发明内容
本发明的目的是提供一种具有良好的相容性,且有效提高润滑剂在摩擦面的极压膜强度进而实现提高润滑效果的梳状丙烯酸酯共聚物润滑剂。
本发明的另一目的使提供一种采用上述梳状丙烯酸酯共聚物润滑剂配制而成的水基钻井液。
为此,本发明技术方案如下:
一种梳状丙烯酸酯共聚物润滑剂,包括重量比为3:7~1:9的酯溶性梳状丙烯酸酯共聚物和植物油;其中,酯溶性梳状丙烯酸酯共聚物的化学结构式为:
其中,R1为碳数为C2~C4的直链烷基中的任意一种,R2为碳数为C12~C18的直链烷基中的任意一种,n为6~10。
优选,上述酯溶性梳状丙烯酸酯共聚物的数均分子量为5500~7000。
该酯溶性梳状丙烯酸酯共聚物从化学结构设计上具有不同功能的结构侧链;具体地,其含有端羟基的短侧链在钻具表面吸附,由于具有规整的侧链长度,多羟基侧链可在摩擦面形成多锚点吸附,使其表现出吸附叠加效应,显著提高了润滑剂的持续润滑效果;脂肪链长侧链能够与植物油充分互溶,为植物油类润滑油膜提供额外的润滑膜强度;另外,该酯溶性梳状丙烯酸酯共聚物还具有良好的抑泡效果,能够有效避免因水基钻井液润滑剂中表面活性组分引起钻液起泡,提高润滑效果。
优选,所述酯溶性梳状丙烯酸酯共聚物通过下述制备步骤得到:
S1、称取摩尔比为1.5~2:1的丙烯酰氯和碳数为C12~C18的直链烷基醇,然后首先将碳数为C12~C18的直链烷基醇在氮气保护条件下加热至30~40℃后,再在搅拌条件下将丙烯酰氯滴加至直链烷基醇中,30~40℃下反应5~10h,得到具有长烷基侧链的丙烯酸酯单体粗产物;将粗产物用水萃取2~3次,每次取萃取后的油状物室温下真空干燥得到长烷基侧链丙烯酸酯;
S2、称取摩尔比为(2~3):1:(0.01~0.05)的长烷基侧链丙烯酸酯、丙烯酸羟基酯小单体和偶氮二异丁腈引发剂,并加入至异丙醇中,在氮气保护条件下将混合物加热至70℃引发自由基聚合,继续反应3~8h后得到反应产物;对反应产物采用减压蒸馏法除去大部分异丙醇,然后将蒸馏后残液滴加至甲苯中沉淀得到梳状丙烯酸酯共聚物的粗产物;将粗产物在40℃条件下真空干燥24h,得到梳状丙烯酸酯共聚物;其中,丙烯酸羟基酯小单体为丙烯酸羟乙酯、丙烯酸羟丙酯或丙烯酸羟丁酯。
优选,异丙醇的用量为长烷基侧链丙烯酸酯与丙烯酸羟基酯小单体的总重量的5~10倍。
优选,所述植物油为椰子油、大豆油、棉籽油、棕榈油、菜籽油中至少一种。
一种采用上述的梳状丙烯酸酯共聚物润滑剂配制形成的水基钻井液。
与现有技术相比,该梳状丙烯酸酯共聚物润滑剂作为功能润滑组分的水基钻井液润滑剂,除了具备传统油性润滑剂所具有的极压润滑效果外,还具有润滑持续时间长、循环使用稳定性好,且与不同水基钻井液配伍性好的优点,尤其适用于复杂结构井用高性能水基钻井液润滑剂。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明做进一步的说明,但下述实施例绝非对本发明有任何限制。
实施例1
一种梳状丙烯酸酯共聚物润滑剂,其采用如下制备步骤制备而成:
S1、称取1.5mol的丙烯酰氯和1mol的正十二醇,并将正十二醇在氮气保护条件下加热至30℃,然后在搅拌条件下将丙烯酰氯滴加至反应体系中,恒温30℃下反应5h,得到长烷基侧链丙烯酸酯粗产物;将粗产物用水3次,每次取洗涤分层后油状物;将油状物在室温真空条件下充分干燥,即得到长烷基侧链丙烯酸酯;
S2、称取2mol的长烷基侧链丙烯酸酯、1mol的丙烯酸羟乙酯和0.01mol的偶氮二异丁腈引发剂,并加入至2L的异丙醇中,在氮气保护条件下将反应混合物加热至70℃引发自由基聚合,继续在70℃下反应3h后通过减压蒸馏法除去大部分异丙醇溶剂,再蒸馏后残液滴加至甲苯中沉淀得到梳状丙烯酸酯共聚物粗产物;粗产物在40℃条件下真空干燥24h,得到梳状丙烯酸酯共聚物;经测试,梳状丙烯酸酯共聚物的数均分子量为7000。
该梳状丙烯酸酯共聚物的结构式为:
S3、将100g梳状丙烯酸酯共聚物与900g大豆油在常温条件下,搅拌混合2h,所得混合物即为梳状丙烯酸酯共聚物润滑剂产品Lub-01。
实施例2
一种梳状丙烯酸酯共聚物润滑剂,其采用如下制备步骤制备而成:
S1、称取1.6mol的丙烯酰氯和1mol的正十四醇,并将正十四醇在氮气保护条件下加热至35℃,然后在搅拌条件下将丙烯酰氯滴加至反应体系中,恒温35℃下反应7h,得到长烷基侧链丙烯酸酯粗产物;将粗产物用水萃取3次,每次取洗涤分层后油状物;将油状物在室温真空条件下充分干燥,即得到长烷基侧链丙烯酸酯;
S2、称取摩尔比为2.5mol的长烷基侧链丙烯酸酯、1mol的丙烯酸羟丙酯和0.02mol的偶氮二异丁腈引发剂,并加入至2.5L的异丙醇中,在氮气保护条件下将反应混合物加热至70℃引发自由基聚合,继续在70℃下反应4h后通过减压蒸馏法除去大部分异丙醇溶剂,再蒸馏后残液滴加至甲苯中沉淀得到梳状丙烯酸酯共聚物粗产物;粗产物在40℃条件下真空干燥24h,得到梳状丙烯酸酯共聚物;经测试,梳状丙烯酸酯共聚物的数均分子量为6500。
该梳状丙烯酸酯共聚物的结构式为:
S3、将150g梳状丙烯酸酯共聚物与850g棉籽油在常温条件下,搅拌混合2h,所得混合物即为梳状丙烯酸酯共聚物润滑剂产品Lub-02。
实施例3
一种梳状丙烯酸酯共聚物润滑剂,其采用如下制备步骤制备而成:
S1、称取1.5mol的丙烯酰氯和1mol的正十六醇,并将正十六醇在氮气保护条件下加热至40℃,然后在搅拌条件下将丙烯酰氯滴加至反应体系中,恒温40℃下反应8h,得到长烷基侧链丙烯酸酯粗产物;将粗产物用水萃取3次,每次取洗涤分层后油状物;将油状物在室温真空条件下充分干燥,即得到长烷基侧链丙烯酸酯;
S2、称取摩尔比为2.5mol的长烷基侧链丙烯酸酯、1mol的丙烯酸羟丁酯和0.03mol的偶氮二异丁腈引发剂,并加入至3L的异丙醇中,在氮气保护条件下将反应混合物加热至70℃引发自由基聚合,继续在70℃下反应6h后通过减压蒸馏法除去大部分异丙醇溶剂,再蒸馏后残液滴加至甲苯中沉淀得到梳状丙烯酸酯共聚物粗产物;粗产物在40℃条件下真空干燥24h,得到梳状丙烯酸酯共聚物;经测试,梳状丙烯酸酯共聚物的数均分子量为6000。
该梳状丙烯酸酯共聚物的结构式为:
S3、将200g梳状丙烯酸酯共聚物与800g大豆油在常温条件下,搅拌混合2h,所得混合物即为梳状丙烯酸酯共聚物润滑剂产品Lub-03。
实施例4
一种梳状丙烯酸酯共聚物润滑剂,其采用如下制备步骤制备而成:
S1、称取2mol的丙烯酰氯和1mol的正十八醇,并将正十八醇在氮气保护条件下加热至30℃,然后在搅拌条件下将丙烯酰氯滴加至反应体系中,恒温30℃下反应8h,得到长烷基侧链丙烯酸酯粗产物;将粗产物用水萃取3次,每次取洗涤分层后油状物;将油状物在室温真空条件下充分干燥,即得到长烷基侧链丙烯酸酯;
S2、称取摩尔比为3mol的长烷基侧链丙烯酸酯、1mol的丙烯酸羟丙酯和0.05mol的偶氮二异丁腈引发剂,并加入至4.5kg的异丙醇中,在氮气保护条件下将反应混合物加热至70℃引发自由基聚合,继续在70℃下反应8h后通过减压蒸馏法除去大部分异丙醇溶剂,再蒸馏后残液滴加至甲苯中沉淀得到梳状丙烯酸酯共聚物粗产物;粗产物在40℃条件下真空干燥24h,得到梳状丙烯酸酯共聚物;经测试,梳状丙烯酸酯共聚物的数均分子量为5500。
该梳状丙烯酸酯共聚物的结构式为:
S3、将300g梳状丙烯酸酯共聚物与700g菜籽油在常温条件下,搅拌混合2h,所得混合物即为梳状丙烯酸酯共聚物润滑剂产品Lub-04。
对比例1
根据实施例1所述的方法,不同的是,删除步骤S2中的丙烯酸羟乙酯小分子单体,仅以大分子的长烷基侧链丙烯酸酯作为单体通过加入偶氮二异丁腈引发剂引发均聚,合成丙烯酸酯均聚物;然后再将100g丙烯酸酯均聚物和900g大豆油在常温下搅拌混合2h,得到润滑剂CL-01。
对比例2
根据实施例2所述的方法,不同的是,删除步骤S2中的丙烯酸羟丙酯小分子单体,仅以大分子的长烷基侧链丙烯酸酯作为单体通过加入偶氮二异丁腈引发剂引发均聚,合成丙烯酸酯均聚物;然后再将150g丙烯酸酯均聚物和850g棉籽油在常温下搅拌混合2h,得到润滑剂CL-02。
对比例3
根据实施例3所述的方法,不同的是,删除步骤S2中的丙烯酸羟丁酯小分子单体,仅以大分子的长烷基侧链丙烯酸酯作为单体通过加入偶氮二异丁腈引发剂引发均聚,合成丙烯酸酯均聚物;然后再将200g丙烯酸酯均聚物和800g大豆油在常温下搅拌混合2h,得到润滑剂CL-03。
对比例4
根据实施例4所述的方法,不同的是,删除步骤S2中的丙烯酸羟丙酯小分子单体,仅以大分子的长烷基侧链丙烯酸酯作为单体通过加入偶氮二异丁腈引发剂引发均聚,合成丙烯酸酯均聚物;然后再将300g丙烯酸酯均聚物和700g菜籽油在常温下搅拌混合2h,得到润滑剂CL-04。
对比例5
市售植物油润滑剂,代号:KD-21C(天津某油田化学剂有限公司)。
性能测试:
(一)将实施例1~4制备的梳状丙烯酸酯共聚物润滑剂产品Lub-01~Lub-04,对比例1~4制备的润滑剂CL-01~CL-04,以及市售植物油润滑剂分别加入至基浆中,测试其在基浆中的性能表现。
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(中石油渤海钻探工程公司的标准钙基膨润土),加完后继续搅拌12h,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,其中,润滑剂在基浆中的含量为0.5wt%。
(1)密度变化值、表观粘度变化值测试:
分别取两份基浆加入2g润滑剂试样,高速搅拌10min,放置1min,按GB/T16783.1的规定测定基浆和加样后的密度和表观粘度。
①密度变化值计算公式为:Δρ=|ρ1-ρ0|,其中,Δρ为密度变化值,g/cm3;
ρ1为加样后的密度,g/cm3;ρ0为基浆密度,g/cm3;
②表观粘度变化值计算公式为:ΔAV=AV-AV,式中:ΔAV为表观粘度升高值,mPa·s;AV1为加样后的表观黏度,mPa·s;AV0为基浆的表观黏度,mPa·s。
(2)润滑系数测试:选用Fann212极压润滑仪测定150℃老化16小时后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%。
(3)荧光测试
分别选取目标轻质、中质及重质油制作原油标样,采用QFA三维荧光光谱仪分别测试实施例和对比例中所提供润滑剂的荧光级别。
上述各项的具体测试结果如下表1所示。
表1:
从表1中可以看出,实施例1~4制备的梳状丙烯酸酯共聚物润滑剂产品Lub-01~04对基浆的密度变化值、表观粘度变化值和荧光均能够控制在指标范围内,Lub-04的极压润滑降低率显著高于指标值;而对比例1~4制备的润滑剂CL-01~CL-04的密度变化值、表观粘度变化值和荧光虽然控制在指标范围内,但极压润滑降低率与指标值差距较大;而市售的植物油润滑剂KD-21C仅关注极压润滑降低率和荧光指标,对基浆的密度和表观粘度变化值影响较大,容易造成钻井液性能恶化。
(二)将实施例1~4制备的梳状丙烯酸酯共聚物润滑剂产品Lub-01~Lub-04,对比例1~4制备的润滑剂CL-01~CL-04,以及市售植物油润滑剂分别加入至钻井液中,测试其在钻井液中的性能表现。其中,不添加润滑剂的上述钻井液体系作为空白对照组。
制备钻井液体系:向400重量份水中边搅拌边依次间隔10分钟加入4wt%膨润土(满足GB5005-2010要求)、0.1wt%NaCO3(分析纯)、0.5wt%NaOH(分析纯)、1wt%聚阴离子纤维素Pac-LV(购自重庆力宏精细化工有限公司)、3wt%磺化沥青(购自河南新乡富邦油田化学品有限公司)、2wt%聚合醇BZ-YRH(购自渤海钻探工程有限公司)、1wt%的上述润滑剂、7wt%KCl(分析纯)和28wt%NaCl(分析纯),搅拌均匀后用重晶石加重至钻井液密度为2.0g/cm3。
(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AV=0.5Nφ600;塑性粘度PV=Nφ600-Nφ300;动切力YP=0.511(Nφ300-PV);动塑比=YP/PV。
(2)滤失量测试:采用六联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。
上述各项的具体测试结果如下表2所示。
表2:
通过表2的测试结果可以看出,实施例1~4制备的梳状丙烯酸酯共聚物润滑剂具有较好的降粘效果,有效改善钻井液体系流变性的同时还降低钻井液压体系的滤失量。
以上详细描述了本发明的优选实施方式,但本发明并不限于此。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。