CN117567996A - 一种水基钻井液用抗高温润滑剂、制备方法及环保型抗高温钻井液 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及钻井施工领域中一种水基钻井液用抗高温润滑剂、制备方法及环保型抗高温钻井液，其中润滑剂的原料质量组份为：植物油70～80份，表面活性剂2～5份，多羟基醇类6～10份，抗高温稳定剂5～10份。采用上述润滑剂的钻井液为将基浆和重量为基浆重量0.5%～2%的上述水基钻井液用抗高温润滑剂混合后得到。本发明的水基钻井液用抗高温润滑剂，以植物油为原料，与相对分子量较小的多元醇类进行酯化反应生成长链的脂肪酸酯，具有多羟基吸附点,保证其吸附的稳定性,同时加入抗高温稳定剂及表面活性剂，具有抗温能力强、润滑性好，可有效降低钻井过程中的摩阻和扭矩，减小卡钻等井下复杂事故的发生，并且荧光级别低，生物降解性好等优点。
Description
技术领域
本发明涉及石油开然气钻探用钻井液技术领域，特别涉及一种水基钻井液用抗高温润滑剂、制备方法及环保型抗高温钻井液。
背景技术
为大力推动勘探开发进程，江苏油田油气勘探开发逐步向深层次挖掘,深井,超深井的钻探已成为今后钻探工业发展的一个重要标志,随着井深的增加,钻井技术难度逐渐增大,对钻井液性能的要求也更高,钻井实践表明,钻井液的性能对于确保深井、超深井钻井液技术更是关系深井钻井成败及其质量好坏的决定因素之一，很大程度上影响了油气发现。
目前润滑剂存在的主要问题有：热稳定性差，钻井液体系经高温后150℃老化一定时间后，其性能难以维持良好状态，不能满足钻探要求，其表现为高温下润滑性变差，粘度大幅度提高，流变性难以控制，若钻井液中土量控制稍有不当则高温老化后黏度、切力增加、导致流动性丧失（高温胶凝和高温固化），目前常用的抗温润滑剂引进了磺化材料，提升了润滑剂的抗温性，但2021年发布《危险废弃物排除管理清单（2021年版）》中明确禁止磺化材料的使用，推广受到限制，其次基于添加含硫含磷的极压抗磨剂润滑剂，抗温能达150℃，缺点就是该处理剂成本高,润滑效果不理想，参考性不大。另外部分抗温合成油类润滑剂，荧光级别超标，目前地质录井主要通过捞取钻井过程中钻屑得砂样，测试其是否有荧光，作为发现地下石油的手段，若润滑剂有荧光，会黏附在钻屑的砂样上，干扰地质录井，影响石油发现。
发明内容
本发明针对现有技术中钻井液在深层次井、高温井下钻进开采中存在的问题，提供一种水基钻井液用抗高温润滑剂，以降低钻井液的荧光级别、增强抗高温性能、同时具有优异的极压润滑性能和泥饼粘附润滑性能，并确保钻井液流型，且环保性、生物降解性好；以适应深部地层复杂结构井的钻井开采，并克服现有水基钻井液钻探水平井、大斜度井等过程中摩阻大、托压严重的问题。
本发明的目的是这样实现的，一种水基钻井液用抗高温润滑剂，包括如下重量配比的原料组份：植物油70～80份，表面活性剂2～5，多羟基醇类6～10份，抗高温稳定剂5～10份。
进一步地，所述抗高温稳定剂为聚酰胺稳定剂。本发明所添加的聚酰胺稳定剂中，其中也含有非离子型表面活性剂，提高在油液中的分散性和油脂抗温性能。
进一步的，所述植物油包括花生油、大豆油、菜籽油、向日葵油、玉米油、棕榈油、蓖麻油、棉子油中的一种或多种的混合物。本发明选用植物油，具有动力粘度低，闪点高、凝固点低、粘温特性好。
进一步地，所述表面活性剂为非离子型表面活性剂。本发明的表面活性剂具有固定的亲水亲油基团，如羧酸、磺酸、胺基或羟基、酰胺基、醚键等，而憎水基团常为非极性烃链，表面活性剂优选为非离子型表面活性剂；本发明润滑剂中的表面活性剂成分由非离子型表面活性剂组成，在机械运作时与摩擦副表面发生强烈的化学反应，且拥有不同功能基团，其润滑性润滑效果更好。
进一步地，所述多羟基醇类为乙二醇、丙三醇或季戊四醇。
为加速反应，还包括催化剂2-5，所述催化剂为浓硫酸、浓盐酸，对甲苯磺酸、对氨基苯磺酸、氢氧化钠、氢氧化钾中的一种。
本发明的水基钻井液用抗高温润滑剂，以植物油为原料，与相对分子量较小的多元醇类进行酯化反应生成长链的脂肪酸酯，具有多羟基吸附点,保证其吸附的稳定性,同时加入抗高温稳定剂及表面活性剂，各组分之间配伍性好且抗温能力强、极压基团能高效稳定的与井壁和钻具接触，润滑性好，可有效降低钻井过程中的摩阻和扭矩，减小卡钻等井下复杂事故的发生，并且具有荧光级别低，生物降解性好等优点。
为进一步实现本发明的目的，本发明还提供一种水基钻井液用抗高温润滑剂的制备方法，包括如下步骤：
第1步，按如下重量比例依次称取植物油70～80份，多羟基醇类6～10份，置于反应釜中，在60～110℃条件下，60～80r/min低速搅拌，酯化反应时间5-8h；
第2步，将第1步的反应产物于釜内自然沉降6-8h，再分离去除甘油；然后将分离产物于120～180℃，真空度小于10Pa条件下进行脱水处理；；
第3步，向第2步分离脱水产物中加入5～10重量份的抗高温稳定剂T15，于反应釜中升温至85～95℃，同时恒温下以500～1000r/min搅拌2～3h，得到中间产物；
第4步，向第3步的中间产物中加入重量份为2～5份的表面活性剂，搅拌均匀并反应10～15 min得到水基钻井液用抗高温润滑剂。
进一步地，第1步中，还加入重量份为2-5份的催化剂。
为便于本申请上述润滑剂在钻井液中的应用施工，本发明还提供一种采用上述润滑剂的环保型抗高温钻井液，其成分包括钻井液基浆和重量为基浆重量0.5%～2%的上述水基钻井液用抗高温润滑剂，混合后得到，用于不同同斜度井况的施工中。
进一步的，具体施工时，所述水基钻井液用抗高温润滑剂按钻井液基浆的重量比例的具体混合比例按施工井况分为：当定向井井斜＜35°，混合比例为0.5%-1.0%；当井斜35°≤井斜≤60°时，混合比例为1.0%-1.5%；当井斜>60°时，混合比例大于1.5%，并根据实际施工情况适当增加润滑剂用量。
附图说明
图1为不同润滑剂高温润滑性能对比图。
图2为不同润滑剂的荧光级别对比图。
具体实施方式
实施例1
首先，制备水基钻井液用抗高温润滑剂，按如下重量比例量称各原料组分：植物油70份，表面活性剂2份，多羟基醇类6份，抗高温稳定剂5份，催化剂2。其中，植物油选用大豆油和菜籽油等重量比的混合物，表面活性剂为失水山梨醇脂肪酸（司盘），多羟基醇类选用为乙二醇，抗高温稳定剂为生产厂家为丹东奇正化工有限公司，产品型号为T15（后文相同用T15简写），催化剂为年质量浓度为2%的硫酸水溶液。
具体按如下步骤制备本实施例的水基钻井液用抗高温润滑剂，第1步，将植物油、多羟基醇类和催化剂置于反应釜中，在70℃条件下，酯化反应时间8h，得到油状的反应产物；
第2步，将第1步的反应产物于釜内自然沉降6h，分离去除甘油后，再于120℃，小于10Pa的真空条件进行脱水处理得到干燥的产物；
第3步，向第2步分离产物中加入5重量份的抗高温稳定剂T15，继续于反应釜中升温至85℃，反应时间为3h，同时边反应边边以500r/min搅拌得到中间产物；
第4步，将第3步的中间产物降温至60℃，加入重量份为2的表面活性剂，搅拌均匀并反应15 min得到本实施例的水基钻井液用抗高温润滑剂。
实施例2
本实施例制备的水基钻井液用抗高温润滑剂，按如下重量比例量称各原料组分：植物油80份，表面活性剂5份，多羟基醇类10份，抗高温稳定剂5份。其中，植物油选用蓖麻油和棉子油的等重量比的混合物，表面活性剂为聚山梨醇酯，多羟基醇类选用为丙三醇，抗高温稳定剂为生产厂家为丹东奇正化工有限公司，产品型号为T15（后文相同用T15简写）。
具体按如下步骤制备本实施例的水基钻井液用抗高温润滑剂：
第1步，将植物油、多羟基醇类和催化剂置于反应釜中，在110℃条件下，酯化反应时间5h，得到油状反应产物；
第2步，将第1步的反应产物釜内自然沉降6h，然后分离去除甘油，再于180℃，抽真空≤10Pa条件脱水处理）；
第3步，向第2步分离产物中加入10重量份的抗高温稳定剂T15，于反应釜中升温至95℃，反应时间为2h，同时边反应边以1000r/min搅拌，得到中间产物；
第4步，向第3步的中间产物中加入重量份为5的表面活性剂，继续搅拌均匀,并反应10 min后得到本实施例的水基钻井液用抗高温润滑剂。
实施例3
本实施例制备的水基钻井液用抗高温润滑剂，首先按如下重量比例量称各原料组分：植物油75份，表面活性剂3.5份，多羟基醇类8份，抗高温稳定剂8份,催化5份。其中，植物油选用向日葵油、玉米油和棕榈油的等重量比的混合物，表面活性剂为辛基酚聚氧乙烯醚系列，多羟基醇类选用为季戊四醇，抗高温稳定剂为生产厂家为丹东奇正化工有限公司，产品型号为T15（后文相同用T15简写），催化剂为浓度为2%的氢氧化钠。
具体按如下步骤制备本实施例的水基钻井液用抗高温润滑剂：
第1步，将植物油、多羟基醇类和催化剂置于反应釜中在90℃条件下，酯化反应时间6.5h，得到油状液体；
第2步，将第1步的反应产物沉降7h后，分离去除甘油；
第3步，向第2步分离产物中加入8重量份的抗高温稳定剂T15，于反应釜中升温至90℃，反应时间为2.5h，同时边反应边以800r/min搅拌，得到中间产物；
第4步，向第3步的中间产物中加入重量份为3.5的表面活性剂，搅拌均匀并反应12min得到本实施例的水基钻井液用抗高温润滑剂。
实施例4
本实施例以实施例1制备的水基钻井液用抗高温润滑剂为添加的润滑剂制备环保型抗高温钻井液，并进一步测试钻井液的性能。
首先配制基浆：用量筒准确量取400ml蒸馏水，20g钠膨润土（在恒温干燥箱中130℃±5℃干燥4 h），0.8g碳酸钠，高速搅拌20min,其间至少停下2次，以刮下黏附在容器壁上的黏附物，室温条件下密闭养护24 h后备用。
将上述基浆分别量取等量的两份，其中一份加入基浆重量1.5%的实施例1制备润滑剂，混合均匀，得到本实施例的环保型抗高温钻井液试样。另一份基浆作为空白试样。
1、极压润滑性能测试：将上述配置好的基浆试样和空白试样分别装入老化罐中，在150℃条件下热滚16h老化后,取出后冷却至室温，高速搅拌10min后分别在润滑仪上测定基浆及加入试样的极压润滑系数（测试数据为表1），极压润滑系数降低率R按式计算：R=(r1- r2)/ r1×100%,其中，r2为加样后的润滑系数(也就是本实施例的钻井液的润滑系数)，r1基浆润滑系数。
表1 润滑性能
2、不同润滑剂润滑性能对比测试：分别配置好5份基浆，分别加入如图1所示的不同成份的滑润剂（其中江苏油田现用润滑剂主要含矿物油，石大博成润滑剂主要含二硫化钼，生物环保润滑剂主要含石蜡浮液），加入量为基浆质量的1.5%，将试样浆液装入老化罐中，分别在100℃、120℃、130℃、150℃条件下热滚16h,取出后冷却至室温，高速搅拌10min后按照公式计算极压润滑系数降低率，润滑系数降低率R按式计算：R=(r1- r2)/ r1×100%,r2为加样后的润滑系数，r1为基浆空白样润滑系数。极压润滑系数降低率越高越好,由图1的各试样曲线可知，本发明的润滑系数降低率最高，润滑性好，抗温性能可达150℃。
3、表观粘度升高值△μA：将配置好150℃老化下的基浆空白试样，高速搅拌10min后用旋转粘度计测定其600min/r表观粘度μA1，取另一本实施例的钻井液试样，用搅拌器搅拌5min后用旋转粘度计测定其600min/r表观粘度μA2，表观粘度升高值μA按式计算：△μA=（μA2-μA1）。
4、泥饼黏附系数降低率：取两份基浆试样分别在150℃下老化，向其中一份加入1%实施例1的润滑剂，用搅拌器搅拌10min后用黏附系数测定仪测定其黏附系数F按式计算：F=（f1-f2）/ f1×100%。其中f1是加入前述滋润剂后的试样的粘附系数和f2的基浆试样的粘附系数），测试结果如表1所述。
5、荧光级别测定:取如图2所示各润滑剂试样备用，再分别取5个洁净烘干的100ML烧杯，每杯中分别加入20ML环已烷，再向各杯中分别加入1g各润滑剂试样，摇匀得到不同的钻井液试样，再分别移出10-15ML各钻井液试样澄清液于干净试管中，在地质荧光仪下对比确定各钻井液的荧光级别。测试结构如图2所示，可知本申请的润滑剂配制测试液的荧光级别最低，并且≤4，也就是本申请的润滑剂配制的钻井液荧光性能最好。
6. 润滑剂生物毒性（EC50）的测试：润滑剂生物毒性（EC50）是指待测液相对于Wt3%Nacl溶液的发光度而得到相对发光度，若测试溶液出现相对发光度为50%，此浓度为EC50值，若没有出现以相对靠近此值浓度为EC50值。表2为本发明中实施例1-3制得的润滑剂和以磺化材料为主要成份作为对比测试液的润滑剂测试的EC50值。其中，加入磺化材料的润滑剂主要成份组成为：植物油80份；多羟基化合物10份；表面活性剂10份、磺化酚醛树脂8份。
表2 EC50值测试对比
。
由表2中测试结果显示本发明的各实施例的润滑剂的EC50值＞50000mg/l，环保标准是＞30000mg/l，而加入磺化材料的EC50值＞10000mg/l，也就是本发明的各润滑剂的EC50的明显高于加入磺化材料的环保要求。
结合上述测定及对比结果，本发明的滑润剂及制备的钻井液与现有技术中各润滑剂及相应的钻井液对比，润滑系数降低率、黏附系数降低率高，荧光级别低，也就是本发明的的润滑剂及钻井液具有优良的综合性能和广泛的应用前景更有利于环境敏感地区深井的钻探需要。
实施例5
本实施例以实施例2制备的润滑剂来调配钻井液和现有技术中一种环保型石蜡浮液润滑剂的钻井液分别进行江苏油田某井段的钻进施工，两口井眼分别为JS-2（2350）和JS-5（2350），其中，对JS-5（2350）井采用实施例2的润滑剂调配钻井液按如下施工过程进行：
1.施工准备: 钻至定向井前，对钻井液性能进行调整，先配置预水化膨润土钻井液，基本配方：用生产水配置60m3膨润土浆+0.2%～0.3%大分子聚合物+0.8%铵盐+1.5%防塌剂+0.2%烧碱+0.1%提粘剂，按基本配方，在加入润滑剂前测量钻井液的般含，调整其在40g/l左右；
2.具体施工：定向钻进过程中根据摩阻情况，按照“少食多餐”的原则补充该发明润滑剂,井斜小于35°，润滑剂加量从0.5%开始，逐渐增加至1%，井斜在35°以上，加量增加至1.5%，直至井斜大于60°时，润滑剂的配加量从1.5%逐渐增加至确保钻井液达到润滑防卡能力；
3.复杂情况处理：钻至油层前50M,降低钻井液的劣质固相，补加润滑剂其含量在1.5%左右，控制API失水小于5ml,HTHP失水小于15ml,控制固相含量小于10%，加入前后性能稳定；
4.完井准备: 电测和下套管前根据井筒润滑防卡需要，决定是否再添加润滑剂，在井斜大于35°，摩阻大于15吨，另外配加0.5%左右的固体润滑剂（塑料小球、石墨等），并避免润滑剂用量过多。提高电测一次成功率。
另外，在JS-2（2350）井采用现有技术中的环保型石蜡浮液润滑剂进行钻井液调配施工，根据施工过程中的钻进需求添加的润滑剂量适应调节。
施工效果评价：两井实施效果比较，使用实施例2润滑剂的JS-5（2350）井在定向井段能有效解决钻井液托压问题，使用后摩阻扭矩小,润滑效果明显。整个施工过程作业顺利，钻具起下顺畅，周期短,用量少，加入润滑剂后钻井液前后性能稳定。具体施工效果对比如表3和表4。
表3润滑剂效果
表4润滑剂使用前后性能
。
Claims (10)
1.一种水基钻井液用抗高温润滑剂，其特征在于，包括如下重量配比的原料组份：植物油70～80份，表面活性剂2～5份，多羟基醇类6～10份，抗高温稳定剂5～10份。
2.根据权利要求1所述的水基钻井液用抗高温润滑剂，其特征在于，所述抗高温稳定剂为聚酰胺稳定剂。
3.根据权利要求1所述的水基钻井液用抗高温润滑剂，其特征在于，所述植物油包括花生油、大豆油、菜籽油、向日葵油、玉米油、棕榈油、蓖麻油、棉子油中的一种或多种的混合物。
4.根据权利要求1所述的水基钻井液用抗高温润滑剂，其特征在于，所述表面活性剂为非离子型表面活性剂。
5.根据权利要求1所述的水基钻井液用抗高温润滑剂，其特征在于，所述多羟基醇类为乙二醇、丙三醇或季戊四醇。
6.根据权利要求1所述的水基钻井液用抗高温润滑剂，其特征在于，还包括催化剂2-5份，所述催化剂为浓硫酸、浓盐酸，对甲苯磺酸、对氨基苯磺酸、氢氧化钠、氢氧化钾中的一种。
7.一种权利要求1-6任一项所述的水基钻井液用抗高温润滑剂的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
第1步，按如下重量比例依次称取植物油70～80份，多羟基醇类6～10份，置于反应釜中，在60～110℃条件下，60～80r/min低速搅拌，酯化反应时间5-8h；
第2步，将第1步的反应产物于釜内自然沉降6-8h，再分离去除甘油；然后将分离产物于120～180℃，真空度小于10Pa条件下进行脱水处理；
第3步，向第2步分离脱水产物中加入5～10重量份的抗高温稳定剂T15，于反应釜中升温至85～95℃，同时恒温下以500～1000r/min搅拌2～3h，得到中间产物；
第4步，向第3步的中间产物中加入重量份为2～5份的表面活性剂，搅拌均匀并反应10～15 min得到水基钻井液用抗高温润滑剂。
8.根据权利要求7所述的水基钻井液用抗高温润滑剂的制备方法，其特征在于，第1步中，还加入重量为2-5份的催化剂。
9.一种环保型抗高温钻井液，其特征在于，包括钻井液基浆和重量为基浆重量0.5%～2%的权利要求1-6任一项所述的水基钻井液用抗高温润滑剂，混合后得到。
10.根据权利要求9所述的环保型抗高温钻井液，其特征在于，所述水基钻井液用抗高温润滑剂按钻井液基浆的重量比例的具体混合比例按施工井况分为：当定向井井斜＜35°，混合比例为0.5%-1.0%；当井斜35°≤井斜≤60°时，混合比例为1.0%-1.5%；当井斜>60°时，混合比例大于1.5%，并根据实际施工情况适量增加润滑剂用量。
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