CN116410705B - 一种环保润滑剂及制备方法和应用 - Google Patents

一种环保润滑剂及制备方法和应用 Download PDF

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Abstract

本发明提出了一种环保润滑剂，该润滑剂为含油酸咪唑啉的环保型润滑剂，通过基于油酸咪唑啉的含N杂环和长链脂肪酸链，能够在金属表面形成稳定的吸附膜，具有良好的极压、抗磨减摩性能。利用本发明的润滑剂添加至钻井液中，可获得显著的润滑效果。本发明的环保型润滑剂的基础原材料均为植物油，生物毒性极低，环保性能优良，制备方法简单，可广泛应用，市场前景良好。

Description

一种环保润滑剂及制备方法和应用
技术领域
本发明涉及油田钻井液技术领域，尤其涉及一种环保润滑剂及制备方法和应用。
背景技术
润滑剂是钻井液的核心处理剂之一，可显著降低钻具与井壁之间的摩擦、减小钻进扭矩和起下钻摩阻，可有效提高机械钻速，大大提升作业效率。
目前，国内外润滑剂主要采用矿物油、植物油以及合成油制备，其中大部分矿物油类润滑剂润滑效率高、抗温耐盐，但荧光等级和毒性均较高，不符合环保趋势。植物油类润滑剂相对较环保且常温下润滑效果好，但抗温耐盐能力相对较差。合成油类润滑剂荧光等级低，抗温耐盐且毒性低，但是成本相对偏高限制了其大规模应用。
随着环保法规的日益严格，矿物油类润滑剂的使用将不再符合能源绿色开发的要求。因此，开发出性能优异、环境友好的润滑剂是保证优质钻井质量的重要基石，是加快我国油气高效、绿色开发的技术关键。
因此，亟待开发一种环境友好、性能稳定的钻井液润滑剂，满足新形势下钻井工程要求的新型高效环保钻井液体系。
发明内容
为了解决现有技术中的上述问题，本发明提出了一种环保润滑剂及制备方法和应用。
第一方面，本发明提出了一种环保润滑剂，该环保润滑剂包括油酸咪唑啉和油性基液。
作为本发明的具体实施方式，所述油性基液包括基础油、乳化剂；
所述基础油优选为植物油；更优选地，所述植物油为油酸、棉籽油、菜籽油中的至少一种，进一步优选地，植物油为油酸；
所述乳化剂为司盘80、OP-10、吐温60中的至少一种，优选地，乳化剂为司盘80。
作为本发明的具体实施方式，所述油酸咪唑啉的含量为35～45wt％；所述基础油含量为45～55wt％；所述乳化剂含量为5～20wt％。
油酸咪唑啉作为含N杂环的一类物质，中心原子N有未共用的孤对电子，而金属表面存在空的d轨道时，中心原子的孤对电子就会与金属中的空d轨道相互作用形成配位键，咪唑啉中的N元素能与钢铁表面的Fe元素形成稳定的配位键。因此油酸咪唑啉能够在金属摩擦表面形成氮膜层的覆盖，同时加上长链脂肪酸链的存在能够进一步增加了油膜的厚度，减小钻具与井壁之间、钻具与套管之间的摩擦阻力，具有良好的极压、抗磨减摩性能。
将油酸咪唑啉作为润滑添加剂与植物油配合使用，可以提高植物油类润滑剂的热和化学稳定性。
第二方面，本发明提供了一种所述环保润滑剂的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：将有机胺和油酸在氮气保护下，混合升温，进行酰胺化反应；
S2：将步骤S1得到的反应体系升温进行环化反应，得到油酸咪唑啉；
S3：将步骤S2得到的油酸咪唑啉与油性基液混合均匀，得到含油酸咪唑啉的环保型润滑剂；优选地，所述油性基液包括基础油如植物油和乳化剂。
作为本发明的具体实施方式，所述步骤S1中，所述有机胺为多乙烯多胺中的至少一种，优选地，所述有机胺为二乙烯三胺。
作为本发明的具体实施方式，所述步骤S1中，所述有机胺与油酸的摩尔比为1.0～1.3：1，优选地，所述有机胺与油酸的摩尔比为1.2：1。
作为本发明的具体实施方式，所述步骤S1中，所述酰胺化反应温度为160～180℃；酰胺化反应时间为3～4h。
作为本发明的具体实施方式，所述步骤S2中，所述环化反应温度为190～210℃；环化反应时间为5～6h。
作为本发明的具体实施方式，所述步骤S3中，所述植物油为油酸、棉籽油、菜籽油中的至少一种，优选地，植物油为油酸。
作为本发明的具体实施方式，所述步骤S3中，所述乳化剂为司盘80、OP-10、吐温60中的至少一种，优选地，乳化剂为司盘80。
第三方面，本发明提供了所述环保润滑剂对于水基钻井液方面的应用。
作为本发明的具体实施方式，所述环保润滑剂在钻井液中的质量分数为0.5％以上，优选为1.0％以上，更优选为1.0％～3.0％。
本发明的环保润滑剂在水基钻井液中可显著降低钻井液的摩擦系数，同时所述润滑剂为环保型润滑剂，满足目前安全、绿色勘探开发要求。
本发明中的上述原料均可自制，也可商购获得，本发明对此不作特别限定。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
1、本发明提供的含油酸咪唑啉的环保型润滑剂，该润滑剂基于油酸咪唑啉的含N杂环和长链脂肪酸链，能够在金属表面形成稳定的吸附膜，具有良好的极压、抗磨减摩性能，利用本发明的润滑剂添加至钻井液中，可获得显著的润滑效果。
2、本发明实施例中，本发明的环保型润滑剂可显著降低钻井液的摩擦阻力，润滑系数降低率达到80％以上。
3、本发明的环保型润滑剂的基础原材料均为植物油，生物毒性极低，环保性能优良，制备方法简单，可广泛应用，市场前景良好。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明作进一步说明，但并不构成对本发明的任何限制。
本发明各实施例中，所用的试剂：
油酸：工业级，生产厂家：山东创达化工有限公司；
二乙烯三胺：工业级，生产厂家：山东铭悦化工有限公司；
三乙烯四胺：工业级，生产厂家：山东锐利环保科技有限公司；
司盘80：工业级，生产厂家：山东多聚化学有限公司；
OP-10：工业级，生产厂家：济南凤鸣化工有限公司；
棉籽油：工业级，生产厂家：济南博奥化工有限公司。
实施例1
本实施例提供了一种含油酸咪唑啉的环保润滑剂及制备方法，具体细节如下：
S1：称取864g的油酸和378g的二乙烯三胺(摩尔比1:1.2)加入到3L的反应釜中，用四氟管通入氮气至液面下，排净空气后，开启搅拌并升温至170℃±2℃，保持釜内温度，持续反应3.0h，发现分水器中无水被带出即反应完全；
S2：持续通入氮气，继续升温至200℃±2℃继续反应，恒温反应5.5h后直至分水器中无水被带出，停止加热，缓慢降温至60℃，停止通入氮气，得到油酸咪唑啉；
S3：称取1463g油酸和225g司盘80加入到反应釜中，恒温60℃±2℃持续搅拌2.0h，得到棕黄色透明液体，即含油酸咪唑啉的环保润滑剂。
实施例2
本实施例提供了一种含油酸咪唑啉的环保润滑剂及制备方法，具体细节如下：
S1：称取864g的油酸和315g的二乙烯三胺(摩尔比1:1)加入到3L的反应釜中，用四氟管通入氮气至液面下，排净空气后，开启搅拌并升温至170℃±2℃。保持釜内温度，持续反应3.0h，发现分水器中无水被带出，即反应完全
S2：持续通入氮气，升温至200℃±2℃继续反应，恒温反应5.5h后分水器中无水被带出，停止加热，缓慢降温至60℃，停止通入氮气，得到油酸咪唑啉；
S3：称取1463g油酸和225g司盘80加入到反应釜中，恒温60℃±2℃，持续搅拌2.0h，得到棕黄色透明液体，即含油酸咪唑啉的环保润滑剂。
实施例3
本实施例提供了一种含油酸咪唑啉的环保润滑剂及制备方法，具体细节如下：
S1：称取864g的油酸和536g的三乙烯四胺(摩尔比1:1.2)加入到3L的反应釜中，用四氟管通入氮气至液面下，排净空气后，开启搅拌并升温至170℃±2℃。保持釜内温度，持续反应3.0h，发现分水器中无水被带出。
S2：持续通入氮气，升温至200℃±2℃继续反应，恒温反应5.5h后分水器中无水被带出。停止加热，缓慢降温至60℃，停止通入氮气，得到油酸咪唑啉；
S3：称取1463g油酸和225g司盘80加入到反应釜中，恒温60℃±2℃持续搅拌2.0h，得到棕黄色透明液体，即含油酸咪唑啉的环保润滑剂。
实施例4
本实施例提供了一种含油酸咪唑啉的环保润滑剂及制备方法，具体细节如下：
S1：称取864g的油酸和378g的二乙烯三胺(摩尔比1:1.2)加入到3L的反应釜中，用四氟管通入氮气至液面下，排净空气后，开启搅拌并升温至170℃±2℃。保持釜内温度，持续反应3.0h，发现分水器中无水被带出，即反应完全；
S2：持续通入氮气，升温至200℃±2℃继续反应，恒温反应5.5h后分水器中无水被带出。停止加热，缓慢降温至60℃，停止通入氮气，得到油酸咪唑啉；
S3：称取1463g棉籽油和225g司盘80加入到反应釜中，恒温60℃±2℃持续搅拌2.0h，得到棕黄色透明液体，即含油酸咪唑啉的环保润滑剂。
实施例5
本实施例提供了一种含油酸咪唑啉的环保润滑剂及制备方法，具体细节如下：
S1：称取864g的油酸和378g的二乙烯三胺(摩尔比1:1.2)加入到3L的反应釜中，用四氟管通入氮气至液面下，排净空气后，开启搅拌并升温至170℃±2℃。保持釜内温度，持续反应3.0h，发现分水器中无水被带出。
S2：持续通入氮气，升温至200℃±2℃继续反应，恒温反应5.5h后分水器中无水被带出。停止加热，缓慢降温至60℃，停止通入氮气，得到油酸咪唑啉；
S3：称取1463g油酸和225g OP-10加入到反应釜中，恒温60℃±2℃持续搅拌2.0h，得到棕黄色透明液体，即含油酸咪唑啉的环保润滑剂。
对比例1
本对比例提供了一种润滑剂及制备方法，具体细节如下：
S1：称取864g的油酸和378g的二乙烯三胺(摩尔比1:1.2)加入到3L的反应釜中，用四氟管通入氮气至液面下，排净空气后，开启搅拌并升温至170℃±2℃，保持釜内温度，持续反应3.0h，发现分水器中无水被带出即反应完全；
S2：持续通入氮气，继续升温至200℃±2℃继续反应，恒温反应5.5h后直至分水器中无水被带出，停止加热，缓慢降温至60℃，停止通入氮气，得到油酸咪唑啉；
S3：称取2344g油酸和302g司盘80加入到反应釜中，恒温60℃±2℃持续搅拌2.0h，得到棕黄色透明液体，对比润滑剂样品1。
对比例2
本对比例提供了一种润滑剂及制备方法，具体细节如下：
S1：称取864g的油酸和158g的二乙烯三胺(摩尔比2:1)加入到3L的反应釜中，用四氟管通入氮气至液面下，排净空气后，开启搅拌并升温至170℃±2℃，保持釜内温度，持续反应3.0h，发现分水器中无水被带出即反应完全；
S2：持续通入氮气，继续升温至200℃±2℃继续反应，恒温反应5.5h后直至分水器中无水被带出，停止加热，缓慢降温至60℃，停止通入氮气，得到油酸咪唑啉；
S3：称取1258g油酸和194g司盘80加入到反应釜中，恒温60℃±2℃持续搅拌2.0h，得到棕黄色透明液体，对比润滑剂样品2。
对比例3
本对比例提供了一种润滑剂及制备方法，具体细节如下：
称取2000g油酸和173g司盘80加入到反应釜中，恒温60℃±2℃持续搅拌2.0h，得到棕黄色透明液体，对比润滑剂样品3。
测试例1
性能评价：对实施例1～5和对比例1～3制得的含油酸咪唑的环保润滑剂进行在钻井液中的流变性能、滤失量和润滑系数的测试。
钻井液的流变性能和滤失量按照GB/T 16783.1-2014“石油天然气工业钻井液现场测试第1部分:水基钻井液”测定。
钻井液润滑性能使用Fann极压润滑仪进行测试。操作步骤如下：用纯净水对润滑仪进行校验，在60rpm的转速条件下，将扭矩手柄调节至150inch-pounds运转5min，测试纯净水的读数在28～42之间。将纯净水换成待测的浆液，测得待测浆液的润滑系数。每次测试前先用纯净水对机器进行校验。
润滑系数计算公式：(待测浆液读数/100)*(34/纯净水的读数)
上述测试中，测试样品为钻井液基浆(A0)、上述实施例1～5制得的润滑剂与基浆混合而成的样品浆(A1～A5)、对比例1～3与基浆混合而成的对比样品浆(B1～B3)。钻井液基浆配制方法：5％配浆用膨润土+0.3％无水碳酸钠和余量的水，在室温条件下水化24h制成。
测试结果如表1中所示：
表1实施例1～5及对比例1～3与钻井液基浆进行性能测试对比
通过表1数据可以看出，在常温条件下采用本发明的润滑剂的钻井液与常规植物油类润滑剂的钻井液润滑系数均在0.029～0.052，表明这些钻井液具有良好的润滑性能，能够有效降低钻井施工的摩阻和扭矩；同时加有润滑剂的钻井液API滤失量均有明显的降低，且对于钻井液的流变性能无明显的影响。
将上述钻井液基浆和加有实施例润滑剂的样品浆在滚子加热炉中150℃老化16h，测试其流变性能、滤失量和润滑系数。测试结果如表2中所示：
表2实施例1～5及对比例1～3与钻井液基浆老化后进行性能测试对比
通过表2数据可以看出，150℃高温老化后加有本发明的润滑剂的钻井液的润滑系数依然保持在0.033～0.058，且保持较低的API滤失量。但是对比样润滑剂的钻井液其润滑系数均超过了0.060，尤其是加有对比样3润滑剂的钻井液润滑系数达到了0.107，且API滤失量也有了明显的增长。说明本发明的润滑剂具有良好的抗温能力，在经过150℃高温老化后依然能够具有优异的润滑降摩性能。
将实施例1-5进行对比，实施例1和实施例2是对反应物油酸与多胺摩尔比例的优选，可以看出油酸与多胺的最优比例为1:1.2；实施例1和实施例4，是对基础油棉籽油和油酸的对比优选，可以看出油酸效果优于棉籽油；实施例1和实施例5是乳化剂OP-10与司盘80的对比，可以看出司盘80的效果优于OP-10；实施例1和实施例3就是对于多胺的对比优选，可以看出二乙烯三胺效果优于三乙烯四胺。
综上，本发明的环保型润滑剂，不仅在常温条件下具有同等的润滑性能，还具有良好的抗温稳定性，在经历150℃高温老化后仍保持足够的润滑能力，同时本发明的环保型润滑剂对于钻井液具有一定的降滤失效果。
在本发明中的提到的任何数值，如果在任何最低值和任何最高值之间只是有两个单位的间隔，则包括从最低值到最高值的每次增加一个单位的所有值。例如，如果声明一种组分的量，或诸如温度、压力、时间等工艺变量的值为50-90，在本说明书中它的意思是具体列举了51-89、52-88……以及69-71以及70-71等数值。对于非整数的值，可以适当考虑以0.1、0.01、0.001或0.0001为一单位。这仅是一些特殊指明的例子。在本申请中，以相似方式，所列举的最低值和最高值之间的数值的所有可能组合都被认为已经公开。
应当注意的是，以上所述的实施例仅用于解释本发明，并不构成对本发明的任何限制。通过参照典型实施例对本发明进行了描述，但应当理解为其中所用的词语为描述性和解释性词汇，而不是限定性词汇。可以按规定在本发明权利要求的范围内对本发明作出修改，以及在不背离本发明的范围和精神内对本发明进行修订。尽管其中描述的本发明涉及特定的方法、材料和实施例，但是并不意味着本发明限于其中公开的特定例，相反，本发明可扩展至其他所有具有相同功能的方法和应用。

Claims (14)

1.一种环保润滑剂，其特征在于，该环保润滑剂由油酸咪唑啉和油性基液组成；
其中，所述油性基液由植物油和乳化剂组成；所述植物油为油酸、棉籽油、菜籽油中的至少一种；所述乳化剂为司盘80、OP-10、吐温60中的至少一种；
所述油酸咪唑啉的含量为35～45wt％；所述植物油含量为45～55wt％；所述乳化剂含量为5～20wt％。
2.根据权利要求1所述的环保润滑剂，其特征在于，所述植物油为油酸；和/或
所述乳化剂为司盘80。
3.一种权利要求1或2所述的环保润滑剂的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：将有机胺和油酸在氮气保护下，混合升温，进行酰胺化反应；
S2：将步骤S1得到的反应体系升温进行环化反应，得到油酸咪唑啉；
S3：将步骤S2得到的油酸咪唑啉与油性基液混合均匀，得到含油酸咪唑啉的环保型润滑剂。
4.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，所述步骤S1中，所述有机胺为多乙烯多胺中的至少一种。
5.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，所述有机胺为二乙烯三胺。
6.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，所述步骤S1中，所述有机胺与油酸的摩尔比为1.0～1.3：1。
7.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，所述有机胺与油酸的摩尔比为1.2：1。
8.根据权利要求3-7中任一项所述的制备方法，其特征在于，所述步骤S1中，所述酰胺化反应温度为160～180℃；酰胺化反应时间为3～4h。
9.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，所述步骤S2中，所述环化反应温度为190～210℃；环化反应时间为5～6h。
10.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，所述步骤S3中，所述植物油为油酸、棉籽油、菜籽油中的至少一种，所述乳化剂为司盘80、OP-10、吐温60中的至少一种。
11.根据权利要求10中任一项所述的制备方法，其特征在于，所述步骤S3中，所述植物油为油酸，所述乳化剂为司盘80。
12.权利要求1或2所述的环保润滑剂和/或权利要求3-11中任一项所述的制备方法制备的环保润滑剂在水基钻井液中的应用。
13.根据权利要求12所述的应用，其特征在于，所述环保润滑剂在钻井液中的质量分数为0.5％以上。
14.根据权利要求13所述的应用，其特征在于，所述环保润滑剂在钻井液中的质量分数为1.0％～3.0％。
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