植物源纤维素组合物以用作钻井泥浆的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明设及水基钻井液，其能在较宽的温度范围内表现出流变稳定性。
【背景技术】
[0002] 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 (rheology modifiers)。该样的液体或"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W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W促进旋转，W及在操作条件需要时移除钻柱（化ill string),冷却钻头并润滑W防 止钻管在旋转时粘结。
[000引 文献 Remont, Larry J. ;Rehm, William A. ;McDonald, William M. ;and Maurer, William C.,"评估商用地热钻井液体巧valuation of Commercially Avail油le Geothermal Drilling Fluids),"由桑迪亚实验室（Sandia L 油 oratories)发行，该实验室 为美国能源研究和开发管理局（the United States Elnergy Research and Development A血inistration)运作（Nov. 1, 1976) ( W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。
[0004] 钻井泥浆通常为粘±和/或矿物在油或水中的胶体悬浮液。如本领域所公知的， 可W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 如硫酸领或"重晶石"）可W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（例如木质素横酸盐（lignosul化nates))可防止粘±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。
[0005] 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。
[0006] 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该 些深井的高效钻井的钻井液。
[0007] 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，由于处理该 些已用的泥浆和在该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。
[000引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。该些标准测试（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化ecommended Practice standard Procedure for Field Testing Water-Based Drilling Fluids)，"推荐实施（Recommended Practice) 13B-1 (第一版.Jun. 1, 1990)，美国石油组织（American Petroleum Institute) 中（W下简称为"RP 13B-1")。
[0009] 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±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，该些聚合物都不能满足在约120°C上的应用。
[0010] EP 0 134 084 公开了基于薄壁组织细胞纤维素（parenchymal cell cellulose) 的钻井液。该材料是通过EP 0 102 829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W下步骤：将甜菜浆 料（sugar beet pulp)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°C W上（0. 5MPa);将悬浮液在125°C W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W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）；用次氯酸钢漂白纤维素碎片并进行机械解原纤（mechanical defibrillation) W制 得由细胞壁碎片组成的薄壁组织纤维素糊状物。通过EP 0 134 084可W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设及非常高的温 度的钻井作业，例如超过160°C或175°C的条件，而该却是油井钻井中越来越常见的条件， 正如上面所解释的。
[0011] US 6,348,436 中记载了 EP 0 134 084/EP 0 102 829 的材料所具有的缺陷。 根据US 6, 348, 436的记载，所采用的纤维素纳米纤丝（cellulose nanofibrils)，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（non cellulosic acidic polysaccharides)从而妨碍了纳米纤维彼此之间的相互联系。该里的纳米纤维是通过US 5, 964, 983中详细描述的方法所制得。该方法包括W下步骤：在60-100°C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。该些材料的电 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15-20 ym 的长度。
[0012] 将植物纤维降解为单独的细胞W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。
[001引 另外，纳米纤维化的纤维素材料（Nanofibrililated cellulose material)是众 所周知的难W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l-2wt. % 时便会产生凝胶。当浓缩该样的组合物至更高的干固体含量时，该些体系会趋于巧塌并导 致纳米纤维的结块。为了再由该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，例如通过强力揽拌。该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，该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。
[0014] 因此，仍然存在对方便易得且低成本W大量生产的钻井液材料的需求，并且该样 的钻井液材料适用于高温钻井作业，例如高于175°C或180°C。
【发明内容】
[0015] 出人意料地，本发明的发明人发现含有细胞壁材料W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W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该种的纤维素基颗粒的过程比将该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，本发明的纤维素基颗粒要比完全拆开的纤维素纳米 纤丝生产的更快且成本更低。更令人惊奇的是，采用该些颗粒状的纤维素基材料制得的钻 井泥浆具有流变特性并且，特别是具有热稳定性，至少跟现有技术中的基于纤维素纳米纤 丝的钻井泥浆一样好。因此，通过保留含有植物细胞壁的碎片的纤维素的颗粒形式而不是 完全的将纤维素降解为单独的纳米纤丝，即可W保持材料的优异性能，又能降低生产时间 和能耗。
[0016] 一旦生产含有纤维素类的组合物，通常希望能够增加纤维素类的浓度从而降低材 料的体积从而减少储存和运输成本。本发明的发明人发现本发明的颗粒状的纤维素材料的 含水分散液可适于浓缩至干物质的含量至少为lOwt. %，例如高至25w. %，W得到仍然易 分散（再分散）于水中的产品，W获得满足钻井作业需要的纤维素含量。
[0017] 在不被任何理论限制的情况下，假定纤维素纤维的组织（因为其存在于薄壁组织 细胞壁中）至少部分地被保留在本发明的纤维素基颗粒中，尽管从中去除了部分的果胶和 半纤维素。因此，与上述的现有技术相反的是，纤维素基纳米纤丝并未全部被拆开，即该材 料并非主要基于完全拆开的纳米纤丝，而可认为是含有作为主要成分的薄壁组织细胞壁碎 片，并去除了大部分的果胶和半纤维素。发明人假定该材料中至少保留有一些半纤维素W 支持纤维素在颗粒中的结构组织（如通过提供附加的网状结构）。该样的半纤维素网状结 构可W将纤维素纤维