鉆井泥漿添加劑的制作方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及一種用于鉆井泥漿的新穎添加劑，該添加劑在石油、天然氣、土木工 程、礦山等的鉆井中使用。更確切地，本發(fā)明涉及用于鉆井泥漿的添加劑，該添加劑具有高 耐熱性和高機械剪切耐性，即使在高溫和高剪切條件下其粘性也不會劣化;該添加劑的假 塑性流動性高，因此在排放時確保高流動性；以及該添加劑是天然來源的添加劑，因此生物 可降解性高，并且對環(huán)境的不利影響小。
【背景技術】
[0002] 在原油、天然氣、土木工程、礦山等的鉆井中，使用鉆井泥漿調(diào)節(jié)劑。鉆井泥漿調(diào)節(jié) 劑需要在挖掘葉片與土地接觸時賦予泥漿適當?shù)臐櫥?，從而減少挖掘機的負荷，以及賦 予泥漿高流動性，從而使得挖掘碎片容易通過栗排放。在排放期間，當泥漿中的水浸入土地 時，其流動性會極大地降低，因此還需要賦予泥漿適當?shù)谋Ｋ浴３鲇谶@些原因，合成聚合 物諸如丙烯酰胺等，天然多聚糖及其衍生物諸如黃原膠、羧甲基纖維素及其他用作鉆井泥 漿添加劑(例如，專利文獻1和2)。
[0003] 相關技術
[0004] 專利文獻
[0005] 專利文獻 l:W000/59964
[0006] 專利文獻2: JP-A 2000-282021
[0007] 發(fā)明概述
[0008] 本發(fā)明待解決的問題
[0009] 現(xiàn)有的鉆井泥漿調(diào)節(jié)劑有著下列問題，當提高粘度以增強保水性時，流動性會下 降，并且由于土地內(nèi)的高溫和挖掘葉片的機械剪切會使粘性劣化，不能獲得足夠的性能。另 外，在許多情況下，當在地面上分離來自鉆井泥漿的挖掘碎片后，鉆井泥漿可以再次使用， 但是粘性劣化會導致嚴重的問題。諸如丙烯酰胺的合成聚合物還有當其殘留在土地中時， 可能帶來很大的環(huán)境負荷的問題。
[0010] 解決問題的手段
[0011] 本發(fā)明的發(fā)明人為了獲得用于鉆井泥漿的添加劑，已經(jīng)做出了大量的研究，所述 添加劑具有高耐熱性和高機械剪切耐性，即使在高溫和高剪切條件下其粘性也不會劣化； 該添加劑的假塑性流動性高，因此在排放時提供高流動性；以及該添加劑是天然來源的添 加劑，因此生物可降解性高，并且對環(huán)境的不利影響小。在研究的過程中，發(fā)明人特別注意 到數(shù)均纖維直徑為2~500nm、纖維長徑比為50以上并且具有纖維素 I型晶體結構的纖維素 纖維。隨之，發(fā)明人發(fā)現(xiàn)，包含所述纖維素纖維的用于鉆井泥漿的添加劑能夠解決給定問 題，從而達成本發(fā)明。
[0012] 即，本發(fā)明的第一要點是一種用于鉆井泥漿的添加劑，該添加劑包含數(shù)均纖維直 徑為2~500nm、纖維長徑比為50以上并且具有纖維素 I型晶體結構的纖維素纖維。
[0013] 優(yōu)選的是，在纖維素纖維中，纖維素纖維表面上的羥基是被化學修飾的。
[0014] 此外，纖維素纖維優(yōu)選為分子中的每個葡萄糖單元的C6位置處的羥基已經(jīng)通過氧 化被選擇性地改性為醛基、酮基和羧基中的任意一種、并且羧基的含量在1.2~2.5mmol/g 的范圍內(nèi)的纖維素纖維。
[0015] 另外，優(yōu)選的是，根據(jù)氨基脲法測量的纖維素纖維中醛基和酮基的總含量為 0.3mmol/g 以下。
[0016] 此外，優(yōu)選的是，纖維素纖維已經(jīng)在氮氧基(N-oxyl)化合物存在下被共氧化劑氧 化，并且通過氧化反應形成的醛基和酮基已經(jīng)被還原劑還原。
[0017]此外，優(yōu)選的是，使用硼氫化鈉進行還原劑還原。
[0018] 本發(fā)明的第二要點是一種用于鉆井泥漿的組合物，該組合物使用上述用于鉆井泥 漿的添加劑。
[0019] 本發(fā)明的有利效果
[0020] 本發(fā)明的用于鉆井泥漿的添加劑包含特定的纖維素纖維，因此展現(xiàn)以下有利效 果，即耐熱性和機械剪切耐性高；即使在高溫和高剪切條件下粘性也不會劣化；以及假塑性 流動性高，因此能夠在排放時提供高流動性。這是因為纖維素纖維具有特定的數(shù)均纖維直 徑和特定的長徑比，并且成束的幾十個纖維素分子在其內(nèi)部形成剛性晶體結構。此外，纖維 素纖維是天然來源的物質(zhì)，因此生物可降解性高，并且對環(huán)境的不利影響小。
【具體實施方式】
[0021] 接下來詳細說明本發(fā)明的實施方式。
[0022] 本發(fā)明的用于鉆井泥漿的添加劑包含數(shù)均纖維直徑為2~500nm、纖維長徑比為50 以上并且具有纖維素 I型晶體結構的纖維素纖維。
[0023] 纖維素纖維的數(shù)均纖維直徑為2~500nm。從其分散穩(wěn)定性的觀點來看，優(yōu)選為2~ 150nm，更優(yōu)選為2~100nm，特別優(yōu)選為3~80nm。當數(shù)均纖維直徑太小時，纖維實質(zhì)上溶解 于分散介質(zhì)中；而當數(shù)均纖維直徑太大時，纖維素纖維絮凝，因此不能表現(xiàn)纖維素纖維的配 合(incorporation)功能 f生。
[0024] 纖維素纖維的最大纖維直徑優(yōu)選為lOOOnrn以下，更優(yōu)選為500nm以下。當纖維素纖 維的最大纖維直徑過大時，纖維素纖維可能絮凝，并且纖維素纖維功能性的表現(xiàn)可能趨向 于減弱。
[0025] 例如，可以如下測量纖維素纖維的數(shù)均纖維直徑和最大纖維直徑。即，制備固體含 量分數(shù)為0.05~0.1重量％的精細纖維素的水分散體，將分散體倒在親水化處理的碳膜包 覆的網(wǎng)格上，形成用透射電子顯微鏡（TEM)觀察的樣品。在包含纖維直徑大的纖維的情況 下，可以觀察將其倒在玻璃上的表面的掃描電子顯微(SEM)圖像。取決于構成的纖維的尺 寸，以5000倍、10000倍或50000倍的任意放大率對電子顯微圖像進行觀察。在此情況下，在 獲得的圖像上模擬任意縱向及橫向方向上圖像寬度的軸線，并且以20條以上的纖維能夠與 該軸線交叉的方式調(diào)整樣品和觀察條件(放大率等）。隨之，在得到滿足要求的觀察圖像之 后，對于每一個圖像，在圖像的縱向和橫向方向上畫上兩條隨機的軸線，并且視覺讀取與軸 線相交的纖維的纖維直徑。以此方式，通過電子顯微鏡對至少三個非重疊的表面部分拍攝 圖像，并且讀取與兩條軸線相交的纖維的纖維直徑的值。（因此，獲得了至少20條纖維X2X 3 = 120條纖維的纖維直徑信息。）基于由此獲得的纖維直徑數(shù)據(jù)，計算最大纖維直徑和數(shù)均 纖維直徑。
[0026] 纖維素纖維的長徑比為50以上，并且優(yōu)選為100以上，更優(yōu)選為200以上。當長徑比 小于50時，可能不能獲得作為用于鉆井泥漿的添加劑的足夠的假塑性流動性。
[0027] 例如，能夠根據(jù)以下方法測量纖維素纖維的長徑比。即，將纖維素纖維倒在親水化 處理的碳纖維包覆的網(wǎng)格上，并且用2 %的乙酸鈾酰負染色。在其TEM圖像(放大率：10000 倍)上，觀察纖維素纖維的數(shù)均纖維直徑和纖維長度。即，根據(jù)上述方法，計算數(shù)均纖維直徑 和纖維長度，并且使用這些值，根據(jù)下列公式（1)計算長徑比。
[0028][數(shù)學式1]
[0029] 長徑比=數(shù)均纖維長度(nm)/數(shù)均纖維直徑(nm)……（1)
[0030] 纖維素纖維是通過粉碎具有I型晶體結構的天然來源的纖維素固體原料獲得的纖 維。具體地，在天然纖維素的生物合成過程中，幾乎毫無例外地，首先形成稱為微纖絲 (microfibri 1)的納米纖維，并且其成束從而構成高階固體結構。此處，構成纖維素纖維的 纖維素具有I型晶體結構，并且可以鑒定，例如通過廣角X射線衍射圖譜的衍射譜線，其中在 2Θ = 14~17°附近及2Θ = 22~33°附近的兩個位置處呈現(xiàn)典型峰。
[0031] 可以通過已知方法制造纖維素纖維，具體如下所述。例如，能夠通過將天然纖維素 懸浮在水中，并且通過高壓勻質(zhì)機、研磨機等的處理將其粉碎來獲得。
[0032] 對天然纖維素沒有特別限定，只要其是植物、動物或微生物來源的纖維素即可。其 實例包括針葉木或闊葉木來源的硫酸鹽漿或溶解漿、棉短絨、纖維素純度低的木質(zhì)纖維素、 木粉、草本纖維素、細菌纖維素等。
[0033] 作為纖維素纖維，能夠使用由細菌產(chǎn)生的細菌纖維素。細菌包括醋酸細菌屬 (Acetobacter)細菌，更具體為醋酸桿菌（Acetobacter aceti)、醋菌屬無性系種群 (Acetobacter subsp.)、木醋桿菌(Acetobacter xylinum)等。通過培養(yǎng)這些細菌，通過細 菌獲得纖維素。獲得的產(chǎn)物包含細菌和由細菌產(chǎn)生并結合于細菌的纖維素纖維(細菌纖維 素）。因此，將產(chǎn)物從培養(yǎng)基中取出，用水沖洗或用堿處理以去除細菌，從而能夠獲得不包含 細菌的含水細菌纖維素。
[0034] 優(yōu)選地，在纖維素纖維中，纖維素纖維的表面上的羥基是被化學修飾的。具體地， 化學修飾的纖維素包括氧化纖維素、羧甲基纖維素、聚羧甲基纖維素、長鏈羧基纖維素、一 級氨基纖維素、陽離子化纖維素、二級氨基纖維素、甲基纖維素和長鏈烷基纖維素。其中，因 為對纖維表面的羥基的選擇性優(yōu)秀并且反應條件溫和，氧化纖維素是優(yōu)選的。在化學修飾 的纖維素纖維中，當與多價離子形成鹽時，以其鹽的形式分散在水中的那些可能具有通過 交聯(lián)形成的剛性網(wǎng)絡結構，并且從而能夠期待其在用作用于鉆井泥漿的添加劑時水密性能 的提尚。
[0035] 還能夠通過以下制造方法獲得氧化纖維素，包括:氧化步驟，該氧化步驟制備作為 起始材料的天然纖維素，并且在水中、在作為氧化催化劑的氮氧基化合物的存在下與共氧 化劑反應來氧化天然纖維素，從而得到纖維的反應產(chǎn)物;純化步