CN116103019A - 钻井用两相混合减阻剂及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种钻井用两相混合减阻剂及其制备方法，包括以下方法：(1)以植物油或矿物油为原料，加入极压剂，制备油溶性极压润滑剂；(2)以石墨为原料，加入表面活性剂，经过高温热振荡，制备油溶性高弹石墨固体润滑剂；(3)将油溶性极压润滑剂和油溶性高弹石墨固体润滑剂混合后，添加分散剂进行搅拌混合，得到两相混合减阻剂。本发明减阻剂具有固液混合的两相润滑剂，可同时提供高低负载条件下的双重润滑效果，起到复合协同的润滑作用，在降低水平井管柱摩阻方面优异性能、特别适用于超过3500m的长水平段的钻井施工。

Description

钻井用两相混合减阻剂及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种石油钻井行业钻井液技术领域，具体的说是一种用于超长水平段施工的钻井用两相混合减阻剂及其制备方法。

背景技术

随着页岩气滚动开发，页岩气钻井朝着井深更深、水平段更长的方向发展。目前国内页岩气水平井最长水平段已超3500m，给钻井技术带来了极大的挑战。降低钻具扭矩、减少钻具运移摩阻、缩小定向施工难度、避免卡钻已成为亟待解决的问题。

当前水平段段长3000m以内的页岩气水平井施工通常采用油包水钻井液钻井，利用柴油或白油自身特有的高润滑性能，尚能保障施工任务的顺利完成。当水平段超过3000m以后，随着钻井进尺的增加，施工扭矩、摩阻持续升高，超出钻具额定扭矩设定值，出现蹩卡、提放困难等复杂情况。而单一依靠油基钻井液自身润滑性能，已不足以保障钻井施工安全，往往出现被迫提前完钻，甚至套管下不到位的情况。

当前市场上钻井液润滑剂大多为水溶性钻井液润滑剂，油溶性钻井液用润滑剂产品极少，同类型固液两相混合型产品市场空缺，而且大多数润滑剂抗温、抗盐能力较弱，润滑系数影响明显，为保证超长水平段页岩气井钻井施工安全顺利，研发一种油溶性高性能两相混合减阻剂势在必行。

现有石墨已有报导用于制备油溶性的润滑剂，如专利号201911313129.7公开了一种油溶性改性石墨及其制备方法，包含按重量份计算的如下组分：1-5份热还原石墨、2-10份表面活性剂、5-10份引发剂、75-92份去离子水。本发明的油溶性改性石墨通过对热还原石墨的中部缺陷进行有机化修饰，通过在去离子水中，将石墨与表面活性剂形成乳液胶束，在60-80℃条件下通过引发剂分解为自由基进入乳液胶束中，然后进攻热还原石墨中部缺陷发生有机化改性反应，反应结束后再利用无水乙醇对乳液进行破乳，得到有机改性石墨，本发明提出的油溶性改性石墨制备过程简单、成本低廉，易于大规模工业化生产。

但由于用于超长水平段施工的钻井液润滑剂不同于普通应用环境的润滑剂，其应用于井下水平段，因水井井下管柱与井壁接触点多，且部分井段井斜变化率大，管柱在下钻和钻进过程中，部分点多为高负载摩擦条件，特别是当管柱下放时刚与某段摩擦界面接触，并随着上部钻具不断下压，接触面的分量负载逐步加强，摩擦阻力逐步增大，形成高负载摩擦，同时，钻井过程中井眼轨迹可能并不理想，形成多个高全角变化井段，上述的高负载摩擦界面不断增多的现象，最终导致管柱下入困难，当摩擦阻力等于垂直井段钻具重力时，管柱再无法下入，延伸能力达到极限。常规润滑剂主要分为固体润滑剂类和液体润滑剂类，固体润滑剂多为滑动润滑和滚动润滑的方式对管柱进行润滑，可在负载压力较小，且管柱与井壁之间尚有空隙的环境下起到润滑作用，但由于固体润滑剂颗粒较大，无法在高负载的极压条件下起到作用；液体润滑剂多以成膜润滑的效果在摩擦界面形成润滑油膜，当油膜强度够大时，可在高负载的极压条件下起到润滑作用，但随着水平段长度增加，其作用效果逐渐减弱。

发明内容

本发明的目的是为了解决上述技术问题，提供一种具有固液混合的两相润滑剂，可同时提供高低负载条件下的双重润滑效果，起到复合协同的润滑作用，在降低水平井管柱摩阻方面优异性能、特别适用于超过3500m的长水平段的钻井用两相混合减阻剂。

本发明的另一目的是提供上述两相混合减阻剂的制备方法。

本发明钻井用两相混合减阻剂的制备方法，包括以下方法：

(1)以植物油或矿物油为原料，加入金属基团，制备油溶性极压润滑剂；

(2)以石墨为原料，加入表面活性剂，经过高温热振荡，制备油溶性高弹石墨固体润滑剂；

(3)将油溶性极压润滑剂和油溶性高弹石墨固体润滑剂混合后得到两相混合减阻剂。

所述步骤(1)为：所述植物油为蓖麻油、棉籽油、菜籽油、葵花籽油中的一种或几种；所述矿物油为脂肪酸酯或其衍生物；所述极压剂为硫化异丁烯、硫化烯烃棉籽油中的至少一种。

所述步骤(1)中，加入所述植物油或矿物油60-80重量份，所述极压剂40-20重量份。

所述步骤(2)中，所述表面活性剂由脂肪酸酰胺、油酸单甘脂和脂肪酸醇胺组成。

所述步骤(2)中，脂肪酸酰胺10-30重量份、油酸单甘脂10-30重量份和脂肪酸醇胺5-10重量份。

所述步骤(2)中，高温热振荡条件为150-200℃条件下振荡8-12h。

所述步骤(3)中，油溶性极压润滑剂和油溶性高弹石墨固体润滑剂的混合比为1:1到4:1。

所述步骤(3)中，加入的3-5重量份多元硬脂酸。

本发明钻井用两相混合减阻剂由上述制备方法制得，其密度在0.82-0.90g/cm³，运动粘度在3-20mPa·s。

为尽可能降低钻井过程中的井下摩阻，发明人分析井下管柱摩阻恶化过程可以发现以下两个方面的问题：1.从单一的摩擦点分析，井下管柱通常都是先从与井壁无接触的时候开始，先摩擦界面相互接触，接触界面之间的距离逐渐减小，负载压力从小到大逐渐恶化，最终达到摩擦阻力最大化；2.从整体情况分析，摩擦点从一个到多个，接触面不断增多。通常使用的润滑剂材料都具有一定的局限性，固体类润滑剂靠滑动和滚动润滑方式，依托其单体自身的外在结构特点起到润滑作用，但也受限于其颗粒尺寸大小，难以作用于接触面之间空隙极小，负载很大的极压润滑条件；液体润滑剂材料通常以覆膜的方法形成润滑膜，但难以在前期减缓摩擦界面恶化的趋势。另外，如果简单的重复添加两种类型的润滑材料，可能在钻井液中难以均匀分散，形成聚集抱团的现象，导致润滑不均匀。针对上述问题，本发明的创造性改进在于：

1.优化复配了不同固体和液体的润滑剂材料，形成了可在不同负载条件下的润滑环境，可降低井下钻柱与井壁的摩擦界面向高负载方向恶化；同时，当高负载摩擦界面形成后，也有极压润滑的效果；

2.通过油溶性高弹石墨，使其表面具有亲油性，可均匀分散在油基和水基钻井液体系中，避免其抱团或沉淀而造成产品失效。

3.本发明成分简单、具有固液混合的两相润滑剂，可同时提供高低负载条件下的双重润滑效果，起到复合协同的润滑作用，在降低水平井管柱摩阻方面优异性能、特别适用于超过3500m的长水平段的钻井。

附图说明

图1为侧向力的力学分析图；

图2为阻摩的力学分析图；

图3为屈曲分析的力学分析图。

具体实施方式

下述份数均为重量份数：

实施例1：

1)白油60份，加入40份硫化异丁烯充分搅拌12h，制备油溶性极压润滑剂；

2)取脂肪酸酰胺30份、油酸单甘脂10份、脂肪酸醇胺5份、石墨40份，在高温加热振荡器内150℃条件下6h，制备油溶性高弹石墨固体润滑剂；

3)取60份高性能油溶性极压润滑剂，40份油溶性高弹石墨固体润滑剂，5份多元硬脂酸，充分搅拌30min，合成两相混合减阻剂。

实施例2

1)白油60份，加入40份硫化烯烃棉籽油充分搅拌12h，制备高性能油溶性极压润滑剂；

2)取脂肪酸酰胺30份、油酸单甘脂10份、脂肪酸醇胺5份、石墨50份，在高温加热振荡器内150℃条件下12h，制备油溶性高弹石墨固体润滑剂；

3)取50份高性能油溶性极压润滑剂，50份油溶性高弹石墨固体润滑剂，5份多元硬脂酸，充分搅拌30min，合成两相混合减阻剂。

实施例3

1)蓖麻油与菜籽油混合物80份，加入20份硫化烯烃棉籽油充分搅拌12h，制备高性能油溶性极压润滑剂；

2)取脂肪酸酰胺30份、油酸单甘脂10份、脂肪酸醇胺5份、石墨50份，在高温加热振荡器内150℃条件下12h，制备油溶性高弹石墨固体润滑剂；

3)取80份高性能油溶性极压润滑剂，20份油溶性高弹石墨固体润滑剂，5份多元硬脂酸，充分搅拌30min，合成两相混合减阻剂。

实施例4

1)蓖麻油与菜籽油混合物60份，加入40份硫化烯烃棉籽油充分搅拌12h，制备高性能油溶性极压润滑剂；

2)取脂肪酸酰胺30份、油酸单甘脂10份、脂肪酸醇胺5份、石墨50份，在高温加热振荡器内150℃条件下12h，制备油溶性高弹石墨固体润滑剂；

3)取50份高性能油溶性极压润滑剂，50份油溶性高弹石墨固体润滑剂，5份多元硬脂酸，充分搅拌30min，合成两相混合减阻剂。

实施例5

4)蓖麻油与菜籽油混合物70份，加入30份硫化烯烃棉籽油充分搅拌12h，制备高性能油溶性极压润滑剂；

5)取脂肪酸酰胺30份、油酸单甘脂10份、脂肪酸醇胺5份、石墨50份，在高温加热振荡器内150℃条件下12h，制备油溶性高弹石墨固体润滑剂；

6)取50份高性能油溶性极压润滑剂，50份油溶性高弹石墨固体润滑剂，5份多元硬脂酸，充分搅拌30min，合成两相混合减阻剂。以上实施例所形成产品测试结果如下：

产品润滑特性评价

使用极压润滑仪、泥饼粘滞系数测定仪、金属磨损评价仪评价两相润滑剂的润滑性能。使用极压润滑仪评价方法参考标准《钻井液用润滑剂评价程序SY_T 6094-1994》执行，分别在膨润土浆和油基钻井液中，加入两相混合减阻剂进行测试。

所述膨润土浆为5％浓度的膨润土浆

所述油基钻井液配方为：80％柴油+20％氯化钙盐水(浓度26％)+2％有机土+3％主乳化剂+1％辅乳化剂+3％降滤失剂+2％生石灰+重晶石(密度加重至1.4g/cm³)

样品1-5分别对应为实施例1-5制备的两相混合减阻剂。

测试结果如下：

1.极压润滑系数测定(所述百分数为质量百分数)

小结：分析实验数据可知，在膨润土浆中加入两相混合减阻剂后，可以明显的降低膨润土浆的极压润滑系数，降低率在85-92％之间，润滑性能优越；在油基钻井液中，其润滑系数降低率也能达到50％以上。

2.泥饼粘附系数测定

测试项目	倾斜角	粘附系数
			膨润土浆	4.5	0.0787
膨润土浆+1％样品1	2	0.0349
			膨润土浆+1％样品2	1.5	0.0262
膨润土浆+1％样品3	1	0.0174
			膨润土浆+1％样品4	1	0.0174
膨润土浆+1％样品5	1.5	0.0262

小结：分析实验数据可知，在膨润土浆中加入两相混合减阻剂后，泥饼粘附系数可显著降低。

3.滑块磨损测定

小结：分析实验数据可知，本发明两相混合减阻剂可显著提高金属摩擦界面的正向载荷，提高摩擦界面的加压润滑效果；同时，在更高的负载条件下，摩擦后的金属滑块磨损形成的磨斑更小，对摩擦界面的保护能力更强。

应用实例：

胜页9-3HF井采用二开制井身结构，完钻井深6945m，水平段长4035m，创国内使用常规“LWD+螺杆”进行地质导向完钻井深最深、国内页岩气井水平段最长纪录。钻井周期51.99d，全井平均机械钻速12.65m/h；该井位垂比1.67，二开钻井周期27.16d，较设计(32d)提前15.13％，机械钻速14.6m/h。

本井水平段施工，采用油基钻井液技术，并配合使用2％钻井用两相混合减阻剂，顺利完成4035m水平段进尺施工任务，且后续通井、下套管一次到位，摩阻变化均在设计范围内。

①设计轨迹受力及摩阻分析

②实钻摩阻情况

通过上述两表可以看出，胜页9-3HF井设计摩阻最大46.5吨，实钻最大42吨，较设计低，且6800m以前摩阻最高仅32吨，降摩减阻效果明显。

Claims (9)

1.一种钻井用两相混合减阻剂的制备方法，其特征在于，包括以下方法：

(1)以植物油或矿物油为原料，加入极压剂，制备油溶性极压润滑剂；

(2)以石墨为原料，加入表面活性剂，经过高温热振荡，制备油溶性高弹石墨固体润滑剂；

(3)将油溶性极压润滑剂和油溶性高弹石墨固体润滑剂混合后，添加分散剂进行搅拌混合，得到两相混合减阻剂。

2.如权利要求1所述的钻井用两相混合减阻剂的制备方法，其特征在于，所述步骤(1)为：所述植物油为蓖麻油、棉籽油、菜籽油、葵花籽油中的至少一种；所述矿物油为脂肪酸酯及其衍生物；所述极压剂为硫化异丁烯、硫化烯烃棉籽油中的至少一种。

3.如权利要求1或2所述的钻井用两相混合减阻剂的制备方法，其特征在于，所述步骤(1)中，加入所述植物油或矿物油60-80重量份，所述极压剂40-20重量份。

4.如权利要求1所述的钻井用两相混合减阻剂的制备方法，其特征在于，所述步骤(2)中，所述表面活性剂由脂肪酸酰胺、油酸单甘脂和脂肪酸醇胺组成。

5.如权利要求4所述的钻井用两相混合减阻剂的制备方法，其特征在于，所述步骤(2)中，脂肪酸酰胺10-30重量份、油酸单甘脂10-30重量份和脂肪酸醇胺5-10重量份。

6.如权利要求1或4或5所述的钻井用两相混合减阻剂的制备方法，其特征在于，所述步骤(2)中，所述高温热振荡条件为150-200℃条件下振荡8-12h。

7.如权利要求1所述的钻井用两相混合减阻剂的制备方法，其特征在于，所述油溶性极压润滑剂和油溶性高弹石墨固体润滑剂的混合比为1:1到4:1。

8.如权利要求1所述的，钻井用两相混合减阻剂的制备方法，其特征在于，所述步骤(3)中分散剂为多元硬脂酸。

9.一种钻井用两相混合减阻剂，其特征在于，由权利要求1-8任一项制备方法制得。

Images