CN1699500A - 一种颗粒稳定乳液体系及其制备方法与作为钻井液润滑剂的应用 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种钻井液用颗粒稳定乳液体系，外观为乳白色乳状液，平均粒径在5～40μm，以100重量份计，组分为矿物油或固体石蜡10～40份，阴离子型表面活性剂0.5～1.0份，活性纳米固体颗粒0.5～5份，余量为水。本发明还公开了颗粒稳定乳液体系的制备方法，即将活性纳米固体颗粒先分散于水中，搅拌，然后静置，备用；将矿物油或固体石蜡加入反应器，把上述制备好的活性纳米固体颗粒悬浮液加入反应器中，搅拌，同时将阴离子表面活性剂逐步加入到反应器中；搅拌转速逐渐提高到4000～5000rpm，温度升高到40～60℃，搅拌时间为30～60min；即得颗粒稳定乳液体系。本发明的颗粒稳定乳液体系在制备钻井工业用润滑剂中具有突出的作用。

Description

一种颗粒稳定乳液体系及其制备方法与作为钻井液润滑剂的应用

技术领域

本发明涉及一种颗粒稳定乳液体及制备方法，尤其涉及一种用于石油钻井工程的颗粒稳定乳液体及其制备方法与作为钻井液润滑剂的应用。

背景技术

在石油钻井工程中，钻井液是必不可少的。它能起到携带和悬浮岩屑，稳定井壁和平衡地层压力，冷却和润滑钻头、钻具，传递水动力等作用，钻井液性能的好坏直接影响钻井的井身质量和钻进速度。而且，由于钻井液与钻柱和钻杆以及钻壁之间会此生较大的摩擦，造成局部受热不均，缩短钻杆和钻头的寿命。

随着定向钻井技术的推广应用，尤其是水平井施工对降低摩阻的要求越来越高，80年代以来钻井液润滑剂的研制和应用有了长足进步。

过去钻垂直井时钻柱旋转产生的扭矩阻力和起下钻的摩擦阻力用普通钻井液就能克服，不需另加润滑剂。但在使用加重钻井液时，扭矩阻力和摩擦阻力则不容忽视，并且钻井液密度越大其阻力也越大，故不加润滑剂就会造成卡钻。

在定向井和水平井施工中，随着井斜角的增大，钻具和井壁的接触面积以及摩擦阻力和扭矩阻力随之增大。影响阻力的因素有10种之多，但其大小主要取决于钻具和井壁的接触面积。钻井过程中存在三种润滑模式：障碍润滑模式，边界润滑模式，液动润滑模式。从降低摩阻的角度出发，要尽量避免障碍润滑、保持液动润滑。为此，应从钻井工艺和钻井液技术两方面着手：第一，尽量减少钻具和井壁的接触面积；第二，通过添加合适的润滑剂来改善钻井液润滑性能。

显然，在定向井和水平井中减少钻具和井壁的接触面积是不可能的，研制开发高效钻井液润滑剂是解决问题的唯一途径。

目前，钻井过程中对润滑剂的要求是必须能润滑金属表面，在其表面形成边界膜和次生结构，对钻井液性能影响不大，不降低岩石破碎性能，具有较高的热稳定性，对金属不产生腐蚀现象，而且环境友好。所以当代常用润滑剂包括惰性固体润滑剂以及矿物油、植物油和表面活性剂等。在常用固体润滑剂中石墨粉体的润滑性能最高，其弹性很好，在高浓度下不影响钻井液流变性，但是其抗剪切能力和抗挤压能力较弱；而矿物油和植物油的润滑性很高，能在金属表面形成油膜以降低摩阻，但由于它会妨碍油气显示所以在储层钻进时和在探井钻井中不能使用。

因此，迫切需要开发新的润滑剂，这种润滑剂必须具有高润滑性能，特别适用于水平井和定向井的使用，而且具有井下环境变化时不会失效，同时不能影响油气显示。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明要解决的问题是提供一种高效环保型颗粒稳定乳液体系及其制备方法与应用，利用本发明的润滑剂能够同时很好润滑钻具和井壁的作用，并具有符合环保要求，能够在任何钻井环境中使用，对钻井液其它性能影响不大等特点。此润滑剂的制备方法操作简单，制备方法新颖，乳液稳定性好，且能节约能量。

本发明涉及的颗粒稳定乳液体系，外观为乳白色乳状液，粒度分布窄，多分散因子小于0.2，平均粒径在5～40μm，水分散性为二级；以100重量份计，由下述组分组成：

矿物油或固体石蜡10～40份，阴离子型表面活性剂0.5～1.0份，活性纳米固体颗粒0.5～5份，余量为水。

其中，所述组分中矿物油或固体石蜡优选为20～30份，阴离子型表面活性剂优选为0.6～0.9份，活性纳米固体颗粒优选为0.5～2.5份，余量为水，乳液体系平均粒径在5～20μm。

其中，所述阴离子型表面活性剂优选是羧酸盐类阴离子型表面活性剂。

其中，所述羧酸盐类阴离子型表面活性剂优选是不饱和脂肪酸酯系列之一。

其中，所述不饱和脂肪酸酯系列优选是指油酸三乙醇胺、油酸钠、油酸钾、松香酸皂之一。

其中，所述活性纳米固体颗粒是指纳米级气相沉淀法制备的改性纳米二氧化硅、纳米级合成锂皂石、改性蒙脱土、层状双金属氢氧化物以及纳米级三氧化二铝之一。

本发明涉及的颗粒稳定乳液体系的制备方法，由如下步骤组成：

(1)以100重量份计，取矿物油或固体石蜡10～40份，阴离子型表面活性剂0.5～1.0份，活性纳米固体颗粒0.5～5份，余量为水；

(2)将上述0.5～5份活性纳米固体颗粒加入到水中，以速度为1000～5000rpm，搅拌10～40min；

(3)搅拌完毕，倒入预先准备好的容器中，静置4～6小时，备用；

(4)将上述10-40份矿物油或固体石蜡加入反应器，然后把步骤(3)制备好的活性颗粒悬浮液加入反应器中，以速度为700～1000rpm搅拌，同时将上述0.5～1.0份阴离子表面活性剂逐步加入到反应器中；

(5)转速逐渐提高到4000～5000rpm，温度升高到40～60℃，搅拌时间为30～60min；

(6)观测乳液流动情况，当乳液粘度不再发生变化时，停止加热，缓慢降低转速至1000～1500rpm，继续搅拌10～15min，待体系温度降至室温时，停止搅拌，即得颗粒稳定乳液体系。

其中，上述矿物油或固体石蜡优先选择20～30重量份，阴离子型表面活性剂优先选择0.7～1.0重量份，活性纳米固体颗粒优先选择0.5～2.5重量份，余量为水。

上述，步骤(5)所述乳化温度优先选择40～50℃。

利用本发明的方法制备的颗粒稳定乳液体系，外观为乳白色，粒度分布窄，多分散因子小于0.2，平均粒径在5～20μm，水分散性为二级，除了润滑作用外，对钻井液其他性能影响不大，此乳液粘度较高，乳液稳定性较高。

其稳定性特点如下：

(1)储存稳定性：放置半年外观无变化，无明显分层和絮凝现象；

(2)温度稳定性：-10℃冷冻一周，取出能够自然解冻，乳液性质无明显变化。

本发明涉及的颗粒稳定乳液体系在制备钻井工业用润滑剂中的应用。

本发明所述的颗粒稳定乳液体系主要用作钻井液处理剂。

本发明的方法制备的颗粒稳定乳液体系在钻井工业中是一种优良的润滑剂。在钻井液中加入少量(2-3％重量百分比)的上述产品即能够明显的润滑效果，能够加快钻速，使井径规则。与当前润滑效果最佳的矿物油相比较，它们的润滑系数相当。但是它不存在环保和阻碍油气显示的缺点，同时也不存在固体弹性石墨小球的变形挤压等缺点。而且具有一定的油层保护性能，钻井过程中对钻井液其他性能影响不大；这种润滑剂属于环境友好的钻井液添加剂，具有广阔的应用前景。

本发明涉及的制备颗粒稳定乳液体系的方法操作简单，容易实现，且能节约能源，降低成本，符合环保及各项工业要求。

附图说明

图1流变学实验：基浆、不同乳液体系浓度下，基浆的流变学性能。

图2失水性能实验：基浆、不同乳液体系浓度下，基浆的滤失造壁性能。

图3润滑实验：不同浓度乳液体系与矿物油的润滑性能对比。

具体实施方式

实施例1：

颗粒稳定乳液体系是乳状液，平均粒径在5～20μm，组分如下，均为重量份，总量为100份：

矿物油或固体石蜡30份，羧酸盐类阴离子表面活性剂油酸钠1份，纳米活性颗粒合成锂皂石2份，水67份。

制备方法：

将纳米活性颗粒合成锂皂石2份加入到67份水中，在2000rpm的高速搅拌机上搅拌30min；搅拌完毕，倒入预先准备好的广口瓶中，静置5h，备用；将矿物油或固体石蜡30份加入反应器，然后把上步制备好的纳米活性颗粒合成锂皂石悬浮液加入反应器中，1000rpm搅拌，并将羧酸盐类阴离子表面活性剂油酸钠1份逐步加入到反应器中；转速逐渐提高到4500rpm，温度升高到50℃，搅拌时间控制在60min内；观测乳液流动情况，当乳液粘度不再发生变化时，停止加热，缓慢降低转速至1500rpm，继续搅拌15min，待体系温度降至室温时，停止搅拌，即得到颗粒稳定乳液体系。

按照如前所述制备方法制备颗粒稳定乳液体系(简写为EL)，分别考察其储存稳定性，结果如表1所示。

有关稳定性的实验数据如下：

油剂比(w/w)	10∶1
		乳液外观	乳白色不透明
储存稳定性	放置半月不分层
		初始平均粒径/μm	10-20

本发明的颗粒稳定乳液体系的润滑性能实验如下：

先制得一定浓度的基浆，陈化16小时后，按一定的配比加入乳液，高搅后陈化16小时，用GNF-1型高温高压粘附仪，在一定的温度下进行测定。粘附系数f越小，润滑性越好。

结果见图3。

        f＝M×0.845×10^-2 f为粘附系数，M为扭矩(Nm)

本发明的颗粒稳定乳液体系的流变性能实验如下：

将待测配制好的样品倒入样品杯后，放置在流速粘度仪的样品托架上，调节高度样品液面正好在转筒的测量线处。样品在测定前应用高速搅拌器搅拌5min，测定温度应在(24±3)℃或所需的温度范围内；将粘度计的转速调到600rpm，待读值稳定时记录；将转速调至300rpm，待读值稳定时记录；按相同的方法读取并记录200rpm、100rpm、6rpm、3rpm的读数。

结果见图1。

                       AV＝1/2(φ₆₀₀)(mPa.s)

                       PV＝φ₆₀₀-φ₃₀₀(mPa.s)

                       YP＝1/2(φ₃₀₀-PV)(Pa)

式中：φ₆₀₀是600rpm下的读值；φ₃₀₀是300rpm下的读值；

本发明的颗粒稳定乳液体系的失水造壁性能实验如下：

把加入试样的基浆倒入失水杯中距顶部约13mm处；在排液管下面放置一个接受仪，调节调压器，以便在30s内可以施加7个大气压；失水30min后测量滤液体积即为滤失量。

结果见图2。

实施例2：

如实施例1所述，所不同的是：

颗粒稳定乳液体系是乳状液，平均粒径在5-10μm，组分如下，均为重量份，总量为100份：

矿物油或固体石蜡10份，羧酸盐类阴离子表面活性剂油酸钠1份，纳米活性颗粒合成锂皂石2份，水87份。

有关稳定性的实验数据如下：

油剂比(w/w)	3∶1
		乳液外观	乳白色
储存稳定性	放置半年未分层
		初始平均粒径/μm	5-10

实施例3：

如实施例1，2所述，所不同的是：

颗粒稳定乳液体系是乳状液，平均粒径在30-40nm，组分如下，均为重量份，总量为100份：

矿物油或固体石蜡40份，羧酸盐类阴离子表面活性剂油酸钠1份，纳米活性颗粒合成锂皂石3份，水56份。

有关稳定性的实验数据如下：

油剂比(w/w)	3∶1
		乳液外观	白色
储存稳定性	放置半年未分层
		初始平均粒径/μm	30-40

Claims (10)

1.一种颗粒稳定乳液体系，外观为乳白色乳状液，粒度分布窄，多分散因子小于0.2，平均粒径在5～40μm，水分散性为二级；以100重量份计，由下述组分组成：

矿物油或固体石蜡10～40份，阴离子型表面活性剂0.5～1.0份，活性纳米固体颗粒0.5～5份，余量为水。

2.如权利要求1所述的颗粒稳定乳液体系，其特征在于，所述组分中矿物油或固体石蜡为20～30份，阴离子型表面活性剂为0.6～0.9份，活性纳米固体颗粒为0.5～2.5份，余量为水，乳液体系平均粒径在5～20μm。

3.如权利要求1或2所述的颗粒稳定乳液体系，其特征在于，所述阴离子型表面活性剂是羧酸盐类阴离子型表面活性剂。

4.如权利要求3所述的颗粒稳定乳液体系，其特征在于，所述羧酸盐类阴离子型表面活性剂是不饱和脂肪酸酯系列之一。

5.如权利要求4所述的颗粒稳定乳液体系，其特征在于，所述不饱和脂肪酸酯系列是指油酸三乙醇胺、油酸钠、油酸钾、松香酸皂之一。

6.如权利要求1或2所述的颗粒稳定乳液体系，其特征在于，所述活性纳米固体颗粒是指纳米级气相沉淀法制备的改性纳米二氧化硅、纳米级合成锂皂石、改性蒙脱土、层状双金属氢氧化物以及纳米级三氧化二铝之一。

7.权利要求1或2所述的颗粒稳定乳液体系的制备方法，由如下步骤组成：

(1)以100重量份计，取矿物油或固体石蜡10～40份，阴离子型表面活性剂0.5～1.0份，活性纳米固体颗粒0.5～5份，余量为水；

(2)将上述0.5～5份活性纳米固体颗粒加入到水中，以速度为1000～5000rpm，搅拌10～40min；

(3)搅拌完毕，倒入预先准备好的容器中，静置4～6小时，备用；

(4)将上述10-40份矿物油或固体石蜡加入反应器，然后把步骤(3)制备好的活性颗粒悬浮液加入反应器中，以速度为700～1000rpm搅拌，同时将上述0.5～1.0份阴离子表面活性剂逐步加入到反应器中；

(5)转速逐渐提高到4000～5000rpm，温度升高到40～60℃，搅拌时间为30～60min；

(6)观测乳液流动情况，当乳液粘度不再发生变化时，停止加热，缓慢降低转速至1000～1500rpm，继续搅拌10～15min，待体系温度降至室温时，停止搅拌，即得颗粒稳定乳液体系。

8.如权利要求7所述的颗粒稳定乳液体系的制备方法，其特征在于，所述矿物油或固体石蜡选择20～30重量份，阴离子型表面活性剂选择0.7～1.0重量份，活性纳米固体颗粒选择0.5～2.5重量份，余量为水。

9.如权利要求7所述的颗粒稳定乳液体系的制备方法，其特征在于，步骤(5)所述乳化温度为40～50℃。

10.权利要求1或2所述的颗粒稳定乳液体系在制备钻井工业用润滑剂中的应用。

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