CN101942292A - 一种油基钻井液用有机粘土及其生产方法 - Google Patents

Abstract

一种油基钻井液用有机粘土，该油基钻井液用有机粘土由累托石和季铵盐构成，其重量份配比为:累托石 75~90 季铵盐10~25。其生产工艺步骤为：A、干燥；B、有机化反应；C、陈化、干燥、磨粉。本发明的优点：本发明直接采用钙基累托石粘土，不需先经过钠化，工艺简单，操作方便，季铵盐用量比有机膨润土少40%以上，成本低，有机化效果好。它粘度高，动切力适中，滤失量小，可以在配浆时减少有机土的加入量，节约成本。滤失量低、泥饼薄而光滑致密，有利于护壁和井下安全。热稳定性好，耐高温性能优于膨润土，与其它粘土和处理剂的配伍性好，滑润性好，能加快钻井速度，节省钻头，降低钻井成本。

Description

一种油基钻井液用有机粘土及其生产方法

技术领域

本发明涉及一种石油、天然气、地矿、建筑工程等行业用于钻井、钻探的材料，属钻井用组合物领域。具体地说涉及一种油基钻井液用有机粘土及其生产方法。 

背景技术

在本发明之前，油基钻井液(包括油/水乳状钻井液)所用的有机土，大多是采用膨润土为原料制成。其制备工艺一般为采用钠基膨润土为原料，经过与季铵盐充分反应，进行阳离子交换。

有机膨润土的增粘提切作用一般都不太强。以国家标准SY/ZQ 003-89为例，该标准规定油基钻井液用有机土的性能为：胶体率90%；塑性粘度≥6 mPa·s；表观粘度≥ 7 mPa·s；动切力≥ 1 Pa；滤失量≤ 45 mL。尽管如此，仍有一些有机膨润土难以达到这样的性能指标要求。

专利02103804.X公开了一种挤压法制备有机膨润土的方法，但是它必须是以钠基膨润土为原料，加入季铵盐的量为膨润土重量百分比35~55%。专利200710158857.6公开了一种有机膨润土的制备方法，以钠基膨润土为原料，采用阴离子表面活性剂经过溶液体系的反应，活性剂的加入量为0.5~2mol/1000g膨润土。专利99119834.4公开了一种有机膨润土的制备方法，需使用碱金属基膨润土为原料，使用季铵盐和聚不饱和羧酸衍生物，其中季铵盐的加入量为膨润土阳离子交换当量的0.9~1.2倍。专利00101420.X公开了有机膨润土的生产方法，选取钠膨润土为原料，采用挤压法制备有机膨润土。

传统技术以及上述这些技术，都是采用钠基膨润土为原料，加入表面活性剂。主要不足是：

1)     膨润土的增粘提切作用是有限的。

2)     有机膨润土要求以钠基膨润土为原料，而大多数天然的膨润土是钙基的，因此在进行有机化之前，需要对钙基膨润土进行钠化处理。

3)     表面活性剂加入量根据膨润土的阳离子交换量进行计算，膨润土的阳离子交换量大约70~100mmol/100g，因此，根据表面活性剂分子量的不同，每100g膨润土大约加入30~70g表面活性剂，当量表面活性剂的加入量一般与阳离子交换量CEC相当。

4)     有机膨润土的生产工艺一般流程长，尤其是在离子交换时，需要进行长时间的溶液体系的反应。

5)     有机膨润土耐高温性能不好。

累托石是一种新型的粘土矿，结构上，它是由类云母层与类蒙脱石层组成的1:1规则间层矿物，一个完整晶层厚度大约2.2nm。累托石矿物的类蒙脱石层间带负电荷，可吸附阳离子，具有阳离子交换性质。经过钠化的水基累托石具有良好的胶体性能，它流变性能好，造浆率高，滤失量低，抗盐性、高温稳定性优异，已经是一种优质的水基钻井泥浆材料。作为水基钠型钻井液材料，专利01133501.7已经说明了这一点。

累托石具有下列独特的性能：

高分散性——累托石极易分散，并能长期保持悬浮；吸附性和阳离子交换——累托石结构中类蒙脱石层间的水化阳离子，可以被其它无机、有机阳离子交换，如钠、铝、锆、硅及季胺盐等单一或复合离子，能吸附各种无机离子、有机分子和气体分子；高温稳定性——累托石的耐火度高达1650℃，并能在500℃状态下保持晶体结构的稳定；层间孔径和电荷密度可调控——累托石层间孔径在使用不同处理剂进行离子交换后，可形成2—5nm的大孔径层柱状二维通道结构，在大范围的酸碱、水热、温度条件下保持稳定性，其层间电荷密度可据需调整,以获得适当的活性。

尽管累托石具有这些优点，但是，有机累托石用于油基钻井液还没有报道。

发明内容

本发明的目的在于针对现有用有机膨润土作为制备钻井用有机粘土的基本材料具有上述之不足,而提供一种油基钻井液用有机粘土及其生产方法。

本发明由累托石和季铵盐构成；其重量份配比为:

累托石  75 ~ 90      季铵盐10 ~ 25。

其生产工艺步骤为：

 A、干燥：钙基累托石经干燥、破碎，制成钙基累托石粉；

B、有机化反应，将季铵盐溶液加入钙基累托石粉中，采用剪切挤压装置使其与季铵盐水溶液混合均匀，在30 ~ 90℃温度下，挤压剪切并发生离子交换反应，反应时间为30 ~210分钟；

C、陈化、干燥、磨粉：将上述有机化反应物进行陈化，干燥，磨粉，即制得油基钻井液用有机粘土。

钙基累托石粘土是提纯的钙基累托石精矿或天然钙基累托石原矿，其矿物结构中类蒙脱石层间阳离子含钙离子占50% 以上，吸蓝量≥0.42mmol/g，累托石含量≥55%。

所述季铵盐是m-烷基三甲基卤化铵或/和n-烷基二甲基苄基卤化铵，m-烷基三甲基卤化铵的碳链m为10~24，n-烷基二甲基苄基卤化铵的碳链n为10~24。

破碎前的干燥工艺是将钙基累托石粘土经风干、晒干或烘干，使其含水量≤

10%。

破碎工艺是用破碎机将钙基累托石破碎至粒径0.8mm以下。

剪切挤压装置是辗轮式混砂机、推进式挤压机或混炼机。

陈化工艺是将其置于阴凉、干燥处堆放48-240小时。

陈化后的干燥工艺是风干、晒干或烘干，使其含水量≤8 %。

磨粉工艺是采用粉碎机将其粉碎成粒径0.173 mm以下。

本发明的优点： 

由于累托石的阳离子交换容量(CEC)为36~40mmol/100g，膨润土CEC一般为70~100mmol/100g，由于累托石与蒙脱石矿物结构的差异，累托石层间电荷大大低于蒙脱石的层间电荷，所以累托石比以蒙脱石矿物为主的膨润土的阳离子交换容量低。因而，有机化累托石所用阳离子活性剂的质量为有机膨润土的1/2 ~ 1/3。同时，由于累托石矿物结构中含有云母层，使其具有优于膨润土的热稳定性和耐高温性能，更适合用做深井钻井液材料，它具有以下突出的优点：

1. 本发明直接采用钙基累托石粘土，不需先经过钠化，工艺简单，操作方便，季铵盐用量比有机膨润土少40%以上，成本低，有机化效果好。

2. 本发明的油基钻井液用有机累托石粘土的技术指标优于同类产品的有机膨润土。它粘度高，动切力适中，滤失量小，可以在配浆时减少有机土的加入量，节约成本。滤失量低、泥饼薄而光滑致密，有利于护壁和井下安全。

3. 本发明油基钻井液用有机累托石粘土的热稳定性好，耐高温性能优于膨润土，泥浆经220℃处理后，流变参数性能获得进一步改善，也适合于深井使用。

4. 本发明油基钻井液用有机粘土与其它粘土和处理剂的配伍性好。

6. 本发明的累托石钻井液材料滑润性好，能加快钻井速度，节省钻头，降低钻井成本。

附图说明

附图中表1 为有机累托石在柴油中的性能。

具体实施方式

实施例1：将400kg钙基累托石粘土(吸蓝量0.55mmol/g，累托石含量73%，含水量6.5%)用破碎机将其破碎至粒径0.173mm(80目，越细越好)，置于工业型混砂机内，将100kg的75%净含量(其余为水)的膏状十八烷基二甲基苄基氯化铵加热至30℃，加入20kg工业用水，使其具有流动性，再将此水溶液加至混砂机，调整碾轮间隙使得作用力较大，对混合物料实施剪切挤压，剪切挤压的时间为30min，放出，陈化放置7天，烘干至含水量为6%，用粉碎机(锤式破碎机或者雷蒙机)磨细至粒径0.173mm(80目，越细越好)，制得实施例1的有机累托石。测得性能参数见表1。

实施例2：除剪切挤压时间为60min以外，其余同实施例1，制得实施例2的

有机累托石。测得性能参数见表1。

实施例3：除剪切挤压时间为90min以外，其余同实施例1，制得实施例3的有机累托石。测得性能参数见表1。

实施例4：将80g钙基累托石粘土(吸蓝量0.50mmol/g，累托石含量66%，含水量6%)用破碎机将其破碎至80目，置于研钵内，将20g的75%净含量(其余为水)的膏状十八烷基二甲基苄基氯化铵在烧杯内加入10g 温度为70℃的蒸馏水，搅拌3min，得到溶液，再将此溶液加入到研钵，在研钵内用研棒对混合物料实施挤压搅拌混合研磨，研磨的时间为60min，放置2天后，烘干至含水量为6%，用粉碎机(医用碎样机、锤式破碎机或者雷蒙机)粉碎，80目过筛，制得实施例4的有机累托石。测得性能参数见表1。

实施例5：将80kg钙基累托石粘土(吸蓝量0.50mmol/g，累托石含量66%，含水量6%)用破碎机将其破碎至80目，置于研钵内，将18g的75%净含量(其余为水)的膏状十六烷基三甲基氯化铵在烧杯内加入9g 温度为70℃的蒸馏水，搅拌3min，再将此膏状物加入到研钵，在研钵内用研棒对混合物料实施挤压搅拌混合研磨，研磨的时间为60min，放置2天后，烘干至含水量为6%，用医用碎样机粉碎，80目过筛，制得实施例5的有机累托石。测得性能参数见表1。

实施例6：将4.0kg钙基累托石粘土(吸蓝量0.52mmol/g，累托石含量69%，含水量6.0%)用破碎机将其破碎至80目，置于实验型小混砂机内。将1.0kg的75%净含量(其余为水)的膏状十八烷基二甲基苄基氯化铵放入大烧杯中，加入200g蒸馏水，加热至70℃，使其具有流动性，将烧杯内的水溶液倒入混砂机，调整碾轮间隙使得作用力较大，对混合物料实施剪切挤压，剪切挤压的时间为60min，放出，放置2天，烘干至含水量为6%，用粉碎机磨细至80目，制得实施例6的有机累托石。测得性能参数见表1。

测试方法说明

胶体率：准确称取4.0g有机累托石(精确至0.01g)，倒入盛有200mL的0号柴油泥浆杯中，泥浆杯高度18cm，上端直径9.7cm，下端直径7.0cm。用高速搅拌机在4000rpm下搅拌10min。高速搅拌机叶片直径2.5cm，质量5.5g。从中量取100mL混合液倒入100 mL的具塞量筒中，静置24小时，观察并记录上层游离柴油的体积V(mL)。计算胶体率的公式如下：

胶体率 = (100 - V) / l00×100% .

流变性能的测定方法：表观粘度、塑性粘度、动切力这几个流变性能指标都可以通过粘度测定。准确称取10.5g有机累托石(精确至0.01g)，倒入盛有350mL的0号柴油的泥浆杯中，用高速搅拌机在3000rpm下搅拌10min，取下泥浆杯,刮去粘附在容器侧壁、底面的累托石。然后，在11000rpm转速下高速搅拌10min。在常温下用直读式测定Φ600、Φ300读值，所用仪器为FANN35型。按照下列公式计算表观粘度、塑性粘度、动切力。

表观粘度  AV = 1/2[Φ600读值]                               (mPa·s)

塑性粘度  PV = [Φ600读值] - [Φ300读值]            (mPa·s)

动 切 力  YP = AV - PV                                      (Pa).

滤失量的测定方法：在室温下，准确量取380mL的0号柴油，倒入泥浆杯中，加入20mL蒸馏水，加入12.0g有机累托石，用高速搅拌机在3000rpm下搅拌10min，取下泥浆杯，刮去粘附在容器侧壁、底面的累托石。然后，在11000rpm转速下高速搅拌10min，取下。立即将上述悬浮液倒人滤失仪的干燥的泥浆盒内，使液面至顶部约为13mm处，加密封圈及滤纸并封盖后，快速加压至0.69 MPa，记录30min时量筒内滤液的体积的毫升数，即为滤失量。

本油基钻井液用有机粘土的使用方法与有机膨润土的使用方法一样，但其使用量可适当减少。

Claims (10)

1.一种油基钻井液用有机粘土，其特点在于，该油基钻井液用有机粘土由累托石和季铵盐构成；其重量份配比为:

累托石  75 ~ 90      季铵盐10 ~ 25。

2.根据权利要求1所述的油基钻井液用有机粘的生产方法，其特征在于：其生产工艺步骤为：

 A、干燥：钙基累托石经干燥、破碎，制成钙基累托石粉；

B、有机化反应，将季铵盐溶液加入钙基累托石粉中，采用剪切挤压装置使其与季铵盐水溶液混合均匀，在30 ~ 90℃温度下，挤压剪切并发生离子交换反应，反应时间为30 ~210分钟；

C、陈化、干燥、磨粉：将上述有机化反应物进行陈化，干燥，磨粉，即制得油基钻井液用有机粘土。

3.根据权利要求1所述的一种油基钻井液用有机粘土，其特征在于钙基累托石粘土是提纯的钙基累托石精矿或天然钙基累托石原矿，其矿物结构中类蒙脱石层间阳离子含钙离子占50% 以上，吸蓝量≥0.42mmol/g，累托石含量≥55%。

4.根据权利要求1所述的一种油基钻井液用有机粘土，其特征在于所述季铵盐是m-烷基三甲基卤化铵或/和n-烷基二甲基苄基卤化铵，m-烷基三甲基卤化铵的碳链m为10~24，n-烷基二甲基苄基卤化铵的碳链n为10~24。

5.根据权利要求2所述的一种油基钻井液用有机粘土的生产方法，其特征在于所述的破碎前的干燥工艺是将钙基累托石粘土经风干、晒干或烘干，使其含水量≤10%。

6.根据权利要求2所述的一种油基钻井液用有机粘土的生产方法，其特征在于所述的破碎工艺是用破碎机将钙基累托石破碎至粒径0.8mm以下。

7.根据权利要求2所述的一种油基钻井液用有机粘土的生产方法，其特征在于所述剪切挤压装置是辗轮式混砂机、推进式挤压机或混炼机。

8.根据权利要求2所述的一种油基钻井液用有机粘土的生产方法，其特征在于所述的陈化工艺是将其置于阴凉、干燥处堆放48-240小时。

9.根据权利要求2所述的一种油基钻井液用有机粘土的生产方法，其特征在于所述的陈化后的干燥工艺是风干、晒干或烘干，使其含水量≤8 %。

10.根据权利要求2所述的一种油基钻井液用有机粘土的生产方法，其特征在于所述的磨粉工艺是采用粉碎机将其粉碎成粒径0.173 mm以下。