CN103436241B - 纳米嵌膜乳化润滑剂 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种纳米嵌膜乳化润滑剂。主要解决了水平井摩阻大、托压严重、钻井液润滑效果差的问题。该纳米嵌膜乳化润滑剂的组分及配比按重量百分比如下：改性石蜡10～30%、复合乳化剂3%～11%、碱度调节剂0.5～3%、纳米石墨粉0.5～2%，余量为水。该纳米嵌膜乳化润滑剂，提供了一种低荧光、带纳米滚珠材料，在地层和钻具间能够形成抗粘结润滑膜的乳化润滑剂，配制的钻井液体系润滑性好，泥饼细腻，滤失量小，荧光级别低，具有良好的热稳定性和耐寒稳定性，大大提高了水平井钻井效率。

Description

纳米嵌膜乳化润滑剂

技术领域

本发明涉及油田钻井领域中一种润滑剂，尤其是一种纳米嵌膜乳化润滑剂。

背景技术

随着能源需求与日俱增，石油勘探开发步伐不断加快，为提高油气采收效率，水平井、定向井钻探发展逐步完善。这些特殊钻井技术不断对钻井液体系提出新的要求。

水平井、定向井钻井区别于垂直钻井的最大特点是，定向钻进中摩阻大、井壁容易失稳，易于发生沉砂卡钻等复杂情况，钻井液润滑性的好坏在钻井成败中起重要作用。水平井、定向井钻井液发展由全油基钻井液、油包水钻井液、水包油钻井液到水基钻井液，有以下进步：钻井液含油量逐步减少，污染减轻，钻井液成本降低。

目前国内中浅层水平井、定向井普遍使用水基钻井液，选用的润滑剂包括：动植物油类、矿物油类、表面活性剂及醇、酯类，此外还包括玻璃微珠、塑料小球等固体类润滑剂。混油脂量最大达到10%以上，直接导致钻井液的以下问题：①混油量大，污染严重，成本高；②钻井液有荧光，影响地质录井；③定向钻进中摩阻大、钻速慢，润滑性不够理想。固体类润滑剂往往对钻具有较大磨损，抗剪切性能差。综上所述，现有钻井液润滑剂均存在不同方面的缺陷和不足。

发明内容

本发明在于克服背景技术中存在的水平井摩阻大、托压严重、钻井液润滑效果差的问题，而提供一种纳米嵌膜乳化润滑剂。该纳米嵌膜乳化润滑剂，提供了一种低荧光、带纳米滚珠材料，在地层和钻具间能够形成抗粘结润滑膜的乳化润滑剂，配制的钻井液体系润滑性好，泥饼细腻，滤失量小，荧光级别低，具有良好的热稳定性和耐寒稳定性，大大提高了水平井钻井效率。

本发明解决其问题可通过如下技术方案来达到：该纳米嵌膜乳化润滑剂，其组分及配比按重量百分比如下：改性石蜡10～30%、复合乳化剂3%～11%、碱度调节剂0.5～3%、纳米石墨粉0.5～2%，余量为水。

所述的石蜡为工业级改性石蜡C₂₀～C₃₀，纯度85%～90%；所述的复合乳化剂为非离子表面活性剂与阴离子表面活性剂混合物，非离子表面活性剂：阴离子表面活性剂为4.5：1；所述的非离子表面活性剂为span-80、Tween-80、三聚甘油单硬脂酸酯，span-80：Tween-80：三聚甘油单硬脂酸酯为5：0.95：3；所述的阴离子表面活性剂为C₂₀～C₃₀烷基醇磷酸酯钠盐；所述的碱度调节剂为NaOH溶液或KOH溶液；所述的纳米石墨粉的粒度指标为：D₉₀＜1000nm，D₅₀＜400nm，含碳量（98-99.99%）。

一种纳米嵌膜乳化润滑剂的制备方法，包括如下反应条件和步骤：

按重量份混配复合乳化剂，按重量配比准备好合成润滑剂的各组分，向反应釜中加重量份的水，升温至50℃，400～600r/min搅拌，将重量份石蜡、复合乳化剂加入反应釜，边搅拌边升温至75～90℃，提高搅拌速度800r/min～1200r/min，搅拌40min，测量pH值后，加入碱度调节剂，继续搅拌40min，搅拌至室温，混入纳米石墨粉，常温下800～1200r/min搅拌40min，既得成品润滑剂。

本发明纳米嵌膜乳化润滑剂具有如下有益效果：

（1）本发明乳化润滑剂具有极强的润滑作用。润滑剂特有的层状结构，使得乳液分子间具有相对滑动趋势，大大降低原本较大的相对摩擦阻力，在钻井液中与粘土微粒相互吸附，改善粘土之间的结构作用，降低钻井液流动时粘土微粒所产生的滑动摩擦阻力，从而提高了钻井液的润滑性能；乳液分子中的极性基团，能牢固的吸附在钻具和岩石的表面上形成定向分子层，这样就构成了高韧性的润滑油膜，当单分子层吸附膜达到饱和时，极性分子成紧密排列，由于分子间的内聚力使吸附膜具有一定的承压能力，有效的阻止了两摩擦表面的直接接触，起到润滑作用；纳米石墨粉分散在钻井液体系中，因强化学键合作用，牢牢嵌入钻具表面，形成坚韧的耐磨损惰性镶嵌膜，起隔绝、保护钻具的作用，同时游离在钻井液中的纳米石墨粉再次增强钻井液的润滑性。

（2）本发明乳化润滑剂具有较好的抑制封堵作用。乳液体系在井壁表面形成薄而致密的保护膜，在极性基团的作用下，井壁由亲水性向亲油性发生极性反转，井壁就会由高能表面变为低能表面，不容易被水润湿，增加了钻井液中的水相由井壁向地层渗透的难度，通过控制地层吸附水量来控制井壁的水化膨胀，继而达到抑制井壁坍塌，维持井壁稳定，保护储层的作用。乳状液具有纳米到微米的可变形粒子分布，当滤液进入地层，微小粒子就会封堵在地层的孔隙之中，形成较大阻力，阻止液滴继续向地层渗入，达到降低地层水化的效果。对于那些力学上不稳定的地层、破碎带，由于空隙、裂隙较大，在压差作用下更利于颗粒的大量渗透，形成较致密和较厚的薄膜。

（3）本发明乳化剂中阴离子表面活性剂与三聚甘油硬脂酸酯共同作用，在疏水链和阴离子头之间引入短的聚氧乙烯链，极大地改善其耐盐性。克服单一乳化剂的乳化能力有限，乳化产品不稳定等诸多弊端，达到最佳的乳化效果，30天静置观测乳化剂无分层现象。

（4）本发明润滑剂配伍性强，不起泡，不糊筛，具有很好的热稳定性和低温稳定性；荧光级别低，相配伍的水基钻井液荧光级别<3，不影响地质录井；用量少，一般加量为0.5%～2.5%，既起到很好的润滑效果；润滑剂作用时效性长，能够完全取代渣油、原油，降低污染，减少其他润滑材料用量。

（5）本发明原材料来源充足，成本低，产品对环境无污染，易于处理，生产工艺简单，制备过程无三废排出。

该纳米嵌膜乳化润滑剂提供了一种低荧光、带纳米滚珠材料，在地层和钻具间能够形成抗粘结润滑膜的乳化润滑剂。配制的钻井液体系润滑性好，泥饼细腻，滤失量小，荧光级别低，具有良好的热稳定性和耐寒稳定性，大大提高了水平井钻井效率。

具体实施方式：

下面将结合具体实施例对本发明作进一步说明：

该纳米嵌膜乳化润滑剂，其组分及配比按重量百分比如下：改性石蜡10～30%、复合乳化剂3%～11%、碱度调节剂0.5～3%、纳米石墨粉0.5～2%，余量为水。

所述的石蜡，为工业级改性石蜡C₂₀～C₃₀，纯度85%～90%；

所述的复合乳化剂为非离子表面活性剂与阴离子表面活性剂混合物，非离子表面活性剂：阴离子表面活性剂=4.5：1

所述的非离子表面活性剂为span-80、Tween-80、三聚甘油单硬脂酸酯，span-80：Tween-80：三聚甘油单硬脂酸酯=5：0.95：3；

其中Span-80：山梨醇酐单油酸酯；Tween-80：聚氧乙烯脱水山梨醇单油酸酯；

所述的阴离子表面活性剂为C₂₀-C₃₀烷基醇磷酸酯钠盐，其中的低碳醇官能团具有很好的消泡作用；

碱度调节剂：NaOH溶液或KOH溶液；纳米石墨粉：粒度指标：D₉₀＜1000nm，D₅₀＜400nm，含碳量（98-99.99%）；

实施例1：

准备好重量份各组分，按照如下生产步骤制备低荧光纳米滚珠嵌膜乳化润滑剂：

（1）按重量份混合复合乳化剂

非离子型复合乳化剂：Span-80：Tween-80：三聚甘油单硬脂酸酯比为5：0.95：3，

复合乳化剂：非离子型复合乳化剂：烷基醇磷酸酯钠盐的比为4.5：1。

（2）准备原材料

改性石蜡10g、复合乳化剂3g、碱度调节剂0.5g、纳米石墨粉2g、水84.5g。

（3）制备乳化润滑剂

向反应釜中加84.5g水，升温至50℃，400r/min缓慢搅拌，将10g石蜡、3g复合乳化剂加入反应釜，边搅拌边升温至75℃，提高搅拌速度800r/min，搅拌40min，混入碱度调节剂，继续搅拌40min，缓慢搅拌至室温，混入2g纳米石墨粉，常温下1200r/min搅拌40min，停止搅拌，包装出料。

实施例2：

（1）按重量份混合复合乳化剂

过程与实施例1相同。

（2）准备原材料

改性石蜡20g、复合乳化剂5g、碱度调节剂1g、纳米石墨粉1g、水73g。

（3）制备乳化润滑剂

向反应釜中加74g水，升温至50℃，500r/min缓慢搅拌，将20g石蜡、5g复合乳化剂加入反应釜，边搅拌边升温至80℃，提高搅拌速度1000r/min，搅拌40min，混入碱度调节剂，继续搅拌40min，缓慢搅拌至室温，混入1g纳米石墨粉，常温下1000r/min搅拌40min，停止搅拌，包装出料。

实施例3：

（1）按重量份混合复合乳化剂

过程与实施例1相同。

（2）准备原材料

改性石蜡30g、复合乳化剂11g、碱度调节剂3g、纳米石墨粉0.5g、水58.5g。

（3）制备乳化润滑剂

向反应釜中加58.5g水，升温至50℃，600r/min缓慢搅拌，将30g石蜡、11g复合乳化剂加入反应釜，边搅拌边升温至90℃，提高搅拌速度1200r/min，搅拌40min，混入碱度调节剂，继续搅拌40min，缓慢搅拌至室温，混入0.5g纳米石墨粉，常温下1000r/min搅拌40min，停止搅拌，包装出料。

该纳米嵌膜乳化润滑剂的性能评价如下：

（1）在各种水基钻井液中对实施例2中的润滑剂进行了配伍性实验。

表1润滑剂与水基钻井液的配伍性

实验结果表明：润滑剂加量为2%时，钻井液的流变参数及滤失量变化很小，但极压润滑系数降低一倍以上，钻井液的润滑效果大大提高。

（2）室内对比评价了加入实施例2润滑剂和渣油的钻井液的常规性能，和100℃高温老化16h的性能。

表2钻井液性能表

与渣油作为润滑剂相比，加入纳米嵌膜乳化润滑剂钻井液的高温老化前后性能更稳定。

（3）室内对实施例2的润滑剂不同加量下分别进行了3次极压润滑系数的测试实验，其中清水极压润滑系数为0.38。结果见表3：

表3润滑剂不同加量下的极压润滑系数

Claims (6)

1.一种纳米嵌膜乳化润滑剂，其组分及配比按重量百分比如下：改性石蜡10～30％、复合乳化剂3％～11％、碱度调节剂0.5～3％、纳米石墨粉0.5～2％，余量为水；所述的石蜡为工业级改性石蜡C₂₀～C₃₀，纯度85％～90％；所述的复合乳化剂为非离子表面活性剂与阴离子表面活性剂混合物，非离子表面活性剂：阴离子表面活性剂比为4.5：1。

2.根据权利要求1所述的一种纳米嵌膜乳化润滑剂，其特征在于：所述的非离子表面活性剂为span-80、Tween-80、三聚甘油单硬脂酸酯，span-80：Tween-80：三聚甘油单硬脂酸酯之比为5：0.95：3。

3.根据权利要求1所述的一种纳米嵌膜乳化润滑剂，其特征在于：所述的阴离子表面活性剂为C₂₀～C₃₀烷基醇磷酸酯钠盐。

4.根据权利要求1所述的一种纳米嵌膜乳化润滑剂，其特征在于：所述的碱度调节剂为NaOH溶液或KOH溶液。

5.根据权利要求1所述的一种纳米嵌膜乳化润滑剂，其特征在于：所述的纳米石墨粉的粒度指标为：D₉₀＜1000nm，D₅₀＜400nm，含碳量为98-99.99％。

6.一种权利要求1所述的纳米嵌膜乳化润滑剂的制备方法，其特征在于：包括如下反应条件和步骤：

按重量份混配复合乳化剂，按重量配比准备好合成润滑剂的各组分，向反应釜中加重量份的水，升温至50℃，400～600r/min搅拌，将重量份石蜡、复合乳化剂加入反应釜，边搅拌边升温至75～90℃，提高搅拌速度800r/min～1200r/min，搅拌40min，测量pH值后，加入碱度调节剂，继续搅拌40min，搅拌至室温，混入纳米石墨粉，常温下800～1200r/min搅拌40min，既得成品润滑剂。