一种钻井液用润滑剂及其应用的制作方法
【专利摘要】本发明公开了一种润滑剂，包括以下组分：大分子硫化酯、硅烷偶联剂、乳化剂和基础油，其中所述大分子硫化酯选自含至少一个双键的C16-C24直链脂肪酸多元醇酯的硫化物。根据本发明提供的润滑剂，能大幅度降低高密度基浆的极压润滑系数，对钻井液流变性影响小，利于形成薄而韧的泥饼，降低失水量，可用于水平井、大斜度井及大位移井的钻进作业。
【专利说明】一种钻井液用润滑剂及其应用
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种石油钻井用助剂，具有涉及一种钻井液用润滑剂。本发明还涉及 所述润滑剂的应用。
【背景技术】
[0002] 随着能源需求的不断加大以及石油钻井技术的持续发展，超深井、丛式井、大位移 井以及长水平段的水平井不断增加。然而在造斜段、水平段钻进时，由于摩阻和扭矩大、托 压严重，特别在钻井液体系密度较高时，极易发生粘卡事故。为了有效降低钻井中的摩阻， 保障钻井作业的顺利进行，高密度钻井液用润滑剂得到逐步重视。
[0003] 目前现场在用的钻井液润滑剂种类较多，石墨、塑料小球、玻璃微珠属固体润滑 齐U，以球形颗粒在接触面之间滚动或片状石墨的自润滑作用降低摩擦系数，在普通密度和 高密度钻井液中均可发挥一定的润滑作用。目前现场常用的液体类润滑剂，如以矿物油、植 物油等为主要成分的润滑剂，在常规密度(小于I. 8g/cm3)的钻井液中有比较好的将摩阻效 果，但是在高固相含量的高密度(大于I. 8g/cm3)钻井液中的润滑效果不理想，而且在加大 用量时对高密度钻井液的流变性能影响较大，不能满足高密度钻井液对润滑性的要求。
[0004] 关于钻井液润滑剂，国内外期刊和专利有诸多报道，但是涉及适用于高密度和超 高密度钻井液所需的润滑剂的文献较少。已有专利公开了一种钻井液润滑剂，其是以长链 有机酸、合成酯、乳化剂和基础油为主要组分的适用于高密度钻井液的润滑剂，加量为3% (重量百分比）时可使2. 4g/cm3的高密度钻井液的摩擦系数和粘附系数降低，降低率分别为 38. 7%和64%。但是长链有机酸组分会使高密度钻井液的粘切增高，对钻井液的流变性产生 较大的影响，难以推广使用。
【发明内容】
[0005] 针对现有技术中的不足，本发明提供一种钻井液用润滑剂，其用于钻井液中的润 滑效果好，尤其是极压润滑能力高；即使是用于高密度钻井液，其润滑效果依然良好，极压 润滑能力高，且对钻井液的流变性能影响小。
[0006] 根据本发明的一个方面，提供了一种钻井液用润滑剂，包括以下组分：大分子硫化 酯、硅烷偶联剂、乳化剂和基础油，其中所述大分子硫化酯选自含至少一个双键的C16-C24直 链脂肪酸多元醇酯的硫化物。
[0007] 根据本发明所提供的钻井液用润滑剂，由于组成润滑剂的各个组分的共同作用， 得到的最终润滑剂具有非常好的润滑效果，即使是用于高密度钻井液，其润滑效果依然良 好，极压润滑能力高，且对钻井液的流变性能影响小。
[0008] 在上述润滑剂中，所述大分子硫化酯为5?80重量份，所述硅烷偶联剂为1?15 重量份，乳化剂为1?15重量份，所述基础油为10?90重量份。在上述润滑剂的一个具 体实施例中，所述大分子硫化酯为10?70重量份，优选30?60重量份；所述硅烷偶联剂 为2?15重量份,优选5?10重量份；乳化剂为2?15重量份,优选3?10重量份；所述 基础油为20?80重量份，优选30?70重量份。在上述数据范围，所述润滑剂具有更好的 润滑效果，对钻井液的流变性影响较小。
[0009] 在上述润滑剂的一个优选实施例中，所述大分子硫化酯选自选自含至少一个双键 的C18-C22直链脂肪酸多元醇酯的硫化物，如可选自油酸、亚油酸和亚麻酸的多元醇酯硫化 物，优选选自硫化乙二醇油酸酯、硫化丙三醇油酸酯、硫化季戊四醇油酸酯、硫化新戊二醇 油酸酯，硫化乙二醇亚油酸酯、硫化丙三醇亚油酸酯、硫化季戊四醇亚油酸酯、硫化新戊二 醇亚油酸酯，硫化乙二醇亚麻酸酯、硫化丙三醇亚麻酸酯、硫化季戊四醇亚麻酸酯和硫化新 戊二醇亚麻酸酯。在上述润滑剂中，所述大分子硫化酯的使用能够改善润滑剂在钻具表面 的吸附特性，原因在于分子中的硫原子可增强其在钢质极压面上的吸附能力，在极压面间 形成一层牢固的吸附膜，降低摩擦阻力，提高润滑剂的润滑效率，以有效减小钻井中钻杆 的摩阻。在一个具体的实施例中，所述大分子硫化酯的制备方法为：取含至少一个双键的 C16-C24直链脂肪酸的多元醇酯100重量份，加入5?10重量份的硫磺，搅拌下升温到130? 170°C，保温反应3?6小时，得到所述大分子硫化酯。
[0010] 在上述润滑剂中，所述硅烷偶联剂能够在水中水解成大分子极性物，从而使润滑 剂牢固吸附于金属表面，以进一步降低极压面的摩擦阻力，提高润滑能力。在一个具体实施 例中，所述硅烷偶联剂的通式为Y(CH2)nSiX3，其中，0 <η< 3;X为可水解的集团，如可选 自氯、甲氧基、乙氧基和乙酰氧基；Y为有机基团，如可选自乙烯基、氨基、环氧基、甲基丙烯 醜氧基、疏基和脈基。
[0011] 在上述润滑剂中，所述乳化剂容易使润滑剂形成水包油乳液，使润滑剂在钻井液 中分散乳化均匀，其可以为单一乳化剂，也可以为混合乳化剂。优选所述乳化剂的HLB值为 8?18,所述HLB值为亲水亲油平衡值，在所述HLB范围内，具有更好的乳化效果。所述乳 化剂可以为非离子型表面活性剂和阴离子型表面活性剂等。在一个具体的实施例中，所述 乳化剂选自山梨糖醇油酸酯、石油磺酸盐和聚氧乙烯脂肪醇醚。
[0012] 在上述润滑剂中，所述基础油选自矿物型基础油和动植物型基础油。如选自柴油、 汽油、航空煤油、白油、大豆油、玉米油、花生油、菜籽油、蓖麻油和棉籽油。所述动植物型基 础油还可以是回收经初步处理的地沟油，有利于环保和降低成本。基础油也可减少所述润 滑剂对高密度钻井液流变性的影响。
[0013] 在上述润滑剂的一个具体实施例中，所述润滑剂中还可包括消泡剂。加入消泡剂， 能够降低乳化剂起泡对钻井液流变性的影响。所述消泡剂选自硅油类消泡剂、聚醚类消泡 剂和改性聚醚类消泡剂。所述消泡剂的加入量为2?20重量份，优选3?10重量份。
[0014] 在一个具体的实施例中，本发明的钻井液润滑剂的制备方法如下：将制备的大分 子硫化酯、基础油泵入反应釜，搅拌下加热至50?80°C，依次加入硅烷偶联剂、乳化剂和必 要时的消泡剂，保温搅拌反应0. 5?2小时，得黄黑色液体。
[0015] 根据本发明的一个具体实施例，所述润滑剂为钻井液用润滑剂，特别是高密度(大 于I. 8g/cm3)钻井液用润滑剂。
[0016] 根据本发明提供的润滑剂，利用大分子硫化酯、硅烷偶联剂、乳化剂和基础油（以 及必要时的消泡剂）的共同作用，使得润滑剂在钻井液中均匀分散，润滑剂能够在钻具(钢 制）表面的强力吸附形成牢固的吸附膜，提高润滑性，并降低润滑剂对钻井液流变性的影 响。上述组分共同作用能大幅度降低高密度钻井液的极压润滑系数，对钻井液的流变性影 响小，并利于形成薄而韧的泥饼，降低失水量。
[0017] 根据本发明的另外一个方面，提供了上述润滑剂在钻井液中的应用，尤其是在高 密度钻井液中的应用。所述润滑剂加入钻井液中，尤其是高密度钻井液中，能够大大降低钻 井液的接触摩擦力，具有非常好的润滑效果。所述润滑剂的加入量根据实际需要而调整。在 一个具体的实施例中，所述润滑剂可按如〇. 5%?3%重量体积比的量加入到钻井液中。
[0018] 根据本发明提供的润滑剂，在高密度钻井液中润滑能力好、对高密度钻井液流变 性影响小，可用于深井、超深井、大斜度井、深水平井钻探所需的高密度钻井液中，可大幅度 提高高密度钻井液的极压润滑性能，并通过在金属钻杆和套管表面形成牢固的吸附膜，降 低接触摩擦力，降低钻具磨损。本发明提供的润滑剂，能够用于深井、超深井、深水平井钻探 等的高密度水基钻井液。
【具体实施方式】
[0019] 下面结合具体实施例对本发明做进一步说明，但本发明并不仅限于下述实施例。
[0020] 所用设备：美国Fann212极压润滑仪。
[0021] 具体评价方法如下：
[0022] ①高密度基浆配制：在300ml水中加入I. 5gLV-PAC(低粘度-聚阴离子纤维素)， 溶解完全后加入〇. 3g碳酸钠和6g试验用钠膨润土，高速搅拌20min，室温下静置养护24h。 搅拌下加入600g重晶石，高速搅拌IOmin后得高密度基浆，备用。（高密度基浆的密度为 2. 05g/cm3)
[0023] ②取两份配制的高密度基浆，一份基浆作为对比样，高速搅拌IOmin后测润滑系 数F1;在第二份基浆中加入合成的润滑剂样品加入，高速搅拌IOmin后测润滑系数F2。润滑 系数降低率Y按下式计算。 },= "FZχ|〇〇 F'
[0025] 大分子硫化酯的制备：
[0026] 将100重量份含至少一个双键的C18-C22直链脂肪酸的多元醇酯加入反应釜，搅拌 下加入5?10重量份的硫磺，升温到140?150°C，保温反应3?6小时，降温得大分子硫 化酯的棕黑色粘稠液体。所用原料及反应条件见表1。表1中，
[0027] 油酸：天津市光复精细化工研究所 乙二醇：国药集团化学试剂有限公司
[0028] 丙三醇：北京化工厂 季戊四醇：天津市光复精细化工研究所
[0029] 亚油酸：国药集团化学试剂有限公司亚麻酸：国药集团化学试剂有限公司
[0030] 硫磺：天津市福晨化学试剂厂
[0031]表1
[0032]
【权利要求】
1. 一种钻井液用润滑剂，包括以下组分：大分子硫化酯、硅烷偶联剂、乳化剂和基础 油，其中所述大分子硫化酯选自含至少一个双键的c16-c24直链脂肪酸多元醇酯的硫化物。
2. 根据权利要求1所述的润滑剂，其特征在于，所述大分子硫化酯为5?80重量份， 优选为10?70重量份，更优选为30?60重量份；所述硅烷偶联剂为1?15重量份，优选 为2?15重量份，更优选为5?10重量份；乳化剂为1?15重量份，优选为2?15重量 份，更优选3?10重量份；所述基础油为10?90重量份,优选为20?80重量份,更优选 30?70重量份。
3. 根据权利要求1或2中所述的润滑剂，其特征在于，所述大分子硫化酯选自含至少一 个双键的C18-C22直链脂肪酸多元醇酯的硫化物，优选选自油酸、亚油酸和亚麻酸的多元醇 酯硫化物，更优选选自硫化乙二醇油酸酯、硫化丙三醇油酸酯、硫化季戊四醇油酸酯、硫化 新戊二醇油酸酯，硫化乙二醇亚油酸酯、硫化丙三醇亚油酸酯、硫化季戊四醇亚油酸酯、硫 化新戊二醇亚油酸酯，硫化乙二醇亚麻酸酯、硫化丙三醇亚麻酸酯、硫化季戊四醇亚麻酸酯 和硫化新戊二醇亚麻酸酯。
4. 根据权利要求1?3中任意一项所述的润滑剂，其特征在于，所述硅烷偶联剂的通式 为Y (CH2)nSiX3，其中，0彡n彡3 ;X选自氯、甲氧基、乙氧基和乙酰氧基；Y选自乙烯基、氨 基、环氧基、甲基丙稀醜氧基、疏基和脈基。
5. 根据权利要求1?4中任意一项所述的润滑剂，其特征在于，所述乳化剂的HLB值为 8 ?18。
6. 根据权利要求1?5中任意一项所述的润滑剂，其特征在于，所述乳化剂选自非离子 型表面活性剂和阴离子型表面活性剂，优选选自山梨糖醇油酸酯、石油磺酸盐和聚氧乙烯 脂肪醇醚。
7. 根据权利要求1?6中任意一项所述的润滑剂，其特征在于，所述基础油选自矿物型 基础油和动植物型基础油，优选选自柴油、汽油、航空煤油、白油、大豆油、玉米油、花生油、 菜籽油、蓖麻油和棉籽油。
8. 根据权利要求1?7中任意一项所述的润滑剂，其特征在于，所述润滑剂中包括消泡 齐U，所述消泡剂选自硅油类消泡剂、聚醚类消泡剂和改性聚醚类消泡剂。
9. 根据权利要求1?8中任意一项所述的润滑剂，其特征在于，所述消泡剂的加入量为 2?20重量份，优选3?10重量份。
10. -种根据权利要求1?9中任意一项所述润滑剂在钻井液中的应用。
【文档编号】C09K8/035GK104342090SQ201310336631
【公开日】2015年2月11日 申请日期:2013年8月5日 优先权日:2013年8月5日
【发明者】王琳, 杨小华, 董晓强, 薛玉志, 钱晓琳, 李胜 申请人:中国石油化工股份有限公司, 中国石油化工股份有限公司石油工程技术研究院