植物源纖維素組合物以用作鉆井泥漿的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明設(shè)及水基鉆井液，其能在較寬的溫度范圍內(nèi)表現(xiàn)出流變穩(wěn)定性。
【背景技術(shù)】
[0002] 本領(lǐng)域所公知的是鉆井（例如在油氣工業(yè)中）所用的鉆井液會(huì)用到流變改性劑 (rheology modifiers)。該樣的液體或"泥漿（muds)"在鉆井過程中發(fā)揮著多種功能，包括； 除去鉆井巖屑，懸浮高比重的加重材料和細(xì)巖屑，密封井筒壁W減少鉆井液向地層濾失，提 供靜水頭來防止井噴導(dǎo)致的高壓流體進(jìn)入井筒或通過井筒涌入地上，在井筒上形成低摩擦 表面W促進(jìn)旋轉(zhuǎn)，W及在操作條件需要時(shí)移除鉆柱（化ill string),冷卻鉆頭并潤(rùn)滑W防 止鉆管在旋轉(zhuǎn)時(shí)粘結(jié)。
[000引 文獻(xiàn) Remont, Larry J. ;Rehm, William A. ;McDonald, William M. ;and Maurer, William C.,"評(píng)估商用地?zé)徙@井液體巧valuation of Commercially Avail油le Geothermal Drilling Fluids),"由桑迪亞實(shí)驗(yàn)室（Sandia L 油 oratories)發(fā)行，該實(shí)驗(yàn)室 為美國(guó)能源研究和開發(fā)管理局（the United States Elnergy Research and Development A血inistration)運(yùn)作（Nov. 1, 1976) ( W下簡(jiǎn)稱為"Remont等"）中極好地總結(jié)了有關(guān)組合 物和鉆井液應(yīng)用的背景。
[0004] 鉆井泥漿通常為粘±和/或礦物在油或水中的膠體懸浮液。如本領(lǐng)域所公知的， 可W添加多種化學(xué)物質(zhì)來改變、增強(qiáng)、影響或改善該懸浮液的性質(zhì)。例如，加入加重劑（例 如硫酸領(lǐng)或"重晶石"）可W增加泥漿的密度。增粘劑可用于增加粘度和凝膠強(qiáng)度?？剐跄?劑（例如木質(zhì)素橫酸鹽（lignosul化nates))可防止粘±顆粒的形成。加入濾失控制材料 (例如水溶性聚合物或淀粉）可促進(jìn)井筒壁上形成濾餅，從而使得極少量的鉆井液進(jìn)入滲 透性地層。
[0005] 近年來油氣方面的研究趨向于深井鉆井。因?yàn)榈貧こ蕼囟忍荻确植?，?dǎo)致深井具 有較高的井底溫度。
[0006] 因此本領(lǐng)域普遍認(rèn)為亟需一種能夠在較寬溫度范圍內(nèi)保持流變穩(wěn)定性的適于該 些深井的高效鉆井的鉆井液。
[0007] 因?yàn)橛突@井液具有更好的熱穩(wěn)定性，它們通常用于高溫作業(yè)。然而，由于處理該 些已用的泥漿和在該些泥漿中攜帶的鉆井巖屑將對(duì)環(huán)境造成影響，因此工業(yè)中更多選擇的 鉆井液為水基鉆井液。水基鉆井液還更適用于高壓作業(yè)，例如深井，因?yàn)橛突@井液要比水 基鉆井液更易被壓縮。而壓縮率的增加將導(dǎo)致更高的粘度。
[000引要使得泥漿能夠在井底高溫條件下表現(xiàn)良好，必須使得該泥漿能夠在其接觸的整 個(gè)溫度范圍內(nèi)都是流變穩(wěn)定的。該溫度范圍通常為從室溫到井底溫度的范圍。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn) 鉆井液測(cè)試，在泥漿流入井筒之前和之后，通過測(cè)量泥漿的屈服點(diǎn)和凝膠強(qiáng)度，來監(jiān)測(cè)其流 變穩(wěn)定性。該些標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試（包括對(duì)屈服點(diǎn)和凝膠強(qiáng)度的測(cè)試）是該工業(yè)領(lǐng)域所熟知的，并 記載在"推薦的用于現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)水基鉆井液的實(shí)地標(biāo)準(zhǔn)化ecommended Practice standard Procedure for Field Testing Water-Based Drilling Fluids)，"推薦實(shí)施（Recommended Practice) 13B-1 (第一版.Jun. 1, 1990)，美國(guó)石油組織（American Petroleum Institute) 中（W下簡(jiǎn)稱為"RP 13B-1")。
[0009] 現(xiàn)有技術(shù)中存在多種克服高溫作業(yè)遇到的疑難問題的部分解決方案。其中一種方 案包括采用聚合物代替粘±作為增粘劑。目前，實(shí)際上出于此目的常用的是瓜爾豆膠。然 而，該些聚合物都不能滿足在約120°C上的應(yīng)用。
[0010] EP 0 134 084 公開了基于薄壁組織細(xì)胞纖維素（parenchymal cell cellulose) 的鉆井液。該材料是通過EP 0 102 829中描述的方法制得，并教導(dǎo)了該方法的特征在于 在高溫下通過強(qiáng)酸或強(qiáng)堿對(duì)植物漿料進(jìn)行水解持續(xù)短時(shí)間，并伴隨著機(jī)械剪切從而生產(chǎn)得 到未過度降解的纖維素的和半纖維素的生物高分子。具體的方法包括W下步驟：將甜菜漿 料（sugar beet pulp)懸浮于酸性的（pH<4. 5)或堿性的（pH〉10.0)水介質(zhì)中；加熱該懸 浮液至125°C W上（0. 5MPa);將懸浮液在125°C W上的溫度下保持15秒-360秒；將加熱后 的懸浮液送入管式反應(yīng)器中進(jìn)行機(jī)械剪切，隨后通過小孔連通處于大氣壓的區(qū)域W快速降 壓；過濾懸浮液并回收不溶的碎片（含有薄壁組織纖維素）和可溶碎片（濾液，含有半纖維 素）；用次氯酸鋼漂白纖維素碎片并進(jìn)行機(jī)械解原纖（mechanical defibrillation) W制 得由細(xì)胞壁碎片組成的薄壁組織纖維素糊狀物。通過EP 0 134 084可W明顯看出，盡管上 述材料大體上具有適用于常規(guī)鉆井液的合適的性能，但是它們卻不適用于設(shè)及非常高的溫 度的鉆井作業(yè)，例如超過160°C或175°C的條件，而該卻是油井鉆井中越來越常見的條件， 正如上面所解釋的。
[0011] US 6,348,436 中記載了 EP 0 134 084/EP 0 102 829 的材料所具有的缺陷。 根據(jù)US 6, 348, 436的記載，所采用的纖維素納米纖絲（cellulose nanofibrils)，在納 米纖維的表面上殘留有一定百分比的非纖維素的酸性多糖（non cellulosic acidic polysaccharides)從而妨礙了納米纖維彼此之間的相互聯(lián)系。該里的納米纖維是通過US 5, 964, 983中詳細(xì)描述的方法所制得。該方法包括W下步驟：在60-100°C的溫和溫度下 水解甜菜漿料，采用濃度低于9wt. %的堿進(jìn)行至少一次提取，并在高溫高壓下勻漿化處理 (homogenisation)。該方法制得了拆開的（unraveling)、未破碎的納米纖維。該些材料的電 子顯微鏡檢測(cè)結(jié)果表明納米纖維的平均橫截面為2-4nm，并且納米纖維具有長(zhǎng)至15-20 ym 的長(zhǎng)度。
[0012] 將植物纖維降解為單獨(dú)的細(xì)胞W及將植物細(xì)胞降解為纖維素纖維和納米纖維是 一個(gè)耗能的過程，需要對(duì)植物細(xì)胞進(jìn)行化學(xué)上的和機(jī)械上的作用。
[001引 另外，納米纖維化的纖維素材料（Nanofibrililated cellulose material)是眾 所周知的難W處理的材料。拆開的纖維素納米纖絲體系在水中的固體含量不超過l-2wt. % 時(shí)便會(huì)產(chǎn)生凝膠。當(dāng)濃縮該樣的組合物至更高的干固體含量時(shí)，該些體系會(huì)趨于巧塌并導(dǎo) 致納米纖維的結(jié)塊。為了再由該些濃縮的納米纖維化的材料制得具有合適流變性能的鉆井 液，如果可行的話，需要采用強(qiáng)化處理，例如通過強(qiáng)力攬拌。該對(duì)鉆井作業(yè)來說具有嚴(yán)重的 缺點(diǎn)，即需要消耗大量的鉆井液，該意味著要么需要儲(chǔ)存和運(yùn)輸相對(duì)較大的體積量（水）要 么在鉆井位點(diǎn)對(duì)大量的材料必須進(jìn)行強(qiáng)化處理。毫無意外的是，至今在該領(lǐng)域的實(shí)質(zhì)性的 R&D努力都沒有實(shí)現(xiàn)納米纖維化的纖維素材料在鉆井中的實(shí)際商業(yè)應(yīng)用。
[0014] 因此，仍然存在對(duì)方便易得且低成本W(wǎng)大量生產(chǎn)的鉆井液材料的需求，并且該樣 的鉆井液材料適用于高溫鉆井作業(yè)，例如高于175°C或180°C。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0015] 出人意料地，本發(fā)明的發(fā)明人發(fā)現(xiàn)含有細(xì)胞壁材料W及纖維素基纖維和納米纖絲 的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的纖維素基顆?？蒞用于制備具有特別適用于鉆井液的粘度和流變性能的懸 浮液。將植物基漿料降解為該種的纖維素基顆粒的過程比將該種漿料進(jìn)一步降解為纖維素 納米纖絲的過程更少和更溫和，因此，本發(fā)明的纖維素基顆粒要比完全拆開的纖維素納米 纖絲生產(chǎn)的更快且成本更低。更令人驚奇的是，采用該些顆粒狀的纖維素基材料制得的鉆 井泥漿具有流變特性并且，特別是具有熱穩(wěn)定性，至少跟現(xiàn)有技術(shù)中的基于纖維素納米纖 絲的鉆井泥漿一樣好。因此，通過保留含有植物細(xì)胞壁的碎片的纖維素的顆粒形式而不是 完全的將纖維素降解為單獨(dú)的納米纖絲，即可W保持材料的優(yōu)異性能，又能降低生產(chǎn)時(shí)間 和能耗。
[0016] 一旦生產(chǎn)含有纖維素類的組合物，通常希望能夠增加纖維素類的濃度從而降低材 料的體積從而減少儲(chǔ)存和運(yùn)輸成本。本發(fā)明的發(fā)明人發(fā)現(xiàn)本發(fā)明的顆粒狀的纖維素材料的 含水分散液可適于濃縮至干物質(zhì)的含量至少為lOwt. %，例如高至25w. %，W得到仍然易 分散（再分散）于水中的產(chǎn)品，W獲得滿足鉆井作業(yè)需要的纖維素含量。
[0017] 在不被任何理論限制的情況下，假定纖維素纖維的組織（因?yàn)槠浯嬖谟诒”诮M織 細(xì)胞壁中）至少部分地被保留在本發(fā)明的纖維素基顆粒中，盡管從中去除了部分的果膠和 半纖維素。因此，與上述的現(xiàn)有技術(shù)相反的是，纖維素基納米纖絲并未全部被拆開，即該材 料并非主要基于完全拆開的納米纖絲，而可認(rèn)為是含有作為主要成分的薄壁組織細(xì)胞壁碎 片，并去除了大部分的果膠和半纖維素。發(fā)明人假定該材料中至少保留有一些半纖維素W 支持纖維素在顆粒中的結(jié)構(gòu)組織（如通過提供附加的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)）。該樣的半纖維素網(wǎng)狀結(jié) 構(gòu)可W將纖維素纖維