阅读说明：本技术 一种弱磁靶向润滑剂及含有该润滑剂的水基钻井液 (Weak magnetic targeting lubricant and water-based drilling fluid containing same ) 是由 卢福伟 王静 虞舟 王凯佩 王越支 罗霄 赵世贵 于 2019-11-21 设计创作，主要内容包括：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10～20份、表面活性剂3～6份和磁性聚醚3～10份；所述磁性聚醚中含有非晶态羟基Fe<Sub>3</Sub>O<Sub>4</Sub>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。(The invention relates to a weak magnetic targeting lubricant and a water-based drilling fluid containing the same, wherein the lubricant comprises 60-80 parts of base oil, 10-20 parts of polyester, 3-6 parts of surfactant and 3-10 parts of magnetic polyether; the magnetic polyether contains amorphous hydroxyl Fe 3 O 4 The nano particles are used as an initiator, and the lubricant is different from the traditional oily lubricant in that the lubricant can effectively reduce the surface adsorption probability of solid-phase particles in drilling fluid, most of the solid-phase particles are adsorbed on the surface of a drilling tool, the oil film strength and the hydrophobicity of the surface of the drilling tool are enhanced, the lubricating efficiency of the drilling tool in the long horizontal section of a horizontal well is improved, the torque and the friction resistance are reduced, and the water power transfer efficiency is improved.)

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

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

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。

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。

专利CN201810754751以α-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。

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。

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

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。

所述弱磁靶向润滑剂，按照重量份数包括：基础油60～80份、聚酯10～20份、表面活性剂3～6份和磁性聚醚3～10份；

其中，所述基础油为C₁₈～C₂₂的植物油或C₁₈～C₂₂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；

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；

其中，所述的表面活性剂为司盘-80；

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。

优选的，所述羟基化磁性纳米颗粒起始剂为非晶态羟基Fe₃O₄纳米颗粒；

优选的，所述碱性催化剂为氢氧化钾；

优选的，所述磁性聚醚的聚醚链段单链聚合度在3～12之间，长短适中，可有效抑制司盘-80中杂质在水相中起泡。

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。

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：

1)将FeCl₂·4H₂O、FeCl₃·6H₂O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；

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。

可选的，所述反应温度为30～40℃，反应时间为1～4小时；

控制反应温度不超过50℃，牺牲部分磁性保证Fe₃O₄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；

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20～40nm之间。

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：

1)首先将100～160份的FeCl₂·4H₂O、20～30份的FeCl₃·6H₂O加入反应釜中，在搅拌状态下，将反应釜中的物料加热至30～40℃后用NaOH溶液将pH值调至10～12，反应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。

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。

可选的，所述反应条件为：反应温度为85～115℃，反应时间为12～18小时；

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85～115℃、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12～18小时制得磁性聚醚。

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；

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2～6份、NaOH 0.4-0.8份，增粘剂0.3～0.8份、降失水剂0.5～4份、包被剂0.5～1份、胺基页岩抑制剂1～4份、纯碱1～3份和上述弱磁靶向润滑剂1～6份；

其中，所述弱磁靶向润滑剂，按照重量份数包括：基础油60～80份、聚酯10～20份、表面活性剂3～6份和磁性聚醚3～10份；将上述原料在搅拌罐中常温、常压搅拌1～3小时形成弱磁靶向润滑剂。

相对于现有技术，本发明取得了如下有益效果：①基础油与聚酯的混合物构成吸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；②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；③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3～5倍，可有效降低钻具在长水平段钻进时遇到的扭矩和阻力；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；④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；⑤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

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。

实施例1

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份和磁性聚醚4份，代号为ML01；

所述磁性聚醚的制备方法如下：

1)将100份的FeCl₂·4H₂O、20份的FeCl₃·6H₂O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；

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；

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。

实施例2

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；

所述磁性聚醚的制备方法如下：

1)将100份的FeCl₂·4H₂O、25份的FeCl₃·6H₂O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；

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；

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。

实施例3

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、司盘-80 10份和磁性聚醚7份，代号为ML03；

所述磁性聚醚的制备方法如下：

1)将100份的FeCl₂·4H₂O、30份的FeCl₃·6H₂O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；

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；

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，反应至淡灰色透明油状物即得所述磁性聚醚。

对比例：

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)。

测试例1：

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。

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。

润滑系数测试：选用Fann 212型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。

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％。

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。

表1润滑剂极压润滑降低率测试

序号	极压润滑系数降低率，％	替浆后极压润滑系数降低率，％
			ML01	95	82
ML02	95	83
			ML03	97	85
KD-21C	91.1	45
			KD-51	92	20

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效果。

测试例2：

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，φ6.3mm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。

磨损率计算如式(1)所示。

I＝ΔM/(ρ×F×D) (1)

式(1)中I为磨损率，mm³/(N·m)；ΔM为钢盘质量变化值，g；ρ为钢盘密度，g/cm³；F为载荷，N；D为滑动摩擦距离，m。

不同润滑剂对磨损的影响如表2所示。

表2润滑剂对摩擦系数和磨损率的影响

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0.06～0.08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5.5×10^-13mm³/(N·m)，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效果与普通油性润滑剂相比优势明显。

测试例3：

钻井液体系制备：

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)、2wt％Na₂CO₃(分析纯)、0.5wt％NaOH(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，搅拌均匀后用重晶石加重至钻井液密度为2.0g/cm³。

以及不添加润滑剂的上述钻井液体系作为空白对照组。

(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。

其中：表观粘度AV＝0.5N_φ600；塑性粘度PV＝N_φ600-N_φ300；动切力YP＝0.511(N_φ300-PV)；动塑比＝YP/PV。

(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。

表3

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。

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。