石油与天然气化工  2016, Vol. 45 Issue (4): 73-76
一种乳液型钻井液润滑剂的制备及性能评价
张文 , 杜昱熹 , 孔凡波     
西南石油大学化学化工学院
收稿日期：2016-03-04
作者简介：张文(1965-), 高级工程师, 现就职于西南石油大学, 主要从事钻井液方面的研究。E-mail:792633167@qq.com.
摘要：以多胺、棉籽油、低碳酸为原料合成植物油酰胺, 最佳合成条件为:多胺、棉籽油和低碳酸的摩尔比为1:4:1, 反应温度168 ℃, 反应2.5 h; 以合成产物植物油酰胺为主要原料, NaOH中和油酸生成油酸钠做乳化剂, 硅膏、煤油和CMC-HV做添加剂, 实验制备出O/W乳液型钻井液润滑剂, 其配比为:8%(w)植物油酰胺+10%(w)油酸+18%(w)煤油+2.5%(w)硅膏+7.14%(w)NaOH水溶液(质量分数为20%)+0.1%(w)CMC-HV+水。性能评价表明, 该润滑剂具有优越的润滑性能, 用量在0.5%(w)时, 钻井液润滑系数降低率≥80%, 且不影响钻井液的流变性和密度。经170 ℃高温老化, 在15%(w)盐水钻井液中, 钻井液润滑系数低于0.10, 表明该润滑剂具有良好的耐温抗盐性能。
关键词：植物油酰胺    乳液    钻井液润滑剂    润滑系数    
Preparation and evaluation of an emulsion-type drilling lubricant
Zhang Wen , Du Yuxi , Kong Fanbo     
College of Chemistry and Chemical Engineering, Southwest Petroleum University, Chengdu 610500, China
Abstract: Polyamine, cottonseed oil and low carbonate are taken as raw material to synthesize the vegetable oil amide.The optimum synthesis conditions are:the molar ratio of the polyamine, cottonseed oil and low carbonate is 1:4:1, the reaction temperature is 168 ℃, the reaction time is 2.5 hours; Using amide synthesis products as the main raw material, NaOH and oleic acid generated sodium oleate as emulsifier, using silicone paste, kerosene and CMC-HV as additive, O/W emulsion drilling fluid lubricant was prepared by the agent-in-oil method, and the optimal proportions are as follows:vegetable oil amide sample 8 wt% +oleic acid 10 wt%+kerosene 18 wt%+silicon cream 2.5 wt%+ NaOH 7.14 wt%(NaOH solution concentration is 20 wt%) + CMC-HV 0.1 wt%+water.The performance evaluation shows that the lubricant has superior lubricating properties and the decreasing rate of drilling fluid lubrication coefficient is not lower than 80% when the amount of lubricants is 0.5 wt%, and drilling fluid rheological behavior and density are not affected.The drilling fluid lubrication coefficient is lower than 0.10 after being high temperature aging at 170 ℃ and put in 15 wt% saline mud.The lubricant shows a good performance of temperature and salt resistance.
Key Words: vegetable oil amide    emulsion    drilling fluid lubricant    lubrication coefficient    

在石油钻探过程中, 钻柱与套管之间、钻具与井壁之间会产生摩擦, 长时间的摩擦会加速钻杆、钻具等器械的损耗, 不仅影响了钻井速度, 而且大大增加了钻井成本, 甚至造成井下复杂情况[1-2]。向钻井液中加入适当的润滑剂, 可有效地降低钻井过程中的摩擦阻力, 减少能耗及钻具的磨损, 提高钻井效率。

目前, 国内外对油溶性润滑剂的研究比较深入, 但存在环境安全问题。油基钻井液存在难以反复使用等问题[3-4]; 水基润滑剂因环保性好等优点受到人们的重视[5-10], 但存在着需要随时补充, 用量大, 成本较高等问题; 乳液润滑剂是近几年来发展起来的一种润滑剂[11], 因其润滑性好、环保性也好而受到重视。本实验选用植物油[12]、多胺和低碳酸作原料合成出植物油酰胺, 以植物油酰胺做原料制备乳液型钻井液润滑剂, 并对其性能进行了评价。

1 实验部分
1.1 主要试剂和仪器

无水碳酸钠、氢氧化钠均为分析纯; 棉籽油、煤油为市售; 膨润土, 工业级。

EP-2型极限压力润滑仪, ZNS-2型中压泥浆失水量测定仪, GJD-B12K型高速变频无极调速搅拌器, DJ1C型增力电动搅拌器, FA1004型电子天平, ZDHW型调温电热套, ZNN-D6型六速旋转黏度计, FA-25型高剪切乳化机, DT-102A型全自动界面张力仪, WQF-520型傅里叶红外光谱仪。

1.2 植物油酰胺的合成
1.2.1 合成机理

(1) 酯的胺解。以植物油为基础原料, 与多胺在一定温度下加热, 利用含活性元素N的多胺对其进行改性(活性元素N与金属形成化学膜), 使多胺与脂肪酸甘油三酯发生化学反应, 主要的化学反应见式(Ⅰ)。

(Ⅰ)

(2) 酰胺的生成。其主要反应见式(Ⅱ)。

(Ⅱ)

式中:R代表R1、R2、R3, R′代表C1~C4的低碳酸。

合成的目标产物具有良好的表面活性, 而活性元素N能在金属钻杆表面形成膜, 从而降低钻具与井壁的摩擦, 是制备钻井液润滑剂的优良原料。

1.2.2 植物油酰胺的合成

在装有温度计、搅拌器和冷凝管的三口烧瓶中, 按一定比例加入多胺和棉籽油, 搅拌并加热, 当反应温度达到155 ℃时, 向三口烧瓶中缓慢加入低碳酸, 控制反应温度为155~175 ℃, 时间1.5~3 h。得到棕色软蜡状的植物油酰胺产物。正交试验设计及结果见表 1和表 2。

表 1    正交试验设计及结果 Table 1    Orthogonal experimental design and results

表 2    实验结果分析 Table 2    Analysis of experimental results

由表 2可知, 以泡沫体积为指标的平均值和极差的分析结果显示, 影响植物油酰胺合成的各因素主次关系的顺序为A>B>C; 以摩阻系数为指标的平均值和极差的分析结果显示影响植物油酰胺合成的各因素主次关系的顺序为A>C>B。因此, 合成反应的物料比是主要的影响因素。从平均值和极差进行统计分析, 得出最佳物料物质的量比为多胺:植物油:低碳酸=1:4:1, 温度和时间对合成植物油酰胺的影响不大, 本实验选择最佳合成温度为(168±2) ℃, 最佳合成时间为2.5 h。

1.3 乳液型钻井液润滑剂的制备

本实验以植物油酰胺为主要原料, NaOH中和部分油酸生成的油酸钠做乳化剂, 硅膏、煤油和CMC-HV做添加剂, 将乳化剂加入植物油酰胺煤油溶液中, 并加入水, 在10 000 r/min下高速剪切5 min, 制得水包油型乳状液。该方法制备的乳状液所得的油珠颗粒较细且较均匀, 使得乳液微粒不容易聚集, 增加了乳液的稳定性, 有利于乳液长时间保存。实验制备乳状液润滑剂的配方为:10%(w)油酸+8%(w)合成酰胺样品+18%(w)煤油+2.5%(w)硅膏+7.14%(w)NaOH水溶液(质量分数为20%)+0.1%(w)CMC-HV+水。

2 结果及讨论
2.1 植物油酰胺的表征

将室内合成产物提纯后, 进行红外光谱扫描分析, 图谱如图 1所示。

图 1     植物油酰胺样品的红外光谱图 Figure 1     IR spectra of vegetable oil amide samples

由图 1可知, 1 657.34 cm-1为C=O酰胺Ⅰ带吸收峰, 722.97 cm-1为(CH2)n骨架振动吸收峰, 1 163.76 cm-1为饱和脂肪族中酯的C-O伸缩振动吸收峰, 2 848.82 cm-1为-CH3与-CH2-的对称伸缩振动吸收峰, 2921.69 cm-1为-CH3与-CH2-的反对称伸缩振动吸收峰, 3 008.69 cm-1为C-H伸缩振动吸收峰。产物中存在酰胺Ⅰ带吸收峰, 说明产物含有酰胺基, 合成产物为植物油酰胺。

2.2 钻井液润滑剂对钻井液性能的影响

量取1 L水置于烧杯中, 加入50 g钠膨润土和2 g无水碳酸钠, 高速搅拌20 min后, 在常温下密闭养护24 h, 得到钻井液, 以下钻井液均为此配方。

量取300 mL钻井液, 加入不同量的钻井液润滑剂, 参照Q/SY 1088-2012《钻井液用润滑剂技术规范》测试润滑剂在钻井液中的性能, 实验结果见表 3。

表 3    润滑剂对钻井液性能的影响 Table 3    Effect of lubricant on properties of drilling fluids

表 3中ρ为钻井液密度, Δρ为密度变化值, AV为钻井液的表观黏度, ΔAV为表观黏度升高值, μ为钻井液的润滑系数; μ′为润滑系数降低率。

由表 3可知, 该润滑剂质量分数为0.5%时, 能大大改善钻井液的润滑性能(μ′≥80.0%), 且对钻井液的密度影响小(Δρ≤0.08 g/cm3), 对表观黏度升高值的影响也十分微小(ΔAV≤5 mPa·s), 能满足Q/SY 1088-2012对钻井液用润滑剂的技术要求。较低浓度的植物油酰胺水溶液具有很低的表面张力, 是一种良好的表面活性剂。含此类物质的润滑剂可以在相互摩擦界面上形成一层吸附膜, 从而改变界面之间的能量。如果在钢铁表面上吸附一层非极性物质, 此时钢铁表面由原来的高能表面变成了低能表面, 就不容易被泥饼黏附。在钻井液中加入该润滑剂, 极性基团将吸附在钻具表面上, 非极性基朝外, 形成一个亲油的表面, 此时钻具表面可形成很厚的油膜, 同样在井壁的泥饼表面上也会形成这样的一层膜, 这样就可大大减小钻具与井壁的摩擦力, 提高钻井液的润滑性能。

2.3 钻井液润滑剂的耐温性能评价

取5份300 mL的钻井液, 加入0.5%(w)钻井液润滑剂, 分别在140 ℃、150 ℃、160 ℃和170 ℃温度下滚动16 h, 测试钻井液性能, 结果见表 4。

表 4    润滑剂耐温性实验 Table 4    Temperature resistance experiment of lubricant

由表 4可知, 该钻井液润滑剂在经过高温老化后, 钻井液的流变性有所变差, 密度随着温度的升高也有所减小, 但变化不大。170 ℃时, 钻井液润滑系数降低率保持在80%以上, 充分显示了该润滑剂良好的抗高温性能。原因是植物油酰胺的碳碳键、酰胺基热稳定性较好, 经高温老化后润滑剂结构并没有发生热分解, 依然保持良好的润滑性能。

2.4 钻井液润滑剂的抗盐性能评价

取5组300 mL的钻井液, 加入45 g NaCl(质量分数为15%)、3 g CaSO4, 高速搅拌10 min, 分别加入0.5%(w)、1%(w)、1.5%(w)和2%(w)的钻井液润滑剂, 测试钻井液性能, 结果见表 5。

表 5    润滑剂抗盐性实验 Table 5    Salt resistance experiment of lubricant

由表 5可知, 在15%(w)盐水钻井液中加入润滑剂后, 钻井液流变性降低。可见, 钻井液润滑剂在盐水基浆中对流变性能有一定的改善。随着润滑剂加量的增加, 钻井液的密度小幅减小。表 5表明, 该润滑剂具有良好的抗盐能力。其原因可能是盐水在一定程度上抑制了润滑剂在钻井液中的分散, 促进润滑剂在金属表面的吸附成膜, 表现出良好的润滑性能, 因而具有较强的抗盐性。

3 结论

(1) 以多胺、植物油和低碳酸为主要原料合成植物油酰胺, 其最佳反应条件为:n(多胺):n(植物油):n(低碳酸)=1:4:1, 反应温度为166~168 ℃, 反应时间为2.5 h。

(2) 以合成产物植物油酰胺做主要原料制成乳液型钻井液润滑剂, 其配方为:8%(w)植物油酰胺+10%(w)油酸+18%(w)煤油+2.5%(w)硅膏+7.14%(w)NaOH水溶液(质量分数为20%)+0.1%(w)CMC-HV+水。

(3) 室内评价表明, 润滑剂加量为0.5%(w)时, 淡水钻井液润滑系数降低率达到87.9%。经170 ℃高温老化后, 在15%(w)盐水钻井液中, 钻井液润滑系数降低率在80.0%以上, 且对钻井液其他性能没有不良影响。说明该乳液润滑剂具有良好的润滑性及耐温抗盐性能。

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