一种改性海水钻井用膨润土、制备方法及钻井液与流程

2021-02-02 19:02:22|

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本发明涉及膨润土领域，尤其是涉及一种改性海水钻井用膨润土、制备方法及钻井液。

背景技术：

膨润土是以蒙脱石为主要矿物成分的非金属矿产，蒙脱石结构是由两个硅氧四面体夹一层铝氧八面体组成的2：1型晶体结构，由于蒙脱石晶胞形成的层状结构存在某些阳离子，如cu、mg、na、k等，且这些阳离子与蒙脱石晶胞的作用很不稳定，易被其它阳离子交换，故具有较好的离子交换性。由于具有特定的层状结构，使其具有较大的比表面积，因此具有较强的吸附性，同时由于有亲水基团oh的存在，在水溶液中具有优良的分散性和悬浮性及粘结性，在一定浓度范围内，表现出优良的触变性。即在有外加搅拌时，悬浊液表现为流动性很好的溶胶液，停止搅拌后会自行排列成立体网状结构的凝胶，而不发生沉降和水析离。这种特性特别适于配制钻井泥浆。常用的膨润土改性方法有钠化改性法、酸改性法、焙烧改性法、盐改性法、有机改性法和无机柱撑改性法、无机/有机复合改性法等。

专利cn103482638a公开了一种有机膨润土的制造方法，包括以下步骤：1)打浆；2)沉浆；3)旋流除沙器进行除沙；4)卧式离心机进一步过滤固体杂质；5)通过碟片离心机进行液-液分离，得到浓缩的钠基蒙脱石浆液；6)含固量测定；7)加入纯碱；8)升温，加入硫酸调节ph值，保温；9)有机化覆盖反应：加入白油、十八烷基三甲基氯化铵；10)压干；11)烘干。

专利cn107777696a公开了一种有机膨润土的制备方法，将钙基膨润土用雷蒙机研磨至细度为100～325目，加入水进行打浆，加入碳酸钠混合均匀，陈化，得到钠基膨润土浆料；将钠基膨润土浆料和聚丙烯酰胺加入反应釜中，进行反应，压滤，然后转入改性机中，向改性机中加入邻苯二甲酸二丁酯和乳化剂，进行改性，烘干，加入到混炼机中，与二甲基十八烷基苄基氯化铵进行混炼，得到有机膨润土。

虽然这些改性的膨润土具有一定的稳定性，但其多以提高有机土在溶剂中的粘度为目的，大部分的有机膨润土都不具有乳化性能，需要增加乳化剂来提高其稳定性，虽然乳化剂能够提高钻井液的粘稠度，但成胶效果不足，且其稳定性仍不是很理想，更高稳定性海水钻井用膨润土亟待开发。

技术实现要素：

针对上述内容，为解决上述问题提供一种改性海水钻井用膨润土、制备方法及钻井液，其中，该改性海水钻井用膨润土，包括如下组分：膨润土，海泡石，坡缕石，高岭石，伊利石，绿泥石，蛋白石，方解石，菱铁矿，滑石粉，石膏，黄铁矿，角闪石，石英，纳米氧化铁颗粒，纳米二氧化硅颗粒，纳米石墨。

上述改性海水钻井用膨润土的各组分的重量份可以如下：膨润土5-10％，海泡石1.5-2％，坡缕石0.5-1％，高岭石0.3-0.5％，伊利石0.2-0.4％，绿泥石0.15-0.2％，蛋白石0.1-0.2％，方解石0.09-0.12％，菱铁矿0.05-0.08％，滑石粉0.03-0.05％，石膏0.02-0.04％，黄铁矿0.02-0.03％，角闪石0.01-0.03％，石英0.015-0.03％，纳米氧化铁颗粒0.2-0.5％，纳米二氧化硅颗粒0.1-0.3％，纳米石墨0.03-0.05％。

上述改性海水钻井用膨润土的各组分的重量份可以如下：膨润土8％，海泡石1.8％，坡缕石0.8％，高岭石0.4％，伊利石0.3％，绿泥石0.18％，蛋白石0.15％，方解石0.1％，菱铁矿0.06％，滑石粉0.04％，石膏0.03％，黄铁矿0.025％，角闪石0.02％，石英0.02％，纳米氧化铁颗粒0.35％，纳米二氧化硅颗粒0.2％，纳米石墨0.035％。

上述改性海水钻井用膨润土的制备方法，包括如下步骤：(1).通过沉淀法提纯膨润土，去除砂砾等杂质，将膨润土在适量蒸馏水中剧烈搅拌，然后保持沉淀24h，将上清液最高比例的3/4对应的馏分在大气中干燥3天，将干燥的残渣粉末化并筛分至200目的粒径；(2).将提纯后的膨润土，海泡石，坡缕石，高岭石，伊利石，绿泥石，蛋白石，方解石，菱铁矿，滑石粉，石膏，黄铁矿，角闪石，石英的混合物按比例分散在去离子水中；(3).将混合物超声处理20分钟，以分解黏土骨料；随后采用高速混合器搅拌1h，静置老化1天；加入盐酸或烧碱，将混合液的ph值调整为7；(4).按配方在溶液中加入纳米氧化铁颗粒，纳米二氧化硅颗粒，纳米石墨，在高剪切力下高速搅拌一定时间，得到分散均匀的混合液，将混合液转移至微波辐射装置中，在设定的微波辐射功率和辐射时间下进行改性；所述微波辐射装置包括电源，用于形成电子的磁场发生器和用于产生微波的电子管，电子管包括回旋管和加速装置，其中，加速装置具有阴极和阳极，加速电压由连接在阳极和阴极之间的多电平转换器产生，多电平转换器具有多个可级联并且可以串联连接在阳极和阴极之间的能量存储装置，多电平转换器可以是电路，其可以使用能量存储装置从直流电压产生具有可变电压电平的单极输出电压作为输入电压，为保证微波的稳定性，加速电压的时间顺序由一系列电压脉冲提供，首先在阳极和阴极之间施加具有工作幅度的第一电压脉冲；确定在施加的第一电压脉冲期间是否发生电击穿；和在第一电压脉冲之后施加具有比在施加的第一电压脉冲期间发生电闪络时的操作幅度小的去离子振幅的第二电压脉冲，此外，微波辐射装置还包括波导管，用于将微波传输到膨润土处理区域，在波导管的上端依次设置有检测器和谐调器，检测器用于检测微波频率，谐调器用于进行调节；(5).改性结束后放入烘干箱下烘干，研磨筛分，得到纳米膨润土复合体。其中，微波的波长为1-1000mm之间，对应的频率范围为5×300mhz，其中辐射时间为15分钟；高剪切力下高速搅拌的时间为30min；烘干温度为120℃，时间为6h，筛分至150目粒度。

上述膨润土制备的钻井液，钻井液用于海上钻井，并包括增粘剂和护胶剂；其在改性膨润土的基础上加入长分子链聚合物作为增粘剂，加入低相对分子质量聚合物作护胶剂；上述钻井液的制备方法为先用烧碱、纯碱、磷酸钠等除掉海水中的一部分钙、镁离子，然后加入膨润土、增粘剂和护胶剂的混合物。

本发明的有益效果为：

与常规膨润土相比，本申请通过加入上述成分，并进行微波辐射，得到的膨润土起浆快，含砂量低，造浆率好，携沙能力强，滤失量低，稳定性高，其中加入的海泡石和坡缕石中通常含有10％-20％的蒙脱石，蒙脱石的层电荷和电荷局部化通过影响蒙脱石准晶的分层程度和厚度来影响粒子数量和粒子-粒子连接的强度，进而有利于提高膨润土的稳定性；纳米氧化铁嵌入在黏土颗粒表面随机分布的孔结构中，并在膨润土颗粒之间形成了联系，从而促进了膨润土颗粒的胶凝，纳米二氧化硅和纳米石墨的加入增加了膨润土屈服强度的稳定性。

附图说明

被包括来提供对所公开主题的进一步认识的附图，将被并入此说明书并构成该说明书的一部分。附图也阐明了所公开主题的实现，以及连同详细描述一起用于解释所公开主题的实现原则。没有尝试对所公开主题的基本理解及其多种实践方式展示超过需要的结构细节。

图1为改性膨润土的制备流程；

具体实施方式

本发明的优点、特征以及达成所述目的的方法通过附图及后续的详细说明将会明确。

实施例1：改性海水钻井用膨润土的制备

该改性海水钻井用膨润土，包括如下组分：膨润土，海泡石，坡缕石，高岭石，伊利石，绿泥石，蛋白石，方解石，菱铁矿，滑石粉，石膏，黄铁矿，角闪石，石英，纳米氧化铁颗粒，纳米二氧化硅颗粒，纳米石墨。

上述改性海水钻井用膨润土的各组分的重量份可以如下：膨润土5％，海泡石1.5％，坡缕石0.5％，高岭石0.3％，伊利石0.2％，绿泥石0.15％，蛋白石0.1％，方解石0.09％，菱铁矿0.05％，滑石粉0.03％，石膏0.02％，黄铁矿0.02％，角闪石0.01％，石英0.015％，纳米氧化铁颗粒0.2％，纳米二氧化硅颗粒0.1％，纳米石墨0.03％。

实施例2：改性海水钻井用膨润土的制备

实施例3：改性海水钻井用膨润土的制备

上述改性海水钻井用膨润土的各组分的重量份可以如下：膨润土10％，海泡石2％，坡缕石1％，高岭石0.5％，伊利石0.4％，绿泥石0.2％，蛋白石0.2％，方解石0.12％，菱铁矿0.08％，滑石粉0.05％，石膏0.04％，黄铁矿0.03％，角闪石0.03％，石英0.03％，纳米氧化铁颗粒0.5％，纳米二氧化硅颗粒0.3％，纳米石墨0.05％。

利用上述膨润土进行钻井液的制备，钻井液可以用于海上钻井，钻井液中还包括增粘剂和护胶剂。为了提高钻井液的质量，其在改性膨润土的基础上加入长分子链聚合物作为增粘剂，加入低相对分子质量聚合物作护胶剂。上述钻井液的具体制备过程可以先用烧碱、纯碱、磷酸钠等除掉海水中的一部分钙、镁离子，然后加入膨润土、增粘剂和护胶剂的混合物。

对比例1

本对比例为国家标准土。

采用下列方式对本发明实施例1-5及对比例制备的膨润土进行性能测试，结果见表1。

表1性能测试结果表

由上表可知，与常规膨润土相比，本申请通过加入上述成分，并进行微波辐射，得到的膨润土起浆快，含砂量低，造浆率好，携沙能力强，滤失量低，稳定性高，其中加入的海泡石和坡缕石中通常含有10％-20％的蒙脱石，蒙脱石的层电荷和电荷局部化通过影响蒙脱石准晶的分层程度和厚度来影响粒子数量和粒子-粒子连接的强度，进而有利于提高膨润土的稳定性；纳米氧化铁嵌入在黏土颗粒表面随机分布的孔结构中，并在膨润土颗粒之间形成了联系，从而促进了膨润土颗粒的胶凝，纳米二氧化硅和纳米石墨的加入增加了膨润土屈服强度的稳定性。

而为进一步提高钻井液的稳定性，还可以在钻井液中加入改性聚乙烯醇树脂水溶液，其中，改性聚乙烯醇树脂的制备方法如下：

使用偶氮二异丁腈作为引发剂，在氮气流下加热回流以引发回流冷凝器，滴液漏斗，在装有搅拌器的反应容器中进行20份甲醇，100份乙酸乙烯酯，0.5份二烯丙基二甲基氯化铵的聚合，当聚合率达到70％时，加入聚合抑制剂间二硝基苯，完成聚合。随后，通过吹入甲醇蒸气的方法将未反应的单体除去，以获得共聚物的甲醇溶液。然后，装入捏合机中并将甲醇稀释至30％的浓度，保持溶液温度在33℃，在共聚物中加入3.8％氢氧化钠。滤出生成的固体，用甲醇充分洗涤，在热风干燥机中干燥，即可得到改性聚乙烯醇树脂。

以上所述，仅为本发明的优选实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

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