CN103351852A

CN103351852A - 一种水基钻井液用生物柴油润滑剂及其制备方法与应用

Info

Publication number: CN103351852A
Application number: CN2013102869074A
Authority: CN
Inventors: 赵雄虎; 张奎; 董文涛
Original assignee: China University of Petroleum Beijing
Current assignee: DAQING BEIHUA CHEMICAL PLANT
Priority date: 2013-07-09
Filing date: 2013-07-09
Publication date: 2013-10-16
Anticipated expiration: 2033-07-09
Also published as: CN103351852B

Abstract

本发明公开了一种水基钻井液用生物柴油润滑剂及其制备方法与应用，本发明的水基钻井液用生物柴油润滑剂包括以下原料组分：生物柴油70～90重量份；水10～30重量份；以生物柴油和水的总重量为100%计，所述水基钻井液用生物柴油润滑剂还包括：亲油性乳化剂1%～6%；亲水性乳化剂1%～8%；极压润滑剂1%～10%；固体润滑剂1%～5%；分散剂0.05%～0.3%。该润滑剂具有无荧光、生物毒性低、易生物降解、与钻井液的配伍性好、抗盐性能好、尤其是在高温条件下润滑性能好等优点，且成本较低，原料广泛，具有广泛的适用性。

Description

一种水基钻井液用生物柴油润滑剂及其制备方法与应用

技术领域

本发明涉及一种润滑剂及其制备方法与应用，特别是涉及一种水基钻井液用生物柴油润滑剂及其制备方法与应用。

背景技术

近年来，伴随石油勘探开发难度和复杂程度的不断增加，深井、超深井、水平井、大位移井逐渐增多，钻井时钻具所受的摩阻也随之大幅度增加，能耗加大，并且由此而产生的钻具磨损和失效事故也呈上升之势。通常的做法是在钻井液中加入一定量的润滑剂，以降低钻头与井底岩石、钻柱与井壁岩石、钻柱与表层或技术套管之间的摩擦阻力，减少卡钻，降低能耗。

目前，常用的钻井液润滑剂主要采用矿物油或植物油作为润滑剂的基础油。矿物油润滑剂由于具有荧光级别较高、不易生物降解等缺点而逐渐失去竞争优势。植物油润滑剂具有润滑性好、无毒、荧光级别低等优点，但是成本较高、高温稳定性差，而且植物油作为重要的生活物资，不适合大规模用于石油钻井。

生物柴油是采用地沟油作为基本原料、在催化剂的作用下通过酯交换反应制得，是一种润滑性好、可降解、成本较低的可再生能源，适合用作钻井液润滑剂的基础油。

CN102391841A公开了一种以生物柴油为基础的适用于水基钻井液的润滑剂及其制备方法，该现有技术中的生物柴油钻井液润滑剂包括生物柴油以及每100mL生物柴油添加水80-120mL、乳化剂4-10g、消泡剂2-6g，其中所述乳化剂为HLB值9.5-10.5的表面活性剂，例如由Span-85和油酸钠以重量份比1:1的比例组成。该润滑剂主要是以生物柴油代替白油、柴油，用以研制适用于水基钻井液的生物柴油钻井液润滑剂，润滑性较好，但是存在以下不足：（1）加水量太多，影响润滑剂的作用效果；（2）从该润滑体系的配方及性能看，其并不利于在高温钻井条件下使用；（3）形成的润滑膜单一，在钻柱与井壁的剧烈碰撞中润滑效果较差。

CN102952528A公开了一种将生物柴油复配表面活性剂的可降解的钻井液润滑剂及制备方法，该现有技术中的可降解钻井液润滑剂是由下列体积百分比的原料组成：生物柴油为80～90%、表面活性剂为5～10%、水分为5～10%；其中所述表面活性剂为两种或多种非离子表面活性剂的复配组合，如非离子表面活性剂聚乙二醇辛基苯酚醚（OP-10）和司盘系列（SP-60、SP-80）按1:1的复配，OP-10与吐温系列（T-60/T-80）按4:6的比例复配。该现有技术中的润滑剂主要成分为生物柴油，具有无荧光、对环境无害等优点，但是该润滑剂中起润滑作用的只有生物柴油和非离子表面活性剂，而此类润滑剂在高温钻井条件下作用效果较差。

CN102851006A公开了一种钻井用生物油润滑剂及其制备方法，该生物油润滑剂按重量份数由以下成分构成：基础油100份，表面活性剂1至15份；其中所述表面活性剂为司盘-80、吐温-80、OP-10、RN⁺(CH₃)2R′X^-(R=C₁₂烷基至C₁₆烷基、R′=CH₃或苄基、X=卤素)中的一种或一种以上的混合物。该润滑剂在120℃高温下性能稳定等优点，但是存在以下不足：（1）其基础油加入有矿物油，使得该润滑剂的荧光级别较高，且影响润滑剂的生物降解性；（2）该润滑剂尽管能抗120℃，但仍不能满足深井、超深井钻井对于润滑剂抗温能力的要求。

发明内容

针对现有技术存在的不足，本发明的一个目的是提供一种水基钻井液用生物柴油润滑剂及其制备方法。该润滑剂利用生物柴油为基础油，通过添加乳化剂、极压润滑剂、固体润滑剂、配制一种复合型生物柴油润滑剂，该润滑剂是一种润滑性能好、无荧光、不污染环境、抗高温的水基钻井液用润滑剂。

本发明的另一目的在于提供所述水基钻井液用生物柴油润滑剂的制备方法。

本发明的另一目的在于提供所述水基钻井液用生物柴油润滑剂的应用，具体是其在制备水基钻井液中使用生物柴油润滑剂。

本发明的另一目的在于提供以所述的水基钻井液用生物柴油润滑剂为原料之一配制的水基钻井液。

一方面，本发明提供了一种水基钻井液用生物柴油润滑剂，该水基钻井液用生物柴油润滑剂包括以下原料组分：

生物柴油 70～90重量份；

水 10～30重量份；

以生物柴油和水的总重量为100%计，所述水基钻井液用生物柴油润滑剂还包括：

本发明中，除特别注明外，所述比例与含量均为重量比例与含量。

根据本发明的具体实施方案，本发明的水基钻井液用生物柴油润滑剂中，所述的生物柴油为脂肪酸甲酯和/或脂肪酸乙酯。

根据本发明的具体实施方案，本发明的水基钻井液用生物柴油润滑剂中，以生物柴油和水的总重量为100%计，其中所述的生物柴油的量为70%～90%，所述水的量为30%～10%。

根据本发明的具体实施方案，本发明的水基钻井液用生物柴油润滑剂中，所述的亲油性乳化剂为Span60和/或Span80。

根据本发明的具体实施方案，本发明的水基钻井液用生物柴油润滑剂中，所述的亲水性乳化剂为Tween80和/或十二烷基硫酸钠。

根据本发明的具体实施方案，本发明的水基钻井液用生物柴油润滑剂中，所述的极压润滑剂为磷酸酯或氮化硼。

根据本发明的具体实施方案，本发明的水基钻井液用生物柴油润滑剂中，所述的固体润滑剂为石墨。

根据本发明的具体实施方案，本发明的水基钻井液用生物柴油润滑剂中，所述的分散剂为羧甲基纤维素钠。

本发明的润滑剂中的各原始材料均可商购获得，各原料应符合相应的行业质量标准要求。

本发明的润滑剂是利用生物柴油为基础油，通过添加乳化剂、极压润滑剂、固体润滑剂和分散剂配制而成，该润滑剂是一种复合型水基钻井液用生物柴油润滑剂，其润滑性能好，无荧光，不污染环境，并且具有抗高温（可达160℃）的特点，能满足深井、超深井钻井对于润滑剂抗温能力的要求。

另一方面，本发明还提供了所述的水基钻井液用生物柴油润滑剂的制备方法，该方法包括以下步骤：

将极压润滑剂、亲油性乳化剂、固体润滑剂分别加入到生物柴油中，在常温、转速400～1000r/min条件下搅拌0.5～1.5h，得到油相；

将亲水性乳化剂加入到水中，搅拌均匀配成溶液，再将分散剂加入其中，搅拌至完全溶解，得到水相；

将上述配制好的水相加入到油相中，在温度60～90℃、转速800～1200r/min条件下搅拌3～6h，冷却至室温即可得到本发明所述的水基钻井液用生物柴油润滑剂。

另一方面，本发明还提供了所述润滑剂的应用，具体是其在制备水基钻井液用生物柴油中的应用。

具体应用时，本发明的水基钻井液用生物柴油润滑剂可以是以占水基钻井液总重量1%～5%的比例添加到钻井液中。

另一方面，本发明还提供了一种水基钻井液，其中含有本发明所述的水基钻井液用生物柴油润滑剂。

根据本发明的具体实施方案，本发明提供的水基钻井液中，以该水基钻井液的总重量为基准，其中本发明的水基钻井液用生物柴油润滑剂的含量为1%～5%。

本发明的润滑剂，各组分之间具有良好的协同作用。该润滑剂应用于钻井液，与钻井液的配伍性良好。在井下高温条件下，一方面，生物柴油和乳化剂中的极性分子依靠分子间作用力以及电子交换等作用可以在钻杆与井壁上形成物理吸附膜和化学吸附膜，吸附膜能够很好的降低摩擦面的摩擦系数，减小磨损；另一方面，在高温条件下，磷酸酯极压润滑剂可以在金属表面与金属反应生成极压反应膜，这种极压膜在高温极压条件下依然具有很好的润滑性能，具有剪切强度低，极压润滑性好等特点；此外，石墨固体润滑剂能够填充在摩擦表面，阻止摩擦副的直接接触，在摩擦边界处增加了一层保护，有助于降低摩阻，减少冲击载荷对于极压润滑膜以及吸附膜的破坏，增加了润滑剂作用效果的可靠性。

与现有技术的润滑剂相比，本发明的水基钻井液用生物柴油润滑剂具有以下显著的有益效果：

（1）本发明制备的水基钻井液用生物柴油润滑剂采用可再生的生物柴油为基础油，原料广泛、可再生且成本较低；

（2）无荧光，有利于探井使用；

（3）易生物降解，属于环境友好型润滑剂；

（4）润滑剂在高温条件下润滑性比常温条件下更好，适合在水基钻井液中使用，能满足深井、超深井钻井对于润滑剂抗温能力的要求。

附图说明

图1为干摩擦条件下的摩擦曲线。

图2为加有实施例1中润滑剂的摩擦曲线。

图3为向基浆中加有实施例1的润滑剂后润滑性提高曲线。

图4为实施例1中润滑剂加入基浆在不同温度下老化16h后的润滑性曲线。

图5为实施例1中润滑剂抗盐性能测试曲线。

图6为向基浆中加有实施例2的润滑剂后润滑性提高曲线。

图7为实施例2中润滑剂加入基浆在不同温度下老化16h后的润滑性曲线。

具体实施方式

以下结合具体实施例详细介绍本发明技术方案的实现和特点，以帮助理解本发明的精神实质和有益效果，但不能构成对本发明可实施范围的任何限定。

实施例1

本实施例的润滑剂的配方：

生物柴油 80重量份；

水 20重量份；

以生物柴油和水的总重量为100%计：

本实施例的润滑剂的制备方法如下：

将3g磷酸酯极压润滑剂（所述磷酸酯购自科耐欧贸易（上海）有限公司，商品型号S-830）、2g Span80亲油乳化剂、2g石墨固体润滑剂分别加入到80g脂肪酸甲酯生物柴油中，在常温、转速400r/min条件下搅拌1h，得到油相；

将2g Tween80亲水性乳化剂加入到20g水中，搅拌均匀配成溶液，再将0.1g羧甲基纤维素钠分散剂加入其中，搅拌至完全溶解，得到水相；

将配制好的水相加入到搅拌好的油相中，在温度60℃、转速1200r/min条件下搅拌6h，冷却至室温，即可得到本实施例的润滑剂。

对本实施例的润滑剂的摩擦性能进行测试。测试仪器：Falex-摩擦磨损试验机。测试条件：摩擦仪FALEX，环境温度为室温，载荷60N，转速50rpm。图1为干摩擦条件下的摩擦曲线。从图1中可以看出，稳定后的干摩擦系数在0.28左右。图2为加有实施例1中润滑剂的摩擦曲线。从图2中可以看出，在整个实验阶段，摩擦系数整体呈下降的趋势，最后稳定在0.10左右，与图1的干摩擦系数相比，可以看出本实施例的润滑剂具有很好的润滑作用。在摩擦过程中，润滑剂可以形成优质的润滑膜，从而降低摩擦系数。

参照Q/SY1088-2007中国石油天然气集团公司企业标准“钻井液用液体润滑剂技术要求”对本实施例的润滑剂的性能进行测试。

图3为加有实施例1中润滑剂的基浆（本发明中所述基浆的配制参见Q/SY1088-2007）润滑性提高曲线。从图中可以看出，当润滑剂加量达到2%以后，基浆的极压润滑系数降低率超过80%，泥饼粘滞系数的降低率接近70%，说明润滑剂改善润滑效果明显，达到了Q/SY1088-2007标准对于钻井液润滑剂的要求。

图4为实施例1中润滑剂加入基浆，在不同温度下老化16h后的润滑性曲线。从图中可以看出，加有1%、2%、3%润滑剂的基浆，在不同温度下老化16h后，均表现出润滑性变好的趋势，且随老化温度的升高，极压润滑系数明显降低。当加量为2%、3%的基浆经过160℃老化后，极压润滑系数低至0.015，说明润滑剂具有很好的抗高温性能。分析其原因，一方面是高温下脂肪酸甲酯分解产生了部分游离脂肪酸，游离的脂肪酸能显著的改善润滑性；另一方面，极压润滑剂在高温条件下与金属表面发生反应，生成润滑性极好的极压反应膜，从而提高了润滑剂的润滑性能。

对本实施例的润滑剂的生物降解性能进行测试。测试方法根据戴向东（1996）钻井液化学剂生物降解性测试方法及分级标准。表1为实施例1中润滑剂的生物降解性能检测结果。从表1的检测结果可以看出，本实施例的润滑剂为容易生物降解等级。

表1

BOD₅（mg/L）	COD_Cr（mg/L）	BOD₅/COD_Cr	生物降解性
				558.49	2134	26.17%	容易

表2为实施例1中润滑剂与淡水钻井液的配伍性能测试结果。其中选择淡水钻井液的配方：4%膨润土+0.2%Na₂CO₃+0.2%PAC-141+0.2%XC，向钻井液中加入不同量的本实施例的润滑剂，测试其对钻井液塑性粘度、动切力、动塑比等指标的影响。从表中可以看出，本实施例的润滑剂能很好的改善淡水钻井液的润滑性，且对钻井液的塑性粘度、动切力、动塑比、静切力等流变性能指标影响较小，对API滤失量有轻微的降低作用，因此润滑剂与淡水钻井液具有很好的配伍性。并且，经过高温老化后，钻井液的润滑性能明显好于老化前的润滑性能，说明该润滑剂在高温条件下的润滑性能优于在常温下的润滑性能，适合在井下高温条件下使用。

表2

表3为实施例1中润滑剂与KCl聚合物钻井液的配伍性能。选择KCl聚合物钻井液的配方：3%膨润土+0.2%Na₂CO₃+0.2%CMC+4%KCl+0.5%KOH+0.4%HPAM，向钻井液中加入不同量的本实施例的润滑剂，测试其对钻井液塑性粘度、动切力、动塑比等指标的影响。从表中可以看出，加入本实施例的润滑剂对于KCl聚合物钻井液的塑性粘度、动切力、动塑比、静切力等流变性能指标基本没有影响，对API滤失量有轻微的降低作用，能有效的改善钻井液的润滑性能，因此，润滑剂与KCl聚合物钻井液具有很好的配伍性。经高温老化后，钻井液的润滑性能明显好于老化前的润滑性能，说明该润滑在高温条件下的润滑性能优于在常温下的润滑性能，适合在井下高温条件下使用。

表3

抗盐性考察实验

在基浆中先加入2%的润滑剂，测试基浆的极压润滑系数，再向基浆中加入不同量的CaCl₂，测试CaCl₂对于润滑剂作用效果的影响，测试结果参见图5所示。从图中可以看出，刚加入CaCl₂时，润滑系数有轻微上升，当CaCl₂加量达到4%时，极压润滑系数最高，再继续加入CaCl₂，极压润滑系数开始平稳下降，最后稳定在0.08左右，说明CaCl₂对润滑性作用效果影响很小。

实施例2

本实施例的润滑剂的配方：

生物柴油 75重量份；

水 25重量份；

以生物柴油和水的总重量为100%计：

本实施例的润滑剂的制备方法如下：

将5g磷酸酯极压润滑剂（所述磷酸酯购自科耐欧贸易（上海）有限公司，商品型号S-830）、3g Span80亲油乳化剂、3g石墨固体润滑剂分别加入到75g脂肪酸甲酯生物柴油中，在常温、转速800r/min条件下搅拌1.5h，得到油相；

将4g Tween80亲水性乳化剂加入到25g水中，搅拌均匀配成溶液，再将0.2g羧甲基纤维素钠分散剂加入其中，搅拌至完全溶解，得到水相；

将配制好的水相加入到搅拌好的油相中，在温度90℃、转速1200r/min条件下搅拌5h，冷却至室温即可得到本实施例的润滑剂。

参照Q/SY1088-2007中国石油天然气集团公司企业标准“钻井液用液体润滑剂技术要求”对本实施例的润滑剂的润滑性能进行测试。

图6为加有实施例2中润滑剂后润滑性提高曲线。从图中可以看出，当润滑剂加量达到2%以后，基浆的极压润滑系数降低率超过80%，泥饼粘滞系数的降低率66%以上，说明润滑剂改善润滑效果明显，达到了Q/SY1088-2007标准对于钻井液润滑剂的要求。

图7为实施例2中润滑剂加入基浆，在不同温度下老化16h后的润滑性曲线。从图中可以看出，加有1%、2%、3%本发明实施例2的润滑剂的基浆，在不同温度下老化16h后，均表现出润滑性变好的趋势，且随老化温度的升高，极压润滑系数明显降低。当加量为2%、3%的基浆经过160℃老化后，极压润滑系数低至0.015左右，说明润滑剂具有很好的抗高温性能。分析其原因，一方面是高温下脂肪酸甲酯分解产生了部分游离脂肪酸，游离的脂肪酸能显著的改善润滑性；另一方面，极压润滑剂在高温条件下与金属表面发生反应，生成润滑性极好的极压反应膜，从而提高了润滑剂的润滑性能。

测试本实施例的润滑剂与淡水钻井液的配伍性能。其中选择淡水钻井液的配方：4%膨润土+0.2%Na₂CO₃+0.2%PAC-141+0.2%XC，向钻井液中加入不同量的本实施例的润滑剂，测试其对钻井液塑性粘度、动切力、动塑比等指标的影响。测试结果见表4。从表中可以看出，本实施例的润滑剂能很好的改善淡水钻井液的润滑性，且对钻井液的塑性粘度、动切力、动塑比、静切力等流变性能指标影响较小，对API滤失量有轻微的降低作用，因此润滑剂与淡水钻井液具有很好的配伍性。经过高温老化后，钻井液的润滑性能明显好于老化前的润滑性能，说明该润滑在高温条件下的润滑性能优于在常温下的润滑性能，适合在井下高温条件下使用。

表4

实施例3

本实施例的润滑剂的配方：

生物柴油 70重量份；

水 30重量份；

以生物柴油和水的总重量为100%计：

本实施例的润滑剂的制备方法如下：

将1g油溶性氮化硼（购自宁夏东科石化有限公司，商品型号T391）、1g Span80亲油乳化剂、1g石墨固体润滑剂分别加入到70g脂肪酸甲酯生物柴油中，在常温、转速600r/min条件下搅拌1h，得到油相；

将2g Tween80亲水性乳化剂加入到30g水中，搅拌均匀配成溶液，再将0.3g羧甲基纤维素钠分散剂加入其中，搅拌至完全溶解，得到水相；

将配制好的水相加入到搅拌好的油相中，在温度75℃、转速1000r/min条件下搅拌3h，冷却至室温即可得到本实施例的润滑剂。

测试本实施例的润滑剂与淡水钻井液的配伍性能。其中选择淡水钻井液的配方：4%膨润土+0.2%Na₂CO₃+0.2%PAC-141+0.2%XC，向钻井液中加入不同量的本实施例的润滑剂，测试其对钻井液塑性粘度、动切力、动塑比等指标的影响，测试结果见表5。从表5可以看出，本实施例3的润滑剂能很好的改善淡水钻井液的润滑性，且对钻井液的塑性粘度、动切力、动塑比、静切力等流变性能指标影响较小，对API滤失量有轻微的降低作用，因此润滑剂与淡水钻井液具有很好的配伍性。经过高温老化后，钻井液的润滑性能明显好于老化前的润滑性能，说明该润滑剂在高温条件下的润滑性能优于在常温下的润滑性能，适合在井下高温条件下使用。

表5

实施例4

本实施例的润滑剂的配方：

生物柴油 80重量份；

水 20重量份；

以生物柴油和水的总重量为100%计：

本实施例的润滑剂的制备方法如下：

将3g磷酸酯极压润滑剂、5g Span60亲油乳化剂、3g石墨固体润滑剂分别加入到80g脂肪酸甲酯生物柴油中，在常温、转速1000r/min条件下搅拌0.5h，得到油相；

将1g十二烷基硫酸钠亲水性乳化剂加入到20g水中，搅拌均匀配成溶液，再将0.2g羧甲基纤维素钠分散剂加入其中，搅拌至完全溶解，得到水相；

将配制好的水相加入到搅拌好的油相中，在温度80℃、转速800r/min条件下搅拌5h，冷却至室温即可得到本实施例的润滑剂。

测试本实施例的润滑剂与淡水钻井液的配伍性能。其中选择淡水钻井液的配方：4%膨润土+0.2%Na₂CO₃+0.2%PAC-141+0.2%XC，向钻井液中加入不同量的本实施例的润滑剂，测试其对钻井液塑性粘度、动切力、动塑比等指标的影响。测试结果见表6。从表6测试结果可以看出，本实施例的润滑剂能很好的改善淡水钻井液的润滑性，且对钻井液的塑性粘度、动切力、动塑比、静切力等流变性能指标影响较小，对API滤失量有轻微的降低作用，可以证明本实施例的润滑剂与淡水钻井液具有很好的配伍性。并且，本实施例的润滑剂经过高温老化后，钻井液的润滑性能明显好于老化前的润滑性能，说明该润滑剂在高温条件下的润滑性能优于在常温下的润滑性能，适合在井下高温条件下使用。

表6

各实施例的润滑剂的荧光性评价实验

在烘干的100mL烧杯中加入20mL氯仿，分别加入0.5g实施例1～实施例4的润滑剂样品，用玻璃棒缓慢搅动5min，过滤，将滤液装入比色管中，在荧光照射下与1～13级标样对比确定荧光级别，各实施例的润滑剂的荧光级别测定结果参见表7，结果为本发明的润滑剂的荧光级别≤1级。

表7荧光性评价实验结果

样品	实施例1	实施例2	实施例3	实施例4
					荧光级别	无荧光	无荧光	无荧光	无荧光

Claims

1.一种水基钻井液用生物柴油润滑剂，该水基钻井液用生物柴油润滑剂包括以下原料组分：

生物柴油 70～90重量份；

水 10～30重量份；

2.根据权利要求1所述的水基钻井液用生物柴油润滑剂，其中，所述的生物柴油为脂肪酸甲酯和/或脂肪酸乙酯。

3.根据权利要求1所述的水基钻井液用生物柴油润滑剂，其中，所述的亲油性乳化剂为Span60和/或Span80。

4.根据权利要求1所述的水基钻井液用生物柴油润滑剂，其中，所述的亲水性乳化剂为Tween80和/或十二烷基硫酸钠。

5.根据权利要求1所述的水基钻井液用生物柴油润滑剂，其中，所述的极压润滑剂为磷酸酯或氮化硼。

6.根据权利要求1所述的水基钻井液用生物柴油润滑剂，其中，所述的固体润滑为石墨。

7.根据权利要求1所述的水基钻井液用生物柴油润滑剂，其中，所述的分散剂为羧甲基纤维素钠。

8.权利要求1～7任一项所述的水基钻井液用生物柴油润滑剂的制备方法，该方法包括以下步骤：

将上述配制好的水相加入到油相中，在温度60～90℃、转速800～1200r/min条件下搅拌3～6h，冷却至室温即可得到水基钻井液用生物柴油润滑剂。

9.权利要求1～7任一项所述的水基钻井液用生物柴油润滑剂在制备水基钻井液用生物柴油中的应用。

10.一种水基钻井液，其中含有权利要求1～7任一项所述的水基钻井液用生物柴油润滑剂；优选地，以所述水基钻井液的总重量为基准，其中水基钻井液用生物柴油润滑剂的含量为1%～5%。