專利名稱：一種鉆井液用固體石蠟潤滑劑及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種潤滑劑及其制備方法，尤其涉及一種鉆井液用固體石蠟潤滑劑及其制備方法。
背景技術(shù)：
鉆井過程中的潤滑防卡問題是鉆井工程，特別是深井、定向井、水平井、多分支井等復(fù)雜井鉆井中經(jīng)常遇到的技術(shù)難題。鉆井液潤滑劑作為一種重要的鉆井液化學(xué)處理劑，其作用是改善鉆井液的潤滑性能，降低鉆具與井壁(或套管)之間的摩擦，降低鉆柱旋轉(zhuǎn)扭矩和起下鉆阻力，減少卡鉆事故的發(fā)生。近年來，隨著深井、定向井和水平井鉆井技術(shù)的不斷發(fā)展和提高，對鉆井液潤滑劑 性能的要求越來越高，使用的潤滑劑種類和數(shù)量也越來越多。外排廢棄鉆井液中的潤滑劑有些是有毒有害的，還有相當(dāng)一部分在自然條件下較難降解，由此造成這類物質(zhì)在環(huán)境中長期滯留和積累，對人類和生態(tài)環(huán)境構(gòu)成威脅。隨著環(huán)保意識的增強(qiáng)，人們在開發(fā)新型鉆井液潤滑劑時(shí)越來越重視環(huán)保性，同時(shí)還要求盡可能無熒光或低熒光，對鉆井液流變性無影響，進(jìn)一步提高抗高溫抗鹽能力。我國原油多數(shù)為石蠟基原油，這就為發(fā)展石蠟類產(chǎn)品的生產(chǎn)提供了豐富和寶貴的資源。上個世紀(jì)50年代，美孚石油公司開始研究開發(fā)乳化石蠟，70年代，英國、日本也開始研究和應(yīng)用乳化石蠟。近些年，國內(nèi)也開始了大量這方面的研究。鉆井液用石蠟潤滑劑按照形態(tài)可分為液體類和固體類。乳液型石蠟潤滑劑的研究相對較多，近些年，關(guān)于固體型鉆井液潤滑劑的研究也有不少，但有關(guān)固體粉末狀石蠟潤滑劑尚沒有公開的技術(shù)文獻(xiàn)和專利。專利CN 1306012C、CN 101423752A、CN 1699500A公開了幾種制備乳液型石蠟潤
滑劑的技術(shù)方法，但是乳液型產(chǎn)品均存在長時(shí)間儲存不穩(wěn)定、冬季容易上凍等問題，使得現(xiàn)場應(yīng)用受到限制。例如CN 101157850，采用動植物油脂制備液體潤滑劑，再將液體與油溶性樹脂、石墨混合得到鉆井液用抗高溫潤滑劑，其潤滑性較好；專利US 5826669通過在鉆井液中加入充足的富有彈性的石墨顆粒，設(shè)計(jì)了一種有效減小起下鉆阻力和旋轉(zhuǎn)扭矩的潤滑劑，但石墨作為潤滑油吸附載體對于環(huán)保要求較高的海洋鉆井很難達(dá)到要求，且?guī)缀鯖]有降濾失性倉泛。專利CN 1861736A公布了一種利用鈉基膨潤土負(fù)載表面活性劑制備鉆井液用固體潤滑劑的方法，但其在使用時(shí)需加入柴油進(jìn)行現(xiàn)場復(fù)配，使用起來不方便，且柴油熒光性很強(qiáng)，對錄井產(chǎn)生干擾。另外，專利CN 1183231C利用熔融石蠟與表面活性共混后降溫冷卻成型，發(fā)明了一種的固體自乳化石蠟，雖然解決了產(chǎn)品的儲運(yùn)問題，但是石蠟固體需要在熱水中溶解乳化，而且不具有一劑多效的作用。因此，開發(fā)一種適合低溫條件下使用、具有一劑多效作用的低熒光無毒固體潤滑劑產(chǎn)品對于油田鉆井具有重要意義。

發(fā)明內(nèi)容
針對現(xiàn)有研究的不足，本發(fā)明要解決的問題是提供一種鉆井液用固體石蠟潤滑劑以及其制備方法，利用本發(fā)明方法得到的固體潤滑劑具有在鉆井液中分散性好，綜合潤滑性能好，粘附系數(shù)和摩阻系數(shù)降低率高的特點(diǎn)，同時(shí)具有較好的抗高溫抗鹽降濾失性。此夕卜，本發(fā)明制備方法簡單，工藝易于實(shí)現(xiàn)，所制備的固體潤滑劑狀態(tài)為自由流動粉末固體，運(yùn)輸便捷，低溫使用性能不受影響。因此，根據(jù)本發(fā)明第一方面，提供一種鉆井液用固體石蠟潤滑劑的制備方法，其包括以下步驟(I)稱取如下重量配比組分油相20-50份，氫氧化鈉O. 5-2份，復(fù)合乳化劑1_10份，穩(wěn)定劑O. 1-1份、水相37-78. 4份；(2)將上述油相、氫氧化鈉、復(fù)合乳化劑、穩(wěn)定劑及水相按所述組分比例混合加入反應(yīng)器中，70-100°C、100-2000轉(zhuǎn)/分條件下，攪拌15_60min，制得液體潤滑劑； (3)稱取如下重量配比組分特性高分子材料50-80份，步驟(2)中獲得的液體潤滑劑20-50份；(4)將上述液體潤滑劑與特性高分子按所述組分比例侵浸反應(yīng)；(5)經(jīng)60-100°C低溫烘干、粉碎工藝，得到鉆井液用固體潤滑劑；其中所述油相為礦物油和蠟質(zhì)物；所述復(fù)合乳化劑為多元醇脂類非離子表面活性劑；所述穩(wěn)定劑為無機(jī)納米粒子；所述特性高分子材料為具有降濾失作用的水溶性高分子材料。上述鉆井液用固體石蠟潤滑劑的制備方法中，所述礦物油是液體石蠟、7#白油、10#白油、15#白油、26#白油或46#白油；進(jìn)一步優(yōu)選46#白油。所述蠟質(zhì)物為石蠟、蠟膏、植物蠟、蠟?zāi)；厥障灐⒂途逑炞鳂I(yè)回收蠟；進(jìn)一步優(yōu)選蠟膏，因?yàn)橄灨喔兹榛?，制備得到的乳液均一穩(wěn)定。所述多元醇脂類非離子表面活性劑優(yōu)選Sp an和Tween系列表面活性劑；進(jìn)一步優(yōu)選 Sp an20、Sp an40、Sp an 60 或 Span80 以及 Tween20、Tween40、Tween60 或 Tween80 ；最優(yōu)選 Span80 和 Tween80。所述脂肪酸烷醇酰胺類助乳化劑優(yōu)選脂肪酸與三乙醇胺直接反應(yīng)產(chǎn)物。所述無機(jī)納米粒子穩(wěn)定劑優(yōu)選白炭黑、超細(xì)碳酸鈣、膨潤土凝膠、凹凸棒土凝膠或其任意比例的混合物；進(jìn)一步優(yōu)選白炭黑和凹凸棒土凝膠。上述鉆井液用固體石蠟潤滑劑的制備方法中，在步驟(2)中，所述組分優(yōu)選以80-100°C>200-500 轉(zhuǎn) / 分條件攪拌 20_40min。所述具有降濾失作用的特性水溶性高分子材料優(yōu)選硅油接枝淀粉(SiM)、纖維素接枝淀粉(PPS)、聚丙烯腈銨鹽(NH4PAN)、聚(丙烯腈-丙烯酰胺)銨鹽(雙聚銨鹽)(HMP-21)、褐煤樹脂(SPNH)、磺化褐煤(SMC)或其任意比例的混合物；進(jìn)一步優(yōu)選PPS，因?yàn)镻PS為纖維狀結(jié)構(gòu)，使得水包油型石蠟乳液粒子能夠侵入其中，經(jīng)半干法工藝、烘干粉碎得到潤滑性能較好的固體潤滑劑。
上述鉆井液用固體石蠟潤滑劑的制備方法中，步驟(5)所述組分優(yōu)選以70_90°C條件烘干。根據(jù)本發(fā)明第二方面，提供一種根據(jù)上述方法制得的鉆井液用固體石蠟潤滑劑，其特征在于，所述固體潤滑劑包含以下重量配比的組分特性高分子材料50-80份，優(yōu)選55-75份，液體潤滑劑20-50份，優(yōu)選25-45份；其中所述液體潤滑劑包含以下重量配比的組分油相30-50份，氫氧化鈉O. 5-2份，復(fù)合乳化劑2-6份，穩(wěn)定劑O. 1-1份，水相41-67. 4份，基于100重量份液體潤滑劑；其中所述油相為礦物油和蠟質(zhì)物； 所述復(fù)合乳化劑為多元醇脂類非離子表面活性劑；所述穩(wěn)定劑為無機(jī)納米粒子；所述特性高分子材料為具有降濾失作用的水溶性高分子材料。根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選的實(shí)施方式，所述鉆井液用固體石蠟潤滑劑中，特性高分子材料為60-70重量份，液體潤滑劑為30-40重量份。根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選的實(shí)施方式，所述鉆井液用固體石蠟潤滑劑中，所述液體潤滑劑包含以下重量配比的組分油相40-45份，氫氧化鈉O. 8-1份，復(fù)合乳化劑3-5份，穩(wěn)定劑O. 5-0. 8份，水相48. 2-55. 7份，基于100重量份液體潤滑劑。根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選的實(shí)施方式，所述鉆井液用固體石蠟潤滑劑中，所述礦物油優(yōu)選46#白油；和/或所述蠟質(zhì)物優(yōu)選蠟膏；所述多元醇脂類非離子表面活性劑優(yōu)選Sp an80和Twe en80 ;和/或所述無機(jī)納米粒子穩(wěn)定劑優(yōu)選白炭黑和凹凸棒土凝膠；和/或所述具有降濾失作用的特性水溶性高分子材料優(yōu)選PP S。本發(fā)明所述方法制得的鉆井液用固體石蠟潤滑劑外觀為淺褐色固體粉末，無異味，潤滑劑分散于鉆井液中為納微米尺寸顆粒。本發(fā)明的鉆井液用固體石蠟潤滑劑，粘附系數(shù)降低率和摩阻系數(shù)降低率均可控制在55 % -90 %，綜合潤滑性能較好。本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比的有益效果在于(I)原料之一的蠟膏更易乳化，制備得到的乳液均一穩(wěn)定；特性水溶性高分子材料之一的PPS為纖維狀結(jié)構(gòu)，使得水包油型石蠟乳液粒子能夠浸入其中，經(jīng)半干法工藝、烘干粉碎得到潤滑性能較好的固體潤滑劑。(2)具有優(yōu)良的綜合潤滑性能，能有效降低鉆井液基漿的粘附系數(shù)及摩阻系數(shù)，起到潤滑鉆具和井壁的作用。(3)能在井壁內(nèi)形成油膜保護(hù)層，阻止鉆井液及其濾液進(jìn)入地層，封堵地層裂隙，防止井壁坍塌，具有很好的保護(hù)儲油層的性能。(4)具有很好的抗高溫性、抗鹽性，易分散、低熒光、低毒性，滿足環(huán)境保護(hù)的要求。(5)具有較好的高溫高壓降濾失性能，4%鹽水基漿、120°C、3. 5MPa壓差的高溫高壓下降濾失率達(dá)到50%以上。(6)低溫條件使用不受影響，有效防止傳統(tǒng)液體石蠟潤滑劑因長時(shí)間儲存而分層凝固和冬季易上凍，具有運(yùn)輸和儲存方便，節(jié)約包裝和運(yùn)輸成本的特點(diǎn)。


圖1 :固體石蠟潤滑劑不同加量對基漿粘附系數(shù)降低率和摩阻系數(shù)降低率的影響程度；圖2 :特性高分子材料與固體石蠟潤滑劑的掃描電鏡照片對比(a)特性高分子；(b)本發(fā)明固體石蠟潤滑劑； 圖3 :固體石蠟潤滑劑激光粒度分布圖。
具體實(shí)施方式
以下通過實(shí)施例來進(jìn)一步解釋或說明本發(fā)明內(nèi)容。但所提供的實(shí)施例不應(yīng)被理解為對本發(fā)明保護(hù)范圍構(gòu)成限制。件能評價(jià)本發(fā)明涉及的潤滑劑的粘附系數(shù)降低率、摩阻系數(shù)降低率、高溫高壓降濾失性測量實(shí)驗(yàn)如下1、粘附系數(shù)降低率測暈:在500mL蒸懼水中加入26g I丐質(zhì)鈉化膨潤土,在高速攪拌器上以10000轉(zhuǎn)/分的轉(zhuǎn)速高速攪拌20min，然后室溫密閉陳化16h，即得到含土量為5. 2%的淡水基漿。測量時(shí)將已經(jīng)陳化16h的5. 2%淡水基漿按一定的配比加入潤滑劑，高速攪拌20min，測量采用NF-1型粘附系數(shù)測定儀。將配置好的泥漿倒入盛液杯中，加3. 5MPa的壓力30min，然后測定此時(shí)的濾失量，并加3. 5MPa的壓力于粘附盤，壓5min后扭矩儀測量扭矩，然后進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算公式如下f=MX0. 845 X IO-2式中f為粘附系數(shù)M為扭矩(Nm)粘附系數(shù)降低率的計(jì)算AKf = Cf1 - f2) 7^X100%式中f\為基漿本身的粘附系數(shù)，f2為加入一定含量潤滑劑后泥漿的粘附系數(shù)。2、摩阻系數(shù)降低率測量:在500mL蒸餾水中加入26g鈣質(zhì)鈉化膨潤土，在高速攪拌器上以10000轉(zhuǎn)/分的轉(zhuǎn)速高速攪拌20min，然后室溫密閉陳化16h，即得到含土量為5. 2%的淡水基漿。采用E—P極壓潤滑儀進(jìn)行測定基漿、蒸餾水及基漿加潤滑劑后的摩阻系數(shù)，將已陳化的5. 2%淡水基漿按一定的配比加入潤滑劑，采用GJ-2S型高速攪拌機(jī)高速攪拌5min，將液體倒入潤滑儀樣品杯中，測試條件為60r/min,測試壓力為1. 5MPa,測試時(shí)間為5min, 5min后讀數(shù)。校正因子=34/蒸餾水讀數(shù)，摩阻系數(shù)f=0. 01 X讀數(shù)X校正因子。Δ f= Cf1 - f2) 7^X100%式中f\為基漿本身的摩阻系數(shù)，f2為加入一定含量潤滑劑后泥漿的摩阻系數(shù)。3、高溫高壓濾失量:(I)淡水基漿在400mL去離子水中加入24g鈣質(zhì)鈉化膨潤土，在高速攪拌器上以10000轉(zhuǎn)/分的轉(zhuǎn)速高速攪拌20min，然后室溫密閉陳化16h，即得到6. 0%的淡水基漿。測量時(shí)將已經(jīng)陳化16h的基漿按一定的配比加入潤滑劑，高速攪拌20min，測量采用GGS 42-2型高溫高壓濾失儀。將配置好的泥漿倒入壓濾器中，加壓3. 5Mp a、升溫至120°C，打開上下部閥桿的同時(shí)計(jì)時(shí)，記錄30min的濾液濾失量。高溫高壓降失水率=(V1 - V2) /V1X 100%式中為基漿本身的濾液的濾失量，V2為加入一定含量潤滑劑后濾液的濾失量。(2)鹽水基漿在400mL去離子水中加入16gNa Cl，10000轉(zhuǎn)/分高速攪拌20min，再加入24g鈣質(zhì)鈉化膨潤土，在高速攪拌器上以10000轉(zhuǎn)/分的轉(zhuǎn)速高速攪拌20min，然后室溫密閉陳化16h，即得到含土量為6. 0%的鹽水基漿。測量時(shí)將已經(jīng)陳化16h的基漿按一定的配比加入潤滑劑,高速攪拌20min，測量采用GGS42-2型高溫高壓濾失儀。將配置好的泥衆(zhòng)倒入壓濾器中，加壓3. 5Mpa、升溫至120°C,打開上下部閥桿的同時(shí)計(jì)時(shí),記錄30min的濾液濾失量。 高溫高壓降失水率=(V1 - V2)/V1X 100%式中為基漿本身的濾液的濾失量，V2為加入一定含量潤滑劑后濾液的濾失量。實(shí)施例1潤滑劑組分如下均為重量份(單位公斤)白油22. 5份，蠟膏22. 5份，氫氧化鈉I份，非離子型表面活性劑Span 80和Tween804. 7份，白炭黑O. 3份，蒸懼水49份。特性水溶性高分子PPS 35份，取上述制備得到的液體潤滑劑65份。制備方法將白油22. 5份、蠟膏22. 5份、非離子型表面活性劑Span 80和Tween804. 7份、白炭黑O. 3份、蒸餾水49份在反應(yīng)器中混合均勻，85°C、300轉(zhuǎn)/分條件持續(xù)攪拌20min，得到鉆井液用液體潤滑劑。取上述制得的潤滑劑65份與35份PP S混合，在80°C條件下均勻侵浸，80°C低溫烘干粉碎，得到鉆井液用固體石蠟潤滑劑。根據(jù)上述產(chǎn)品性能評價(jià)方法，分別對實(shí)施例1的固體石蠟潤滑劑產(chǎn)品及兩種市售乳液型和固體型潤滑劑進(jìn)行評價(jià)，結(jié)果如表一所示。表一實(shí)施例產(chǎn)品綜合潤滑性能對比評價(jià)結(jié)果(5.2%淡水膨潤土基漿)
權(quán)利要求
1.一種鉆井液用固體石蠟潤滑劑的制備方法，其包括以下步驟 (1)稱取如下重量配比組分油相20-50份，氫氧化鈉0.5-2份，復(fù)合乳化劑1-10份，穩(wěn)定劑0. 1-1份、水相37-78. 4份； (2)將上述油相、氫氧化鈉、復(fù)合乳化劑、穩(wěn)定劑及水相按所述組分比例混合加入反應(yīng)器中，70-100°C、100-2000轉(zhuǎn)/分條件下，攪拌15-60min，制得液體潤滑劑； (3)稱取如下重量配比組分特性高分子材料50-80份，步驟(2)獲得的液體潤滑劑20-50 份； (4)將上述液體潤滑劑與特性高分子按所述組分比例侵浸反應(yīng)； (5)經(jīng)60-100°C低溫烘干、粉碎工藝，得到鉆井液用固體潤滑劑； 其特征在于 所述油相為礦物油和蠟質(zhì)物； 所述復(fù)合乳化劑為多元醇脂類非離子表面活性劑； 所述穩(wěn)定劑為無機(jī)納米粒子；和/或 所述特性高分子材料為具有降濾失作用的水溶性高分子材料。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的制備方法，其特征在于，所述礦物油是液體石蠟、7#白油、10#白油、15#白油、26#白油或46#白油；進(jìn)一步優(yōu)選46#白油；和/或所述臘質(zhì)物為石臘、臘膏、植物蠟、蠟?zāi)；厥障?、油井清蠟作業(yè)回收蠟；進(jìn)一步優(yōu)選蠟膏。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2的制備方法，其特征在于，所述多元醇脂類非離子表面活性劑為 Sp an 和 Tween 系列表面活性劑，優(yōu)選 Span20、Span40、Span60 或 Span80 以及 Tween20、Tween40> Tween60 或 Tween80,更優(yōu)選 Span80 和 Tween80。
4.根據(jù)權(quán)利要求1至3之一的制備方法，其特征在于，所述無機(jī)納米粒子穩(wěn)定劑為白炭黑、超細(xì)碳酸鈣、膨潤土凝膠、凹凸棒土凝膠或其任意比例的混合物，優(yōu)選白炭黑和凹凸棒土凝膠。
5.根據(jù)權(quán)利要求1至4之一的制備方法，其特征在于，所述具有降濾失作用的特性水溶性高分子材料為硅油接枝淀粉(SiM)、纖維素接枝淀粉(PPS)、聚丙烯腈銨鹽(NH4PAN)、聚(丙烯腈-丙烯酰胺)銨鹽(雙聚銨鹽)(HMP-21)、褐煤樹脂(SPNH)、磺化褐煤(SMC)或其任意比例的混合物，優(yōu)選PPS。
6.根據(jù)權(quán)利要求1至5之一的制備方法，其特征在于，步驟(2)所述組分以80-100°C、200-500轉(zhuǎn)/分條件攪拌20-40min ;和/或步驟(5)所述組分以70_90°C條件烘干。
7.根據(jù)權(quán)利要求1至6之一的方法制得的鉆井液用固體石蠟潤滑劑，其特征在于，所述固體潤滑劑以100重量份計(jì)，組分為特性高分子材料50-80份，優(yōu)選55-75份，液體潤滑劑20-50份，優(yōu)選25-45份；其中 所述液體潤滑劑包含以下重量配比的組分油相30-50份，氫氧化鈉0. 5-2份，復(fù)合乳化劑2-6份，穩(wěn)定劑0. 1-1份，水相41-67. 4份，基于100重量份液體潤滑劑而言； 其中 所述油相為礦物油和蠟質(zhì)物； 所述復(fù)合乳化劑為多元醇脂類非離子表面活性劑； 所述穩(wěn)定劑為無機(jī)納米粒子； 所述特性高分子材料為具有降濾失作用的水溶性高分子材料。
8.根據(jù)權(quán)利要求7的鉆井液用固體石蠟潤滑劑，其特征在于，所述固體潤滑劑包含特性高分子材料60-70重量份，液體潤滑劑30-40重量份；和/或 所述液體潤滑劑包含以下重量配比的組分油相40-45份，氫氧化鈉0. 8-1份，復(fù)合乳化劑3-5份，穩(wěn)定劑0. 5-0. 8份，水相48. 2-55. 7份，基于100重量份液體潤滑劑而言。
9.根據(jù)權(quán)利要求7或8的鉆井液用固體石蠟潤滑劑，其特征在于，所述礦物油優(yōu)選46#白油；和/或所述蠟質(zhì)物優(yōu)選蠟膏；所述多元醇脂類非離子表面活性劑優(yōu)選SpanSO和TweenSO ;和/或所述無機(jī)納米粒子穩(wěn)定劑優(yōu)選白炭黑和凹凸棒土凝膠；和/或所述具有降濾失作用的特性水溶性高分子材料優(yōu)選PPS。
10.根據(jù)權(quán)利要求1至6之一的方法制得的根據(jù)權(quán)利要求7至9之一的鉆井液用固體石蠟潤滑劑。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種鉆井液用固體石蠟潤滑劑及其制備方法，即將油相、氫氧化鈉、復(fù)合乳化劑、穩(wěn)定劑、水相分別加入反應(yīng)器中，加熱攪拌反應(yīng)得到液體乳化石蠟潤滑劑；再利用半干法將制得的液體石蠟潤滑劑浸入特性水溶性高分子材料，經(jīng)低溫烘干、粉碎，制得鉆井液用固體石蠟潤滑劑。本發(fā)明方法制備的潤滑劑產(chǎn)品具有在鉆井液中分散速度快、顆粒細(xì)小、綜合潤滑效果好的特點(diǎn)。與傳統(tǒng)乳液型石蠟潤滑劑相比，本發(fā)明產(chǎn)品具有更好的潤滑性、高溫降濾失性和抗鹽性等綜合性能，且儲運(yùn)方便，既降低了包裝和運(yùn)輸費(fèi)用，又解決了傳統(tǒng)石蠟乳液潤滑劑長期儲存乳液失穩(wěn)及冬季上凍的問題。
文檔編號C09K8/035GK103013466SQ20121059163
公開日2013年4月3日 申請日期2012年12月31日 優(yōu)先權(quán)日2012年12月31日
發(fā)明者周風(fēng)山, 王婷婷, 熊正強(qiáng), 國文月, 王煥娜, 向璽 申請人:中國地質(zhì)大學(xué)(北京)