一种钻井液用摩擦改性剂及钻井液的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及石油和天然气井钻探领域，具体涉及一种钻井液用摩擦改性剂及相应 的水基钻井液。
【背景技术】
[0002] 在钻探石油和天然气井时，钻井液作为一种具有特殊功能的流体在钻杆、钻头、环 空进行循环，其主要功能包括：提供静压力以稳定井壁和平衡地层压力、携带和悬浮岩屑、 冷却钻头、提供水动力辅助破岩。钻井液的另一个重要作用是降低钻杆和井壁以及钻杆和 金属套管之间的摩擦阻力。钻井液可以为水基或油基，一般来说，水基钻井液比油基钻井液 的成本低，具有健康、安全和环保性能。但油基钻井液具有更优异的页岩稳定性和润滑性。 钻井液的润滑性决定钻杆在井筒内的转矩(旋转摩擦）和阻力（轴向摩擦）的大小。从经济 性以及技术上讲，由于应用中可减少扭矩和阻力，因此具有低摩擦系数的钻井液可提高钻 井效率、降低成本。特别是在超深井和长水平井钻探中，钻井液的润滑性能更加重要。
[0003] 在钻井液中加入化学或机械润滑剂，可提高钻井液的润滑性能，降低扭矩和摩阻。 钻井液中常用的化学润滑剂有矿物油、合成油、酯类、脂肪酸、油脂以及表面活性剂等。但应 用中常见的问题是上述润滑剂在钻柱上形成的吸附膜不牢固，一是导致部分水化的钻屑吸 附在钻柱上造成泥包，增大了摩擦，二是吸附膜的抗压强度低，在高侧压下吸附膜被破坏或 脱附，导致边界摩擦系数大。
[0004] 美国专利US8003576将添加剂二烷基二硫代磷酸锌（ZDDP)应用于水基钻井液和 完井液中，该添加剂的加入具有提高润滑性和减少摩擦的作用，尤其是在硅酸盐钻井液中。 但是将ZDDP添加到含硫的润滑剂(如硫化猪油）中，并不能进一步降低钻井液的摩擦系数。
[0005] 本领域还需要一种性能优异的摩擦改性剂，例如将一种新的添加剂加入现有技术 的钻井液用润滑剂中，使得相应的钻井液在摩擦系数进一步降低的同时钻井液的其它性能 并不会受到不良影响。
【发明内容】
[0006] 因此，本发明提供一种钻井液用摩擦改性剂，所述摩擦改性剂包括式I或式II所 示的巯烷基硅烷偶联剂与钻井液用润滑剂的组合物，
[0007]
[0008] 在式I和式II中，η为1~3的整数；A为甲基或乙基；X选自氯、甲氧基、乙氧基、 甲氧基乙氧基和乙酰氧基。
[0009] 本发明提供的钻井液用摩擦改性剂中含巯烷基硅烷偶联剂，其水解基团X水解时 即生成硅醇（Si (OH)3),它进一步脱水缩合可生成片状或笼形的倍半硅氧烷低聚体。在钻井 液使用过程中，所述巯烷基硅烷偶联剂可在钻柱上形成牢固的吸附膜，改变钻柱的界面性 质从而减少泥包，而且具有强的极压润滑能力。本发明的钻井液用摩擦改性剂加入到水基 钻井液中，会减少钻杆与井壁以及钻杆与金属套管之间的摩擦阻力，尤其是在深水平井钻 探中，可减少钻杆在旋转中的扭矩以及滑动钻进中的接触摩擦力，并降低钻具磨损。原因可 能是：巯烷基硅烷偶联剂和金属表面具有更强的相互作用，可优先吸附在金属表面上，通过 在金属表面形成一层特别的疏水膜，改变金属钻具的表面化学性质，阻止粘土、钻屑在金属 上的吸附，并可降低钻井液在钻具表面的流动阻力，同时对金属表面具有腐蚀防护作用。
[0010] 符合上述式I或式II所示的巯烷基硅烷偶联剂均可用于钻井液中，其含有的巯基 能以化学吸附方式强烈吸附于钢制的钻具表面，经水解、缩合生成稳定的Si-O-Si网络结 构，这种交联的硅烷膜具有疏水性，不但有效降低钻井液在钻具表面的流动阻力，而且能阻 断环境介质对钻具表面的侵袭，起到良好的腐蚀防护作用。进一步地，在高载荷摩擦时，巯 烷基硅烷偶联剂与钻具表面发生摩擦化学作用，形成由铁的硫化物等组成的、具有较高承 载能力和抗磨性能的边界润滑膜，从而起到承载减摩和抗磨作用。
[0011] 在本发明的一个【具体实施方式】中，所述巯烷基硅烷偶联剂与所述钻井液用润滑剂 的质量比为1:4~100,优选为1:6~30,更优选为1:8~20。
[0012] 本发明中，所述钻井液用润滑剂包括矿物油基润滑剂、动植物油脂类润滑剂、合成 油酯类润滑剂以及表面活性剂中的一种或多种。具体的，所述钻井液用润滑剂例如为选自 Lube 167、MiI lube、SMJH-I、LUB-N、GM-I、柴油和白油中的一种或多种。
[0013] 优选本发明中所述钻井液为水基钻井液。具体的，所述钻井液例如选自硅酸盐钻 井液、聚磺钻井液和聚合物钻井液。或者所述钻井液为高密度钻井液。
[0014] 本发明还提供一种水基钻井液，所述钻井液中包含1~10wt%的膨润土基浆和上 述摩擦改性剂。
[0015] 在本发明的水基钻井液中，所述摩擦改性剂在所述钻井液中的重量百分含量例如 为0· 2~10%，优选为(λ 5~4%。
[0016] 在本发明的水基钻井液中还可以含有乳化剂，且乳化剂在所述钻井液中的重量百 分含量为0. 01~5%，优选为0. 02~2%。在水基钻井液加入乳化剂后，经搅拌或井下循环， 形成细小的油状乳液滴，均匀分散在钻井液中，以利于摩擦改性剂与钻具表面的接触，同 时，乳化剂的尽早加入可减少巯烷基硅烷偶联剂在作用于钻具之前在碱性钻井液中的水解 反应。乳化剂的HLB值例如在8~18之间，易形成水包油乳液。
【具体实施方式】
[0017] 钻井液的润滑性和润滑剂的极压润滑性测量使用极压润滑仪，型号为美国 Fann212极压润滑仪，在该测试仪器中，测量浸没于钻井液中的钢制滑块和转动的钢制环之 间的摩擦，标准的润滑系数测试为在两个硬化钢表面间提供150英寸·磅的力。测试前将钻 井液高速搅拌5min，测试中通过调节扭矩扳手使施加在滑块上的力为150in. Ib(英寸?磅)， 环的转速为60r/min，以摩擦5min时稳定的读数计算摩擦系数。
[0018] 在本发明下述实施例中，使用的疏烷基硅烷偶联剂为Y _疏基丙基二乙氧基娃 烷，来自于南京联硅化工有限公司。乳化剂为0P-10,来自于江苏省海安石油化工厂。润滑 剂Lubel67来自于MI能源公司，Mil lube来自于贝克休斯公司（Baker Hughes), SMJH-I来 自于中国石化石油工程技术研究院，LUB-N来自于濮阳中原三力实业有限公司，GM-I来自 于中国石化润滑油公司（上海）研发中心。
[0019] 另外，实施例中的硅酸钾来自于邢台大洋化工有限公司，黄原胶来自于淄博中轩 生化有限公司，淀粉来自于新乡富邦科技有限公司，聚阴离子纤维素来自于山东一滕化工 有限公司，膨润土来自于胜利油田博友泥浆技术有限责任公司。
[0020] 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。
[0021] 实施例1和对比例1
[0022] 本例的目的在于说明巯烷基硅烷偶联剂和传统的钻井液用润滑剂的协同作用，该 实验在5重量％的膨润土基浆中进行。具体的油气开发过程中，可以在该基浆中添加其他 必要的添加剂配制得到水基钻井液。
[0023] 表1列出了本例中巯烷基硅烷偶联剂与多种不同的润滑剂配合使用时的润滑效 果。其中，在实施例Ι-b至实施例l_f中所用的润滑剂(分别为Lubel67、Mil lube、SMJH-l、 LUB-N和GM-I)与巯烷基硅烷偶联剂的重量比均为95:5。具体地，加5g巯烷基硅烷偶联 剂、3g乳化剂于95g液体润滑剂中，室温下搅拌混合均匀，制得本发明中的钻井液用摩擦改 性剂。
[0024] 表1中实验的具体步骤如下：1)在搅拌下，在蒸馏水中加入适量的无水碳酸钠和 试验用钠膨润土，搅拌2小时后放置过夜，制成5重量％的膨润土基浆，其中无水碳酸钠的 浓度为0. 25重量％ ;2)取5%膨润土基浆350ml，用搅拌器搅拌IOmin后，用极压润滑仪测 定其极压润滑系数，测得其摩擦系数为〇. 489 ;3)取5重量％膨润土基浆350ml，向其中加 入3. 5g如表1所述的检测液样品，用搅拌器搅拌IOmin后，用极压润滑仪测定其摩擦系数， 各对比例和实施例的摩擦系数均列于表1中。
[0025] 表 1
[0026]
[0027] 从表1可见,与对比例l_b至对比例l_f中仅使用传统润滑剂相比，相应的实施例 Ι-b