CN105219359B - 一种缔合型润滑剂及含有该润滑剂的水基钻井液 - Google Patents

一种缔合型润滑剂及含有该润滑剂的水基钻井液 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种缔合型润滑剂及含有该润滑剂的水基钻井液，润滑剂的原料组分及重量含量如下，合成油：100份、脂肪酸羟铵：（3～5）份、烷基咪唑啉：（3～8）份、咪唑啉季铵盐：（2～5）份和蓖麻油磺酸钠：（3～6）份；合成油为C18～C22脂肪酸甲酯中的任意一种或为任意两种的混合物。水基钻井液的原料组分及重量含量如下，清水：100份、膨润土粉：（4～6）份、HE150增粘剂：（0.3～0.8份）、降失水剂Dristemp：（0.5～1）份、包被剂Coater‑10：（0.1～0.2）份、纯碱：（0.1～0.3）份和缔合型润滑剂：（3～6）份。该缔合型润滑剂和水基钻井液，可吸附于钻具和井壁表面，润滑效果好，抗高温高压能力强，可极大降低发生井下事故的几率。

Description

一种缔合型润滑剂及含有该润滑剂的水基钻井液
技术领域
本发明涉及一种缔合型润滑剂，本发明还涉及一种含有缔合型润滑剂的水基钻井液，属于石油钻井技术领域。
背景技术
传统水基钻井液体系的润滑剂以原油、柴油、机油等矿物油为主。其中，原油在高温高压等极限条件下能够在钻具和岩壁的受力面形成稳定的油膜。由于原油中大量的高粘度胶质存在，油膜在高温极压的苛刻环境下仍能够保持润滑性能，成为钻井作业面对高难度井的井下复杂情况，提高润滑效果最为有效的选择。
而面对日益严格的环保要求，使用原油润滑技术已经受到越来越严格的限制。为了保护生态环境，符合环保法规的要求，国内外一直在寻找能够替代原油的环保型润滑剂。
美国专利US4181617早在1980年就开发了以菜籽油为基础油的水基钻井液润滑剂。至今大部分油田服务企业仍在一些结构较简单的井中使用该类型产品。由于使用的植物油属于食用油脂，存在着与民争食的问题，同时成本较高。
公开号为CN103045183A的中国发明专利公开了一种地沟油润滑剂，采用地沟油为基础油制成润滑剂，该润滑剂能够有效解决钻井过程中降扭矩和摩阻问题。但地沟油成分比较复杂，不但含有植物油，还有饱和程度较高的动物油脂，游离脂肪酸，卵磷脂等杂质成分。由于这些组分的存在，使得以地沟油为主要成分的润滑油在气温较高时容易腐化变质，效果下降；气温较低时又容易凝固结块，影响在钻井液中的分散，给施工作业造成不必要的麻烦。
公开号为CN 102851004B的中国发明专利公开了一种钻井液用生物降解润滑剂，采用酯交换反应将油脂反应生成安定性较高的生物酯，在很大程度上解决了冬天气温较低时润滑剂凝固结块问题。除此之外，具有一定粘温性能的合成烃类也具有良好的润滑性和环保性能。该润滑剂属于乳滴型润滑剂，在室内测试具有良好的润滑效果，但在复杂井中，尤其是水平井侧钻时，润滑能力不足。
为了改善油脂分散问题，公开号为CN102952528A中国发明专利申请，公开了一种可降解的钻井液润滑剂，在80~90%的生物柴油中加入5~10%的乳化剂和一定量的水进行乳化，依靠表面活性剂把油脂分散在钻井液中，目前国内大部分油性润滑剂均属于这种类型。公开号为CN103756651A的中国发明专利申请，采用特种非离子表面活性剂分散油相，该表面活性剂可将油相分散为纳米尺寸的乳滴，改善了该类型润滑剂的存放问题。公开号为CN103756651A的中国发明专利申请，将粘滞系数较高的石蜡分散为纳米乳滴，改善了油性材料在钻井液、钻具表面和井壁的分散问题。由于油性材料被分散成纳米颗粒，因而在钻具和井壁表面分散更均匀，润滑性与粗分散的大尺寸油性乳滴相比得到了显著提高。然而润滑剂油相形成的乳滴在钻井过程中相当于具有弹性的颗粒，会对钻井液的流变性造成不良影响，同时在摩擦层面的分布状态受乳滴分散程度的影响较大，不容易在受力面形成均匀的润滑层，从而导致其在大斜度井、超深井等复杂结构井中使用效果不明显。
上述环保型润滑剂在面对水平井、大位移井等复杂结构井时仍不能有效解决或降低井下复杂情况。兼具环保，集润滑、抑制、配伍等多功能为一体的润滑剂开发较少，尤其是在高难度复杂工况下能够具有关键润滑性能的润滑剂仍处于空白状态。
发明内容
本发明的首要目的在于，克服现有技术中存在的问题，提供一种缔合型润滑剂，可吸附于钻具和井壁表面，润滑效果好，抗高温高压能力强，可极大降低发生井下事故的几率。
为解决以上技术问题，本发明的一种缔合型润滑剂，其原料组分及重量含量如下，合成油：100份、脂肪酸羟铵：（3～5）份、烷基咪唑啉：（3～8）份、咪唑啉季铵盐：（2～5）份和蓖麻油磺酸钠：（3～6）份；所述合成油为C18～C22脂肪酸甲酯中的任意一种或为任意两种的混合物。
相对于现有技术，本发明取得了以下有益效果：①合成油构成吸附于钻具和井壁表面的油膜主体；脂肪酸羟铵起到把水分散的咪唑啉季铵盐和蓖麻油磺酸钠均匀分散至油相的作用，随着润滑剂加入水基钻井液中，分散功能弱化，吸附功能体现，可将润滑剂吸附于金属钻具和井壁表面，当脂肪酸羟铵在润滑剂中的含量超过5%时，对钻井液流变性会造成不良影响。②烷基咪唑啉可以提高金属表面的油膜强度；蓖麻油磺酸钠可以提高润滑剂抗极限压力的能力，且价格便宜，使润滑剂具有高性能和低成本的优点。③该缔合型润滑剂无毒无害，能够在高温下提供足够润滑以降低摩擦阻力，在水基钻井液中加入3~5%本发明的缔合型润滑剂，可使水基钻井液的抗温能力从120℃提高至180℃，在180℃下仍可保持润滑效果，而普通乳滴型润滑剂只能耐温120℃，在180℃下会失效。④本发明缔合型润滑剂的极压润滑降低率明显优于传统润滑剂，对泥岩的抑制性远高于传统润滑剂，且对钻井液流变性能的影响明显小于传统润滑剂。⑤本发明的缔合型润滑剂可有效降低钻具在钻井时遇到的扭矩和阻力，在钻具表面形成高强度保护油膜，不但能够帮助钻具对抗极端的温度、压力和重量，还可以预防异物的侵蚀和水、沙及其他硬物带来的伤害。⑥本发明的缔合型润滑剂能够在井壁形成稳定油膜，与钻井液中的Coater10协同作用可阻止井壁水化膨胀，与钻井液中的降失水剂Dristemp协同作用可抗地层渗漏。
作为本发明的优选方案，所述脂肪酸羟铵的制备方法如下：首先将植物油脂肪酸和醇胺以（2～4）：1的重量比加入反应釜中，在搅拌状态下，将反应釜中的物料加热至50～60℃，反应至颜色透明出料即得所述脂肪酸羟铵。①脂肪酸羧基与醇胺的胺基反应生成端基带有羟基的脂肪酸铵皂化物，该皂化物属于油包水乳化剂范围，在润滑剂油相环境下能够有效分散蓖麻油磺酸钠的亲水组分，形成稳定分散体系；②当润滑剂分散到水基钻井液水相时，该皂化物因具有阳离子特性，可在金属钻具表面稳定吸附，作为吸附油膜的基底层；③形成的脂肪酸羟铵皂在钻井液的碱性环境下性能稳定，当钻井完毕后需清除井壁的泥饼时，改变井壁周围pH值至酸性，油膜可轻松脱除，使泥饼清除变得更简单，为后续的完井工作提供方便。
作为本发明的优选方案，所述植物油脂肪酸衍生自蓖麻油、油菜籽油、棕榈油和花生油中的任意一种或者为任意几种的组合；所述醇胺为二乙醇胺或三乙醇胺。二乙醇胺或三乙醇胺的分子链长决定了其与脂肪酸形成的皂化物的亲水亲油平衡值，使该皂化物为油包水的乳化剂，不选择该范围的醇胺无法使蓖麻油磺酸钠在油相中稳定分散。
作为本发明的优选方案，所述烷基咪唑啉的烷基链段为C18～C22的直链烷基中的任意一种或者为任意几种的组合。C18～C22直链烷基链段的烷基咪唑啉具有较好的粘性指数，在较宽的井底温度范围均能够起到良好的润滑效果，烷基咪唑啉的亲水链段主要起吸附井壁和钻具作用，其疏水链段与本发明采用合成油的碳链长度相当，可以形成稳定的油膜。
作为本发明的优选方案，所述咪唑啉季铵盐至少包含通式（a）和通式（b）中的一种或两种的混合物，混合物中各组分以任意重量比混合：
通式（a）或通式（b）中，R1为C18～C22的直链烷基；R2为C1～C3的直链烷基；n为1～3的整数。咪唑啉季铵盐的R1选择C18～C22直链烷基，具有较好的粘性指数，在较宽的井底温度范围均能够起到良好的润滑效果；咪唑啉季铵盐为亲水链段主要起吸附井壁作用，C18～C22直链烷基为疏水链段与本发明合成油的碳链长度相当，可以形成稳定的油膜；咪唑啉季铵盐可插入粘土间层，形成牢固的吸附点。
本发明的另一个目的在于，提供一种含有缔合型润滑剂的水基钻井液，能够降低钻具的钻进阻力，在井壁形成稳定油膜。
为解决以上技术问题，本发明提供了一种含有缔合型润滑剂的水基钻井液，所述水基钻井液的原料组分及重量含量如下，清水：100份、膨润土粉：（4～6）份、 HE150增粘剂：（0.3～0.8份）、降失水剂Dristemp：（0.5～1）份、包被剂Coater-10：（0.1～0.2）份、纯碱：（0.1～0.3）份和缔合型润滑剂：（3～6）份。
相对于现有技术，本发明取得了如下有益效果：①合成油构成吸附于钻具和井壁表面的油膜主体；脂肪酸羟铵起到把水分散的咪唑啉季铵盐和蓖麻油磺酸钠均匀分散至油相的作用，随着润滑剂加入水基钻井液中，分散功能弱化，吸附功能体现，可将润滑剂吸附于金属钻具和井壁表面，当脂肪酸羟铵在润滑剂中的含量超过5%时，对钻井液流变性会造成不良影响；②烷基咪唑啉可以提高金属表面的油膜强度；蓖麻油磺酸钠可以提高润滑剂抗极限压力的能力，且价格便宜，使缔合型润滑剂具有高性能和低成本的优点。③该缔合型润滑剂无毒无害，能够在高温下提供足够润滑以降低摩擦阻力，在水基钻井液中加入3~5%本发明的缔合型润滑剂，可使水基钻井液的抗温能力从120℃提高至180℃，在180℃下仍可保持润滑效果，而普通乳滴型润滑剂只能耐温120℃，在180℃下会失效。④本发明缔合型润滑剂的极压润滑降低率明显优于传统润滑剂，对泥岩的抑制性远高于传统润滑剂，且对钻井液流变性能的影响明显小于传统润滑剂。⑤本发明的缔合型润滑剂可有效降低钻具在钻井时遇到的扭矩和阻力，在钻具表面形成高强度保护油膜，不但能够帮助钻具对抗极端的温度、压力和重量，还可以预防异物的侵蚀和水、沙及其他硬物带来的伤害。⑥本发明的缔合型润滑剂能够在井壁形成稳定油膜，与钻井液中的Coater10协同作用可阻止井壁水化膨胀，与钻井液中的降失水剂Dristemp协同作用可抗地层渗漏。
作为本发明的优选方案，所述水基钻井液的原料组分及重量含量如下，清水：100份、膨润土粉：4份、 HE150增粘剂：0.3份、降失水剂Dristemp：0.5份、包被剂Coater-10：0.1份、纯碱：0.1份和缔合型润滑剂：3份；所述缔合型润滑剂的原料组分及重量含量如下，合成油：100份、脂肪酸羟铵：3份、烷基咪唑啉：3份、咪唑啉季铵盐：2份和蓖麻油磺酸钠：3份；所述合成油为C18的脂肪酸甲酯。
作为本发明的优选方案，所述水基钻井液的原料组分及重量含量如下，清水：100份、膨润土粉：5份、 HE150增粘剂：0.5份、降失水剂Dristemp：0.8份、包被剂Coater-10：0.15份、纯碱：0.2份和缔合型润滑剂：4份；所述缔合型润滑剂的原料组分及重量含量如下，合成油：100份、脂肪酸羟铵：4份、烷基咪唑啉：5份、咪唑啉季铵盐：4份和蓖麻油磺酸钠：5份；所述合成油为C20的脂肪酸甲酯。
作为本发明的优选方案，所述水基钻井液的原料组分及重量含量如下，清水：100份、膨润土粉：6份、 HE150增粘剂： 0.8份、降失水剂Dristemp：1份、包被剂Coater-10：0.2份、纯碱：0.3份和缔合型润滑剂：6份；所述缔合型润滑剂的原料组分及重量含量如下，合成油：100份、脂肪酸羟铵：5份、烷基咪唑啉：8份、咪唑啉季铵盐：5份和蓖麻油磺酸钠：6份；所述合成油为C22的脂肪酸甲酯。
具体实施方式
实施例一
水基钻井液的原料组分及重量含量如下，清水：100份、膨润土粉：4份、 HE150增粘剂：0.3份、降失水剂Dristemp：0.5份、包被剂Coater-10：0.1份、纯碱：0.1份和缔合型润滑剂：3份。
其中，缔合型润滑剂的原料组分及重量含量如下，C18脂肪酸甲酯：100份、脂肪酸羟铵：3份、烷基咪唑啉：3份、咪唑啉季铵盐：2份和蓖麻油磺酸钠：3份。
所述脂肪酸羟铵的制备方法如下：首先将植物油脂肪酸和醇胺以2：1的重量比加入反应釜中，在搅拌状态下，将反应釜中的物料加热至50℃，反应至颜色透明出料即得所述脂肪酸羟铵。所述植物油脂肪酸衍生自蓖麻油，所述醇胺为二乙醇胺。
所述烷基咪唑啉的烷基链段为C18的直链烷基。所述咪唑啉季铵盐见通式（a），其中R1为C18的直链烷基，R2为C1的直链烷基。
实施例二
水基钻井液的原料组分及重量含量如下，清水：100份、膨润土粉：5份、 HE150增粘剂：0.5份、降失水剂Dristemp：0.8份、包被剂Coater-10：0.15份、纯碱：0.2份和缔合型润滑剂：4份。
其中，缔合型润滑剂的原料组分及重量含量如下，C20脂肪酸甲酯：100份、脂肪酸羟铵：4份、烷基咪唑啉：5份、咪唑啉季铵盐：4份和蓖麻油磺酸钠：5份。
所述脂肪酸羟铵的制备方法如下：首先将植物油脂肪酸和醇胺以3：1的重量比加入反应釜中，在搅拌状态下，将反应釜中的物料加热至55℃，反应至颜色透明出料即得所述脂肪酸羟铵。所述植物油脂肪酸衍生自油菜籽油，所述醇胺为三乙醇胺。
所述烷基咪唑啉的烷基链段为C20直链烷基。所述咪唑啉季铵盐见通式（b），其中，R1为C20直链烷基；R2为C2直链烷基。
实施例三
水基钻井液的原料组分及重量含量如下，清水：100份、膨润土粉：6份、 HE150增粘剂：0.8份、降失水剂Dristemp：1份、包被剂Coater-10：0.2份、纯碱：0.3份和缔合型润滑剂：6份。
其中，缔合型润滑剂的原料组分及重量含量如下，C22脂肪酸甲酯：100份、脂肪酸羟铵：5份、烷基咪唑啉：8份、咪唑啉季铵盐：5份和蓖麻油磺酸钠：6份。
所述脂肪酸羟铵的制备方法如下：首先将植物油脂肪酸和醇胺以4：1的重量比加入反应釜中，在搅拌状态下，将反应釜中的物料加热至60℃，反应至颜色透明出料即得所述脂肪酸羟铵。所述植物油脂肪酸衍生自棕榈油和花生油；所述醇胺为二乙醇胺和三乙醇胺，按1:1重量比混合。
所述烷基咪唑啉的烷基链段为C22直链烷基。所述咪唑啉季铵盐通式（a）和通式（b）的混合物，混合物中各组分以1：1重量比混合：
通式（a）和通式（b）中，R1为C22直链烷基，R2为C3直链烷基。
一、将本发明实施例一的缔合型润滑剂与传统KD-21C润滑剂、KD-51润滑剂，以QSY1088-2012标准进行极压润滑降低率对比测试，结果如表1所示。
表1 润滑剂极压润滑降低率测试
本发明缔合型润滑剂的极压润滑降低率明显优于传统润滑剂KD-21C和KD-51。
二、对含有本发明实施例二的缔合型润滑剂与传统润滑剂进行泥岩回收率测试，评价其对泥岩的抑制水化功能，结果如表2所示。
表2 泥岩回收率测试
其中：泥岩为三垛组红色泥岩。测试程序为：在300g清水中加入40g泥岩和5g润滑剂，放入100℃老化炉中滚动老化16个小时，取出后用40目筛网过滤，收集筛网上残渣，烘干，过滤，称重，以40g泥岩原始质量计算回收率。
由表2可知，在清水中，岩芯回收率为6.88%，加入2%本发明的缔合型润滑剂后，回收率增加了8.47%，而加入2%传统KD--21C和KD-51润滑剂后，泥岩回收率没有明显变化，说明本发明的缔合型润滑剂对泥岩的抑制性远高于传统润滑剂。
三、采用美国OFITE 1100 型高温加压流变仪对含有本发明缔合型润滑剂的钻井液、其它成分相同但不含润滑剂的钻井液与含有传统润滑剂的钻井液在60℃下的流变性进行测试，采用本发明实施例三的钻井液原浆和缔合型润滑剂，结果如表3所示。
表3 不同润滑剂在钻井液中的流变性测试
注：表中PV为钻井液的塑性粘度，单位为mPa·s；YP为动切力，单位为Pa；Gel为10秒钟切力，无量纲；n为钻井液的流性指数，无量纲；K为钻井液稠度系数，单位为Pa·sn。
由表3可知，传统的KD-21C润滑剂和KD-51润滑剂对钻井液的PV、YP以及Gel均有较大影响，增稠效果明显。本发明的缔合型润滑剂在钻井液体系中对体系的流变性能基本无影响，对钻井液流变性能的影响明显小于KD-21C和KD-51。
HE150增粘剂和降失水剂Dristemp采用雪佛龙菲利普斯化工(中国)有限公司的产品，包被剂Coater-10采用天津滨海新区大港方圆钻采技术服务有限公司的产品。
以上所述仅为本发明之较佳可行实施例而已，非因此局限本发明的专利保护范围。除上述实施例外，本发明还可以有其他实施方式。凡采用等同替换或等效变换形成的技术方案，均落在本发明要求的保护范围内。本发明未尽描述的技术特征可以通过或采用现有技术实现，在此不再赘述。

Claims (9)

1.一种缔合型润滑剂，其特征在于，所述缔合型润滑剂的原料组分及重量含量如下，合成油：100份、脂肪酸羟胺：3～5份、烷基咪唑啉：3～8份、咪唑啉季铵盐：2～5份和蓖麻油磺酸钠：3～6份；所述合成油为C18～C22脂肪酸甲酯中的任意一种或为任意两种的混合物。
2.根据权利要求1所述的缔合型润滑剂，其特征在于，所述脂肪酸羟胺的制备方法如下：首先将植物油脂肪酸和醇胺以（2～4）：1的重量比加入反应釜中，在搅拌状态下，将反应釜中的物料加热至50～60℃，反应至颜色透明出料即得所述脂肪酸羟胺。
3.根据权利要求2所述的缔合型润滑剂，其特征在于，所述植物油脂肪酸衍生自蓖麻油、油菜籽油、棕榈油和花生油中的任意一种或者为任意几种的组合；所述醇胺为二乙醇胺或三乙醇胺。
4.根据权利要求1所述的缔合型润滑剂，其特征在于，所述烷基咪唑啉的烷基链段为C18～C22的直链烷基中的任意一种或者为任意几种的组合。
5.根据权利要求1所述的缔合型润滑剂，其特征在于，所述咪唑啉季铵盐包含通式（a）和通式（b）中的一种或两种混合物，混合物中各组分以任意重量比混合：
通式（a）或通式（b）中，R1为C18～C22的直链烷基；R2为C1～C3的直链烷基；n为1～3的整数。
6.一种含有权利要求1至5中任一项所述缔合型润滑剂的水基钻井液，其特征在于，所述水基钻井液的原料组分及重量含量如下，清水：100份、膨润土粉：4～6份、 HE150增粘剂：0.3～0.8份、降失水剂Dristemp：0.5～1份、包被剂Coater-10：0.1～0.2份、纯碱：0.1～0.3份和缔合型润滑剂：3～6份。
7.根据权利要求6所述的水基钻井液，其特征在于，所述水基钻井液的原料组分及重量含量如下，清水：100份、膨润土粉：4份、 HE150增粘剂：0.3份、降失水剂Dristemp：0.5份、包被剂Coater-10：0.1份、纯碱：0.1份和缔合型润滑剂：3份；所述缔合型润滑剂的原料组分及重量含量如下，合成油：100份、脂肪酸羟胺：3份、烷基咪唑啉：3份、咪唑啉季铵盐：2份和蓖麻油磺酸钠：3份；所述合成油为C18的脂肪酸甲酯。
8.根据权利要求6所述的水基钻井液，其特征在于，所述水基钻井液的原料组分及重量含量如下，清水：100份、膨润土粉：5份、 HE150增粘剂：0.5份、降失水剂Dristemp：0.8份、包被剂Coater-10：0.15份、纯碱：0.2份和缔合型润滑剂：4份；所述缔合型润滑剂的原料组分及重量含量如下，合成油：100份、脂肪酸羟胺：4份、烷基咪唑啉：5份、咪唑啉季铵盐：4份和蓖麻油磺酸钠：5份；所述合成油为C20的脂肪酸甲酯。
9.根据权利要求6所述的水基钻井液，其特征在于，所述水基钻井液的原料组分及重量含量如下，清水：100份、膨润土粉：6份、 HE150增粘剂： 0.8份、降失水剂Dristemp：1份、包被剂Coater-10：0.2份、纯碱：0.3份和缔合型润滑剂：6份；所述缔合型润滑剂的原料组分及重量含量如下，合成油：100份、脂肪酸羟胺：5份、烷基咪唑啉：8份、咪唑啉季铵盐：5份和蓖麻油磺酸钠：6份；所述合成油为C22的脂肪酸甲酯。
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