CN111560238A - 一种环境友好型钻井液润滑剂及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

公开了一种钻井液润滑剂，包括阳离子烷基糖苷和季铵化纳米二氧化硅。此外，还公开了上述钻井液润滑剂的制备方法，包括：将阳离子烷基糖苷和季铵化纳米二氧化硅混合均匀。钻井液润滑剂不仅具有优异润滑性能，而且具有优异的抑制性能。本发明各组分在提供优异润滑性能和抑制性能时产生了良好的配合作用。

Description

一种环境友好型钻井液润滑剂及其制备方法
技术领域
本发明属于石油、天然气及地质勘探开发技术领域；涉及一种钻井液润滑剂及其制备方法；更具体地，涉及一种环境友好型钻井液润滑剂及其制备方法。
背景技术
近年来，随着油气埋藏地质条件日益复杂，油气勘探开发难度也不断增加。特别是在当前情况下，各种深井、超深井、水平井、从式井、定向井和大斜度井日益增多，钻杆柱在钻井中起钻或下钻时，将不可避免地与套管内壁接触而产生旋转阻力和提拉阻力，从而分别造成钻杆柱的横向和纵向滑动磨损。这不仅会极大影响钻进速度和井眼轨迹控制，同时也威胁到钻井施工的安全环境。
此外，在上述各类复杂钻井中，尤其在涉及泥页岩或含泥页岩地层的情形，泥页岩的水化膨胀和分散容易导致井壁失稳、钻头泥包和井眼净化等一系列问题，从而增加了钻进难度。
为了改善钻头与岩石、钻井柱与井壁之间的摩擦阻力以及井壁失稳等问题，提高钻进速度和井眼轨迹控制效果，通常需要加入润滑剂和/或抑制剂等钻井液处理剂。
作为润滑剂，主要包括惰性固体润滑剂和液体类润滑剂。前者主要包括塑料、小球、石墨、炭黑和玻璃微珠等。这类产品具有较高的抗压强度，在钻井液中呈现惰性，但这类固体润滑剂在水中难以均匀分散，同时受到尺寸限制，容易在钻井过程中破坏，具有一定的局限性。后者主要包括矿物油、植物油和表面活性剂。然而，矿物油不容易被生物降解，会对环境造成污染。随着全球环保要求日益严格，矿物油已被禁止使用。在这种形势下，在钻井液中添加环境友好型的润滑剂，是实现绿色、安全、高效钻井的最有效手段之一。近年来，烷基糖苷类表面活性剂逐渐用于钻井或修井施工。相比同类钻井液，具有较高的固相容量；易生物降解，无毒环保。然而烷基糖苷加量较高(不小于35％，适宜用量为45％-60％)，导致钻井液成本高企，推广应用受到限制。
作为抑制剂，主要包括无机盐类抑制剂、沥青类抑制剂和聚合醇类抑制剂。然而，上述这些页岩抑制剂仍然存在一些不足和其它各种限制条件。例如，无机盐类抑制剂使得钻井液体系的流变性难以控制；沥青类抑制剂不利于保护环境；而聚乙二醇类抑制剂难以解决活性泥页岩的钻井问题。近年来，胺类和糖苷类抑制剂对泥页岩的水化膨胀具有一定的抑制作用，正受到人们越来越多的关注。
为了充分发挥钻井液处理剂的润滑和/或抑制作用，人们主要采取以下两种技术思路：第一，同时加入润滑剂和抑制剂；第二，加入兼具润滑和抑制作用的同一钻井液处理剂。
针对前者，中国专利申请CN1786102A公开了一种具有润滑抑制双重作用的钻井液用聚合醇润滑抑制剂，包括起润滑作用的聚合醇A和起抑制作用的聚合醇B；其中，聚合醇A为浊点为5-20℃的聚氧乙烯脂肪酸酯或聚氧丙烯脂肪酸酯；聚合醇B分别70-90℃的聚氧乙烯脂肪醇或聚氧丙烯脂肪醇。二者的重量比分别为1-50％和50-90％。上述聚合醇润滑抑制剂以8％的比例加至基浆时，润滑系数降低率为45％，表现出良好的润滑性能；然而，该聚合醇润滑抑制剂的钻屑回收率仅在30％左右，仍然不能令人满意。
针对后者，中国专利申请CN101717622A公开了一种含有甲基葡萄糖苷类化合物的钻井液用润滑抑制剂，其为环状单体聚糖类高分子衍生物，分子中同时具有亲水和亲油基团，热稳定性好，无环境污染，可以在井壁上形成一层独特的半透膜，从而具有更优异的抑制润滑作用。然而，上述润滑抑制剂的非极性基团太短，疏水性较弱，难以有效地将井壁与钻井液隔离起来，导致其抑制泥页岩水化膨胀和分散的能力不足。
此外，中石化中原石油工程公司自主研发了聚醚胺基烷基糖苷处理剂，该处理剂在烷基糖苷基础上，通过分子设计和合成设计，得到了一类性能优良的环境友好型钻井液处理剂。该处理剂在3％的加量情况下就能获得高于97％的页岩回收率，即在加量较低的情况下就能抑制页岩的水化膨胀系数。然而，该处理剂的润滑性能仍然不能令人满意。
针对现有技术的上述缺陷，需要寻找一种兼具优异润滑性能和抑制性能的环境友好型钻井液润滑剂及其制备方法。
发明内容
针对上述问题，本发明目的在于提供一种环境友好型钻井液润滑剂及其制备方法。
为实现上述目的，一方面，本发明采取以下技术方案：一种钻井液润滑剂，包括阳离子烷基糖苷和季铵化纳米二氧化硅。
根据本发明所述的钻井液润滑剂，其中，所述阳离子烷基糖苷具有以下化学结构式：
Figure BDA0002480566410000041
R为H或烷基。
优选地，R为烷基；更优选地，R为C1-8烷基；以及，最优选地，R为C1-4烷基。
在一个具体的实施方式中，R为甲基。
在本发明中，所述阳离子烷基糖苷按照司西强等人(《精细石油化工进展》，2011，12(11)，P27-31)一文所记载的先苷化再季铵化方法得到。
根据本发明所述的钻井液润滑剂，其中，所述季铵化纳米二氧化硅由甲基丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵、苯乙烯与包含可聚合双键的纳米二氧化硅聚合而成。
根据本发明所述的钻井液润滑剂，其中，甲基丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵、苯乙烯与包含可聚合双键的纳米二氧化硅的重量比为(0.06-0.10):(0.24-0.32):(0.58-0.70)。
优选地，甲基丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵、苯乙烯与包含可聚合双键的纳米二氧化硅的重量比为(0.065-0.095):(0.25-0.31):(0.60-0.68)；
更优选地，甲基丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵、苯乙烯与包含可聚合双键的纳米二氧化硅的重量比为(0.07-0.09):(0.26-0.30):(0.62-0.66)；以及，
最优选地，甲基丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵、苯乙烯与包含可聚合双键的纳米二氧化硅的重量比为(0.075-0.085):(0.27-0.29):(0.63-0.65)。
在一个具体的实施方式中，甲基丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵、苯乙烯与包含可聚合双键的纳米二氧化硅的重量比为0.08:0.28:0.64。
根据本发明所述的钻井液润滑剂，其中，所述聚合的反应条件为：70-90℃，反应时间3-7h。
优选地，所述聚合的反应条件为：72-88℃，反应时间3.5-6.5h；
更优选地，所述聚合的反应条件为：74-86℃，反应时间4-6h；以及，
最优选地，所述聚合的反应条件为：75-85℃，反应时间4.5-5.5h。
在一个具体的实施方式中，所述聚合的反应条件为：80℃，反应时间5h。
根据本发明所述的钻井液润滑剂，其中，所述包含可聚合双键的纳米二氧化硅由纳米二氧化硅与包含可聚合双键的硅烷偶联剂反应得到。
在一个具体的实施方式中，所述硅烷偶联剂选自KH570，即化学名称为γ-甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷的硅烷偶联剂。
根据本发明所述的钻井液润滑剂，其中，所述纳米二氧化硅与硅烷偶联剂的重量比为1:(0.12-0.20)。
优选地，所述纳米二氧化硅与硅烷偶联剂的重量比为1:(0.13-0.19)；
更优选地，所述纳米二氧化硅与硅烷偶联剂的重量比为1:(0.14-0.18)；以及，
最优选地，所述纳米二氧化硅与硅烷偶联剂的重量比为1:(0.15-0.17)。
在一个具体的实施方式中，所述纳米二氧化硅与硅烷偶联剂的重量比为1:0.16。
根据本发明所述的钻井液润滑剂，其中，所述反应条件为：70-80℃，反应时间1-5h。
优选地，所述反应条件为：72-78℃，反应时间1.5-4.5h；
更优选地，所述反应条件为：73-77℃，反应时间2-4h；以及，
最优选地，所述反应条件为：74-76℃，反应时间2.5-3.5h。
在一个具体的实施方式中，所述反应条件为：75℃，反应时间3h。
根据本发明所述的钻井液润滑剂，其中，阳离子烷基糖苷和季铵化纳米二氧化硅的重量比为(40-90):(10-50)。
优选地，阳离子烷基糖苷和季铵化纳米二氧化硅的重量比为(55-85):(15-45)；
更优选地，阳离子烷基糖苷和季铵化纳米二氧化硅的重量比为(60-80):(20-40)；以及，
最优选地，阳离子烷基糖苷和季铵化纳米二氧化硅的重量比为(65-75):(25-35)。
在一个具体的实施方式中，阳离子烷基糖苷和季铵化纳米二氧化硅的重量比70:30。
根据本发明所述的钻井液润滑剂，其中，所述纳米二氧化硅的平均粒径为10-80nm。
优选地，所述纳米二氧化硅的平均粒径为15-60nm；
更优选地，所述纳米二氧化硅的平均粒径为20-40nm；以及，
最优选地，所述纳米二氧化硅的平均粒径为25-35nm。
在一个具体的实施方式中，所述纳米二氧化硅的平均粒径为30nm。
在优选的实施方式中，所述钻井液润滑剂由阳离子烷基糖苷和季铵化纳米二氧化硅组成。
在其它优选的实施方式中，所述钻井液润滑剂任选地包括其它助剂，包括但不限于，消泡剂、分散剂和稳定剂等。
另一方面，本发明还提供了根据本发明所述钻井液润滑剂的制备方法，包括：将阳离子烷基糖苷和季铵化纳米二氧化硅混合均匀。
与现有技术相比，本发明所得到的钻井液润滑剂不仅具有优异润滑性能，而且具有优异的抑制性能。
不希望局限于任何理论，本发明的阳离子烷基糖苷和季铵化纳米二氧化硅在提供优异润滑性能和抑制性能时产生了良好的配合作用。一方面，阳离子烷基糖苷通过分子结构中的烷基、醚键、羟基以及具有静电作用的季铵阳离子而与黏土或泥页岩产生较强的相互作用，从而改善了抑制性能；此外，阳离子烷基糖苷对润滑性能同时也产生了一定程度的影响。另一方面，季铵化纳米二氧化硅通过纳米材料自身的润滑性能以及表面引入的疏水基团(苯乙烯基团)和季铵阳离子增强了钻井液与黏土或泥页岩之间的相互作用，能够有效地将井壁与钻井液隔离起来，从而有效降低了摩擦面的摩擦系数；此外，本领域技术人员同样可以预期其赋予钻井液一定的抑制性能。
本发明所述的材料、化合物、组合物和组分，可用于本发明所述的方法和组合物、或可与其结合使用、或可用于实施所述方法和制备所述组合物、或作为所述方法得到的产品。应当理解，当公开这些材料的组合、子集、相互作用、群组等时，虽然可能不会明确地具体提及这些化合物的每一个和集体组合以及排列，但是在本发明中具体考虑和描述了其中的每一个。例如，如果公开和讨论提取助剂组分，并且讨论该组分的多种另选的固态形式，则除非存在具体的相反指示，否则具体地考虑了可能的提及助剂组分和固态形式的每一种组合和排列。该概念适用于本发明的所有方面，包括但不限于在制备和使用所公开的组合物的方法中的步骤。因此，如果存在可以执行的多个另外的步骤，则应当理解，这些另外的步骤的每一个可通过所公开的方法的任一具体的实施方案或多个实施方案的组合而执行，并且具体考虑了每一个这样的组合，它们应被视为均已公开。
在本说明书及其之后的权利要求书中，将提及许多术语，它们应被定义为具有以下含义：
必须指出的是，除非上下文另外明确规定，否则如本说明书及所附权利要求中所用，单数形式“一”、“一个/种”和“该/所述”既可包括一个指代物，又可包括多个指代物(即两个以上，包括两个)。
除非另外指明，否则本发明中的数值范围为大约的，并且因此可以包括在所述范围外的值。所述数值范围可在本发明表述为从“约”一个特定值和/或至“约”另一个特定值。当表述这样的范围时，另一个方面包括从所述一个特定值和/或至另一个特定值。相似地，当通过使用先行词“约”将值表示为近似值时，应当理解，所述特定值形成另一个方面。还应当理解，数值范围中每一个的端点在与另一个端点的关系中均是重要的并独立于另一个端点。
在说明书和最后的权利要求书中提及组合物或制品中特定元素或组分的重量份是指组合物或制品中该元素或组分与任何其它元素或组分之间以重量份表述的重量关系。
除非具体指出有相反含义，或基于上下文的语境或所属技术领域内惯用方式的暗示，否则本发明中提及的所有分数以及百分比均按重量计，且组分的重量百分比基于包含该组分的组合物或产品的总重量。
本发明中提及的“包含”、“包括”、“具有”以及类似术语并不意欲排除任何可选组分、步骤或程序的存在，而无论是否具体公开任何可选组分、步骤或程序。为了避免任何疑问，除非存在相反陈述，否则通过使用术语“包含”要求的所有方法可以包括一个或多个额外步骤、设备零件或组成部分以及/或物质。相比之下，术语“由……组成”排除未具体叙述或列举的任何组分、步骤或程序。除非另外说明，否则术语“或”是指单独以及以任何组合形式列举的成员。
此外，本发明中任何所参考的专利文献或非专利文献的内容都以其全文引用的方式并入本发明，尤其关于所属领域中公开的定义(在并未与本发明具体提供的任何定义不一致的情况下)和常识。
具体实施方式
下列实施例仅仅是为了向本领域的普通技术人员提供如何制得和评价本发明所述并受权利要求书保护的化合物、组合物、制品、装置和/或方法的完整公开内容和描述，并且旨在仅仅为示例性的，而非旨在限制发明人视为其发明的范围。已做出了努力以确保关于数字(例如数量、温度等)的准确性，但是应当考虑到一些误差和偏差。
除非另外指明，否则份数均为重量份，温度均以℃表示或处于环境温度下，并且压力为大气压或接近大气压。存在反应条件(例如组分浓度、所需的溶剂、溶剂混合物、温度、压力和其它反应范围)以及可用于优化通过所述方法得到的产物纯度和收率的条件的多种变型形式和组合。将只需要合理的常规实验来优化此类方法条件。
实施例1
将平均粒径为30nm的纳米二氧化硅置于无水乙醇中，向其中滴加充分水解的KH570偶联剂水溶液。其中，纳米二氧化硅与硅烷偶联剂KH570的重量比为1:0.16。滴加完毕，调节pH值为7.4。升温至75℃，搅拌条件下反应3h，得到包含可聚合双键的纳米二氧化硅悬浮液。基于包含可聚合双键的纳米二氧化硅的湿重，分别按照0.08:0.64和0.28:0.64的重量比，向纳米二氧化硅悬浮液中加入甲基丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵和苯乙烯。然后，加入三种原料重量总和1.2wt％的2,2’-偶氮二异丁脒二盐酸盐AIBA。升温至80℃，保温反应5h。降温至室温，使用无水乙醇和去离子水各洗涤3次，抽滤后将产物在真空干燥器中干燥至恒重，得到实施例1的季铵化纳米二氧化硅。
通过IR光谱分析，季铵化纳米二氧化硅在2928cm-1、2860cm-1和1720cm-1等特征峰表示KH570偶联剂接枝在纳米二氧化硅上并参与聚合反应；1592cm-1、1490cm-1、758cm-1和697cm-1特征峰表示苯乙烯参与聚合反应；1708cm-1和1476cm-1等特征峰表示甲基丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵参与聚合反应。
按照重量比70:30，将R为甲基的阳离子烷基糖苷与实施例1的季铵化纳米二氧化硅混合均匀，得到实施例1的钻井液润滑剂。
实施例2
按照重量比80:20，将R为甲基的阳离子烷基糖苷与实施例1的季铵化纳米二氧化硅混合均匀，得到实施例2的钻井液润滑剂。
实施例3
按照重量比60:40，将R为甲基的阳离子烷基糖苷与实施例1的季铵化纳米二氧化硅混合均匀，得到实施例3的钻井液润滑剂。
比较例1
将平均粒径为30nm的纳米二氧化硅置于无水乙醇中，向其中滴加充分水解的KH570偶联剂水溶液。其中，纳米二氧化硅与硅烷偶联剂KH570的重量比为1:0.16。滴加完毕，调节pH值为7.4。升温至75℃，搅拌条件下反应3h，得到包含可聚合双键的纳米二氧化硅悬浮液。降温至室温，使用无水乙醇和去离子水各洗涤3次，抽滤后将产物在真空干燥器中干燥至恒重，得到包含可聚合双键的纳米二氧化硅。
按照重量比70:30，将R为甲基的阳离子烷基糖苷与比较例1的包含可聚合双键的纳米二氧化硅混合均匀，得到比较例1的钻井液润滑剂。
比较例2
按照重量比95:5，将R为甲基的阳离子烷基糖苷与实施例1的季铵化纳米二氧化硅混合均匀，得到比较例2的钻井液润滑剂。
比较例3
按照重量比40:60，将R为甲基的阳离子烷基糖苷与实施例1的季铵化纳米二氧化硅混合均匀，得到比较例3的钻井液润滑剂。
性能测试
将钠基膨润土与去离子水和碳酸钠(0.3wt％)配制成4wt％的膨润土基浆，然后分别加入基浆重量3wt％的实施例1-3和比较例1-3的钻井液润滑剂，分别得到相应的待测溶液。
润滑性能测试按照以下方法进行：将膨润土基浆与实施例1-3和比较例1-3所得到的待测溶液使用EP-B极压润滑仪测定各自的润滑系数降低率(％)。
抑制性能测试按照以下方法进行：将一定质量的岩屑加入实施例1-3和比较例1-3所得到的待测溶液，120℃下老化16h，降温回收岩屑，干燥后称重；将回收岩屑加入去离子水中，120℃下老化2h，降温回收岩屑，干燥后称重；分别计算一次页岩回收率(％)、二次页岩回收率(％)和相对页岩回收率(％)。
结果如表1所示。
表1
Figure BDA0002480566410000121
结果表明，与比较例1-3相比，本发明实施例1-3所得到的钻井液润滑剂不仅具有优异润滑性能，而且具有优异的抑制性能。
不希望局限于任何理论，本发明的阳离子烷基糖苷和季铵化纳米二氧化硅在提供优异润滑性能和抑制性能时产生了良好的配合作用。
一方面，阳离子烷基糖苷通过分子结构中的烷基、醚键、羟基以及具有静电作用的季铵阳离子而与黏土或泥页岩产生较强的相互作用，从而改善了抑制性能；此外，阳离子烷基糖苷对润滑性能同时也产生了一定程度的影响。
另一方面，季铵化纳米二氧化硅通过纳米材料自身的润滑性能以及表面引入的疏水基团(苯乙烯基团)和季铵阳离子增强了钻井液与黏土或泥页岩之间的相互作用，能够有效地将井壁与钻井液隔离起来，从而有效降低了摩擦面的摩擦系数；此外，本领域技术人员同样可以预期其赋予钻井液一定的抑制性能。
应理解，本发明的具体实施方式仅用于阐释本发明的精神和原则，而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明的内容之后，本领域技术人员可以对本发明的技术方案作出各种改动、替换、删减、修正或调整，这些等价技术方案同样落于本发明权利要求书所限定的范围。

Claims (10)

1.一种钻井液润滑剂，其特征在于，包括阳离子烷基糖苷和季铵化纳米二氧化硅。
2.根据权利要求1所述的钻井液润滑剂，其中，所述阳离子烷基糖苷具有以下化学结构式：
Figure FDA0002480566400000011
R为H或烷基。
3.根据权利要求1所述的钻井液润滑剂，其中，所述季铵化纳米二氧化硅由甲基丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵、苯乙烯与包含可聚合双键的纳米二氧化硅聚合而成。
4.根据权利要求3所述的钻井液润滑剂，其中，甲基丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵、苯乙烯与包含可聚合双键的纳米二氧化硅的重量比为(0.06-0.10):(0.24-0.32):(0.58-0.70)。
5.根据权利要求3所述的钻井液润滑剂，其中，所述聚合的反应条件为：70-90℃，反应时间3-7h。
6.根据权利要求3所述的钻井液润滑剂，其中，所述包含可聚合双键的纳米二氧化硅由纳米二氧化硅与包含可聚合双键的硅烷偶联剂反应得到。
7.根据权利要求6所述的钻井液润滑剂，其中，所述纳米二氧化硅与硅烷偶联剂的重量比为1:(0.12-0.20)。
8.根据权利要求1所述的钻井液润滑剂，其中，阳离子烷基糖苷和季铵化纳米二氧化硅的重量比为(40-90):(10-50)。
9.根据权利要求1所述的钻井液润滑剂，其中，所述钻井液润滑剂由阳离子烷基糖苷和季铵化纳米二氧化硅组成。
10.根据权利要求1-9所述钻井液润滑剂的制备方法，包括：将阳离子烷基糖苷和季铵化纳米二氧化硅混合均匀。
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