CN113493681B

CN113493681B - 一种水基钻井液用微乳液减摩降阻剂

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Publication number: CN113493681B
Application number: CN202010269996.1A
Authority: CN
Inventors: 封心领; 王康; 袁俊秀; 徐冬梅
Original assignee: China Petroleum and Chemical Corp; Research Institute of Sinopec Nanjing Chemical Industry Co Ltd
Current assignee: China Petroleum and Chemical Corp; Research Institute of Sinopec Nanjing Chemical Industry Co Ltd
Priority date: 2020-04-08
Filing date: 2020-04-08
Publication date: 2023-01-31
Anticipated expiration: 2040-04-08
Also published as: CN113493681A

Abstract

本发明涉及一种水基钻井液用微乳液型减摩降阻剂，本发明的水基钻井液用微乳液型减摩降阻剂按重量百分比：20%‑40%主表面活性剂、5%‑15%助表面活性剂、1%‑8%油溶性极压抗磨剂、2%‑10%油溶性抗腐蚀剂，1%‑3%金属减活剂，余量为水。本发明减摩降阻剂具有良好的润滑及减摩抗磨效果，能够应用于大位移水平井、定向井及复杂结构井的钻井作业。

Description

一种水基钻井液用微乳液减摩降阻剂

技术领域

本发明涉及一种水基钻井液用微乳液减摩降阻剂，本发明制备的微乳液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。

文献钻井液用微乳液润滑剂NE的研究与应用公开了一种微乳液润滑剂，采用Span80与Tween80的混合物作为主表面活性剂，正丁醇作为助表面活性剂，Gemini季铵盐型表面活性剂GTN为乳液电性调节剂，5#白油为油相加入到水中搅拌均匀制得微乳液高效润滑剂。

中国专利201610391782.5公开了一种环保微乳液润滑剂及其制备方法，微乳液润滑剂由精炼地沟油、表面活性剂、无机盐、正丁醇和水组成。

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份是高分子润滑材料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加表面活性剂制备而成，这种润滑剂在水基泥浆中以乳液或微乳液的形式存在，解决了油性剂在水中分散的问题，但是这种润滑剂普遍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。

此外，这些润滑剂仅考虑到如何解决润滑的效果，却忽视了润滑剂剂会造成钻具的腐蚀，有些润滑剂本身具有一定的腐蚀性，而有些润滑剂在大斜度、大位移定向井和水平井钻进过程中瞬间摩擦造成的高温，导致润滑剂的分解，产生腐蚀性物质，也会造成钻具的腐蚀。

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、腐蚀的问题，提供一种水基钻井液用微乳液型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：一种水基钻井液用微乳液型减摩降阻剂，按重量百分比，30%-50%主表面活性剂、5%-15%助表面活性剂、1%-3%油溶性极压抗磨剂、2%-10%油溶性抗腐蚀剂，1%-3%金属减活剂，余量为水。

所述的主表面活性剂为油酸三乙醇胺单酯、油酸三乙醇胺皂、油酸三乙醇胺双酯中的一种或多种混合。

所述的助表面活性剂为丙醇、异丙醇、正丁醇、异丁醇、正戊醇中的一种或多种混合。

所述的油溶性极压抗磨剂为2-氨基-1-丁醇与五氧化二磷、二氯化钼以及油酸四种物质反应产物。

所述的油溶性抗腐蚀剂为二烷基二硫代磷酸锌、二烷基二硫代胺基甲酸锌、二烷基二硫代胺基甲酸铬中的一种或多种混合。

所述的金属减活剂为2,5-二（烷基二硫代）3,4-噻二唑。

所述的微乳液型减摩降阻剂制备方法为：依次将20%-40%主表面活性剂、5%-15%助表面活性剂、1%-8%油溶性极压抗磨剂、2%-10%油溶性抗腐蚀剂，1%-3%金属减活剂加入到水中充分搅拌均匀即得到微乳液型减摩降阻剂。

本发明提供的水基钻井液用微乳液型减摩降阻剂，应用于水基钻井液体系。

所述的微乳液型减摩降阻剂在水基钻井液中的用量为0.3%-2%w/v。

本发明公开的一种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。

以下实施例1-10以及对比例2中，油溶性极压抗磨剂为2-氨基-1-丁醇与五氧化二磷、二氯化钼以及油酸四种物质反应产物。

实施例1

以重量百分比为100%计，向反应釜中依次将20%油酸三乙醇胺单酯、5%异丙醇、1%油溶性极压抗磨剂、2%二烷基二硫代磷酸锌、1%2,5-二（烷基二硫代）3,4-噻二唑加入到水中，搅拌均匀即为水基钻井液用微乳液型减摩降阻剂。

实施例2

以重量百分比为100%计，向反应釜中依次将40%油酸三乙醇胺单酯、15%异丙醇、8%油溶性极压抗磨剂、10%二烷基二硫代磷酸锌、3%2,5-二（烷基二硫代）3,4-噻二唑加入到水中，搅拌均匀即为水基钻井液用微乳液型减摩降阻剂。

实施例3

以重量百分比为100%计，向反应釜中依次将30%油酸三乙醇胺皂、15%正丁醇、5%油溶性极压抗磨剂、8%二烷基二硫代胺基甲酸锌、3%2,5-二（烷基二硫代）3,4-噻二唑加入到水中，搅拌均匀即为水基钻井液用微乳液型减摩降阻剂。

实施例4

以重量百分比为100%计，向反应釜中依次将25%油酸三乙醇胺双酯、10%正戊醇、4%油溶性极压抗磨剂、7%二烷基二硫代胺基甲酸铬、2%2,5-二（烷基二硫代）3,4-噻二唑加入到水中，搅拌均匀即为水基钻井液用微乳液型减摩降阻剂。

实施例5

以重量百分比为100%计，向反应釜中依次将25%油酸三乙醇胺单酯、10%丙醇、8%油溶性极压抗磨剂、10%二烷基二硫代磷酸锌、3%2,5-二（烷基二硫代）3,4-噻二唑加入到水中，搅拌均匀即为水基钻井液用微乳液型减摩降阻剂。

实施例6

以重量百分比为100%计，向反应釜中依次将40%油酸三乙醇胺单酯、10%异丁醇、8%油溶性极压抗磨剂、10%二烷基二硫代胺基甲酸锌、3%2,5-二（烷基二硫代）3,4-噻二唑加入到水中，搅拌均匀即为水基钻井液用微乳液型减摩降阻剂。

实施例7

以重量百分比为100%计，向反应釜中依次将30%油酸三乙醇胺双酯、10%正丁醇、1%油溶性极压抗磨剂、2%二烷基二硫代磷酸锌、1%2,5-二（烷基二硫代）3,4-噻二唑加入到水中，搅拌均匀即为水基钻井液用微乳液型减摩降阻剂。

实施例8

以重量百分比为100%计，向反应釜中依次将40%油酸三乙醇胺双酯、10%正丁醇、8%油溶性极压抗磨剂、10%二烷基二硫代磷酸锌、3%2,5-二（烷基二硫代）3,4-噻二唑加入到水中，搅拌均匀即为水基钻井液用微乳液型减摩降阻剂。

实施例9

以重量百分比为100%计，向反应釜中依次将20%油酸三乙醇胺皂、5%异丙醇、1%油溶性极压抗磨剂、2%二烷基二硫代胺基甲酸铬、1%2,5-二（烷基二硫代）3,4-噻二唑加入到水中，搅拌均匀即为水基钻井液用微乳液型减摩降阻剂。

实施例10

以重量百分比为100%计，向反应釜中依次将40%油酸三乙醇胺皂、10%异丁醇、8%油溶性极压抗磨剂、10%二烷基二硫代胺基甲酸铬、3%2,5-二（烷基二硫代）3,4-噻二唑加入到水中，搅拌均匀即为水基钻井液用微乳液型减摩降阻剂。

实施例11

以重量百分比为100%计，向反应釜中依次将30%油酸三乙醇胺单酯、8%正丁醇、7%油溶性抗磨剂、5%二烷基二硫代磷酸锌、5%二烷基二硫代胺基甲酸锌、3%2,5-二（烷基二硫代）3,4-噻二唑加入到水中，搅拌均匀即为水基钻井液用微乳液型减摩降阻剂。

实施例12

以重量百分比为100%计，向反应釜中依次将40%油酸三乙醇胺双酯、9%异丙醇、6%油溶性极压抗磨剂、3%二烷基二硫代磷酸锌、7%二烷基二硫代胺基甲酸铬、3%2,5-二（烷基二硫代）3,4-噻二唑加入到水中，搅拌均匀即为水基钻井液用微乳液型减摩降阻剂。

测试例

常温下，利用纳米粒度仪测量实施例8不同浓度微乳液减摩降阻剂稀释到水中形成液滴的平均粒径，测试结果见表1：

表1 微乳液减摩降阻剂粒径测试结果

浓度/%	平均粒径/nm
		0.5	48
1.0	53
		2.0	58

测试结果表明，微乳液减摩降阻剂粒径的平均粒径在100nm以下。

对比例1

以重量百分比为100%计，向反应釜中依次将40%油酸三乙醇胺单酯、15%异丙醇、30%5^#白油、加入到水中，搅拌均匀即为水基钻井液用微乳液型润滑剂。

对比例2

以重量百分比为100%计，向反应釜中依次将40%油酸三乙醇胺单酯、15%异丙醇、8%油溶性极压抗磨剂，加入到水中，搅拌均匀即为水基钻井液用微乳液型润滑剂。

对比例3

将38%水倒入反应釜中，然后在2000r/min-3000 r/min的搅拌速度下缓慢将十二烷基苯磺酸钠与司盘80按比例5:2加入反应釜中，总量为10%，待混合均匀后，缓慢的加入2%的氯化钠，完全溶解后，加入20%的正丁醇和30%的矿物油，静置5-10小时。

对比例4

向反应釜中依次加入40gⅡ类基础油、40g二巯基噻二唑二聚体、10g甲苯基三唑，边搅拌边加入5g司盘-80、5g吐温-20，搅拌均匀得到极压润滑剂。

对比例5

一种封堵型极压润滑剂，以重量百分比为100wt％计，向反应釜中加入80wt％的改性棉籽油、5wt％的司盘80、4wt％的OP-10、3wt％的T405、8%的妥尔油脂肪酸，充分搅拌混合均匀制得。

性能测试

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，加入微乳液减摩降阻剂（润滑剂）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：

------------- （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——基浆加入微乳液减摩降阻剂试验后磨柱质量，g。

同时测量磨斑大小。

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微乳液减摩降阻剂（润滑剂）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。

×100------------- （2）

式中：

η ——润滑系数降低率，%；

w ₀——基浆的润滑系数；

w₁ ——基浆加入微乳液减摩降阻剂后的润滑系数。

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2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2 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，加入微乳液减摩降阻剂（润滑剂）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：

- ------------- （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。

同时测试磨斑大小。

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。

------------- （5）

式中：

η——润滑系数降低率，%；

w₂——加重钻井液的润滑系数；

w3——加重钻井液加入微乳液减摩降阻剂后的润滑系数。

测试结果见表3。

表3 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/%	磨斑直径/mm	润滑系数降低率/%	磨矢量降低率/%（加重浆）	磨斑直径（加重浆）	润滑系数降低率/%（加重浆）
							基浆	--	9.5
加重基浆				--	11.0
							实施例1样品	98.9	2.0	94.2	79.5	3.2	81.0
实施例2样品	99.9	1.5	96.5	85.6	2.6	85.2
							实施例3样品	99.1	1.9	95.3	82.1	2.8	81.3
实施例4样品	98.9	2.0	94.5	80.5	2.9	79.2
							实施例5样品	99.5	1.7	95.8	83.4	2.7	83.4
实施例6样品	99.8	1.6	95.3	85.6	2.6	84.9
							实施例7样品	98.0	2.1	94.2	78.5	3.3	80.0
实施例8样品	99.9	1.4	96.5	88.5	2.4	87.5
							实施例9样品	98.9	2.0	94.0	79.5	3.2	80.2
实施例10样品	99.9	1.5	96.2	87.6	2.3	86.5
							实施例11样品	99.5	1.7	94.6	82.6	2.7	82.6
实施例12样品	99.2	1.8	94.2	82.4	2.7	82.1
							对比例1	78.8	5.2	83.6	41.5	6.8	65.4
对比例2	90.4	2.3	93.5	72.5	3.6	74.8
							对比例3	81.6	5.0	87.5	43.6	6.7	58.2
对比例4	90.2	2.4	88.6	71.9	3.8	68.5
							对比例5	88.7	2.5	89.2	68.6	4.2	72.6

从表3可以看出，微乳液型减摩降阻剂具有无论是在基浆还是加重钻井液中均具有良好的润滑及抗磨减摩作用。

Claims

1.一种水基钻井液用微乳液型减摩降阻剂，其特征在于所述的微乳液型减摩降阻剂组成为：按重量百分比，20%-40%主表面活性剂、5%-15%助表面活性剂、1%-8%油溶性极压抗磨剂、2%-10%油溶性抗腐蚀剂，1%-3%金属减活剂，余量为水；所述的主表面活性剂为油酸三乙醇胺单酯、油酸三乙醇胺皂、油酸三乙醇胺双酯中的一种或多种混合；所述的助表面活性剂为丙醇、异丙醇、正丁醇、异丁醇、正戊醇中的一种或多种混合；所述的油溶性极压抗磨剂为2-氨基-1-丁醇与五氧化二磷、二氯化钼以及油酸四种物质反应产物；所述的油溶性抗腐蚀剂为二烷基二硫代磷酸锌、二烷基二硫代胺基甲酸锌、二烷基二硫代胺基甲酸铬中的一种或多种混合；所述的金属减活剂为2,5-二（烷基二硫代）3,4-噻二唑。

2.根据权利要求1所述水基钻井液用微乳液型减摩降阻剂的制备方法，其特征是向反应釜中依次将30%-40%主表面活性剂、5%-15%助表面活性剂、1%-3%油溶性极压抗磨剂、2%-10%油溶性抗腐蚀剂，1%-3%金属减活剂加入到水中充分搅拌均匀即得到微乳液型减摩降阻剂。

3.如权利要求1所述水基钻井液用微乳液型减摩降阻剂的应用，其特征是用于水基钻井液体系。

4.如权利要求3所述的应用，其特征是微乳液型减摩降阻剂在水基钻井液中的用量为0.3%-2%w/v。