CN113265023B - 一种钻井液用纳米润滑剂及其制备方法和应用 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种钻井液用纳米润滑剂及其制备方法和应用，该制备方法主要包括以下步骤：将阴离子单体、含氟单体和溶剂加入反应装置中，搅拌均匀，然后于惰性气体氛围下加入引发剂进行反应，反应结束后冷却至室温，再经后处理，即得到钻井液用纳米润滑剂。该制备方法具有制备路线简单、反应条件温和、产物纯度高、后处理操作简单、易实现大规模生产的特点；本发明中纳米润滑剂表面带有阴离子官能团和含氟官能团，两者协同作用降低钻井液与井壁的摩擦阻力，提高润滑性能效果显著，使其兼具分散稳定性能和润滑性能，在钻井液中加量为1％时，润滑系数降低率大于81％；同时含氟官能团的引入，使其具有耐高温性能，耐温达195℃以上。

Description

一种钻井液用纳米润滑剂及其制备方法和应用
技术领域
本发明涉及润滑剂技术领域，具体涉及到一种钻井液用纳米润滑剂及其制备方法和应用。
背景技术
钻井液用润滑剂主要用于钻井过程中，起到降低钻井液的流动阻力和滤饼摩阻系数，减少钻头扭矩，提高其水马力，防止卡钻的作用。随着油气资源勘探开发向深层、超深层等复杂地质条件推进，钻井液面临的工作环境越来越恶劣。在深层、超深层钻井过程中，钻具摩阻更加突出，润滑剂的作用愈加重要，甚至成为制约深层、超深层钻井液的顺利钻井的关键因素。
目前，常见钻井液主要有油脂类和表面活性剂等，也有少量微纳米颗粒作为润滑剂。润滑原理主要是通过降低流体界面阻力，或者通过滚动摩擦，提高流动性。但目前常见润滑剂难以满足深层、超深层钻井液的润滑。深层、超深层钻井面临钻井温度高、压力高、摩阻高、钻井液循环较慢等特性，亟需研发耐高温，并可显著降低摩擦系数的润滑剂。
发明内容
针对上述不足，本发明的目的是提供一种钻井液用纳米润滑剂及其制备方法和应用，可有效解决现有钻井液用润滑剂中存在的不耐高温、润滑性能效果差和无法适用于深层、超深层钻井液的问题。
为达上述目的，本发明采取如下的技术方案：
本发明提供一种钻井液用纳米润滑剂的制备方法，包括以下步骤：将阴离子单体、含氟单体和溶剂加入反应装置中，搅拌均匀，然后于惰性气体氛围下加入引发剂，在70℃～100℃温度下反应2～6小时，冷却至室温，再经后处理，即得到钻井液用纳米润滑剂。
进一步地，阴离子单体和含氟单体的摩尔比2～5:1，优选为3:1。
进一步地，阴离子单体为丙烯酸盐、乙烯基磺酸盐、甲基丙烯磺酸盐、苯乙烯磺酸盐或2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸盐；优选为丙烯酸钠、乙烯基磺酸钠、甲基丙烯磺酸钠、苯乙烯磺酸钠和2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸钠中的一种。
进一步地，含氟单体为四氟乙酸乙烯酯、丙烯酸三氟乙酯、三氟乙酸丙烯酯、丙烯酸四氟丙酯、丙烯酸六氟丁酯或甲基丙烯酸三氟乙酯。
进一步地，引发剂的质量占阴离子单体和含氟单体两者总质量的0.5～2wt％。
进一步地，引发剂为过氧化物引发剂，包括有机过氧化物引发剂和无机过氧化物引发剂，如过氧化苯甲酰、过硫酸铵、过硫酸钾、过硫酸钠等；优选为过硫酸盐类引发剂。
进一步地，溶剂为水与有机溶剂的混合溶剂；其中，水含量为94wt％～98wt％。
进一步地，有机溶剂为N,N-二甲基甲酰胺、N-甲基吡咯烷酮和二甲基亚砜中的至少一种。
进一步地，反应温度优选为80℃～94℃，反应时间优选为3～5小时。
进一步地，后处理的具体过程为：向反应完成后所得的混合溶液中加入2.3～2.8倍体积的乙醇，充分搅拌后过滤，然后将滤出物在50℃～74℃真空干燥8～10小时，即可得到钻井液用纳米润滑剂。
本发明还提供上述制备方法制得的钻井液用纳米润滑剂。
本发明还提供上述钻井液用纳米润滑剂在钻井领域中的应用。
本发明具有以下优点：
1、本发明提供了一种钻井液用纳米润滑剂的制备方法，制备技术路线简单，反应条件温和，容易实现大规模生产；
2、本发明制备过程中无表面活性剂加入，所得产物纯度高，制备完后后处理操作简单；
3、本发明中溶剂中大部分含量(94wt％～98wt％)为水，大大减少了有机溶剂后处理困难和对地层造成污染的问题；
4、本发明提供了一种钻井液用纳米润滑剂，该纳米润滑剂表面带有阴离子官能团和含氟官能团，阴离子官能团提高润滑剂在钻井液中的分散性能和稳定性能；含氟官能团通过低表面能特性，降低钻井液的内摩擦力，兼具分散稳定性能和润滑性能；同时含氟官能团的引入，提高了纳米润滑剂的耐高温性能，耐温达到195℃以上；
5、在钻井液流动过程中，本发明中的纳米润滑剂的滚动摩擦结合含氟官能团的疏水作用，两者协同作用降低钻井液与井壁的摩擦阻力，提高润滑性能效果显著，在钻井液中加量为1％时，润滑系数降低率大于81％；
6、在地层泥饼中，本发明中的纳米润滑剂通过阴离子吸附在井壁表面，含氟官能团被固定在井壁表面形成疏水层，起到降滤失剂和抑制剂的作用。
附图说明
图1为本发明中钻井液用纳米润滑剂的TEM图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明，即所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。
因此，以下对提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1
本例提供一种钻井液用纳米润滑剂的制备方法，具体包括以下步骤：向装有机械搅拌器、球形冷凝管和N2入口的三颈瓶中依次加入2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸钠25g和四氟乙酸乙烯酯5g(质量比为5：1)，加入175mL水和N,N-二甲基甲酰胺的混合溶剂(其中水含量为94wt％)，混合搅拌5min；N2气体氛围下，再向其中加入过硫酸铵，其质量占单体总量的0.5wt％，然后升温至94℃并恒温反应5h后冷却至室温，向反应完成后所得的混合溶液中加入2.5倍体积的乙醇，充分搅拌后过滤，然后将滤出物在60℃真空干燥8小时，即可得到钻井液用纳米润滑剂，(产物纯度为97％)。
本例制得的钻井液用纳米润滑剂的TEM图如图1所示，由图1可知，本发明中的纳米润滑剂通过阴离子吸附在井壁表面，含氟官能团被固定在井壁表面形成疏水层。
实施例2
本例提供一种钻井液用纳米润滑剂的制备方法，具体包括以下步骤：向装有机械搅拌器、球形冷凝管和N2入口的三颈瓶中依次加入乙烯基磺酸钠23g和丙烯酸三氟乙酯2.3g(质量比为10：1)，加入180mL水和N-甲基吡咯烷酮的混合溶剂(其中水含量为95wt％)，混合搅拌5min；N2气体氛围下，再向其中加入过硫酸铵，其质量占单体总量的1.5wt％，开始升温至85℃并恒温反应3h后冷却至室温，向反应完成后所得的混合溶液中加入2.3倍体积的乙醇，充分搅拌后过滤，然后将滤出物在50℃真空干燥8小时，即可得到钻井液用纳米润滑剂，(产物纯度为95％)。
实施例3
本例提供一种钻井液用纳米润滑剂的制备方法，具体包括以下步骤：向装有机械搅拌器、球形冷凝管和N2入口的三颈瓶中依次加入苯乙烯磺酸钠30g和三氟乙酸丙烯酯2g(质量比为15：1)，加入275mL水和二甲基亚砜的混合溶剂(其中水含量为96wt％)混合搅拌5min；N2气体氛围下，再向其中加入过硫酸铵，其质量占单体总量的2wt％，开始升温至80℃并恒温反应4h后冷却至室温，向反应完成后所得的混合溶液中加入2.8倍体积的乙醇，充分搅拌后过滤，然后将滤出物在74℃真空干燥10小时，，即可得到钻井液用纳米润滑剂(产物纯度为98％)。
实施例4
本例提供一种钻井液用纳米润滑剂的制备方法，具体包括以下步骤：向装有机械搅拌器、球形冷凝管和N2入口的三颈瓶中依次加入甲基丙烯磺酸钠42g和丙烯酸四氟丙酯2.1g(质量比为20：1)，加入375mL水和N,N-二甲基甲酰胺的混合溶剂(其中水含量为97wt％)混合搅拌5min；N2气体氛围下，再向其中加入过硫酸铵，其质量占单体总量的1wt％，开始升温至85℃并恒温反应4h后冷却至室温，经后处理(与实施例1相同)，即可得到钻井液用纳米润滑剂(产物纯度为94％)。
实施例5
本例提供一种钻井液用纳米润滑剂的制备方法，具体包括以下步骤：向装有机械搅拌器、球形冷凝管和N2入口的三颈瓶中依次加入乙烯基磺酸钠25g和丙烯酸六氟丁酯1g(质量比为25：1)，加入125mL水和N,N-二甲基甲酰胺的混合溶剂(其中水含量为96wt％)混合搅拌5min；N2气体氛围下，再向其中加入过硫酸铵，其质量占单体总量的0.5wt％，开始升温至94℃并恒温反应4h后冷却至室温，经后处理(与实施例1相同)，即可得到钻井液用纳米润滑剂(产物纯度为96％)。
实施例6
本例提供一种钻井液用纳米润滑剂的制备方法，具体包括以下步骤：向装有机械搅拌器、球形冷凝管和N2入口的三颈瓶中依次加入苯乙烯磺酸钠30g和甲基丙烯酸三氟乙酯2g(质量比为15：1)，加入165mL水和N,N-二甲基甲酰胺的混合溶剂(其中水含量为96wt％)混合搅拌5min；N2气体氛围下，再向其中加入过硫酸铵，其质量占单体总量的1wt％，开始升温至85℃并恒温反应4h后冷却至室温，经后处理(与实施例1相同)，即可得到钻井液用纳米润滑剂(产物纯度为98％)。
实施例7
本例提供了一种钻井液用纳米润滑剂的制备方法，与实施例1的区别仅在于：反应温度为100℃，其余步骤及参数均相同。
实施例8
本例提供了一种钻井液用纳米润滑剂的制备方法，与实施例1的区别仅在于：反应温度为70℃，其余步骤及参数均相同。
对比例1
本例提供了一种钻井液用纳米润滑剂的制备方法，与实施例1的区别仅在于：反应温度为110℃，其余步骤及参数均相同。
对比例3
本例提供了一种钻井液用纳米润滑剂的制备方法，与实施例1的区别仅在于：2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸钠和四氟乙酸乙烯酯的摩尔比为6：1，其余步骤及参数均相同。
对比例4
本例提供了一种钻井液用纳米润滑剂的制备方法，与实施例1的区别仅在于：2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸钠和四氟乙酸乙烯酯的摩尔比为1：1，其余步骤及参数均相同。
实验例
本例考察了本发明中实施例1-3、对比例1-4所得的润滑剂和市售钻井液用润滑剂(产品为沙克石油公司的MEGALUBETMPRO)的抗温能力和润滑性能效果，测试结果如下表1所示，其中，钻井液中加量为1％体积比。
表1抗温能力和润滑性能测试结果
编号 抗温能力 润滑系数降低率
实施例1 185℃ 67％
实施例2 195℃ 81％
实施例3 190℃ 72％
对比例1 174℃ 71％
对比例2 171℃ 64％
对比例3 165℃ 65％
对比例4 168℃ 62％
市售产品 193℃ 79％
由表可知，实施例1-3测试结果表明：本发明制得的纳米润滑剂具有优异的耐高温性和润滑性能，抗温能力可达195℃，润滑系数降低率可达81％，且优于目前市面上的市售产品。对比例1-4所得的纳米润滑剂的耐高温性和润滑性能明显下降，这是由于反应温度过高时(对比例1)，反应速率快速提高，发生暴聚现象，同时过快的反应速率使得引发剂过早分解完毕，导致反应不完全，影响最终制得的纳米润滑剂的性能；反应温度过低时(对比例2)会导致反应慢且不完全，影响所得纳米润滑剂的尺寸大小，从而降低其抗温能力和润滑性能；当阴离子单体和含氟单体的用量比例过高或过低时(对比例3和对比例4)，使得所制得纳米润滑剂表面中阴离子官能团和含氟官能团的数量比例发生改变，减弱了两者相互间的协同作用，从而引起其抗温能力和润滑性能变差。
以上内容仅仅是对本发明结构所作的举例和说明，所属本领域的技术人员不经创造性劳动即对所描述的具体实施例做的修改或补充或采用类似的方式替代仍属本专利的保护范围。

Claims (7)

1.一种钻井液用纳米润滑剂的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：将阴离子单体、含氟单体和溶剂加入反应装置中，搅拌均匀，然后于惰性气体氛围下加入引发剂，在70℃~100℃温度下反应2~6小时，冷却至室温，再经后处理，即得到钻井液用纳米润滑剂；所述阴离子单体和含氟单体的摩尔比2~5:1；所述阴离子单体为丙烯酸盐、乙烯基磺酸盐、甲基丙烯磺酸盐、苯乙烯磺酸盐或2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸盐；所述含氟单体为四氟乙酸乙烯酯、丙烯酸三氟乙酯、三氟乙酸丙烯酯、丙烯酸四氟丙酯、丙烯酸六氟丁酯或甲基丙烯酸三氟乙酯。
2.如权利要求1所述的钻井液用纳米润滑剂的制备方法，其特征在于，所述引发剂的质量占阴离子单体和含氟单体两者总质量的0.5～2 wt%。
3.如权利要求2所述的钻井液用纳米润滑剂的制备方法，其特征在于，所述引发剂为过氧化物引发剂。
4.如权利要求1所述的钻井液用纳米润滑剂的制备方法，其特征在于，所述溶剂为水与有机溶剂的混合溶剂；其中，水含量为94wt%~98wt%。
5.如权利要求4所述的钻井液用纳米润滑剂的制备方法，其特征在于，所述有机溶剂为N,N-二甲基甲酰胺、N-甲基吡咯烷酮和二甲基亚砜中的至少一种。
6.采用权利要求1-5任一项所述的钻井液用纳米润滑剂的制备方法制得的钻井液用纳米润滑剂。
7.权利要求6所述的钻井液用纳米润滑剂在钻井领域中的应用。
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