CN110591794A - 适用于极温条件的环保型固体石墨润滑组合物、润滑剂及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种适用于极温条件的环保型固体石墨润滑组合物、润滑剂及其制备方法。以重量百分比计，环保型固体石墨润滑组合物包括：石墨30～50％；聚四氟乙烯粉10～30％；水性聚酰胺酰亚胺溶液10～20％；生物油脂15～30％；乳化剂5～10％；以及二硫化钼5～10％，其中水性聚酰胺酰亚胺溶液的固含量为25～35％。上述组合物中的所有组分均为环保材料，易降解；而且在低温下不易凝固；石墨、聚四氟乙烯粉和生物油脂具有高温润滑效果；水性聚酰胺酰亚胺溶液耐高温，通过控制其添加量增加润滑剂的附着力；另外乳化剂提高了石墨和聚四氟乙烯粉在体系中的分散性，二硫化钼进一步提高了该润滑剂的抗粘附性能。

Description

适用于极温条件的环保型固体石墨润滑组合物、润滑剂及其 制备方法

技术领域

本发明涉及钻井材料技术领域，具体而言，涉及一种适用于极温条件的环保型固体石墨润滑组合物、润滑剂及其制备方法。

背景技术

在油气井钻井过程中，由于地层中含有很多页岩，很容易导致钻井钻头卡钻，造成井壁失稳，发生井塌、埋钻等事故，加剧钻头和钻具上的磨损，造成重大经济损失；钻井过程中，井底周围地应力释放，常规钻井液会增加井底的钻探强度，不利于井底稳定钻探，加大钻井钻头阻力；传统钻井液材料难以降解，会对储层造成很大程度的污染，影响后期油气井的开采产量。

钻井液润滑剂作为一种重要的钻井液化学处理剂，其作用是改善钻井液的润滑性能，降低钻具与井壁(或套管)之间的摩擦，降低钻柱旋转扭矩和起下钻阻力，减少卡钻事故的发生。近年来，随着深井、定向井和水平井钻井技术的不断发展和提高，对钻井液润滑剂性能的要求越来越高，使用的润滑剂种类和数量也越来越多。外排废弃钻井液中的润滑剂有些是有毒有害的，还有相当一部分在自然条件下较难降解，由此造成这类物质在环境中长期滞留和积累，对人类和生态环境构成威胁。随着环保意识的增强，人们在开发新型钻井液润滑剂时越来越重视环保性。

而且，随着油气钻井工业的发展，高寒甚至极寒环境的钻井作业越来越多，钻井深度也越来越大，这就要求钻井液润滑剂在添加之前具有较强的抗冻能力，而在作业中有要求其具有耐高温的性能。

目前钻井液润滑剂的种类繁多，其中应用于高温下的也有多种，其中公开号为CN102277140A的专利申请公开了一种钻井液用多功能固体润滑剂，由下述质量百分比的原料制成：膨化鳞片石墨60-80％、腐植酸钾25-35％、白油5-10％、含有4个乙氧基的辛烷基酚聚氧乙烯醚(OP-4乳化剂)5-8％，但是白油在低温下易凝固导致润滑剂在寒冷条件下的添加困难。

发明内容

本发明的主要目的在于提供一种适用于极温条件的环保型固体石墨润滑组合物、润滑剂及其制备方法，以解决现有技术中的润滑剂难以满足极温条件下的使用要求问题。

为了实现上述目的，根据本发明的一个方面，提供了一种适用于极温条件的环保型固体石墨润滑组合物，以重量百分比计，环保型固体石墨润滑组合物包括：石墨30～50％；聚四氟乙烯粉10～30％；水性聚酰胺酰亚胺溶液10～20％；生物油脂15～30％；乳化剂5～10％；以及二硫化钼5～10％，其中水性聚酰胺酰亚胺溶液的固含量为25～35％。

进一步地，以重量百分比计，环保型固体石墨润滑组合物包括：石墨35～45％；聚四氟乙烯粉15～25％；水性聚酰胺酰亚胺溶液15～20％；生物油脂20～30％；乳化剂5～10％；以及二硫化钼5～10％。

进一步地，上述石墨为鳞片石墨，优选粒径为100～500目的鳞片石墨，进一步优选粒径为200～400目的鳞片石墨。

进一步地，上述聚四氟乙烯粉为聚四氟乙烯超细粉。

进一步地，上述生物油脂选自动物油脂、植物油脂和餐厨废弃油脂中的任意一种，优选为动物油脂。

进一步地，上述乳化剂选自多元醇脂类非离子表面活性剂，优选为Span系列表面活性剂和Tween系列表面活性剂的组合，其中，Span系列表面活性剂选自Span20、Span40、Span60 和Span80中的任意一种，Tween系列表面活性剂选自Tween20、Tween40、Tween60和Tween80 中的任意一种。

进一步地，上述环保型固体石墨润滑组合物还包括重量含量为2～5％的乙二醇。

根据本发明的另一方面，提供了一种适用于极温条件的环保型固体石墨润滑剂，采用上述任一种的环保型固体石墨润滑组合物制备而成。

根据本发明的又一方面，提供了上述环保型固体石墨润滑剂的制备方法，其特征在于，制备方法包括将环保型固体石墨润滑组合物中的各组分混合形成环保型固体石墨润滑剂，优选制备方法包括：将聚四氟乙烯粉、水性聚酰胺酰亚胺溶液和乳化剂依次加入混合器中进行第一次搅拌，形成第一混合体系；在第二次搅拌条件下向第一混合体系中依次加入石墨、二硫化钼和生物油脂，加入完成后调整搅拌速度进行第三次搅拌，得到环保型固体石墨润滑剂，环保型固体石墨润滑剂还包括乙二醇，乙二醇在乳化剂之后石墨之前添加。

进一步地，上述第一次搅拌的速度为300～500rpm，时间为1～2h，优选第二次搅拌的速度为600～800rpm，时间为15～30min；优选第三次搅拌的速度为400～550rpm，时间为1～2h。

应用本发明的技术方案，所有组分均为环保材料，易降解；而且在低温下不易凝固，因此在低温操作条件下便于添加；同时，其中的石墨、聚四氟乙烯粉和生物油脂具有高温润滑效果，聚四氟乙烯采用粉料形式添加且控制其添加量，一方面有利于物料的添加和混合，另一方面利用聚四氟乙烯粉的自润滑性和无自凝聚性，提高了其与其它组分配伍时在高温下的润滑效果；水性聚酰胺酰亚胺溶液耐高温，而且本申请通过控制其添加量将润滑剂的附着力增加至一定程度，从而即提高了润滑剂对钻头和钻具的润滑作用，又避免了导致粘附力过高增加钻井阻力、造成粘附卡钻的缺陷；另外所添加的乳化剂提高了石墨和聚四氟乙烯粉在体系中的分散性，进而改善了润滑效果，二硫化钼具有较高的润滑系数，进一步提高了该润滑剂的抗粘附性能。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将结合实施例来详细说明本发明。

如本申请背景技术所分析的，现有技术的含有石蜡或白油的钻井液用润滑剂，虽然在高温下的润滑作用较好，但是石蜡不易降解且在低温下易凝固，导致其不环保且添加困难，为了解决现有技术的钻井液用润滑剂难以满足极温条件下的使用要求以及环保要求的问题，本申请提供了一种适用于极温条件的环保型固体石墨润滑组合物、润滑剂及其制备方法。

上述极温是指高寒或极寒的低温以及钻井作业下的高温，比如-40℃～220℃。

在本申请一种典型的实施方式中，提供了一种适用于极温条件的环保型固体石墨润滑组合物，以重量百分比计，该环保型固体石墨润滑组合物包括：石墨30～50％；聚四氟乙烯粉 10～30％；水性聚酰胺酰亚胺溶液10～20％；生物油脂15～30％；乳化剂5～10％；以及二硫化钼5～10％，其中水性聚酰胺酰亚胺溶液的固含量为25～35％。

本申请的环保型固体石墨润滑组合物中的所有组分均为环保材料，易降解；而且在低温下不易凝固，因此在低温操作条件下便于添加；同时，其中的石墨、聚四氟乙烯粉和生物油脂具有高温润滑效果，聚四氟乙烯采用粉料形式添加且控制其添加量，一方面有利于物料的添加和混合，另一方面利用聚四氟乙烯粉的自润滑性和无自凝聚性，提高了其与其它组分配伍时在高温下的润滑效果；水性聚酰胺酰亚胺溶液耐高温，而且本申请通过控制其添加量将润滑剂的附着力增加至一定程度，从而即提高了润滑剂对钻头和钻具的润滑作用，又避免了导致粘附力过高增加钻井阻力、造成粘附卡钻的缺陷；另外所添加的乳化剂提高了石墨和聚四氟乙烯粉在体系中的分散性，进而改善了润滑效果，二硫化钼具有较高的润滑系数，进一步提高了该润滑剂的抗粘附性能。

在本申请一种实施例中，以重量百分比计，上述环保型固体石墨润滑组合物包括：石墨 35～45％；聚四氟乙烯粉15～25％；水性聚酰胺酰亚胺溶液15～20％；生物油脂20～30％；乳化剂5～10％；以及二硫化钼5～10％。通过对上述各组分的含量进一步控制，提高了润滑剂在高温下的润滑能力。

用于本申请的石墨可以选自润滑剂领域常用的鳞片石墨，按照常规试验结果，鳞片石墨的鳞片越大其润滑效果越好，但是经过本申请试验验证，在与本申请其它组分进行配伍时，鳞片石墨的粒径为100～500目时，其润滑效果较为突出，尤其是粒径为200～400目的鳞片石墨。

本申请的聚四氟乙烯粉为商品化的聚四氟乙烯粉，为了利用其自润滑性能更突出地提高润滑剂的润滑效果，优选上述聚四氟乙烯粉为聚四氟乙烯超细粉。

用于本申请的生物油脂可以选自现有技术中常用的生物油脂，为了降低成本，优选上述生物油脂选自动物油脂、植物油脂和餐厨废弃油脂中的任意一种，优选为动物油脂以利用油脂进一步提高润滑剂的润滑效果。

本申请的乳化剂是为了提高生物油脂和其它固体粉料和水性聚酰胺酰亚胺溶液的混合效果，可以实现上述物质混合效果的乳化剂均可用于本申请，优选上述乳化剂选自多元醇脂类非离子表面活性剂，优选为Span系列表面活性剂和Tween系列表面活性剂的组合，其中，Span 系列表面活性剂选自Span20、Span40、Span60和Span80中的任意一种，Tween系列表面活性剂选自Tween20、Tween40、Tween60和Tween80中的任意一种，经过试验验证Span40和 Tween60以2:8～5:5的重量比配合时其乳化效果更为突出，物料的混合更均匀，使得润滑效果也有所改善。

另外，为了进一步提高润滑组合物的防冻效果，优选上述环保型固体石墨润滑组合物还包括重量含量为2～5％的乙二醇。

在本申请另一种典型的实施方式中，提供了一种适用于极温条件的环保型固体石墨润滑剂，采用上述任一种的环保型固体石墨润滑组合物制备而成。

由于本申请的环保型固体石墨润滑组合物中的所有组分均为环保材料，易降解；而且在低温下不易凝固，因此在低温操作条件下便于添加；同时，其中的石墨、聚四氟乙烯粉和生物油脂具有高温润滑效果，聚四氟乙烯采用粉料形式添加且控制其添加量，一方面有利于物料的添加和混合，另一方面利用聚四氟乙烯粉的自润滑性和无自凝聚性，提高了其与其它组分配伍时在高温下的润滑效果；水性聚酰胺酰亚胺溶液耐高温，而且本申请通过控制其添加量将润滑剂的附着力增加至一定程度，从而即提高了润滑剂对钻头和钻具的润滑作用，又避免了导致粘附力过高增加钻井阻力、造成粘附卡钻的缺陷；另外所添加的乳化剂提高了石墨和聚四氟乙烯粉在体系中的分散性，进而改善了润滑效果，二硫化钼具有较高的润滑系数，进一步提高了该润滑剂的抗粘附性能。基于本申请的环保型固体石墨润滑组合物的上述性能，所形成的环保型固体石墨润滑剂同样具有环保、低温防冻、高温下润滑的性能。

在本申请又一种典型的实施方式中，提供了一种上述环保型固体石墨润滑剂的制备方法，该制备方法包括将环保型固体石墨润滑组合物中的各组分混合形成环保型固体石墨润滑剂，优选该制备方法包括将聚四氟乙烯粉、水性聚酰胺酰亚胺溶液、乳化剂依次加入混合器中进行第一次搅拌，形成第一混合体系；在第二次搅拌条件下向第一混合体系中依次加入石墨、二硫化钼和生物油脂，加入完成后调整搅拌速度进行第三次搅拌，得到环保型固体石墨润滑剂，环保型固体石墨润滑剂还包括乙二醇，乙二醇在乳化剂之后石墨之前添加。将物料按照上述方式依次加入，有利于物料混合的均匀性。

在本申请一种实施例中，上述第一次搅拌的速度为300～500rpm，时间为1～2h，优选第二次搅拌的速度为600～800rpm，时间为15～30min；优选第三次搅拌的速度为400～550rpm，时间为1～2h。通过控制上述搅拌的速度和时间，进一步提高了物料混合的均匀性。

以下将结合实施例和对比例，进一步说明本申请的有益效果。

实施例1

将聚四氟乙烯粉、水性聚酰胺酰亚胺溶液、乳化剂、可选的乙二醇依次加入混合器中进行第一次搅拌，形成第一混合体系；在第二次搅拌条件下向第一混合体系中依次加入石墨、二硫化钼和生物油脂，加入完成后调整搅拌速度进行第三次搅拌，得到环保型固体石墨润滑剂，聚四氟乙烯粉、水性聚酰胺酰亚胺溶液、乳化剂、乙二醇、二硫化钼、石墨和生物油脂的用量见表1，其中，石墨为粒径为100～500目的鳞片石墨，聚四氟乙烯粉为聚四氟乙烯超细粉，水性聚酰胺酰亚胺溶液固含量为30％，生物油脂为植物油脂，乳化剂为Span40和Tween60 以1:2的重量比混合形成的混合物。第一次搅拌的速度为400rpm，时间为1.5h，第二次搅拌的速度为700rpm，时间为20min；第三次搅拌的速度为500rpm，时间为1.5h。

实施例2至9、对比例1至9的制备方法同实施例1，组成见表1。

表1

实施例10

与实施例1的不同之处在于：生物油脂为动物油脂，

实施例11

与实施例1的不同之处在于：生物油脂为动物油脂，

实施例12

与实施例1的不同之处在于：乳化剂为Span40和Tween60以2:8的重量比混合形成的混合物。

实施例13

与实施例1的不同之处在于：乳化剂为Span40和Tween60以5:5的重量比混合形成的混合物。

实施例14

与实施例1的不同之处在于：乳化剂为Span40和Tween40以1:2的重量比混合形成的混合物。

实施例15

与实施例1的不同之处在于：乳化剂为Span60和Tween60以1:2的重量比混合形成的混合物。

实施例16

与实施例1的不同之处在于：乳化剂为Span20和Tween80以1:2的重量比混合形成的混合物。

实施例17

与实施例1的不同之处在于：第一次搅拌的速度为500rpm，时间为1h，第二次搅拌的速度为600rpm，时间为30min；第三次搅拌的速度为400rpm，时间为2h。

实施例18

与实施例1的不同之处在于：第一次搅拌的速度为300rpm，时间为2h，第二次搅拌的速度为800rpm，时间为15min；第三次搅拌的速度为550rpm，时间为1h。

实施例19

与实施例1的不同之处在于：第一次搅拌、第二次搅拌和第三次搅拌的速度均为500rpm，时间依次为1.5h、20min、1.5h。

实施例20

与实施例1的不同之处在于：石墨为粒径为200～400目的鳞片石墨。

实施例21

与实施例1的不同之处在于：在搅拌条件下将聚四氟乙烯粉、水性聚酰胺酰亚胺溶液、乳化剂、乙二醇、石墨、二硫化钼和生物油脂加入混合器中，搅拌5小时后得到环保型固体石墨润滑剂，搅拌的速度为500rpm。

将各实施例和对比例的润滑剂在-20℃和-40℃下放置24小时，观察是否产生冻结现象，结果见表2。

检测各实施例和对比例所得到的润滑剂在不同温度下的润滑能力，检测方法为取四个高速搅拌杯，分别加入400mL蒸馏水、0.8g碳酸钠、20g(精确到0.01g)钻井液试验配浆用膨润土，高速搅拌20min。取下高速搅拌杯放入电热恒温培养箱，在25℃±2℃下密闭养护24h做为基浆，按照上述方法制作31份基浆。各基浆加入4g(精确到0.01g)上述实施例和对比例所制备的润滑剂，高速搅拌20min得到30份加样浆。另基浆高速搅拌5min，在E —P极压润滑仪上测定基浆及加样浆的润滑系数。按下式计算润滑系数降低率。两个平行测定结果的差值在表2允许范围内时，取其算术平均值。

式中：

η—润滑系数降低率，％；

ω—基浆润滑系数；

ω₁—加样后的润滑系数。

检测结果见表2。

表2

从以上的描述中，可以看出，本发明上述的实施例实现了如下技术效果：

本申请的环保型固体石墨润滑组合物中的所有组分均为环保材料，易降解；而且在低温下不易凝固，因此在低温操作条件下便于添加；同时，其中的石墨、聚四氟乙烯粉和生物油脂具有高温润滑效果，聚四氟乙烯采用粉料形式添加且控制其添加量，一方面有利于物料的添加和混合，另一方面利用聚四氟乙烯粉的自润滑性和无自凝聚性，提高了其与其它组分配伍时在高温下的润滑效果；水性聚酰胺酰亚胺溶液耐高温，而且本申请通过控制其添加量将润滑剂的附着力增加至一定程度，从而即提高了润滑剂对钻头和钻具的润滑作用，又避免了导致粘附力过高增加钻井阻力、造成粘附卡钻的缺陷；另外所添加的乳化剂提高了石墨和聚四氟乙烯粉在体系中的分散性，进而改善了润滑效果，二硫化钼具有较高的润滑系数，进一步提高了该润滑剂的抗粘附性能。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种适用于极温条件的环保型固体石墨润滑组合物，其特征在于，以重量百分比计，所述环保型固体石墨润滑组合物包括：

石墨 30～50％；

聚四氟乙烯粉 10～30％；

水性聚酰胺酰亚胺溶液 10～20％；

生物油脂 15～30％；

乳化剂 5～10％；以及

二硫化钼 5～10％，

其中所述水性聚酰胺酰亚胺溶液的固含量为25～35％。

2.根据权利要求1所述的环保型固体石墨润滑组合物，其特征在于，以重量百分比计，所述环保型固体石墨润滑组合物包括：

所述石墨 35～45％；

所述聚四氟乙烯粉 15～25％；

所述水性聚酰胺酰亚胺溶液 15～20％；

所述生物油脂 20～30％；

所述乳化剂 5～10％；以及

所述二硫化钼 5～10％。

3.根据权利要求1或2所述的环保型固体石墨润滑组合物，其特征在于，所述石墨为鳞片石墨，优选粒径为100～500目的鳞片石墨，进一步优选粒径为200～400目的鳞片石墨。

4.根据权利要求1或2所述的环保型固体石墨润滑组合物，其特征在于，所述聚四氟乙烯粉为聚四氟乙烯超细粉。

5.根据权利要求1或2所述的环保型固体石墨润滑组合物，其特征在于，所述生物油脂选自动物油脂、植物油脂和餐厨废弃油脂中的任意一种，优选为动物油脂。

6.根据权利要求1或2所述的环保型固体石墨润滑组合物，其特征在于，所述乳化剂选自多元醇脂类非离子表面活性剂，优选为Span系列表面活性剂和Tween系列表面活性剂的组合，其中，所述Span系列表面活性剂选自Span20、Span40、Span60和Span80中的任意一种，所述Tween系列表面活性剂选自Tween20、Tween40、Tween60和Tween80中的任意一种。

7.根据权利要求1或2所述的环保型固体石墨润滑组合物，其特征在于，所述环保型固体石墨润滑组合物还包括重量含量为2～5％的乙二醇。

8.一种适用于极温条件的环保型固体石墨润滑剂，其特征在于，采用权利要求1至7中任一项所述的环保型固体石墨润滑组合物制备而成。

9.权利要求8所述的环保型固体石墨润滑剂的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括将环保型固体石墨润滑组合物中的各组分混合形成所述环保型固体石墨润滑剂，优选所述制备方法包括：

将聚四氟乙烯粉、水性聚酰胺酰亚胺溶液和乳化剂依次加入混合器中进行第一次搅拌，形成第一混合体系；

在第二次搅拌条件下向所述第一混合体系中依次加入石墨、二硫化钼和生物油脂，加入完成后调整搅拌速度进行第三次搅拌，得到所述环保型固体石墨润滑剂，

所述环保型固体石墨润滑剂还包括乙二醇，所述乙二醇在乳化剂之后石墨之前添加。

10.根据权利要求9所述的制备方法，其特征在于，所述第一次搅拌的速度为300～500rpm，时间为1～2h，优选所述第二次搅拌的速度为600～800rpm，时间为15～30min；优选所述第三次搅拌的速度为400～550rpm，时间为1～2h。