弱磁靶向润滑剂及含有该润滑剂的水基钻井液.pdf

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1、(19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请号 201911146824.9 (22)申请日 2019.11.21 (71)申请人 长江大学 地址 434023 湖北省荆州市荆州区城南街 道南环路1号 申请人 荆州市学成实业有限公司 (72)发明人 卢福伟王静虞舟王凯佩 王越支罗霄赵世贵 (74)专利代理机构 青岛高晓专利事务所(普通 合伙) 37104 代理人 段雅静 (51)Int.Cl. C09K 8/24(2006.01) C09K 8/03(2006.01) (54)发明名称 一种弱磁靶向润滑剂及含有该润滑剂的水 基。

2、钻井液 (57)摘要 本发明涉及一种弱磁靶向润滑剂及含有该 润滑剂的水基钻井液， 所述润滑剂包含基础油60 80份、 聚酯1020份、 表面活性剂36份和磁 性聚醚310份； 所述磁性聚醚中含有非晶态羟 基Fe3O4纳米颗粒作为起始剂， 与传统油性润滑 剂不同在于， 该润滑剂能够有效降低在钻井液中 固相颗粒表面吸附概率， 大部分吸附在钻具表 面， 增强钻具表面油膜强度和疏水性， 提高钻具 在水平井长水平段的润滑效率， 降低扭矩和摩 阻， 提高水功率传递效率。 权利要求书2页 说明书6页 CN 110846003 A 2020.02.28 CN 110846003 A 1.一种弱磁靶向润滑剂， 。

3、其特征在于， 所述弱磁靶向润滑剂的原料组分及重量份数如 下： 基础油： 6080份、 聚酯： 1020份、 表面活性剂： 36份、 磁性聚醚： 310份。 2.根据权利要求1所述的一种弱磁靶向润滑剂， 其特征在于， 所述基础油为C18C22的植 物油或C18C22的脂肪酸甲酯中的任意一种或任意两种及以上的任意比例的混合物； 所述聚酯为三羟甲基丙烷油酸酯或季戊四醇油酸酯中的任意一种或两种的任意比例 的混合物； 所述表面活性剂为司盘-80。 3.根据权利要求1所述的一种弱磁靶向润滑剂， 其特征在于， 所述磁性聚醚由以下重量 份数的原料制成： 羟基化磁性纳米颗粒起始剂： 180-300份、 碱性催化。

4、剂： 2-30份、 环氧丙烷： 300-1800份、 环氧丁烷： 200-1500份。 4.根据权利要求3所述的一种弱磁靶向润滑剂， 其特征在于， 所述羟基化磁性纳米颗粒 起始剂为非晶态羟基Fe3O4纳米颗粒； 所述碱性催化剂为氢氧化钾。 5.根据权利要求4所述的一种弱磁靶向润滑剂， 其特征在于， 所述非晶态羟基Fe3O4纳米 颗粒平均粒径在2040nm之间， 所述磁性聚醚的聚醚链段单链聚合度在312之间。 6.一种非晶态羟基Fe3O4纳米颗粒的制备方法， 其特征在于， 包括以下步骤： 1)将FeCl24H2O、 FeCl36H2O和NaOH溶液在一定的温度条件下反应后生成反应产物； 2)反应。

5、产物固液分离， 固体分别用去离子水、 无水乙醇洗涤至中性、 烘干制得非晶态羟 基Fe3O4纳米颗粒。 7.根据权利要求6所述的一种非晶态羟基Fe3O4纳米颗粒的制备方法， 其特征在于， 1)首先将100160份的FeCl24H2O、 2030份的FeCl36H2O加入反应釜中， 在搅拌状 态下， 将反应釜中的物料加热至3040后用NaOH溶液将pH值调至1012， 反应14小时 至颜色为灰色至黑色， 停止搅拌， 生成反应产物； 2)反应产物甩干固液分离， 固体分别用去离子水、 无水乙醇洗涤至pH值为7， 在40下 烘干得到非晶态羟基Fe3O4纳米颗粒。 8.一种磁性聚醚的制备方法， 其特征在于。

6、， 至少包括以下步骤： 以羟基化磁性纳米颗粒 为起始剂， 在碱性催化剂的作用下与环氧丙烷和环氧丁烷反应制得磁性聚醚。 9.根据权利要求8所述的一种磁性聚醚的制备方法， 其特征在于， 以180-300份非晶态 羟基Fe3O4纳米颗粒起始剂， 加入2-30份氢氧化钾为催化剂， 在85115、 高纯氮气保护下 加入300-1800份环氧丙烷和200-1500份环氧丁烷反应1218小时制得磁性聚醚； 其中， 所述非晶态羟基Fe3O4纳米颗粒起始剂按照权利要求6或7所述方法制备得到。 10.一种水基钻井液， 其特征在于， 所述水基钻井液的原料组分及重量含量如下， 清水 权利要求书 1/2 页 2 CN 。

7、110846003 A 2 100-400份、 膨润土26份、 NaOH 0.4-0.8份， 增粘剂0.30.8份、 降失水剂0.54份、 包被 剂0.51份、 胺基页岩抑制剂14份、 纯碱13份和润滑剂16份； 其中， 所述润滑剂为权利要求1-5任一项所述的弱磁靶向润滑剂。 权利要求书 2/2 页 3 CN 110846003 A 3 一种弱磁靶向润滑剂及含有该润滑剂的水基钻井液 技术领域 0001 本发明涉及一种弱磁靶向润滑剂， 还涉及一种含有该润滑剂的水基钻井液， 属于 石油钻井技术领域。 背景技术 0002 目前水基钻井液在长水平段复杂结构井施工过程中仍存在较为频繁的托压、 卡钻 等工。

8、程问题和水功率传递不足等技术难题， 其主要原因为水基钻井液中润滑剂的润滑持续 性不足。 0003 专利CN201711091999采用C10-C18的单有机酸与醇进行酯化反应合成非离子型润 滑剂， 有效避免了钻井液中离子组分对润滑性能的干扰。 0004 专利CN201810754751以 -烯烃为油性润滑组分， 复合纳米二氧化硅作为高性能润 滑剂， 在钻井液中添加该润滑剂能够提高钻井液润滑性， 降低钻井过程中的摩阻和扭矩。 0005 专利CN201810367132以二烷基二硫代氨基甲酸钼和二烷基二硫代磷酸钼作为液 体润滑剂重要组分， 二者均为油溶性有机钼化合物， 在钻具与井壁接触形成的高压下。

9、会在 摩擦表面形成次级结构膜， 不易被破坏， 呈现良好的润滑减摩效果。 0006 上述新开发的润滑剂在钻具、 钻井液固相颗粒竞争吸附成膜过程中均存在钻井液 固相颗粒表面优先吸附， 有效润滑组分消耗速度过快等问题， 无法有效解决长水平段持续 润滑。 在高难度复杂工况下能够具有持久润滑性能的润滑剂仍处于空白状态。 发明内容 0007 为克服现有技术中存在的问题， 本发明的首要目的在于提供一种弱磁靶向润滑 剂， 该弱磁靶向润滑剂可优先吸附于钻具表面， 润滑效果好， 抗损耗能力强， 可极大降低长 水平段钻井水功率传递效率低下等问题。 0008 所述弱磁靶向润滑剂， 按照重量份数包括： 基础油6080份。

10、、 聚酯1020份、 表面 活性剂36份和磁性聚醚310份； 0009 其中， 所述基础油为C18C22的植物油或C18C22的脂肪酸甲酯中的任意一种或任 意两种及以上任意比例的混合物； 0010 其中， 所述聚酯为三羟甲基丙烷油酸酯或季戊四醇油酸酯中的任意一种或两种任 意比例的混合物； 0011 其中， 所述的表面活性剂为司盘-80； 0012 其中， 所述磁性聚醚由以下重量分数的原料制成： 羟基化磁性纳米颗粒起始剂 180-300份、 碱性催化剂2-30份、 环氧丙烷300-1800份、 环氧丁烷200-1500份。 0013 优选的， 所述羟基化磁性纳米颗粒起始剂为非晶态羟基Fe3O4纳。

11、米颗粒； 0014 优选的， 所述碱性催化剂为氢氧化钾； 0015 优选的， 所述磁性聚醚的聚醚链段单链聚合度在312之间， 长短适中， 可有效抑 制司盘-80中杂质在水相中起泡。 说明书 1/6 页 4 CN 110846003 A 4 0016 司盘-80作为表面活性剂能够与基础油以任意比例互溶； 司盘-80能够使基础油在 钻井液水相中形成均匀乳滴， 使油相更有效吸附至摩擦面， 提高油相润滑剂的润滑效果； 三 羟甲基丙烷油酸酯或季戊四醇油酸酯能够有效耦合润滑剂中基础油与司盘-80表面活性 剂， 使油相润滑剂形成均一的整体； 磁性聚醚常温下为灰色的油状液体， 可与基础油以任意 比例互溶； 磁。

12、性聚醚将油相润滑剂携带至钻具表面后， 司盘-80的酰胺基团可在金属钻具表 面形成化学吸附， 强化稳定油膜， 提高润滑效果。 0017 作为一种具体的实施方式， 本发明提供了所述非晶态羟基Fe3O4纳米颗粒的制备方 法， 包括以下步骤： 0018 1)将FeCl24H2O、 FeCl36H2O和一定量的NaOH溶液在一定的温度条件下反应后 生成反应产物； 0019 2)反应产物固液分离， 固体分别用去离子水、 无水乙醇洗涤至中性、 烘干制得非晶 态羟基Fe3O4纳米颗粒。 0020 可选的， 所述反应温度为3040， 反应时间为14小时； 0021 控制反应温度不超过50， 牺牲部分磁性保证Fe。

13、3O4纳米颗粒表面羟基含量， 使颗 粒表面能够接枝环氧丙烷或环氧丁烷； 0022 可选的， 所述反应环境为碱性环境， 加入一定量的NaOH溶液将反应釜pH值调至10 12； 控制产物非晶态羟基Fe3O4纳米颗粒平均粒径在2040nm之间。 0023 作为本发明的一种优选方案， 所述非晶态羟基Fe3O4纳米颗粒的制备方法如下： 0024 1)首先将100160份的FeCl24H2O、 2030份的FeCl36H2O加入反应釜中， 在搅 拌状态下， 将反应釜中的物料加热至3040后用NaOH溶液将pH值调至1012， 反应至颜 色为灰色至黑色， 停止搅拌， 生成反应产物； 0025 2)反应产物甩。

14、干固液分离， 固体分别用去离子水、 无水乙醇洗涤至pH值为7， 在40 下烘干得到非晶态羟基Fe3O4纳米颗粒。 0026 本发明的另一方面， 提供了所述磁性聚醚的制备方法， 至少包括以下步骤： 以羟基 化磁性纳米颗粒为起始剂， 在碱性催化剂的作用下与环氧丙烷和环氧丁烷反应制得磁性聚 醚。 0027 可选的， 所述反应条件为： 反应温度为85115， 反应时间为1218小时； 0028 作为本发明的一种优选方案， 所述磁性聚醚的制备方法如下： 以180-300份非晶态 羟基Fe3O4纳米颗粒起始剂， 加入2-30份氢氧化钾为催化剂， 在85115、 高纯氮气保护下 加入300-1800份环氧丙。

15、烷和200-1500份环氧丁烷反应1218小时制得磁性聚醚。 0029 本发明的另一个目的在于， 提供一种水基钻井液， 能够降低钻具在长水平复杂井 段的钻进阻力， 有效传递水功率； 0030 所述水基钻井液的原料组分及重量含量如下， 清水100-400份、 膨润土26份、 NaOH 0.4-0.8份， 增粘剂0.30.8份、 降失水剂0.54份、 包被剂0.51份、 胺基页岩抑制 剂14份、 纯碱13份和上述弱磁靶向润滑剂16份； 0031 其中， 所述弱磁靶向润滑剂， 按照重量份数包括： 基础油6080份、 聚酯1020份、 表面活性剂36份和磁性聚醚310份； 将上述原料在搅拌罐中常温、 。

16、常压搅拌13小时形 成弱磁靶向润滑剂。 0032 相对于现有技术， 本发明取得了如下有益效果： 基础油与聚酯的混合物构成吸 说明书 2/6 页 5 CN 110846003 A 5 附于钻具和井壁表面的油膜主体； 磁性聚醚在油相中使油性润滑剂整体带有磁性， 将润滑 剂携带至钻具表面， 依靠磁性吸附作用使润滑剂在钻具表面形成牢固油膜； 该弱磁靶向 润滑剂能够在高温下提供足够润滑以降低摩擦阻力， 还能够有效抑制合成油和聚酯中杂质 引起的钻井液起泡； 本发明弱磁靶向润滑剂的吸附能力强， 因磁性吸附作用， 在加量很少 的情况下持续润滑效果是传统油性润滑剂的35倍， 可有效降低钻具在长水平段钻进时遇 到。

17、的扭矩和阻力； 润滑降低率明显优于传统润滑剂， 且对钻井液流变性能的影响明显小于 传统润滑剂， 尤其在深井、 长水平段页岩气井具有显著的润滑效果； 本发明的润滑剂在钻 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； 本发明的润滑剂无毒无害， 磁性仅起到靶向 吸附作用， 不会对测井工作产生干扰。 具体实施方式 0033 下面结合实施例详述本发明， 但本发明并不局限于这些实施例。 0034 实施例1 0035 本实施例提供一种弱磁靶向润滑剂， 包括菜籽油60份、 三羟甲基丙烷油酸酯20份、 司盘-80 6份和磁性聚。

18、醚4份， 代号为ML01； 0036 所述磁性聚醚的制备方法如下： 0037 1)将100份的FeCl24H2O、 20份的FeCl36H2O加入反应釜中， 在30下混合搅拌， 滴入0.1M NaOH溶液至反应釜内pH值为12， 反应1小时后停止搅拌， 生成反应产物； 0038 2)反应产物甩干固液分离， 固体黑色颗粒沉淀物分别用去离子水、 无水乙醇洗涤 至中性， 在40下烘干得到非晶态羟基Fe3O4纳米颗粒； 0039 3)在高压反应釜中加入200份步骤2)得到的非晶态羟基Fe3O4纳米颗粒， 加入10份 氢氧化钾， 通入纯度为99.99的N2， 搅拌状态下， 通过管路导入1000份环氧丙烷。

19、和200份环 氧丁烷， 将反应釜中的物料加热至85反应12小时， 反应至淡灰色透明油状物即得所述磁 性聚醚。 0040 实施例2 0041 本实施例提供一种弱磁靶向润滑剂， 包括C18脂肪酸甲酯60份、 季戊四醇油酸酯20 份、 司盘-80 5份和磁性聚醚5份， 代号为ML02； 0042 所述磁性聚醚的制备方法如下： 0043 1)将100份的FeCl24H2O、 25份的FeCl36H2O加入反应釜中， 在40下混合搅拌， 滴入0.1M NaOH溶液至反应釜内pH值为10， 反应1小时后生成反应产物； 0044 2)反应产物甩干固液分离， 固体黑色颗粒沉淀物分别用去离子水、 无水乙醇洗涤 。

20、至中性， 在40下烘干得到非晶态羟基Fe3O4纳米颗粒； 0045 3)在高压反应釜中加入180份步骤2)得到的非晶态羟基Fe3O4纳米颗粒， 加入9份氢 氧化钾， 通入纯度为99.99的N2， 搅拌状态下， 通过管路导入1200份环氧丙烷和200份环氧 丁烷， 将反应釜中的物料加热至100反应14小时， 反应至淡灰色透明油状物即得所述磁性 聚醚。 0046 实施例3 0047 本实施例提供一种弱磁靶向润滑剂， 包括棉籽油70份、 季戊四醇油酸酯15份、 司 说明书 3/6 页 6 CN 110846003 A 6 盘-80 10份和磁性聚醚7份， 代号为ML03； 0048 所述磁性聚醚的制。

21、备方法如下： 0049 1)将100份的FeCl24H2O、 30份的FeCl36H2O加入反应釜中， 在40下混合搅拌， 滴入0.1M NaOH溶液至反应釜内pH值为10， 反应1小时后生成反应产物； 0050 2)反应产物甩干固液分离， 固体黑色颗粒沉淀物分别用去离子水、 无水乙醇洗涤 至中性， 在40下烘干得到非晶态羟基Fe3O4纳米颗粒； 0051 3)在高压反应釜中加入250份步骤2)得到的非晶态羟基Fe3O4纳米颗粒， 加入11份 氢氧化钾， 通入纯度为99.99的N2， 搅拌状态下， 通过管路导入1500份环氧丙烷和300份环 氧丁烷， 将反应釜中的物料加热至110反应18小时，。

22、 反应至淡灰色透明油状物即得所述磁 性聚醚。 0052 对比例： 0053 市售水基钻井液润滑剂KD-21C和KD-51(样品取自中石化江苏油区花8-2x井施工 现场)。 0054 测试例1： 0055 基浆制备： 向1000重量份的水中边搅拌边依次加入3重量份的无水碳酸钠和40重 量份的膨润土(中石油渤海钻探工程公司的标准钙基膨润土)， 加完后继续搅拌12h， 然后密 封静置16h， 从而制得基浆。 0056 将基浆和含有润滑剂的基浆进行润滑系数测定： 选用FANN212型极压润滑仪测定 未老化的待测液的极压润滑系数， 并计算润滑系数降低率。 0057 润滑系数测试： 选用Fann 212型。

23、极压润滑仪测定待测液的极压润滑系数， 并计算 润滑系数降低率。 待测液为0.5wt润滑剂+99.5wt基浆。 0058 其中， 润滑系数降低率(基浆的极压润滑系数-含有润滑剂的基浆的极压润滑系 数)/基浆的极压润滑系数*100。 0059 测完待测液的润滑系数降低率后， 用不含润滑剂的基浆替换含有0.5润滑剂的 基浆， 重新测试滑块的极压润滑降低率， 考察润滑剂在金属表面的定向吸附润滑作用。 实施 例和对比例各项检测值如表1所示。 0060 表1润滑剂极压润滑降低率测试 0061 序号极压润滑系数降低率， 替浆后极压润滑系数降低率， ML019582 ML029583 ML039785 KD-。

24、21C91.145 KD-519220 0062 由表1可以看出， 本发明实施例1-3制备的三种弱磁靶向润滑剂洗涤前润滑效果比 传统润滑剂KD-21C、 KD-51高但相差不大， 其润滑作用原理相同， 即表面活性剂将润滑剂乳 化分散在水相钻井液中， 油滴运移至摩擦面形成油膜润滑； 而经基浆洗涤摩擦面后， KD- 21C、 KD-51的润滑效果迅速下降， 这是由于吸附在摩擦面油膜经洗涤转移至基浆中， 摩擦面 润滑剂量降低导致的。 经过添加油溶磁性润滑组分纳米Fe3O4聚醚后， 油膜在摩擦面吸附能 力明显增强， 洗涤后极压润滑降低率仍保持在80以上， 能够显著提高油性润滑剂的润滑 说明书 4/6 。

25、页 7 CN 110846003 A 7 效果。 0063 测试例2： 0064 对本发明实施例中的弱磁靶向润滑剂进行持续抗磨减磨效果进行评价， 基浆配置 方法参照实施例1， 持续抗磨实验采用MMW-1型立式万能摩擦磨损试验机， 6.3mm钢球， d 48mm钢盘测试钻井液浸泡条件下摩擦系数随时间的变化规律及磨损率。 测试条件为： 载荷 100N， 温度120， 转速350rpm。 0065 磨损率计算如式(1)所示。 0066 IM/( FD) (1) 0067 式(1)中I为磨损率， mm3/(Nm)； M为钢盘质量变化值， g； 为钢盘密度， g/cm3； F 为载荷， N； D为滑动摩。

26、擦距离， m。 0068 不同润滑剂对磨损的影响如表2所示。 0069 表2润滑剂对摩擦系数和磨损率的影响 0070 0071 0072 从表2可以看出， 添加润滑剂的基浆与基浆原样相比润滑效果显著； 传统润滑剂 KD-21C、 KD-51稳定期摩擦系数在0.060.08之间， 抗磨时间小于2300s， 而本发明实施例1- 3三种弱磁靶向润滑剂的稳定期摩擦系数均小于0.05， 抗磨时间大于3600s， 明显优于KD- 21C、 KD-51； 且实施例1-3三种弱磁靶向润滑剂磨损率低于5.510-13mm3/(Nm)， 具有长效 润滑效果且抗损耗能力强， 因此， 本发明提供的弱磁靶向润滑剂的润滑。

27、效果与普通油性润 滑剂相比优势明显。 0073 测试例3： 0074 钻井液体系制备： 0075 向300重量份水中边搅拌边依次间隔10分钟加入2wt膨润土(满足GB5005-2010 要求)、 2wtNa2CO3(分析纯)、 0.5wtNaOH(分析纯)、 0.4wt增粘剂(雪佛龙菲利普斯化工 (中国)有限公司HE150型增粘剂)、 3wt降失水剂(雪佛龙菲利普斯化工(中国)有限公司 Dristemp型降失水剂)、 0.6wt包被剂(江西萍乡市五联化工厂聚丙烯酰胺钾盐KPAM包被 剂)、 1wt胺基页岩抑制剂(巴斯夫油田化学品部Ultrahib型页岩抑制剂)、 1wt的上述润 滑剂， 搅拌均。

28、匀后用重晶石加重至钻井液密度为2.0g/cm3。 0076 以及不添加润滑剂的上述钻井液体系作为空白对照组。 0077 (1)黏度测试： 用电动六速粘度计(ZNN-D6B)测定并计算老化前和150老化16h后 的钻井液体系粘度、 动切力及动塑比等。 0078 其中： 表观粘度AV0.5N600； 塑性粘度PVN600-N300； 动切力YP0.511(N300- 说明书 5/6 页 8 CN 110846003 A 8 PV)； 动塑比YP/PV。 0079 (2)滤失量测试： 用六联API失水仪和高温高压失水仪测定老化前和在150老化 16h后的钻井液体系滤失量； 结果如表3所示。 0080 表3 0081 0082 0083 通过表3的数据可以看出， 本发明的弱磁靶向润滑剂具有较好的降粘效果， 改善了 钻井液体系的流变性， 并且降低了体系的滤失量。 0084 以上详细描述了本发明的优选实施方式， 但本发明并不限于此。 在本发明的技术 构思范围内， 可以对本发明的技术方案进行多种简单变型， 包括各个技术特征以任何其它 的合适方式进行组合， 这些简单变型和组合同样应当视为本发明所公开的内容， 均属于本 发明的保护范围。 说明书 6/6 页 9 CN 110846003 A 9 。