CN120097674B 一种膨润土无机凝胶及其低能耗生产工艺 （建平县万兴膨润土有限责任公司）

(19)国家知识产权局(12)发明专利(72)发明人张源王妍张希勤张明皓所(特殊普通合伙)34183一种膨润土无机凝胶及其低能耗生产工艺21.一种膨润土无机凝胶，其特征在于，其组分由膨润土原矿、改性硅灰石粉、胶原增强纤维、轻质碳酸钙、碳酸钠和水组成；所述改性硅灰石粉的所述轻质碳酸钙为文石轻质碳酸钙；所述文石轻质碳酸钙选自棒状文石轻质碳酸钙和/或针状文石轻质碳酸钙；所述催化剂选自亚磷酸和对甲基苯磺酸中的至少一种。2.根据权利要求1所述的膨润土无机凝胶，其特征在于，所述硅灰石粉包括质量比为2-4:1的粒状硅灰石粉和针状硅灰石粉。3.根据权利要求2所述的膨润土无机凝胶，其特征在于，所述粒状硅灰石粉的D50≤10μm;所述针状硅灰石粉的长径比为10-15:1。4.根据权利要求3所述的膨润土无机凝胶，其特征在于，所述改性硅灰石粉的制备方法，包括以下步骤：氮气保护下，1-羟甲基吡唑-3-羧酸和聚乙二醇5.根据权利要求1-4任一项所述的膨润土无机凝胶，其特征在于，所述胶原增强纤维的纤维素含量为99%。6.根据权利要求5所述的膨润土无机凝胶，其特征在于，所述胶原增强纤维的平均细度7.权利要求1-6任一项所述的膨润土无机凝胶的低能耗生产工艺，其特征在于，包括如下步骤：S2、对膨润土原矿浆液进行提纯，对提纯后的膨润土原矿浆液脱水，向脱水后膨润土原矿浆液中加入碳酸钠，搅拌均匀，得钠基改性S3、向钠基改性膨润土浆液中加入改性硅灰石粉、胶原增强纤维和轻质碳酸钙，搅拌均8.根据权利要求7所述的膨润土无机凝胶的低能耗生产工艺，其特征在于，步骤S3中所述钠基改性膨润土浆液、改性硅灰石粉、胶原增强纤维和轻质碳酸钙的质量比为100:0.5-3一种膨润土无机凝胶及其低能耗生产工艺技术领域[0001]本发明属于膨润土技术领域，具体涉及一种膨润土无机凝胶及其低能耗生产工背景技术[0002]井漏是指在钻井过程中由于地层压差作用钻井液大量地、不受控地直接进入地层的现象，使用堵漏材料是解决该问题的有效措施。膨润土是以蒙脱石为主要成分的含水铝镁硅酸盐类矿物所组成，独特矿物组成与结构特征使使它具有很强的亲水性与膨胀性；粘结性和触变性等。膨润土在堵漏材料中也有被应用，例如公开号为CN113105876B的中国专利申请公开了一种不同粒径树脂和碳酸钙颗粒级配的钻井堵漏剂，包括以下组份按质量份石粉ZD:2.0份、不同粒径的吸水膨胀树脂颗粒：1.6~2.5份、颗粒粒子级配不同的碳酸钙钻井液用堵漏剂刚性矿物颗粒材料GZD:3.5~4.5份、石棉纤维：3.0技术方案所提供的堵漏剂，解决了单一用吸水树脂堵漏承压差、粒径单一、刚性碳酸钙粒子级配和需柔性材料填充、颗粒级配与大小不同裂缝匹配的问题。公开号为CN112980406B的中国专利申请公开了一种承压堵漏组合物和承压堵漏浆及其制备方法和应用。所述组合物包括膨润土、变形材料、填充材料、改性架桥材料和水，且以100重量润土的含量为1-7重量份，所述变形材料的含量为0.1-1.5重量份，所述填充材料的含量为8-18重量份，所述改性架桥材料的含量为4-12重量份；所述改性架桥材料包括内核以及包覆在所述内核外表面的包覆层，且在所述内核和所述包覆层之间设置有石蜡层；所述内核为吸水材料，所述包覆层为由刚性颗粒与粘结剂粘结得到；该承压堵漏浆在堵漏阶段形成的堵漏填充层能够提升了地层的承压能力。[0003]由上述技术方案可以看出，膨润土在堵漏材料中应用通常是非主要成分。[0004]膨润土无机凝胶是指膨润土经过钠化提纯、凝胶性能调节、凝胶干燥等工艺制备的无机凝胶，目前膨润土无机凝胶主要应用于涂料、农药和日化等领域，其作为堵漏材料的主要成分还鲜有报道，因此提供一种能够作为堵漏材料的膨润土无机凝胶具有重要意义。发明内容[0005]基于现有技术存在的缺陷，本发明的目的在于提供一种膨润土无机凝胶及其低能耗生产工艺，本发明提供的膨润土无机凝胶通过膨润土、改性硅灰石粉、胶原增强纤维和轻质碳酸钙共同作用，具有优异的耐高温封堵性能和承压性能。[0006]为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：[0007]本发明的一个方面，提供一种膨润土无机凝胶，其组分包括膨润土原矿、改性硅灰羟甲基吡唑-3-羧酸、聚乙二醇和催化剂。[0008]优选地，所述硅灰石粉包括质量比为2-4:1的粒状硅灰石粉和针状硅灰石粉。4[0009]进一步优选地，所述粒状硅灰石粉的D50≤10μm。[0010]更进一步优选地，所述粒状硅灰石粉的D50为2μm。[0011]进一步优选地，所述针状硅灰石粉的长径比为10-15:1。[0012]更进一步优选地，所述针状硅灰石粉的长径比为15:1。[0013]优选地，所述催化剂选自亚磷酸和对甲基苯磺酸中的至少一种。[0014]优选地，所述改性硅灰石粉的制备方法，包括以下步骤：氮气保护下，1-羟甲基吡唑-3-羧酸和聚乙二醇混合，加入催化剂，搅拌反应，加入硅灰石粉，继续搅拌反应，反应结束后即得改性硅灰石粉。[0015]进一步优选地，所述改性硅灰石粉的制备方法，包括以下步骤：氮气保护下，1-羟甲基吡唑-3-羧酸和聚乙二醇混合，加入催化剂，在160-200℃条件下搅拌反应1-2h,加入硅灰石粉，继续搅拌反应30-60min,反应结束后即得改性硅灰石粉。[0016]优选地，所述聚乙二醇选自聚乙二醇200、聚乙二醇400和聚乙二醇600中的至少一[0017]进一步优选地，所述聚乙二醇为聚乙二醇400。[0018]优选地，所述硅灰石粉、1-羟甲基吡唑-3-羧酸、聚乙二醇和催化剂的质量比为1:[0019]进一步优选地，所述硅灰石粉、1-羟甲基吡唑-3-羧酸、聚乙二醇和催化剂的质量比为1:6:4:0.008。[0020]优选地，所述胶原增强纤维是由胶原蛋白改性纤维素制备得到。[0021]进一步优选地，所述胶原增强纤维的纤维素含量为99%。[0022]更进一步优选地，所述胶原增强纤维的平均细度为1-3mm。[0023]更进一步优选地，所述胶原增强纤维的平均细度为1mm。[0024]优选地，所述轻质碳酸钙为文石轻质碳酸钙。[0025]进一步优选地，所述文石轻质碳酸钙选自棒状文石轻质碳酸钙和/或针状文石轻质碳酸钙。[0026]更进一步优选地，所述文石轻质碳酸钙为棒状文石轻质碳酸钙。[0027]本发明的第二个方面，提供一种制备如上述膨润土无机凝胶的低能耗生产工艺，包括如下步骤：[0028]S1、将膨润土原矿研磨成粉末，加入水，搅拌均匀，得膨润土原矿浆液；[0029]S2、对膨润土原矿浆液进行提纯，对提纯后的膨润土原矿浆液脱水，向脱水后膨润土原矿浆液中加入碳酸钠，搅拌均匀，得钠基改性膨润土浆液；[0030]S3、向钠基改性膨润土浆液中加入改性硅灰石粉、胶原增强纤维和轻质碳酸钙，搅拌均匀，得膨润土无机凝胶浆液；[0031]S4、将膨润土无机凝胶浆液进行干燥，粉碎即得。[0032]优选地，步骤S1中膨润土原矿浆液的质量浓度为5-15%。[0033]优选地，步骤S2中所述提纯的方法为：膨润土原矿浆液经过筛分，筛下的浆料采用高压均质机进行均质，均质后的浆料采用旋流器进行分级，溢流得到的即为提纯后的膨润土原矿浆液。[0034]优选地，所述筛分的目数为250-325目。5[0035]优选地，所述高压均质机的压力为15-25MP[0036]优选地，所述旋流器的规格为φ10mm。[0037]优选地，步骤S2中所述脱水后膨润土原矿浆液的质量浓度为30-40%。[0038]优选地，步骤S2中所述碳酸钠和脱水后膨润土原矿浆液的质量比为0.2-0.5:10。[0039]优选地，步骤S3中所述钠基改性膨润土浆液、改性硅灰石粉、胶原增强纤维和轻质碳酸钙的质量比为100:0.5-2:0.5-2:0.5-1。[0040]相对于现有技术，本发明具有以下有益效果：[0041]1、本发明提供的膨润土无机凝胶中加入了改性硅灰石粉、胶原增强纤维和轻质碳酸钙，其中改性硅灰石粉是采用1-羟甲基吡唑-3-羧酸、聚乙二醇对其进行改性，形成有机-无机杂化结构，同时改性硅灰石粉表面的羧基通过氢键与膨润土层间阳离子形成配伍键，与胶原增强纤维的氨基通过氢键交联；氮杂环基团通过π-π相互作用增强硅灰石表面的锚定效果；膨润土、改性硅灰石粉、胶原增强纤维和轻质碳酸钙共同作用形成高度稳定的三维网络结构，使得膨润土无机凝胶具有优异的耐高温封堵性能和承压性能。[0042]2、本发明提供的膨润土无机凝胶中包括粒状硅灰石粉、针状硅灰石粉和棒状文石轻质碳酸钙时，多尺度的结构既可以减少大孔隙通道，又可以形成韧性-刚性平衡的三维网络结构，提高膨润土无机凝胶的耐高温封堵性能和承压性能。具体实施方式[0043]为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现详细说明具体实施方案。[0044]下面结合实施例对本发明进作一步描述，但本发明并不限于以下实施例。实施例中采用的实施条件可以根据具体使用的不同要求做进一步调整，未注明的实施条件为本行业中的常规条件。本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。[0045]下述实施例和对比例中，未作特殊说明，所用原料均来自商购或者通过本领域的常规方法制备而得。[0046]实施例1制备膨润土无机凝胶：[0048]S2、对膨润土原矿浆液进行提纯，对提纯后的膨润土原矿浆液脱水，向脱水后膨润土原矿浆液中加入碳酸钠，搅拌均匀，得钠基改性膨润土浆液；[0049]S3、向钠基改性膨润土浆液中加入改性硅灰石粉、胶原增强纤维和轻质碳酸钙，搅[0051]膨润土原矿购买自安阳市泽川膨润土有限责任公司。[0052]步骤S2中所述提纯的方法为：膨润土原矿浆液经过325目筛分，筛下的浆料采用压力为20MPa的高压均质机进行均质，均质后的浆料采用旋流器(规格为φ10mm)进行分级，溢流得到的即为提纯后的膨润土原矿浆液。[0053]步骤S2中所述脱水后膨润土原矿浆液的质量浓度为35%。6[0054]步骤S2中所述碳酸钠和脱水后膨润土原矿浆液的质量比为0.5:10。[0055]步骤S3中所述钠基改性膨润土浆液、改性硅灰石粉、胶原增强纤维和轻质碳酸钙的质量比为100:0.5:0.5:0.5。[0056]步骤S3中所述改性硅灰石粉的制备方法：氮气保护下，1-羟甲基吡唑-3-羧酸和聚乙二醇400混合，加入亚磷酸，在180℃条件下搅拌反应1h,加入硅灰石粉，继续搅拌反应40min,反应结束后即得改性硅灰石粉。[0058]所述硅灰石粉由质量比为3:1的粒状硅灰石粉和针状硅灰石粉组成。[0059]所述粒状硅灰石粉的D50为[0060]所述针状硅灰石粉的长径比为15:1,购买自江西省白瑞碳酸钙有限公司，型号GR-[0061]步骤S3中所述胶原增强纤维的纤维素含量为99%,平均细度为1mm,购买自常州市耀邦摩擦材料厂。[0062]步骤S3中所述轻质碳酸钙为棒状文石轻质碳酸钙，购买自广西华纳新材料股份有[0063]实施例2制备膨润土无机凝胶：[0065]S2、对膨润土原矿浆液进行提纯，对提纯后的膨润土原矿浆液脱水，向脱水后膨润土原矿浆液中加入碳酸钠，搅拌均匀，得钠基改性膨润土浆液；[0066]S3、向钠基改性膨润土浆液中加入改性硅灰石粉、胶原增强纤维和轻质碳酸钙，搅[0068]膨润土原矿购买自安阳市泽川膨润土有限责任公司。[0069]步骤S2中所述提纯的方法为：膨润土原矿浆液经过325目筛分，筛下的浆料采用压力为20MPa的高压均质机进行均质，均质后的浆料采用旋流器(规格为φ10mm)进行分级，溢流得到的即为提纯后的膨润土原矿浆液。[0070]步骤S2中所述脱水后膨润土原矿浆液的质量浓度为35%。[0071]步骤S2中所述碳酸钠和脱水后膨润土原矿浆液的质量比为0.5:10。[0072]步骤S3中所述钠基改性膨润土浆液、改性硅灰石粉、胶原增强纤维和轻质碳酸钙的质量比为100:0.5:0.5:0.5。[0073]步骤S3中所述改性硅灰石粉的制备方法：氮气保护下，1-羟甲基吡唑-3-羧酸和聚乙二醇400混合，加入亚磷酸，在180℃条件下搅拌反应1h,加入硅灰石粉，继续搅拌反应40min,反应结束后即得改性硅灰石粉。[0074]所述硅灰石粉、1-羟甲基吡唑-3-羧酸、聚乙二醇和亚磷酸的质量比为1:6:4:[0075]所述硅灰石粉为粒状硅灰石粉。7[0077]步骤S3中所述胶原增强纤维的纤维素含量为99%,平均细度为1mm,购买自常州市耀邦摩擦材料厂。[0078]步骤S3中所述轻质碳酸钙为棒状文石轻质碳酸钙，购买自广西华纳新材料股份有[0079]实施例3制备膨润土无机凝胶：[0080]S1、将膨润土原矿研磨成粉末，加入水，搅拌均匀，得质量浓度为10%的膨润土原矿浆液；[0081]S2、对膨润土原矿浆液进行提纯，对提纯后的膨润土原矿浆液脱水，向脱水后膨润土原矿浆液中加入碳酸钠，搅拌均匀，得钠基改性膨润土浆液；[0082]S3、向钠基改性膨润土浆液中加入改性硅灰石粉、胶原增强纤维和轻质碳酸钙，搅拌均匀，得膨润土无机凝胶浆液；[0083]S4、将膨润土无机凝胶浆液进行干燥，粉碎即得。[0084]膨润土原矿购买自安阳市泽川膨润土有限责任公司。[0085]步骤S2中所述提纯的方法为：膨润土原矿浆液经过325目筛分，筛下的浆料采用压力为20MPa的高压均质机进行均质，均质后的浆料采用旋流器(规格为φ10mm)进行分级，溢流得到的即为提纯后的膨润土原矿浆液。[0086]步骤S2中所述脱水后膨润土原矿浆液的质量浓度为35%。[0087]步骤S2中所述碳酸钠和脱水后膨润土原矿浆液的质量比为0.5:10。[0088]步骤S3中所述钠基改性膨润土浆液、改性硅灰石粉、胶原增强纤维和轻质碳酸钙的质量比为100:0.5:0.5:0.5。[0089]步骤S3中所述改性硅灰石粉的制备方法：氮气保护下，1-羟甲基吡唑-3-羧酸和聚乙二醇400混合，加入亚磷酸，在180℃条件下搅拌反应1h,加入硅灰石粉，继续搅拌反应40min,反应结束后即得改性硅灰石粉。[0091]所述硅灰石粉为针状硅灰石粉。[0092]所述针状硅灰石粉的长径比为15:1,购买自江西省白瑞碳酸钙有限公司，型号GR-[0093]步骤S3中所述胶原增强纤维的纤维素含量为99%,平均细度为1mm,购买自常州市耀邦摩擦材料厂。[0094]步骤S3中所述轻质碳酸钙为棒状文石轻质碳酸钙，购买自广西华纳新材料股份有[0095]实施例4制备膨润土无机凝胶：[0096]S1、将膨润土原矿研磨成粉末，加入水，搅拌均匀，得质量浓度为10%的膨润土原矿浆液；[0097]S2、对膨润土原矿浆液进行提纯，对提纯后的膨润土原矿浆液脱水，向脱水后膨润土原矿浆液中加入碳酸钠，搅拌均匀，得钠基改性膨润土浆液；[0098]S3、向钠基改性膨润土浆液中加入改性硅灰石粉、胶原增强纤维和轻质碳酸钙，搅拌均匀，得膨润土无机凝胶浆液；8[0100]膨润土原矿购买自安阳市泽川膨润土有限责任公司。[0101]步骤S2中所述提纯的方法为：膨润土原矿浆液经过325目筛分，筛下的浆料采用压力为20MPa的高压均质机进行均质，均质后的浆料采用旋流器(规格为φ10mm)进行分级，溢流得到的即为提纯后的膨润土原矿浆液。[0102]步骤S2中所述脱水后膨润土原矿浆液的质量浓度为35%。[0103]步骤S2中所述碳酸钠和脱水后膨润土原矿浆液的质量比为0.5:10。[0104]步骤S3中所述钠基改性膨润土浆液、改性硅灰石粉、胶原增强纤维和轻质碳酸钙的质量比为100:0.5:0.5:0.5。[0105]步骤S3中所述改性硅灰石粉的制备方法：氮气保护下，1-羟甲基吡唑-3-羧酸和聚乙二醇400混合，加入亚磷酸，在180℃条件下搅拌反应1h,加入硅灰石粉，继续搅拌反应40min,反应结束后即得改性硅灰石粉。[0106]所述硅灰石粉、1-羟甲基吡唑-3-羧酸、聚乙二醇和亚磷酸的质量比为1:6:4:[0107]所述硅灰石粉由质量比为3:1的粒状硅灰石粉和针状硅灰石粉组成。[0109]所述针状硅灰石粉的长径比为15:1,购买自江西省白瑞碳酸钙有限公司，型号GR-[0110]步骤S3中所述胶原增强纤维的纤维素含量为99%,平均细度为1mm,购买自常州市耀邦摩擦材料厂。[0111]步骤S3中所述轻质碳酸钙为针状文石轻质碳酸钙(直径为0.5-1.2μm),购买自湖北朗博万生物医药有限公司。[0112]对比例1制备膨润土无机凝胶：[0113]与实施例1的区别在于，将改性硅灰石粉替换为同等质量的硅灰石粉；其余皆相[0114]对比例2制备膨润土无机凝胶：[0115]与实施例1的区别在于，将1-羟甲基吡唑-3-羧酸替换为同等质量的柠檬酸；步骤S3中所述改性硅灰石粉的制备方法：氮气保护下，柠檬酸和聚乙二醇400混合，加入亚磷酸，在160℃条件下搅拌反应1h,加入硅灰石粉，继续搅拌反应40min,反应结束后即得改性硅灰[0116]对比例3制备膨润土无机凝胶：[0117]与实施例1的区别在于，将胶原增强纤维替换为同等质量的羧甲基纤维素，购买自东莞市瑞恒矿产品有限公司；其余皆相同。[0118]对比例4制备膨润土无机凝胶：[0119]与实施例1的区别在于，将棒状文石轻质碳酸钙替换为同等质量的纺锤体方解石[0122]2、测试方法：(1)制备基浆：钠基膨润土、氯化钠和水按质量比为10:1:100搅拌均9匀，得基浆；(2)将膨润土无机凝胶加入到基浆中搅拌均匀，得膨润土无机凝胶溶液，膨润土无机凝胶的加入量为基浆质量的1%;(③)在高温高压失水仪砂床(石英砂粒径20-40目)上加入膨润土无机凝胶溶液，在特定温度(120、150℃)、7MPa条件下测试6h时的累计漏失量。[0123]3、测试结果及分析[0124]表