一种两性离子型润滑剂及含有该润滑剂的水基钻井液的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种两性离子型润滑剂，本发明还涉及一种含有两性离子型润滑剂的 水基钻井液，属于石油钻井技术领域。
【背景技术】
[0002] 传统水基钻井液体系的润滑剂以原油、柴油、机油等矿物油为主。其中，原油在高 温高压等极限条件下能够在钻具和岩壁的受力面形成稳定的油膜。由于原油中大量的高粘 度胶质存在，油膜在高温极压的苛刻环境下仍能够保持润滑性能，成为钻井作业面对高难 度井的井下复杂情况，提尚润滑效果最为有效的选择。
[0003] 而面对日益严格的环保要求，使用原油润滑技术已经受到越来越严格的限制。为 了保护生态环境，符合环保法规的要求，国内外一直在寻找能够替代原油的环保型润滑剂。
[0004] 美国专利US4181617早在1980年就开发了以菜籽油为基础油的水基钻井液润滑 剂。至今大部分油田服务企业仍在一些结构较简单的井中使用该类型产品。由于使用的植 物油属于食用油脂，存在着与民争食的问题，同时成本较高。
[0005][0006][0007] 为了改善油脂分散问题，公开号为CN102952528A中国发明专利申请，公开了一种 可降解的钻井液润滑剂，在80~90%的生物柴油中加入5~10%的乳化剂和一定量的水进行 乳化，依靠表面活性剂把油脂分散在钻井液中，目前国内大部分油性润滑剂均属于这种类 型。公开号为CN103756651A的中国发明专利申请，采用特种非离子表面活性剂分散油相， 该表面活性剂可将油相分散为纳米尺寸的乳滴，改善了该类型润滑剂的存放问题。公开号 为CN103756651A的中国发明专利申请，将粘滞系数较高的石蜡分散为纳米乳滴，改善了油 性材料在钻井液、钻具表面和井壁的分散问题。由于油性材料被分散成纳米颗粒，因而在钻 具和井壁表面分散更均匀，润滑性与粗分散的大尺寸油性乳滴相比得到了显著提高。然而 润滑剂油相形成的乳滴在钻井过程中相当于具有弹性的颗粒，会对钻井液的流变性造成不 良影响，同时在摩擦层面的分布状态受乳滴分散程度的影响较大，不容易在受力面形成均 匀的润滑层，从而导致其在大斜度井、超深井等复杂结构井中使用效果不明显。
[0008] 上述环保型润滑剂在面对水平井、大位移井等复杂结构井时仍不能有效解决或降 低井下复杂情况。兼具环保，集润滑、抑制、配伍等多功能为一体的润滑剂开发较少，尤其是 在高难度复杂工况下能够具有关键润滑性能的润滑剂仍处于空白状态。
【发明内容】
[0009] 本发明的首要目的在于，克服现有技术中存在的问题，提供一种两性离子型润滑 剂，可吸附于钻具和井壁表面，润滑效果好，抗高温高压能力强，可极大降低发生井下事故 的几率。
[0010] 为解决以上技术问题，本发明的一种两性离子型润滑剂，其原料组分及重量含量 如下，合成油：100份、脂肪酸铵：（3~5)份、烷基咪唑啉：（3~8)份、咪唑啉季铵盐：（2~ 5)份和蓖麻油磺酸钠：（3~6)份；所述合成油为C18~C22直链烷烃中的任意一种或为 任意两种的混合物。
[0011] 相对于现有技术，本发明取得了以下有益效果：①合成油构成吸附于钻具和井壁 表面的油膜主体；脂肪酸铵起到把水分散的咪唑啉季铵盐和蓖麻油磺酸钠均匀分散至油相 的作用，随着润滑剂加入水基钻井液中，分散功能弱化，吸附功能体现，可将润滑剂吸附于 金属钻具和井壁表面，当脂肪酸铵在润滑剂中的含量超过5%时，对钻井液流变性会造成不 良影响。②烷基味唑琳可以提尚金属表面的油I旲强度；昆麻油横酸纳可以提尚润滑剂抗极 限压力的能力，且价格便宜，使润滑剂具有高性能和低成本的优点。③该两性离子型润滑剂 无毒无害，能够在高温下提供足够润滑以降低摩擦阻力，在水基钻井液中加入3~5%本发明 的润滑剂，可使水基钻井液的抗温能力从120°C提高至180°C，在180°C下仍可保持润滑效 果，而普通乳滴型润滑剂只能耐温120°C，在180°C下会失效。④本发明两性离子型润滑剂 的极压润滑降低率明显优于传统润滑剂，对泥岩的抑制性远高于传统润滑剂，且对钻井液 流变性能的影响明显小于传统润滑剂。⑤本发明的两性离子型润滑剂可有效降低钻具在钻 井时遇到的扭矩和阻力，在钻具表面形成高强度保护油膜，不但能够帮助钻具对抗极端的 温度、压力和重量，还可以预防异物的侵蚀和水、沙及其他硬物带来的伤害。⑥本发明的润 滑剂能够在井壁形成稳定油膜，与钻井液中的CoaterlO协同作用可阻止井壁水化膨胀，与 钻井液中的降失水剂Dristemp协同作用可抗地层渗漏。
[0012] 作为本发明的优选方案，所述脂肪酸铵的制备方法如下：首先将植物油脂肪酸和 胺类以（2~4) :1的重量比加入反应釜中，在搅拌状态下，将反应釜中的物料加热至50~ 60°C，反应至颜色透明出料即得所述脂肪酸铵。①脂肪酸羧基与胺类的胺基反应生成端基 带有羟基的脂肪酸铵皂化物，该皂化物属于油包水乳化剂范围，在润滑剂油相环境下能够 有效分散蓖麻油磺酸钠的亲水组分，形成稳定分散体系；②当润滑剂分散到水基钻井液水 相时，该皂化物因具有阳离子特性，可在金属钻具表面稳定吸附，作为吸附油膜的基底层； ③形成的脂肪酸铵皂在钻井液的碱性环境下性能稳定，当钻井完毕后需清除井壁的泥饼 时，改变井壁周围PH值至酸性，油膜可轻松脱除，使泥饼清除变得更简单，为后续的完井工 作提供方便。
[0013] 作为本发明的优选方案，所述植物油脂肪酸衍生自蓖麻油、油菜籽油、棕榈油和花 生油中的任意一种或者为任意几种的组合；所述胺类为二乙烯三胺或三乙烯四胺。二乙烯 三胺或三乙烯四胺的分子链长决定了其与脂肪酸形成的皂化物的亲水亲油平衡值，使该皂 化物为油包水的乳化剂，不选择该范围的胺类无法使蓖麻油磺酸钠在油相中稳定分散。
[0014] 作为本发明的优选方案，所述烷基咪唑啉的烷基链段为C18~C22的直链烷基中 的任意一种或者为任意几种的组合。C18~C22直链烷基链段的烷基咪唑啉具有较好的粘 性指数，在较宽的井底温度范围均能够起到良好的润滑效果，烷基咪唑啉的亲水链段主要 起吸附井壁和钻具作用，其疏水链段与本发明采用合成油的碳链长度相当，可以形成稳定 的油月吴。
[0015] 作为本发明的优选方案，所述咪唑啉季铵盐至少包含通式（a)和通式（b)中的一 种或两种的混合物，混合物中各组分以任意重量比混合：
通式（a)或通式（b)中，Rl为C18~C22的直链烷基；私为Cl~C3的直链烷基；n为 1~3的整数。咪唑啉季铵盐的Rl选择C18~C22直链烷基，具有较好的粘性指数，在较 宽的井底温度范围均能够起到良好的润滑效果；咪唑啉季铵盐为亲水链段主要起吸附井壁 作用，C18~C22直链烷基为疏水链段与本发明合成油的碳链长度相当，可以形成稳定的油 膜；咪唑啉季铵盐可插入粘土间层，形成牢固的吸附点。
[0016] 本发明的另一个目的在于，提供一种含有两性离子型润滑剂的水基钻井液，能够 降低钻具的钻进阻力，在井壁形成稳定油膜。
[0017] 为解决以上技术问题，本发明提供了一种含有两性离子型润滑剂的水基钻井液， 所述水基钻井液的原料组分及重量含量如下，清水：1〇〇份、膨润土粉：（4~6)份、HE150 增粘剂：（〇? 3~0? 8份)、降失水剂Dristemp: (0? 5~1)份、包被剂Coater-IO: (0? 1~ 0. 2)份、纯碱：（0. 1~0. 3)份和两性离子型润滑剂：（3~6)份。
[0018] 相对于现有技术，本发明取得了如下有益效果：①合成油构成吸附于钻具和井壁 表面的油膜主体；脂肪酸铵起到把水分散的咪唑啉季铵盐和蓖麻油磺酸钠均匀分散至油相 的作用，随着润滑剂加入水基钻井液中，分散功能弱化，吸附功能体现，可将润滑剂吸附于 金属钻具和井壁表面，当脂肪酸铵在润滑剂中的含量超过5%时，对钻井液流变性会造成不 良影响；②烷基味唑琳可以提尚金属表面的油I旲强度；昆麻油横酸纳可以提尚润滑剂抗极 限压力的能力，且价格便宜，使润滑剂具有高性能和低成本的优点。③该两性离子型润滑剂 无毒无害，能够在高温下提供足够润滑以降低摩擦阻力，在水基钻井液中加入3~5%本发明 的润滑剂，可使水基钻井液的抗温能力从120°C提高至180°C，在180°C下仍可保持润滑效 果，而普通乳滴型润滑剂只能耐温120°C，在180°C下会失效。④本发明两性离子型润滑剂 的极压润滑降低率明显优于传统润滑剂，对泥岩的抑制性远高于传统润滑剂，且对钻井液 流变性能的影响明显小于传统润滑剂。⑤本发明的两性离子型润滑剂可有效降低钻具在钻 井时遇到的扭矩和阻力，在钻具表面形成高强度保护油膜，不但能够帮助钻具对抗极端的 温度、压力和重量，还可以预防异物的侵蚀和水、沙及其他硬物带来的伤害。⑥本发明的两 性离子型润滑剂能够在井壁形成稳定油膜，与钻井液中的CoaterlO协同作用可阻止井壁 水化膨胀，与钻井液中的降失水剂Dristemp协同作用可抗地层渗漏。
[0019] 作为本发明的优选方案，所述水基钻井液的原料组分及重量含量如下，清水：100 份、膨润土粉：4份、HE150增粘剂：0? 3份、降失水剂Dristemp:0? 5份、包被剂Coater-IO: 0. 1份、纯碱：〇. 1份和两性离子型润滑剂：3份；所述两性离子型润滑剂的原料组分及重量 含量如下，合成油：1〇〇份、脂肪酸铵：3份、烷基咪唑啉：3份、咪唑啉季铵盐：2份和蓖麻油 磺酸钠：3份；所述合成油为C18的直链烷烃。
[0020] 作为本发明的优选方案，所述水基钻井液的原料组分及重量含量如下，清水：100 份、膨润土粉：5份、HE150增粘剂：0? 5份、降失水剂Dristemp:0? 8份、包被剂Coater-IO: 0. 15份、纯碱：0. 2份和两性离子型润滑剂：4份；所述两性离子型润滑剂的原料组分及重 量含量如下，合成油：1〇〇份、脂肪酸铵：4份、烷基咪唑啉：5份、咪唑啉季铵盐：4份和蓖麻 油磺酸钠：5份；所述合成油为C20的直链烷烃。
[0021] 作为本发明的优选方案，所述水基钻井液的原料组分及重量含量如下，清水：100 份、膨润土粉：6份、HE150增粘剂：0? 8份、降失水剂Dristemp:1份、包被剂Coater-IO: 0. 2份、纯碱：0. 3份和两性离子型润滑剂：6份；所述两性离子型润滑剂的原料组分及重量 含量如下，合成油：1〇〇份、脂肪酸铵：5份、烷基咪唑啉：8份、咪唑啉季铵盐：5份和蓖麻油 磺酸钠：6份