一種鉆井液用摩擦改性劑及鉆井液的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及石油和天然氣井鉆探領(lǐng)域，具體涉及一種鉆井液用摩擦改性劑及相應(yīng) 的水基鉆井液。
【背景技術(shù)】
[0002] 在鉆探石油和天然氣井時(shí)，鉆井液作為一種具有特殊功能的流體在鉆桿、鉆頭、環(huán) 空進(jìn)行循環(huán)，其主要功能包括：提供靜壓力以穩(wěn)定井壁和平衡地層壓力、攜帶和懸浮巖屑、 冷卻鉆頭、提供水動(dòng)力輔助破巖。鉆井液的另一個(gè)重要作用是降低鉆桿和井壁以及鉆桿和 金屬套管之間的摩擦阻力。鉆井液可以為水基或油基，一般來(lái)說(shuō)，水基鉆井液比油基鉆井液 的成本低，具有健康、安全和環(huán)保性能。但油基鉆井液具有更優(yōu)異的頁(yè)巖穩(wěn)定性和潤(rùn)滑性。 鉆井液的潤(rùn)滑性決定鉆桿在井筒內(nèi)的轉(zhuǎn)矩(旋轉(zhuǎn)摩擦）和阻力（軸向摩擦）的大小。從經(jīng)濟(jì) 性以及技術(shù)上講，由于應(yīng)用中可減少扭矩和阻力，因此具有低摩擦系數(shù)的鉆井液可提高鉆 井效率、降低成本。特別是在超深井和長(zhǎng)水平井鉆探中，鉆井液的潤(rùn)滑性能更加重要。
[0003] 在鉆井液中加入化學(xué)或機(jī)械潤(rùn)滑劑，可提高鉆井液的潤(rùn)滑性能，降低扭矩和摩阻。 鉆井液中常用的化學(xué)潤(rùn)滑劑有礦物油、合成油、酯類、脂肪酸、油脂以及表面活性劑等。但應(yīng) 用中常見(jiàn)的問(wèn)題是上述潤(rùn)滑劑在鉆柱上形成的吸附膜不牢固，一是導(dǎo)致部分水化的鉆屑吸 附在鉆柱上造成泥包，增大了摩擦，二是吸附膜的抗壓強(qiáng)度低，在高側(cè)壓下吸附膜被破壞或 脫附，導(dǎo)致邊界摩擦系數(shù)大。
[0004] 美國(guó)專利US8003576將添加劑二烷基二硫代磷酸鋅（ZDDP)應(yīng)用于水基鉆井液和 完井液中，該添加劑的加入具有提高潤(rùn)滑性和減少摩擦的作用，尤其是在硅酸鹽鉆井液中。 但是將ZDDP添加到含硫的潤(rùn)滑劑(如硫化豬油）中，并不能進(jìn)一步降低鉆井液的摩擦系數(shù)。
[0005] 本領(lǐng)域還需要一種性能優(yōu)異的摩擦改性劑，例如將一種新的添加劑加入現(xiàn)有技術(shù) 的鉆井液用潤(rùn)滑劑中，使得相應(yīng)的鉆井液在摩擦系數(shù)進(jìn)一步降低的同時(shí)鉆井液的其它性能 并不會(huì)受到不良影響。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 因此，本發(fā)明提供一種鉆井液用摩擦改性劑，所述摩擦改性劑包括式I或式II所 示的巰烷基硅烷偶聯(lián)劑與鉆井液用潤(rùn)滑劑的組合物，
[0007]
[0008] 在式I和式II中，η為1~3的整數(shù)；A為甲基或乙基；X選自氯、甲氧基、乙氧基、 甲氧基乙氧基和乙酰氧基。
[0009] 本發(fā)明提供的鉆井液用摩擦改性劑中含巰烷基硅烷偶聯(lián)劑，其水解基團(tuán)X水解時(shí) 即生成硅醇（Si (OH)3),它進(jìn)一步脫水縮合可生成片狀或籠形的倍半硅氧烷低聚體。在鉆井 液使用過(guò)程中，所述巰烷基硅烷偶聯(lián)劑可在鉆柱上形成牢固的吸附膜，改變鉆柱的界面性 質(zhì)從而減少泥包，而且具有強(qiáng)的極壓潤(rùn)滑能力。本發(fā)明的鉆井液用摩擦改性劑加入到水基 鉆井液中，會(huì)減少鉆桿與井壁以及鉆桿與金屬套管之間的摩擦阻力，尤其是在深水平井鉆 探中，可減少鉆桿在旋轉(zhuǎn)中的扭矩以及滑動(dòng)鉆進(jìn)中的接觸摩擦力，并降低鉆具磨損。原因可 能是：巰烷基硅烷偶聯(lián)劑和金屬表面具有更強(qiáng)的相互作用，可優(yōu)先吸附在金屬表面上，通過(guò) 在金屬表面形成一層特別的疏水膜，改變金屬鉆具的表面化學(xué)性質(zhì)，阻止粘土、鉆屑在金屬 上的吸附，并可降低鉆井液在鉆具表面的流動(dòng)阻力，同時(shí)對(duì)金屬表面具有腐蝕防護(hù)作用。
[0010] 符合上述式I或式II所示的巰烷基硅烷偶聯(lián)劑均可用于鉆井液中，其含有的巰基 能以化學(xué)吸附方式強(qiáng)烈吸附于鋼制的鉆具表面，經(jīng)水解、縮合生成穩(wěn)定的Si-O-Si網(wǎng)絡(luò)結(jié) 構(gòu)，這種交聯(lián)的硅烷膜具有疏水性，不但有效降低鉆井液在鉆具表面的流動(dòng)阻力，而且能阻 斷環(huán)境介質(zhì)對(duì)鉆具表面的侵襲，起到良好的腐蝕防護(hù)作用。進(jìn)一步地，在高載荷摩擦?xí)r，巰 烷基硅烷偶聯(lián)劑與鉆具表面發(fā)生摩擦化學(xué)作用，形成由鐵的硫化物等組成的、具有較高承 載能力和抗磨性能的邊界潤(rùn)滑膜，從而起到承載減摩和抗磨作用。
[0011] 在本發(fā)明的一個(gè)【具體實(shí)施方式】中，所述巰烷基硅烷偶聯(lián)劑與所述鉆井液用潤(rùn)滑劑 的質(zhì)量比為1:4~100,優(yōu)選為1:6~30,更優(yōu)選為1:8~20。
[0012] 本發(fā)明中，所述鉆井液用潤(rùn)滑劑包括礦物油基潤(rùn)滑劑、動(dòng)植物油脂類潤(rùn)滑劑、合成 油酯類潤(rùn)滑劑以及表面活性劑中的一種或多種。具體的，所述鉆井液用潤(rùn)滑劑例如為選自 Lube 167、MiI lube、SMJH-I、LUB-N、GM-I、柴油和白油中的一種或多種。
[0013] 優(yōu)選本發(fā)明中所述鉆井液為水基鉆井液。具體的，所述鉆井液例如選自硅酸鹽鉆 井液、聚磺鉆井液和聚合物鉆井液?；蛘咚鲢@井液為高密度鉆井液。
[0014] 本發(fā)明還提供一種水基鉆井液，所述鉆井液中包含1~10wt%的膨潤(rùn)土基漿和上 述摩擦改性劑。
[0015] 在本發(fā)明的水基鉆井液中，所述摩擦改性劑在所述鉆井液中的重量百分含量例如 為0· 2~10%，優(yōu)選為(λ 5~4%。
[0016] 在本發(fā)明的水基鉆井液中還可以含有乳化劑，且乳化劑在所述鉆井液中的重量百 分含量為0. 01~5%，優(yōu)選為0. 02~2%。在水基鉆井液加入乳化劑后，經(jīng)攪拌或井下循環(huán)， 形成細(xì)小的油狀乳液滴，均勻分散在鉆井液中，以利于摩擦改性劑與鉆具表面的接觸，同 時(shí)，乳化劑的盡早加入可減少巰烷基硅烷偶聯(lián)劑在作用于鉆具之前在堿性鉆井液中的水解 反應(yīng)。乳化劑的HLB值例如在8~18之間，易形成水包油乳液。
【具體實(shí)施方式】
[0017] 鉆井液的潤(rùn)滑性和潤(rùn)滑劑的極壓潤(rùn)滑性測(cè)量使用極壓潤(rùn)滑儀，型號(hào)為美國(guó) Fann212極壓潤(rùn)滑儀，在該測(cè)試儀器中，測(cè)量浸沒(méi)于鉆井液中的鋼制滑塊和轉(zhuǎn)動(dòng)的鋼制環(huán)之 間的摩擦，標(biāo)準(zhǔn)的潤(rùn)滑系數(shù)測(cè)試為在兩個(gè)硬化鋼表面間提供150英寸·磅的力。測(cè)試前將鉆 井液高速攪拌5min，測(cè)試中通過(guò)調(diào)節(jié)扭矩扳手使施加在滑塊上的力為150in. Ib(英寸?磅)， 環(huán)的轉(zhuǎn)速為60r/min，以摩擦5min時(shí)穩(wěn)定的讀數(shù)計(jì)算摩擦系數(shù)。
[0018] 在本發(fā)明下述實(shí)施例中，使用的疏烷基硅烷偶聯(lián)劑為Y _疏基丙基二乙氧基娃 烷，來(lái)自于南京聯(lián)硅化工有限公司。乳化劑為0P-10,來(lái)自于江蘇省海安石油化工廠。潤(rùn)滑 劑Lubel67來(lái)自于MI能源公司，Mil lube來(lái)自于貝克休斯公司（Baker Hughes), SMJH-I來(lái) 自于中國(guó)石化石油工程技術(shù)研究院，LUB-N來(lái)自于濮陽(yáng)中原三力實(shí)業(yè)有限公司，GM-I來(lái)自 于中國(guó)石化潤(rùn)滑油公司（上海）研發(fā)中心。
[0019] 另外，實(shí)施例中的硅酸鉀來(lái)自于邢臺(tái)大洋化工有限公司，黃原膠來(lái)自于淄博中軒 生化有限公司，淀粉來(lái)自于新鄉(xiāng)富邦科技有限公司，聚陰離子纖維素來(lái)自于山東一滕化工 有限公司，膨潤(rùn)土來(lái)自于勝利油田博友泥漿技術(shù)有限責(zé)任公司。
[0020] 下面結(jié)合具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步說(shuō)明。但本發(fā)明并不僅限于下述實(shí)施例。
[0021] 實(shí)施例1和對(duì)比例1
[0022] 本例的目的在于說(shuō)明巰烷基硅烷偶聯(lián)劑和傳統(tǒng)的鉆井液用潤(rùn)滑劑的協(xié)同作用，該 實(shí)驗(yàn)在5重量％的膨潤(rùn)土基漿中進(jìn)行。具體的油氣開(kāi)發(fā)過(guò)程中，可以在該基漿中添加其他 必要的添加劑配制得到水基鉆井液。
[0023] 表1列出了本例中巰烷基硅烷偶聯(lián)劑與多種不同的潤(rùn)滑劑配合使用時(shí)的潤(rùn)滑效 果。其中，在實(shí)施例Ι-b至實(shí)施例l_f中所用的潤(rùn)滑劑(分別為L(zhǎng)ubel67、Mil lube、SMJH-l、 LUB-N和GM-I)與巰烷基硅烷偶聯(lián)劑的重量比均為95:5。具體地，加5g巰烷基硅烷偶聯(lián) 劑、3g乳化劑于95g液體潤(rùn)滑劑中，室溫下攪拌混合均勻，制得本發(fā)明中的鉆井液用摩擦改 性劑。
[0024] 表1中實(shí)驗(yàn)的具體步驟如下：1)在攪拌下，在蒸餾水中加入適量的無(wú)水碳酸鈉和 試驗(yàn)用鈉膨潤(rùn)土，攪拌2小時(shí)后放置過(guò)夜，制成5重量％的膨潤(rùn)土基漿，其中無(wú)水碳酸鈉的 濃度為0. 25重量％ ;2)取5%膨潤(rùn)土基漿350ml，用攪拌器攪拌IOmin后，用極壓潤(rùn)滑儀測(cè) 定其極壓潤(rùn)滑系數(shù)，測(cè)得其摩擦系數(shù)為〇. 489 ;3)取5重量％膨潤(rùn)土基漿350ml，向其中加 入3. 5g如表1所述的檢測(cè)液樣品，用攪拌器攪拌IOmin后，用極壓潤(rùn)滑儀測(cè)定其摩擦系數(shù)， 各對(duì)比例和實(shí)施例的摩擦系數(shù)均列于表1中。
[0025] 表 1
[0026]

[0027] 從表1可見(jiàn),與對(duì)比例l_b至對(duì)比例l_f中僅使用傳統(tǒng)潤(rùn)滑劑相比，相應(yīng)的實(shí)施例 Ι-b