CN108329896B - 抗高温人造粘土及其制备方法和水基钻井液 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及钻探领域,公开了一种抗高温人造粘土及其制备方法和水基钻井液,该制备方法包括:在水热反应的条件下,将金属镁化合物、金属锂化合物、硅化合物和水混合进行水热反应。本发明的抗高温人造粘土在水溶液中分散后具有纳米级的粒径,并且,含有该抗高温人造粘土的水基钻井液在200℃以上高温条件下不会发生絮凝,能够适用于超高温条件(>200℃)下的钻探。

Description

抗高温人造粘土及其制备方法和水基钻井液
技术领域
本发明涉及钻探领域,具体涉及一种抗高温人造粘土及其制备方法,以及含有该抗高温人造粘土的水基钻井液。
背景技术
大陆科学钻探是人类获取地球内部信息最有效、最直观的方法。通过钻井对岩石圈进行直接取样和观测,可以了解和认识大洋及大陆的板块运动、地震活动、火山作用、深部资源、生命起源以及全球环境与气候变化,进而可以解决人类面临的资源、灾害以及环境等一系列重大基础科学问题。
我国未来深部大陆科学钻探深度为12000m-13000m,井底温度将达到250-400℃,钻井液将面临超高温(>200℃)环境。超高温环境严重影响钻井液性能,引起钻井液流变性、滤失性、沉降稳定性等一系列性能变差,从而导致井塌、卡钻、井喷等钻井事故。虽然油基钻井液在抗高温、抑制、润滑等方面比水基钻井液有优势,但是,由于环境污染严重,现场应用受到限制。
目前,国内外的水基钻井液抗温能力绝大多数小于220℃,现有钻井液粘土不能够承受超高温条件。超高温条件下,钻井液配浆粘土(如膨润土、高岭土、凹凸棒石等)同时发生高温分散、高温聚结和高温钝化(高温去水化)作用,温度越高配浆粘土的高温稳定性越差,甚至导致高温固化。当钻井液中的黏土含量超过它的高温容量限时,高温作用会使得钻井液发生胶凝现象。在由于高温聚结作用形成凝胶的期间,凝胶的网架结构中所包含的多数黏土微粒的边、面联结部位发生类似水泥浆硬化现象的表面钝化反应,这种情况使得网架结构的连接部分发生强化,从而导致高温固化现象。高温固化是钻井液中黏土微粒含量达到一定值后,其高温分散、聚结以及高温表面钝化作用的综合结果。
因此,需要研制新型的配浆粘土,来解决超高温条件下钻井液配浆粘土失效的问题。
发明内容
本发明的目的是为了克服现有的钻井液配浆粘土在超高温条件下絮凝严重的问题,提供一种抗高温人造粘土及其制备方法和水基钻井液。
为了实现上述目的,本发明一方面提供一种抗高温人造粘土的制备方法,其中,该制备方法包括:在水热反应的条件下,将金属镁化合物、金属锂化合物、硅化合物和水混合进行水热反应。
本发明第二方面提供由上述制备方法得到的抗高温人造粘土。
本发明第三方面提供一种水基钻井液,其中,该水基钻井液中含有本发明所述的抗高温人造粘土。
本发明的抗高温人造粘土在水溶液中分散后具有纳米级的粒径,并且,含有该人造粘土的水基钻井液在200℃以上高温条件下不会发生絮凝和固化,能够适用于超高温条件(>200℃)下的钻探。
附图说明
图1是本发明实施例1的抗高温人造粘土在水溶液中的粒径分布图;
图2是本发明测试例1的钻井液基浆在20℃下的剪切速率与粘度的关系曲线图;
图3是本发明测试例1的钻井液基浆的表观粘度随温度的变化曲线图;
图4是本发明对比测试例1的钻井液基浆的表观粘度随温度的变化曲线图。
具体实施方式
在本文中所披露的范围的端点和任何值都不限于该精确的范围或值,这些范围或值应当理解为包含接近这些范围或值的值。对于数值范围来说,各个范围的端点值之间、各个范围的端点值和单独的点值之间,以及单独的点值之间可以彼此组合而得到一个或多个新的数值范围,这些数值范围应被视为在本文中具体公开。
本发明一方面提供一种抗高温人造粘土的制备方法,其中,该制备方法包括:在水热反应的条件下,将金属镁化合物、金属锂化合物、硅化合物和水混合进行水热反应。
本发明中,优选地,所述金属镁化合物、金属锂化合物和硅化合物的用量的摩尔比为3-7:1-2.5:5-9。
本发明中,金属镁化合物、金属锂化合物、硅化合物和水混合后得到的混合物为悬浮液,优选地,水的用量使得混合后得到的混合物中的金属镁化合物、金属锂化合物、硅化合物的总含量为2-20重量%(例如,2重量%、3重量%、4重量%、5重量%、6重量%、7重量%、8重量%、9重量%、10重量%、11重量%、12重量%、13重量%、14重量%、15重量%、16重量%、17重量%、18重量%、19重量%、20重量%),优选为5-10重量%。
本发明中,所述金属镁化合物可以为本领域常用的含镁化合物,但是,为了进一步提高人造粘土的抗温性,优选地,所述金属镁化合物为氧化镁、氢氧化镁、氯化镁和碳酸镁中的至少一种。
本发明中,所述金属锂化合物可以为本领域常用的含锂化合物,但是,为了进一步提高人造粘土的抗温性,优选地,所述金属锂化合物为氟化锂和/或氢氧化锂。
本发明中,所述金属锂化合物可以为本领域常用的含硅化合物,但是,为了进一步提高人造粘土的抗温性,优选地,所述硅化合物为二氧化硅、硅酸钠和硅酸镁中的至少一种。
本发明中,所述水热反应的条件优选包括:pH为8-9;温度为110-220℃(例如,110℃、115℃、120℃、125℃、130℃、135℃、140℃、145℃、150℃、155℃、160℃、165℃、170℃、175℃、180℃、185℃、190℃、195℃、200℃),进一步优选为150-200℃;时间为4-72h,进一步优选为7-20h。
本发明中,调节所述pH的试剂可以本领域常用的pH调节试剂,例如,氢氧化钠溶液或盐酸调节,氢氧化钠溶液和盐酸的浓度也可以为常规选择,例如,所述氢氧化钠溶液的浓度可以为0.1-0.5mol/L,所述盐酸的浓度可以为0.1-0.5mol/L。
本发明中,所述水热反应可以在水热反应釜中进行,优选地,先将所述混合后得到的混合物的pH调节为8-9,然后将调整pH后的物料加入反应釜中,调节温度为水热反应的温度,进行水热反应。
本发明中,优选地,所述水热反应在搅拌的条件下进行,搅拌速度可以为250-350r/min。
根据本发明的一种优选实施方式,所述制备方法还可以包括:所述水热反应结束后,将得到的反应产物干燥、粉碎。
本发明中,所述干燥可以采用本领域用于干燥固体产物的方法,例如,所述干燥的方法可以为在鼓风干燥箱中干燥。对所述干燥的温度没有特别的限定,只要能够将产物干燥即可,优选地,所述干燥的温度为100-130℃。
本发明中,所述粉碎可以采用本领域常规的方法,例如,可以采用人工粉粹或机械粉碎。
本发明第二方面提供由本发明的制备方法得到的抗高温人造粘土。该抗高温人造粘土在水溶液中分散后具有纳米级的粒径,并且,在200℃以上高温条件下不会发生絮凝。
本发明第三方面提供一种水基钻井液,其中,该水基钻井液中含有本发明所述的抗高温人造粘土。该水基钻井液能够适用于超高温条件(>200℃)下的钻探。
以下将通过实施例对本发明进行详细描述。
实施例1
(1)将氢氧化镁、氟化锂、硅酸钠的粉末按照摩尔比5.1:1.33:7.7加入到蒸馏水中,配制成质量分数为5%的悬浮液,搅拌均匀;
(2)将上述液体pH调为9.0;
(3)将混合均匀的悬浮液加入到反应釜中,升温至180℃;
(4)在上述温度条件下反应时间为10小时,搅拌速度为300r/min;
(5)待反应结束后,将反应产物利用鼓风干燥箱在110℃条件下烘干,并将干燥的固体产物粉碎,即得到抗高温人造粘土A1。
实施例2
(1)将氯化镁、氢氧化锂、二氧化硅的粉末按照摩尔比3:1:5加入到蒸馏水中,配制成质量分数为7%的悬浮液,搅拌均匀;
(2)将上述液体pH调为8.0;
(3)将混合均匀的悬浮液加入到反应釜中,升温至150℃;
(4)在上述温度条件下反应时间为20小时,搅拌速度为250r/min;
(5)待反应结束后,将反应产物利用鼓风干燥箱在100℃条件下烘干,并将干燥的固体产物粉碎,即得到抗高温人造粘土A2。
实施例3
(1)将碳酸镁、氟化锂、硅酸镁的粉末按照摩尔比7:2.5:9加入到蒸馏水中,配制成质量分数为10%的悬浮液,搅拌均匀;
(2)将上述液体pH调为8.5;
(3)将混合均匀的悬浮液加入到反应釜中,升温至200℃;
(4)在上述温度条件下反应时间为7小时,搅拌速度为350r/min;
(5)待反应结束后,将反应产物利用鼓风干燥箱在130℃条件下烘干,并将干燥的固体产物粉碎,即得到抗高温人造粘土A3。
实施例4
按照实施例1的方法制备人造粘土,不同的是,氢氧化镁、氟化锂、硅酸钠的粉末按照摩尔比2:1:5混合。得到抗高温人造粘土A4。
实施例5
按照实施例1的方法制备人造粘土,不同的是,步骤(1)中的悬浮液的质量分数为2%。得到抗高温人造粘土A5。
实施例6
按照实施例1的方法制备人造粘土,不同的是,水热反应的温度为110℃。得到抗高温人造粘土A6。
实施例7
按照实施例1的方法制备人造粘土,不同的是,步骤(2)中的pH为7。得到抗高温人造粘土A7。
测试例1-7
(1)抗高温人造粘土在水溶液中的粒度
采用Zetasizer Nano ZS90纳米粒度电位仪,分别取0.1g人造粘土A1-A7分散于100g去离子水中,并用0.01mol/L的NaOH溶液将pH值调至11,然后超声波分散1h,稳定2h后取上层悬浮液装入样品进行分析。人造粘土A1分散后的粒度分布结果如图1所示。人造粘土A1-A7的平均粒径如表1所示。
(2)抗高温人造粘土在水基钻井液基浆中的应用效果
a.基浆的配制
向100ml蒸馏水中加入1.5g人造粘土A1,使用0.1mol/L的NaOH将PH值调节到11,在5000r/min条件下高速搅拌5min后,放置24h,配成钻井液基浆;
b.常温下基浆的流变性能测试
测试前,使用300r/min低速搅拌基浆5min,以防止气泡产生,使用哈克流变仪测定不同剪切速率条件下,上述基浆在20℃条件下的剪切速率与粘度的关系。含有人造粘土A1的基浆的剪切速率与粘度的关系如图2所示;
c.基浆在不同温度条件下的表观粘度
使用高温高压流变仪FANN50SL,测定60-230℃范围内,人造粘土基浆的表观粘度随温度的变化规律。升温速度为1℃/分钟。含有人造粘土A1的基浆实验结果如图3所示。分别含有人造粘土A1-A7的基浆在60℃、100℃、140℃、180℃、200℃、210℃和230℃的表观粘度列于表2中。
对比测试例1
a.基浆的配制
向100ml蒸馏水中加入6g膨润土(平均粒径为5-10μm),使用0.1mol/L的NaOH将PH值调节到11,在5000r/min条件下高速搅拌5min后,放置24h,配成钻井液基浆;
b.使用高温高压流变仪FANN50SL,测定80-230℃范围内,膨润土基浆的表观粘度随温度的变化规律,升温速度为1℃/分钟。结果如图4所示。
表1
Figure BDA0001609358800000081
由图1和表1可以看出,抗高温人造粘土A1的粒径尺寸主要分布于18.17-58.77nm,平均粒径仅为29.72nm。表1的结果数据说明本发明的抗高温人造粘土具有纳米级的粒径,从而可以使其具有表面效应、小尺寸效应和力学性能效应等纳米效应,该纳米效应可以表现为在钻井液中能够发挥提切、增黏和耐高温等性能。
由图2可以看出,含有本发明的抗高温人造粘土的基浆具有非常优异的剪切稀释性,在低剪切速率条件下粘度大,这有利于停泵后悬浮钻屑和加重材料;在高剪切速率条件下,粘度小,这有利于正常循环钻进过程中减小钻井阻力,这种剪切稀释性能对于钻井液是非常重要的。
表2
Figure BDA0001609358800000082
由表2和图3可以看出,含有本发明的抗高温人造粘土的基浆随着温度的升高,表观粘度逐渐变小,表观粘度与温度是线性关系,也就是说,表观粘度在研究的温度范围内没有突变,或者是迅速下降的趋势,这说明人造粘土在超高温下稳定性较好,没有发生絮凝。并且,由于本发明的抗高温人造粘土的纳米性质,使得人造粘土在较低加量条件下既可以达到较高的粘度。
由图4可以看出,膨润土基浆在230℃范围内的表观粘度变化比较复杂,首先在150℃范围内,随着温度的增加,粘土的高温絮凝作用占主导地位,表现为粘度迅速升高。当温度超过150℃之后,粘土的高温去水化作用占主导地位,表现为高温失效,即粘度迅速降低。在超高温钻井过程中,严重的高温絮凝作用会对钻井液的性能造成有害的影响,严重影响钻井液流变性的调控,甚至会导致钻井液失去流变性、胶凝或固结。而高温去水化大幅度弱化粘土的增粘提切作用,使钻井液失效。将图3与图4比较可以明显看出,本发明的人造粘土具有优异的抗超高温性能,而膨润土在超高温下絮凝和超高温失效严重。
以上详细描述了本发明的优选实施方式,但是,本发明并不限于此。在本发明的技术构思范围内,可以对本发明的技术方案进行多种简单变型,包括各个技术特征以任何其它的合适方式进行组合,这些简单变型和组合同样应当视为本发明所公开的内容,均属于本发明的保护范围。

Claims (3)

1.一种人造粘土的制备方法,其特征在于,该制备方法包括:将金属镁化合物、金属锂化合物、硅化合物按照摩尔比为3-7:1-2.5:5-9加入到水中进行混合,并将所述混合后得到的混合物的pH调节为8-9,然后将调整pH后的物料加入反应釜中,调节温度为水热反应的温度,进行水热反应,水热反应结束后,将得到的反应产物干燥、粉碎;
其中,金属镁化合物、金属锂化合物、硅化合物和水混合后得到的混合物为悬浮液,水的用量使得混合后得到的混合物中的金属镁化合物、金属锂化合物、硅化合物的总含量为5-10重量%;
其中,所述水热反应的条件包括:pH为8-9;温度为150-200℃;时间为7-20h;
其中,所述金属镁化合物为氧化镁、氢氧化镁、氯化镁和碳酸镁中的至少一种;所述金属锂化合物为氟化锂和/或氢氧化锂;所述硅化合物为二氧化硅、硅酸钠和硅酸镁中的至少一种。
2.由权利要求1所述的制备方法得到的人造粘土。
3.一种水基钻井液,其特征在于,该水基钻井液中含有权利要求2所述的人造粘土。
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