CN108753269A - 一种钻井液用纳米润滑剂及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开的是石油工业使用的一种钻井液用纳米润滑剂及其制备方法，在钻井液中添加本润滑剂能够提高钻井液润滑性，降低钻井过程中的摩阻和扭矩。本钻井液用纳米润滑剂由线性α‑烯烃、纳米二氧化硅、硫化脂肪酸脂、表面活性剂和水组成，其制备方法是将线性α‑烯烃置于搅拌釜，控制釜温在25～30℃，然后按比例加入表面活性剂，搅拌4h后按比例加入纳米二氧化硅，搅拌2h后再按比例加入硫化脂肪酸脂，搅拌2h后按比例加入水，水的加入速度≤2m³/h,继续搅拌4h直至形成均匀的油包水乳状液即为钻井液用纳米润滑剂。

Description

一种钻井液用纳米润滑剂及其制备方法

技术领域

本发明涉及石油工业钻井液中的添加剂，特别是一种钻井液用纳米润滑剂及其制备方法，在钻井液中添加本润滑剂能够提高钻井液的润滑性能，降低钻井过程中的摩阻和扭矩。

背景技术

钻井液主要由水和膨润土再加上其它处理剂组成，钻井液润滑剂是钻井液中最重要的处理剂之一，其主要功能是减轻钻具与井壁之间的摩擦阻力，降低发生卡钻事故的风险。特别是在定向井及水平井的施工中，随着井斜角的增大，钻具和井壁的接触面积及摩擦阻力和扭矩阻力不断增大，此时必须保证钻井液具有足够的润滑性，钻井施工过程中主要是通过添加合适的润滑剂来改善钻井液的润滑性能。

近年来，随着定向井、水平井钻井技术大面积推广应用，钻井摩阻问题尤为突出，如何降低钻井摩阻，提高钻井液的润滑性能，成为定向井、水平井钻井技术的关键。目前，国内外的钻井液润滑剂大约有15大类、170多种，占钻井液处理剂使用总量的6％左右。按照钻井液润滑剂的相态分，钻井液润滑剂主要包括固体类润滑剂和液体类润滑剂两类。固体类润滑剂主要有塑料小球、石墨、炭球和玻璃微珠等处理剂。但固体润滑剂在使用过程中因为固体材料的尺寸问题，容易被固控设备清除，且在钻具的挤压、剪切等作用下容易发生变形和破碎，从而丧失润滑效果。液体类润滑剂是目前研究最多、应用最广的润滑剂，主要有沥青类润滑剂、柴油基润滑剂、矿物油基润滑剂、植物油基润滑剂、聚合醇润滑剂等。大部分植物油基润滑剂和聚合醇润滑剂都存在抗温性和抗盐性不足的难题，限制了其应用范围。同时，随着环保法规的日益严格，由于矿物油基润滑剂、柴油基润滑剂和沥青类润滑剂等常规润滑剂存在环保隐患，其使用量逐年下降，使用环境友好型的润滑剂以替代当前使用的传统润滑剂是生产现场急需解决的问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种钻井液用纳米润滑剂及其制备方法，克服现有钻井液润滑剂的缺陷，将本发明的纳米润滑剂添加在钻井液中，提高钻井液的润滑性，降低钻井过程中的摩阻和扭矩。

为了达到本发明的目的，本发明提供了以下技术方案：

一种钻井液用纳米润滑剂，以100重量份计，由以下组分组成：

线性α-烯烃 84～87重量份；

纳米二氧化硅 3～5重量份；

硫化脂肪酸脂 3～6重量份；

表面活性剂 2～3重量份；

水 3～5重量份。

一种钻井液用纳米润滑剂的制备方法是：将线性α-烯烃置于搅拌釜中，控制釜温在25～30℃，然后按比例加入表面活性剂，搅拌4h后按比例加入纳米二氧化硅，搅拌2h后再按比例加入硫化脂肪酸脂，搅拌2h后按比例加入水，水的加入速度≤2m³/h,继续搅拌4h直至形成均匀的油包水乳状液即为钻井液用纳米润滑剂。

与现有技术相比本发明具有如下显著的优点：

随着纳米科技的发展，纳米材料优良的物理化学性能显示出纳米材料在摩擦表面能够形成一层摩擦系数较低的薄膜,对摩擦表面进行一定程度的填补和修复。纳米粒子尺寸较小,可以认为近似球形,可像鹅卵石一样自由滚动,起到微轴承作用；还能对摩擦表面进行抛光和强化作用,并支撑负荷,使承载能力提高,摩擦系数降低。另外,纳米微粒具有较高的扩散能力和自扩散能力,容易在金属表面形成具有极佳抗磨性能的渗透层或扩散层,表现出原位摩擦化学原理。

本发明通过研究和试验发现，如果将纳米材料添加到钻井液的处理剂中，应该并且也能够具有突出的抗极压性能、优异的抗磨性和较好的润滑性能。纳米二氧化硅具有比表面积大、粒径小、表面吸附力强、分散性能好等优点，通过红外光谱研究发现纳米二氧化硅表面含有硅氧烷基,孤立未受干扰的自由羟基和形成氢键的羟基。由于表面羟基的存在,故显示出很强的吸水性，也就有利于在钻具表面和岩石表面吸附，能够解决常规润滑剂润滑性不足的难题，且避免了常规润滑剂的环保难题。

线性α-烯烃是一种乙烯聚合成的直链低聚产品，无支链，且在分子链末端α位置上有双键，分子量范围大约从112 (C₈H₁₆)到260 ( C₂₀H₄₀)，不含任何芳香烃，基液粘度低、其运动粘度为2.1～2.7×10^-6m/s 。与钻井液中使用的其他基油相比，线性α-烯烃具有以下优点：（1）线性α-烯烃易在井底环境下自然降解，且不含芳香烃成分，因此其环境可接受性好，对环境影响小。（2）线性α-烯烃在钻具、井壁、钻屑表面形成吸附油膜，将钻具与井壁之间的固-固摩擦转变为油膜之间或非极性端之间的摩擦，有利于降低钻井过程中的摩阻和扭矩。（3）线性α-烯烃的运动粘度很低，当以其作为主要成分的钻井液用润滑剂加入钻井液中时，其对钻井液的流变性影响较小，有利于充分发挥钻井液的水力作用，提高钻速。

本发明用易降解的线性α-烯烃做为本发明润滑剂的基油，在其中加入纳米二氧化硅，使纳米材料在钻柱表面产生吸附作用，而线性α-烯烃在钻具、井壁、钻屑表面形成吸附油膜，将钻具与井壁之间的固-固摩擦转变为油膜之间或非极性端之间的摩擦，通过线性α-烯烃和纳米二氧化硅的协同作用，较好地降低了钻具与井壁的摩阻，减少了钻具的磨损，从而提高了钻井液用润滑剂的润滑性，降低了钻柱与井壁的摩擦和扭矩，具有显著的试验效果。此外，钻井液中润滑剂的基油粘度低也为其它处理剂来调整钻井液性能提供了更大的空间。

本发明以线性α-烯烃和纳米二氧化硅为主处理剂，添加硫化脂肪酸脂和表面活性剂制备而成，其原材料来源广泛，成本低廉，制备工艺简单，具有润滑性好、环境可接受性强等优点。对本发明的评价方法和评价设备使用的是：“中华人民共合国石油天然气行业标准SY/T6094-94,钻井液用润滑剂评价程序”以及“中国石化集团胜利石油管理局企业标准Q/SH1020 2017-2015,钻井液用水基润滑剂通用技术条件”。其中的评价设备是极压润滑仪，通过极压润滑仪评价钻井液及钻井液用润滑剂的润滑性能，该仪器是使用一个钢环模拟钻柱并施以一定载荷，测量和计算摩擦过程中的摩擦阻力值，从而评价钻井液或钻井液用润滑剂的润滑性能。本发明使用的是青岛海通达公司生产的EP-B型极压润滑仪进行评价。根据EP-B型极压润滑仪的测试结果，添加3%本润滑剂在5%膨润土浆中，测得极压润滑系数为0.12，实验证实本润滑剂具有很好的润滑效果，能够有效提高钻井液润滑性，解决定向井、水平井钻井施工的摩阻高、扭矩大的难题，具有显著的使用效果并能产生很好的经济效益。随着定向井、水平井数量的逐年增多，本发明具有广阔的应用价值和推广前景。

具体实施方式

以下结合实施例对本发明进行详细说明，但本发明的保护范围并不限于以下实施例。

一种钻井液用纳米润滑剂，以100重量份计，由以下组分组成：

线性α-烯烃 84～87重量份；

纳米二氧化硅 3～5重量份；

硫化脂肪酸脂 3～6重量份；

表面活性剂 2～3重量份；

水 3～5重量份。

所述线性α-烯烃的含量为87重量份。

所述纳米二氧化硅的粒径设定在20nm～50nm之间，其含量为3重量份。

所述硫化脂肪酸脂的含量为5重量份。

所述表面活性剂为司盘80和烷基酚聚氧乙烯醚的混合物，其含量为2重量份。

所述司盘80和烷基酚聚氧乙烯醚的含量分别为1.4和0.6重量份。

一种钻井液用纳米润滑剂的制备方法是：

A、将线性α-烯烃置于搅拌釜中，控制釜温在25～30℃；

B、按比例加入表面活性剂，搅拌4h；

C、按比例加入纳米二氧化硅，搅拌2h；

D、按比例加入硫化脂肪酸脂，搅拌2h；

E、按比例加入水，水的加入速度≤2m³/h,继续搅拌4h，直至形成均匀的油包水乳状液即为钻井液用纳米润滑剂。

本发明的实施例如下：

实施例1

本实施例中钻井液用润滑剂的重量份和组分如下：

线性α-烯烃 87重量份；

纳米二氧化硅 3重量份，其粒径设定在20nm～50nm之间；

硫化脂肪酸脂 5重量份；

司盘80 1.4重量份；

烷基酚聚氧乙烯醚 0.6重量份；

水 3重量份。

其制备方法和步骤如下：

（1）将线性α-烯烃置于搅拌釜中，控制釜温在25～30℃；

（2）加入1.4重量份的司盘80和0.6重量份的烷基酚聚氧乙烯醚，搅拌4h；

（3）加入3重量份的纳米二氧化硅，搅拌2h；

（4）加入5重量份的硫化脂肪酸脂，搅拌2h；

（5）加入3重量份的水，水的加入速度≤2m³/h,继续搅拌4h直至形成均匀的油包水乳状液即为钻井液用纳米润滑剂。

本实施例是最佳实施例，本实施例中的润滑剂是在室内利用EP-B 型极压润滑仪测试其润滑性，根据测试结果，添加3%本润滑剂在5%膨润土浆中，测得极压润滑系数为0.12，实验证实本润滑剂具有显著的润滑效果，有利于提高钻井液的润滑性。

实施例2

线性α-烯烃 84重量份；

纳米二氧化硅 5重量份，其粒径设定在20nm～50nm；

硫化脂肪酸脂 3重量份；

司盘80 1.8重量份；

烷基酚聚氧乙烯醚 1.2重量份；

水 5重量份。

其制备方法和步骤如下：

（1）将线性α-烯烃置于搅拌釜中，控制釜温在25～30℃；

（2）加入1.8重量份的司盘80和1.2重量份的烷基酚聚氧乙烯醚，搅拌4h；

（3）加入5重量份的纳米二氧化硅，搅拌2h；

（4）加入3重量份的硫化脂肪酸脂，搅拌2h；

（5）加入5重量份的水，水的加入速度≤2m³/h,继续搅拌4h直至形成均匀的油包水乳状液即为钻井液用纳米润滑剂。

本实施例中的润滑剂是在室内利用EP-B 型极压润滑仪测试其润滑性，根据测试结果，添加3%本润滑剂在5%膨润土浆中，测得极压润滑系数为0.14，实验证实本润滑剂具有较好的润滑效果，有利于提高钻井液的润滑性。

实施例3

线性α-烯烃 85重量份；

纳米二氧化硅 3重量份，其粒径设定在20nm～50nm；

硫化脂肪酸脂 6重量份；

司盘80 1.6重量份；

烷基酚聚氧乙烯醚 1.4重量份；

水 3重量份。

其制备方法和步骤如下：

（1）将线性α-烯烃置于搅拌釜中，控制釜温在25～30℃；

（2）加入1.6重量份的司盘80和1.4重量份的烷基酚聚氧乙烯醚，搅拌4h；

（3）加入3重量份的纳米二氧化硅，搅拌2h；

（4）加入6重量份的硫化脂肪酸脂，搅拌2h；

（5）加入3重量份的水，水的加入速度≤2m³/h,继续搅拌4h，直至形成均匀的油包水乳状液即为钻井液用纳米润滑剂。

本实施例是优选实施例，其润滑剂是在室内利用EP-B 型极压润滑仪测试其润滑性，根据测试结果，添加3%本润滑剂在5%膨润土浆中，测得极压润滑系数为0.13，实验证实本润滑剂具有很好的润滑效果，有利于提高钻井液的润滑性。

实施例4

本线性α-烯烃 86重量份；

纳米二氧化硅 4重量份，其粒径设定在20nm～50nm；

硫化脂肪酸脂 4重量份；

司盘80 1.2重量份；

烷基酚聚氧乙烯醚 0.8重量份；

水 4重量份。

其制备方法和步骤如下：

（1）将线性α-烯烃置于搅拌釜中，控制釜温在25～30℃；

（2）加入1.2重量份的司盘80和0.8重量份的烷基酚聚氧乙烯醚，搅拌4h；

（3）加入4重量份的纳米二氧化硅，搅拌2h；

（4）加入4重量份的硫化脂肪酸脂，搅拌2h；

（5）加入4重量份的水，水的加入速度≤2m³/h,继续搅拌4h，直至形成均匀的油包水乳状液即为钻井液用纳米润滑剂。

本实施例是优选实施例，其润滑剂是在室内利用EP-B 型极压润滑仪测试其润滑性，根据测试结果，添加3%本润滑剂在5%膨润土浆中，测得极压润滑系数为0.13，实验证实本润滑剂具有很好的润滑效果，有利于提高钻井液的润滑性。

本发明绝不仅限于上述实施例，凡使用本发明的设计思路得出的其它实施例及其改进均属于本发明的保护范畴。

Claims (7)

1.一种钻井液用纳米润滑剂，以100重量份计，由以下组分组成：

线性α-烯烃 84～87重量份；

纳米二氧化硅 3～5重量份；

硫化脂肪酸脂 3～6重量份；

表面活性剂 2～3重量份；

水 3～5重量份。

2.如权利要求1所述的一种钻井液用纳米润滑剂，其特征是，所述线性α-烯烃的含量为87重量份。

3.如权利要求1所述的一种钻井液用纳米润滑剂，其特征是，所述纳米二氧化硅的粒径设定在20nm～50nm之间，其含量为3重量份。

4.如权利要求1所述的一种钻井液用纳米润滑剂，其特征是，所述硫化脂肪酸脂的含量为5重量份。

5.如权利要求1所述的一种钻井液用纳米润滑剂，其特征是，所述表面活性剂为司盘80和烷基酚聚氧乙烯醚的混合物，其含量为2重量份。

6.如权利要求5所述的一种钻井液用纳米润滑剂，其特征是，所述司盘80和烷基酚聚氧乙烯醚的含量分别为1.4和0.6重量份。

7.如权利要求5所述一种钻井液用纳米润滑剂的制备方法是：

A、将线性α-烯烃置于搅拌釜中，控制釜温在25～30℃；

B、按比例加入表面活性剂，搅拌4h；

C、按比例加入纳米二氧化硅，搅拌2h；

D、按比例加入硫化脂肪酸脂，搅拌2h；

E、按比例加入水，水的加入速度≤2m³/h,继续搅拌4h，直至形成均匀的油包水乳状液即为钻井液用纳米润滑剂。