钻井液润滑剂RH-B的制备与性能评价.pdf

2 0 1 4年 1月 第 2 9卷第 1 期 西安石油大学学报自然科学版 J o u rna l o f X i a n S h i y o u U n i v e r s i t y N a t u r a l S c i e n c e E d i t i o n J a n ．2 01 4 V o l _ 2 9 No ． 1 文章编号 1 6 7 3 - 0 6 4 X 2 0 1 4 0 1 - 0 0 8 9 - 0 5 钻井液润滑剂 R H． B的制备与性能评价 刘娜娜 ， 王 菲 ， 张 宇 ， 孙霄伟 ， 张群正 1 ．西安石油大学 化学化工学院， 陕西 西安 7 1 0 0 6 5 ； 2 ． 延安石油化工厂， 陕西 延安 7 2 7 4 0 6 ； 3 ． 川庆钻探工程有限公司钻采工程技术研究院长庆分院 钻井液所 ， 陕西 西安 7 1 0 0 1 8 摘要 利用地沟油、 二 乙二醇进行酯交换反应 生成直链的酯类产物， 利用单质硫将直链 酯类产物部 分转变为网状酯类， 用石墨进行复配得到钻井液润滑剂 R H． B 。对润滑剂 R H． B的润滑性能进行 了 评价。结果表明， 当润滑剂R H B质量分数为1 ％时， 可显著提高淡水钻井液的润滑性能， 其润滑系 数 降低 率达到 8 6 ． 1 9 ％ ； 质量分数为 2 ％时可显著提 高海水钻 井液的润滑性能 ， 其润滑 系数 降低率 达到 6 3 ． 4 ％； 对钻井液的表观黏度和滤失量影响较小； 无毒无污染， 荧光级别较低。 关键词 钻井液润滑剂； 地沟油； 化学改性； 润滑性能评价 中图分类号 T E 2 5 4 文献标识码 A ． 钻井液润滑剂是 一种重要 的钻井液添加剂 ， 其 作用是改善钻井液润滑性能， 减小钻具、 套管与井壁 之 间的摩擦。 目前 ， 石油及天然气的勘测 ， 主要通过 荧光对地层进行分析 。传统的钻井液润滑剂大多含 有矿物油组分， 有较高的荧光级别， 对地质数据的分 析和评价影响较大。另外 ， 随着对环境保 护的 日益 重视， 传统的矿物油基润滑剂造成的环境污染问题 越来越受到人们的关注。 地沟油的主要组分为植 物油 ， 具有较低的荧 光 级别， 良好的润滑性能， 无毒， 可生物降解， 可再生， 对环境友好 ， 具有良好的发展前景_ 1 J 。然而， 未改 性的地沟油在碱性环境 中易皂 化， 生成阴离子型硬 脂酸盐表面活性剂 ； 易氧化 ， 使润滑剂的润滑性能大 大降低 。地沟油的不 良性能可通过化学和物理 等方法进行改性。近几年， 国内在钻井液润滑剂方 面开展了一系列卓有成效的研究工作， 其中一些研 究已取得 了良好的现场应用效果 ， 为钻井液润滑剂 技术的进步奠定了基础。郝宗香等 利用改性植 物油和多羟基胺反应研 制出 了低荧 光水基润 滑剂 R Y一 8 3 8 ， 其荧光级别较低 ， 稳定性 较好 ， 在质量 分 数为 0 ． 5 ％时有 良好 的润滑效果。吕开河等 利用 植物油、 脂肪醇、 液体石蜡和表面活性剂为原料制备 了防塌润滑剂 F Y J H一2 ， 具有很强的抑制作用 ， 可显 著降低钻井液的摩擦系数， 且无毒、 易生物降解， 满 足环境要求。王万杰等 利用植物油、 石墨、 蛇纹 石等合成的钻井液用植物油润滑剂， 在植物油高温 氧化后仍具有 良好的抗磨减摩性能。冯军勇等_ 6 用长链有机酸型油性剂和合成酯性油性剂、 乳化剂 制成的复配物， 可用于高密度钻井液。本文以精制 后的地沟油为原料与二乙二醇反应生成单链的酯 ， 再与硫磺进行硫化反应 引入活性元素硫 ， 以油溶性 树脂和石墨进行复配， 制备出既抗高温又抗高压的 环保型钻井液润滑剂产品。 1 实验部分 1 ． 1 主要试剂和仪器 主要原料 地沟油 、 二乙二醇 、 升华硫 、 油溶性树 收稿 日期 2 0 1 3 - 0 6 - 2 5 基金项目陕西省“ 1 3 1 1 5 ” 科技创新工程重大科技专项 编号 N o ． 2 0 1 0 Z D K G一4 6 ； 陕西省西安市科学技术局研究项目 编号 C X1 2 1 8 4 5 作者简介刘娜娜 1 9 8 8 - ， 女， 硕士， 主要从事油田化学品的合成及应用研究。E - m a i l q z z h a n g x s y u ． e d u ． e n 一 9 O 一 西安石油大学学报 自然科学版 脂 、 石墨粉 、 乙醇胺 、 钠膨润土。 主要仪器 P a r t N o 1 1 1 0 01 型极压润滑仪、 Z N N D 6型六速旋转 黏度计 、 Z N S一2型常温 中压 降滤失仪、 G W3 0 0型滚子加热炉。 1 ． 2 钻井液润滑剂 R H- B的制备 1 ． 2 ． 1 地沟油的精制工艺地沟油成分复杂 ， 杂质 较多， 在使用前需要对其进行处理。处理工艺流程 为 粗制地沟油一真空抽滤一 水洗一 脱色一静置分 层一真空干燥一精制地沟油 。 1 ． 2 ． 2 主要化学反应方程式 1 酯交换反应植物油与二乙二醇进行单纯 的酯交换反应， 可以降低植物油的黏度， 提高产品的 低温性能 。通过酯交换使 支链酯类变 为直链 的 酯 ， 其反应方程式如下 f - 。 1 一一 。 H 。 。 C． 一 o n0 j ” l 1 1 0 ～ 1 3 0 ℃ i『 i 『 I H{ 一 。 { R 一 一 。 邓 一 一 。 一 8 一 ⋯{ 一 o “ I ⅣO J H 2 H 2 一o H 分子式中 R R ， R ， R 。R ， R ， R ， 都是脂肪 饱和键的消除反应 驯， 反应温度一般在 1 4 0 1 6 0 酸上的烃基， 其碳原子数可以不同， 但脂肪酸总碳原 ℃时， 硫开始与生物油双键反应。但 当温度高于 子数均为偶碳数， 例如 C 、 C C 、 C 、 C 2 o 等。 2 0 0℃， 氢会被硫取代， 释放出硫化氢， 因此反应温 2 轻度硫化 反应 元 素 S与上述产物 R 不 度不宜过高H 。其反应方程式如下 以油酸上的不 饱和烃基 中的双键加成生成硫化生物油产品是不 饱和烃基为例 O ．． O ⋯⋯⋯一～⋯』 ll c H 3 cH2 7 cH cH cH2 7 co cH2 2 o cH2 7 CH- CH CH2 7 CH3 S 1 ． 2 ． 3 润滑剂 R H． B的制备 1 量取一定 量 的精 制地 沟油倒人 三 口烧 瓶 中 ， 加入适量的二 乙二醇和乙醇胺 ， 边搅拌边加热 ， 温度控制在 1 3 0℃ ， 反应时间为 2 h ， 生成淡黄色液 体； 加入 6 ％的硫磺， 调整反应温度至 1 5 0 oC， 继续 进行反应， 反应时问为5 h ， 生成深黄色黏稠状液体。 2 加人 1 5 ％ 的油溶性树脂 和 5 ％ 的石 墨粉， 在8 0 clC 混合复配、 搅拌均匀， 深黄色黏稠状液体变 黑 ， 即制得钻井液润滑剂 R H． B 。 1 ． 3润滑剂 R H B的性能测试 1 ． 3 ． 1 钻井液基浆的配制选用 2种钻井液体系 作为基浆 ， 测试加入润滑剂产 品后钻井液的各项性 能， 2 种钻井液体系分别为淡水基浆和海水基浆。 1 淡水基浆的配制 在 4 0 0 m L蒸馏水中加 入2 0 ． 0 g 钠基膨润土， 0 ． 8 g 纯碱 ， 在高速搅拌器上 搅拌 2 0 ra in ， 室温下密闭养护 2 4 h ， 即为淡水基浆。 2 海水基浆的配制在 3 0 0 m L蒸馏水中加 入 0 ． 4 g C a C 1 2 ， 2 ． 4 g Mg C 1 2 和 9 ． 4 g N a C 1 配制成模 1 4 0～ 1 6 0 ℃ 拟海水 ⋯J ， 静置 2 4 h ； 在 1 0 0 mL蒸馏水 中加入 2 8 g 膨润土、 1 ． 5 g 纯碱， 高速搅拌 2 0 ra in后静置 2 4 h ， 再与所配置的模拟海水混合 ， 高速搅拌 3 0 ra i n ， 室温 下密闭养护 2 4 h ， 即为海水基浆。 1 ． 3 ． 2 性能的评价参考 S Y ／ T 5 6 2 11 9 9 3钻井 液测试程序 、 S Y ／ T 6 0 9 4 9 4钻井液用润滑剂评价程 序、 Q ／ S Y 1 0 8 8 2 0 0 7钻井液用液体润滑剂技术要 求所规定的方法进行。 2 结果与讨论 2 ． 1 不同产物的润滑性能对比 为了证明所采用的合成工艺路线的合理性及所 合成产物 R H． B钻井液润滑剂性能 ， 实验对不 同阶 段产物的润滑性能进行 了对 比， 包括不 同产物的润 滑系数降低率、 起泡率、 抗温性能以及荧光级别等， 不同产物 的质量 分 数均 为 2 ． 0 ％ ， 钻井 液 密 度 为 1 ． 0 5 g ／ c m ， 结果见表 1 。 一 ～ 。 一 一． ㈣ 一 一 o 一 一 刘娜娜等 钻井液润滑剂 R H B的制备与性能评价 一9 1一 表 1 不同产物的润滑性能对比 Ta b． 1 Co m p a r i s on o f l u br i c a tio n pe r f o r m a n c e o f d i ffe r e n t pr o d uc 从表 1可 以看 出， 不 同产物的润滑性能有较大 差别， 精致地沟油在依次经过酯化、 硫化、 加油溶性 树脂和石墨混合物后润滑性能得到很大提高， 其中 润滑系数降低率从 5 2 ． 3 6 ％增加到 9 1 ． 2 8 ％， 抗温性 能也有较大改善， 起泡率和荧光级别降低， 最终产物 不影 响地质荧光录井。因此 ， 润 滑剂 R H． B最终配 方为 酯化产物经硫化后与油溶性树脂和石墨复配 。 2 ． 2 润滑剂加量对淡水钻井液性能的影响 为 了评价润滑剂加量对钻井液性能的影响， 在 密度为 1 ． 0 5 g ／ c m 的钻井液 中加入不 同量 的润滑 剂进行测试。其加量对钻井液性能的影响如表 2 所示 表2 润滑剂加量对钻井液润滑- 陛能的影响 Tab ． 2 Effe c t o f l u br i ca nt do s a g e o n t h e l u b r i c a t i o n p e r f or ma n c e o f t h e dr i l l i n g fl u i d 从表 2 可以看出， 随着润滑剂加量的增多， 摩擦 系数逐渐减小， 润滑系数降低率逐渐增加， 钻井液的 润滑效果越来越好 ， 钻井液的表观黏度逐渐增大， 滤 失量逐渐减少。当质量分数超 过 2 ％时 ， 其润滑系 数降低率有减小的趋势， 说明润滑剂加量过多不利 于其发挥润滑性能。在实际应用中为考虑各项因 素， 提高钻井效率， 节约成本， 最适宜的润滑剂质量 分数为 2 ％。 2 ． 3润滑剂抗温能力测试 在密度为 1 ． 0 5 c m 的淡水钻井液基浆 中加 入 1 ％ 的润滑剂 R H B， 分别在 1 2 0℃ 、 1 4 0℃ 、 1 6 0 c I 二 、 1 8 0 c C、 2 0 0℃下热滚 1 6 h后测定其润滑性能的 变化 。实验结果如表 3所示。 表3 不同热滚温度对钻井液润滑性能的影响 Ta b． 3 Effe c t of ho t r o l l i n g t e mpe r a t u r e o n th e l u br i c ati o n pe r f o r ma nc e of th e d r i l l i n g flu i d 由表 3 可知， 润滑剂 R H ． B在高温热滚后其润 滑系数降低率略有下降， 但仍然保持着较高的润滑 能力， 在 2 0 0 o c 时润滑系数降低率为 7 5 ． 4 9 ％， 可满 足现场钻井 的要求 ， 即 R H． B润滑剂具有较高 的抗 温性能 。 2 ． 4 润滑剂在不 同密度淡水钻井液中的润滑性能 在不同密度 的钻井液 中分 别加入 1 ％润 滑剂 R H B ， 用极压润滑仪测定其润滑系数， 用黏度计测 定其表观黏度 、 塑性黏度和动切力 ， 用常温中压滤失 仪测定其滤失量。结果如表 4所示。 一 9 2 一 西安石油大学学报 自然科学版 表 4 润滑剂在不同密度钻井液中的润滑性能 Ta b ． 4 Lu br i c at i o n p e r f o r ma nc e o f dril l i n g flui d o f d i ffe r e n t de n s i t y 由表 4可知 ， 不 同钻井液 的密度对 R H ． B润滑 性能的影响十分明显 ， 润滑剂的润 滑性能随着钻井 液的密度升高而降低， 当钻井液密度达到 1 ． 8 g c m 时， 需要加入更多的润滑剂才能提高钻井液的 润滑性能 ， 因此 ， 在实际应用 中， 当钻井液密度增加 到一定程度时 ， 要适当增加润滑剂用量。 2 ． 5 润滑剂在海水钻井液 中的配伍性 在海水钻井液中加入不同量的润滑剂 R H B ， 测定润滑剂对海水钻井液的润滑性能 、 流变性能和 滤失量的影响 ， 结果如表 5所示 。 表 5 润滑剂 R H- B在海水钻井液中的润滑性能 Ta b ． 5 Lu brica t i o n pe r f o rm a nc e o f s e a wa t e r d ril l i ng flu i d o fl u b rica n t RH B 润滑剂质 润滑系数 A V ／P V ／ Y P ／ 儿 A n 厂 量分数／ ％ 降低率 ／ ％ m P a S m P a S P a m L 0 一 O ． 5 3 7 ． 5 1 ． 0 43 ． 5 1 ． 5 5 6 ． 5 2 ． 0 63 ． 4 2 ． 5 6 5 ． 7 2 3． 5 1 8 1 9． 5 l 3 2 1 ． 0 l 5 2 1 ． 5 1 6 2 2． 0 1 5 2 5． 5 l 7 5． 5 2 5． 5 6． 5 2 7． 0 6． 0 2 5． 5 5． 5 2 3． 0 7． 0 21 ． 5 8． 5 1 9． 0 由表 5可知， 随着润滑剂加量不断增大 ， 海水钻 井液的润滑性能得到了明显改善， 润滑系数降低率 逐渐升高， 当质量分数为 2 ． 5 ％时， 其润滑系数降低 率达到6 5 ． 7 ％； 润滑剂 R H B不仅可以提高海水钻 井液的润滑性能， 还可以起到降滤失作用。 2 ． 6 润滑剂对钻井液起泡性能的影响 在淡水钻井 液基浆 中加 入一定量 0 ． 5 ％、 1 ． 0 ％ 、 1 ． 5 ％、 2 ． 0 ％ 的钻井 液润滑剂 R H B， 高速 搅拌 3 0 m i n 。观察是否有泡沫产生 ， 用量筒测量高 速搅拌前后钻井液的体积。结果如表 6所示 。 由表6可知， R H B润滑剂加入后， 钻井液体积 略有增加 ， 但起泡率不大 ， 对钻井液的起泡性几乎没 有影响。 表6 加入 R H- B润滑剂前后钻井液体积的变化 Ta b ． 6 Ch a n g e o f dr i l l i n g flui d v o l u me a fte r RH B l u bric a nt b e i n g a d d e d 2 ． 7 润滑剂荧光级别测定 在洁净烘干的 1 0 0 m L烧杯 中加入 2 0 m L氯仿 ， 加入 1 ． 0 g需测定荧 光级别 的试样 ， 摇匀 、 放置 、 澄 清， 倒出一部分澄清液于干净试管中， 在紫外光仪下 观看荧光与相关标准系列 根据长 2井原油配制 的 标准系列 进行对比。结果如表 7所示。 表 7 润滑剂荧光级别的测定 Ta b ． 7 Fl u o r e s c e nc e l e v e l d e t e r mi n a t i on o f l u b r i ca n t RH- B 润滑剂 R H B的荧光级别为 2～3级 ， 不会对地 质录井的评价和分析造成影响。 2 ． 8 润滑 毒性评价 实验选用米糠虾对 R H． B润滑剂的毒性进行测 定 。结果见表 8 。 表8 R H- B润滑剂毒性评价 Ta b． 8 To x i c i t y e v a l u a tio n o f l u brica n t RH - B 由表 8可知， 该润滑剂对水中的生物生长无不 良影响， 可在环境敏感地区如海洋钻井中使用。 刘娜娜等 钻井液润滑剂 R H B的制备与性能评价 一9 3～ 3 结 论 1 通 过酯 交换将 支链 酯变为 更稳 定 的直链 酯， 通过轻度硫化使部分直链酯线型结构变为网状 型 ， 使产物 的润滑效果更好 。 2 R H B润滑剂质量分数 为 1 ． 0 ％时 ， 淡水钻 井液 密度为 1 ． 0 5 g c m。 润滑系数降低率达到 8 6 ． 1 9 ％ ， 高密度钻井液 密度为 1 ． 8 g c m 润滑 系数降低率达到 5 6 ． 1 ％； 润滑剂 R H B质量分数为 2 ． 0 ％ 时， 淡水 钻井 液 润滑 系数降低 率可 达 到 9 1 ． 2 8 ％， 海 水 钻 井液 润 滑 系 数 降低 率 可 达 到 6 3． 4％ 。 3 加有润滑剂 R H ． B的钻井液在高温热滚后 仍保持着较高的润滑性能 ， 可抗 2 0 0 o C高温 。 4 润滑剂的荧光级别为 2 3级 ， 不影响地质 荧光录井 ； 润滑剂对钻井液的起泡性影响不大 ， 且具 有一定 的降滤失作用。 5 润滑剂 R H ． B 无毒， 不会对海洋生物的生存 造成影响， 可在海洋钻井中使用。 参 考 文 献 [ 1 ] 霍胜军， 郑力会． 钻井液用润滑剂 E T 2 4的研制与应用 [ J ] ． 钻井液与完井液， 2 0 0 8 ， 2 5 1 2 4 2 6 ， 8 7 ． H U O S h e n g - j u n ， Z H E N G L i h u i ． T h e d e v e l o p me n t a n d a p p l i c a t i o n o f d r i l l i n g fl u i d l u b ri c a n t E T 2 4[ J ] ． D ri l l i n g F l u i d＆ C o mp l e t i o n F l u i d ， 2 0 0 8 ， 2 5 1 2 4 2 6， 8 7 ． [ 2 ] 黄文轩． 润滑剂添加剂应用指南[ M] ． 北京中国石油 化工 出版社 ， 2 0 0 3 2 7 0 2 7 2 ． [ 3 ] 郝宗香， 王泽霖 ， 何琳， 等． 低荧光水基润滑剂 R Y一 8 3 8 的研制与应用[ J ] ． 钻井液与完井液， 2 0 1 2 ， 2 9 4 2 4 2 6． 8 9 ． HAO Z o n g x i a n g， W AN G Z e ． 1 i n， HE L i n， e t a1．R s e a r c h a n d a p p l i c a t i o n o 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i t y a n d We a r o f S h a l e E ff e c t s o f D r i l l i n g F l u i d s a n d Me c h a n i c a l P a r a m e t e r s[ c] ．S P E ／ I ADC 2 5 7 3 0， 1 9 9 3 ． 责任编辑 董瑾