CN116285916A - 一种钻磨桥塞作业用金属减阻剂及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种钻磨桥塞作业用金属减阻剂，由以下各组分按照重量百分比组成：纳米颗粒0.1~5%，表面活性剂0.01~0.5%，降阻剂0~0.5%，其余为水。所述纳米颗粒为石墨烯、纳米氧化硅、纳米氧化锌中的一种或多种，表面活性剂为十二烷基苯磺酸钠、氟碳3703中的一种或多种，降阻剂为阴离子聚丙烯酰胺。所述金属减阻剂制备如下：在60~90℃、以转速600~1500r/min搅拌的条件下，将纳米颗粒加入水中，再置于反应容器中，持续加热搅拌5‑30分钟，加入表面活性剂和降阻剂，继续加热搅拌1‑3小时，进一步采用超声波处理5~30分钟，得到金属减阻剂。本发明以纳米颗粒为主，通过加入添加剂使其具备优异的抗磨承压能力与润滑效果，有效降低钻磨桥塞卡钻事故的发生，满足现场施工和环保要求。
Description
技术领域
本发明属于石油与天然气工程储层增产改造领域，具体涉及一种钻磨桥塞作业用金属减阻剂及其制备方法。
背景技术
随着水平井在页岩气、致密气开发中的应用，水平井桥塞分段压裂技术得到快速发展和应用，因其具备分段级数不受限的优势被广泛应用于深层页岩气改造中。压裂施工结束后，利用连续油管将桥塞全部钻磨，恢复全井筒畅通，是保障油气井后续高产的关键环节。连续油管钻铣桥塞工艺中，金属磨鞋与金属桥塞之间的摩擦会产生巨大的摩擦阻力，受限于超深层水平井段连续油管受挤压力作用致其螺旋屈曲变形，其与井筒的正压力随之增加从而导致摩擦阻力呈指数增大，最终传递到磨鞋钻塞上钻压的效率迅速下降；此外，连续油管管径小，排量小，若不能有效降低磨鞋与桥塞之间的摩擦阻力，将导致钻塞效率低下甚至卡钻；再者磨鞋钻磨桥塞过程中产生大量的热导致金属膨胀也将导致卡钻，这些问题制约着深层页岩气的开发。
使用金属减阻剂后，其减摩剂分子通过吸附在磨鞋与桥塞表面上，使两者接触面更加光滑并且形成几个分子层厚的吸附膜，降低微凸体边界的摩擦，减小金属间摩擦系数从而减小摩擦阻力，极大减少卡钻事故的发生概率并提高钻塞效率。目前现场钻铣桥塞作业多使用固体金属润滑剂或油基金属降阻剂，直接使用水溶性金属减阻剂的案例尚少，然而固体金属润滑剂或油基金属降阻剂却受限于其冷却性能差且容易造成严重的环境污染，阻碍了现场应用。
专利CN 110591664 A公开了一种连续油管作业用金属减阻润滑剂，其以失水山梨醇脂肪酸酯、蓖麻油脂肪酸和氯化石蜡等材料为主减阻剂辅以各种添加剂，可以降低连续油管和套管之间的摩擦力，促进连续油管距离的推进。但其配制方法需升温至200℃高温且需冷却至55-65℃，制备条件较为苛刻且不能直接解决钻塞过程中易卡钻的关键问题。
专利CN 113265023 A公开了一种钻井液用纳米润滑剂及其制备方法和应用，其主要成分为阴离子单体、含氟单体和溶剂，通过引入惰性气体氛围与引发剂反应得到钻井液用纳米润滑剂，此方法对反应温度要求较为严格，温度控制不佳易影响润滑剂性能，且对于钻塞过程中抗磨承压能力参数未作描述，在现场钻塞应用中缺乏可靠性。
发明内容
本发明的目的在于提供一种钻磨桥塞作业用金属减阻剂，所述金属减阻剂是以纳米颗粒为主的水基配方，通过加入添加剂使其具备优异的抗磨承压能力与润滑效果，有效降低钻磨桥塞卡钻事故的发生，满足现场施工和环保要求。
本发明的另一目的还在于提供上述钻磨桥塞作业用金属减阻剂的制备方法，该方法原理可靠，操作简便，过程可控，具有制备简单、绿色环保以及成本低的特点，所使用纳米材料具备优异的抗磨承压能力，结合表面活性剂对水膜的作用，使其具备优异的润滑性能，其抗磨承压能力大于40kg。
为达到以上技术目的，本发明采用以下技术方案。
一种钻磨桥塞作业用金属减阻剂，由以下各组分按照重量百分比组成：纳米颗粒0.1～5％，表面活性剂0.01～0.5％，降阻剂0～0.5％，其余为水。
所述纳米颗粒为石墨烯、纳米氧化硅、纳米氧化锌中的一种或多种，表面活性剂为十二烷基苯磺酸钠、氟碳3703中的一种或多种，降阻剂为阴离子聚丙烯酰胺。
所述石墨烯为改性石墨烯，通过氧化石墨烯接枝羧酸基团得到。
所述纳米氧化锌颗粒的粒径为100-300nm，所述纳米氧化硅颗粒的粒径为10-40nm。
所述氟碳3703为全氟聚氧乙烯聚氧丙烯醚。
所述降阻剂阴离子聚丙烯酰胺的分子量为800-1000万。
所述钻磨桥塞作业用金属减阻剂的制备方法如下：在60～90℃、以转速600～1500r/min搅拌的条件下，将纳米颗粒加入水中，再置于反应容器中，持续加热搅拌5-30分钟，随后加入表面活性剂和降阻剂，继续加热搅拌1-3小时，进一步采用超声波处理5～30分钟，得到钻磨桥塞作业用金属减阻剂。
所述纳米颗粒采用石墨烯时，应使用高速均质乳化机在8000-15000r/min的条件下使其均匀分散至水溶液中，制成石墨烯匀浆。
本发明的原理如下：水作为一种储量丰富、绿色环保的资源，本身具备一定的润滑能力，利用纳米材料小尺寸及表面效应使其拥有优异抗磨承压能力与润滑效果的特性，利用其提高水的抗磨承压能力与润滑效果。同时向体系中引入表面活性剂使其吸附到纳米颗粒表面，提高其润湿性，从而使纳米颗粒更均匀稳定地分散在水溶液中，加速纳米颗粒在金属表面上的吸附以降低金属表面粗糙度，对表面缺陷起到修复作用或者形成低剪切高硬度润滑膜，实现对桥塞钻磨过程中的高效润滑作用。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
本发明的主体成分为水，其含量达到93-99wt％，对环境污染小且废液易处理，制备方法简单易操作，经济成本低；引入的表面活性剂极大改善纳米材料在水溶液中的分散稳定性，此外通过改善桥塞和磨鞋表面的润湿性，使纳米颗粒更易于吸附到金属表面上降低其表面粗糙度，能够快速形成润滑保护膜，其抗磨承压能力大于40kg，将现场钻磨桥塞卡钻事故的发生率减少90％以上，具有广阔的市场应用前景。
具体实施方式
下面根据实例进一步说明本发明，以便于本技术领域的技术人员理解本发明。但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明范围内，均在保护之列。
实施例1
一种钻磨桥塞作业用金属减阻剂的制备方法，步骤如下：
将30g石墨烯匀浆加入65ml水中使用加热搅拌器在60℃、1000r/min的条件下加热搅拌30min；再加入5ml表面活性剂反应30min，随后将盛有反应后溶液的反应容器置于超声波装置中超声波处理30min后得到钻磨桥塞作业用金属减阻剂。
石墨烯匀浆配制方法：取5g改性石墨烯加入95ml水中，使用高速均质乳化机对其进行匀浆处理，使其均匀分散至水溶液中得到改性石墨烯质量浓度含量为5％的石墨烯匀浆。
表面活性剂配制方法：取0.5g十二烷基苯磺酸钠加入99.5ml水中，在60℃、1000r/min的条件下加热搅拌15min后使用超声波处理5min，得到十二烷基苯磺酸钠质量浓度为0.5％的表面活性剂溶液。
实施例2
一种钻磨桥塞作业用金属减阻剂的制备方法，步骤如下：
将20g石墨烯匀浆加入66ml水中使用加热搅拌器在80℃、1000r/min的条件下加热搅拌30min；再依次加入10ml表面活性剂、4ml降阻剂继续反应30min，随后将盛有反应后溶液的反应容器置于超声波装置中超声波处理30min后得到钻磨桥塞作业用金属减阻剂。
石墨烯匀浆配制方法同实施例1。
表面活性剂配制方法：取0.5ml氟碳3703加入99.5ml水中，在80℃、1000r/min的条件下加热搅拌10min后使用超声波处理10min，得到氟碳3703质量浓度为0.5％的表面活性剂溶液。
降阻剂配制方法：取0.5ml阴离子聚丙烯酰胺加入99.5ml水中，在60℃、1000r/min的条件下加热搅拌30min后使用超声波处理10min，得到阴离子聚丙烯酰胺质量浓度为0.5％的降阻剂。
实施例3
一种钻磨桥塞作业用金属减阻剂的制备方法，步骤如下：
将10g石墨烯匀浆和10ml纳米氧化锌预备液加入74ml水中使用加热搅拌器在80℃、1000r/min的条件下加热搅拌30min；再依次加入4ml表面活性剂、2ml降阻剂继续反应30min，随后将盛有反应后溶液的反应容器置于超声波装置中超声波处理30min后得到钻磨桥塞作业用金属减阻剂。
石墨烯匀浆配制方法同实施例1。
表面活性剂配制方法同实施例1。
降阻剂配制方法同实施例2。
纳米氧化锌预备液配制方法：取10g纳米氧化锌加入90ml水中，在60℃、1000r/min的条件下加热搅拌30min后使用超声波处理10min，得到氧化锌质量浓度为10％的纳米氧化锌预备液。
实施例4
一种钻磨桥塞作业用金属减阻剂的制备方法，步骤如下：
将20g石墨烯匀浆和10ml纳米氧化硅预备液加入55ml水中使用加热搅拌器在90℃、1000r/min的条件下加热搅拌30min；再依次加入10ml表面活性剂、5ml降阻剂继续反应30min，随后将盛有反应后溶液的反应容器置于超声波装置中超声波处理30min后得到钻磨桥塞作业用金属减阻剂。
石墨烯匀浆配制方法同实施例1。
表面活性剂配制方法同实施例2。
降阻剂配制方法同实施例2。
纳米氧化硅预备液配制方法：取10g纳米氧化硅加入90ml水中，在90℃、1000r/min的条件下加热搅拌30min后使用超声波处理10min，得到氧化硅质量浓度为10％的纳米氧化硅预备液。
实施例5
一种钻磨桥塞作业用金属减阻剂的制备方法，步骤如下：
将10g石墨烯匀浆、5ml纳米氧化锌预备液和10ml纳米氧化硅预备液加入69ml水中使用加热搅拌器在60℃、1000r/min的条件下加热搅拌30min；再依次加入4ml表面活性剂、2ml降阻剂继续反应30min，随后将盛有反应后溶液的反应容器置于超声波装置中超声波处理30min后得到钻磨桥塞作业用金属减阻剂。
石墨烯匀浆配制方法同实施例1。
表面活性剂配制方法同实施例1。
降阻剂配制方法同实施例2。
纳米氧化锌预备液配制方法同实施例3。
纳米氧化硅预备液配制方法同实施例4。
一种钻磨桥塞作业用金属减阻剂的性能测试：
使用神州牌KMY201-1A抗磨试验机，托盘力臂可调至20、25、28、30倍；抗磨试验机自带托盘重0.5kg，每块砝码重1kg，考虑力臂翻倍后重量通过增减托盘上砝码的数量调节需测试抗磨承压能力的大小；若抗磨试验机未发出蜂鸣声且磨柱无明显磨损即表明待测金属减阻剂抗磨承压能力大于所测值；按照此方法评价实例1-5的抗磨承压能力性能。结果见表1，对比例为未加入任何添加剂的清水。
表1实施例1-5的金属降阻剂抗磨承压能力性能测试结果
由表1中实施例1-5测试结果表明：本发明所制备的金属减阻剂密度与水接近，具有易分散混入配制水和不易沉入罐底的优点；此外，得益于纳米颗粒其本身具备的优异水分散性与加入表面活性剂吸附包裹纳米颗粒表面及其静电排斥作用，使其水分散率均>90％，利于提高施工效率，降低配制及泵送要求；石墨烯及纳米颗粒的小尺寸及表面效应使其在金属摩擦副产生微轴承、填补金属表面微小凹陷降低金属表面粗糙面及形成润滑保护膜的作用，辅以表面活性剂对金属表面润湿的改善效果，加速纳米颗粒的吸附润滑效果，从而实施例1-5抗磨承压能力均>30kg，远大于水的自身性能，具有优异的减阻润滑能力。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制。任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的技术内容作出些许更改或修饰为等同变化的等效实施例，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。
Claims (9)
1.一种钻磨桥塞作业用金属减阻剂，由以下各组分按照重量百分比组成：纳米颗粒0.1~5%，表面活性剂0.01~0.5%，降阻剂0 ~0.5%，其余为水。
2.如权利要求1所述的一种钻磨桥塞作业用金属减阻剂，其特征在于，所述纳米颗粒为石墨烯、纳米氧化硅、纳米氧化锌中的一种或多种。
3.如权利要求1所述的一种钻磨桥塞作业用金属减阻剂，其特征在于，所述表面活性剂为十二烷基苯磺酸钠、氟碳3703中的一种或多种。
4.如权利要求1所述的一种钻磨桥塞作业用金属减阻剂，其特征在于，所述降阻剂为阴离子聚丙烯酰胺。
5.如权利要求2所述的一种钻磨桥塞作业用金属减阻剂，其特征在于，所述石墨烯为改性石墨烯，通过氧化石墨烯接枝羧酸基团得到。
6.如权利要求2所述的一种钻磨桥塞作业用金属减阻剂，其特征在于，所述纳米氧化锌颗粒的粒径为100-300nm，所述纳米氧化硅颗粒的粒径为10-40nm。
7.如权利要求4所述的一种钻磨桥塞作业用金属减阻剂，其特征在于，所述降阻剂阴离子聚丙烯酰胺的分子量为800-1000万。
8.如权利要求1、2、3、4、5、6或7所述的一种钻磨桥塞作业用金属减阻剂的制备方法，过程如下：在60~90℃、以转速600~1500r/min搅拌的条件下，将纳米颗粒加入水中，再置于反应容器中，持续加热搅拌5-30分钟，随后加入表面活性剂和降阻剂，继续加热搅拌1-3小时，进一步采用超声波处理5~30分钟，得到钻磨桥塞作业用金属减阻剂。
9.如权利要求8所述的方法，其特征在于，所述纳米颗粒采用石墨烯时，使用高速均质乳化机在8000-15000r/min的条件下使其均匀分散至水溶液中，制成石墨烯匀浆。
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