CN110066645A - 一种钻井液润滑剂及其制备方法 - Google Patents

一种钻井液润滑剂及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及油田钻井液技术领域的一种钻井液润滑剂及制备方法。所述钻井液润滑剂，包含以重量份数计的以下组分：水100重量份，石墨10～40重量份，滑石2～30重量份，二硫化钼、石墨烯或二硫化钨中的至少一种2～20重量份，润湿剂0.2～3重量份，悬浮剂0.2～3重量份；所述钻井液润滑剂的固体颗粒在水基钻井液中可以良好分散，避免了团聚和沉降；润滑效果比单一固体润滑剂更为优异；所述钻井液润滑剂由两种微米级颗粒和一种纳米级颗粒复配而成，粒径分布较广，能够有效封堵砂岩微孔隙和泥页岩纳‑微米孔隙，降低滤失量并起到稳定泥页岩井壁的作用。

Description

一种钻井液润滑剂及其制备方法
技术领域
本发明涉及油田钻井液技术领域的钻井液润滑剂，更进一步说，涉及一种钻井液润滑剂及制备方法。
背景技术
随着油气资源的日益枯竭，深水平井钻井已逐渐成为开发深层油气藏的重要技术手段。由于油气藏埋藏深、造斜点深，深水平井造斜段和水平段钻进过程中存在较高的摩阻和扭矩，不仅严重影响了钻进速度和井眼轨迹控制，同时也威胁到钻井作业的安全，是制约深水平井水平段延伸长度的核心难题，这对钻井液的润滑性能提出了较高的要求。
润滑剂是钻井液的重要添加剂，其作用是降低钻具与井壁及钻具与金属套管间的摩擦阻力，防止泥包钻头，进而起到提高钻速、防止卡钻、减缓钻具磨损的目的。现有技术的钻井液润滑剂包括液体润滑剂和固体润滑剂两大类。液体润滑剂多为精制矿物油、聚α-烯烃、植物油、改性植物油、合成脂肪酸酯类产品。这些产品普遍存在影响钻井液流变性、易起泡、易消耗等缺点，而环保性能好的酯类润滑剂更是因抗温耐盐性能有限而制约了在盐水钻井液及深井超深井中的应用。因此，在一些高温高盐等严苛井下环境中，往往使用不受温度和盐类影响的固体润滑剂。固体润滑剂产品主要包括合成聚合物小球、玻璃小球、陶瓷小球等球型颗粒和石墨类具有片层结构的颗粒。例如，美国专利US 2006/0122070 A1描述了一种球形石墨作为水基钻井液润滑剂，石墨颗粒的平均粒径大于120目，且超过65％的石墨颗粒能够通过80目筛网。专利WO2009/035758中描述了一种适用于高温高压深井和深水平井水基钻井液的固体润滑剂。该润滑剂的主要成分为球状石油焦(60～100目)，是重油流化焦化或延迟焦化的副产物。然而现有技术的固体润滑剂(例如聚苯乙烯小球、石墨、石油焦等)通常表面呈疏水性，在水基钻井液中难以稳定分散，容易发生团聚。团聚一方面会导致固体润滑剂颗粒容易被振动筛筛除；另一方面也会造成润滑剂颗粒在钻井液中分布不均，从而削弱了润滑效果。
美国专利US 2006/0122070 A1描述了一种球形石墨作为水基钻井液润滑剂，石墨颗粒的平均粒径大于120目，且超过65％的石墨颗粒能够通过80目筛网。但是石墨在水基钻井液中难以稳定分散，容易团聚而被振动筛筛除。此外，该专利的润滑组分单一，润滑效果有限。
发明内容
为了解决现有技术中存在的上述问题，本发明提出一种钻井液润滑剂，具体地说涉及一种钻井液润滑剂及制备方法，更具体地说是一种能够在水基钻井液中良好分散且润滑性能优异的固体润滑剂及制备方法。
本发明目的之一是提供一种钻井液润滑剂，可包含重量份数计的以下组分：
二硫化钼、石墨烯或二硫化钨中的至少一种(优选二硫化钼)：2～20重量份。
其中，所述水选自去离子水或蒸馏水。
所述石墨可选自天然鳞片石墨或球形石墨，优选球形石墨。所述石墨颗粒大小为100目～1000目，更优选为200～500目，更优选为150～300目。所述石墨的用量优选为15～35重量份，更优选为30～35重量份。
所述滑石的颗粒大小为1000～3000目，优选为1200～2500目，更优选为1500目～2000目。所述滑石的用量优选为5～20重量份，更优选为10～15重量份，进一步优选为12～15重量份。
所述二硫化钼、石墨烯或二硫化钨的颗粒大小均为300～1000目，优选为400～800目，更优选为500目～700目。所述二硫化钼、石墨烯或二硫化钨中的至少一种的用量优选为5～15重量份，更优选为9～15重量份，进一步优选为12～15重量份。
所述润湿剂为聚乙二醇或聚丙二醇，分子量为500～20000g/mol，优选为1000～10000g/mol，更优选为2000～6000g/mol，更优选为2000～4000g/mol。所述润湿剂的用量优选为0.3～2重量份，更优选为0.5～1.5重量份。
所述悬浮剂为聚阴离子纤维素钠盐、黄原胶、羧甲基淀粉、海藻酸钠、聚乙烯吡咯烷酮、聚乙烯醇的至少一种。所述悬浮剂的用量优选为0.3～2重量份，更优选为0.5～1.5重量份。
发明人发现，为了使疏水性的固体润滑剂颗粒能够良好分散在钻井液中，可以将固体润滑剂颗粒预分散在水中制备成分散液使用。分散液中需要包括润湿剂和悬浮剂。润湿剂的作用是使固体颗粒表面润湿反转，从疏水转变成亲水，从而能够良好分散在水性介质中，不易因团聚而被筛除。悬浮剂的作用是通过改变固体颗粒表面Zeta电位并通过空间位阻作用使亲水改性后的固体颗粒能够长期稳定的悬浮在水性介质中而不会团聚并沉降。此外，为了发挥更好的润滑作用，可以将多种片层结构的固体颗粒组合使用。例如，发明人还发现，微米尺度的石墨、二硫化钼和纳米尺度的滑石颗粒按适宜比例组合在一起使用会起到协同增效作用，比单独使用其中一种组分的润滑效果更好。
本发明目的之二是提供所述钻井液润滑剂的制备方法，可包括以下步骤：
在室温下将水加入到带有搅拌的反应釜中，在搅拌的条件下依次加入润湿剂和悬浮剂，搅拌10～30分钟使得润湿剂和悬浮剂完全溶解于水中；然后向反应釜中加入石墨，搅拌0.5～1小时后加入二硫化钼、石墨烯或二硫化钨中的至少一种；搅拌10～30分钟后加入滑石，继续搅拌20～30分钟后，即得所述的钻井液润滑剂，为黑灰色粘稠液体。
本发明提供的钻井液润滑剂，与现有技术相比的主要优势在于：
(1)现有技术的固体润滑剂(例如聚苯乙烯小球、石墨、石油焦等)通常表面呈疏水性，在水基钻井液中难以稳定分散，容易发生团聚。团聚一方面会导致固体润滑剂颗粒容易被振动筛筛除；另一方面也会造成润滑剂颗粒在钻井液中分布不均，从而削弱了润滑效果。本发明通过将疏水性的固体颗粒进行润湿反转，并预分散在水中形成分散液，使得固体颗粒在水基钻井液中可以良好分散，避免了团聚和沉降；具有比现有技术更优、更持久的润滑效果，因而具有较好的应用前景；
(2)本发明的润滑剂将不同粒径大小、不同种类的三种片状固体颗粒进行合理配伍，润滑效果比单一固体润滑剂更为优异；
(3)本发明的润滑剂是由两种微米级颗粒和一种纳米级颗粒复配而成，粒径分布较广，因而能够有效封堵砂岩微孔隙和泥页岩纳-微米孔隙，降低滤失量并起到稳定泥页岩井壁的作用，这是现有技术润滑剂不具备的特点。
本发明的其它特征和优点将在随后的具体实施方式部分予以详细说明。
具体实施方式
以下对本发明的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。
实施例中所用的原料均为市售。
实施例1
在室温下将100kg去离子水加入到带有搅拌的反应釜中，在搅拌的条件下依次加入0.5kg润湿剂聚乙二醇(分子量2000g/mol)和0.5kg悬浮剂聚阴离子纤维素钠盐，搅拌30分钟使得润湿剂和悬浮剂完全溶解于水中。然后向反应釜中加入30kg球形石墨(150目)，搅拌1小时后加入9kg二硫化钼(500目)。搅拌30分钟后加入10kg滑石(2000目)，继续搅拌30分钟后得到本发明的润滑剂产品，为黑灰色粘稠液体。
实施例2
在室温下将100kg去离子水加入到带有搅拌的反应釜中，在搅拌的条件下依次加入0.5kg润湿剂聚乙二醇(分子量2000g/mol)和0.5kg悬浮剂聚阴离子纤维素钠盐，搅拌30分钟使得润湿剂和悬浮剂完全溶解于水中。然后向反应釜中加入30kg球形石墨(500目)，搅拌1小时后加入9kg二硫化钼(500目)。搅拌30分钟后加入10kg滑石(2000目)，继续搅拌30分钟后得到本发明的润滑剂产品，为黑灰色粘稠液体。
实施例3
在室温下将100kg去离子水加入到带有搅拌的反应釜中，在搅拌的条件下依次加入0.5kg润湿剂聚乙二醇(分子量2000g/mol)和0.5kg悬浮剂聚阴离子纤维素钠盐，搅拌30分钟使得润湿剂和悬浮剂完全溶解于水中。然后向反应釜中加入30kg球形石墨(1000目)，搅拌1小时后加入9kg二硫化钼(500目)。搅拌30分钟后加入10kg滑石(2000目)，继续搅拌30分钟后得到本发明的润滑剂产品，为黑灰色粘稠液体。
实施例4
在室温下将100kg去离子水加入到带有搅拌的反应釜中，在搅拌的条件下依次加入0.5kg润湿剂聚乙二醇(分子量2000g/mol)和0.5kg悬浮剂聚阴离子纤维素钠盐，搅拌30分钟使得润湿剂和悬浮剂完全溶解于水中。然后向反应釜中加入30kg球形石墨(150目)，搅拌1小时后加入9kg二硫化钼(1000目)。搅拌30分钟后加入10kg滑石(2000目)，继续搅拌30分钟后得到本发明的润滑剂产品，为黑灰色粘稠液体。
实施例5
在室温下将100kg去离子水加入到带有搅拌的反应釜中，在搅拌的条件下依次加入0.5kg润湿剂聚乙二醇(分子量2000g/mol)和0.5kg悬浮剂聚阴离子纤维素钠盐，搅拌30分钟使得润湿剂和悬浮剂完全溶解于水中。然后向反应釜中加入15kg球形石墨(150目)，搅拌1小时后加入5kg二硫化钼(500目)。搅拌30分钟后加入5kg滑石(2000目)，继续搅拌30分钟后得到本发明的润滑剂产品，为黑灰色粘稠液体。
实施例6
在室温下将100kg去离子水加入到带有搅拌的反应釜中，在搅拌的条件下依次加入0.5kg润湿剂聚乙二醇(分子量2000g/mol)和0.5kg悬浮剂黄原胶，搅拌30分钟使得润湿剂和悬浮剂完全溶解于水中。然后向反应釜中加35kg球形石墨(150目)，搅拌1小时后加入15kg二硫化钼(500目)。搅拌30分钟后加入15kg滑石(2000目)，继续搅拌30分钟后得到本发明的润滑剂产品，为黑灰色粘稠液体。
实施例7
在室温下将100kg去离子水加入到带有搅拌的反应釜中，在搅拌的条件下依次加入1.5kg润湿剂聚乙二醇(分子量2000g/mol)和1.5kg悬浮剂黄原胶，搅拌30分钟使得润湿剂和悬浮剂完全溶解于水中。然后向反应釜中加入35kg球形石墨(150目)，搅拌1小时后加入15kg二硫化钼(500目)。搅拌30分钟后加入15kg滑石(2000目)，继续搅拌30分钟后得到本发明的润滑剂产品，为黑灰色粘稠液体。
对比例1
将150目的天然鳞片石墨作为对比润滑剂，用于与实施例的产品进行润滑性能对比。
对比例2
将500目的天然鳞片石墨作为对比润滑剂，用于与实施例的产品进行润滑性能对比。
性能测试
测试例1
采用fann212型极压润滑仪测试极压润滑系数。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60转/分；加压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5分钟，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。
极压润滑系数计算公式：
极压润滑系数＝M样*(34/M水)×100％，式中：
M样：样品的极压扭矩读数；
M水：纯净水的极压扭矩读数；
在上述测试中，测试样品为钻井液基浆(A0)和由上述实施例1～7(A1～A7)、对比例1～2(B1～B2)制得的润滑剂混合而成。钻井液基浆组成：5％夏子街钠膨润土，0.2％无水碳酸钠和余量的水，在室温水化24h制成；实施例润滑剂在基浆中的加入量为1％，对比例润滑剂在基浆中的加入量为2％。
测量结果如表1中所示。
表1
样品 极压润滑系数
A0 0.41
A1 0.09
A2 0.12
A3 0.17
A4 0.13
A5 0.18
A6 0.08
A7 0.07
B1 0.25
B2 0.28
通过表1的数据可以看出，采用本发明的润滑剂的钻井液A1～A7，极压润滑系数为0.07～0.18，表明这些钻井液具有良好的润滑性，能够有效降低井下摩阻和扭矩；而采用传统天然鳞片石墨作为润滑剂的钻井液B1～B2的极压润滑系数较高，达到0.25～0.28，说明本发明的润滑剂具有相对更优的性能。
测试例2
采用Fann 31100型中压失水仪测定中压滤失量(FLAPI)，结果如表2所示。其中：滤失量(FLAPI)是根据国家标准GB/T29170-2012中规定的方法进行测量的，单位为mL。
测试样品为钻井液基浆(A0)和由上述实施例1～7(A1～A7)、对比例1～2(B1～B2)制得的润滑剂混合而成。钻井液基浆组成：5％夏子街钠膨润土，0.2％无水碳酸钠和余量的水，在室温水化24h制成；实施例润滑剂在基浆中的加入量为1％，对比例润滑剂在基浆中的加入量为2％。测量结果如表2中所示。
表2
样品 FL<sub>API</sub>
A0 20
A1 18
A2 17
A3 14
A4 16
A5 19
A6 12
A7 10
B1 23
B2 21
从表2中可以看出，添加有本发明的润滑剂的钻井液A1～A7具有较低的中压滤失量，而采用传统天然鳞片石墨作为润滑剂的钻井液B1～B2中压滤失量相对较高。说明本发明起到了较好的封堵降滤失作用，效果优于常规的石墨。
以上详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，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，这些简单变型均属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种钻井液润滑剂，包含以重量份数计的以下组分：
其中，所述水选自去离子水或蒸馏水。
2.根据权利要求1所述的钻井液润滑剂，其特征在于包含以重量份数计的以下组分：
3.根据权利要求1或2所述的钻井液润滑剂，其特征在于：
所述石墨选自天然鳞片石墨或球形石墨。
4.根据权利要求1或2所述的钻井液润滑剂，其特征在于：
所述石墨的颗粒大小为100目～1000目。
5.根据权利要求1或2所述的钻井液润滑剂，其特征在于：
所述石墨的颗粒大小为200～500目。
6.根据权利要求1或2所述的钻井液润滑剂，其特征在于：
所述滑石的颗粒大小为1000～3000目，优选为1200～2500目。
7.根据权利要求1或2所述的钻井液润滑剂，其特征在于：
所述二硫化钼、石墨烯或二硫化钨的颗粒大小均为300～1000目，优选为400～800目。
8.根据权利要求1或2所述的钻井液润滑剂，其特征在于：
所述润湿剂选自聚乙二醇或聚丙二醇，分子量为500～20000g/mol，优选为1000～10000g/mol。
9.根据权利要求1或2所述的钻井液润滑剂，其特征在于：
所述悬浮剂选自聚阴离子纤维素钠盐、黄原胶、羧甲基淀粉、海藻酸钠、聚乙烯吡咯烷酮、聚乙烯醇的至少一种。
10.根据权利要求1～9之任一项所述的钻井液润滑剂的制备方法，其特征在于包括以下步骤：
将水加入反应釜中，在搅拌的条件下依次加入润湿剂和悬浮剂，搅拌使得润湿剂和悬浮剂完全溶解于水中；然后向反应釜中加入石墨，搅拌后加入二硫化钼、石墨烯或二硫化钨中的至少一种；后加入滑石，继续搅拌后，即得所述的钻井液润滑剂。
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