所要求的快速溶胀和水合，其溶解速度缓慢，水不溶物含量高，降失水性差，因此必须对其进行改性，增大其应用范围。同时，改性植物胶由于其生产工艺复杂，所得产品价格偏高，严重影响了其推广应用。

发明内容

针对现有技术中存在的上述问题，本发明提供一种钻井液用增粘剂改性植物胶及其制备方法，在碱性条件下改性植物胶，进一步提高植物胶的黏度和降失水性，以及护壁防塌等能力，同时简化改性植物胶的制备工艺，降低成产成本，使得植物胶价格回落，有利于推广使用。

为实现上述目的，本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：提供一种钻井液用增粘剂改性植物胶，包括以下重量份组分：瓜尔胶7～11份、水解聚丙烯酰胺0.6～1份、硼砂1.1～1.3份、氢氧化钠水溶液0.8～1.5份、环氧乙烷1.2～1.5 份和聚氨酯6～6.5份。

进一步，包括以下重量份组分：瓜尔胶9份、水解聚丙烯酰胺0.8份、硼砂 1.2份、氢氧化钠水溶液1.2份、环氧乙烷1.3份和聚氨酯6.3份。

进一步，水解聚丙烯酰胺通过以下方法制备得到：

(1)向蒸馏水中加入丙烯酰胺和碳酸盐，搅拌溶解后使其浓度为20％～30％，再加入异丙醇和乙二醇，并调节pH值至8～9，得混合液；

(2)在步骤(1)所得混合液中加入氧化剂、还原剂、乙二胺四乙酸钠和十二烷基硫醇，在氮气保护条件下，在0～20℃温度下反应3～5h，然后升温至 60～80℃水解2～3h，静置后得水解聚丙烯酰胺。

进一步，步骤(1)中所加入的丙烯酰胺、碳酸盐、异丙醇和乙二醇的质量比为15～20:9～13:0.01～0.02:0.01～0.02。

进一步，步骤(1)中所加入的丙烯酰胺、碳酸盐、异丙醇和乙二醇的质量比为17:11:0.01:0.01。

进一步，步骤(2)中所加入的氧化剂、还原剂、乙二胺四乙酸钠和十二烷基硫醇的质量比为1～10:1～13:2～10:1～9。

进一步，步骤(2)中所加入的氧化剂、还原剂、乙二胺四乙酸钠和十二烷基硫醇的质量比为5:7:6:5。

进一步，碳酸盐为碳酸钠或碳酸氢钠，氧化剂为过氧化氢、过硫酸钠或过硫酸钾，还原剂为亚硫酸钠、亚硫酸钾、乙二胺或三乙醇胺。

进一步，氢氧化钠水溶液浓度为0.4～0.8wt％。

上述钻井液用增粘剂改性植物胶的制备方法，包括以下步骤：

(1)向瓜尔胶和聚氨酯混合后加入氢氧化钠水溶液，在70～90℃条件下保温1～4h，得混合水溶液Ⅰ；

(2)向步骤(1)所得混合水溶液Ⅰ中加入环氧乙烷，在50～80℃条件下反应3～7h，然后再加入水解聚丙烯酰胺和硼砂，搅拌混合得混合水溶液Ⅱ；

(3)向步骤(2)所得混合水溶液Ⅱ中加入稀盐酸，调节pH值为7±0.5，在70～80℃条件下烘干，粉碎，得改性植物胶。

综上所述，本发明具备以下优点：

1、本发明通过瓜尔胶和水解聚丙烯酰胺等为原料，先后进行碱化和羟乙基化，可以快速制得改性植物胶，所得植物胶具有较好的亲水性、可溶性和降失水性，粘结性好，能够快速吸附在孔壁或在岩芯表面形成一层保护胶膜，有利于护臂和保护岩芯，且无毒无污染，环保可降解；同时有效简化了改性植物胶制备工艺，不需要多次加液反应，降低了生产成本，使得改性植物胶更加利于推广使用。

2、在改性植物胶中，以瓜尔胶为主要成分，其含有糖类、纤维素、淀粉和蛋白质等物质，多糖分子可以提高粘性和吸附作用，纤维素是形成植物胶高分子链的物质基础，蛋白质分解的氨基酸可以减少在不良环境下的降解速度，脂肪可以促进植物胶成膜，薄膜覆盖于井壁和岩芯上，防止井壁坍塌；水解聚丙烯酰胺可以增强植物胶的吸附作用，水解聚丙烯酰胺的分子链固定在不同植物胶离子键位上，在键位之间形成连接桥，使植物胶形成络合的长链结构，进行吸附架桥，并且水解聚丙烯酰胺还可以通过植物胶的分散断链形成网状结构；硼砂可以增强交联作用形成胶体，延长植物胶胶体的耐久性，弹性较好；氢氧化钠则用于进行碱化反应，有利于水分子进入聚糖分子之间，以氢键联结的形式存在，水分子被束缚在聚糖分子之间，从而具有较强的韧性；环氧乙烷用于进行醚化反应，保证羟乙基的取代反应顺利进行，生成羟乙基瓜尔胶，增强植物胶的亲水性，更易溶解，降低水不溶物；而聚氨酯则作为堵漏剂添加在改性植物胶中，增强改性植物胶的堵漏能力，封堵钻进漏洞。

3、本制备方法很大程度上进行了简化，大致只需要碱化、羟乙基化、中和以及烘干粉碎即可得改性植物胶，先后得到瓜尔胶粉钠和羟乙基瓜尔胶，相比于传统制备方法，不需要先后多次添加反应原料，温度时间等条件控制简单方便，降低了生产成本；同时水解聚丙烯酰胺的制备方法同样简单便于操作，所得产物酰亚胺化交联及支链很少，水解度均匀；通过上述上方所得改性瓜尔胶在使用过程中可以迅速在孔壁表面形成结构网胶膜，胶粒填充在结构网孔隙中，增强其隔水性，提高渗水阻力，具有降失水功能，防止孔壁岩石水化膨胀，提高孔壁稳定性，同时还具有较强的润滑和堵漏作用。

具体实施方式

实施例1

一种钻井液用增粘剂改性植物胶，包括以下重量份组分：瓜尔胶7份、水解聚丙烯酰胺0.6份、硼砂1.1份、氢氧化钠水溶液0.8份、环氧乙烷1.2份和聚氨酯6份；氢氧化钠水溶液浓度为0.4wt％。

其中，水解聚丙烯酰胺通过以下方法制备得到：

(1)向蒸馏水中加入丙烯酰胺和碳酸钠，搅拌溶解后使其浓度为20％，再加入异丙醇和乙二醇，并调节pH值至8，得混合液；且丙烯酰胺、碳酸钠、异丙醇和乙二醇的质量比为15:9:0.01:0.01；

(2)在步骤(1)所得混合液中加入过氧化氢、亚硫酸钠、乙二胺四乙酸钠和十二烷基硫醇，在氮气保护条件下，在5℃温度下反应3h，然后升温至60℃水解2h，静置后得水解聚丙烯酰胺；且过氧化氢、亚硫酸钠、乙二胺四乙酸钠和十二烷基硫醇的质量比为1:1:2:1。

上述钻井液用增粘剂改性植物胶的制备方法，包括以下步骤：

(1)向瓜尔胶和聚氨酯混合后加入氢氧化钠水溶液，在70℃条件下保温 1h，得混合水溶液Ⅰ；

(2)向步骤(1)所得混合水溶液Ⅰ中加入环氧乙烷，在50℃条件下反应 3h，然后再加入水解聚丙烯酰胺和硼砂，搅拌混合得混合水溶液Ⅱ；

(3)向步骤(2)所得混合水溶液Ⅱ中加入稀盐酸，调节pH值为7±0.5，在70℃条件下烘干，粉碎，得改性植物胶。

实施例2

一种钻井液用增粘剂改性植物胶，包括以下重量份组分：瓜尔胶9份、水解聚丙烯酰胺0.8份、硼砂1.2份、氢氧化钠水溶液1.2份、环氧乙烷1.3份和聚氨酯6.3份；氢氧化钠水溶液浓度为0.6wt％。

其中，水解聚丙烯酰胺通过以下方法制备得到：

(1)向蒸馏水中加入丙烯酰胺和碳酸钠，搅拌溶解后使其浓度为25％，再加入异丙醇和乙二醇，并调节pH值至8.5，得混合液；且丙烯酰胺、碳酸钠、异丙醇和乙二醇的质量比为17:11:0.01:0.01；

(2)在步骤(1)所得混合液中加入过硫酸钠、乙二胺、乙二胺四乙酸钠和十二烷基硫醇，在氮气保护条件下，在10℃温度下反应4h，然后升温至70℃水解3h，静置后得水解聚丙烯酰胺；且过硫酸钠、乙二胺、乙二胺四乙酸钠和十二烷基硫醇的质量比为5:7:6:5。

上述钻井液用增粘剂改性植物胶的制备方法，包括以下步骤：

(1)向瓜尔胶和聚氨酯混合后加入氢氧化钠水溶液，在80℃条件下保温 3h，得混合水溶液Ⅰ；

(2)向步骤(1)所得混合水溶液Ⅰ中加入环氧乙烷，在60℃条件下反应5h，然后再加入水解聚丙烯酰胺和硼砂，搅拌混合得混合水溶液Ⅱ；

(3)向步骤(2)所得混合水溶液Ⅱ中加入稀盐酸，调节pH值为7±0.5，在75℃条件下烘干，粉碎，得改性植物胶。

实施例3

一种钻井液用增粘剂改性植物胶，包括以下重量份组分：瓜尔胶7～11份、水解聚丙烯酰胺0.8份、硼砂1.2份、氢氧化钠水溶液1.3份、环氧乙烷1.4份和聚氨酯6.3份；氢氧化钠水溶液浓度为0.7wt％。

其中，水解聚丙烯酰胺通过以下方法制备得到：

(1)向蒸馏水中加入丙烯酰胺和碳酸氢钠，搅拌溶解后使其浓度为25％，再加入异丙醇和乙二醇，并调节pH值至8，得混合液；且丙烯酰胺、碳酸氢钠、异丙醇和乙二醇的质量比为18:12:0.02:0.02；

(2)在步骤(1)所得混合液中加入过硫酸钾、亚硫酸钾、乙二胺四乙酸钠和十二烷基硫醇，在氮气保护条件下，在0～20℃温度下反应3～5h，然后升温至60～80℃水解2～3h，静置后得水解聚丙烯酰胺；且过硫酸钾、亚硫酸钾、乙二胺四乙酸钠和十二烷基硫醇的质量比为1～10:1～13:2～10:1～9。

上述钻井液用增粘剂改性植物胶的制备方法，包括以下步骤：

(1)向瓜尔胶和聚氨酯混合后加入氢氧化钠水溶液，在80℃条件下保温 3h，得混合水溶液Ⅰ；

(2)向步骤(1)所得混合水溶液Ⅰ中加入环氧乙烷，在70℃条件下反应 5h，然后再加入水解聚丙烯酰胺和硼砂，搅拌混合得混合水溶液Ⅱ；

(3)向步骤(2)所得混合水溶液Ⅱ中加入稀盐酸，调节pH值为7±0.5，在75℃条件下烘干，粉碎，得改性植物胶。

实施例4

一种钻井液用增粘剂改性植物胶，包括以下重量份组分：瓜尔胶11份、水解聚丙烯酰胺1份、硼砂1.3份、氢氧化钠水溶液1.5份、环氧乙烷1.5份和聚氨酯6.5份；氢氧化钠水溶液浓度为0.8wt％。

其中，水解聚丙烯酰胺通过以下方法制备得到：

(1)向蒸馏水中加入丙烯酰胺和碳酸氢钠，搅拌溶解后使其浓度为30％，再加入异丙醇和乙二醇，并调节pH值至9，得混合液；且丙烯酰胺、碳酸氢钠、异丙醇和乙二醇的质量比为20:13:0.02:0.02；

(2)在步骤(1)所得混合液中加入过氧化氢、三乙醇胺、乙二胺四乙酸钠和十二烷基硫醇，在氮气保护条件下，在20℃温度下反应5h，然后升温至80℃水解3h，静置后得水解聚丙烯酰胺；且过氧化氢、三乙醇胺、乙二胺四乙酸钠和十二烷基硫醇的质量比为10:13:10:9。

上述钻井液用增粘剂改性植物胶的制备方法，包括以下步骤：

(1)向瓜尔胶和聚氨酯混合后加入氢氧化钠水溶液，在90℃条件下保温 4h，得混合水溶液Ⅰ；

(2)向步骤(1)所得混合水溶液Ⅰ中加入环氧乙烷，在80℃条件下反应 7h，然后再加入水解聚丙烯酰胺和硼砂，搅拌混合得混合水溶液Ⅱ；

(3)向步骤(2)所得混合水溶液Ⅱ中加入稀盐酸，调节pH值为7±0.5，在80℃条件下烘干，粉碎，得改性植物胶。

测定实施例1～4所得改性植物胶的漏斗粘度、绝对粘度和滤失水量，其结果见表1。

表1改性植物胶测试统计表

从表1可知，实施例1～4所得的改性植物胶均具有较好的粘度和降失水性，具有较强的粘结性；通过该方法所得的改性植物胶性能优异，可以广泛应用与多个广场，且实施例2所得改性植物胶的效果最好。

对比例

一种改性植物胶的制备工艺，包括以下步骤：利用吹风式投料器将瓜尔胶 100kg投入到真空反应釜中，开机搅拌，同时在化学品配置罐里配制好0.4％的烧碱，用其调节瓜尔胶的PH值至8.0，在另一个化学品配置罐里配置好双氧水 3kg和5％的硫酸铜催化剂0.2kg，用喷雾式喷头喷入到反应釜中，密封反应釜；抽真空，保持温度在55℃～65℃，瓜尔胶进行氧化反应2.0～3.0小时，喷入配置好的高锰酸钾0.3kg和硫酸0.2kg作为引发剂，活化瓜尔胶0.3～1.0小时，同时用工业酒精12kg作为溶剂，分别配置醋酸乙烯酯4kg和甲基丙烯酸甲酯8kg；然后喷入到反应釜中，在100～130℃中接枝反应2.0～3.0小时，将氢化植物油15kg 以液态形式喷入到反应釜中，同时喷入0.8kg OP-10，冷却，调节PH值至中性，得改性植物胶浆料，下料包装。

对比例所提供的改性植物胶制备方法，需要在制备过程中多次添加原材料，完成多个反应，也容易残留反应原料，影响改性植物胶的纯度，溶解速度较慢，水不溶物含量较高，从而影响其使用性能；且制备工艺复杂，需要多次真空操作和喷入试剂，容易造成误差，影响改性植物胶的性能，不利于广泛使用。而本申请所提供的制备方法通过瓜尔胶和水解聚丙烯酰胺等为原料，先后进行碱化和羟乙基化，可以快速制得改性植物胶，所得植物胶具有较好的亲水性、可溶性和降失水性，粘结性好，能够快速吸附在孔壁或在岩芯表面形成一层保护胶膜，有利于护臂和保护岩芯，且无毒无污染，环保可降解；同时有效简化了改性植物胶制备工艺，不需要多次加液反应，降低了生产成本，使得改性植物胶更加利于推广使用。

虽然对本发明的具体实施方式进行了详细地描述，但不应理解为对本专利的保护范围的限定。在权利要求书所描述的范围内，本领域技术人员不经创造性劳动即可作出的各种修改和变形仍属本专利的保护范围。