一种抗磨钻井液润滑剂及其制备方法和应用与流程

本发明属于润滑剂
技术领域：
，具体涉及一种抗磨钻井液润滑剂及其制备方法和应用。
背景技术：
：近年来，随着我国油气钻采技术的提升，大斜度井、水平井及超深井钻井越来越普遍，随着大位移井、水平井、深井及超深井的钻探力度不断加强，高摩阻/扭矩、井眼轨迹及钻柱优化设计、环空携岩与井眼净化、井壁稳定和井眼轨迹控制等问题越来越突出。摩阻问题是大位移水平井钻井作业最突出的问题，摩阻的控制程度直接影响大位移水平井的延伸长度。在钻进过程中，若扭矩和摩阻较大容易加快钻具的磨损、增大钻井设备的功耗，增加钻杆与套管之间的摩擦，甚至会导致断钻、粘附卡钻、钻杆将套管磨穿磨漏等钻井安全事故，因此，降低摩阻和扭矩是大位移水平井钻井成败的关键所在。目前市场上的抗磨钻井液润滑剂虽然具有较好的极压润滑效果，但在实际应用中降低摩阻和扭矩效果并不理想。例如，中国发明专利cn103571441a提供了一种钻井液用抗磨减阻剂及其制备方法，该抗磨减阻剂配方主要原料包括植物油酸、棉子油、硫磺粉、二乙醇胺和煤油，辅助原料包括磷酸三丁酯、有机土和t323极压抗磨剂，能使膨润土试样浆磨失量降低率达到64％～65％，加重试样浆磨失量降低率达到53％～58％，抗磨效果并不理想。技术实现要素：本发明的目的在于提供一种抗磨钻井液润滑剂及其制备方法和应用，本发明提供的润滑剂具有优异的抗磨效果，能改善膨润土浆和水基钻井液的抗磨性能。为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：本发明提供了一种抗磨钻井液润滑剂，由包括以下质量份的原料，依次经酰胺化反应和取代反应制备得到：植物油50～60份、纳米硼酸钙20～30份、醚类化合物5～10份和胺类化合物10～15份。优选的，所述植物油包括豆油、棕榈油或妥尔油。优选的，所述纳米硼酸钙的粒径为20～200nm。优选的，所述醚类化合物包括乙二醇单丁醚、丙二醇单丁醚、聚丙二醇单丁醚、聚环氧甲烷和聚环氧丙烷中的一种或两种。优选的，所述胺类化合物包括油酸三乙醇胺、二乙烯三胺、二乙醇胺、油酸二乙醇酰胺、亚油酸二乙醇酰胺和椰油酸二乙醇酰胺中的一种或两种。本发明还提供了上述技术方案所述的抗磨钻井液润滑剂的制备方法，包括以下步骤：将植物油与胺类化合物混合，进行酰胺化反应；然后将酰胺化反应后的物料与纳米硼酸钙和醚类化合物混合，进行取代反应，得到所述抗磨钻井液润滑剂。优选的，所述酰胺化反应的温度为160～180℃，时间为3～4h。优选的，所述纳米硼酸钙、醚类化合物与酰胺化反应后的物料混合的温度为130～150℃。优选的，所述取代反应的温度为200～220℃，反应时间为2～3h。本发明另提供了上述技术方案所述的抗磨钻井液润滑剂或上述技术方案所述的制备方法制备得到的抗磨钻井液润滑剂在水基钻井液中的应用。本发明提供了一种抗磨钻井液润滑剂，由包括以下质量份的原料，依次经酰胺化反应和取代反应制备得到：植物油50～60份、纳米硼酸钙20～30份、醚类化合物5～10份和胺类化合物10～15份。本发明以植物油、纳米硼酸钙、醚类化合物和胺类化合物为原料，通过用量的合理控制，能够制备得到抗磨性能优异的钻井液润滑剂。实施例结果表明，本发明提供的上述润滑剂在膨润土浆中，加量为4.0g/400ml即可达到97％以上的润滑系数降低率，抗磨性能达到10块砝码(800g/块)，泥饼粘附润滑系数降低率达到80％以上，磨损量降低率达到97％以上；在水基钻井液体系中，加量为4.0g/400ml时，润滑系数降低率高达94％以上，抗磨可达10块砝码。附图说明图1为实施例1～3、空白例和对比例抗磨试验的实物图。具体实施方式本发明提供了一种抗磨钻井液润滑剂，由包括以下质量份的原料，依次经酰胺化反应和取代反应制备得到：植物油50～60份、纳米硼酸钙20～30份、醚类化合物5～10份和胺类化合物10～15份。以质量份计，本发明提供的抗磨钻井液润滑剂的原料包括植物油50～60份，优选为52～58份，再优选为54～57份。在本发明中，所述植物油优选包括豆油、棕榈油或妥尔油。以所述植物油的质量份为基准，本发明提供的抗磨钻井液润滑剂的原料包括纳米硼酸钙20～30份，优选为23～28份，再优选为24～27份。在本发明中，所述纳米硼酸钙的粒径优选为20～200nm，更优选为50～180nm，再优选为70～150nm。以所述植物油的质量份为基准，本发明提供的抗磨钻井液润滑剂的原料包括醚类化合物5～10份，优选为6～9份，再优选为7～8份。在本发明中，所述醚类化合物优选包括乙二醇单丁醚、丙二醇单丁醚、聚丙二醇单丁醚、聚环氧甲烷和聚环氧丙烷中的一种或两种，更优选为乙二醇单丁醚、丙二醇单丁醚和聚环氧丙烷中的一种或两种。在本发明实施例中，所述醚类化合物优选包括乙二醇单丁醚；或者丙二醇单丁醚和聚环氧丙烷的混合物；或者丙二醇单丁醚。在本发明中，所述醚类化合物为几种组分的混合物时，所述混合物中各组分的用量优选为等质量比。以所述植物油的质量份为基准，本发明提供的抗磨钻井液润滑剂的原料包括胺类化合物10～15份，优选为11～15份，更优选为12～15份。在本发明中，所述胺类化合物优选包括油酸三乙醇胺、二乙烯三胺、二乙醇胺、油酸二乙醇酰胺、亚油酸二乙醇酰胺和椰油酸二乙醇酰胺中的一种或两种，更优选为二乙醇胺、椰油酸二乙醇酰胺、油酸三乙醇胺和油酸二乙醇酰胺中的一种或两种。在本发明实施例中，所述胺类化合物可以为：二乙醇胺和椰油酸二乙醇酰胺的混合物；或者油酸三乙醇胺；或者油酸三乙醇胺和油酸二乙醇酰胺的混合物。在本发明中，所述胺类化合物为几种组分的混合物时，所述混合物中各组分的用量优选为等质量比本发明以植物油、纳米硼酸钙、醚类化合物和胺类化合物为原料，其中植物油具有优异的润滑性，且环境友好；植物油能与胺类化合物发生酰胺化反应，生成具有优异抗磨减磨性能和耐高温性能的复合物；醚类化合物能够改善润滑剂的成膜性能，使润滑剂中的各组分均匀包覆在钻井设备的表面，达到充分润滑，保护设备的目的；抗磨钻井液润滑剂中的纳米硼酸钠可充当纳米抗磨因子，在润滑剂中有机组分的作用下，能够吸附在套管及钻杆表面，并在套管和钻杆表面形成滚动摩擦，进一步增强润滑剂的润滑性能和抗磨减阻性能。本发明还提供了上述技术方案所述抗磨钻井液润滑剂的制备方法，包括以下步骤：将植物油与胺类化合物混合，进行酰胺化反应；然后将酰胺化反应后的物料与纳米硼酸钙和醚类化合物混合，进行取代反应，得到所述抗磨钻井液润滑剂。本发明将植物油和胺类化合物进行酰胺化反应。在本发明中，所述酰胺化反应的方式优选包括将植物油和胺类化合物混合，升温至酰胺化反应的温度，进行酰胺化反应。在本发明中，所述酰胺化反应的温度优选为160～180℃，更优选为165～175℃，再优选为167～173℃；酰胺化反应的时间优选为3～4h，更优选为3～3.5h。在本发明中，植物油和胺类化合物的混合过程、升温至酰胺化反应的温度的过程优选在搅拌条件下进行，以使各组分能均匀混合、受热。本发明对所述搅拌的具体方式没有特殊要求，采用本领域技术人员熟知的即可。本发明所述酰胺化反应过程中，植物油和胺类化合物反应，生成具有抗磨减阻效果和耐高温性能的有机化合物，改善润滑油的抗磨性能和耐高温性能。酰胺化反应后，本发明再将酰胺化反应后的物料与纳米硼酸钙和醚类化合物混合，进行取代反应，得到所述抗磨钻井液润滑剂。混合前，本发明优选对所述酰胺化反应后的物料进行冷却，所述冷却的终点温度优选为130～155℃，更优选为135～152℃，再优选为140～150℃；所述冷却的方式优选采用本领域技术人员熟知的方式。在本发明中，所述混合的方式优选将醚类和纳米硼酸钙先进行混合，然后再与酰胺化反应后的物料进行混合。混合后，本发明优选将混合后物料的温度调整至取代反应所需的温度，所述取代反应的温度优选为200～220℃，更优选为205～215℃；取代反应的时间优选为2～3h，更优选为2～2.5h。本发明优选在上述条件下进行取代反应，可得到外观澄清、透明的产物，所得产物的产率达到80％以上。取代反应后，本发明优选对取代反应后的物料依次进行醇洗，以去除杂质，得到所述钻井液润滑剂。在本发明中，醇洗用洗涤液优选包括甲醇或乙醇。本发明对所述醇洗的具体实施方式没有特殊要求，采用本领域技术人员熟知的方式即可。本发明还提供了上述技术方案所述的抗磨钻井液润滑剂或上述技术方案所述的制备方法制备得到的抗磨钻井液润滑剂在水基钻井液中的应用。在本发明中，所述应用的方式优选包括将所述抗磨钻井液润滑剂与水基钻井液混合。在本发明中，所述水基钻井液为本领域技术人员熟知的常规组分。在本发明中，所述钻井液润滑剂的质量与水基钻井液的体积比优选为0.5～3g/100ml，更优选为0.7～2.5g/100ml，再优选为1.0～2.0g/100ml。为了进一步说明本发明，下面结合附图和实施例对本发明提供的抗磨钻井液润滑剂及其制备方法和应用进行详细地描述，但不能将它们理解为对本发明保护范围的限定。以下实施例和对比例中，所提及的份数以质量份计。实施例1将15份的胺类化合物(二乙醇胺：椰油酸二乙醇酰胺的质量比为1:1)与60份妥尔油置于容器中，在180℃高温条件下恒温反应3h，降温至150℃后加入搅拌均匀的20份纳米硼酸钙(粒径为200nm)和5份乙二醇单丁醚，真空220℃恒温反应2h，冷却并恒温至80℃后，用15份甲醇洗涤，分离出过滤层；降温后所得黄色液体，即为抗磨钻井液润滑剂。实施例2将10份的胺类化合物(油酸三乙醇胺)与50份棕榈油置于容器中，在180℃高温条件下恒温反应3h，降温至150℃后加入搅拌均匀的30份纳米硼酸钙(粒径为100nm)，10份醚类化合物(丙二醇单丁醚与聚环氧丙烷的质量比为1:1的混合物)，真空220℃恒温反应2h，冷却并恒温至80℃后，用10份乙醇洗涤，分离出过滤层；降温后得到黄色液体即为抗磨钻井液润滑剂。实施例3将15份的胺类化合物(油酸三乙醇胺与油酸二乙醇酰胺的质量比1:1)与55份豆油置于容器中，在180℃高温条件下恒温反应3h，降温至150℃后加入搅拌均匀的25份纳米硼酸钙(20nm)，5份丙二醇单丁醚，真空220℃恒温反应2h，冷却并恒温至80℃后，用15份的乙二醇洗涤，分离出过滤层；降温后所得到黄色液体即为抗磨钻井液润滑剂。空白例在抗磨性能试验、膨润土浆性能试验和水基钻井液试验中，不添加任何润滑剂。对比例1以妥尔油脂肪酸为润滑剂。对比例2采用中国发明专利cn103897673a提供的润滑剂。对比例3：采用中国发明专利“一种水基钻井液用润滑抗磨剂及其制备方法”(cn106281261a)中的合成样为润滑剂。应用性能测试及结果1、抗磨性能对比用kmy201-1a抗磨试验仪评价实施例1～3所得抗磨钻井液润滑剂、对比例1的润滑剂的抗磨性能；并在不添加任何润滑剂的情况下进行抗磨试验，做为空白试验进行对比。抗磨性能测试机理为：在一定外力负荷下，钻井液在钢珠与磨轮之间互相摩擦运动，在增加负荷(砝码)的条件下，以最终油膜破裂，摩擦钢珠和磨轮抱死的最多砝码数量为依据，来评价润滑剂抗磨性能的优异。测试结果见图1和表1，图1中1为空白例，2～4分别为实施例1～3的抗磨钻井液润滑剂，5为对比例1的润滑剂。表1抗磨润滑剂性能测试结果测试样品空白例实施例1实施例2实施例3对比例1抗磨砝码(800g/块)21010104钢球磨痕大小很大非常小非常小非常小很大发热情况发热不发热不发热不发热不发热由表1测试结果可知，本发明提供的抗磨钻井液润滑剂相对于常规润滑剂而言，抗磨性能十分优异，抗磨试验过程中，不发热，避免因磨擦生热对抗磨钻井液润滑剂的性能以及钻井设备的运行带来的不利影响；由图1所示的实物图可知，本发明提供的抗磨钻井液润滑剂的磨痕较小，说明在实际使用过程中，对降低设备的磨损有利。2、膨润土浆中的性能对比按照q/sy1088-2012标准中规定的方法测试实施例1～3和对比例1～3润滑剂的润滑性能，润滑性能用润滑系数降低率来表征。按照q/sh1170060-2014标准中规定的方法测试实施例1～3和对比例1～3润滑剂的抗磨性能，抗磨性能用磨损量降低率来表征。本发明采用如下膨润土浆配方，具体包括以下步骤：配制七份基浆：每份加入400ml蒸馏水、0.8g无水碳酸钠、20g干燥钠膨润土，用高速搅拌器，在3000r/min转速下搅拌20min后，室温下密闭养护24h。取三份基浆分别加入4.0g实施例1～3的测试样品；另取三份基浆，分别加入4.0g对比例1～3的测试样品，与另外一份不添加任何润滑剂的基浆分别在3000r/min转速下，搅拌10min。然后在180℃×16h的条件下进行老化，降温至室温，测试各个样品的极压润滑系数降低率(rk)、用kmy201-1a抗磨试验仪评价抗磨性能、用nf-1泥饼粘附系数测定仪测定泥饼粘附润滑系数降低率(w)、磨损量降低率(t)。实验结果见表2。润滑系数降低率(rk)按下式(1)计算：其中，rk——润滑系数降低率，％；k0——空白例的润滑系数；k1——空白例加入润滑剂后的润滑系数。泥饼粘附系数降低率(w)按下式(2)计算：其中，w——泥饼粘附系数降低率，％；w0——空白例的泥饼粘附扭矩，n·m；w1——空白例加入润滑剂后的泥饼粘附，n·m。磨损量降低率(t)按下式(3)计算：其中，t——磨损量降低率，％；t01——空白例实验前磨柱质量，g；t1——空白例实验后的磨柱质量，g；t02——空白例加入润滑剂实验前磨柱质量，g；t2——空白例加入润滑剂实验后的磨损量，g。表2膨润土浆中润滑剂性能对比由表2测试结果可知，本发明提供的抗磨钻井液润滑剂相对于空白例和对比例而言，更能改变膨润土浆的润滑性能和抗磨性能，其中膨润土浆体系的泥饼粘附系数降低率达到80％以上，润滑系数降低率达到97％以上，抗磨砝码(800g/块)达到10块，磨损量降低率达到97％以上。3、水基钻井液体系中的性能对比本发明采用如下钻井液体系配方，对实施例1～3和对比例1的润滑剂进行评价，包括以下步骤：配制五份基浆，每份加入400g南海海水、8g搬土浆、0.6g碳酸钠、0.8g氢氧化钠、0.8g聚丙烯酰胺、0.8g聚阴离子纤维素、0.6g生物聚合物、4g润滑剂、8g沥青树脂、10g防塌降失水剂、4g成膜剂、20g氯化钾；一份不添加任何润滑剂作为空白例，另四份分别添加4.0g实施例1～3和对比例1的润滑剂，将上述基浆进行180℃×16h老化，室温测体系的极压润滑系数降低率、抗磨性能、泥饼粘附润滑系数降低率。实验结果见如表3所示。表3水基钻井液体系中润滑剂性能对比测试样品润滑系数降低率(％)抗磨砝码(块)fiapi(ml)空白例/31.9实施例194.43101.7实施例294.69101.7实施例395.26101.6对比例173.5172.0注：flapi：钻井液中压失水(0.7mpa，室温，30min)，ml。由表3测试测试结果可知，本发明提供的润滑剂用于水基钻井液中，体系在180℃下老化16h，所得体系的润滑系数降低率和抗磨砝码数仍处于较高水平，明显优于对比例1的润滑剂；钻井液中压失水量较小，说明本发明提供的润滑剂不影响水基钻井液性能，还具有降滤失的优势。由以上实施例可知，本发明利用植物油、纳米硼酸钙、醚类化合物和胺类化合物制备的润滑剂具有较好的抗磨性能、润滑性能和耐高温性能，能改善膨润土浆和水基钻井液的综合性能；本发明提供的制备原料成本低、种类少，对控制钻井液润滑剂的成本有利。另外，本发明提供的润滑剂的制备方法简单、易控，便于大规模生产。本发明提供的抗磨钻井液润滑剂具有抗盐性能，不受盐水影响，可用于淡水、海水的水基钻井液，不影响水基钻井液性能；能耐180℃的高温；低泡甚至无泡，环境友好；纯润滑剂的抗磨效果好，在放置10块砝码(800g/块)的条件下，仅产生少量磨痕，且放热少；在膨润土浆中，加量为4.0g/400ml即可达到97％以上的润滑系数降低率，抗磨性能达到10块砝码，泥饼粘附系数降低率达到80％以上，磨损量降低率达到97％以上；在水基钻井液体系中，加量为4.0g/400ml时，润滑系数降低率高达94％以上，抗磨可达10块砝码。通过与现有润滑剂的性能对比可以发现，本发明提供的抗磨润滑剂不仅能够达到现有同类产品在抗磨性能、润滑性能方面的指标，而且磨损量相比现有同类产品的更小。尽管上述实施例对本发明做出了详尽的描述，但它仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部实施例，人们还可以根据本实施例在不经创造性前提下获得其他实施例，这些实施例都属于本发明保护范围。当前第1页12