CN107459980B - 一种钻井液用温敏性可控释放润滑剂及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及钻井液润滑剂技术领域，尤其涉及一种钻井液用温敏性可控释放润滑剂及其制备方法，该润滑剂采用复合表面活性剂与纳米颗粒的界面协同作用控制乳液稳定性，同时加入了温敏性聚氧乙烯‑聚氧丙烯‑聚氧乙烯嵌段共聚物（PEO‑PPO‑PEO嵌段共聚物）控制润滑剂的释放速度，具有润滑性能强、使用持久、温度可控释放等特点。一种钻井液用温敏性可控释放润滑剂，包括按质量百分比构成的如下组分：白油15~25%、油酸酰胺10~20%、聚氧乙烯‑聚氧丙烯‑聚氧乙烯嵌段共聚物3~6%、纳米碳酸钙2~5%、聚氧乙烯山梨糖醇酐脂肪酸酯3~5%、失水山梨醇脂肪酸酯1~3%、消泡剂0.1~0.5%、余量为水。

Description

一种钻井液用温敏性可控释放润滑剂及其制备方法
技术领域
本发明涉及钻井液润滑剂技术领域，尤其涉及一种钻井液用温敏性可控释放润滑剂及其制备方法。
背景技术
在油气钻井过程中经常会遇到复杂地层，特别是在高密度井或者大斜度井或大位移井中，钻井液、钻具以及地层之间的摩阻很高，最终导致施加在钻头上的钻压很低，基本没有进尺；此外，摩阻过高会引起粘附压差、卡钻等复杂事故发生。为了降低钻井液的摩阻，需要在钻井液中加入润滑剂，以减少压差卡钻、降低钻具磨损和扭矩过高的现象。润滑剂的作用主要是降低钻具和钻井液、钻具和地层之间的摩阻，从而降低钻具的扭矩和起下钻时的阻力。随着水平井和大位移井技术的发展，对钻井液润滑性能的需求越来越高，常规钻井液一般通过加入油基润滑剂（如原油、白油、无荧光油类、植物油等）来降低水基钻井液的摩阻，但在环境保护要求高的区域，不能使用油基润滑剂，只能改用水基润滑剂来降低对环境的影响。目前钻井液用润滑剂分为两大类，一种是采用不同型号白油、原油和柴油等为原料，复配混合表面活性剂和分散剂，在适当条件下形成乳液来制得，CN201410379593.7公开了一种废机油综合利用的方法，先蒸出残余水分，后加入油溶性聚合物改进剂，反应一段时间后依次加入硅油、油酸三乙醇胺和复合表面活性剂，最后加入有机胺，搅拌混合条件下加入松香酒精，再混合一段时间制得油基润滑剂，该剂的极压润滑系数降低80%以上；另一种是以动物油、植物油或者地沟油（废弃动植物油）为原料，通过酰胺反应、酯化反应，并配以稳定剂、乳化剂等制得，CN201310687460.1公开了一种基于地沟油的钻井液用润滑剂，首先将地沟油和有机醇胺溶液混合，在碱性条件下酰胺化反应，之后加入硼酸酯化，最后再加入固体润滑剂和生物表面活性剂，加入生物表面活性剂和固体润滑剂，混合后制得钻井液用润滑剂润滑系数降低率远大于65%。
然而发明人发现，上述两种制得的润滑剂依然存在一定缺陷，一方面现有润滑剂生产工艺较为复杂，生产成本高，存在一定的荧光干扰，无法在探井、预探井使用；另一方面，现有润滑剂在地层中使用过程中耗散较快，作用时间短，随着井深增加钻井时间增长，该润滑剂的润滑作用降低，需随时增加用量，使得钻井液成本较高。
发明内容
本发明提供了一种钻井液用温敏性可控释放润滑剂及其制备方法，该润滑剂采用复合表面活性剂与纳米颗粒的界面协同作用控制乳液稳定性，同时加入了温敏性聚氧乙烯-聚氧丙烯-聚氧乙烯嵌段共聚物（PEO-PPO-PEO嵌段共聚物）控制润滑剂的释放速度，具有润滑性能强、使用持久、温度可控释放等特点。
为解决上述技术问题，本发明采用了如下技术方案：
一种钻井液用温敏性可控释放润滑剂，包括按质量百分比构成的如下组分：白油15~25%、油酸酰胺10~20%、聚氧乙烯-聚氧丙烯-聚氧乙烯嵌段共聚物3~6%、纳米碳酸钙2~5%、聚氧乙烯山梨糖醇酐脂肪酸酯3~5%、失水山梨醇脂肪酸酯1~3%、消泡剂0.1~0.5%、余量为水。
较为优选的，所述白油为7#、11#、15#、18#和24#白油中任意一种或两种组合。
较为优选的，所述油酸酰胺的结构式为CH3(CH2)7CH=CH(CH2)7CONH2。
较为优选的，所述聚氧乙烯-聚氧丙烯-聚氧乙烯嵌段共聚物的分子通式为：OH(CH2CH2O)m(CH3CHCH2O)n(CH2CH2O)mH，m为8~9，n为1~9。
较为优选的，所述纳米碳酸钙的粒径为10~100nm。
较为优选的，所述聚氧乙烯山梨糖醇酐脂肪酸酯为单棕榈酸聚氧乙烯山梨糖醇酐、单硬脂酸聚氧乙烯山梨糖醇酐、单油酸聚氧乙烯山梨糖醇酐中任意一种或两种组合。
较为优选的，所述失水山梨醇脂肪酸酯为失水山梨醇单棕榈酸酯、失水山梨醇单硬脂酸酯、失水山梨醇单油酸酯中任意一种或两种组合。
较为优选的，所述消泡剂为二甲基硅油。
另一方面，本发明还提供了一种制备上述钻井液用温敏性可控释放润滑剂的方法，包含如下步骤：
（1）、将15~25g白油加入到反应容器中，加温至60~80℃；加入10~20g油酸酰胺并缓慢搅拌；待完全溶解后，加入3~5g聚氧乙烯山梨糖醇酐脂肪酸酯，加入2~5g纳米碳酸钙，继续搅拌50min至混合均匀；
（2）、向上述反应容器中缓慢滴加20.5~30.5g水，并以500 r/min的速度搅拌；待滴加结束后，加入3~6g的聚氧乙烯-聚氧丙烯-聚氧乙烯嵌段共聚物，维持温度60~70℃的情况下，继续搅拌30min；
（3）、将反应容器温度降低至30~50℃，加入1~3g失水山梨醇脂肪酸酯，加入10~30g水，并以5000 r/min的速度搅拌；加入0.1~0.5g消泡剂消泡，继续搅拌30min至混合均匀；冷却至室温，出料即可得到所述钻井液用温敏性可控释放润滑剂。
与现有发明相比，本发明提供的钻井液用温敏性可控释放润滑剂具有如下优点：（1）、本发明温敏性可控释放润滑剂以白油和油酸酰胺作为基本润滑剂，兼顾了降摩阻和降粘附作用（可参考附图1和附图2相关试验数据）；（2）、本发明采用聚氧乙烯-聚氧丙烯-聚氧乙烯嵌段共聚物协同稳定乳液。随着温度升高，聚氧乙烯-聚氧丙烯-聚氧乙烯嵌段共聚物逐渐析出失去作用，使得乳液润滑剂稳定性降低，从而将内部润滑剂释放出来，最终达到可控释放的目的，降低了润滑剂用量的同时保证润滑性能持久；（3）、本发明制备方法简单、易行，便于推广。
附图及简要说明
图1为95℃条件下，不同体系基浆粘附系数降低率的对比图；
图2为不同温度条件下，不同体系基浆润滑系数的变化情况。
具体实施方式
实施例1：
将15g 7#白油加入到反应容器中，加温至60℃；搅拌过程中缓慢加入10g油酸酰胺，待溶解完毕后，加入3g单棕榈酸聚氧乙烯山梨糖醇酐，加入2g 601#纳米碳酸钙（福建鸿丰纳米科技有限公司生产），再次搅拌均匀，约50min加完；向上述反应器中缓慢滴加40.5g水，搅拌速度为500 r/min，待滴加结束后，加入3g的聚氧乙烯-聚氧丙烯-聚氧乙烯（PEO-PPO-PEO）嵌段共聚物，过程中温度维持60℃，继续搅拌30min；将反应器温度降低至30℃，加入1g失水山梨醇单棕榈酸酯，加入25.4g水，将搅拌速度提高至5000 r/min，期间加入0.1g消泡剂二甲基硅油消泡，继续搅拌30min，冷却至室温，出料即可得到钻井液用温敏性可控释放润滑剂。
实施例2：
将20g 15#白油加入到反应容器中，加温至70℃；搅拌过程中缓慢加入15g油酸酰胺，待溶解完毕后，加入4.5g单硬脂酸聚氧乙烯山梨糖醇酐，加入4g 602#纳米碳酸钙，再次搅拌均匀，约50min加完；向上述反应器中缓慢滴加28.5g水，搅拌速度为500R/min，待滴加结束后，加入4.5g的PEO-PPO-PEO嵌段共聚物，过程中温度维持70℃，继续搅拌30min；将反应器温度降低至40℃，加入2g失水山梨醇单硬脂酸酯，加入21.2g水，将搅拌速度提高至5000 r/min，期间加入0.3g消泡剂二甲基硅油消泡，继续搅拌30min，冷却至室温，出料即可得到钻井液用温敏性可控释放润滑剂。
实施例3：
将25g 24#白油加入到反应容器中，加温至70℃；搅拌过程中缓慢加入20g油酸酰胺，待溶解完毕后，加入6g单油酸聚氧乙烯山梨糖醇酐，加入5g 603#纳米碳酸钙，再次搅拌均匀，约50min加完；向上述反应器中缓慢滴加20g水，搅拌速度为500 r/min，待滴加结束后，加入6g的PEO-PPO-PEO嵌段共聚物L94，过程中温度维持70℃，继续搅拌30min；将反应器温度降低至50℃，加入3g失水山梨醇单油酸酯，加入14.5g水，将搅拌速度提高至5000 r/min，期间加入0.5g消泡剂二甲基硅油消泡，继续搅拌30min，冷却至室温，出料即可得到钻井液用温敏性可控释放润滑剂。
进一步进行如下试验，测试本发明提供的钻井液用温敏性可控释放润滑剂的润滑性能。
实验（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钻井液形成泥饼的粘附系数。具体包括如下步骤：1）、加压3.5MPa，滤失30min后在测试仪底部形成滤饼；2）、设定温度稳定为95℃，在同一压差下将粘附盘压紧5、10、15、30、40、60、90、120、150和180min，读出扭矩数值，根据扭矩计算出粘附系数；3）、计算泥饼粘附系数降低率，粘附系数降低率＝(T基浆–T润滑剂)/T基浆×100%，式中，T基浆为基浆的扭矩读值，T基浆–T润滑剂为加入润滑剂后基浆的扭矩读值。
实验（2）、高温高压润滑系数测试：采用LEM-4100型润滑评价系统测定钻井液的高温高压润滑系数。步骤如下：1）、将钻井液充入透明的充液容器中，盖好盖子，插好安全销；2）、在软件上分别设定测试釜、缓冲容器和循环泵的加热温度到测试温度；3）、调节调压阀，将系统压力增加到测试压力；4）、设定Set Air Pressure的压力为一定值（优选5MPa），然后转子转速到60rpm，自动测量扭矩；5）、设定温度从低到高依次变化，其中依次选择温度25℃、30℃、45℃、50℃、60℃、70℃、80℃、90℃、110℃、120℃、150℃、180℃和200℃，每个温度下稳定循环30min，测定稳定时的润滑系数，直至测到最高温度，自动记录所有数据；6）、测试结束后，降温泄压，清洗。读出不同温度和压力条件下的润滑系数即可。
将基浆与上述实施例的润滑剂复合而成的测试样品，并与基浆和7#白油复合而成的样品进行对比。其中，基浆和由上述实施例的润滑剂复合配比为：400mL基浆（其中，优选的，基浆中包括有质量份数为4%夏子街粘土以及0.3%无水碳酸钠）+2mL实施例样品。测试结果可参考图1、图2。
其中，图1为95℃条件下，不同体系基浆粘附系数降低率的对比图。可以看到，复合有本发明三个实施例提供的润滑剂的基浆体系粘附系数降低率均超过90% ，比复合常规7#白油产生的降粘附作用明显得多。
而图2为不同温度条件下，不同体系基浆润滑系数的变化情况。可以看到，复合有本发明三个实施例提供的润滑剂的基浆体系，在温度100℃附近范围润滑系数要比复合有7#白油的基浆体系低得多。而复合有7#白油的基浆体系随着温度升高，其润滑系数不断升高。由此充分证明了本发明提供的钻井液用温敏性可控释放润滑剂其优良且稳定的润滑性能。

Claims (9)

1.一种钻井液用温敏性可控释放润滑剂，其特征在于，包括按质量百分比构成的如下组分：白油15~25%、油酸酰胺10~20%、聚氧乙烯-聚氧丙烯-聚氧乙烯嵌段共聚物3~6%、纳米碳酸钙2~5%、聚氧乙烯山梨糖醇酐脂肪酸酯3~5%、失水山梨醇脂肪酸酯1~3%、消泡剂0.1~0.5%、余量为水。
2.根据权利要求1所述的钻井液用温敏性可控释放润滑剂，其特征在于，所述白油为7#、11#、15#、18#和24#白油中任意一种或两种组合。
3.根据权利要求1所述的钻井液用温敏性可控释放润滑剂，其特征在于，所述油酸酰胺的结构式为CH3(CH2)7CH=CH(CH2)7CONH2。
4.根据权利要求1所述的钻井液用温敏性可控释放润滑剂，其特征在于，所述聚氧乙烯-聚氧丙烯-聚氧乙烯嵌段共聚物的分子通式为：OH(CH2CH2O)m(CH3CHCH2O)n(CH2CH2O)mH，m为8~9，n为1~9。
5.根据权利要求1所述的钻井液用温敏性可控释放润滑剂，其特征在于，所述纳米碳酸钙的粒径为10~100nm。
6.根据权利要求1所述的钻井液用温敏性可控释放润滑剂，其特征在于，所述聚氧乙烯山梨糖醇酐脂肪酸酯为单棕榈酸聚氧乙烯山梨糖醇酐、单硬脂酸聚氧乙烯山梨糖醇酐、单油酸聚氧乙烯山梨糖醇酐中任意一种或两种组合。
7.根据权利要求1所述的钻井液用温敏性可控释放润滑剂，其特征在于，所述失水山梨醇脂肪酸酯为失水山梨醇单棕榈酸酯、失水山梨醇单硬脂酸酯、失水山梨醇单油酸酯中任意一种或两种组合。
8.根据权利要求1所述的钻井液用温敏性可控释放润滑剂，其特征在于，所述消泡剂为二甲基硅油。
9.一种制备如权利要求1-8任意一项所述钻井液用温敏性可控释放润滑剂的方法，其特征在于，包含如下步骤：
（1）、将15~25g白油加入到反应容器中，加温至60~80℃；加入10~20g油酸酰胺并缓慢搅拌；待完全溶解后，加入3~5g聚氧乙烯山梨糖醇酐脂肪酸酯，加入2~5g纳米碳酸钙，继续搅拌50min至混合均匀；
（2）、向上述反应容器中缓慢滴加20.5~30.5g水，并以500 r/min的速度搅拌；待滴加结束后，加入3~6g的聚氧乙烯-聚氧丙烯-聚氧乙烯嵌段共聚物，维持温度60~70℃的情况下，继续搅拌30min；
（3）、将反应容器温度降低至30~50℃，加入1~3g失水山梨醇脂肪酸酯，加入10~30g水，并以5000 r/min的速度搅拌；加入0.1~0.5g消泡剂消泡，继续搅拌30min至混合均匀；冷却至室温，出料即可得到所述钻井液用温敏性可控释放润滑剂。
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