CN107722952A - 水基钻井液用合成酯润滑剂和水基钻井液 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及石油工业的钻井技术领域，具体涉及水基钻井液用合成酯润滑剂和水基钻井液。所述润滑剂含有合成酯和有机硅；所述合成酯为C10‑C18的单有机酸与醇进行酯化反应所得的产物；其中，所述单有机酸和醇的摩尔比为1：0.8‑1.2；所述合成酯和有机硅的重量比为100：5‑30。本发明提供的合成酯润滑剂能够使得是水基钻井液具有优异的润滑性能，而且能够改善流变性能，减少滤失量。

Description

水基钻井液用合成酯润滑剂和水基钻井液
技术领域
本发明涉及石油工业的钻井技术领域，具体涉及水基钻井液用合成酯润滑剂和水基钻井液。
背景技术
在目前大位移井和水平井钻井过程中，由于井下井壁与钻杆高摩擦阻力，一方面钻井扭矩增加，摩擦损耗增加，钻速降低，另一方面高摩擦阻力导致起下钻困难，大大增加了井下卡钻的风险，同时钻具在高摩擦环境下容易金属疲惫，引发钻具断裂的恶性事故。因此，大位移井和水平井钻井中对钻井液的润滑性能提出了高要求，尤其是针对润滑性能较差的水基钻井液。
水基钻井液作为目前应用最为广泛的钻井液类型，具有低成本，环保易处理，现场配制维护简单等众多优点，但是其润滑性能会明显低于油基钻井液体系，因此需要高效水基润滑剂来改善水基钻井液的润滑性能。
CN102952528A公开了一种可降解钻井液润滑剂，利用生物柴油复配表面活性剂，生物降解性好，但是在高温及大位移井下，润滑膜强度不够，润滑性能变差。
CN105131914A公开了一种离子吸附型生物润滑剂，其组分为：合成油：100份、松焦油羟铵：(3～5)份、烷基吡咯烷酮：(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。该申请提出了通过脂肪酸甲酯、合成油、松焦油羟铵与离子型表面活性烷基吡咯烷酮、咪唑啉季铵盐、蓖麻油磺酸钠复配，来提高脂肪酸甲酯、合成油、松焦油羟铵在钻井表面吸附性能，但是离子型表面活性剂对金属阳离子敏感，在阳离子污染下容易失效。
发明内容
本发明的目的在于针对在大位移井、水平井和丛式井中水基钻井液摩擦系数高的问题，提供了一种能够降低水基钻井液在大位移井、水平井和丛式井中的摩擦系数的水基钻井液用合成酯润滑剂和水基钻井液。
为了实现上述目的，本发明一方面提供一种水基钻井液用合成酯润滑剂，所述润滑剂含有合成酯和有机硅；
所述合成酯为C10-C18的单有机酸与醇进行酯化反应所得的产物；其中，所述单有机酸和多元醇的摩尔比为1：0.8-1.2；
所述合成酯和有机硅的重量比为100：5-30。
本发明第二方面提供一种含有上述合成酯润滑剂的水基钻井液。
本发明提供的合成酯润滑剂能够使得是水基钻井液具有优异的润滑性能，而且能够改善流变性能，减少滤失量。
具体实施方式
在本文中所披露的范围的端点和任何值都不限于该精确的范围或值，这些范围或值应当理解为包含接近这些范围或值的值。对于数值范围来说，各个范围的端点值之间、各个范围的端点值和单独的点值之间，以及单独的点值之间可以彼此组合而得到一个或多个新的数值范围，这些数值范围应被视为在本文中具体公开。
本发明一方面提供一种水基钻井液用合成酯润滑剂，所述润滑剂含有合成酯和有机硅；
所述合成酯为C10-C18的单有机酸与醇进行酯化反应所得的产物；其中，所述单有机酸和醇的摩尔比为1：0.8-1.2；
所述合成酯和有机硅的重量比为100：5-30。
根据本发明，所述单有机酸能够与醇进行酯化反应，且控制所述单有机酸和多元醇的摩尔比为1：0.8-1.2下，能够基本获得醇的单酯。其中，优选地，所述单有机酸为硬酯酸、蓖麻油酸、月桂酸、肉豆蔻酸、棕榈酸、油酸和亚油酸中的一种或多种。本发明的发明人发现，当采用硬酯酸、蓖麻油酸、月桂酸、肉豆蔻酸、棕榈酸、油酸和亚油酸中的两种或多种与醇进行酯化反应，所得酯化反应产物作为合成酯更少适于与本发明的有机硅配合，能够获得性能更为优良的水基钻井液用合成酯润滑剂。
其中，优选地，所述醇为木糖醇、三乙醇胺、二乙醇胺、乙二醇、三异丙醇胺、麦糖醇、正丁醇、山梨糖醇和木糖醇中的一种或多种。本发明的发明人发现，当采用木糖醇、三乙醇胺、二乙醇胺、乙二醇、三异丙醇胺、麦糖醇、正丁醇、山梨糖醇和木糖醇中的两种或多种与单有机酸进行酯化反应，所得酯化反应产物作为合成酯更少适于与本发明的有机硅配合，能够获得性能更为优良的水基钻井液用合成酯润滑剂。
在本发明的一种优选的实施方式中，所述单有机酸为硬酯酸和蓖麻油酸，所述醇为木糖醇和三乙醇胺。在该情况下，硬酯酸和蓖麻油酸的摩尔比优选为1-3：1。在该情况下，木糖醇和三乙醇胺的摩尔比优选为0.5-2：1。
在本发明的另一种优选的实施方式中，所述单有机酸为棕榈酸和亚油酸，所述醇为麦糖醇和正丁醇。在该情况下，棕榈酸和亚油酸的摩尔比优选为1-3：1。在该情况下，麦糖醇和正丁醇的摩尔比优选为1：2-5。
根据本发明，优选情况下，所述酯化反应的条件包括：温度为70-110℃，时间为2-6h。更优选地，所述酯化反应的条件包括：温度为80-100℃，时间为3-5h。
根据本发明，所述合成酯可以是上述酯化反应的直接产物，也可以是将市售的本发明的醇的单有机酸单酯进行复配所得的混合物，当然优选采用上述酯化反应的直接产物，这样能够获得更为优异的效果。
根据本发明，优选地，所述有机硅为γ-[(2,3)-环氧丙氧]丙基三甲氧基硅烷、γ-(甲基丙烯酰氧基)丙基三甲氧基硅烷、乙烯基三甲氧基硅烷、四丙氧基硅烷、γ-巯丙基三甲氧基硅烷、三甲氧基硅烷、四甲基四乙烯基环四硅氧烷和乙烯基三乙氧基硅烷中的一种或多种，优选为γ-[(2,3)-环氧丙氧]丙基三甲氧基硅烷、γ-(甲基丙烯酰氧基)丙基三甲氧基硅烷、乙烯基三甲氧基硅烷、四甲基四乙烯基环四硅氧烷和乙烯基三乙氧基硅烷中的一种或多种。
根据本发明，优选地，所述合成酯和有机硅的重量比为100：10-20，优选为100：10-15。
根据本发明，所述润滑剂还可以含有水，优选地，所述合成酯和水的重量比为100：2-20，优选为100：5-15。
本发明第二方面提供一种含有上述合成酯润滑剂的水基钻井液。
根据本发明，优选情况下，以所述钻井液的总重量为基准，所述合成酯润滑剂的含量为1-5重量％。
该钻井液优选为水基钻井液，作为水基钻井液的本发明的钻井液还可以含有本领域常规的用于水基钻井液中的添加剂，例如可以含有2-4重量％的膨润土(例如可以为钠基膨润土、钙基膨润土)、0.1-0.5重量％的增粘剂(例如可以为部分水解聚丙烯酰胺、羧甲基纤维素钠盐)、3-6重量％的降滤失剂(例如可以为磺甲基酚醛树脂、磺甲基褐煤树脂)、0.1-0.3重量％的流型调节剂(例如可以为黄原胶)、2-4重量％的防塌剂(例如可以为磺化沥青、甲基硅酸钾)、2-4重量％的润滑剂(例如可以为磺化油脚、柴油与表面活性剂混合物)、0.5-2重量％的封堵剂(例如市售的封堵剂ZHFD-1)、0.1-2重量％的抑制剂(例如CN104789195A所公开的)、0.1-2重量％的固壁剂(例如CN104177517A所公开的)和10-20重量％的重晶石(例如可以为硫酸钡含量为90重量％以上的重晶石)中的一种或多种。
本发明提供的合成酯润滑剂能够使得是水基钻井液具有优异的润滑性能，而且能够改善流变性能，减少滤失量。
以下将通过实施例对本发明进行详细描述。
实施例1
本实施例用于说明本发明的水基钻井液用合成酯润滑剂。
(1)取1mol硬酯酸、0.5mol蓖麻油酸、0.8mol木糖醇和0.7mol三乙醇胺进行混合并于80℃下进行酯化反应4h；
(2)向上述酯化反应的产物中加入水(以100重量份的上述酯化反应的产物为基准，其用量为10重量份)和γ-[(2,3)-环氧丙氧]丙基三甲氧基硅烷(以100重量份的上述酯化反应的产物为基准，其用量为10重量份)，搅拌混合2h，所得混合物即为合成酯润滑剂L1。
实施例2
本实施例用于说明本发明的水基钻井液用合成酯润滑剂。
(1)取0.8mol棕榈酸、0.6mol亚油酸、0.4mol麦糖醇和1mol正丁醇进行混合并于90℃下进行酯化反应3h；
(2)向上述酯化反应的产物中加入水(以100重量份的上述酯化反应的产物为基准，其用量为7重量份)和γ-(甲基丙烯酰氧基)丙基三甲氧基硅烷(以100重量份的上述酯化反应的产物为基准，其用量为13重量份)，搅拌混合2h，所得混合物即为合成酯润滑剂L2。
实施例3
本实施例用于说明本发明的水基钻井液用合成酯润滑剂。
(1)取1.5mol硬酯酸、0.5mol蓖麻油酸、1mol木糖醇和1mol三乙醇胺进行混合并于100℃下进行酯化反应4h；
(2)向上述酯化反应的产物中加入水(以100重量份的上述酯化反应的产物为基准，其用量为5重量份)和乙烯基三乙氧基硅烷(以100重量份的上述酯化反应的产物为基准，其用量为15重量份)，搅拌混合2h，所得混合物即为合成酯润滑剂L3。
实施例4
本实施例用于说明本发明的水基钻井液用合成酯润滑剂。
根据实施例1所述的方法，不同的是，步骤(1)中，采用1.5mol的月桂酸代替硬酯酸和蓖麻油酸，采用乙二醇代替木糖醇，采用二乙醇胺代替三乙醇胺，从而合成酯润滑剂L4。
实施例5
本实施例用于说明本发明的水基钻井液用合成酯润滑剂。
根据实施例1所述的方法，不同的是，步骤(1)中，采用月桂酸代替硬酯酸，采用肉豆蔻酸代替蓖麻油酸，采用乙二醇代替木糖醇，采用三异丙醇胺代替三乙醇胺，从而合成酯润滑剂L5。
实施例6
本实施例用于说明本发明的水基钻井液用合成酯润滑剂。
根据实施例1所述的方法，不同的是，步骤(2)中，以100重量份的上述酯化反应的产物为基准，γ-[(2,3)-环氧丙氧]丙基三甲氧基硅烷的用量为5重量份，从而合成酯润滑剂L6。
实施例7
本实施例用于说明本发明的水基钻井液用合成酯润滑剂。
根据实施例1所述的方法，不同的是，步骤(2)中，以100重量份的上述酯化反应的产物为基准，γ-[(2,3)-环氧丙氧]丙基三甲氧基硅烷的用量为30重量份，从而合成酯润滑剂L7。
实施例8
根据实施例1所述的方法，不同的是，步骤(2)中，采用等重量份的三甲氧基硅烷代替γ-[(2,3)-环氧丙氧]丙基三甲氧基硅烷，从而合成酯润滑剂L8。
对比例1
根据实施例1所述的方法，不同的是，步骤(1)中，硬酯酸的用量为2mol，蓖麻油酸的用量为1mol，从而合成酯润滑剂DL1。
对比例2
根据实施例1所述的方法，不同的是，步骤(1)中，硬酯酸的用量为0.6mol，蓖麻油酸的用量为0.3mol，从而合成酯润滑剂DL2。
对比例3
根据实施例1所述的方法，不同的是，步骤(2)中，以100重量份的上述酯化反应的产物为基准，γ-[(2,3)-环氧丙氧]丙基三甲氧基硅烷的用量为1重量份，从而合成酯润滑剂DL3。
对比例4
根据实施例1所述的方法，不同的是，步骤(2)中，以100重量份的上述酯化反应的产物为基准，γ-[(2,3)-环氧丙氧]丙基三甲氧基硅烷的用量为50重量份，从而合成酯润滑剂DL4。
测试例1
将清水和含有润滑剂(以柴油和白油作为对照，柴油为购自北京金宝利公司0#柴油，白油为购自北京金宝利公司的3#白油，以下同)的清水进行润滑系数测试：选用fann EP极压润滑仪测定未老化的待测液的极压润滑系数，并计算润滑系数降低率。
其中，润滑系数降低率＝(清水的极压润滑系数-含有润滑剂的清水的极压润滑系数)/清水的极压润滑系数*100％。
结果如表1所示。
表1
EP润滑系数 润滑系数降低率
清水 0.36 /
清水+1重量％润滑剂L1 0.03 91.7％
清水+1重量％润滑剂L2 0.05 86.11％
清水+1重量％润滑剂L3 0.04 88.89％
清水+1重量％润滑剂L4 0.06 83.33％
清水+1重量％润滑剂L5 0.05 86.11％
清水+1重量％润滑剂L6 0.05 86.11％
清水+1重量％润滑剂L7 0.06 83.33％
清水+1重量％润滑剂L8 0.06 83.33％
清水+1重量％润滑剂DL1 0.07 80.56％
清水+1重量％润滑剂DL2 0.08 77.78％
清水+1重量％润滑剂DL3 0.07 80.56％
清水+1重量％润滑剂DL4 0.08 77.78％
清水+1重量％柴油 0.26 27.8％
清水+1重量％白油 0.25 30.5％
通过上表1的数据可以看出，本发明提供的合成酯润滑剂能够使得是水基钻井液具有优异的润滑性能。
测试例2
基浆制备：向1000重量份的水中边搅拌边依次加入3重量份的无水碳酸钠和40重量份的膨润土(购自潍坊华潍膨润土有限公司的钠基膨润土)，加完后继续搅拌8h，然后密封静置16h，从而制得基浆。
将上述基浆与润滑剂进行搅拌混合，使得润滑剂的含量为1重量％。
(1)润滑系数测试：选用fann EP极压润滑仪测定150℃老化16h后的待测液的极压润滑系数，并计算润滑系数降低率。
其中，润滑系数降低率＝(基浆的极压润滑系数-含有润滑剂的基浆的极压润滑系数)/基浆的极压润滑系数*100％。结果如表2所示。
(2)根据Q/SY 1088-2007润滑性能测定标准，利用NF-2型滤饼粘滞系数测定仪测量基浆老化前和在150℃老化16h后的滤饼粘附系数；结果如表3所示。
表2
EP润滑系数 润滑系数降低率
基浆 0.52 /
基浆+1重量％润滑剂L1 0.04 92.31％
基浆+1重量％润滑剂L2 0.06 88.89％
基浆+1重量％润滑剂L3 0.03 94.23％
基浆+1重量％润滑剂L4 0.09 82.69％
基浆+1重量％润滑剂L5 0.12 76.92％
基浆+1重量％润滑剂L6 0.08 84.62％
基浆+1重量％润滑剂L7 0.12 76.92％
基浆+1重量％润滑剂L8 0.10 80.77％
基浆+1重量％润滑剂DL1 0.13 75％
基浆+1重量％润滑剂DL2 0.16 69.23％
基浆+1重量％润滑剂DL3 0.13 75％
基浆+1重量％润滑剂DL4 0.15 71.15％
基浆+1重量％柴油 0.38 26.9％
基浆+1重量％白油 0.40 23.08％
表3
通过表2和3的数据可以看出，本发明提供的合成酯润滑剂能够使得是水基钻井液具有优异的润滑性能。
测试例3
钻井液体系制备：向400重量份的水中，边搅拌边依次间隔10分钟加入0.4重量份的KPAM(购自江西萍乡市五联化工厂，牌号和联/K-PAM，以下相同)、1.2重量份的聚阴离子纤维素PAC-LV、0.8重量份的羟乙基纤维素HEC、8重量份的淀粉、8重量份的封堵剂ZHFD-1(购自河南省创拓实业有限公司)、4重量份的仿生抑制剂(根据CN104789195A的实施例1制得)、4重量份的固壁剂GBFS-1(根据CN104177517A的实施例1制得)、8重量份的无水碳酸钠、4重量份的上述润滑剂(具体见表中所示)、20重量份氯化钾和700重量份重晶石，从而制得密度为2.0g/cm3的水基钻井液体系。
以及不添加润滑剂的上述钻井液体系作为空白对照组。
(1)黏度测试：用电动六速粘度计(ZNN-D6B)测定并计算老化前和150℃老化16h后的钻井液体系粘度、动切力及动塑比等。
其中：表观粘度塑性粘度
动切力动塑比＝YP/PV
(2)滤失量测试：用六联API失水仪和高温高压失水仪测定老化前和在150℃老化16h后的钻井液体系滤失量；结果见表4所示：
表4
通过表4的数据可以看出，本发明的合成酯润滑剂具有较好的降粘效果，改善了钻井液体系的流变性，并且降低了体系的滤失量。
以上详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于此。在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种简单变型，包括各个技术特征以任何其它的合适方式进行组合，这些简单变型和组合同样应当视为本发明所公开的内容，均属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种水基钻井液用合成酯润滑剂，其特征在于，所述润滑剂含有合成酯和有机硅；
所述合成酯为C10-C18的单有机酸与醇进行酯化反应所得的产物；其中，所述单有机酸和醇的摩尔比为1：0.8-1.2；
所述合成酯和有机硅的重量比为100：5-30。
2.根据权利要求1所述的合成酯润滑剂，其中，所述单有机酸为硬酯酸、蓖麻油酸、月桂酸、肉豆蔻酸、棕榈酸、油酸和亚油酸中的一种或多种，优选为硬酯酸、蓖麻油酸、月桂酸、肉豆蔻酸、棕榈酸、油酸和亚油酸中的两种或多种。
3.根据权利要求1或2所述的合成酯润滑剂，其中，所述醇为木糖醇、三乙醇胺、二乙醇胺、乙二醇、三异丙醇胺、麦糖醇、正丁醇、山梨糖醇和木糖醇中的一种或多种，优选为木糖醇、三乙醇胺、二乙醇胺、乙二醇、三异丙醇胺、麦糖醇、正丁醇、山梨糖醇和木糖醇中的两种或多种。
4.根据权利要求1所述的合成酯润滑剂，其中，所述单有机酸为硬酯酸和蓖麻油酸，所述醇为木糖醇和三乙醇胺；
或者，所述单有机酸为棕榈酸和亚油酸，所述醇为麦糖醇和正丁醇。
5.根据权利要求1-4中任意一项所述的合成酯润滑剂，其中，所述有机硅为γ-[(2,3)-环氧丙氧]丙基三甲氧基硅烷、γ-(甲基丙烯酰氧基)丙基三甲氧基硅烷、乙烯基三甲氧基硅烷、四丙氧基硅烷、γ-巯丙基三甲氧基硅烷、三甲氧基硅烷、四甲基四乙烯基环四硅氧烷和乙烯基三乙氧基硅烷中的一种或多种，优选为γ-[(2,3)-环氧丙氧]丙基三甲氧基硅烷、γ-(甲基丙烯酰氧基)丙基三甲氧基硅烷、乙烯基三甲氧基硅烷、四甲基四乙烯基环四硅氧烷和乙烯基三乙氧基硅烷中的一种或多种。
6.根据权利要求1-5中任意一项所述的合成酯润滑剂，其中，所述合成酯和有机硅的重量比为100：10-20，优选为100：10-15。
7.根据权利要求1-6中任意一项所述的合成酯润滑剂，其中，所述酯化反应的条件包括：温度为70-110℃，时间为2-6h。
8.根据权利要求1-7中任意一项所述的合成酯润滑剂，其中，所述酯化反应的条件包括：温度为80-100℃，时间为3-5h。
9.根据权利要求1-8中任意一项所述的合成酯润滑剂，其中，该润滑剂还含有水，所述合成酯和水的重量比为100：2-20，优选为100：5-15。
10.一种含有权利要求1-9中任意一项所述的合成酯润滑剂的水基钻井液。
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