CN110066646B - 一种油基钻井液用复合有机粘土及其复配方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种油基钻井液用新型复合有机粘土及其复配方法，该制备方法包括有机蒙脱石和纤维状有机粘土的制备、以及有机蒙脱石和纤维状有机粘土按照一定比例复配配制油基钻井液。本发明提供的新型复合有机粘土在油基钻井液中的流变性能和抗高温性能优异，较单一有机粘土配制的油基钻井液有大幅提升，可在200℃条件下使用。

Description

一种油基钻井液用复合有机粘土及其复配方法

技术领域

本发明属于油气田钻井领域，涉及一种油基钻井液用复合有机粘土及其复配方法，特别涉及一种有机蒙脱石和纤维状有机粘土的复配方案，用于显著提高油基钻井液的流变性和抗高温性能。

背景技术

蒙脱石是由两层硅氧四面体片和一层夹于其间的铝(镁)氧(羟基)八面体片构成的2:1型层状铝硅酸盐矿物。由于Al替代Si而使得其结构中存在多余的负电荷，所以蒙脱石层间存在可交换的Na⁺、Ca²⁺、Mg²⁺等阳离子，可以与其他阳离子进行交换。以有机阳离子进行交换反应，有机阳离子进入蒙脱石层间，撑大层间距，改变蒙脱石片层的表面性质，形成有机蒙脱石，使得蒙脱石亲油性增强。

有机蒙脱石的应用十分广泛，现已被应用于润滑脂、油漆、油基钻井液、油墨、化妆品、医药卫生、环境治理、食品和国防工业等领域。有机蒙脱石在一定的溶剂中可以分散形成网络结构，从而表现出优异的流变性能，在特定情况下，有机蒙脱石甚至可以在体系中被剥离，形成大量的片层结构，进而形成“卡屋式”的网络结构。

当前，有机蒙脱石被广泛应用于油基钻井液体系中。油基钻井液是指以油作为连续相的钻井液，其包括全油基钻井液和油包水乳化钻井液，在全油基钻井液中，水是无用的组分，含水量不应超过10％；而在油包水钻井液中，水作为必要组分均匀地分散在基油中，含水量一般为10％～60％。有机蒙脱石加入油基体系中，片层结构分散、膨胀、剥离而形成不同尺度上的网络结构，为钻井液提供了良好的触变性和胶凝强度，能够有效调节油基钻井液流变性能。

随着钻井工程的发展，钻井实践中面临的高温深井、水平井和海上钻井等复杂井越来越多。钻井液能否在高温、高压、高密度条件下保持稳定而优异的性能至关重要。油基钻井液以其优异的抗高温性、润滑性、井壁稳定性、抗盐性和低渗透率等优异性能广泛用于此类复杂钻井工程中。

然而，商用有机蒙脱石在油基钻井液中的抗高温性往往不足以满足实际钻井的需求，通常以有机蒙脱石为流变控制剂的油基钻井液难以承受180℃以上的高温。这是由于有机蒙脱石的片层结构在高温下会萎缩，网络结构被破坏导致的。

现有技术中，普遍寄希望于通过调整有机阳离子的烃链长度和官能团种类以提高蒙脱石的热稳定性，但提高程度有限，阳离子型蒙脱石配制的油基钻井液在高于180℃温度下仍易发生固化，丧失使用性；还有通过采用阳离子表面活性剂和阴离子表面活性剂共同对钙基蒙脱石进行改性，以期得到具有更大层间距和更高热分解温度的疏水性有机蒙脱石，但此时还需要考量阴离子表面活性剂和阴离子表面活性剂本身的热稳定性。

本发明人在工作中发现，钻井液(油基钻井液和水基钻井液)中有机粘土的加入普遍为单一粘土加入，以便于通过控制添加量调节钻井液的热稳定性、流变性、凝胶性、携岩能力或乳液稳定性。即使有两种或两种以上粘土成分的加入也主要是由原料使用成本出发，而未考量多种粘土复配选用标准或多种粘土复配使用对钻井液性能的影响。

同时，钻井液中还可以包括固体加重剂，如重晶石粉、石灰石粉、铁矿粉、钛铁矿粉或方铅矿粉，但是均未有与有机粘土复配使用对有机粘土或者油基钻井液热稳定性影响的相关报道。

综上所述，目前通过固相物质对蒙脱石结构进行改性/支持的研究尚属空白，尚未发现有通过固相物质对蒙脱石结构进行改性/支持的报道，更无关于固相物质选用标准等内容。

由上述现状可知，为了解决现有有机蒙脱石热稳定性不足，特别是为了解决复杂钻井实践中油基钻井液的流变性和抗高温性不足的问题，急需研究并开发流变性能突出、抗高温性好的流变控制剂。

提高油基钻井液的流变性能和抗高温性能，关键是提高有机粘土在油基体系中的网络结构强度和稳定性。本发明人通过大量的研究和实验发现，采用特定成分和结构的固相物质与蒙脱石复配使用，有效地抑制了蒙脱石结构改变导致的热稳定性的问题，同时提高了油基钻井液的流变性能和抗高温性能。

发明内容

为了解决上述问题，本发明人进行了锐意研究，发现有机蒙脱石和纤维状有机粘土(例如有机海泡石和有机坡缕石)复配使用，通过选择合适的配比及改性剂种类，将有利于油基钻井液流变性和热稳定性的提高。同时，复配方法简单，便于预先复配或在使用前临时复配用于油基钻井液。

本发明的目的在于提供以下技术方案：

(1)一种复合有机粘土材料，其由包括以下重量配比的原料成分制成：

有机蒙脱石2～8重量份；

纤维状有机粘土2～8重量份；

有机蒙脱石和纤维状有机粘土总量为10重量份；

其中，有机蒙脱石是指通过有机改性剂进行改性后的蒙脱石；纤维状有机粘土是指通过有机改性剂进行改性后的纤维状粘土。

(2)一种含有上述(1)所述的复合有机粘土材料的油基钻井液，其中，复合有机粘土材料在油基钻井液中的总浓度为10～30g/L；

优选地，油基钻井液在150℃、180℃和200℃时的表观粘度分别大于35mPa·s、75mPa·s和30mPa·s，在150℃、180℃和200℃时的触变环面积分别大于600Pa·s^-1、700Pa·s^-1和350Pa·s^-1。

(3)一种制备上述(2)所述的油基钻井液的方法，该方法包括以下步骤：

步骤1，制备有机蒙脱石和纤维状有机粘土；

步骤2，将设定量的有机蒙脱石和纤维状有机粘土加入油基钻井液基液中，搅拌，得到油基钻井液。

(4)一种上述(1)所述复合有机粘土材料在油基钻井液中的应用。

根据本发明提供的一种油基钻井液用复合有机粘土及其复配方法，具有以下有益效果：

(1)本发明将有机蒙脱石和纤维状有机粘土创造性的进行复配使用，通过纤维状有机粘土对蒙脱石的“卡屋式”网络结构进行改造/支撑，提高了高温下结构的稳定性，进而利于对高温下油基钻井液流变性的提高。

(2)纤维状有机粘土如有机海泡石的结构特性同样可用于油基钻井液的流变控制剂，采用纤维状有机粘土与有机蒙脱石复配，除通过改变有机海泡石网络结构方面，还可以纤维状有机粘土自身特点来增强油基钻井液流变性，基于这两方面，协同促进效果尤为突出。

(3)本发明中整个复配方法工艺简单，沿用现有工业或工程程序，有机蒙脱石和纤维状有机粘土均是可使用现有技术生产的产品，这些因素均有利于产业化的推广。

(4)通过本发明中提供的复配方案，油基钻井液的触变性和稳定性可增加至100％以上，因而在油基钻井液中流变性能优异，提粘、提切效果显著，触变性突出，其抗高温性能优异，可在200℃条件下使用。

附图说明

图1示出有机蒙脱石在油基体系中形成的“卡屋式”网络结构；

图2示出有机海泡石在油基体系中形成的“干草堆”网络结构；

图3示出有机蒙脱石和有机海泡石混合后形成的交叉结构。

具体实施方式

下面通过对本发明进行详细说明，本发明的特点和优点将随着这些说明而变得更为清楚、明确。

本发明的目的是解决现有有机蒙脱石热稳定性不足，进而解决复杂钻井实践中油基钻井液的流变性和抗高温性不足的问题。

然而现有的技术方案得到的产品不能满足高温使用要求，或者制备工艺相对复杂，不便于使用。

为了实现本发明的目的，本发明人经过研究发现，有机蒙脱石和纤维状有机粘土复配使用，通过选择合适的配比及改性剂种类，将有利于油基钻井液流变性和热稳定性的提高。

一方面，本发明提供一种复合有机粘土材料，其由包括以下重量配比的原料成分制成：

有机蒙脱石2～8重量份；

纤维状有机粘土2～8重量份；

有机蒙脱石和纤维状有机粘土总量为10重量份。

优选地，本发明提供的复合有机粘土材料由包括以下重量配比的原料成分制成：

有机蒙脱石4～6重量份，优选为5重量份；

纤维状有机粘土4～6重量份，优选为5重量份；

有机蒙脱石和纤维状有机粘土总量为10重量份。

在本发明的复合机粘土材料中，有机蒙脱石是指通过有机改性剂进行改性后的蒙脱石；纤维状有机粘土是指通过有机改性剂进行改性后的纤维状粘土。

作为一种优选的实施方式，所述纤维状有机粘土包括有机海泡石、有机坡缕石中的一种或其组合，优选为有机海泡石。

海泡石为含水的镁硅酸盐，具有链状和层状的过渡型结构特征，属2:1层链状粘土。其结构通式为Mg₈Si₁₂O₃₀(OH)₄(OH₂)₄·8H₂O，由硅氧四面体和镁氧八面体组成。构成硅氧四面体基础的氧，组成了间隔约0.65nm的连续晶层，而顶角氧交替地指向这种连续晶层的上下。晶层按八面体配位镁离子相互连接起来。因此，海泡石的晶体结构中具有连续的四面体片，而八面体片则是不连续的，形成大小约为0.37nm×1.06nm的通道。基于海泡石的结构特点，其具有较大的比表面积、吸附性、阳离子交换性和流变性等性质。海泡石的阳离子交换容量为20～45mmol/100g。

坡缕石，分子式为Mg₅Si₂₀(OH₂)(H₂O)₄〃nH₂O)是海泡石族的一种矿石，由蒙脱石转化而成，由含水的层链状镁质硅酸盐组成。其微观结构具有层、链、纤维状晶体结构和纳米级孔穴通道，有良好的吸附性、悬浮性、分散性、离子交换性。

海泡石和坡缕石微观上呈纤维状，具有平行于纤维轴的{110}解理，在水和高极性溶剂中易于分散，形成杂乱的纤维状悬浮体系，流变性极好。因此，海泡石和坡缕石在水基钻井液中的应用性能非常突出，具有良好的抗盐性和抗高温性，是盐水、海水钻井和高温钻井领域内常用的钻井液流变控制剂。基于海泡石和坡缕石的上述特点，两者在油基钻井液中的应用有待深入开发。

有机蒙脱石和有机海泡石(或者有机坡缕石)的微观形貌差异很大，这两种有机粘土矿物在溶剂体系中形成的网络结构也不同。有机蒙脱石为片层状，在油基体系中依靠片层剥离形成“卡屋式”结构，如图1所示；而有机海泡石本身是纳米纤维，在油基体系中形成杂乱的“干草堆”结构，如图2所示。将二者进行混合，两种网络结构相混交叉，相互支撑(如图3所示)，在提高网络结构强度和稳定性方面具有巨大的效力。

在本发明中，有机蒙脱石和纤维状有机粘土的用量比对网络结构强度和稳定性有重要影响。基于10重量份的总有机粘土，当有机蒙脱石大于8重量份，而纤维状有机粘土小于2重量份时，穿插入有机蒙脱石中纤维状有机粘土的量不足以对“卡屋式”结构进行有效改造和支撑；而当有机蒙脱石小于2重量份，而纤维状有机粘土大于8重量份时，纤维状有机粘土对蒙脱石剥离的片层的改造和支撑达到饱和，且纤维状有机粘土的用量极大超过了有机蒙脱石，有机蒙脱石量少，反而不利于对油基钻井液稳定性和流变性的改进。

在本领域中，有机改性剂的加入使得粘土材料表面包覆有碳链结构，增加粘土材料在油基钻井液基质中的分散性。有机改性剂的种类极多，对粘土材料的作用能力各异，选择何种有机改性剂是所面临的十分重要的问题。尤其地，在选用两种粘土材料改进油基钻井液热稳定性和流变性时，有机改性剂的选择更为重要且困难。

作为一种优选的实施方式，有机蒙脱石为通过有机改性剂I对蒙脱石改性获得，所述有机改性剂I包括季铵盐型表面活性剂，优选为双十八烷基二甲基溴化铵、双十八烷基二甲基氯化铵或双十八烷基甲基苄基氯化铵中的一种或多种。

作为一种优选的实施方式，纤维状有机粘土为通过有机改性剂II对纤维状粘土改性获得，所述有机改性剂II包括季铵盐型表面活性剂，优选为十二烷基三甲基溴化铵、十二烷基三甲基氯化铵、十四烷基三甲基溴化铵、十四烷基三甲基氯化铵、十六烷基三甲基溴化铵、十六烷基三甲基氯化铵、十八烷基三甲基溴化铵、十八烷基三甲基氯化铵、十八烷基二甲基苄基溴化铵或十八烷基二甲基苄基氯化中任意一种或多种。

本发明人经过大量研究发现，通过长碳链季铵盐型表面活性剂对蒙脱石进行改进，而通过短碳链季铵盐型表面活性剂对纤维状粘土进行改进，两者复配使用后对油基钻井液性能的提升更为突出。

不受任何理论的束缚，本发明人认为：这主是由于两种粘土材料的结构不同以及两种粘土材料形成三维网络结构的机制不同导致的。蒙脱石时片层状，依靠片层剥离形成“卡房式”结构，而纤维状粘土本身是纳米纤维，很容易形成杂乱的网络结构。蒙脱石的改性，一方面要考虑表面的亲油性；另一方面还要考虑层间距的大小。通常，改性剂分子量越大，有机蒙脱石的层间距就越大，层间距大的有机蒙脱石，主要呈薄片层状，薄片厚度较小，即相同质量的有机蒙脱石薄片的数量较多，且大层间距的有机蒙脱石在油中更容易剥离成纳米片，参与形成网络结构的纳米片或者薄片数量多，结构更加稳定；纤维状粘土的改性主要考虑表面亲油性和改性剂的稳定吸附，海泡石族的粘土矿物阳离子交换容量小，没有可变化的层间空间，只存在固定大小的通道，只有适当尺度的改性剂分子可以嵌入其通道中，进而牢固的吸附在其表面，增强稳定性。

蒙脱石或纤维状粘土中有机改性剂的含量为确定粘土材料在油基钻井液中分散性以及对油基钻井液热稳定性和流变性提升的重要的检验标准。

本发明人经过研究发现，当有机蒙脱石中有机改性剂的质量分数为10％～70％，优选25％～40％；纤维状有机粘土中有机改性剂的质量分数为5％～50％，优选20％～40％时，可以获得在油基钻井液中的高分散性，进而利于两种粘土材料混合以形成可有效抵抗高温影响的交叉结构。

对于形成两种粘土材料的交叉结构，除考虑两种材料的用量或者在油基体系中的分散性，两种材料的尺寸同样是重要的影响条件。

作为一种优选的实施方式，有机蒙脱石的层间距大于等于2.0nm，优选大于等于3.5nm；有机蒙脱石的最大粒径小于0.3mm(50目)，优选小于75μm(200目)。

作为一种优选的实施方式，纤维状有机粘土的纤维长度为100nm～5μm，优选200nm～2μm。

通过有机改性，当蒙脱石的层间距大于等于2.0nm时，层间相互作用力减小，利于蒙脱石在油基体系中的片层剥离。而有机蒙脱石的粒径减小，同样有利于蒙脱石在油基体系中的片层剥离，当最大粒径小于0.3mm特别是小于75μm时，在便于片层剥离的同时，机械加工难度小，便于生产实施。

当纤维状有机粘土长度大于5μm时，长度较长不利于插入蒙脱石片层组成的结构中，生产中混合时间长，消耗动力大；而当纤维状有机粘土长度小于100nm时，虽然便于进入蒙脱石片层组成的结构中，但对片层的支撑能力大幅下降，且增加生产时对纤维状粘土的粉碎强度和难度。

在实际生产使用时，直接采用高纯度的蒙脱石或者纤维状粘土用于油基钻井液的情况极少，由厂家获得或开采得到的蒙脱石或者纤维状粘土中必然含有较多的矿物杂质，例如采购获得蒙脱石材料(实际为蒙脱土)中常含有伊利石、高岭石、埃洛石、绿泥石、沸石、石英、长石、方解石等，但多成分矿物杂质的含量太高，在增加体系粘度或比重的同时，必然不能获得理想的热稳定性或流变性能方面的提升。

为此，本发明人在杂质引入方面同样进行了大量研究，对杂质含量进行了具体的限定，在不影响对油基钻井液性能提升的情况下，允许设定量的杂质引入。

作为一种优选的实施方式，有机蒙脱石中杂质的重量含量小于40％，优选小于20％，更优选小于5％；

纤维状有机粘土中杂质的重量含量小于40％，优选小于20％，更优选小于5％。

作为另一种优选的实施方式，有机蒙脱石中水分的重量含量低于5％，优选低于2％；

纤维状有机粘土中水分的重量含量低于5％，优选低于2％；避免有机蒙脱石和纤维状有机粘土的引入对油基钻井液中水分含量有较大影响，甚至超过要求含水量。

本发明的另一方面在于，提供一种含有上述复合有机粘土材料的油基钻井液，其中，复合有机粘土材料在油基钻井液中的总浓度为10～30g/L；所述复合有机粘土即为有机蒙脱石和纤维状有机粘土复配而成。

此油基钻井液在150℃、180℃和200℃时的表观粘度分别大于35mPa·s、75mPa·s和30mPa·s，在150℃、180℃和200℃时的触变环面积分别大于600Pa·s^-1、700Pa·s^-1和350Pa·s^-1，热稳定性优异，流变性能突出，可满足200℃高温条件的钻井需求。

本发明的另一方面在于，提供一种制备含有上述复合有机粘土材料的油基钻井液的方法，该方法包括以下步骤：

步骤1，制备有机蒙脱石和纤维状有机粘土；

步骤2，将设定量的有机蒙脱石和纤维状有机粘土加入油基钻井液基液中，搅拌，得到油基钻井液。

在步骤1)中，制备有机蒙脱石的过程为：将蒙脱石原料加入水中水化，然后加入有机改性剂I，搅拌，经分离、烘干和粉碎过筛，得到有机蒙脱石。

制备纤维状有机粘土的过程为：将纤维状粘土原料加入水中水化，然后加入有机改性剂II，搅拌，经分离、烘干和粉碎过筛，得到纤维状有机粘土。

作为一种优选的实施方式，蒙脱石原料与水的重量比为0.5～5:10，优选1～2:10；水化时间为20min至2h，优选为30min至1h。

作为一种优选的实施方式，纤维状粘土原料与水的重量比为0.5～5:10，优选1～2:10；水化时间为20min至2h，优选为30min至1h。

粘土原料的质量浓度低于0.5:10，水资源消耗大，产品生产效率低；质量浓度高于5:10，原料浓度过高，不易充分分散，水化所需的时间较长。

作为一种优选的实施方式，有机改性剂I与蒙脱石原料的重量比为1～10:10，优选2～8:10。

有机改性剂I与蒙脱石原料的重量比小于1:10时，蒙脱石结合到的有机改性剂I有限(改性剂在最终有机蒙脱石中的质量分数不能达到10％～70％)，改性后的蒙脱石在有机相中的分散性欠佳；重量配比大于10:10时，有机改性剂I在蒙脱石表面吸附饱和，过量的有机改性剂I反向吸附在第一层有机改性剂I上，极性端伸出，同样降低有机海泡石在有机相中的分散性，且改性剂消耗量大，成本高，不利于产业化生产。

作为一种优选的实施方式，基于有机改性剂I对蒙脱石原料改性中相应的原因，有机改性剂II与纤维状粘土的重量比为1～10:10，优选2～8:10。

作为一种优选的实施方式，加入有机改性剂I后，对蒙脱石改性体系搅拌1～4小时，优选1～2小时；加入有机改性剂II后，对纤维状粘土改性体系搅拌1～4小时，优选1～2小时。

加入有机改性剂后，对蒙脱石或纤维状粘土改性体系搅拌1～4小时，优选1～2小时。随着搅拌的进行，有机改性剂迅速分散在反应体系中，避免了局部浓度过大，加快有机改性的进行；且在上述搅拌时间范围内，可保证蒙脱石或纤维状粘土表面获得均匀包覆的改性剂。

制得注意的是，经步骤1中水化，蒙脱石原料或者纤维状粘土原料在水中分别以片状或纤维状分散形成网络结构。矿物杂质如石英石、方解石或滑石等由于较高的比重，则沉积在下层。水化以及有机改性过程中，蒙脱石或纤维状粘土与矿物杂质可明显分层，在后续分离步骤中，可通过仅分离上层或弃去下层即可除去大部分矿物杂质。当然，若蒙脱石原料或者纤维状粘土原料中杂质不超过设定的杂质含量要求，也可以对整个体系进行固液分离。

作为一种优选的实施方式，固液分离方式为离心或过滤，优选为离心。过滤方式为常压过滤或加压过滤中任意一种，优选为加压过滤的方式。

作为一种优选的实施方式，对分离后获得的有机粘土在60～140℃下进行干燥处理，优选在80～120℃下进行干燥处理。

作为一种优选的实施方式，干燥后对有机粘土进行粉碎，过200目筛，粉碎后产品的最大粒径小于75微米。

在步骤2)中，将设定量的有机蒙脱石和纤维状有机粘土加入油基钻井液基液中，搅拌，得到油基钻井液。

本发明中，基于10重量份的有机粘土总量，有机蒙脱石为2～8重量份，优选为4～6重量份，更优选为5重量份；纤维状有机粘土为2～8重量份，优选为4～6重量份，更优选为5重量份。

本发明中，有机蒙脱石和纤维状有机粘土的总量在油基钻井液中的浓度为10～30g/L。

本发明中，油基钻井液基液是指油基钻井液中的分散介质，主要由柴油、白油和合成基液等。

油基钻井液中还包括可以包括乳化剂、润湿剂和加重材料，例如，所述乳化剂可以为山梨糖醇酐油酸酯或烷基酚聚氧乙烯醚中的一种或多种等；所述润湿剂可以为十二烷基三甲基溴化铵和十二烷基磺酸钠组成的混合物等；所述加重材料可以为重晶石粉、石灰石粉、铁矿粉、钛铁矿粉或方铅矿粉等。

本发明中，有机蒙脱石和纤维状有机粘土可以单独加入油基钻井液基液中，或者预先混合后作为独立产品加入油基钻井液基液中，按照油基钻井液的配制程序进行配制。钻井液的配制程序参考国家标准GB/T 5005—2010和GB/T 16783.2—2012。

本发明的另一方面在于，提供一种上述复合有机粘土材料在油基钻井液中的应用，复合有机粘土材料可以作为流变助剂应用于油基钻井液。

实施例

以下通过具体实施例进一步描述本发明。不过这些实施例仅仅是范例性的，并不对本发明的保护范围构成任何限制。

实施例1

以蒙脱石含量约为84％的膨润土为原料，有机改性剂I为双十八烷基二甲基氯化铵，用量为膨润土质量的35％，采用湿法工艺改性蒙脱石，经反应、分离、干燥、粉碎和过筛等步骤制得过200目筛有机蒙脱石粉体。经XRD测试，有机蒙脱石层间距为3.68nm，热分析测试表明吸附水含量低于0.8％。

以含量约为96％的海泡石样品为原料，有机改性剂II为十八烷基三甲基氯化铵，用量为海泡石质量的25％，采用湿法工艺改性海泡石，经反应、分离、干燥、粉碎和过筛等步骤制得过200目筛的有机海泡石粉体。经透射电子显微镜观察有机海泡石显微长度为200nm至2μm，热分析测试表明吸附水含量低于1.5％。

称取总质量为10.5g的有机粘土，加入350mL 5号白油中，10000r/min高速搅拌20min，得到油基钻井液M₈-S₂；其中，有机蒙脱石和有机海泡石的质量比8:2。

实施例2

有机蒙脱石粉体和机海泡石粉体的制备与实施例1相同，区别仅在于，复配时，有机蒙脱石与有机海泡石的质量比为5:5，得到油基钻井液M₅-S₅。

实施例3

有机蒙脱石粉体和机海泡石粉体的制备与实施例1相同，区别仅在于，复配时，有机蒙脱石与有机海泡石的质量比为2:8，得到油基钻井液M₂-S₈。

实施例4

有机蒙脱石粉体和有机海泡石粉体的制备方法与实施例1相同，区别仅在于，有机改性剂I用量为膨润土质量的10％，有机改性剂II用量为海泡石质量的10％，得到油基钻井液M₈-S₂’。

实施例5

有机蒙脱石粉体和机海泡石粉体的制备与实施例1相同，区别仅在于，有机改性剂I为双十八烷基甲基苄基氯化铵；复配时，有机蒙脱石与有机海泡石的质量比依次为2:8、5:5和8:2。

实施例6

有机蒙脱石粉体和机海泡石粉体的制备与实施例1相同，区别仅在于，有机改性剂II为十六烷基三甲基氯化铵；复配时，有机蒙脱石与有机海泡石的质量比依次为2:8、5:5和8:2。

对比例

对比例1

有机蒙脱石粉体和机海泡石粉体的制备与实施例1相同，区别仅在于，复配时，有机蒙脱石与有机海泡石的质量比为10:0，得到油基钻井液M₁₀-S₀。

对比例2

有机蒙脱石粉体和机海泡石粉体的制备与实施例1相同，区别仅在于，复配时，有机蒙脱石与有机海泡石的质量比为0:10，得到油基钻井液M₀-S₁₀。

对比例3

有机蒙脱石粉体和机海泡石粉体的制备方法与实施例1相同，区别仅在于，有机改性剂I与有机改性剂II均为十八烷基三甲基氯化铵，得到油基钻井液M₈-S₂”。

对比例4

有机蒙脱石粉体和机海泡石粉体的制备方法与实施例1相同，区别仅在于，有机改性剂I与有机改性剂II均为双十八烷基二甲基氯化铵，得到油基钻井液M₈-S₂”’。

实验例

油基钻井液的高温处理

将实施例1～4和对比例1～4中得到的油基钻井液置于热滚炉中，在66℃、150℃、180℃和200℃条件下老化16小时，冷却至25℃，在10000rpm条件下高速搅拌器5min，静置5min后进行测试。

流变性能测试

采用青岛森欣机电设备有限公司生产的六速粘度计。表观粘度AV＝1/2θ₆₀₀(θ₆₀₀为600rpm转速下六速粘度计的读数)。动态流变曲线测试

采用美国Thermo Scientific生产的HAAKE RV1型旋转粘度仪，测试程序为：5min中内，剪切速率从0～100s^-1逐渐增加，然后立即从100～0s^-1逐渐降低，时间为5min，对动态流变曲线进行积分，计算得出触变环的面积。

实验例1 XRD分析

实验例1胶体率分析

将热滚前实施例1～4和对比例1～4中得到的油基钻井液样品置于100mL具塞量筒中，静置24h，观察有机粘土的胶体率，结果见表1。

表1有机粘土在白油中的胶体率(24h)

实施例/对比例	标号	胶体率(％)
			实施例1	M<sub>8</sub>-S<sub>2</sub>	67.2
实施例2	M<sub>5</sub>-S<sub>5</sub>	90.3
			实施例3	M<sub>2</sub>-S<sub>8</sub>	100.0
实施例4	M<sub>8</sub>-S<sub>2</sub>’	34.5％
			对比例1	M<sub>10</sub>-S<sub>0</sub>	14.8
对比例2	M<sub>0</sub>-S<sub>10</sub>	100.0
			对比例3	M<sub>8</sub>-S<sub>2</sub>”	53.1％
对比例4	M<sub>8</sub>-S<sub>2</sub>”’	82.5％

由表1可知，静置24h后，对比例1中有机蒙脱石大量沉降，胶体率为14.8％；对比例2中有机海泡石始终均匀分散在白油中，形成胶体状液体，静置24h后，无沉降颗粒。随着复合有机粘土中有机海泡石的组分增加，油基钻井液的胶体率也逐步增加，至有机海泡石达到80％时，胶体率达到100.0％。

由此可知，海泡石的加入，有助于提高有机蒙脱石在白油中的分散性和成胶率。

实施例4中，由于有机改性剂I和有机改性剂II的用量降低，复合有机粘土沉降趋势增加，静置24h后，胶体率达到34.5％。

对比例3中，有机改性剂I为十八烷基三甲基氯化铵，相较于实施例1中双十八烷基三甲基氯化铵碳链长度降低，对蒙脱石层间距扩大及片层剥离促进作用降低，使得复合有机粘土沉降趋势增加，静置24h后，胶体率达到53.1％。

对比例4中，有机改性剂II为双十八烷基二甲基氯化铵，相较于实施例1中十八烷基三甲基氯化铵碳链长度增加，双十八烷基二甲基氯化铵亲油性较十八烷基三甲基氯化铵增加，有机海泡石在油中分散性提高，静置24h后，胶体率达到82.5％，较实施例1胶体率(67.2％)高。但在高温下时，由于双十八烷基二甲基氯化铵与海泡石结合不够牢固，胶体率可能下降较快。

实验例2钻井液样品的流变性能

对实施例1～4和对比例1～4中有机蒙脱石和有机海泡石配制的钻井液样品的流变性能进行测试，结果如表2所示。

实验例2.1表观粘度

66℃热滚后，所有样品的表观粘度都比较低。随着热滚温度的升高，样品的表观粘度差异逐步表现出来。样品的表观粘度随着温度的升高而升高，至180℃，对比例1有机蒙脱石和对比例2中有机海泡石的表观粘度均达到最大值，温度继续升高，表观粘度下降，这是由于高温对有机改性剂的破坏，进而影响二者在油中的网络结构。

在150-200℃之间，复合有机粘土的表观粘度均大于单独的有机蒙脱石或者有机海泡石，这表明二者复合对油基钻井液的粘度提升具有明显的贡献。其中，有机蒙脱石和有机海泡石的质量比为5:5时，其表观粘度远远大于单独的有机粘土，且150至200℃时，M₅-S₅的表观粘度变化非常小，表现出优异的热稳定性。实施例4中，由于改性剂的用量只占粘土矿物的10％，有机粘土的表面改性不充分，亲油性较差，表观粘度很小。对比例3中，由于有机蒙脱石的改性剂为较小的十八烷基三甲基氯化铵，有机蒙脱石层间距较小，亲油性较差，表观粘度相较于实施例1小。对比例4中，由于有机海泡石的改性剂为双十八烷基二甲基氯化铵，在66℃时，其表观粘度相较于实施例1较大，但在150℃及以上时，其表观粘度小于实施例1，特别是在200℃时，其表观粘度更小，这表明，双十八烷基二甲基氯化铵改性的有机海泡石在高温时其热稳定性较差。

表2钻井液样品的流变性能数据

实验例2.2触变环面积

根据动态流变曲线，积分计算出各个样品的触变环面积，见表3。

触变环面积的结构，与表观粘度类似。66℃，所有样品的触变环面积均较小，随着温度的升高，触变环面积逐步增加，除M₅-S₅外，其他样品在200℃时触变环面积下降。降低改性剂用量，钻井液的触变性显著降低(实施例4)。对于有机蒙脱石，改性剂分子越小，触变性越差(对比例3)，对于有机海泡石，较大的有机改性剂在高温时稳定性较差(对比例4)。

结果表明，有机蒙脱石和有机海泡石的复合，不仅提高了钻井液的流变性能(如粘度、触变性)，而且还提升了钻井液的热稳定性，使在钻井液在200℃时仍然保持稳定的流变性能。

表3样品在不同温度下的触变环面积

以上结合具体实施方式和范例性实例对本发明进行了详细说明，不过这些说明并不能理解为对本发明的限制。本领域技术人员理解，在不偏离本发明精神和范围的情况下，可以对本发明技术方案及其实施方式进行多种等价替换、修饰或改进，这些均落入本发明的范围内。本发明的保护范围以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种复合有机粘土材料，其由包括以下重量配比的原料成分制成：

有机蒙脱石 2～8重量份；

纤维状有机粘土 2～8重量份；

有机蒙脱石和纤维状有机粘土总量为10重量份；

其中，有机蒙脱石为通过有机改性剂I对蒙脱石改性获得；纤维状有机粘土为通过有机改性剂II对纤维状粘土改性获得；

所述有机改性剂I为双十八烷基二甲基溴化铵、双十八烷基二甲基氯化铵或双十八烷基甲基苄基氯化铵中的一种或多种；

所述有机改性剂II为十二烷基三甲基溴化铵、十二烷基三甲基氯化铵、十四烷基三甲基溴化铵、十四烷基三甲基氯化铵、十六烷基三甲基溴化铵、十六烷基三甲基氯化铵、十八烷基三甲基溴化铵、十八烷基三甲基氯化铵、十八烷基二甲基苄基溴化铵或十八烷基二甲基苄基氯化中任意一种或多种；

有机蒙脱石中有机改性剂的质量分数为10％～70％，纤维状有机粘土中有机改性剂的质量分数为5％～50％；

有机蒙脱石的层间距大于等于2.0nm，纤维状有机粘土的纤维长度为100nm～5μm；

有机蒙脱石中杂质的重量含量小于40％，纤维状有机粘土中杂质的重量含量小于40％；

有机蒙脱石中水分的重量含量低于5％，纤维状有机粘土中水分的重量含量低于5％。

2.根据权利要求1所述的复合有机粘土材料，其特征在于，由包括以下重量配比的原料成分制成：

有机蒙脱石 4～6重量份；

纤维状有机粘土 4～6重量份；

有机蒙脱石和纤维状有机粘土总量为10重量份；

其中，所述纤维状有机粘土包括有机海泡石、有机坡缕石中的一种或其组合。

3.根据权利要求2所述的复合有机黏土材料，其特征在于，由包括以下重量配比的原料成分制成：

有机蒙脱土 5重量份；

纤维状有机黏土 5重量份；

有机蒙脱石和纤维状有机黏土总量为10重量份；

其中，所述纤维状有机黏土为有机海泡石。

4.根据权利要求1所述的复合有机粘土材料，其特征在于，有机蒙脱石中有机改性剂的质量分数为25％～40％；纤维状有机粘土中有机改性剂的质量分数为20％～40％；和/或

有机蒙脱石的层间距大于等于3.5nm；纤维状有机粘土的纤维长度为200nm～2μm。

5.根据权利要求1所述的复合有机粘土材料，其特征在于，有机蒙脱石中杂质的重量含量小于小于20％；纤维状有机粘土中杂质的重量含量小于小于20％；和/或

有机蒙脱石中水分的重量含量低于2％；纤维状有机粘土中水分的重量含量低于2％。

6.根据权利要求5所述的复合有机黏土材料，其特征在于，有机蒙脱石中杂质的重量含量小于5％；纤维状有机黏土中杂质的重量含量小于5％。

7.一种含有权利要求1至6之一所述的复合有机粘土材料的油基钻井液，其中，复合有机粘土材料在油基钻井液中的总浓度为10～30g/L；

油基钻井液在150℃、180℃和200℃时的表观粘度分别大于35mPa·s、75mPa·s和30mPa·s，在150℃、180℃和200℃时的触变环面积分别大于600Pa·s^-1、700Pa·s^-1和350Pa·s^-1。

8.一种制备权利要求7所述的油基钻井液的方法，该方法包括以下步骤：

步骤1，制备有机蒙脱石和纤维状有机粘土；

步骤2，将设定量的有机蒙脱石和纤维状有机粘土加入油基钻井液基液中，搅拌，得到油基钻井液。

9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，

制备有机蒙脱石的过程为：将蒙脱石原料加入水中水化，然后加入有机改性剂I，搅拌，经分离、烘干和粉碎过筛，得到有机蒙脱石；

制备纤维状有机粘土的过程为：将纤维状粘土原料加入水中水化，然后加入有机改性剂II，搅拌，经分离、烘干和粉碎过筛，得到纤维状有机粘土；

蒙脱石原料与水的重量比为0.5～5:10；水化时间为20min至2h；有机蒙脱石中有机改性剂I的质量分数为10％～70％；

纤维状粘土原料与水的重量比为0.5～5:10；水化时间为20min至2h；纤维状有机粘土中有机改性剂II的质量分数为5％～50％。

10.一种权利要求1至6之一所述复合有机粘土材料在油基钻井液中的应用。

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