CN102676129A - 一种钻井液用水基润滑剂及其制备方法和应用 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种钻井液用水基润滑剂，其中所述水基润滑剂包括如下重量份数的原料：水7-80份；多元醇0-72份；植物油脂6-64份；乳化剂1-19份。还公开了该水基润滑剂的制备方法及其应用。该水基润滑剂是一种可生物降解的环境友好型水基润滑剂，其在应用于水基钻井液时，能显著降低钻具磨阻、扭矩，改善钻井液的润滑性。

Description

一种钻井液用水基润滑剂及其制备方法和应用

技术领域

本发明涉及一种润滑剂及其制备方法，更具体地说，涉及一种钻井液用水基润滑剂及其制备方法和应用。

背景技术

钻井液是指油气钻井过程中以其多功能满足钻井工作需要的各种循环流体的总称，俗称“泥浆”。钻井液的基本功能有：(1)携带和悬浮钻屑；(2)稳定井壁和平衡地层压力；(3)冷却和润滑钻头钻具；(4)传递水动力。

根据配制钻井液所用的基液，钻井液可分为水基钻井液和油基钻井液。

钻井液的润滑性能对钻井工作影响很大。特别是在钻深井、定向井、水平井和丛式井中，钻柱的旋转阻力和提拉阻力会大幅度提高。由于影响钻井扭矩和阻力以及钻具磨损的主要可调节因素是钻井液的润滑性能。因此钻井液的润滑性能对减少卡钻等井下复杂情况，保证安全、快速钻井起着至关重要的作用。

钻井液用润滑剂的选择应满足以下基本要求：(1)润滑剂必须能润滑金属表面，并在其表面形成边界膜和次生结构；(2)应与基浆有良好的相容性，对钻井液的流变性和滤失性不产生不良影响；(3)不降低岩石破碎的效率；(4)具有良好的热稳定性和耐寒稳定性；(5)不腐蚀金属，不损坏密封材料；(6)不污染环境，易于生物降解，价格合理，且来源充足。钻井液润滑剂除了主要提高钻具的寿命及其工作指标外，还应不影响对地层资料的分析和评价，即润滑剂应具有低荧光或无荧光的性质。因此，润滑剂基础材料的选择应注意不使用含苯环，特别是多芳香烃的有机物质，而原油，尤其是重馏分、釜残物、沥青等因含荧光物质较多，避免使用。随着世界日益严格的环境保护法规和要求，对钻井液用润滑剂的环保性能提出了更高的要求。

目前市场上使用的钻井液用液体类润滑剂可分为油基润滑剂和水基润滑剂。油基润滑剂是以润滑性能较好的各种基础油为原料复配各种协同增效剂制成，其使用的基础油有矿物油、植物油及其脂类等。水基润滑剂以水溶液为基液，复配各种协同增效剂制成。大量文献报道了钻井液用润滑剂制备方法。

中国专利200510043869.5公开了一种钻井液用颗粒稳定乳液体系，外观为乳白色乳状液，平均粒径在5μm～40μm，以100重量份计，组分为矿物油或固体石蜡10～40份，阴离子型表面活性剂0.5～1.0份，活性纳米固体颗粒0.5～5份，余量为水。还公开了颗粒稳定乳液体系的制备方法，即将活性纳米固体颗粒先分散于水中，搅拌，然后静置，备用；将矿物油或固体石蜡加入反应器，把上述制各好的活性纳米固体颗粒悬浮液加入反应器中，搅拌，同时将阴离子表面活性剂逐步加入到反应器中；搅拌转速逐渐提高到4000～5000rpm，温度升高到40℃～60℃，搅拌时间为30～60min；即得颗粒稳定乳液体系。

中国专利200510069192.2公开了一种钻井液用固体润滑剂，该固体润滑剂是由下述重量％的原料制成：钠基膨润土60％～80％、阳离子表面活性剂10％～20％、阴离子表面活性剂10％～20％和少量消泡剂。在膨润土钻井液中加入0.5％该产品，同时加入5％的柴油，钻井液摩阻系数可从原来的0.36降低到0.062，而且加入后，钻井液流变性没有大的变化。该产品所用原材料成本较低，制备方法简单，易于实施，其润滑性、流变性、抗高温性均优于现有类似钻井液用固体润滑剂。

中国专利200510106571.4公开了一种钻井液用低荧光润滑剂及其生产方法。将航空煤油50～90份、工业白油15～75份加入反应釜，用水套炉加热升温至70～90℃并搅拌30～60分钟，加入硫磺粉0.5～2.5份，搅拌并继续加温至90～100℃，再加入油酸3.5～8.5份，搅拌30～60分钟，温度降至70～80℃，加入3.5～8.5份聚氧乙烯醚和0.5～2.5份SP-80，搅拌30-60分钟即制得该发明的钻井液用低荧光润滑剂。

何远信等以天然植物油为原料，经中高温(130～180℃)化学改性，提高其抗温抗盐能力后，再在中低温(70～90℃)条件下进行乳化，制备了环保润滑剂。(何远信，陶士先.环保型高效润滑剂(GLub)的研制与应用[J]，探矿工程(岩石钻掘工程)，2006，4：48，49)。

中国专利200710158398.1公开了一种用动植物油脂制备钻井液用抗高温润滑剂方法。是用重量份为50～70份的废弃油脂与3～10份的乙醇胺、5～20份二乙二醇进行脂化反应；然后采用1～3份硫磺进行硫化反应；向反应产物再加入2～5份的油溶性树脂和10～30份的石墨粉，混合、搅拌均匀，即制得钻井液用抗高温润滑剂。

中国专利200810055861.4公开了一种钻井液用的水基润滑剂及其制备方法，润滑剂的配方为：水100～300份，乳化剂10～30份，蓖麻油50～300份，白油50～400份，油酸皂50～600份，消泡剂50～200份。

中国专利01102104.7公开了一种钻井液用润滑剂，其特征是所述润滑剂的成份是高分子润滑材料5％～10％、表面活性剂0.1％～0.5％，加入水至100％；所述高分子润滑材料包括聚氧乙烯壬基苯酚醚、聚氧乙烯壬基苯二酚醚、聚氧乙烯癸基苯酚醚、聚氧乙烯癸基苯二酚醚、聚氧丙烯癸基苯酚醚、聚氧丙烯壬基苯酚醚；所述活性剂选自NP-10、OP-10、NP-6或吐温80。

中国专利01106275.4公开了一种用于石油钻井工程的水溶性钻井液润滑剂及其制备方法。此种钻井液润滑剂采用轻质润滑油、白油或0号柴油作为原料，加入一定比例的分散剂、渗透剂、乳化剂、消泡剂加热、搅拌后加水复配而成。

上述油基润滑剂中，有些使用矿物油(如：白油、柴油、煤油等)，但矿物油毒性偏高，且不易生物降解；有些采用化学改性法制备产品，生产成本偏高；有些为了降低成本，使用粗油酯为原料，存在不愉快的气味。上述公开的水基润滑剂包括两种：一种为水包油乳液型润滑剂，另外一种为纯水基润滑剂。其中水包油乳液型润滑剂的内相含有矿物油，不利于环保；纯水基润滑剂的润滑效果一般达不到油基润滑剂的润滑效果。

因此，需要一种符合环保要求、改进的钻井液用水基润滑剂及其制备方法。

发明内容

本发明的目的是提供一种钻井液用水基润滑剂。

本发明的另一个目的是提供制备上述钻井液用水基润滑剂的方法。

本发明的又一个目的是提供上述水基润滑剂在配制钻探油气井用的水基钻井液中的应用。

具体地，本发明提供了一种钻井液用水基润滑剂，其中所述水基润滑剂包括如下重量份数的原料：水7-80份；多元醇0-72份；植物油脂6-64份；乳化剂1-19份。

其中，各原料的重量份数优选为：水8-40份；多元醇27-72份；植物油脂14-42份；乳化剂5-16份。

其中，各原料的重量份数更优选为：水12-36份；多元醇27-50份；植物油脂24-42份；乳化剂5-9份。

其中，所述水可选自淡水、海水或盐水。所述盐水是氯化钠、氯化钾、氯化钙或其组合的水溶液，且氯化钠、氯化钾和氯化钙在水溶液中的浓度是1％(w/w)至饱和。优选地，所述水为淡水。

其中，所述多元醇可选自乙二醇、丙二醇、丙三醇、丁二醇、丁三醇、丁四醇和季戊四醇中的一种或其组合。优选地，所述多元醇选自乙二醇、丙二醇、丙三醇中的一种或其组合。

其中，所述植物油脂可选自C12～C30羧酸甲酯、C12～C30羧酸乙酯和C12～C30羧酸氯甲酯中的一种或其组合。优选地，所述植物油脂选自C16～C18羧酸甲酯和/或C16～C18羧酸氯甲酯。

其中，所述乳化剂是HLB＝1-7的非离子表面活性剂与HLB＝10-16的非离子表面活性剂的复合表面活性剂，且所述复合表面活性剂是HLB＝5-12的复合表面活性剂。同时，所述HLB＝1-7的非离子表面活性剂选自司班85、司班65、司班80、司班60和司班40中的一种或其组合；所述HLB＝10-16的非离子表面活性剂选自吐温85、吐温80、吐温60和吐温40中的一种或其组合。

优选地，所述复合表面活性剂的HLB＝6-8；所述HLB＝1-7的非离子表面活性剂选自司班85、司班65、司班80中的一种或其组合；所述HLB＝10-16的非离子表面活性剂选自吐温85、吐温80、吐温60中的一种或其组合。

另外，本发明还提供了制备上述水基润滑剂的方法，该方法包括以下步骤：

(1)按照各重量份数称取各原料并一起投入到容器中；

(2)用乳化机或乳化泵剪切乳化步骤(1)的原料，持续5～240分钟。

或

(1)按照各重量份数称取各原料；

(2)将步骤(1)所称取的所述植物油脂和所述乳化剂一起投入到装有搅拌装置的容器中，并搅拌至完全溶解；

(3)将步骤(1)所称取的所述水和所述多元醇一起投入到装有搅拌装置的另一个容器中，并搅拌至完全溶解；

(4)在开动乳化剪切机或乳化剪切泵下，在10-60分钟内，将步骤(2)配制的原料液加入到步骤(3)配制的原料液中，加完后继续剪切乳化5-240分钟。

或

(1)按照各重量份数称取各原料；

(2)将步骤(1)所称取的所述水和所述多元醇一起投入到装有搅拌装置的容器中，并搅拌至完全溶解；

(3)将步骤(1)所称取的所述植物油脂和所述乳化剂一起投入到装有搅拌装置的另一个容器中，并搅拌至完全溶解；

(4)在开动乳化剪切机或乳化剪切泵下，在10-60分钟内，将步骤(2)配制的原料液加入到步骤(3)配制的原料液中，加完后继续剪切乳化5-240分钟。

其中，物料的剪切乳化可在室温下进行，也可在将物料加热至不超过70℃的条件下进行。物料温度越高，越有利于植物油脂的乳化分散，剪切乳化所需时间越短。

本发明的钻井液用水基润滑剂为水包油型乳液，在乳化剂和剪切机械能的作用下，所含植物油脂以液滴形式稳定分散在水相中，稳定时间超过3个月。

本发明的钻井液用水基润滑剂加入水基钻井液中，无需搅拌，即能均匀地分散。在钻井过程中，植物油脂在乳化剂和多元醇的协同作用下，能在金属、岩石和粘土表面吸附形成疏水膜，使钻柱与井壁泥饼及岩石之间的固-固摩擦变为疏水膜之间的摩擦来大大降低摩擦阻力及钻具的回转阻力，极大地改善了钻井液润滑性。

本发明的钻井液用水基润滑剂选用无毒、无味、易生物降解的原料制备而成，绿色环保，符合钻井液用润滑剂的选择要求。

本发明的钻井液用水基润滑剂可用于多种油田常用的水基钻井液体系中，例如淡水钻井液、盐水钻井液和海水钻井液。在油田现场使用时，可向泥浆池中加入1％～5％(w/v)(基于泥浆总体积)的水基润滑剂。

因此，本发明的钻井液用水基润滑剂是一种可生物降解的环境友好型水基润滑剂，其在应用于水基钻井液时，能显著降低钻具磨阻、扭矩，并改善钻井液的润滑性。

具体实施方式

下面通过实施例来描述本发明的实施方式，对于本领域的技术人员应当认识到，这些具体的实施例仅表明为了达到本发明的目的而选择的实施技术方案，并不是对技术方案的限制。根据本发明的教导，结合现有技术对本发明技术方案的改进是显然的，都属于本发明保护的范围。

以下实施例中采用的原料均可由市售获得。

实施例1

蒸馏水26.5份

乙二醇26.5份

油酸甲酯42.2份

乳化剂：3.2份司班85、1.6份吐温60(共4.8份)

制备方法：

(1)按照上述重量份数称取各原料；

(2)将称取的乙二醇和蒸馏水搅拌溶解；

(3)将称取的乳化剂和油酸甲酯在另一个200mL的烧杯中搅拌溶解；

(4)在开启乳化剪切机且在10000～15000rpm转速条件下，将步骤(2)配制的原料液与步骤(3)配制的原料液混合，然后继续剪切乳化5分钟，得到乳白色溶液。

实施例2～9

制备方法同实施例1，各物料量见下表。

实施例10

丙三醇26.5份

蒸馏水26.5份

油酸氯甲酯42.2份

乳化剂：1.5份司班85、3.3份吐温80(共4.8份)

制备方法：

(1)按照上述重量份数称取各原料并置于200mL的烧杯中；

(2)用乳化机于8000～9000rpm转速条件下，将步骤(1)的原料液乳化剪切240分钟，得乳白色溶液。

性能评价：

1.稳定性能评价

量取100mL样品置于100mL比色管中，室温静置观察其稳定性。结果如下：

2.润滑性能评价

(1)在淡水膨润土浆中润滑系数的测定

配制2份3％淡水基浆：每杯300mL蒸馏水，加入9g钻井液试验用钠膨润土，用11000r/min的转速高速搅拌20min后，在密闭的容器中室温养护不得少于16h；于其中一份基浆中加入6g试样，用11000r/min的转速高速搅拌20min，即为淡水膨润土试验浆；在极压润滑仪上，分别测定蒸馏水、淡水基浆及淡水试验浆在20℃～30℃时扭矩读数，极压润滑仪测定时间不得小于5min，读取稳定值。测试结果如表1所示。

(2)海水膨润土浆中润滑系数的测定

量取300mL蒸馏水，加入钻井液试验用钠膨润土36g，用11000r/min的转速高速搅拌20min后，在密闭的容器中室温养护不得少于16h，配制成含土量12％的预水化膨润土浆；配制2份6％海水膨润土基浆：量取225mL天然海水，加入84g预水化膨润土浆和0.9g PF-PAC HV，用11000r/min的转速高速搅拌20min，养护16h后，用11000r/min的转速高速搅拌20min；于其中一份基浆中加入6g试样，用11000r/min的转速高速搅拌20min，即为海水膨润土试验浆；在极压润滑仪上，分别测定蒸馏水、海水膨润土基浆及海水膨润土试验浆在20℃～30℃时的扭矩读数，极压润滑仪测定时间不得小于5min，读取稳定值。测试结果如表1所示。

润滑系数按下式进行计算。

$K=\frac{T\×f}{100}$

式中：

K——试样的润滑系数；

T——试样的扭矩值之读数；

f——校正系数，为34与蒸馏水试验扭矩值读数之比值。

润滑系数降低率R_K按下式进行计算。

$R_K=\frac{K_0-K_1}{K_0}\×100\%$

式中：

R_K——润滑系数降低率；

K₀——基浆的润滑系数；

K₁——加入试样后泥浆的润滑系数。

表1

^*基浆扭矩读数超量程，以55计。

由上表可知，本发明的钻井液用水基润滑剂在淡水和海水基浆中润滑性能与商品油基润滑剂的润滑性能相当，体现出较好的润滑性能。

3.生物降解性能评价

将样品用蒸馏水稀释至适当浓度，用HACH公司BODTRAK^TM仪器测定其BOD₅，按照HACH公司BODTRAK^TM仪器说明书进行测试。

将样品用蒸馏水稀释至适当浓度，按照HACH公司DR890光度计操作说明书223页化学耗氧量反应器消解法的相关步骤进行。测定结果如下：

	BOD5值(mg/L)	COD值(mg/L)	BOD5/COD
				实施例1样	1638500	1560000	1.05
商品油基润滑剂(对比样)	109000	507250	0.21

由上表可知，本发明的钻井液用水基润滑剂BOD₅/COD值接近1，五日生物降解率约100％，而商品油基润滑剂的BOD₅/COD值为0.21，五日生物降解率约20％。同商品油基润滑剂相比，本发明的钻井液用水基润滑剂体现出优异的生物降解性能。

本发明可用其它的不违背本发明的精神或主要特征的具体形式来概述。因此，无论从哪一点来看，本发明的上述实施方式都只能认为是对本发明的说明而不能限制本发明，权利要求书指出了本发明的范围，因此，在与本发明的权利要求书相当的含义和范围内的任何改变，都认为是包括在权利要求书的范围内。

Claims (15)

1.一种钻井液用水基润滑剂，其特征在于，所述水基润滑剂包括如下重量份数的原料：水7-80份；多元醇0-72份；植物油脂6-64份；乳化剂1-19份。

2.根据权利要求1所述的水基润滑剂，其中各原料的重量份数如下：水8-40份；多元醇27-72份；植物油脂14-42份；乳化剂5-16份。

3.根据权利要求1所述的水基润滑剂，其中各原料的重量份数如下：水12-36份；多元醇27-50份；植物油脂24-42份；乳化剂5-9份。

4.根据权利要求1-3中任一项所述的水基润滑剂，其特征在于，所述水选自淡水、海水或盐水。

5.根据权利要求4所述的水基润滑剂，其特征在于，所述盐水是氯化钠、氯化钾、氯化钙或其组合的水溶液，且氯化钠、氯化钾和氯化钙在水溶液中的浓度是1％(w/w)至饱和。

6.根据权利要求1-3中任一项所述的水基润滑剂，其特征在于，所述多元醇选自乙二醇、丙二醇、丙三醇、丁二醇、丁三醇、丁四醇和季戊四醇中的一种或其组合。

7.根据权利要求1-3中任一项所述的水基润滑剂，其特征在于，所述植物油脂选自C12～C30羧酸甲酯、C12～C30羧酸乙酯和C12～C30羧酸氯甲酯中的一种或其组合。

8.根据权利要求1-3中任一项所述的水基润滑剂，其特征在于，所述乳化剂是HLB＝1-7的非离子表面活性剂与HLB＝10-16的非离子表面活性剂的复合表面活性剂。

9.根据权利要求8所述的水基润滑剂，其特征在于，所述复合表面活性剂是HLB＝5-12的复合表面活性剂。

10.根据权利要求8所述的水基润滑剂，其特征在于，所述HLB＝1-7的非离子表面活性剂选自司班85、司班65、司班80、司班60和司班40中的一种或其组合。

11.根据权利要求8所述的水基润滑剂，其特征在于，所述HLB＝10-16的非离子表面活性剂选自吐温85、吐温80、吐温60和吐温40中的一种或其组合。

12.一种制备权利要求1-3中任一项所述的水基润滑剂的方法，其特征在于，所述方法包括：

(1)按照各重量份数称取各原料并混合；

(2)剪切乳化步骤(1)的原料，持续5～240分钟。

13.一种制备权利要求1-3中任一项所述的水基润滑剂的方法，其特征在于，所述方法包括：

(1)按照各重量份数称取各原料；

(2)将步骤(1)所称取的所述植物油脂和所述乳化剂混合并搅拌至完全溶解；

(3)将步骤(1)所称取的所述水和所述多元醇混合并搅拌至完全溶解；

(4)将步骤(2)配制的原料液与步骤(3)配制的原料液在剪切乳化的条件下于10-60分钟内混合，然后继续剪切乳化5-240分钟。

14.权利要求1-3中任一项所述的水基润滑剂在配制钻探油气井用的水基钻井液中的应用。

15.如权利要求14所述的应用，其中所述水基润滑剂的用量为基于泥浆总体积的1％～5％(w/v)。