CN105086954B - 钻井液用润滑剂及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种钻井液润滑剂，其配方及制备方法为：将白油、硫化烯烃棉籽油、流型调节剂、表面活性剂和泥饼粘附润滑添加剂按照80～90：10～20：0.1～1：1～10：2～7的质量比混合于加热搅拌反应釜中，在25‑140℃条件下反应10‑60分钟，冷却至室温，即得最终润滑剂产品。该润滑剂在钻井液中的加量为0.5％的情况下，泥饼粘附摩阻降低率在60％至80％之间，极压摩阻降低率在75％至95％之间，同时该润滑剂抗180℃高温，荧光级别小于等于3，满足目前复杂井对钻井液润滑剂的需要。

Description

钻井液用润滑剂及其制备方法

技术领域

本发明属于石油天然气及地质勘探开发中的钻井液领域，涉及一种钻井作业中用的润滑剂。

背景技术

石油天然气资源的勘探与开发中，钻井是必不可少的技术手段。在钻井作业中需要使用钻井液。钻井液的作用包括稳定井壁、清洁井眼、协助破碎岩石、冷却钻具、作为信号传输介质等。随着勘探开发的不断发展，大位移井、复杂结构井、水平井越来越多，这导致钻具与井壁或钻具与套管之间的摩阻越来越大，这使得在钻井过程中钻具磨损严重，施加的压力无法由钻具传至井底，钻速降低，还容易发生卡钻等安全事故。

钻井液润滑剂是钻井液中的重要添加剂，其作用是降低钻具与裸眼井壁之间和钻具与金属套管之间的摩擦阻力，防止泥包钻头，进而起到提高钻速、防止卡钻和减少钻具磨损的目的。发展至今，钻井液润滑剂种类非常繁多，但多存在不足之处：(1)润滑性能单一，仅起到降低钻具与套管井壁间摩擦，或仅起到降低钻具与裸眼井壁间的摩擦，两种润滑功能兼顾的润滑剂较少；(2)润滑剂的抗温能力差，在钻井液中经120℃高温老化一段时间后，润滑剂分解，润滑能力大幅度降低，且易起泡；(3)荧光级别高，严重干扰录井，不便于在探井当中使用。为了能够解决上述问题，发明出一种全新的润滑剂合成配方，实现了一种润滑剂同时具有降低钻具与套管间摩擦和钻具与裸眼井壁间摩擦的功能，抗温达180℃，荧光级别小于等于3。

发明内容

本发明的目的在于提供一种荧光级别低、抗高温且同时具有优越的降低钻具与套管间摩擦和钻具与裸眼井壁间摩擦的功能的钻井液润滑剂。

本发明的另一目的在于提供一种制备该钻井液润滑剂的制备方法。

为了实现上述目的，本发明的钻井液用润滑剂，由下述重量份的组分制备而成：

其中：

所述白油为5#、7#、10#、15#或20#白油；

所述流型调节剂为三乙醇胺、三异丙醇胺或二乙醇胺；

所述表面活性剂为阴离子表面活性剂或非离子表面活性剂；

所述多羟基三烷基胺类化合物具有式IV结构：N(CH₂CHOHCH₂OR)₃式IV，其中，R为C₁₂～C₂₀的饱和直链烷基。

优选地，所述阴离子表面活性剂为油酸。

优选地，所述非离子表面活性剂为油酸三乙醇胺。

所述非离子表面活性剂为烷基聚氧乙烯醚，所述烷基聚氧乙烯醚具有式I结构：

R(OCH₂CH₂)_nOH 式I，

其中，R为C₁₂～C₂₀的饱和直链烷基，n为3～9。

具体地，所述烷基聚氧乙烯醚可以选用十二烷基七聚乙二醇醚、十二烷基九聚乙二醇醚、十六烷基七聚乙二醇醚等。

所述非离子表面活性剂具有式II结构：

RCON(CH₂CH₂OH)₂ 式II，

其中，R为C₁₂～C₂₀的饱和直链烷基。

具体地，该类非离子表面活性剂可以选用油酸二乙醇酰胺、亚油酸二乙醇酰胺、硬脂酸二乙醇酰胺、椰油酸二乙醇酰胺等。

所述非离子表面活性剂具有式III结构：

RCOOCH₂CH₂N(CH₂CH₂OH)₂ 式III，

其中，R为C₁₂～C₂₀的饱和直链烷基。

具体地，该类非离子表面活性剂可以选用三乙醇胺单硬脂肪酸酯、三乙醇胺单油酸酯、三乙醇胺单亚油酸酯等。

所述硫化烯烃棉籽油为硫元素含量6％～11wt％的硫化烯烃棉籽油；

具体地，该三乙醇胺三烷基羧酸酯类化合物可以选用3,3',3”-三(1-(十六烷氧基)丙烷-2-醇)胺、3,3',3”-三(1-(十二烷氧基)丙烷-2-醇)胺、3,3',3”-三(1-(十八烷氧基)丙烷-2-醇)胺等。

该钻井液用润滑剂的制备方法，步骤如下:在室温(25～30℃)条件下将80～90重量份的白油加入到反应釜中，然后在搅拌的条件下依次加入0.1～1重量份流型调节剂和1～10重量份的表面活性剂，搅拌10～30分钟混合均匀，再向反应釜内依次加入10～20重量份的硫化烯烃棉籽油和2～7重量份的泥饼粘附润滑添加剂，继续搅拌，并升温至25℃～140℃反应10～60分钟，反应完毕后自然冷却至室温，即得最终润滑剂产品。所得润滑剂产品为淡黄色油状液体。

在该润滑剂配方中，以白油为主剂，配合表面活性剂和流行调节剂，并选用极压润滑更长效、降极压摩阻效果好且无荧光的硫化烯烃棉籽油，增加了硬脂酸铝或多羟基三烷基胺类有机物质作为泥饼粘附添加剂，以有效消除高价金属离子对钻井液性能的不良影响。

由上述配方制得的润滑剂具有良好的极压润滑能力和泥饼粘附润滑能力，即既能实现钻具与套管两金属间的润滑，同时能够实现钻具与裸眼井壁间的润滑。

该润滑剂在钻井液中的加量为0.5wt％时，泥饼粘附摩阻降低率在60％至80％之间，极压摩阻降低率在75％至95％之间，同时该润滑剂能够抵抗180℃的高温，荧光级别≤3，完全满足目前复杂井对钻井液润滑剂的需要。

具体实施方式

下面结合具体实施方式对本发明的上述发明内容作进一步的详细描述。但不应将此理解为本发明上述主题的范围仅限于下述实施例。在不脱离本发明上述技术思想情况下，根据本领域普通技术知识和惯用手段，做出各种替换和变更，均应包括在本发明的范围内。

实施例1

室温条件下将85重量份的10#白油加入到反应釜中，然后在搅拌的条件下加入0.5重量份的三乙醇胺和4重量份的油酸，搅拌15分钟，然后依次加入15重量份的硫化烯烃棉籽油和5重量份的硬脂酸铝，不断搅拌并控温在120℃反应，反应15分钟，反应完毕后冷却至室温，得到的淡黄色油状液体即得最终润滑剂产品。

实施例2

室温条件下将90重量份的15#白油加入到反应釜中，然后在搅拌的条件下加入0.1重量份的三乙醇胺和3重量份的油酸三乙醇胺，搅拌10分钟，然后依次加入10重量份的硫化烯烃棉籽油和4重量份的3,3',3”-三(1-(十六烷氧基)丙烷-2-醇)胺，不断搅拌并控温在140℃反应，反应10分钟，反应完毕后冷却至室温，得到的淡黄色油状液体即得最终润滑剂产品。

实施例3

室温条件下将88重量份的5#白油加入到反应釜中，然后在搅拌的条件下加入0.15重量份的三异丙醇胺和2重量份的椰油酸二乙醇酰胺，搅拌30分钟，然后依次加入12重量份的硫化烯烃棉籽油和3重量份硬脂酸铝，不断搅拌并控温在120℃反应，反应10分钟，反应完毕后冷却至室温，即得最终润滑剂产品，得到的淡黄色油状液体即得最终润滑剂产品。

实施例4

室温条件下将85重量份的15#白油加入到反应釜中，然后在搅拌的条件下加入0.5重量份的三乙醇胺和6重量份的三乙醇胺单硬脂肪酸酯，搅拌15分钟，然后依次加入15重量份的硫化烯烃棉籽油和3重量份3,3',3”-三(1-(十八烷氧基)丙烷-2-醇)胺，不断搅拌并控温在100℃反应，反应10分钟，反应完毕后冷却至室温，得到的淡黄色油状液体即得最终润滑剂产品。

实施例5

室温条件下将85重量份的10#白油加入到反应釜中，然后在搅拌的条件下按0.1重量份的三乙醇胺和3重量份的三乙醇胺单油酸酯，搅拌15分钟，然后依次加入15重量份的硫化烯烃棉籽油和8重量份3,3',3”-三(1-(十二烷氧基)丙烷-2-醇)胺，室温条件下不断搅拌1小时，得到的淡黄色油状液体即得最终润滑剂产品。

实施例6

室温条件下将85重量份的15#白油加入到反应釜中，然后在搅拌的条件下按0.1重量份的三乙醇胺和3重量份的十二烷基七聚乙二醇醚，搅拌15分钟，然后依次加入15重量份的硫化烯烃棉籽油和3重量份3,3',3”-三(1-(十六烷氧基)丙烷-2-醇)胺，在室温条件下不断搅拌1小时，得到的淡黄色油状液体即得最终润滑剂产品。

实施例7

室温条件下将85重量份的10#白油加入到反应釜中，然后在搅拌的条件下按0.1重量份的三乙醇胺和3重量份的十六烷基七聚乙二醇醚，搅拌15分钟，然后依次加入15重量份的硫化烯烃棉籽油和8重量份3,3',3”-三(1-(十六烷氧基)丙烷-2-醇)胺，室温条件下不断搅拌1小时，得到的淡黄色油状液体即得最终润滑剂产品。

性能测试：

(1)抗温性能测试

在淡水基浆中加入润滑剂，然后加入高温热滚罐，并向高温热滚罐中充入氮气至1MPa压力，然后将高温热滚罐置于热滚炉中，在180℃条件下热滚16h，取出热滚罐，冷却至室温，取出钻井液，然后利用极压润滑仪和摩阻仪分别测试其极压润滑性能和泥饼粘附润滑性能，测试结果如下表1所示。

1)泥饼粘附润滑测试：

采用NF-2型泥饼粘附润滑系数测定仪测试泥饼粘附摩阻。操作步骤如下：首先，在3.5MPa压差下滤失30min，在测试仪器的钻井液杯底形成一滤饼；之后，在相同压差下将粘附盘粘附在泥饼上；最后，选取5个时间点用扭矩盘测试扭矩，由此来评价粘附盘与泥饼之间的摩阻大小。测试的时间点分别为5min、10min、15min、30min、45min，并最终以45min时的读数为最终的扭矩读数。

泥饼粘附摩阻降低率计算公式：

摩阻降低率＝(T_基–T_润)/T_基×100％，

式中：T_基为未加入润滑剂的钻井液扭矩读数，T_润为加入润滑剂的钻井液扭矩读数。

2)极压润滑测试：

采用fann212型极压润滑仪测试极压摩阻。操作步骤如下：首先，用纯净水对机器进行校验，不加压时扭矩读数为0，转速为60rpm；加压到150英寸磅(inch-pounds)时，转速仍保持60rpm；之后，在加压到150inch-pounds的情况下运转5min，测试纯净水的扭矩读数，确保纯净水的扭矩读数在28～42之间。将纯净水换成需测试的浆液，在加压150inch-pounds的情况下运转5min，读出测试的浆液的扭矩读数。每次测试浆液扭矩前先用纯净水对机器进行校验。

极压摩阻降低率计算公式：

极压摩阻降低率＝(M_基/M_水–M_润/M*_水)/(M_基/M_水)×100％，式中：

M_基：未加入润滑剂的钻井液极压扭矩读数；

M_润：添加了润滑剂的钻井液极压扭矩读数；

M_水：在测未加入润滑剂的钻井液前测得的纯净水的极压扭矩读数；

M*_水：在测加入润滑剂的钻井液前测得的纯净水的极压扭矩读数。

在上述测试中，测试浆液为基浆和由上述实施例制得的润滑剂混合而成的浆液，其中：基浆组成：5％宣化膨润钠土，0.25％无水碳酸钠和余量的水，在室温水化24h制成；润滑剂在基浆中的加入量为0.5wt％，

表1润滑剂的润滑性能：

表1中的数据表明，实施例1～7所得润滑剂经180℃热滚16h后依然保持良好的极压润滑性能和泥饼粘附润滑性能，说明由上述配方制得的润滑剂不仅极压润滑性能和泥饼粘附润滑性能佳，同时具有良好的抗温性能，可抗高温可达到180℃，在实际应用中可有效预防压差卡钻和减轻钻具磨损。

(2)荧光级别测试：

参比华北任丘地区的原油，对实施例1～7中的润滑剂产品进行了荧光级别测试，测试方法如下：

在洁净烘干的100mL烧杯中加入20mL三氯甲烷，加入1.0g需测定荧光级别的润滑剂，摇匀、放置、澄清，倒出一部分澄清液于干净试管中，在紫外光仪下用365nm波长紫外光照射，与已确定好的任丘地区原油荧光级别系列进行对比，观察荧光强弱来确定荧光级别，测试结果如下表2所示。

表2实施例润滑剂的荧光级别：

从表2数据可知，实施例1～7制备的润滑剂的荧光级别均小于3。

综上所述，该润滑剂荧光级别低、抗高温且同时具有优越的降极压摩阻和泥饼粘附摩阻双重润滑功能的钻井液润滑剂，满足目前钻井工程对高性能润滑产品的需要。

上述实施例仅是对本发明产品的说明，并非对本发明做出任何形式上的限制，不脱离本发明技术方案的范围之内，任何利用上述揭示的技术内容作出简单变换的等同方案，均属本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种钻井液用润滑剂，其特征在于，由下述重量份的组分制备而成：

其中，所述白油为5#、7#、10#、15#或20#白油；所述流型调节剂为三乙醇胺、三异丙醇胺或二乙醇胺；所述表面活性剂为阴离子表面活性剂或非离子表面活性剂；所述硫化烯烃棉籽油为含硫量为6％～11wt％的硫化烯烃棉籽油；所述多羟基三烷基胺类化合物具有式IV结构：N(CH₂CHOHCH₂OR)₃式IV，其中，R为C₁₂～C₂₀的饱和直链烷基。

2.根据权利要求1所述的钻井液用润滑剂，其特征在于，所述阴离子表面活性剂为油酸。

3.根据权利要求1所述的钻井液用润滑剂，其特征在于，所述非离子表面活性剂为油酸三乙醇胺。

4.根据权利要求1所述的钻井液用润滑剂，其特征在于，所述非离子表面活性剂为烷基聚氧乙烯醚，所述烷基聚氧乙烯醚具有式I结构：

R(OCH₂CH₂)_nOH 式I，

其中，R为C₁₂～C₂₀的饱和直链烷基，n为3～9。

5.根据权利要求1所述的钻井液用润滑剂，其特征在于，所述非离子表面活性剂具有式II结构：

RCON(CH₂CH₂OH)₂ 式II，

其中，R为C₁₂～C₂₀的饱和直链烷基。

6.根据权利要求1所述的钻井液用润滑剂，其特征在于，所述非离子表面活性剂具有式III结构：

RCOOCH₂CH₂N(CH₂CH₂OH)₂ 式III，

其中，R为C₁₂～C₂₀的饱和直链烷基。

7.一种如权利要求1～6任一项所述的钻井液用润滑剂的制备方法，其特征在于，步骤如下:在室温条件下将80～90重量份的白油加入到反应釜中，然后在搅拌的条件下依次加入0.1～1重量份流型调节剂和1～10重量份的表面活性剂，搅拌10～30分钟混合均匀，再向反应釜内依次加入10～20重量份的硫化烯烃棉籽油和2～7重量份的多羟基三烷基胺类化合物，继续搅拌，并升温至25℃～140℃反应10～60分钟，反应完毕后自然冷却至室温，即得最终润滑剂产品。