本发明设计一种用于石油钻井工程的水基钻井液用颗粒稳定纳米乳液润滑剂及其制备方法。
背景技术：
近年来，伴随着石油勘探开发难度和复杂程度的不断增加，深井、超深井、大位移水平井等复杂井不断增多，钻井过程中的摩阻越来越大，钻具的磨损以及钻井过程中的事故不断增多，对钻井液的润滑性能也提出了更高的要求。
钻井液润滑性能的改善主要通过向钻井液中加入润滑剂，以降低钻头与岩石的表面、钻具与套管或井壁之间的摩擦阻力，减少卡钻等事故的发生。
目前，常用的钻井液润滑剂有矿物油或植物油等液体润滑剂，但是油类处理剂存在不易分散，容易析出油相的缺点。此外，这类润滑剂在高负荷的条件下，润滑剂在钻头及钻具表面形成的油膜会被破坏，起不到有效润滑的作用。
技术实现要素：
针对现有钻井液润滑剂存在的不足，本发明提供一种水基钻井液用的颗粒稳定纳米乳液润滑剂及其制备方法。
本发明所采取的技术方案为：水基钻井液用颗粒稳定纳米乳液润滑剂及其制备方法。该颗粒稳定纳米乳液润滑剂包含以下几种组分，质量分数为30%-60%的脂肪酸及其酯类衍生物，质量分数为5%-25%的非离子表面活性剂、质量分数为10%-20%的阳离子表活性剂、质量分数为5%-20%的固体润滑剂、质量分数为15%-40%的水。
所述的脂肪酸及其酯类衍生物为脂肪酸、脂肪酸甲酯、脂肪酸乙酯以及它们的组合。
所述的非离子表面活性剂为聚氧乙烯醚脂肪醇，聚氧乙烯醚脂肪醇的结构为r-(o-c-c)x-oh，其中r为碳数为6-15的烷基，x为8-25。
所述阳离子表面活性剂包括但不仅限于十二烷基三甲基氯化铵、十二烷基三甲基溴化铵、十二烷基二甲基苄基氯化铵、十二烷基二甲基苄基溴化铵、十六烷基三甲基氯化铵、十六烷基三甲基溴化铵、十六烷基二甲基苄基氯化铵、十六烷基二甲基苄基溴化铵、十八烷基三甲基氯化铵、十八烷基三甲基溴化铵、十八烷基二甲基苄基氯化铵、十八烷基二甲基苄基溴化铵中的一种或几种。
所述的固体润滑剂为石墨，包括普通石墨、氧化石墨、可膨胀石墨以及石墨烯中的一种或多种。
本发明所述水基钻井液用颗粒稳定纳米乳液润滑剂的制备方法为：第一步，在室温下，将固体润滑剂加入到脂肪酸及其酯类衍生物，在转速为400-800rpm的搅拌速度下搅拌0.5-1h，使之搅拌均匀，得到油相；第二步，在室温下，将非离子表面活性剂和阳离子表面活性剂加入水中，在转速为400-800rpm的搅拌速度下搅拌0.5-1h，搅拌均匀，得到水相；第三步，在室温下，将上述配制好的油相加入到水相中，在转速为400-800rpm的搅拌速度下搅拌0.5-1h，即得到水基钻井液用的颗粒稳定纳米乳液润滑剂。
本发明提供的颗粒稳定纳米乳液润滑剂，各组分之间具有良好的协同作用，一方面，该润滑剂是水包油型纳米乳液，在水基钻井液中分散性良好，避免了矿物油或植物油等常规液体润滑剂存在不易分散，容易析出油相的缺点，而且通过将阳离子表面活性剂引入到颗粒稳定纳米乳液润滑剂体系中，可以增强颗粒稳定纳米乳液润滑剂在钻头、钻杆以及井壁上的吸附性能，使颗粒稳定纳米乳液润滑剂在钻头、钻杆以及井壁上形成的吸附膜更加稳定，可以有效降低摩擦面的摩擦系数，提高润滑性能，减小磨损；另一方面，通过将固体润滑剂石墨引入到颗粒稳定纳米乳液润滑剂体系中，可以利用石墨的片层结构及自润滑性可以更好的降低滑动摩擦系数，使其在极压或者高负荷下仍保持良好的润滑性能。因此，本发明提供的颗粒稳定纳米乳液润滑剂既适合在普通钻井中使用，又适合高难度大斜度的定向井和水平井中使用。
具体实施方式
实施例1
颗粒稳定纳米乳液润滑剂组成：30份油酸甲酯，10份聚氧乙烯醚脂肪醇aeo9，20份十二烷基三甲基氯化铵，20份氧化石墨，20份水。
颗粒稳定纳米乳液润滑剂制备方法：（1）按上述质量份数称取各原料；（2）将称取的氧化石墨加入到油酸甲酯中，在室温下，600rpm的搅拌速度下搅拌1h；（3）将称取的聚氧乙烯醚脂肪醇aeo9和十二烷基三甲基氯化铵加入水中，在室温下，600rpm的搅拌速度下搅拌1h；（4）将步骤2中制备的油相加入到步骤3中制备的水相中，在室温下，600rpm的搅拌速度下搅拌1h，即制得颗粒稳定纳米乳液润滑剂。
实施例2
颗粒稳定纳米乳液润滑剂组成：60份油酸乙酯，5份聚氧乙烯醚脂肪醇aeo20，10份十八烷基三甲基氯化铵，5份可膨胀石墨，20份水。
颗粒稳定纳米乳液润滑剂制备方法同实施例1。
实施例3
颗粒稳定纳米乳液润滑剂组成：40份油酸，25份聚氧乙烯醚脂肪醇aeo25，10份十二烷基二甲基苄基氯化铵，5份石墨烯，20份水。
颗粒稳定纳米乳液润滑剂制备方法同实施例1。
实施例4
颗粒稳定纳米乳液润滑剂组成：40份油酸，25份聚氧乙烯醚脂肪醇aeo8，10份十八烷基二甲基苄基氯化铵，10份石墨，15份水。
颗粒稳定纳米乳液润滑剂制备方法同实施例1。
实施例5
颗粒稳定纳米乳液润滑剂组成：30份油酸甲酯，15份聚氧乙烯醚脂肪醇aeo15，20份十八烷基三甲基溴化铵，15份石墨，20份水。
颗粒稳定纳米乳液润滑剂制备方法同实施例1。
实施例6
颗粒稳定纳米乳液润滑剂组成：50份油酸乙酯，5份聚氧乙烯醚脂肪醇aeo12，15份十八烷基二甲基苄基溴化铵，10份石墨，20份水。
颗粒稳定纳米乳液润滑剂制备方法同实施例1。
实施例7
颗粒稳定纳米乳液润滑剂组成：40份油酸，10份聚氧乙烯醚脂肪醇aeo18，10份十二烷基二甲基苄基溴化铵，20份氧化石墨，20份水。
颗粒稳定纳米乳液润滑剂制备方法同实施例1。
实施例8
颗粒稳定纳米乳液润滑剂组成：30份油酸乙酯，10份聚氧乙烯醚脂肪醇aeo21，10份十二烷基三甲基溴化铵，10份氧化石墨，40份水。
颗粒稳定纳米乳液润滑剂制备方法同实施例1。
对比例1
同实施例1，不同之处在于其中没有加入20份的氧化石墨和20份十二烷基三甲基氯化铵。
对比例2
同实施例1，不同之处在于其中没有加入20份的氧化石墨。
1.颗粒稳定纳米乳液润滑剂粒径表征
表1颗粒稳定纳米乳液润滑剂粒径测试结果
2.颗粒稳定纳米乳液润滑剂稳定性评价
取100ml样品置于100ml比色皿中，室温下静置观察其稳定性，结果如下：
表2颗粒稳定纳米乳液润滑剂稳定性测试结果
3.颗粒稳定纳米乳液润滑剂润滑性评价
按照标准q/sh34500011-2013中规定的方法测试实施例1-8以及对比例1和2中的样品性能。
（1）润滑系数测定
配制四份基浆，每份加入400ml蒸馏水，24.0g膨润土，1.0g无水碳酸钠，在高速搅拌器上搅拌20min后，密闭养护24h。取其中两份基浆加入4.0g试样，将四份浆同时高速搅拌20min。按sy/t6094在e-p极压润滑联用仪上分别测定基浆及加样浆的润滑系数，并用式（3）计算润滑系数降低率。平行样之间的误差允许在±5.0%范围内，并取其算术平均值。
式中：
η—润滑系数降低率；
ω—基浆润滑系数；
ω1—样浆的润滑系数。
（2）泥饼粘附系数的测定
配制四份基浆，每份加入400ml蒸馏水，20.0g膨润土，1.0g无水碳酸钠，在高速搅拌器上搅拌20min后，密闭养护24h。取其中两份基浆各加入4.0g试样，将四份浆同时高速搅拌5min。用泥饼黏附系数测定仪分别测定基浆及样浆的泥饼黏附系数。测定条件为：压差3.5mpa，滤失时间30min,黏附盘黏附于泥饼后分别读取5min，10min，15min，30min，45min的扭矩值，将45min扭矩值换算成黏附系数，基浆的黏附系数应大于0.125。用式（4）计算泥饼黏附系数降低率。平行样之间的误差允许在±5.0%范围内，并取其算术平均值。
式中：
k—泥饼黏附系数降低率；
μ—基浆泥饼黏附系数；
μ1—加样后的泥饼黏附系数。
（3）极压值测试
将实施例1-8样品、对比例1和2样品、油酸、油酸甲酯以及油酸乙酯分别加入kmy201-1a型抗磨实验机的油盒中，开动电机，在长力臂端逐个添加砝码，至油膜极压破裂，抗磨实验机自动跳停，计算样品的极压值。
表3颗粒稳定纳米乳液润滑剂润滑性测试结果