一種兩性離子型潤滑劑及含有該潤滑劑的水基鉆井液的制作方法
【技術領域】
[0001] 本發明涉及一種兩性離子型潤滑劑，本發明還涉及一種含有兩性離子型潤滑劑的 水基鉆井液，屬于石油鉆井技術領域。
【背景技術】
[0002] 傳統水基鉆井液體系的潤滑劑以原油、柴油、機油等礦物油為主。其中，原油在高 溫高壓等極限條件下能夠在鉆具和巖壁的受力面形成穩定的油膜。由于原油中大量的高粘 度膠質存在，油膜在高溫極壓的苛刻環境下仍能夠保持潤滑性能，成為鉆井作業面對高難 度井的井下復雜情況，提尚潤滑效果最為有效的選擇。
[0003] 而面對日益嚴格的環保要求，使用原油潤滑技術已經受到越來越嚴格的限制。為 了保護生態環境，符合環保法規的要求，國內外一直在尋找能夠替代原油的環保型潤滑劑。
[0004] 美國專利US4181617早在1980年就開發了以菜籽油為基礎油的水基鉆井液潤滑 劑。至今大部分油田服務企業仍在一些結構較簡單的井中使用該類型產品。由于使用的植 物油屬于食用油脂，存在著與民爭食的問題，同時成本較高。
[0005][0006][0007] 為了改善油脂分散問題，公開號為CN102952528A中國發明專利申請，公開了一種 可降解的鉆井液潤滑劑，在80~90%的生物柴油中加入5~10%的乳化劑和一定量的水進行 乳化，依靠表面活性劑把油脂分散在鉆井液中，目前國內大部分油性潤滑劑均屬于這種類 型。公開號為CN103756651A的中國發明專利申請，采用特種非離子表面活性劑分散油相， 該表面活性劑可將油相分散為納米尺寸的乳滴，改善了該類型潤滑劑的存放問題。公開號 為CN103756651A的中國發明專利申請，將粘滯系數較高的石蠟分散為納米乳滴，改善了油 性材料在鉆井液、鉆具表面和井壁的分散問題。由于油性材料被分散成納米顆粒，因而在鉆 具和井壁表面分散更均勻，潤滑性與粗分散的大尺寸油性乳滴相比得到了顯著提高。然而 潤滑劑油相形成的乳滴在鉆井過程中相當于具有彈性的顆粒，會對鉆井液的流變性造成不 良影響，同時在摩擦層面的分布狀態受乳滴分散程度的影響較大，不容易在受力面形成均 勻的潤滑層，從而導致其在大斜度井、超深井等復雜結構井中使用效果不明顯。
[0008] 上述環保型潤滑劑在面對水平井、大位移井等復雜結構井時仍不能有效解決或降 低井下復雜情況。兼具環保，集潤滑、抑制、配伍等多功能為一體的潤滑劑開發較少，尤其是 在高難度復雜工況下能夠具有關鍵潤滑性能的潤滑劑仍處于空白狀態。
【發明內容】
[0009] 本發明的首要目的在于，克服現有技術中存在的問題，提供一種兩性離子型潤滑 劑，可吸附于鉆具和井壁表面，潤滑效果好，抗高溫高壓能力強，可極大降低發生井下事故 的幾率。
[0010] 為解決以上技術問題，本發明的一種兩性離子型潤滑劑，其原料組分及重量含量 如下，合成油：100份、脂肪酸銨：（3~5)份、烷基咪唑啉：（3~8)份、咪唑啉季銨鹽：（2~ 5)份和蓖麻油磺酸鈉：（3~6)份；所述合成油為C18~C22直鏈烷烴中的任意一種或為 任意兩種的混合物。
[0011] 相對于現有技術，本發明取得了以下有益效果：①合成油構成吸附于鉆具和井壁 表面的油膜主體；脂肪酸銨起到把水分散的咪唑啉季銨鹽和蓖麻油磺酸鈉均勻分散至油相 的作用，隨著潤滑劑加入水基鉆井液中，分散功能弱化，吸附功能體現，可將潤滑劑吸附于 金屬鉆具和井壁表面，當脂肪酸銨在潤滑劑中的含量超過5%時，對鉆井液流變性會造成不 良影響。②烷基味唑琳可以提尚金屬表面的油I旲強度；昆麻油橫酸納可以提尚潤滑劑抗極 限壓力的能力，且價格便宜，使潤滑劑具有高性能和低成本的優點。③該兩性離子型潤滑劑 無毒無害，能夠在高溫下提供足夠潤滑以降低摩擦阻力，在水基鉆井液中加入3~5%本發明 的潤滑劑，可使水基鉆井液的抗溫能力從120°C提高至180°C，在180°C下仍可保持潤滑效 果，而普通乳滴型潤滑劑只能耐溫120°C，在180°C下會失效。④本發明兩性離子型潤滑劑 的極壓潤滑降低率明顯優于傳統潤滑劑，對泥巖的抑制性遠高于傳統潤滑劑，且對鉆井液 流變性能的影響明顯小于傳統潤滑劑。⑤本發明的兩性離子型潤滑劑可有效降低鉆具在鉆 井時遇到的扭矩和阻力，在鉆具表面形成高強度保護油膜，不但能夠幫助鉆具對抗極端的 溫度、壓力和重量，還可以預防異物的侵蝕和水、沙及其他硬物帶來的傷害。⑥本發明的潤 滑劑能夠在井壁形成穩定油膜，與鉆井液中的CoaterlO協同作用可阻止井壁水化膨脹，與 鉆井液中的降失水劑Dristemp協同作用可抗地層滲漏。
[0012] 作為本發明的優選方案，所述脂肪酸銨的制備方法如下：首先將植物油脂肪酸和 胺類以（2~4) :1的重量比加入反應釜中，在攪拌狀態下，將反應釜中的物料加熱至50~ 60°C，反應至顏色透明出料即得所述脂肪酸銨。①脂肪酸羧基與胺類的胺基反應生成端基 帶有羥基的脂肪酸銨皂化物，該皂化物屬于油包水乳化劑范圍，在潤滑劑油相環境下能夠 有效分散蓖麻油磺酸鈉的親水組分，形成穩定分散體系；②當潤滑劑分散到水基鉆井液水 相時，該皂化物因具有陽離子特性，可在金屬鉆具表面穩定吸附，作為吸附油膜的基底層； ③形成的脂肪酸銨皂在鉆井液的堿性環境下性能穩定，當鉆井完畢后需清除井壁的泥餅 時，改變井壁周圍PH值至酸性，油膜可輕松脫除，使泥餅清除變得更簡單，為后續的完井工 作提供方便。
[0013] 作為本發明的優選方案，所述植物油脂肪酸衍生自蓖麻油、油菜籽油、棕櫚油和花 生油中的任意一種或者為任意幾種的組合；所述胺類為二乙烯三胺或三乙烯四胺。二乙烯 三胺或三乙烯四胺的分子鏈長決定了其與脂肪酸形成的皂化物的親水親油平衡值，使該皂 化物為油包水的乳化劑，不選擇該范圍的胺類無法使蓖麻油磺酸鈉在油相中穩定分散。
[0014] 作為本發明的優選方案，所述烷基咪唑啉的烷基鏈段為C18~C22的直鏈烷基中 的任意一種或者為任意幾種的組合。C18~C22直鏈烷基鏈段的烷基咪唑啉具有較好的粘 性指數，在較寬的井底溫度范圍均能夠起到良好的潤滑效果，烷基咪唑啉的親水鏈段主要 起吸附井壁和鉆具作用，其疏水鏈段與本發明采用合成油的碳鏈長度相當，可以形成穩定 的油月吳。
[0015] 作為本發明的優選方案，所述咪唑啉季銨鹽至少包含通式（a)和通式（b)中的一 種或兩種的混合物，混合物中各組分以任意重量比混合：
通式（a)或通式（b)中，Rl為C18~C22的直鏈烷基；私為Cl~C3的直鏈烷基；n為 1~3的整數。咪唑啉季銨鹽的Rl選擇C18~C22直鏈烷基，具有較好的粘性指數，在較 寬的井底溫度范圍均能夠起到良好的潤滑效果；咪唑啉季銨鹽為親水鏈段主要起吸附井壁 作用，C18~C22直鏈烷基為疏水鏈段與本發明合成油的碳鏈長度相當，可以形成穩定的油 膜；咪唑啉季銨鹽可插入粘土間層，形成牢固的吸附點。
[0016] 本發明的另一個目的在于，提供一種含有兩性離子型潤滑劑的水基鉆井液，能夠 降低鉆具的鉆進阻力，在井壁形成穩定油膜。
[0017] 為解決以上技術問題，本發明提供了一種含有兩性離子型潤滑劑的水基鉆井液， 所述水基鉆井液的原料組分及重量含量如下，清水：1〇〇份、膨潤土粉：（4~6)份、HE150 增粘劑：（〇? 3~0? 8份)、降失水劑Dristemp: (0? 5~1)份、包被劑Coater-IO: (0? 1~ 0. 2)份、純堿：（0. 1~0. 3)份和兩性離子型潤滑劑：（3~6)份。
[0018] 相對于現有技術，本發明取得了如下有益效果：①合成油構成吸附于鉆具和井壁 表面的油膜主體；脂肪酸銨起到把水分散的咪唑啉季銨鹽和蓖麻油磺酸鈉均勻分散至油相 的作用，隨著潤滑劑加入水基鉆井液中，分散功能弱化，吸附功能體現，可將潤滑劑吸附于 金屬鉆具和井壁表面，當脂肪酸銨在潤滑劑中的含量超過5%時，對鉆井液流變性會造成不 良影響；②烷基味唑琳可以提尚金屬表面的油I旲強度；昆麻油橫酸納可以提尚潤滑劑抗極 限壓力的能力，且價格便宜，使潤滑劑具有高性能和低成本的優點。③該兩性離子型潤滑劑 無毒無害，能夠在高溫下提供足夠潤滑以降低摩擦阻力，在水基鉆井液中加入3~5%本發明 的潤滑劑，可使水基鉆井液的抗溫能力從120°C提高至180°C，在180°C下仍可保持潤滑效 果，而普通乳滴型潤滑劑只能耐溫120°C，在180°C下會失效。④本發明兩性離子型潤滑劑 的極壓潤滑降低率明顯優于傳統潤滑劑，對泥巖的抑制性遠高于傳統潤滑劑，且對鉆井液 流變性能的影響明顯小于傳統潤滑劑。⑤本發明的兩性離子型潤滑劑可有效降低鉆具在鉆 井時遇到的扭矩和阻力，在鉆具表面形成高強度保護油膜，不但能夠幫助鉆具對抗極端的 溫度、壓力和重量，還可以預防異物的侵蝕和水、沙及其他硬物帶來的傷害。⑥本發明的兩 性離子型潤滑劑能夠在井壁形成穩定油膜，與鉆井液中的CoaterlO協同作用可阻止井壁 水化膨脹，與鉆井液中的降失水劑Dristemp協同作用可抗地層滲漏。
[0019] 作為本發明的優選方案，所述水基鉆井液的原料組分及重量含量如下，清水：100 份、膨潤土粉：4份、HE150增粘劑：0? 3份、降失水劑Dristemp:0? 5份、包被劑Coater-IO: 0. 1份、純堿：〇. 1份和兩性離子型潤滑劑：3份；所述兩性離子型潤滑劑的原料組分及重量 含量如下，合成油：1〇〇份、脂肪酸銨：3份、烷基咪唑啉：3份、咪唑啉季銨鹽：2份和蓖麻油 磺酸鈉：3份；所述合成油為C18的直鏈烷烴。
[0020] 作為本發明的優選方案，所述水基鉆井液的原料組分及重量含量如下，清水：100 份、膨潤土粉：5份、HE150增粘劑：0? 5份、降失水劑Dristemp:0? 8份、包被劑Coater-IO: 0. 15份、純堿：0. 2份和兩性離子型潤滑劑：4份；所述兩性離子型潤滑劑的原料組分及重 量含量如下，合成油：1〇〇份、脂肪酸銨：4份、烷基咪唑啉：5份、咪唑啉季銨鹽：4份和蓖麻 油磺酸鈉：5份；所述合成油為C20的直鏈烷烴。
[0021] 作為本發明的優選方案，所述水基鉆井液的原料組分及重量含量如下，清水：100 份、膨潤土粉：6份、HE150增粘劑：0? 8份、降失水劑Dristemp:1份、包被劑Coater-IO: 0. 2份、純堿：0. 3份和兩性離子型潤滑劑：6份；所述兩性離子型潤滑劑的原料組分及重量 含量如下，合成油：1〇〇份、脂肪酸銨：5份、烷基咪唑啉：8份、咪唑啉季銨鹽：5份和蓖麻油 磺酸鈉：6份