植物源纤维素组合物以用作钻井泥浆制造技术

本发明专利技术涉及水基钻井液。发现含有细胞壁材料和纤维素基纤维和纳米纤丝的网状结构的纤维素基颗粒可以用于制得具有适用于钻井液的粘度和流变性能的悬浮液。尽管从中去除了部分果胶和半纤维素，仍假定存在于薄壁组织细胞壁中的纤维素纤维的组织至少部分地保留在本发明专利技术的纤维素基颗粒中。将植物基浆料降解成这种纤维素基颗粒包括了比进一步降解该浆料为纤维素纳米纤丝更少和更温和的过程，因此本发明专利技术的纤维素基颗粒可以比完全拆开的纤维素纳米纤丝更快地以及成本更低地制得。基于本发明专利技术的纤维素材料的钻井液在较宽的作业温度范围内都稳定。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】植物源纤维素组合物以用作钻井泥浆
本专利技术涉及水基钻井液，其能在较宽的温度范围内表现出流变稳定性。
技术介绍
本领域所公知的是钻井(例如在油气工业中)所用的钻井液会用到流变改性剂(rheologymodifiers)。这样的液体或“泥浆(muds)”在钻井过程中发挥着多种功能，包括：除去钻井岩屑，悬浮高比重的加重材料和细岩屑，密封井筒壁以减少钻井液向地层滤失，提供静水头来防止井喷导致的高压流体进入井筒或通过井筒涌入地上，在井筒上形成低摩擦表面以促进旋转，以及在操作条件需要时移除钻柱(drillstring)，冷却钻头并润滑以防止钻管在旋转时粘结。文献Remont,LarryJ.；Rehm,WilliamA.；McDonald,WilliamM.；andMaurer,WilliamC.,“评估商用地热钻井液体(EvaluationofCommerciallyAvailableGeothermalDrillingFluids),”由桑迪亚实验室(SandiaLaboratories)发行，该实验室为美国能源研究和开发管理局(theUnitedStatesEnergyResearchandDevelopmentAdministration)运作(Nov.1,1976)(以下简称为"Remont等")中极好地总结了有关组合物和钻井液应用的背景。钻井泥浆通常为粘土和/或矿物在油或水中的胶体悬浮液。如本领域所公知的，可以添加多种化学物质来改变、增强、影响或改善该悬浮液的性质。例如，加入加重剂(例如硫酸钡或“重晶石”)可以增加泥浆的密度。增粘剂可用于增加粘度和凝胶强度。抗絮凝剂(例如木质素磺酸盐(lignosulfonates))可防止粘土颗粒的形成。加入滤失控制材料(例如水溶性聚合物或淀粉)可促进井筒壁上形成滤饼，从而使得极少量的钻井液进入渗透性地层。近年来油气方面的研究趋向于深井钻井。因为地壳呈温度梯度分布，导致深井具有较高的井底温度。因此本领域普遍认为亟需一种能够在较宽温度范围内保持流变稳定性的适于这些深井的高效钻井的钻井液。因为油基钻井液具有更好的热稳定性，它们通常用于高温作业。然而，由于处理这些已用的泥浆和在这些泥浆中携带的钻井岩屑将对环境造成影响，因此工业中更多选择的钻井液为水基钻井液。水基钻井液还更适用于高压作业，例如深井，因为油基钻井液要比水基钻井液更易被压缩。而压缩率的增加将导致更高的粘度。要使得泥浆能够在井底高温条件下表现良好，必须使得该泥浆能够在其接触的整个温度范围内都是流变稳定的。该温度范围通常为从室温到井底温度的范围。根据标准钻井液测试，在泥浆流入井筒之前和之后，通过测量泥浆的屈服点和凝胶强度，来监测其流变稳定性。这些标准测试(包括对屈服点和凝胶强度的测试)是该工业领域所熟知的，并记载在“推荐的用于现场检测水基钻井液的实地标准(RecommendedPracticeStandardProcedureforFieldTestingWater-BasedDrillingFluids)，”推荐实施(RecommendedPractice)13B-1(第一版.Jun.1,1990)，美国石油组织(AmericanPetroleumInstitute)中(以下简称为"RP13B-1")。现有技术中存在多种克服高温作业遇到的疑难问题的部分解决方案。其中一种方案包括采用聚合物代替粘土作为增粘剂。目前，实际上出于此目的常用的是瓜尔豆胶。然而，这些聚合物都不能满足在约120℃上的应用。EP0134084公开了基于薄壁组织细胞纤维素(parenchymalcellcellulose)的钻井液。该材料是通过EP0102829中描述的方法制得，并教导了该方法的特征在于在高温下通过强酸或强碱对植物浆料进行水解持续短时间，并伴随着机械剪切从而生产得到未过度降解的纤维素的和半纤维素的生物高分子。具体的方法包括以下步骤：将甜菜浆料(sugarbeetpulp)悬浮于酸性的(pH<4.5)或碱性的(pH>10.0)水介质中；加热该悬浮液至125℃以上(0.5MPa)；将悬浮液在125℃以上的温度下保持15秒-360秒；将加热后的悬浮液送入管式反应器中进行机械剪切，随后通过小孔连通处于大气压的区域以快速降压；过滤悬浮液并回收不溶的碎片(含有薄壁组织纤维素)和可溶碎片(滤液，含有半纤维素)；用次氯酸钠漂白纤维素碎片并进行机械解原纤(mechanicaldefibrillation)以制得由细胞壁碎片组成的薄壁组织纤维素糊状物。通过EP0134084可以明显看出，尽管上述材料大体上具有适用于常规钻井液的合适的性能，但是它们却不适用于涉及非常高的温度的钻井作业，例如超过160℃或175℃的条件，而这却是油井钻井中越来越常见的条件，正如上面所解释的。US6,348,436中记载了EP0134084/EP0102829的材料所具有的缺陷。根据US6,348,436的记载，所采用的纤维素纳米纤丝(cellulosenanofibrils)，在纳米纤维的表面上残留有一定百分比的非纤维素的酸性多糖(noncellulosicacidicpolysaccharides)从而妨碍了纳米纤维彼此之间的相互联系。这里的纳米纤维是通过US5,964,983中详细描述的方法所制得。该方法包括以下步骤：在60-100℃的温和温度下水解甜菜浆料，采用浓度低于9wt.％的碱进行至少一次提取，并在高温高压下匀浆化处理(homogenisation)。该方法制得了拆开的(unraveling)、未破碎的纳米纤维。这些材料的电子显微镜检测结果表明纳米纤维的平均横截面为2-4nm，并且纳米纤维具有长至15-20μm的长度。将植物纤维降解为单独的细胞以及将植物细胞降解为纤维素纤维和纳米纤维是一个耗能的过程，需要对植物细胞进行化学上的和机械上的作用。另外，纳米纤维化的纤维素材料(Nanofibrililatedcellulosematerial)是众所周知的难以处理的材料。拆开的纤维素纳米纤丝体系在水中的固体含量不超过1-2wt.％时便会产生凝胶。当浓缩这样的组合物至更高的干固体含量时，这些体系会趋于坍塌并导致纳米纤维的结块。为了再由这些浓缩的纳米纤维化的材料制得具有合适流变性能的钻井液，如果可行的话，需要采用强化处理，例如通过强力搅拌。这对钻井作业来说具有严重的缺点，即需要消耗大量的钻井液，这意味着要么需要储存和运输相对较大的体积量(水)要么在钻井位点对大量的材料必须进行强化处理。毫无意外的是，至今在该领域的实质性的R&D努力都没有实现纳米纤维化的纤维素材料在钻井中的实际商业应用。因此，仍然存在对方便易得且低成本以大量生产的钻井液材料的需求，并且这样的钻井液材料适用于高温钻井作业，例如高于175℃或180℃。
技术实现思路
出人意料地，本专利技术的专利技术人发现含有细胞壁材料以及纤维素基纤维和纳米纤丝的网状结构的纤维素基颗粒可以用于制备具有特别适用于钻井液的粘度和流变性能的悬浮液。将植物基浆料降解为这种的纤维素基颗粒的过程比将这种浆料进一步降解为纤维素纳米纤丝的过程更少和更温和，因此，本专利技术的纤维素基颗粒要比完全拆开的纤维素纳米纤丝本文档来自技高网...

【技术保护点】
薄壁组织纤维素组合物，该薄壁组织纤维素组合物含有颗粒状纤维素材料，以所述颗粒状纤维素材料的干重为基准，所述颗粒状纤维素材料含有至少70％的纤维素、少于10％的果胶和至少5％的半纤维素，其中，通过激光衍射法测量的该颗粒状材料的体积‑加权中值主粒径在25‑75μm的范围内，优选在35‑65μm的范围内。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2012.07.27 EP 12178190.01.薄壁组织纤维素组合物，该薄壁组织纤维素组合物含有颗粒状纤维素材料，以所述颗粒状纤维素材料的干重为基准，所述颗粒状纤维素材料含有至少70％的纤维素、0.5-10％的果胶和至少5％的半纤维素，其中，通过激光衍射法测量的该颗粒状材料的体积-加权中值主粒径在25-75μm的范围内，该组合物含有小于10wt.％的拆开的纤维素纳米纤丝。2.根据权利要求1所述的薄壁组织纤维素组合物，其中，通过激光衍射法测量的该颗粒状材料的体积-加权中值主粒径在35-65μm的范围内。3.根据权利要求1所述的薄壁组织纤维素组合物，其中，所述颗粒状纤维素材料的特征是以体积计，至少90％的颗粒的粒径小于120μm。4.根据权利要求3所述的薄壁组织纤维素组合物，其中，所述颗粒状纤维素材料的特征是以体积计，至少90％的颗粒的粒径小于110μm。5.根据权利要求1或3所述的薄壁组织纤维素组合物，其中，所述颗粒状纤维素材料的形态特征是纤维素网状结构。6.含有水介质和分散于所述水介质中的前述权利要求中任意一项所述的薄壁组织纤维素组合物的钻井液。7.根据权利要求6所述的钻井液，其中，该钻井液还含有至少一种钻井液添加剂。8.根据权利要求7所述的钻井液，其中，该钻井液含有选自由稀释和分散剂、润滑剂、页岩稳定剂、pH控制剂、降滤失剂、降失水剂、缓蚀剂、除氧剂和加重剂组成的组中的钻井液添加剂。9.一种制备权利要求1-5中任意一项所定义的薄壁组织纤维素组合物的方法，该方法包括以下步骤：a)提供植物浆料；b)将所述植物浆料进行化学处理和/或酶处理以使果胶和半纤维素部分降解和...

【专利技术属性】
技术研发人员：G·P·F·M·范恩格伦，G·A·范因根，C·梅瓦森，
申请(专利权)人：克鲁科姆有限公司，侨兴生物制品有限公司，
类型：发明
国别省市：英国;GB