CN113025289A - 一种钻井液润滑剂及其制备方法 - Google Patents

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CN113025289A CN201911250064.6A CN201911250064A CN113025289A CN 113025289 A CN113025289 A CN 113025289A CN 201911250064 A CN201911250064 A CN 201911250064A CN 113025289 A CN113025289 A CN 113025289A
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方静
李银婷
高伟
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Abstract

本发明一方面公开了一种钻井液润滑剂，包括以重量份数计的以下组分：金属氧化物纳米颗粒1～6，硼基纳米颗粒2～8，二烷基二硫代磷酸盐1～10，润湿剂0.2～3，悬浮剂0.2～3，水100。本发明还公开了上述钻井液润滑剂的制备方法。所述钻井液润滑剂的纳米颗粒在水基钻井液中可以良好分散，避免了团聚和沉降；润滑效果比现有技术的微米‑亚微米固体颗粒润滑剂更为优异；所述钻井液润滑剂由多种纳米级颗粒复配而成，粒径在纳米尺度范围内呈较宽分布，能够有效封堵泥页岩纳米‑亚微米孔隙和微裂缝，阻止钻井液压力传递从而起到稳定泥页岩井壁的作用。

Description

一种钻井液润滑剂及其制备方法
技术领域
本发明涉及油田钻井液技术领域，具体涉及一种钻井液润滑剂及其制备方法。
背景技术
随着油气资源的日益枯竭，深水平井钻井已逐渐成为开发深层油气藏的重要技术手段。由于油气藏埋藏深、造斜点深，深水平井造斜段和水平段钻进过程中存在较高的摩阻和扭矩，不仅严重影响了钻进速度和井眼轨迹控制，同时也威胁到钻井作业的安全，是制约深水平井水平段延伸长度的核心难题，这对钻井液的润滑性能提出了较高的要求。
润滑剂是钻井液的重要添加剂，其作用是降低钻具与井壁及钻具与金属套管间的摩擦阻力，防止泥包钻头，进而起到提高钻速、防止卡钻、减缓钻具磨损的目的。
现有技术的钻井液润滑剂包括液体润滑剂和固体润滑剂两大类。液体润滑剂多为精制矿物油、聚α-烯烃、植物油、改性植物油、合成脂肪酸酯类产品。这些产品普遍存在影响钻井液流变性、易起泡、易消耗等缺点，而酯类润滑剂更是因抗温耐盐性能有限而制约了在盐水钻井液及深井超深井中的应用。因此，在一些高温高盐等严苛井下环境中，往往使用不受温度和盐类影响的固体颗粒润滑剂。固体颗粒润滑剂产品主要包括合成聚合物小球、玻璃小球、陶瓷小球等球型颗粒和石墨类具有片层结构的颗粒。例如，美国专利US 2006/0122070 A1描述了一种球形石墨作为水基钻井液润滑剂，石墨颗粒的平均粒径大于120目，且超过65％的石墨颗粒能够通过80目筛网。专利WO2009/035758中描述了一种适用于高温高压深井和深水平井水基钻井液的固体润滑剂。该润滑剂的主要成分为球状石油焦(60～100目)，是重油流化焦化或延迟焦化的副产物。然而现有技术的固体润滑剂(例如聚苯乙烯小球、石墨、石油焦等)通常表面呈疏水性，在水基钻井液中难以稳定分散，容易发生团聚。团聚一方面会导致固体润滑剂颗粒容易被振动筛筛除；另一方面也会造成润滑剂颗粒在钻井液中分布不均，从而削弱了润滑效果。
美国专利US 2006/0122070 A1描述了一种球形石墨作为水基钻井液润滑剂，石墨颗粒的平均粒径大于120目，且超过65％的石墨颗粒能够通过80目筛网。但是石墨在水基钻井液中难以稳定分散，容易团聚而被振动筛筛除。而且，该专利的润滑组分单一，润滑效果有限。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种能够在水基钻井液中良好分散且润滑性能优异的纳米固体润滑剂及制备方法。
为实现上述目的，本发明提供了钻井液润滑剂，包括以重量份数计的以下组分：
Figure BDA0002308769750000021
可选地，根据本发明的钻井液润滑剂，所述金属氧化物为二氧化钛、氧化锌、氧化铜、氧化锆、铝酸锌中的至少一种。
可选地，根据本发明的钻井液润滑剂，所述金属氧化物纳米颗粒粒径为10nm～200nm。
可选地，根据本发明的钻井液润滑剂，所述硼基纳米颗粒为纳米硼酸钛、纳米硼酸铈、纳米硼酸铁、纳米硼酸镁、纳米硼酸锌中的至少一种。
可选地，根据本发明的钻井液润滑剂，所述硼基纳米颗粒粒径为50nm～500nm。
可选地，根据本发明的钻井液润滑剂，所述二烷基二硫代磷酸盐为二烷基二硫代磷酸锌、二烷基二硫代磷酸铜、二烷基二硫代磷酸钼中的一种。
可选地，根据本发明的钻井液润滑剂，所述润湿剂为聚乙二醇或聚丙二醇。
可选地，根据本发明的钻井液润滑剂，所述润湿剂的分子量为500～20000g/mol。
可选地，根据本发明的钻井液润滑剂，所述悬浮剂为聚阴离子纤维素钠盐、黄原胶、羧甲基淀粉、海藻酸钠、聚乙烯吡咯烷酮、聚乙烯醇中的至少一种。
另一方面，本发明还提供了上述钻井液润滑剂的制备方法，包括以下步骤：
将水加入到带有搅拌的反应釜中，在搅拌的条件下依次加入润湿剂和悬浮剂，搅拌10～30分钟；
然后向反应釜中加入金属氧化物纳米颗粒，搅拌0.5～1小时后加入硼基纳米颗粒；
搅拌10～30分钟后加入二烷基二硫代磷酸盐，继续搅拌20～30分钟，得到所述的钻井液润滑剂。
本发明提供的钻井液润滑剂，与现有技术相比的主要优势在于：
(1)现有技术的钻井液固体润滑剂颗粒粒径通常为微米和亚微米尺度，防磨减摩效果不如纳米颗粒；本发明的钻井液润滑剂主要成分为不同种类、不同粒径范围的纳米颗粒的组合，具有比现有技术更优越的润滑效果，能够有效降低钻具金属表面的摩擦系数，并减轻钻具磨损；
(2)现有技术的钻井液固体润滑剂(例如聚苯乙烯小球、石墨、石油焦等)通常表面呈疏水性，在水基钻井液中难以稳定分散，容易发生团聚。团聚一方面会导致固体润滑剂颗粒容易被振动筛筛除；另一方面也会造成润滑剂颗粒在钻井液中分布不均，从而削弱了润滑效果。本发明通过将疏水性的固体颗粒进行润湿反转，并预分散在水中形成分散液，使得固体颗粒在水基钻井液中可以良好分散，避免了团聚和沉降；具有比现有技术更优、更持久的润滑效果，因而具有较好的应用前景；
(3)本发明的润滑剂是由多种纳米颗粒复配而成，粒径在纳米尺度范围内呈较宽分布，因而能够有效封堵泥页岩纳米-亚微米孔隙和微裂缝，阻止钻井液压力向地层深处传递，起到稳定泥页岩井壁的作用，这是现有技术润滑剂不具备的特点。
具体实施方式
下面结合具体的实施方式对本发明作进一步的描述。
一方面，本发明提供了一种钻井液润滑剂，包括以重量份数计的以下组分：
Figure BDA0002308769750000041
本申请的上述钻井液润滑剂中，金属氧化物和硼基纳米颗粒能够沉积有效的填充金属摩擦表面粗糙的微缝隙，在相互接触的摩擦面间形成一层保护膜，有效降低摩擦面的摩擦系数，并减轻磨损。其中，金属氧化物纳米颗粒在降低摩擦系数方面效果突出，而硼基纳米颗粒则能够有效保护金属摩擦面，减轻磨损。二烷基二硫代磷酸盐在高温、高摩擦环境下能够与金属发生化学反应并在金属表面形成一层保护膜，有效减轻金属磨损。将金属氧化物纳米颗粒、硼基纳米颗粒和二烷基二硫代磷酸盐组合在一起使用会起到协同增效作用，比单独使用其中一种组分的润滑效果更好。
润湿剂的作用是使纳米颗粒表面润湿反转，从疏水转变成亲水，从而能够良好分散在水性介质中，不易因团聚而被筛除。悬浮剂的作用是通过改变固体颗粒表面Zeta电位并通过空间位阻作用使亲水改性后的固体颗粒能够长期稳定的悬浮在水性介质中而不会团聚并沉降。通过润湿剂和悬浮剂，使得金属氧化物和硼基纳米颗粒能够良好分散在钻井液中，从而提供更好的润滑性能。
具体地，所述金属氧化物纳米颗粒为纳米二氧化钛(TiO2)、纳米氧化锌(ZnO)和纳米氧化铜(CuO)、纳米氧化锆(ZrO2)、纳米铝酸锌(ZnAl2O4)的一种或几种组合，优选为纳米二氧化钛、纳米氧化锌、纳米铝酸锌的一种或几种组合，更优选为纳米二氧化钛和纳米氧化锌的一种或两种组合。所述金属氧化物纳米颗粒粒径为10nm～200nm，优选20nm～100nm，更优选为20nm～50nm。所述金属氧化物纳米颗粒的用量优选为2～4重量份。
所述硼基纳米颗粒为纳米硼酸钛、纳米硼酸铈、纳米硼酸铁、纳米硼酸镁、纳米硼酸锌的一种或几种组合，优选为纳米硼酸钛、纳米硼酸铁、纳米硼酸锌的一种或几种组合，更优选为纳米硼酸钛和纳米硼酸锌的一种或两种组合。所述硼基纳米颗粒粒径为50nm～500nm，优选100nm～400nm，更优选为200nm～300nm。所述硼基纳米颗粒的用量优选为2～8重量份，进一步优选为3～6重量份。
所述二烷基二硫代磷酸盐为二烷基二硫代磷酸锌、二烷基二硫代磷酸铜、二烷基二硫代磷酸钼的一种，优选为二烷基二硫代磷酸锌。所述二烷基二硫代磷酸的用量优选为2～8重量份，进一步优选为3～6重量份。
所述润湿剂为聚乙二醇或聚丙二醇，分子量为500～20000g/mol，优选为1000～10000g/mol，更优选为2000～6000g/mol，更优选为2000～4000g/mol。所述润湿剂的用量优选为0.5～1.5重量份。
所述悬浮剂为聚阴离子纤维素钠盐、黄原胶、羧甲基淀粉、海藻酸钠、聚乙烯吡咯烷酮、聚乙烯醇中的至少一种。所述悬浮剂的用量优选为0.5～1.5重量份。
所述水选自去离子水或蒸馏水。
另一方面，本发明还提供了上述钻井液润滑剂的制备方法，包括以下步骤：
将水加入到带有搅拌的反应釜中，在搅拌的条件下依次加入润湿剂和悬浮剂，搅拌10～30分钟；
然后向反应釜中加入金属氧化物纳米颗粒，搅拌0.5～1小时后加入硼基纳米颗粒；
搅拌10～30分钟后加入二烷基二硫代磷酸盐，继续搅拌20～30分钟，得到所述的钻井液润滑剂。
上述制备方法中，为了使疏水性的金属氧化物和硼基纳米颗粒能够良好分散在钻井液中，需要将纳米颗粒预分散在水中制备成分散液使用。分散液中需要包括润湿剂和悬浮剂。润湿剂的作用是使纳米颗粒表面润湿反转，从疏水转变成亲水，从而能够良好分散在水性介质中，不易因团聚而被筛除。悬浮剂的作用是通过改变固体颗粒表面Zeta电位并通过空间位阻作用使亲水改性后的固体颗粒能够长期稳定的悬浮在水性介质中而不会团聚并沉降。此外，为了发挥更好的润滑作用，可以将多种片层结构的固体颗粒组合使用。
为了具体的描述本发明，申请人通过以下示例对本申请的钻井液润滑剂及其制备方法进行说明。应当理解的是，下述具体的实施例仅作为本发明的具体实现方式的示例性说明，而不构成对本发明范围的限制。
实施例1
在室温下将100kg去离子水加入到带有搅拌的反应釜中，在搅拌的条件下依次加入0.5kg润湿剂聚乙二醇(分子量2000g/mol)和0.5kg悬浮剂聚阴离子纤维素钠盐，搅拌30分钟使得润湿剂和悬浮剂完全溶解于水中。然后向反应釜中加入2kg纳米二氧化钛(平均粒径20nm)，搅拌1小时后加入3kg纳米硼酸钛(平均粒径200nm)。搅拌30分钟后加入3kg二烷基二硫代磷酸锌，继续搅拌30分钟后得到本发明的钻井液润滑剂，为黄褐色粘稠液体。
实施例2
在室温下将100kg去离子水加入到带有搅拌的反应釜中，在搅拌的条件下依次加入0.5kg润湿剂聚乙二醇(分子量2000g/mol)和0.5kg悬浮剂聚阴离子纤维素钠盐，搅拌30分钟使得润湿剂和悬浮剂完全溶解于水中。然后向反应釜中加入4kg纳米二氧化钛(平均粒径20nm)，搅拌1小时后加入6kg纳米硼酸钛(平均粒径200nm)。搅拌30分钟后加入6kg二烷基二硫代磷酸锌，继续搅拌30分钟后得到本发明的钻井液润滑剂，为黄褐色粘稠液体。
实施例3
在室温下将100kg去离子水加入到带有搅拌的反应釜中，在搅拌的条件下依次加入0.5kg润湿剂聚乙二醇(分子量2000g/mol)和0.5kg悬浮剂聚阴离子纤维素钠盐，搅拌30分钟使得润湿剂和悬浮剂完全溶解于水中。然后向反应釜中加入2kg纳米二氧化钛(平均粒径20nm)，搅拌1小时后加入3kg纳米硼酸钛(平均粒径200nm)。搅拌30分钟后加入6kg二烷基二硫代磷酸锌，继续搅拌30分钟后得到本发明的钻井液润滑剂，为黄褐色粘稠液体。
实施例4
在室温下将100kg去离子水加入到带有搅拌的反应釜中，在搅拌的条件下依次加入0.5kg润湿剂聚乙二醇(分子量2000g/mol)和0.5kg悬浮剂聚阴离子纤维素钠盐，搅拌30分钟使得润湿剂和悬浮剂完全溶解于水中。然后向反应釜中加入4kg纳米二氧化钛(平均粒径50nm)，搅拌1小时后加入6kg纳米硼酸钛(平均粒径300nm)。搅拌30分钟后加入6kg二烷基二硫代磷酸锌，继续搅拌30分钟后得到本发明的钻井液润滑剂，为黄褐色粘稠液体。
实施例5
在室温下将100kg去离子水加入到带有搅拌的反应釜中，在搅拌的条件下依次加入0.5kg润湿剂聚乙二醇(分子量2000g/mol)和0.5kg悬浮剂聚阴离子纤维素钠盐，搅拌30分钟使得润湿剂和悬浮剂完全溶解于水中。然后向反应釜中加入4kg纳米二氧化钛(平均粒径20nm)，搅拌1小时后加入6kg纳米硼酸钛(平均粒径300nm)。搅拌30分钟后加入6kg二烷基二硫代磷酸锌，继续搅拌30分钟后得到本发明的钻井液润滑剂，为黄褐色粘稠液体。
实施例6
在室温下将100kg去离子水加入到带有搅拌的反应釜中，在搅拌的条件下依次加入0.5kg润湿剂聚乙二醇(分子量2000g/mol)和0.5kg悬浮剂聚阴离子纤维素钠盐，搅拌30分钟使得润湿剂和悬浮剂完全溶解于水中。然后向反应釜中加入4kg纳米氧化锌(平均粒径50nm)，搅拌1小时后加入6kg纳米硼酸锌(平均粒径300nm)。搅拌30分钟后加入6kg二烷基二硫代磷酸锌，继续搅拌30分钟后得到本发明的钻井液润滑剂，为黄褐色粘稠液体。
实施例7
在室温下将100kg去离子水加入到带有搅拌的反应釜中，在搅拌的条件下依次加入0.5kg润湿剂聚乙二醇(分子量2000g/mol)和0.5kg悬浮剂聚阴离子纤维素钠盐，搅拌30分钟使得润湿剂和悬浮剂完全溶解于水中。然后向反应釜中加入4kg纳米二氧化钛和纳米氧化锌混合物(混合物中纳米二氧化钛与纳米氧化锌质量比为1:1，两种颗粒平均粒径均为50nm)，搅拌1小时后加入6kg纳米硼酸钛(平均粒径300nm)。搅拌30分钟后加入6kg二烷基二硫代磷酸锌，继续搅拌30分钟后得到本发明的钻井液润滑剂，为黄褐色粘稠液体。
实施例8
在室温下将100kg去离子水加入到带有搅拌的反应釜中，在搅拌的条件下依次加入0.5kg润湿剂聚乙二醇(分子量4000g/mol)和0.5kg悬浮剂聚阴离子纤维素钠盐，搅拌30分钟使得润湿剂和悬浮剂完全溶解于水中。然后向反应釜中加入4kg纳米二氧化钛(平均粒径50nm)，搅拌1小时后加入6kg纳米硼酸钛和纳米硼酸锌的混合物(混合物中纳米硼酸钛与纳米硼酸锌质量比为1:1，两种颗粒平均粒径均为300nm)。搅拌30分钟后加入6kg二烷基二硫代磷酸锌，继续搅拌30分钟后得到本发明的钻井液润滑剂，为黄褐色粘稠液体。
实施例9
在室温下将100kg去离子水加入到带有搅拌的反应釜中，在搅拌的条件下依次加入1.5kg润湿剂聚乙二醇(分子量4000g/mol)和1.5kg悬浮剂黄原胶，搅拌30分钟使得润湿剂和悬浮剂完全溶解于水中。然后向反应釜中加入4kg纳米二氧化钛(平均粒径50nm)，搅拌1小时后加入6kg纳米硼酸钛(平均粒径300nm)。搅拌30分钟后加入6kg二烷基二硫代磷酸锌，继续搅拌30分钟后得到本发明的钻井液润滑剂，为黄褐色粘稠液体。
实施例10
在室温下将100kg去离子水加入到带有搅拌的反应釜中，在搅拌的条件下依次加入1.5kg润湿剂聚乙二醇(分子量2000g/mol)和1.5kg悬浮剂黄原胶，搅拌30分钟使得润湿剂和悬浮剂完全溶解于水中。然后向反应釜中加入4kg纳米二氧化钛(平均粒径50nm)，搅拌1小时后加入6kg纳米硼酸钛(平均粒径300nm)。搅拌30分钟后加入6kg二烷基二硫代磷酸锌，继续搅拌30分钟后得到本发明的钻井液润滑剂，为黄褐色粘稠液体。
为了更好地说明实施例1-10制备的钻井液润滑剂的润滑性能，申请人进行了以下测试。
测试例1极压润滑系数测试
测试对象：
A0：钻井液基浆，钻井液基浆组成：5％夏子街钠膨润土，0.2％无水碳酸钠和余量的水，在室温水化24h制成；
A1～A10：向钻井液基浆中加入实施例1-10制备的润滑剂得到的钻井液，润滑剂的加入量为钻井液基浆质量的1％；
B1：向钻井液基浆中加入150目的天然鳞片石墨作为润滑剂得到的钻井液，润滑剂的加入量为钻井液基浆质量的2％；
B2：向钻井液基浆中加入500目的天然鳞片石墨作为润滑剂得到的钻井液，润滑剂的加入量为钻井液基浆质量的2％。
采用fann212型极压润滑仪测试极压润滑系数。操作步骤如下：首先，用纯净水对机器进行校验，不加压时扭矩读数为0，转速为60转/分；加压150英寸磅(inch-pounds)时，转速仍保持60rpm；之后，在加压到150英寸磅的情况下运转5min，测试纯净水的扭矩读数，确保纯净水的扭矩读数在28～42之间。将纯净水换成需测试的浆液，在加压150英寸磅的情况下运转5分钟，读出测试的浆液的扭矩读数。每次测试浆液扭矩前先用纯净水对机器进行校验。
极压润滑系数计算公式：
极压润滑系数＝M样*(34/M水)×100％，式中：
M样：样品的极压扭矩读数；
M水：纯净水的极压扭矩读数；
测量结果如表1中所示。
表1
样品 极压润滑系数
A0 0.41
A1 0.16
A2 0.13
A3 0.11
A4 0.09
A5 0.10
A6 0.11
A7 0.08
A8 0.09
A9 0.11
A10 0.09
B1 0.25
B2 0.28
通过表1的数据可以看出，采用本发明的润滑剂的钻井液A1～A10，极压润滑系数为0.08～0.16，表明这些钻井液具有良好的润滑性，能够有效降低井下摩阻和扭矩；而采用天然鳞片石墨作为润滑剂的钻井液B1～B2的极压润滑系数较高，达到0.25～0.28，说明本发明的润滑剂具有相对更优的润滑降摩性能。
测试例2中压滤失量测试
测试对象：
A0：钻井液基浆，钻井液基浆组成：5％夏子街钠膨润土，0.2％无水碳酸钠和余量的水，在室温水化24h制成；
A1～A10：向钻井液基浆中加入实施例1-10制备的润滑剂得到的钻井液，润滑剂的加入量为钻井液基浆质量的1％；
B1：向钻井液基浆中加入150目的天然鳞片石墨作为润滑剂得到的钻井液，润滑剂的加入量为钻井液基浆质量的2％；
B2：向钻井液基浆中加入500目的天然鳞片石墨作为润滑剂得到的钻井液，润滑剂的加入量为钻井液基浆质量的2％。
采用Fann 31100型中压失水仪测定中压滤失量(FLAPI)，结果如表2所示。其中：滤失量(FLAPI)是根据国家标准GB/T29170-2012中规定的方法进行测量的，单位为mL，具体测量步骤在此不做赘述。
测量结果如表2中所示。
表2
样品 FL<sub>API</sub>
A0 24
A1 16
A2 14
A3 12
A4 14
A5 16
A6 14
A7 14
A8 14
A9 16
A10 16
B1 23
B2 21
从表2中可以看出，添加有本发明的润滑剂的钻井液A1～A10具有较低的中压滤失量，而采用天然鳞片石墨作为润滑剂的钻井液B1～B2中压滤失量相对较高。说明本发明起到了较好的微孔隙封堵作用，效果优于微米级颗粒尺度的石墨。
应该注意的是，上述实施例对本发明进行说明而不是对本发明进行限制，并且本领域技术人员在不脱离所附权利要求的范围的情况下可设计出替换实施例。在权利要求中，不应将位于括号之间的任何参考符号构造成对权利要求的限制。单词“包含”不排除存在未列在权利要求中的元件或步骤。单词第一、第二以及第三等的使用不表示任何顺序，可将这些单词解释为名称。

Claims (10)

1.一种钻井液润滑剂，包括以重量份数计的以下组分：
Figure FDA0002308769740000011
2.根据权利要求1所述的钻井液润滑剂，其中，所述金属氧化物为二氧化钛、氧化锌、氧化铜、氧化锆、铝酸锌中的至少一种。
3.根据权利要求1或2所述的钻井液润滑剂，其中，所述金属氧化物纳米颗粒粒径为10nm～200nm。
4.根据权利要求1所述的钻井液润滑剂，其中，所述硼基纳米颗粒为纳米硼酸钛、纳米硼酸铈、纳米硼酸铁、纳米硼酸镁、纳米硼酸锌中的至少一种。
5.根据权利要求1或4所述的钻井液润滑剂，其中，所述硼基纳米颗粒粒径为50nm～500nm。
6.根据权利要求1所述的钻井液润滑剂，其中，所述二烷基二硫代磷酸盐为二烷基二硫代磷酸锌、二烷基二硫代磷酸铜、二烷基二硫代磷酸钼中的一种。
7.根据权利要求1所述的钻井液润滑剂，其中，所述润湿剂为聚乙二醇或聚丙二醇。
8.根据权利要求7所述的钻井液润滑剂，其中，所述润湿剂的分子量为500～20000g/mol。
9.根据权利要求1所述的钻井液润滑剂，其中，其中，所述悬浮剂为聚阴离子纤维素钠盐、黄原胶、羧甲基淀粉、海藻酸钠、聚乙烯吡咯烷酮、聚乙烯醇中的至少一种。
10.根据权利要求1-9任一项所述的钻井液润滑剂的制备方法，包括以下步骤：
将水加入到带有搅拌的反应釜中，在搅拌的条件下依次加入润湿剂和悬浮剂，搅拌10～30分钟；
然后向反应釜中加入金属氧化物纳米颗粒，搅拌0.5～1小时后加入硼基纳米颗粒；
搅拌10～30分钟后加入二烷基二硫代磷酸盐，继续搅拌20～30分钟，得到所述的钻井液润滑剂。
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