CN111019614B - 水基钻井液用减摩降阻剂及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种水基钻井液用减摩降阻剂及制备方法，包括以下步骤：向反应釜中加入醇胺、五氧化二磷在60℃‑90℃反应2‑6h，冷却后缓慢加入氨水调节至pH7‑8，然后再滴加金属氯化物持续搅拌反应1‑3h，升温至160℃‑180℃缓慢滴加有机酸，反应2‑4h，冷却至40℃‑60℃加入表面活性剂持续搅拌1‑3h得到减摩降阻剂。本发明方法制备的减摩降阻剂具有优良的润滑性能及抗磨减摩性能。

Description

水基钻井液用减摩降阻剂及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种水基钻井液用减摩降阻剂，本发明制备的水基钻井液用减摩降阻剂适用于油田钻井工程技术领域。
背景技术
近年来，随着能源形势的不断严峻以及能源价格的快速增长，页岩气的资源受到了广泛的重视。与常规天然气相比，页岩油气开发虽然产能低，开发难度大，但其开发寿命长、储量巨大。页岩油气的储层与常规的砂岩、碳酸盐岩储层有很大差别，具有高吸附性、极低的渗透性，同时裂缝发育且易破碎、黏土矿物含量高、水敏性强等特性。目前在页岩油气开发中主要采用长水平井钻井技术，因此，页岩油气地层的井壁稳定、长水平段的摩阻、水平井段的井眼清洁、储层保护问题，都制约着页岩油气水平井的开发。
加入润滑剂是降低摩阻的有效措施之一，但对非常规油气井由于钻具在重力作用下与套管、井壁直接接触，产生瞬间高温，普通的润滑剂由于形成的极压膜强度低很容易被破坏掉，失去润滑作用，容易产生拖压以及摩阻增大，导致卡钻以及钻具的磨损。
中国专利200810055861.4公开了一种钻井液用的水基润滑剂及其制备方法，润滑剂的配方为：水100-300份，乳化剂10-30份，蓖麻油50-300份，白油50-400份，油酸皂50-600份，消泡剂50-200份。
中国专利01102104.7公开了一种钻井液用润滑剂，其特征是所述润滑剂的成分是高分子润滑材料5%-10%、表面活性剂0.1%-0.5%，加入水至100%；所述高分子润滑材料包括聚氧乙烯壬基苯酚醚、聚氧乙烯壬基苯二酚醚、聚氧乙烯癸基苯二酚醚、聚氧丙烯癸基苯酚醚、聚氧丙烯壬基苯酚醚、所述活性剂选自NP-10、OP-10、NP-6或吐温80。
中国专利200510106571.4公开了一种钻井液用低荧光润滑剂及其生产方法。将航空煤油50-90份、工业白油15-75份加入反应釜，用水套炉加热升温至70-90℃并搅拌30-60分钟，加入硫磺粉0.5-2.5份，搅拌并继续加温至90-100℃，再加入油酸3.5-8.5份，搅拌30-60分钟，温度降至70-80℃，加入3.5-8.5份聚氧乙烯醚和0.5-2.5份SP-80，搅拌30-60分钟即制得该发明的钻井液用低荧光润滑剂。
中国专利200710158398.1公开了一种用动植物油脂制备钻井液用抗高温润滑剂方法。用重量份为50-70份的废弃油脂与3-10份的乙醇胺、5-20份二乙二醇进行酯化反应，然后用1-3份硫磺进行硫化反应，向反应产物加入2-5份的油溶性树脂和10-30份的石墨粉，混合、搅拌均匀，即制得钻井液用抗高温润滑剂。
以上润滑剂，有些采用的是矿物油，矿物油毒性偏高、且形成的油膜强度较低，在水平井使用中很容易破坏掉，失去润滑作用；有些采用的是动植物油或动植物油脂类润滑剂，这种润滑剂依靠长链有机膜吸附在钻具或岩壁表面，提高润滑性能，但这种润滑剂在长水平井钻井过程中，由于瞬间摩擦造成的高温润滑膜很容易烧结，导致润滑性能降低。
发明内容
本发明的目的在于解决现有水基钻井液的在长水平井钻进的过程中摩阻大、拖压、卡钻以及钻具磨损严重的问题，提供一种水基钻井液用减摩降阻剂以解决上述问题。
本发明的目的通过以下技术方案实现的：一种水基钻井液用减摩降阻剂的制备方法，包括以下步骤：向反应釜中加入醇胺、五氧化二磷在60℃-90℃反应2-6h，冷却后缓慢加入氨水，然后再滴加金属氯化物持续搅拌反应1-3h，升温至160℃-180℃缓慢滴加有机酸，反应2-4h，冷却至40℃-60℃加入表面活性剂得到减摩降阻剂。
所述的制备方法其特征在于：醇胺、五氧化二磷、金属氯化物、有机酸的物质量之比为（4-4.5）：（1-1.2）：（1-1.5）：（4-4.5）。
所述的醇胺为：2-氨基-1-丁醇、2-氨基-2-甲基-丙醇、异丙醇胺、二甘醇胺的一种或几种混合物。
所述的金属氯化物为：氯化锌、氯化镉、二氯化钼中的一种或几种混合物。
所述的有机酸为：甲酸、乙酸、植物油酸、动物油酸中的一种或几种混合物。
所述的表面活性剂为：阴离子与非离子复配表面活性剂。
所述的阴离子表面活性剂为：石油磺酸盐、木质素磺酸盐、烷基苯磺酸盐中的一种或几种混合物。
所述的非离子表面活性剂为：壬基酚聚氧乙烯醚、脂肪酸聚氧乙烯醚、烷基醇酰胺中的一种或几种混合物。
本发明上述方法制备的水基钻井液用减摩降阻剂，应用于水基钻井液体系，其中所述的减摩降阻剂在水基钻井液中的用量为0.5%-2%w/v。
本发明公开的水基钻井液用减摩降阻剂，具有优良的润滑及减摩降阻性能、能够有效防止拖压、卡钻、降低钻具的磨损；与水基钻井液体系配伍性好，不会对钻井液体系流变性造成影响。
具体实施方式
为了更好的理解本发明，下面结合实施例进一步阐明发明的内容，但本发明的内容不仅限于下面的实施例。
实施例1
向反应釜中加入356.6g 2-氨基-1-丁醇、142.0g五氧化二磷在60℃反应2h，冷却后缓慢加入氨水调节至pH7-8，然后再滴加272.6g氯化锌水溶液（50%浓度）持续搅拌反应1h，升温至160℃缓慢滴加184.0g甲酸，反应2h，冷却至40℃加入10.0g石油磺酸盐、10.0g壬基酚聚氧乙烯醚表面活性剂搅拌1h得到减摩降阻剂。
实施例2
向反应釜中加入401.0g 2-氨基-1-丁醇、170.4g五氧化二磷在90℃反应6h，冷却后缓慢加入氨水调节至pH7-8，然后再滴加408.9g氯化锌水溶液（50%浓度）持续搅拌反应3h，升温至180℃缓慢滴加207.0g甲酸，反应4h，冷却至40℃加入15.0g石油磺酸盐、15.0g壬基酚聚氧乙烯醚表面活性剂搅拌3h得到减摩降阻剂。
实施例3
向反应釜中加入356.6g 2-氨基-2-甲基-丙醇、142.0g五氧化二磷在70℃反应3h，冷却后缓慢加入氨水调节至pH7-8，然后再滴加366.6g氯化镉水溶液（50%浓度）持续搅拌反应2h，升温至170℃缓慢滴加240.0g乙酸，反应3h，冷却至50℃加入13.0g木质素磺酸盐、12.0g脂肪酸聚氧乙烯醚表面活性剂搅拌2h得到减摩降阻剂。
实施例4
向反应釜中加入335.0g异丙醇胺、145.0g五氧化二磷在70℃反应2h，冷却后缓慢加入氨水调节至pH7-8，然后再滴加335.0g氯化镉水溶液（50%浓度）持续搅拌反应1h，升温至180℃缓慢加入1130.0g植物油酸，反应3h，冷却至60℃加入20.0g烷基苯磺酸盐、20.0g烷基醇酰胺表面活性剂搅拌3h得到减摩降阻剂。
实施例5
向反应釜中加入473.0g二甘醇胺、150.0g五氧化二磷在90℃反应5h，冷却后缓慢加入氨水调节至pH7-8，然后再滴加500.0g二氯化钼水溶液（50%浓度）持续搅拌反应3h，升温至170℃缓慢加入1130.0g动物油酸，反应3h，冷却至60℃加入20.0g石油磺酸盐、20.0g烷基醇酰胺表面活性剂搅拌3h得到减摩降阻剂。
实施例6
向反应釜中加入356.6g 2-氨基-1-丁醇、150.0g五氧化二磷在70℃反应4h，冷却后缓慢加入氨水调节至pH7-8，然后再滴加500.0g二氯化钼水溶液（50%浓度）持续搅拌反应3h，升温至180℃缓慢加入1130.0g动物油酸，反应3h，冷却至60℃加入20.0g石油磺酸盐、20.0g脂肪酸聚氧乙烯醚表面活性剂搅拌3h得到减摩降阻剂。
实施例7
向反应釜中加入401.0g 2-氨基-2-甲基-丙醇、170.4g五氧化二磷在90℃反应6h，冷却后缓慢加入氨水调节至pH7-8，然后再滴加440.0g氯化镉水溶液（50%浓度）持续搅拌反应3h，升温至180℃缓慢滴加240.0g乙酸，反应4h，冷却至40℃加入25.0g木质素磺酸盐、25.0g烷基醇酰胺表面活性剂搅拌3h得到减摩降阻剂。
实施例8
向反应釜中加入301.0异丙醇胺、142.0g五氧化二磷在60℃反应6h，冷却后缓慢加入氨水调节至pH7-8，然后再滴加334.0g二氯化钼水溶液（50%浓度）持续搅拌反应3h，升温至180℃缓慢滴加1130.0g植物油酸，反应4h，冷却至60℃加入15.0g烷基苯磺酸盐、15.0g烷基醇酰胺表面活性剂搅拌2h得到减摩降阻剂。
实施例9
磨矢量降低率及润滑系数降低率测试
一、基浆中磨矢量降低率、润滑系数降低率测试
1、磨矢量降低率测试：
按照标准Q/SH 1500 0062-2014中规定的方法测试以上实施例中产品的抗摩性能。抗摩性能用摩失量降低率来表征。具体操作步骤如下：
1) 选取试验磨柱两只编号为1#和2#备用，将两只试验磨柱放入盛有沸程为60℃～90℃石油醚的器皿中，用脱脂棉除去试验磨柱表面污物，并连续清洗两次。经脱脂棉处理的试验磨柱，用无水乙醇浸泡约5min，取出试验磨柱，用纱布擦干，用冷风吹干（经处理后的试验磨柱不可用手直接触摸，以免污染）包好，放入干燥器中干燥30min，称重(精确至0.0001g）得出M01和M02。
2) 把处理好的1#试验磨柱安装好，用量筒取油基泥浆200mL倒入测试盒中，使测试液浸没磨环下边沿。空载启动电机后开始加砝码，每只砝码增加时间间隔5s，并轻轻下放，当砝码质量加到4kg后开始计时，5min后关闭试验机。测定后将1#试验磨柱按1步骤中的方法处理并称重(精确至0.0001g）得出M1。
3) 取基浆300mL，加入减摩降阻剂试样1.5g，高速搅拌5min后取200mL倒入测试盒中，把处理好的2#试验磨柱安装好，按2步骤中的方法进行试验，测定后将2#试验磨柱按1步骤中方法处理并称重(精确至0.0001g）得出M2。
摩失量按公式（1）计算：
Figure DEST_PATH_IMAGE002
------------- （1）
式中：
W ——摩失量降低率，%；
M01，M02——试验前磨柱质量，g；
M1——基浆中试验后磨柱质量，g；
M2——基浆加入减摩降阻剂试验后磨柱质量，g。
2、润滑系数降低率测试：
配制四份基浆，每份加入300mL蒸馏水、0.42g无水碳酸钠、12.0g钻井液试验用钠膨润土，在高速搅拌器上搅拌20min，搅拌过程中应停下两次，用玻璃棒刮下粘附在搅拌杯上的膨润土，室温密闭养护24h。取出其中两份基浆加入减磨剂试样1.5g，然后将四份高搅5min。在E-P极压润滑仪上分别测定基浆及试样浆的润滑系数，测定方法依据SY/T 6094钻井液用润滑剂评价程序(扭矩臂施加150psi压力，保持转速60r/min)，并用式（2）计算润滑系数降低率。
Figure DEST_PATH_IMAGE004
×100------------- （2）
式中：
η——润滑系数降低率，%；
w 0——基浆的润滑系数；
w1——基浆加入减磨剂后的润滑系数。
二、加重浆（ρ=2.00～2.05g/cm 3）中磨矢量降低率、润滑系数降低率测试
1、加重浆配制
加重钻井液配方：1000mL蒸馏水，加入1.4g无水碳酸钠、40.0g钻井液试验用钠膨润土和1.5g高粘羧甲基纤维素（CMC-HVT），高速搅拌20min后倒入密闭容器中，在室温下养护24h，用重晶石加重，使
其符合性能表1规定，如果达不到则适当调节膨润土和高粘羧甲基纤维素（CMC-HVT）的加量。
表1 加重钻井液性能指标
项目 指 标
表观粘度，mPa·s 40～50
密度，g/cm<sup> 3</sup> 2.00～2.05
pH 值 9～10
2、加重浆磨失量降低率
1) 选取试验磨柱两只编号为3#和4#备用，将两只试验磨柱放入盛有沸程为60℃～90℃石油醚的器皿中，用脱脂棉除去试验磨柱表面污物，并连续清洗两次。经脱脂棉处理的试验磨柱，用无水乙醇浸泡约5min，取出试验磨柱，用纱布擦干，用冷风吹干（经处理后的试验磨柱不可用手直接触摸，以免污染）包好，放入干燥器中干燥30min，称重(精确至0.0001g）得出M03和M04。
2) 把处理好的1#试验磨柱安装好，用量筒取加重浆200mL倒入测试盒中，使测试液浸没磨环下边沿。空载启动电机后开始加砝码，每只砝码增加时间间隔5s，并轻轻下放，当砝码质量加到4kg后开始计时，5min后关闭试验机。测定后将3#试验磨柱按1步骤中的方法处理并称重(精确至0.0001g）得出M3。
3) 取加重泥浆300mL，加入减摩降阻剂试样6g，高速搅拌5min后取200mL倒入测试盒中，把处理好的4#试验磨柱安装好，按2步骤中的方法进行试验，测定后将4#试验磨柱按1步骤中方法处理并称重(精确至0.0001g）得出M4。
摩失量降低率按公式（3）计算：
Figure DEST_PATH_IMAGE006
- ------------- （3）
式中：
W ——磨失量降低率，%；
M03，M04——试验前磨柱质量，g；
M3——加重钻井液中试验后磨柱质量，g；
M4——加重钻井液加入减磨剂试验后磨柱质量，g。
3、加重浆润滑系数降低率测试
取出配制好的加重钻井液四份，每份300mL。取出其中两份加重钻井液加入减磨剂试样6.0g，然后将四份高速搅拌5min。在E-P极压润滑仪上分别测定加重钻井液及试样浆的润滑系数，测定方法依据SY/T 6094钻井液用润滑剂评价程序(扭矩臂施加150psi压力，保持转速60r/min)，并用式（4）计算润滑系数降低率。
Figure DEST_PATH_IMAGE008
------------- （5）
式中：
η——润滑系数降低率，%；
w2——加重钻井液的润滑系数；
w3——加重钻井液加入减磨剂后的润滑系数。
测试结果见表2。
表2 磨矢量降低率及润滑系数降低率测试结果
样品 磨矢量降低率/% 润滑系数降低率/% 磨矢量降低率/%（加重浆） 润滑系数降低率/%（加重浆）
实施例1样品 96.5 90.2 75.5 75.0
实施例2样品 97.0 91.5 76.8 76.0
实施例3样品 98.5 92.0 78.4 77.0
实施例4样品 98.6 92.5 78.7 77.5
实施例5样品 99.1 93.5 79.8 78.0
实施例6样品 99.8 95.0 81.3 80.0
实施例7样品 98.3 92.3 77.9 76.8
实施例8样品 99.6 94.3 80.0 79.6
从表2可以看出，基浆加入0.5%的减摩降阻剂磨矢量降低率达96%以上，润滑系数降低率达90%以上；加重浆加入2%的减摩降阻剂磨矢量降低率达75%以上，磨矢量降低率达75%以上。
实施例10
井浆配伍性评价
井液体系组成：4%~5%土+0.3%PAM+0.3%胺基聚醇+ 0.5%烧碱+3%KFT+1%~1.5%磺化酚醛树脂+3%改性沥青+1%磺酸盐共聚物+适量重晶石+减摩降阻剂。
表3 井浆中性能评价
实验样品 PV/mPa·s YP/Pa 极压润滑系数 粘滞系数
井浆 15 8 0.238 0.1501
井浆+0.5%减摩降阻剂 13 7.5 0.156 0.0699
井浆+1.0%减摩降阻剂 13 6.5 0.091 0.0612
测试结果表明，减摩降阻剂对钻井液体系的流变性基本没有影响，能够显著改善井浆的润滑性能，具有较好的配伍性能。

Claims (4)

1.一种水基钻井液用减摩降阻剂的制备方法，其特征是包括以下步骤：向反应釜中加入醇胺、五氧化二磷在60℃-90℃反应2-6h，冷却后缓慢加入氨水调节至pH7-8，然后再滴加金属氯化物持续搅拌反应1-3h，升温至160℃-180℃缓慢滴加有机酸，反应2-4h，冷却至40℃-60℃加入表面活性剂持续搅拌1-3h得到减摩降阻剂；
醇胺、五氧化二磷、金属氯化物、有机酸的物质量之比为（4-4.5）：（1-1.2）：（1-1.5）：（4-4.5）；
醇胺为：2-氨基-1-丁醇、2-氨基-2-甲基-丙醇、异丙醇胺、二甘醇胺的一种或几种混合物；
金属氯化物为：氯化锌、氯化镉、二氯化钼中的一种或几种混合物；
表面活性剂为：阴离子与非离子复配表面活性剂；
阴离子表面活性剂为：石油磺酸盐、木质素磺酸盐、烷基苯磺酸盐中的一种或几种混合物；非离子表面活性剂为：壬基酚聚氧乙烯醚、脂肪酸聚氧乙烯醚、烷基醇酰胺中的一种或几种混合物。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于所述的有机酸为：甲酸、乙酸、植物油酸、动物油酸中的一种或几种混合物。
3.一种水基钻井液用减摩降阻剂，其特征在于由权利要求1-2任一项所述的制备方法制得。
4.根据权利要求3所述的水基钻井液用减摩降阻剂，其特征是用于水基钻井液体系，其中所述的减摩降阻剂在水基钻井液中的用量为0.5%-2%w/v。
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