本发明涉及用混合金属层状氢氧化物-粘土稠化水或亲水溶剂。 有种种理由，需要稠化水，水溶液，亲水溶剂等，例如用水为基的加工金属流体，灭火流体，油田钻井流体，食品添加剂，液压流体，水基漆或涂料，洗蚀溶液，以及其它由于液体或溶液的增稠能带来好处的应用。
水的增稠剂，例如瓜耳胶及聚丙烯酰胺对高剪切状态，高于121℃的水热性处理，氧化作用，细菌的作用以及盐类都是不稳定的。为了补救某些上述问题，有时需要杀菌剂和抗氧化剂之类的添加剂。
对于水基物质，例如钻井流体，包含某种形式的水合铝化合物的增稠剂或增粘剂已经公开，例如公开在美国专利4240915;4349443;4366070;4389319;4428845;4313550;4447341;4473479;和4486318中。公开用于同样目的其它形式的铝化合物的专利有美国专利4240924;4353804;4411800和4473480。公开其它类型增粘剂的类似专利有美国专利4255268;4264455;4312765;4363736;和4474667。
上述专利都牵涉到在流体本身内生成水合的铝化合物。这类处理过程的主要缺点是：（1）得到的稠化流体含大量的盐类反应物，在多数情况下这是不希望的，例如，在涂料，金属加工流体或水基液压流体的使用中，盐的存在会导致严重的腐蚀问题;在油田钻井流体中，如果有盐类存在，很多添加剂的功能都会受到损伤，因此，如有可能，还是希望用无盐水钻井。
（2）在本文引用的专利中叙述的反应都是在原位进行，也就是在钻机的泥浆池中进行。在这样的条件下，反应难以充份控制，因此可能得不到预定性质的增稠剂。
使用Al（OH）3作为胶凝剂处理油田钻井液之类的流体所带来的其它问题如下：
1.众所周知，除非有某种盐类，如碳酸盐存在，Al（OH）3凝胶会随时间朝不利的方向变化。
2.Al（OH）3的流变性质在PH值改变时并不十分稳定。例如，某种Al（OH）3泥浆在PH值为6时很稠很均匀，钻井用很理想;但PH值为10时，该泥浆自身破坏，Al（OH）3从悬浮态沉降出来。这就带来了严重的问题，因为大多数钻井作业是在PH值为9～10.5的范围内进行。
传统的通用增稠剂，特别是钻井泥浆中使用的增稠剂，一直沿用矿产粘土，例如膨润土，且常常与其它材料或增重剂组合使用，例如Fe2O3，BaSo4等。每批膨润土之间的差别，特别是对离子和温度的敏感性造成了不稳定的后果，因此，需要在使用中经常调整配方，这就妨碍了钻井作业。
在美国专利4477367;4446201和4392979中公开了某些型式的结晶层状混合金属氢氧化物，其中Li、Mg、Cu、Zn、Mn、Fe、Co和Ni是层状结晶结构部份。在美国专利2395931;2413184;3300577和3567472中公开了其它一些金属铝酸盐。这些化合物是通过各种各样的反应来制备的，其中包括共沉淀，嵌入，酸老化，碱老化作用。
在油田钻井中，钻井流体，或称为泥浆有多种功能：
1.从井孔中除去岩屑。
2.冷却钻头。
3.提供平衡构层压力的静液压。
4.控制进入构层的流体，从而保护了地质构层。
上述功能1和3只有钻井流体有适用的流变特性时才能实现。钻井流体能够表现出的最理想的流变特征是假塑性。在井孔中，存在几个剪切区域，在这些区域中流体应当具有不同的粘度。在井管和结构层之间的环形区，剪切速率约为100～1000/秒;在钻头处，剪切速率为2500～200000/秒;在泥浆池中，剪切速率小于30/秒。为了在低剪切速率时带动钻井固体物质，流体必需有很大粘度;但是，如果在钻头位置的流体粘度很高，在打入泥浆时会消耗过多的能量;因此，好的钻井泥浆应该具有剪切变稀的性质。在整个钻井过程中，流体保持这种流变特性是十分重要的。然而，也有很多明显地妨碍钻井流体已具有的性能的不利条件，它们是各种阳离子，如钙和镁，盐浓度的波动，高温，氧化条件，以及细菌的存在。
用于水基钻井流体，工业上采用的一些胶凝剂有黄原胶，瓜尔胶和聚丙烯酰胺。典型的非聚合物胶凝剂是各种粘土，如膨润土，缘坡缕石土。这些胶凝剂都有它们自身的局限性。典型地说，聚合物对多种盐类不稳定，对氧化作用和细菌的侵蚀很敏感，在强烈的剪切作用下会自身破坏，而且它们只在120～150℃的温度范围内具有热稳定性。最流行的粘土胶凝剂是膨润土，它会严重地受到多价阳离子的影响，而且，除非与某种稀化剂组合使用，否则它只局限于在93℃左右使用。但是，膨润土不氧化，且在高剪切条件下是完全稳定的。
为了能够使粘土的用量少一些，通常在膨润土分散相中添加高聚材料。膨润土的一些通用的疏展剂有聚丙烯酰胺，Baroid提供的共聚物Benex。在典型的疏展膨润土体系中，膨润土的含量在15～20 1b/bb1之间，疏展聚合物的含量一般在0.1～0.5 1b/bb1之间。这种疏展膨润土体系仍然存在对多价阳离子敏感的问题，例如对Ca++，而且其热稳定性只依赖于疏展聚合物，这种体系对氧化作用和细菌的侵蚀仍然是敏感的。
依照本发明，制备了一种新颖的组合物，这种组合物由至少一种矿产粘土，如钠膨润土，和某种混合金属层状氢氧化物的反应产物组成。这种新组合物作为例如钻井流体，或其它触变性流体的胶凝剂具有实用价值。所说的混合金属层状氢氧化物有如下的经验式：
其中，D代表2价金属离子，
d是离子D的数目，在从0到约为4之间，
T代表三价金属离子，
A代表除OH之外的单价或多价阴离子，
m在从0到约为1之间，
a是离子A的数目，
n是A的化合价，
na在从0到约为-3之间，
（m+d）大于0，
q在从0到约为6之间，且（m+2d+3+n）＞3。
这些层状的混合金属氢氧化物最好是靠瞬时共沉淀作用制备，反应中可溶性金属化合物，即盐类物质与为形成混合金属水合氧化物结晶而提供氢氧根的碱充分混合（用无剪切搅拌或混合）。虽然上述经验式类似于以前公开过的组合物，但是，现在的组合物具有特殊的特征，即，结晶基本上是单层的，即每个晶胞仅是一层混合金属氢氧化物;在液体载体中，结晶基本上是“单分散的”，也就是说，每个具体结晶就是混合金属氢氧化物的不同的层。应当深信，这种单分散的单层结构具有新颖性。
当使用时，上述式（1）中的m可在0到约为1之间，最可取的值为0.5～0.75。
金属D代表二价金属离子，可以是Mg、Ca、Ba、Sr、Ma、Fe、Co、Ni、Cu、Zn，最好是Mg或Ca，或它们的组合;d值可在0到约为4之间，以在1～3之间为好，最好约为1。
金属T可以是Al、Ga、Cr或Fe，以Al或Fe为好，最好是Al。
阴离子A可是单价、二价、三价或多价阴离子，即可以是无机阴离子，如，卤素、硫酸根、硝酸根、磷酸根、碳酸根，以卤素、硫酸根、磷酸根或碳酸根为首选;也可以是亲水的有机离子，如，甘醇酸根、木素磺酸根，聚羧酸根、聚丙烯酸根，或它们的盐，如聚丙烯酸钠。这些阴离子常与形成金属化合物母体的阴离子部分相同，新的结晶从此处所说的金属化合物形成。
式（1）的化合物和它的粘土添加物，两者的电荷基本平衡，最好是中合的。“基本平衡”的意思是，只有少量的纯正电荷或负电荷存在。
用此处所述的混合金属氢氧化物胶凝的液体可是水性液体，如水或水溶液，或是亲水有机物，如乙醇或丙酮;而且，所含分散相为不溶性成份（即可是有机物也可是无机物）的含水性介质的分散体系，或乳浊体系也能用此处所述的胶凝剂胶凝。因此，此处的胶凝剂能作为下述流体的有效增稠剂，如水基金属加工流体，灭火流体，食品添加剂，液压流体，胶乳漆，洗蚀流体，润滑液等，特别是需要特殊的假塑性的流体;它对钻井流体特别有用，不管是钻油井、水井或气井，还是在海洋中打井。
将选择的可溶性金属化合物，特别是酸盐，如氧化物，硝酸盐，硫酸盐或磷酸盐，溶于水性载体中。溶液中金属离子的比例是预先确定的，要能够使最后产物中的比例满足要求。溶液中金属化物的浓度界限是受到控制的，部份地由溶液中溶解度最少的金属化合物的饱合浓度控制。金属化合物的所有未溶解部分可以以单独物相的形式保留在最终产物中，通常，如果相对于其溶解的部份，这种单独物相的量相对较少，比较理想的是不超过溶解部分的20%，这并不成为什么严重问题。然后，将溶液迅速且充分地与OH-离子的碱源混合，同时要基本上避免剪切搅拌，由此形成层状混合金属氢氧化物的单分散结晶。一种能完成这种混合的常规方法是，使液流相对流进T型混合器，从此T型混合器携带包括公式（1）的单分散层状混合金属氢氧化物的反应产物的混合物流出。然后，可将混合物过滤，用净水洗涤，以除去产物中不希望存在的极易溶离子，如Na+，NH+4，及其它离子。
在最大检测限，也就是在约8埃的检测分辨力时，用特定的透射电子显微镜对本文的混合金属层状氢氧化物进行了结晶分析。相对 线度，单分散结晶薄到这些单层的结晶有一定的卷曲的程度，使得很难测量其厚度，但是对多种结晶，合理地估计其厚度在8～16埃之间。在干燥过程中，分析发现有结晶的聚结现象，出现颗粒，这些颗粒含有复单层晶胞结构。分析也检出很多薄片形的未聚结晶体。这些单层的结晶是与二层和三层的晶胞结构相对照，参见美国专利4461714。
一种制备混合金属层状氢氧化物组合的过程是使例如镁或铝之类的金属盐溶液（约0.25摩尔）与适量的碱反应，例如氢氧化铵和氢氧化钠其用量应足以沉淀公式（1）的混合金属层状氢氧化物，但是这决不是仅有的工艺过程。对于氢氧化铵来讲，最理想的量是每当量的阴离子1～1.5当量的OH-离子。
沉淀应在无剪切或剪切很少的条件下进行，这样不会破坏产生的絮状物。完成这种过程的一种方法是使盐液流和碱液流相对流到一起，使在低剪切条件下相冲击，可用T形管作为会聚区。然后将反应产物过滤，洗涤，得含固体约10%的滤饼。此时，如果混合金属层状氢氧化物洗涤的很仔细，将溶解的盐的浓度减到较低的水平，如300ppm或更少，会发生奇特的现象。过了一段时间，滤饼从固体蜡状变成使光散射的乳色液体。如果在这种分散体系中加入离子物质，粘度急剧增加，分散相胶凝。这种“松驰”率依赖于分散体系中的自由离子的浓度，而且若其浓度太高不会出现“松驰”现象。不同的离子对“松驰”现象的影响不同。例如，这种“松驰”现象耐受单价离子，如氧离子的能力比耐受多价离子，例如硫酸根、碳酸根或磷酸根的能力强。
如果将“松驰”的分散相干燥，当固体含量达到20-25%时，它形成硬的固体半透明材料，而且很脆。虽然它有约80%的水，这种固体不能在水或亲水溶剂中再分散，甚至，即使用Waring搅拌器施加剪切作用或者使用超声分散室，固体也不能再形成稳定的分散相。
干燥这种材料的一种成功的方法是在干燥前，向其中添加一定量的亲水有机物质，如甘油或聚乙二醇使分散相“松驱”。如果这样作，得到的干物质会本能地分散在水中，如果再向分散体系中添加盐类，流体将和前述液体分散相一样变粘。如果在分散相中溶解有大量的盐类物质，上述干燥技术同样也不能奏效。在这种情况下，有些分散相是可能干燥的，但最后得到的流体再不能增加粘度。
此处公开的混合金属氢氧化物的一个特殊的特点是，在瞬间共沉淀之后，在过滤时在滤器上残留一种凝胶，它的起主导作用的物相是液体，其中的结晶水合氧化物被液体溶涨到看不见固相的程度。有人称这种凝胶为“半溶液”或“类溶液”，而且它有蜡状半固体的外观和手感。这些也能和先有技术的水合氧化物沉淀相对照，先有技术中的沉淀很容易从液体中过滤出来，以完备的颗粒固体材料存在。显然，此处得到的特定的结晶形态允许或导致改进了或容纳了大量的液体。
混合金属氢氧化物可由纯的混合金属氢氧化物组成，也可由层状化合物与自身或与其它的D或T金属的水合氧化物的物理混合物组成，所说的水合氧化物有，如水合氧化铝，水合氧化锰，水合氧化铁，水合氧化锌，水合氧化铬。
尽管本发明所公开的内容基本上是基于所谓的膨润土型的粘土，但应注意到，其它类型的粘土也应包括在本发明的范围之内，如非晶型粘土（例如水铝英石族）和结晶型粘土（如2-层、3-层、膨胀型、非膨胀型、延伸型、规则混合层型、链状结构型）。例如，下面所列出的数种粘土：
膨润土 蛭石
高岭土 绿尼石
多水高岭土 绿坡缕石
绿土 海泡石
蒙脱土 坡缕石
伊利石 漂白土
Saconite
如果大量的式（Ⅰ）的混合金属层状氢氧化合物与浓度低至0.5%（重量）的钠膨润土的水分散体系相混合，则所生成分散体系的粘度将会急剧增加。屈服点大幅度增加而塑性粘度增加很少。钠膨润土较低范围的取值可以是2lb/bbl（以重量计0.6%），所需达到有效粘度的混合金属层状氢氧化物的最低量是大约0.1lb/bbl（以重量计0.029%）。不同浓度的钙基本上不会对所生成的粘土混合金属层状氢氧化物泥浆产生影响;粘土混合金属层状氢氧化物泥浆至少在204℃（16小时试验）对热是稳定的;它可有效地支撑重物质，如重晶石;它可与通用的失掉控制剂的流体兼容，此处的控制剂有，如羧甲基纤维素，羧乙基纤维素，聚丙烯酸;它的粘度，特别是屈服点可很容易地用商品稀化剂如褐煤和木素磺酸盐来控制。
混合金属层状氢氧化物和膨润土的相互作用看来包括离子交换现象。我们对这种相互交换有如下的理论解释。众所周知。粘土类，如膨润土在结构上有缺陷，这种结构上的缺陷使粘土结晶体中有净负电荷。为了达到电中性，这些净负电荷必须要用阳离子来平衡，这就使膨润土具有阳离子交换能力。在使用一般用于钻井流体的膨润土时，钠离子平衡了结晶体上的电荷。我们的试验数据也证明，本发明所公开的混合金属层状氢氧化 物具有很高的阴离子交换能力。我们确信，通过钠离子进行离子交换，混合金属层状氢氧化物与膨润土相互作用。其反应结果是，分散体系中的可溶性钠盐的浓度增加。钠来自粘土，阴离子来自混合金属层状氢氧化物。由于反应被认为是一种离子交换反应，因而应有可能使该反应不发生，或者说应有可能通过将某种顶替离子或离子基团引入此系统中，破坏混合金属层状氢氧化物与粘土的相互作用，此处引入的离子或离子团不但对粘土而且对混合金属氢氧化物都有比对各自相关的结晶有更大的亲合力。这种离子磷酸根，如果在混合金属层状氢氧化 物中有磷酸根离子，则与粘土的相互作用就不会发生。如果将磷酸根离子加到含有膨润土和混合金属层状氢氧化物的分散体系中，则粘度下降，彼此间的相互作用可完全被破坏。可导致相同效果的其它离子是有机离子，如褐煤，木素磺酸盐等等。一些不能有效地降低粘度的离子是Na+，Ca+2，Mg+2，Cl-，Co-23，HS-和SO-24。我们没有列出所有不干扰互相作用的离子，但作为证实手段只给出了适应本系统的离子类型。
由于在粘土和混合金属氢氧化物之间发生化学反应，我们认为生成了一种新的组合物。这种新的组合物可被认为是一种盐，其中的阳离子是混合金属层状氢氧化物结晶，阴离子是粘土部分。该组合物的特征在于，作为一个化合物它的阳离子和阴离子是分立结晶的。这类组合物可被归于“结晶的盐”类，也可认为它是在水分散体系内以结晶离子对形式存在。
这种假设进一步为事实所证明，即相互作用的程度看来是与所使用粘土的有效阴离子交换能力有关。
通过反应可制备结晶盐或加合物，将层状氢氧化物的水凝胶或分散体系与粘土的水分散体系密切混合，由此，通过粘土阴离子与层状氢氧化物阴离子的离子交换，使粘土中的金属离子和层状氢氧化物中的阴离子进入水溶液，以生成混合金属层状氢氧化物和粘土的加合物。
所生成的加合物中的层状氢氧化物/粘土的重量比大约是0.02/1至大约1/1。
在下述实施例中，是用共沉淀来制备混合金属层状氢氧化物的。共沉淀后通过过滤，洗涤来制备纯物质。然后将所得纯的产物分散在含有大量粘土矿物质的水中以得到增稠流体。
在本发明中，下述美国度量衡单位与公制单位的换算如下：
1gal＝3.785升
1lb＝0.454公斤
1lb/gal＝119.83公斤/米3
1bbl＝42gal＝159升
1lb/ft2×47.88＝1帕斯卡
1lb/100ft2＝4.88公斤/100米2
1lb/bbl＝2.85公斤/米3
下述实施例说明数个具体的实施方案，但本发明并不限定于下述的具体实施方案中。
实施例1
配制0.25摩尔的MgCl2。AlCl3溶液。用压缩泵将该溶液泵入T型反应器的一个管口。将0.25摩尔的NH4OH泵入相对于T型反应器第一个管口的另一个管 2，使上述两种溶液在T型反应器内相遇。所得产物从第3个管口流入一烧杯。小心地调节两种溶液的流量以使共沉淀反应产物的PH值在大约9.5左右。在此条件下NH4OH的超加量为大约10-20%。反应器的产物是悬浮在NH4Cl水溶液中的易遭破坏的絮状MgAl（OH）4.7Cl0.3。小心地将分散液倾入带有适中滤纸的布氏漏斗内。过滤该产物并在过滤器内用水洗涤产物，以除去过量的NH4Cl。用Cl 选择离子电极测定，溶解的Cl浓度大约是300ppm。所得滤饼是半透明状而不是完全透明的。
在150℃将样品干燥16小时测得滤饼中的固体量为9%（重量）。滤饼具有象软蜡烛一样的稠度。分析产物的Mg和Al量，发现Mg∶Al大约是1∶1。
经电子显微照相法分析该产物的微小片晶的直径为300至大约500埃。这些颗粒如此之薄以至在有些情况下它们呈卷曲状。估计这些结晶的厚度是大约10至20埃。显微镜的最大分辨力约是8埃。一层MgAl（OH）4.7Cl0.3的理论厚度是7.5埃。应该注意到在制备电子显微照像样品的过程中，由于样品被干燥可能引起被分析物一定程度的聚集，使得颗粒含有多个单层晶胞结构。
将滤饼在不受干扰的条件下放置16小时，则滤饼具有凡士林状的稠度。48小时后，该物质呈触变液体状。这种松驰过程再继续5天，则该产物呈比水粘稠的状态，但可倾析。
制备含有20lb/bbl钠膨润土（商标为Aquagel从Baroid得到）的原料分散体系，在不受干扰的条件下放置24小时。然后用该原料分散体系制备数份分散体系。每份含有5lb/bbl的膨润土和如上所述的其量为0.1lb/bbl至1.0lb/bbl的MgAl（OH）4.7Cl0.3。
下表1列出了每种组合物的屈服点，塑性粘度，和10秒及10分钟的凝胶强度，用Fann粘度计测定。
表1
＊加到膨润土分 屈服点＊＊塑性粘度 凝胶强度＊＊
散体系中的混 CP 10秒 10分钟
合金属氢氧化 凝胶 凝胶
物的量
0.1 -0.50 2.0 0.00 0.00
0.3 3.00 3.0 0.25 1.00
0.5 10.50 3.0 4.00 5.00
0.8 24.50 4.5 9.50 8.00
1.0 28.00 6.5 8.00 7.00
＊以lb/bbl计;1lb/bbl＝2、85公斤/立方米
＊＊以lb/100平方英尺计;1lb/100平方英尺＝4.88公斤/平方米
实施例2
将高纯钠膨润土（商标为Aquagel Gold Seal从Bariod得到）分散在无离子水中，制得10lb/bbl的分散体系。将其放置24小时。制得两份各350毫升的膨润土浆状物。一份不含MgAl（OH）4.7Cl0.3，另一个含有1lb/bbl的如上所述MgAl（OH）4.7Cl0.3不含膨润土的350毫升的样品。然后在每平方英寸100磅的压力下用API过滤机过滤上述各样品。将过滤物置于用酸洗过的聚丙烯瓶内。用压滤机过滤MgAl（OH）4.7Cl0.3试样和试验自始至终所用的无离子水。收集过滤物，用Leeman等离子光谱来分析溶液中的27种元素。其中有效量的元素仅是Na、Ca和Mg。用选择离子电极分析氯，用比色计测定NH+4。结果列于表2。
表2
浓度 毫克当量数/升
样品的组合成份 NH4Na+2Mg+2Ca+2Cl-
无离子水 0.04 0.12 0.004 0.01 0.28
1lb/bbl 2.79 0.00 2.24 0.08 3.09
MgAl（OH）4.7Cl0.3
1lb/bbl
MgAl（OH）4.7Cl0.3和 1.16 6.17 0.08 0.08
5lb/bbl钠膨润土
与膨润土所交换的离子毫克
当量数 1.63 0.0 2.16 0.00 0.00
从上表可得出下列数值：
超加的Na+毫克当量数＝/Na-/NH4/-1Mg/＝6.17-1.63-2.16＝2.38
从Mg（OH）4.7Cl0.3中所交换出的Cl-离子毫克当量数＝5.49-3.09＝2.4毫克当量数
上述数据说明，在反应发生时，实际上释放出了相同量的钠和氯离子。
相关领域的技术人员可以理解，根据本发明所制得的加合物在被加热以前带有结合水，一般加热至100℃可释出结合水。因此在经验式（Ⅰ）和粘土加合物中qH20是结合水，q是自零至6。