CN103980866A

CN103980866A - 一种钻井液用石墨润滑剂及其制备方法

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Publication number: CN103980866A
Application number: CN201310050766.6A
Authority: CN
Inventors: 王琳; 董晓强; 薛玉志; 杨小华; 任立伟; 李胜; 钱晓琳
Original assignee: China Petroleum and Chemical Corp; Sinopec Research Institute of Petroleum Engineering
Current assignee: China Petroleum and Chemical Corp; Sinopec Research Institute of Petroleum Engineering
Priority date: 2013-02-08
Filing date: 2013-02-08
Publication date: 2014-08-13

Abstract

本发明提供了一种钻井液用石墨润滑剂，包括60~95重量份的石墨和5~30重量份的表面活性剂，该表面活性剂选自十六烷基三甲基溴化铵、油酸、油酸钾、油酸钠、石油磺酸钠、司盘20和司盘80中的一种或多种。本发明提供的石墨润滑剂还可以包括1~10重量份的消泡剂。该石墨润滑剂成分简单，容易制备，成本低廉；能够大幅度降低钻井液的润滑系数，不影响钻井液的性能，尤其适用于水平井、大斜度井和大位移井的钻进以及下套管施工。

Description

一种钻井液用石墨润滑剂及其制备方法

技术领域

本发明涉及钻井液用润滑剂领域，具体涉及一种钻井液用石墨润滑剂及其制备方法。

背景技术

随着水平井、大斜度井及大位移井技术的不断发展，钻井施工对钻井液的润滑性要求越来越高。液体润滑剂和固体润滑剂均能提高钻井液的润滑性，其中固体润滑材料有塑料小球、玻璃微珠、石墨等。玻璃微珠和塑料小球可在接触面之间滚动以减少摩擦，石墨的片层结构和自润滑性可降低滑动摩擦系数，这些固体润滑材料能够使钻杆和套管、钻杆和井壁的接触面之间产生物理分离，不但能够降低摩擦系数，而且能够降低金属的磨损，是近年来发展较快的一种钻井液润滑材料。

中国专利申请CN200910210201.3公开了一种复合型植物油润滑剂，该润滑剂由植物油、十二烷基硫酸钠、司盘80、聚乙烯吡咯烷酮、羧甲基纤维素钠、固体润滑剂组成，其中固体润滑剂是蛇纹石或石墨。该发明的润滑剂原料价低易得，反应过程简单。所制备的润滑剂油溶性好、无毒、荧光级别低，抑制泥页岩水化膨胀，并防止卡钻事故发生。

中国专利申请CN201010129810.9公开了一种复合固体润滑剂，该润滑剂以保险粉蒸馏副产残渣为主要成分，用石墨和膨胀石墨为负载材料，动物油或植物油基的表面活性剂为润滑性调节剂，并加入降滤失剂、防塌剂和乳化剂。该发明同时提高了钻井液润滑剂的粘附系数降低率和摩阻系数降低率，并具有防塌性。价格低廉，生产工艺简单。

以上公开的复合型润滑剂中含有固体石墨，虽然增加了钻井液的润滑性，但是组成成分种类较多，增加成本，质量不容易控制。总起来讲，目前的钻井液用润滑剂仍然普遍存在一些问题，如润滑性能差，抗压强度低，不能满足定向井高侧压条件的要求；另外，与钻井液的相容性不好，使钻井液粘度、切力及滤失量等增大，影响钻井液性能。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供了一种能大幅度降低润滑系数、不影响钻井液性能的石墨润滑剂。该润滑剂尤其适用于水基钻井液，有利于降低钻井液的滤失量，使钻井液在井壁上形成薄而韧的泥饼，用于水平井、大斜度井和大位移井的钻进以及下套管施工。

根据本发明，提供了一种钻井液用石墨润滑剂，包括60~95重量份的石墨和5~30重量份的表面活性剂，该表面活性剂选自十六烷基三甲基溴化铵（CTAB）、油酸、油酸钾、油酸钠、石油磺酸钠、司盘20和司盘80中的一种或多种。优选地，该润滑剂包括70~90重量份的石墨和10~20重量份的表面活性剂。

在本发明的一个优选实施方案中，上述润滑剂还包括1~10重量份、优选2~8重量份的消泡剂。该消泡剂优选为甲基硅油、聚醚、白油中的一种或多种。

在本发明中，所使用的石墨可以是普通石墨、改性石墨和石墨烯中的一种或多种。普通石墨可由原矿经多段磨矿、多段选别工艺浮选出而获得，通常得到鳞片状的石墨。改性石墨以普通石墨为原料进行深加工，例如加工成为氧化石墨、可膨胀石墨和膨胀石墨中的一种或多种。其中可膨胀石墨是指经加热或在特定应用条件下可以发生膨胀的石墨。

本发明还提供了一种制备如上所述的石墨润滑剂的方法，包括：步骤a）：将表面活性剂或表面活性剂和消泡剂溶解于乙醇-水溶液中；步骤b）：在搅拌下，将石墨与步骤a）得到的溶液充分混合；步骤c）：将步骤b）得到的浆体进行干燥，例如烘干或自然风干，得到所述润滑剂；其中，表面活性剂、消泡剂和石墨的重量份如上所述。

在本发明的方法中，优选乙醇-水溶液中乙醇对水的体积比为1:3至3:1，用量为10~40重量份。还优选70重量%以上的石墨通过100目筛孔。

本发明提供的钻井液用石墨润滑剂成分简单，容易制备，成本低廉。该润滑剂能够大幅度降低钻井液的润滑系数，不影响钻井液的性能，能够使钻井液在井壁形成薄而韧的泥饼，尤其适用于水平井、大斜度井和大位移井的钻进以及下套管施工。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明做进一步说明，但本发明的范围并不仅限于这些实施例。

在下列实施例中，极压润滑系数按照Q/SHCG4-2011水基钻井液用润滑剂技术要求标准测量；所用设备为美国Fann212极压润滑仪。

润滑系数降低率按下式计算：

Y = \frac{F_{1} - F_{2}}{F_{1}} \times 100

(式I）

式中：Y-润滑系数降低率，%；F₁—膨润土浆润滑系数；F₂—膨润土浆加润滑剂后的润滑系数。

实施例1~11

分别按照表1所列的实施例1~11的配方，在搅拌下将表面活性剂和消泡剂（其中实施例1和实施例2不加消泡剂）溶解于乙醇-水（乙醇与水的体积比见表1）溶液中，然后在搅拌下继续加入一定粒度的石墨，充分混合均匀，然后干燥，分别得到钻井液用石墨润滑剂。

分别测量制得的钻井液用石墨润滑剂的极压润滑系数和极压润滑系数降低率，评价其润滑能力，具体操作步骤如下：

（1）在搅拌下，在蒸馏水中加入适量的无水碳酸钠和试验用钠膨润土，搅拌2小时后放置过夜，制成5重量%的膨润土基浆（其中无水碳酸钠的浓度为0.25重量%）；

（2）取5%膨润土基浆350ml，用搅拌器搅拌10min后，用极压润滑仪测定其极压润滑系数（F₁）；

（3）取5重量%膨润土基浆350ml，向其中加入3.5g润滑剂样品，用搅拌器搅拌10min后，用极压润滑仪测定其极压润滑系数（F₂）；

（4）按照（式Ⅰ）计算极压润滑系数降低率，结果见表2。

表1

表2

浆	极压润滑系数	极压润滑系数降低率
			5%膨润土基浆	0.489	-
5%膨润土基浆+实施例1样品	0.230	53%
			5%膨润土基浆+实施例2样品	0.137	72%
5%膨润土基浆+实施例3样品	0.254	48%
			5%膨润土基浆+实施例4样品	0.176	64%
5%膨润土基浆+实施例5样品	0.147	70%
			5%膨润土基浆+实施例6样品	0.161	67%

5%膨润土基浆+实施例7样品	0.240	51%
			5%膨润土基浆+实施例8样品	0.122	75%
5%膨润土基浆+实施例9样品	0.137	72%
			5%膨润土基浆+实施例10样品	0.083	83%
5%膨润土基浆+实施例11样品	0.112	77%

实施例12

（1）高密度钻井液的制备和物性参数测定

搅拌下，在蒸馏水中加入适量无水碳酸钠和试验用钠膨润土，搅拌2小时后放置过夜，制成2.5重量%的膨润土浆（其中无水碳酸钠浓度为0.125重量%）；取300mL2.5重量%膨润土浆，加入0.9g低粘聚阴离子纤维素LV-PAC，搅拌使其溶解均匀，然后在搅拌下分别加入9g高密度钻井液抗盐降滤失剂SML-4、9g磺化酚醛树脂SMP-2和6g高密度分散剂SMS-19，高速搅拌5min后加入4.5g NaOH和45gNaCl，继续搅拌，待溶解完全后加入600g重晶石，再高速搅拌20min。将得到的高密度钻井液放入高温滚子炉中，于150℃下滚动老化16h，然后降温至45℃时测试得到的浆液的表观粘度、塑性粘度，然后测量密度、中压滤失量以及极压润滑系数，计算极压润滑系数降低率，结果见表3所示。

测定上述配制得到的2.0g/cm³钻井液的密度、表观粘度、塑性粘度和极压润滑系数等参数，结果见表3所示。

（2）高密度钻井液+2%润滑剂样品的混合浆液的制备和物性参数测定

搅拌下，在蒸馏水中加入适量的无水碳酸钠和试验用钠膨润土，搅拌2小时后放置过夜，制成2.5重量%的膨润土浆（其中无水碳酸钠的浓度为0.125重量%）；取300mL2.5重量%膨润土浆，加入0.9g低粘聚阴离子纤维素LV-PAC，搅拌使其溶解均匀，然后在搅拌下分别加入9g高密度钻井液抗盐降滤失剂SML-4、9g磺化酚醛树脂SMP-2和6g高密度分散剂SMS-19，接着加入实施例4所制备的润滑剂样品，高速搅拌5min后加入4.5g NaOH和45g NaCl，继续搅拌，待溶解完全后加入600g重晶石，再高速搅拌20min。将得到的高密度钻井液与润滑剂样品的混合浆液放入高温滚子炉中，于150℃下滚动老化16h，然后降温至45℃时测试得到的浆液的表观粘度、塑性粘度，然后测量密度、中压滤失量以及极压润滑系数，计算极压润滑系数降低率，结果见表3所示。

重复第（2）步的操作过程，只是将加入的润滑剂样品替换成实施例5所制备的润滑剂样品，结果见表3所示。

再次重复第（2）步的操作过程，只是将加入的润滑剂样品替换成实施例10所制备的润滑剂样品，结果见表3所示。

表3

由表2和表3可知，根据本发明的钻井液用石墨润滑剂能够大幅度降低钻井液的润滑系数，并且对钻井液的密度、粘度、滤失量等性能影响很小。

Claims

1.一种钻井液用石墨润滑剂，包括60~95重量份的石墨和5~30重量份的表面活性剂，所述表面活性剂选自十六烷基三甲基溴化铵、油酸、油酸钾、油酸钠、石油磺酸钠、司盘20和司盘80中的一种或多种。

2.根据权利要求1所述的润滑剂，其特征在于，所述润滑剂包括70~90重量份的石墨和10~20重量份的表面活性剂。

3.根据权利要求1或2所述的润滑剂，其特征在于，所述润滑剂还包括1~10重量份的消泡剂。

4.根据权利要求3所述的润滑剂，其特征在于，所述消泡剂为2~8重量份。

5.根据权利要求3所述的润滑剂，其特征在于，所述消泡剂为甲基硅油、聚醚、白油中的一种或多种。

6.根据权利要求1-5中任一项所述的润滑剂，其特征在于，所述石墨为普通石墨、改性石墨和石墨烯中的一种或多种。

7.根据权利要求6所述的润滑剂，其特征在于，所述改性石墨为氧化石墨、可膨胀石墨和膨胀石墨中的一种或多种。

8.一种制备如权利要求1-7中任一项所述的润滑剂的方法，包括：

步骤a）：将表面活性剂或表面活性剂和消泡剂溶解于乙醇-水溶液中；

步骤b）：在搅拌下，将石墨与步骤a）得到的溶液充分混合；

步骤c）：将步骤b）得到的浆体进行干燥，得到所述润滑剂；

其中，表面活性剂、消泡剂和石墨的重量份如权利要求1-7中任一项所述。

9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述乙醇-水溶液中乙醇对水的体积比为1:3至3:1，用量为10~40重量份。

10.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，70重量%以上的石墨通过100目筛孔。