技术领域
本发明涉及一种钻井液用改性累托石及其生产方法，具体地说是一种石油、天然气、地矿、建筑工程等行业用于钻井、钻探的材料，属钻井用组合物领域。
背景技术：
在本发明之前钻井液大多用钠基膨润土制备，在钠基膨润土中，可用于钻井液的天然钠基膨润土，国内外都很少；人工钠化的钠基膨润土，国外如美国、英国、意大利、日本、巴西等国，国内如山东高阳、安丘、驸马营，辽宁建平，湖北鄂州等地，均以钙基膨润土为主要原料。如1985年地质矿产部探矿工程研究所、地质矿产部泥浆公司申请的专利“人工钠土工艺流程”，申请号85105253，采用钙基膨润土为主要原料，采用双螺旋挤压法实现连续的、机械化和自动化的生产人工钠土的工艺；还有地质矿产部泥浆公司在《非金属矿》1992年第4期“对辊挤压在生产人工钠膨润土中的应用”一文中主要介绍了采用对辊挤压法，将钙基膨润土改性为钠基膨润土，上述方法不足之处在于采用加水较多的湿法，烘干和磨粉所需能耗高，设备费用高，且原料均为膨润土，经人工钠化，综合性能均不够理想；供给油田或矿区配浆使用配浆后均需预水化16小时以上才能入井使用。
技术实现要素：
本发明的目的在于提供一种钻井液用改性累托石及其生产方法，能克服上述方法之不足，采用累托石矿为原料，半干法人工改性工艺钠化累托石，获得具有造浆性能好，抗高温性能好，生产方法简单，成本低，使用方便，不需预水化，现配现用的钻井液用改性累托石。
本发明为了达到上述目的，提供一种钻井液用改性累托石，其特征在于化学成分(按质量％)为：SiO240～46，TiO21～3，Al2O330～36，Fe2O30.5～1.5，CaO2.5～4.0，MgO0.1～0.5，Na2O3～4，K2O0.5～1.5，余量为微量元素和烧失量。
本发明为了达到上述目的还提供一种钻井液用改性累托石的生产方法，采用钙基粘土，经破碎与钠盐混合，人工改性，干燥、粉碎，其特征在于以钙基累托石粘土矿为原料，采用半干法人工改性工艺，钙基累托石粘土矿原料的矿物结构中蒙脱石层间阳离子含钙离子占50％以上，吸蓝量≥0.49mmol/g，累托石含量≥65％；将钙基累托石粘土经粉碎机破碎至16目(1.0mm)以下，置于混辗机内，加入钠盐，在混辗机内干混2～7分钟，喷洒水，湿混辗10～60分钟，排出；置于仓棚内陈化7～10天；经干燥至含水量≤10％，制成化学成分(按质量％)为：SiO240～46，TiO21～3，Al2O330～36，Fe2O30.5～1.5，CaO2.5～4.0，MgO0.1～0.5，Na2O3～4，K2O0.5～1.5，余量为微量元素和烧失量的钻井液用改性累托石。钻井使用前配制成累托石钻井液。
本发明选用天然产出的累托石，是一种晶体结构特殊的规则间层矿物，是由类云母层和类蒙脱石层1∶1有规则地交替堆积，属层状硅酸盐矿物。累托石矿物兼有云母和蒙脱石矿物的一些特性，蒙脱石层间带负电荷，吸附有钙、镁、钾、钠等水化阳离子，其中50％以上为钙离子，故称为钙基累托石，具有阳离子交换性能。在电子显微镜下，累托石矿物呈不规则鳞片状，板条状和折叠条带状。若将含量65％以上的钙基累托石直接用做钻井液材料，也如目前国内使用的钻井用钙基膨润土，在钻井现场加工业碳酸钠配浆，由于矿物呈板条状和条带状，不易分散，浆液粘度不高，需用高压剪切枪反复冲刺，才能使其高度分散制成高粘度泥浆。
本发明采用半干法人工改性工艺，对钙基累托石借助挤压剪切的力量，使改性剂钠盐的钠离子与累托石层间的钙、镁离子进行交换，使其变成钠基累托石。钠基累托石在水中具有良好的分散性能，直接用于钻井现场，不需高压剪切枪冲刺，不需预水化，现配现用。半干法人工改性工艺其原理可以用下式表示：
Rec-Ca2+，，2n+nCa2+
式中：Rec-Ca2+，n——钙基累托石；Na+——钠离子；
Rec-Na+，2n——钠基累托石；Ca2+——钙离子。
由于累托石与蒙脱石矿物结构的差异，累托石层间电荷大大低于蒙脱石的层间电荷，所以累托石比以蒙脱石矿物为主的膨润土的阳离子交换容量低。因而，改性累托石所加钠盐量为钠化膨润土钠盐量的50％～70％。同时，由于累托石矿物结构中含有云母层，使其具有优于膨润土的热稳定性和耐高温性能，更适合用做深井钻井液材料。
本发明钻井液用改性累托石产品的各项技术指标均超过中华人民共和国石油天然气行业标准SY/T5060-93“钻井液用膨润土”。
本发明钻井液用改性累托石的物化性能的测定，采用中华人民共和国地质矿产部“非金属矿物化性能测试规程”DZG93-06中“累托石粘土阳离子交换量的测定”方法，测得钠基累托石的阳离子交换容量CEC：0.36～0.42mmol/g，钠离子交换分量E(Na+)：0.33～0.38mmol/g，表明累托石矿物结构中，蒙脱石层间阳离子是以钠离子为主，占层间阳离子总量的90％以上。
本发明钻井液用改性累托石产品为灰黑色粉状物，采用中华人民共和国地质矿产部规程DZG93-05“非金属矿分析规程”分析化学成分。
本发明钻井液用改性累托石的生产方法详细流程如下：钙基累托石→破碎→加钠盐→干混→加水→钠化→陈化→干燥→包装。
本发明钻井液用改性累托石的生产方法中，将钙基累托石粘土风干或晒干至水份≤10％，经颚式破碎机破碎，使粒度＜16目(1.0mm)，置于混辗机内；采用半干法人工钠化累托石：(1)加入钠盐，其特征在于钠盐的纯度达98％以上，添加量为累托石质量的1％～5％，所加钠盐可以是碳酸钠、磷酸钠、氯化钠、硫酸钠或醋酸钠中的任何一种；(2)启动混辗机，钠盐与累托石一起干混辗2～7分钟，使二者混匀；(3)湿混辗，其特征在于喷洒水应为未污染的水，喷洒水量为累托石质量的2％～8％，控制累托石含水量和喷洒水总量不超过15％；含钠盐的累托石湿混辗10～60分钟，使钠盐的钠离子与累托石结构中的蒙脱石层间钙离子充分交换，湿混辗是对混合物料实施剪切挤压改性的过程，使钙基累托石改性为钠基累托石；(4)将混合物料排出置于阴凉的仓棚内湿堆放陈化7～10天，取出干燥至含水量≤10％，包装，制得钻井液用改性累托石。钻井使用前配制成累托石钻井液。
本发明具有以下突出的优点：1.本发明提供一种新的钻井液用组合物材料，以累托石为原料。本发明钻井液用改性累托石的技术指标优于同类产品-钻井液用膨润土。其造浆率高，配浆加入量少，节约成本，有利于实现泥浆的低固相、低密度；滤失量低、泥饼薄且光滑致密，利于护壁和井下安全。2.本发明提供一种钻井液用改性累托石的生产方法，采用半干法人工改性工艺，方法简单易操作，改性剂用量比人工钠化膨润土少30％以上，成本低，改性效果好。3.本发明钻井液用改性累托石在钻井前加水配制成累托石钻井液时，不需再用高压剪切枪冲刺和高速搅拌，按常规方法即可造浆，有利于推广应用。4.本发明钻井液用改性累托石的热稳定性好，泥浆经180℃处理后，流变参数变化幅度小，适合于3000米以上的深井使用。5.本发明钻井液用改性累托石与其它泥浆处理剂的配伍性好，新浆的动切力和切力随着钻进即可得到改善。6.本发明钻井液用改性累托石配浆时不需预水化，现配现用，可减少井队配浆停等时间，提高了生产时效，缩短了钻井周期，即提高了整个钻井效益；同时对应急处理井漏、井喷、井垮等复杂情况创造了有利条件。7.本发明钻井液用改性累托石配制的钻井液滑润性好，能加快钻井速度，节省钻头，降低钻井成本。8.本发明钻井液用改性累托石配浆时粉尘少，有利于环境保护和人身健康。
具体实施方式实施例1：用本发明的生产方法生产钻井液用改性累托石，钙基累托石粘土原矿的矿物结构中蒙脱石层间阳离子以钙离子为主，占总量的91.3％，用湿法重选分离，提纯到含累托石71％，压滤至含水量为30％，干燥至含水量8.3％，用颚式破碎机将大块滤饼破碎至粒度0.8mm(20目)以下；将800kg钙基累托石粘土精矿置于混辗机内，加入36kg工业碳酸钠，在混辗机内干混辗5分钟，混匀后，同时从进料口上方以喷雾方式分次加入21kg水，对混合物料实施剪切挤压改性60分钟。改性后物料放置陈化10天，自然风干至含水量＜10％，包装，即得钻井液用改性累托石。用本发明的生产方法进行了批量生产。
本发明钻井液用改性累托石，按中华人民共和国地质矿产部部规程DZG93-05“非金属矿分析规程”分析，其化学成分(按质量％)含有SiO242.81、TiO22.82、Al2O334.09、Fe2O30.87、CaO3.54、MgO0.29、Na2O3.24、K2O0.87，余量为微量元素和烧失量。阳离子交换容量CEC0.42mmol/g，钠离子交换分量E(Na+)0.37mmol/g，PH9.15，φ600读值118，造浆率22.5m3/t，滤失量12.3ml，动切力0.79×PVPa，胶质价960ml/15g，膨胀容83ml/g。每吨改性累托石可配钻井液20m3。将该批40吨钻井液用改性累托石送往河南油田进行了三口井的钻井使用，井深分别为1500m，1535m和3300m，钻井液成本小于15元/m，远低于原用全年平均钻井液成本25元/m。本发明改性累托石可现配现用，不需预水化。与钠化膨润土相比，改性累托石粉尘少，现场干净，利于环保和人身健康。泥浆性能稳定，滤失量低，滤饼光滑致密，有利于井下安全。
实施例2：用本发明的生产方法生产钻井液用改性累托石，钙基累托石粘土的矿物结构中蒙脱石层间阳离子以钙离子为主，占总量的90.5％，原矿纯度为65％，晒干至含水量9.7％，用颚式破碎机将其破碎至粒度1.0mm(16目)以下，将600kg钙基累托石粘土矿置于混辗机内，加入24kg工业碳酸钠，在混辗机内干混辗6分钟，混匀后，同时从进料口上方以喷雾方式分次加入15kg水，对混合物料实施剪切挤压改性45分钟。改性后物料放置陈化7天，自然风干至含水量＜10％，包装，即得钻井液用改性累托石。用本发明的生产方法进行批量生产。
本发明钻井液用改性累托石按中华人民共和国地质矿产部部规程DZG93-05“非金属矿分析规程”分析，其化学成分(按质量％)为SiO245.38、TiO21.39、Al2O332.52、Fe2O30.65、CaO2.60、MgO0.18、Na2O3.08、K2O0.88，余量为微量元素和烧失量。阳离子交换容量CEC0.36mmol/g，钠离子交换分量E(Na+)0.33mmol/g，PH9.05，φ600读值90，造浆率20.3m3/t，滤失量13.4ml，动切力0.86×PVPa，胶质价780ml/15g，膨胀容78ml/g。将该批改性累托石10吨在江汉油田彭3#井使用。先将本发明的改性累托石配液，水质含NaCl615mg/l，Ca2+244mg/l。将25m3淡水打入钻井液池内，再加入2.5吨改性累托石，充分搅拌分散后打入钻井液罐内，开动钻井液泵循环，使改性累托石高度分散造浆2小时后，钻井液的漏斗粘度由29秒增至452秒，将全部钻井液一次性混入井浆。混入量占井浆总量的12％，混入井浆10小时后，井浆漏斗粘度由42秒增至53秒，经6天循环钻井，进尺67m未加钻井液处理剂，只加水6次，每次加量10m3，作为正常钻井液消耗量的补充，井浆漏斗粘度达到64秒，滤失量无明显变化，这表明改性累托石提粘效果明显。
实施例3：用本发明改性累托石配制的钻井液与一级钠基膨润土配制的钻井液技术指标比较列表如下：项目指标一级钠基膨润土本发明φ600读值≥30.0≥60.0造浆率，m3/t≥16.0≥18.0滤失量，ml≤15.0≤13.5动切力，Pa≤1.5×PV值≤1.2×PV值湿度，％≤10.0≤10.0湿筛分析，0.074mm孔径，％≤4.0≤4.0预水化时间，h≥16.0＜1.0
上表的指标系采用中华人民共和国石油天然气行业标准SY/T5060-93“钻井液用膨润土”的试验方法测定的。可见本发明生产的钻井液用改性累托石具有优良的综合性能。
本发明钻井液用改性累托石具有粘度大，滤失量小，动切力小，抗高温性能好。本发明的生产方法简单，操作方便，改性剂用量少，能耗省和成本低。产品综合性能好，质量稳定，使用方便，不需预水化，现配现用，与其它泥浆处理剂配伍好，适用于石油、天然气、地矿、建筑工程等行业钻井、钻探使用。