CN116063997B - 一种钻井液用润滑剂及其制备方法和应用 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种钻井液用润滑剂及其制备方法和应用，所述钻井液用润滑剂包括特定份数的基础油、改性剂以及极压抗磨剂的组合，并且通过限定所述极压抗磨剂为无硫磷有机钼和有机硼酸酯的组合，使得到的所述钻井液用润滑剂兼具优异的环保性能和润滑性，可以达到润滑系数降低率不低于90％的要求，填补现场钻探技术的需求，具有很大的市场前景。
Description
技术领域
本发明属于润滑剂技术领域，具体涉及一种钻井液用润滑剂及其制备方法和应用。
背景技术
近年来，大位移井、水平井、小井眼井以及深井、超深井的钻探力度不断加大，润滑与井下安全之间的矛盾愈发突出。目前，通过向钻井液中添加优质润滑剂降低井下摩阻，是预防和解决钻井安全问题的主要技术手段之一。对钻井液润滑剂而言，除要求其具备减少摩擦与磨损这两项最重要的润滑功能外，还应与基浆有良好的配伍性，对钻井液的流变性和滤失性不产生负面影响，还要具有良好的热稳定性、抗氧化性等特点，同时不能降低岩石的破碎效率；就钻井液润滑剂的未来而言，必须向环保、兼具抑制的方向发展。
按照处理剂的相态分类，钻井液润滑剂可分为液体类润滑剂和固体类润滑剂。液体类润滑剂的发展从早期的矿物油、沥青和脂肪酸逐步被更环保的酯类和天然植物性油类、多元醇、聚α-烯烃等所取代，由于环保的要求，沥青类润滑剂的用量越来越少；固体类润滑剂一般是惰性的球状或片状物体，如塑料小球、玻璃小球、石墨、炭黑等。而其中的粗矿物油不仅会对地质录井造成影响，也由于会对生态环境(尤其是海洋生态系统)造成严重危害，因此通常需要对粗矿物油进行加氢精制，一方面可以去除对环境危害较大的单环和多环芳烃组分，另一方面可提高饱和度以避免发生氧化变质及荧光效应。
Epergne J L等制备了一种适用于深水平井的、主要组分为经过加氢处理的矿物油馏分(C13～C22，馏程220℃～335℃)水基钻井液润滑剂，其芳烃含量低于100mg/L，28d的生物降解率可达77％。Halliday W S等制备了一种经过加氢精制脱除了硫、氮和不饱和烃的矿物油(C14～C24)为无毒、可生物降解的水基钻井液润滑剂，加入该矿物油的水基钻井液体系的LC50(半数致死浓度)值高于500000mg/L，符合美国国家环保局规定的排放标准。刘保双等采用精制的10号工业白油作为主要组分，复配聚氧乙烯聚氧丙烯醚、非离子表面活性剂和改性脂肪酸铝制备了一种水基钻井液润滑剂，其LC50达到308000mg/L。常用做润滑油的多元醇包括乙二醇、聚乙二醇及多元醇的改性产物等。例如Fisk等人用低溶解度醇类(烷基链长度C4～C20)与烷基糖苷混合物用于硅酸盐水基泥浆中做润滑剂。Mueller等人制备了一种碳链长度大于12的直/支链脂肪醇，并与羧酸酯复配，作为水基钻井液润滑剂，该润滑剂同时具有抑制水基钻井液起泡的作用。肖稳发等将多元醇经氧乙烯、氧丙烯和有机硅改性，得到改性聚合多元醇润滑剂。该润滑剂不仅环保性能良好，且经120℃老化12h后仍具有优良的抑制性能。Erhan等人对大豆油进行了环氧化改性，经改性后的大豆油具有良好的低温流动性能和热稳定性。Elrod等人用4，4-硫代联苯酚与棉籽油(质量分数为99.5％～98％)反应制备了一种可用于水基钻井液的润滑油，其反应温度在110～180℉，当加量在0.5％～2.0％时，钻井液具有良好的润滑作用。Luo等人对O/W乳液在金属轧制和切削的研究中发现，在低摩擦速率下，从水相中分离出的乳液通过在接触面上吸附起到润滑作用。Patel制备了一种水基钻井液用硅氧烷乳液润滑剂，其主要组分为二甲基硅氧烷聚合物。该类润滑剂具有无毒、无污染的特点。
CN111484887A公开了一种有机钼润滑剂组合物微量润滑剂及制备方法，该发明提供的一种有机钼润滑剂组合物由包括紫胶桐酸、磷钼酸铵、聚乙二醇、一乙醇胺、五氧化二磷制备而成，所述组分的重量份数比为：紫胶桐酸100；聚乙二醇50～100；磷钼酸铵15～20；一乙醇胺8～10；五氧化二磷5～8。采用该发明制备的有机钼润滑剂组合物，是是含Mo-P-S-N的极压抗磨添加剂，减摩性能优异，同时还是一种良好的表面活性剂。一种含有机钼润滑剂组合物的微量润滑剂，由以下重量百分比的组分制备而成：有机钼润滑剂组合物30～40％；辛基十二醇肉豆蔻酸酯30～40％；聚马来酸蓖麻油酯5～10％；蓖麻油磺酸钠5～10％；去离子水余量。该发明制备的微量润滑剂能满足金属加工的润滑冷却、极压抗磨和防锈要求；配合微量润滑装置使用，可节省润滑剂的使用量90％以上。CN105255457A公开了一种仿原油型生物润滑剂及含有该润滑剂的水基钻井液，发明涉及一种仿原油型生物润滑剂及含有该润滑剂的水基钻井液，润滑剂的原料组分及重量含量如下，合成油：100份、松焦油羟铵：3～5份、烷基咪唑啉：3～8份、咪唑啉季铵盐：2～5份和蓖麻油磺酸钠：3～6份；合成油为C18～C22直链烷烃中的任意一种或为任意两种的混合物。水基钻井液的原料组分及重量含量如下，清水：100份、膨润土粉：4～6份、HE150增粘剂：0.3～0.8份、降失水剂Dristemp：0.5～1份、包被剂Coater-10：0.1～0.2份、纯碱：0.1～0.3份和仿原油型生物润滑剂：3～6份。该仿原油型生物润滑剂和水基钻井液，可吸附于钻具和井壁表面，润滑效果好，抗高温高压能力强，可极大降低发生井下事故的几率。CN101072854A公开了一种是润滑剂和润滑剂的用途的一种润滑剂，其包括基于链长为2～60个碳原子的无支链脂肪族、脂环族和/或芳香族链的羧酸酰胺。
但是，由于钻井过程中产生的扭矩和摩阻是影响钻进效率的重要因素之一，其影响因素较为复杂，涉及到钻柱、套管、地层、井壁泥饼表面的粗糙度，接触表面的塑性，井壁泥饼的润滑性，井下流体黏度及润滑性，井斜角，钻柱重量，静态与动态滤失效应等。且在钻井实践中发现润滑剂的极压润滑系数比粘附系数在缓解拖压等定向钻进时的摩阻问题上相关性更大，而目前现有润滑剂大多符合黏附系数降低率指标，多数产品极压润滑系数降低率远低于行业标准≥80％的指标。
因此，开发一种润滑系数降低率≥90％的钻井液用润滑剂，是本领域急需解决的技术问题。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种钻井液用润滑剂及其制备方法和应用，所述钻井液用润滑剂包括特定份数的基础油、改性剂和极低抗磨剂的组合，通过选择无硫磷有机钼和有机硼酸酯的组合作为极低抗磨剂，使得到的钻井液用润滑剂的润滑系数降低率≥90％，满足行业标准。
为达此目的，本发明采用以下技术方案：
第一方面，本发明提供一种钻井液用润滑剂，所述钻井液用润滑剂按照重量份包括如下组分：
基础油 10～95重量份
改性剂 5～90重量份
极压抗磨剂 0.1～3重量份；
所述极压抗磨剂包括无硫磷有机钼和有机硼酸酯的组合。
其中，基础油可以为20重量份、30重量份、40重量份、50重量份、60重量份、70重量份、80重量份或90重量份等。
所述改性剂可以为10重量份、20重量份、30重量份、40重量份、50重量份、60重量份、70重量份、80重量份或90重量份等。
所述极压抗磨剂可以为0.3重量份、0.5重量份、0.7重量份、0.9重量份、1重量份、1.3重量份、1.6重量份、1.9重量份、2.1重量份、2.4重量份或2.7重量份等。
本发明提供的钻井液用润滑剂包括特定份数的基础油、改性剂和极压抗磨剂的组合，并且通过选择无硫磷有机钼和有机硼酸酯的组合作为抗磨剂，使得到的钻井液用润滑剂兼具优异的环保性能和润滑性，润滑系数降低率≥90％，可以填补现场技术需求，有很大的市场前景。
在本发明中，所述无硫磷有机钼可以选择美国Vanderbilt公司生产的Molyvan855。
优选地，所述基础油的倾点小于-40℃，例如-50℃、-60℃、-70℃、-80℃、-90℃或-100℃等。
优选地，所述基础油的运动粘度小于16mm2/s，例如15mm2/s、14mm2/s、13mm2/s、12mm2/s、11mm2/s、10mm2/s、9mm2/s、8mm2/s、7mm2/s或6mm2/s等。
优选地，所述基础油中芳烃的质量百分含量小于30％，例如28％、26％、24％、22％、20％、18％、16％、14％、12％或10％等。
优选地，所述基础油中环烷烃的质量百分含量大于65％，例如70％、75％、80％、85％、90％或95％等。
优选地，所述基础油中正构烷烃的质量百分含量小于10％，例如9％、8％、7％、6％、5％、4％、3％、2％或1％等。
作为本发明的优选技术方案，限定本发明提供的钻井液用润滑剂中基础油中芳烃的质量百分含量小于30％，环烷烃的质量百分含量大于65％以及正构烷烃的质量百分含量小于10％，可以使得到的钻井液用润滑剂具有更为优异的润滑效果，这是因为在高剪切速率下，质量百分含量大于65％的环烷烃、质量百分含量小于30％的芳烃以及质量百分含量小于10％的正构烷组成的基础油在钻杆以及滤饼表面形成的吸附膜更加紧密，能够实现滑动面定向吸附的效果。
优选地，所述改性剂包括二聚酸、油酸乙二醇酯、硫化棉籽油、苯骈三氮唑脂肪酸胺盐、亚磷酸三苯脂、磷酸三乙酯、油酸丁酯、硬脂酸丁脂、苯二甲酸二辛酯、油酸、烷基酚聚氧乙烯醚、壬基酚聚氧乙烯醚、磺化油或山梨糖醇酐单油酸酯中的任意一种或至少两种的组合。
优选地，所述极压抗磨剂中无硫磷有机钼的质量百分含量为75～95％，例如77％、79％、81％、83％、85％、87％、89％、91％、92％或94％等。
优选地，所述极压抗磨剂中有机硼酸酯的质量百分含量为5～25％，例如7％、9％、11％、13％、15％、17％、19％、21％或23％等。
优选地，所述有机硼酸酯包括油酸二乙醇酰胺硼酸酯和/或三乙醇胺硼酸酯。
优选地，所述极压抗磨剂通过将无硫磷有机钼和有机硼酸酯混合制备得到。
优选地，所述混合的温度为45～65℃，例如47℃、49℃、51℃、53℃、55℃、57℃、59℃、61℃、63℃或65℃等。
优选地，所述混合的时间为1～2h，例如1.1h、1.2h、1.3h、1.4h、1.5h、1.6h、1.7h、1.8h或1.9h等。
第二方面，本发明提供一种如第一方面所述钻井液用润滑剂的制备方法，所述制备方法包括：将基础油、改性剂和极压抗磨剂混合，得到所述钻井液用润滑剂。
优选地，所述混合的温度为常温。
优选地，所述混合的时间为1～3h，例如1.2h、1.4h、1.6h、1.8h、2h、2.2h、2.4h、2.6h或2.8h等。
第三方面，本发明提供一种如第一方面所述的钻井液用润滑剂在石油钻井工程中的应用。
相对于现有技术，本发明具有以下有益效果：
本发明提供的钻井液用润滑剂包括特定份数的基础油、改性剂和极低抗磨剂的组合，通过选择无硫磷有机钼和有机硼酸酯的组合作为极低抗磨剂，使得到的钻井液用润滑剂的润滑系数降低率≥90％，满足行业标准；而现有润滑剂大多符合黏附系数降低率指标，多数产品极压润滑系数降低率远低于行业标准≥80％的指标，因此，本发明提供的钻井液用润滑剂可以填补现场钻探技术的需求，具有很大的市场前景。
具体实施方式
下面通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。本领域技术人员应该明了，所述实施例仅仅是帮助理解本发明，不应视为对本发明的具体限制。
制备例1
一种极压抗磨剂，其制备方法包括：将27kg的无硫磷有机钼(Molyvan855)和3kg的油酸二乙醇酰胺硼酸酯(BODEA)投入反应釜，在60℃下搅拌混合2h，得到所述极压抗磨剂。
制备例2
一种极压抗磨剂，其制备方法包括：将7.5kg的无硫磷有机钼(Molyvan855)和2.5kg的油酸二乙醇酰胺硼酸酯(BODEA)投入反应釜，在60℃下搅拌混合2h，得到所述极压抗磨剂。
制备例3
一种极压抗磨剂，其制备方法包括：将9.5kg的无硫磷有机钼(Molyvan855)和0.5kg的油酸二乙醇酰胺硼酸酯(BODEA)投入反应釜，在60℃下搅拌混合2h，得到所述极压抗磨剂。
实施例1
一种钻井液用润滑剂，其制备方法包括：将800kg的基础油(运动粘度为10mm2/s、倾点为-43℃；其由质量百分含量为21％的芳烃的、质量百分含量为70.2％的环烷烃以及含量为8.8％的正构烷烃组成)、197kg的山梨糖醇酐单油酸酯以及3kg的极压抗磨剂(制备例1)在常温反应釜中混合搅拌2h，得到所述钻井液用润滑剂。
实施例2
一种钻井液用润滑剂，其制备方法包括：将1800kg的基础油(运动粘度为8.5mm2/s、倾点为-55℃；其由质量百分含量为15.3％的芳烃、质量百分含量为82.5％的环烷烃和质量百分含量为2.2％的正构烷烃组成)、190kg的山梨糖醇酐单油酸酯以及10kg的极压抗磨剂(制备例2)在常温反应釜中混合搅拌1.5h，得到所述钻井液用润滑剂。
实施例3
一种钻井液用润滑剂，其制备方法包括：将900kg的基础油(运动粘度为15mm2/s、倾点为-41℃；其由质量百分含量为23％的芳烃、质量百分含量为72％的环烷烃和质量百分含量为5％的正构烷烃组成)、90kg的山梨糖醇酐单油酸酯以及10kg的极压抗磨剂(制备例3)在常温反应釜中混合搅拌1.5h，得到所述钻井液用润滑剂。
实施例4
一种钻井液用润滑剂，其制备方法包括：将800kg的基础油(运动粘度为11mm2/s、倾点为-52.3℃；其由质量百分含量为12.8％的芳烃、质量百分含量为81.1％的环烷烃和质量百分含量为6.1％的正构烷烃组成)、197kg的山梨糖醇酐单油酸酯以及3kg的极压抗磨剂(制备例1)在常温反应釜中混合搅拌2h，得到所述钻井液用润滑剂。
对比例1
一种钻井液用润滑剂，其制备方法包括：将800kg的基础油(运动粘度为10.0mm2/s、倾点为-43℃；其由质量百分含量为21％的芳烃、质量百分含量为70.2％的环烷烃和质量百分含量为8.8％的正构烷烃组成)、197kg的山梨糖醇酐单油酸酯以及3kg的无硫磷有机钼(Molyvan855)在常温反应釜中混合搅拌2h，得到所述钻井液用润滑剂。
对比例2
一种钻井液用润滑剂，其制备方法包括：将800kg的基础油(运动粘度为15mm2/s、倾点为-41℃；其由质量百分含量为23％的芳烃、质量百分含量为72％的环烷烃和质量百分含量为5％的正构烷烃组成)、197kg的山梨糖醇酐单油酸酯以及3kg的油酸二乙醇酰胺硼酸酯(BODEA)在常温反应釜中混合搅拌2h，得到所述钻井液用润滑剂。
对比例3
一种钻井液用润滑剂，其与实施例1的区别仅在于，不添加极压抗磨剂，其他组分、用量和制备方法均与实施例1相同。
对比例4
一种钻井液用润滑剂，其与实施例1的区别仅在于，不添加改性剂，其他组分、用量和制备方法均与实施例1相同。
性能测试：
润滑系数降低率：按照《Q/SY 17088-2016》提供的标准中润滑系数降低率进行测试。
按照上述测试方法对实施例1～4和对比例1～4得到的钻井液用润滑剂进行测试，测试结果如表1所示：
表1
| 润滑系数降低率(％) | |
| 实施例1 | 91.5 |
| 实施例2 | 92.7 |
| 实施例3 | 93.8 |
| 实施例4 | 91.1 |
| 对比例1 | 77.9 |
| 对比例2 | 69.7 |
| 对比例3 | 82.4 |
| 对比例4 | 53.9 |
根据表1数据可以看出：本发明提供的钻井液用润滑剂的润滑系数降低率均≥90％，具体而言，实施例1～4得到的钻井液用润滑剂的润滑系数降低率为91.1～93.8％。
比较实施例1、对比例1～4可以看出，没有添加有机硼酸酯(对比例1)、没有添加无硫磷有机钼(对比例2)、没有添加极压抗磨剂(对比例3)以及没有添加改性剂(对比例4)得到的钻井液用润滑剂的润滑系数降低率均明显较低，均没有达到行业标准要求的80％的指标。
申请人声明，本发明通过上述实施例来说明一种钻井液用润滑剂及其制备方法和应用，但本发明并不局限于上述实施例，即不意味着本发明必须依赖上述实施例才能实施。所属技术领域的技术人员应该明了，对本发明的任何改进，对本发明产品各原料的等效替换及辅助成分的添加、具体方式的选择等，均落在本发明的保护范围和公开范围之内。
Claims (10)
1.一种钻井液用润滑剂，其特征在于，所述钻井液用润滑剂按照重量份包括如下组分：
基础油 80~95重量份
改性剂 10~90重量份
极压抗磨剂 0.1~0.9重量份；
所述极压抗磨剂包括无硫磷有机钼和有机硼酸酯的组合；
所述基础油中芳烃的质量百分含量小于30%；
所述基础油中环烷烃的质量百分含量大于65%；
所述基础油中正构烷烃的质量百分含量小于10%；
所述改性剂包括二聚酸、油酸乙二醇酯、硫化棉籽油、苯骈三氮唑脂肪酸胺盐、亚磷酸三苯脂、磷酸三乙酯、油酸丁酯、硬脂酸丁脂、苯二甲酸二辛酯、油酸、烷基酚聚氧乙烯醚、磺化油或山梨糖醇酐单油酸酯中的任意一种或至少两种的组合；
所述极压抗磨剂中无硫磷有机钼的质量百分含量为75~95%；
所述极压抗磨剂中有机硼酸酯的质量百分含量为5~25%；
所述有机硼酸酯包括油酸二乙醇酰胺硼酸酯；
所述无硫磷有机钼选自美国Vanderbilt公司生产的Molyvan855。
2.根据权利要求1所述的钻井液用润滑剂，其特征在于，所述基础油的倾点小于-40℃。
3.根据权利要求1所述的钻井液用润滑剂，其特征在于，所述基础油的运动粘度小于16mm2/s。
4.根据权利要求1所述的钻井液用润滑剂，其特征在于，所述极压抗磨剂通过将无硫磷有机钼和有机硼酸酯混合制备得到。
5.根据权利要求4所述的钻井液用润滑剂，其特征在于，所述混合的温度为45~65℃。
6.根据权利要求4所述的钻井液用润滑剂，其特征在于，所述混合的时间为1~2 h。
7.一种如权利要求1~6任一项所述钻井液用润滑剂的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括：将基础油、改性剂和极压抗磨剂混合，得到所述钻井液用润滑剂。
8.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于，所述混合的温度为常温。
9.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于，所述混合的时间为1~3 h。
10.一种如权利要求1~6任一项所述的钻井液用润滑剂在石油钻井工程中的应用。
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| CN116063997A (zh) | 2023-05-05 |
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