一种钻井用水基环保润滑剂及其制备方法与流程

本发明涉及钻井用润滑剂技术领域，具体涉及一种钻井用水基环保润滑剂及其制备方法。

背景技术：

润滑剂为钻井液的核心处理剂之一，可显著降低钻柱等钻具运行时的阻力及扭矩，可有效提高钻速，大大提升作业效率。钻井用润滑剂应具有环保无毒、低腐蚀、高润滑性等优点，而现有技术中的纯油基润滑剂对人体健康和环境具有较高生物毒性，且降解性能较差；纯水基润滑剂环保性好，但对钻井钻具的润滑效果通常达不到要求。

cn107653050a公开了一种低成本高性能水基润滑剂，由水和添加剂组成，其特征在于，所述的添加剂包括两种表面活性剂，一种为易溶于水的表面活性剂，另一种为难溶于水的表面活性剂。该润滑剂有效成分仅为表面活性剂，润滑效果有限，虽然成本较低但难以达到使用需求。

cn106635360a公开了一种高温环保型水基离子液体润滑剂的制备方法，润滑剂组成原料及质量百分比为1-乙基-3-甲基咪唑二甲基磷酸盐0.5％～1％；1,3-二甲基咪唑磷酸二甲酯盐0.1％～0.5％；防腐蚀剂1～2％；杀菌剂0.01～2％；再加入质量分数为90～95％的水制成水基溶液。该润滑剂所使用添加剂种类较多，存在成本高、能耗大、工艺复杂等问题，不利于工业化。

cn101805659a公开了一种油井防偏磨用水基润滑剂，各组分重量百分比为：聚氧乙烯丙三醇硼酸酯硬脂酸酯3.5～5.0％；脂肪酸咪唑啉硼酸酯3～5.5％；两性表面活性剂ss-z4.5～7.0％；氟碳表面活性剂fn-20.005～0.01％；维生素c0.1～0.25％；聚氧乙烯烷基苯酚醚磺酸钠盐11.5～14.5％；其余为水。该润滑剂有效成分含量较小含水量过大，难以达到良好的润滑性能。

因此，开发一种润滑性能优异，并且降解性能良好的水基环保润滑剂，对解决钻井作业中钻具磨损、钻井效率低下、污染环境等问题具有重要意义。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种钻井用水基环保润滑剂，使用特殊方法对植物油进行改性，与无机润滑剂石墨复配，并采用特殊表面活性剂组合显著降低体系表面张力，加入阳离子聚合物提高润滑成分与钻具之间的粘附力，各成分之间协同作用，使钻井用水基环保润滑剂具有优异的润滑性能及良好的生物降解性，荧光程度较低，满足多种钻井作业需求。

为实现上述目的，本发明采用下述技术方案：

一种钻井用水基环保润滑剂，其特征在于，所述润滑剂由如下重量百分比的原料制成：阳离子聚合物5-10wt%、改性植物油35-55wt%、表面活性剂5-20wt%、石墨0.5-1.5wt%、乳化剂4-8wt%、去离子水15-35%。

进一步地，所述润滑剂由如下重量百分比的原料制成：阳离子聚合物6-8wt%、改性植物油40-45wt%、表面活性剂12-18wt%、石墨0.5-1.5wt%、乳化剂4-8wt%、去离子水20-30%。

进一步地，所述润滑剂由如下重量百分比的原料制成：阳离子聚合物8wt%、改性植物油45wt%、表面活性剂15wt%、石墨1.5wt%、乳化剂5.5wt%、去离子水25%。

进一步地，所述表面活性剂包括含氟表面活性剂，以表面活性剂总质量计，含氟表面活性剂含量小于5%。

进一步地，所述表面活性剂为含氟表面活性剂和2,2,4-三甲基-1,3-戊二醇的组合，以表面活性剂总重量计，所述含氟表面活性剂含量为2-4wt%、所述2,2,4-三甲基-1,3-戊二醇含量为96-98wt%。优选地，所述含氟表面活性剂为sifast@sf-333（来源于广州标美硅氟新材料有限公司）、全氟壬烯氧基苯磺酸钠（fluorosurfactantobs，来源于上海市有机氟材料研究所）中的一种或两种混合。

进一步地，所述改性植物油为环氧化棉籽油、环氧化大豆油及环氧化蓖麻油中的一种或多种。

所述改性植物油制备方法包括如下步骤：称取植物油100份、乙酸10份、丙酮30份，搅拌混合均匀待用，称取95%浓度的硫酸2份、过氧化氢50份缓慢加入植物油混合物中搅拌均匀，55℃保温反应8-12h，减压蒸馏收集馏分即得改性植物油。

进一步地，所述阳离子聚合物为阳离子聚丙烯酰胺、环氧氯丙烷-乙烯多胺缩聚物、3-氯-2-羟基丙基三甲基氯化铵中的一种或多种。

进一步地，所述乳化剂为司盘80、吐温80中的一种或多种。

本发明还提供了一种钻井用水基环保润滑剂的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

s1：按比例称取阳离子聚合物、改性植物油、表面活性剂、石墨、乳化剂、去离子水；

s2：向反应釜中1/2的去离子水，搅拌过程中加入乳化剂，恒温30-40℃搅拌30-60min，得混合物a；

s3：向反应釜中剩余去离子水、改性植物油及表面活性剂，搅拌10-20min至均匀，再加入石墨，恒温30-40℃搅拌30-60min，得混合物b；

s4：将混合物a与混合物b及阳离子聚合物于反应釜中搅拌混合，至均匀无分层，静置1-2h，即得所述钻井用水基环保润滑剂。

进一步地，所述步骤s2中搅拌速度为800-1000r/min。

本发明的有益效果：通过将植物油与石墨混合复配，综合了二者在润滑、安全性、稳定性等方面的优势，使润滑剂具有优异的润滑性能。采用特殊表面活性剂组合，显著降低了体系表面张力，提升了固体润滑剂原料与其他原料的相容性，使得固体润滑剂原料得以均匀分散并稳定存在，进一步提升了润滑剂的润滑效果，常温下润滑系数降低率可达97.0%。本发明还使用特殊方法对植物油进行改性，显著提高了润滑剂的耐高温性能，140℃热滚18h后仍可维持高润滑系数降低率。

具体实施方式

下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。下面具体的实施方式对本发明作进一步的描述。

本发明下述实施例中，样品配制方法包括以下步骤：

s1：按比例称取阳离子聚合物、改性植物油、表面活性剂、石墨、乳化剂、去离子水；

s2：向反应釜中1/2的去离子水，搅拌过程中加入乳化剂，恒温30-40℃、1000r/min搅拌30-60min，得混合物a；

s3：向反应釜中剩余去离子水、改性植物油及表面活性剂，搅拌10-20min至均匀，再加入石墨，恒温30-40℃搅拌30-60min，得混合物b；

s4：将混合物a与混合物b及阳离子聚合物于反应釜中搅拌混合，至均匀无分层，静置1-2h，即得所述钻井用水基环保润滑剂。

实施例1

按照表1中重量百分比配制待测样品，根据q/sytz0022-2015中测试方法测定各样品的润滑系数降低率。表1中，各组分对应数据为其重量百分比。

表1石墨含量对润滑性能的影响

固体润滑剂具有无荧光、无毒、耐压耐温等优点，加入润滑剂中可有效降低荧光等级提高润滑剂稳定性。由表1测试结果可知，加入少量石墨即可提高润滑剂组合物的润滑性能，并且在一定用量范围内，润滑性能随石墨用量增大而改善，但当石墨用量达到2wt%时，润滑性能开始下降，可能是由于石墨用量相对较大造成石墨不易分散，难以发挥良好润滑功效。

实施例2

石墨在体系中是否良好分散，对润滑剂能否起到理想润滑作用至关重要。根据物质分散规律，采用表面活性剂降低体系表面张力，改善石墨与润滑剂体系的相容性，从而提高石墨的分散性能。然而，表面活性剂种类繁多且价格相对较高，需选择适宜的表面活性剂，既能使得表面张力明显下降，又不能使得润滑剂成本大幅上升。

按照表2所示用量百分比分别配制1%的表面活性剂溶液，利用表面张力仪在室温条件下测定不同表面活性剂的表面张力，条件不变重复测试三次，取其平均值，结果如表2所示。

表2不同表面活性剂的表面张力

含氟表面活性剂的表面活性很好，并且氟原子半径较氢原子更大，导致其屏蔽碳原子的能力很强，从而提高碳-碳键的稳定性，因此含氟表面活性剂与其他表面活性剂性比具有更好的化学稳定性和热稳定性。但是，含氟表面活性剂的价格较高，因此采用含氟表面活性剂与其他表面活性剂复配的方式降低使用成本。

由表2结果可知，含氟表面活性剂sifast@sf-333、obs与其他表面活性剂2,2,4-三甲基-1,3-戊二醇、aeo-9、直链烷基苯磺酸钠复配均可在一定程度上降低体系表面张力，其中，含氟表面活性剂与2,2,4-三甲基-1,3-戊二醇搭配可获得更好的效果（相较于含氟表面活性剂与aeo-9或直链烷基苯磺酸钠搭配），在含氟表面活性剂与2,2,4-三甲基-1,3-戊二醇的组合中，obs与2,2,4-三甲基-1,3-戊二醇搭配的效果更好（相较于sifast@sf-333与2,2,4-三甲基-1,3-戊二醇搭配）。2,2,4-三甲基-1,3-戊二醇为传统的碳氧表面活性剂，虽然其表面活性不如含氟表面活性剂，但在含氟表面活性剂剂量很少的情况下，加入碳氧表面活性剂以一定比例复配，两者产生相互协同作用，含氟表面活性剂降低了碳氧表面活性剂的表面张力，碳氧表面活性剂的表面活性得以提高，从而达到利用碳氧表面活性剂替代部分含氟表面活性剂的效果，进而使得含氟表面活性剂用量大幅减少，降低了实际生产使用成本。

表3不同含氟表面活性剂含量表面活性剂组合的表面张力

由表3可知，当增加含氟表面活性剂obs在表面活性剂组合中的用量时，表面活性剂组合呈现的表面张力逐渐减小，但含氟表面活性剂用量大于4wt%时，表面活性剂组合的表面张力下降并不显著，反而会造成产品成本上升，因此含氟表面活性剂用量选择2-4wt%为宜。

按照表4中重量百分比配制待测样品，根据q/sytz0022-2015中测试方法测定各样品的润滑系数降低率。表4中，各组分对应数据为其重量百分比。

表4不同石墨含量润滑剂的润滑性能

由表4结果可知，4wt%含氟表面活性剂obs与96wt%2,2,4-三甲基-1,3-戊二醇的表面活性剂组合可显著降低体系表面张力，使得固体润滑剂石墨在体系中良好分散，即使石墨用量达到2wt%及以上，依然具有良好的分散性，从而使得组合物样品的润滑性能随石墨用量增大而逐渐上升。但通过实验发现，石墨用量大于1.5wt%时，组合物样品的润滑系数降低率上升并不显著，因此石墨用量选择0.5-1.5wt%为宜。

实施例3

制备改性植物油：称取植物油100份、乙酸10份、丙酮30份，搅拌混合均匀待用，称取95%浓度的硫酸2份、过氧化氢50份缓慢加入植物油混合物中搅拌均匀，55℃保温反应8-12h，减压蒸馏收集馏分即得改性植物油。

所述植物油选自棉籽油、大豆油及蓖麻油。

将所得改性植物油与常用植物油分别加入润滑剂组合物中，根据q/sytz0022-2015中测试方法测定各样品的润滑系数降低率，结果见表5。表5中，各组分对应数据为其重量百分比。

表5含不同植物油的润滑剂的润滑性能

由表5结果可知，相比于未改性植物油，添加了经过本发明改性方法制备的改性植物油的润滑剂具有更为优异的润滑性能。虽然在常温下改性植物油相较于未改性植物油不具有明显优势，但经过高温热滚后，改性植物油由于具有优异的热稳定性，可使润滑剂润滑性能维持在较高水平，而未经改性的植物油在高温下稳定性不佳，难以发挥本身润滑功效，使得润滑剂润滑性能出现明显下降。由此可见，本发明特定改性方法制备的改性植物油可使润滑剂具有优异的热稳定性。

实施例4

按照下述方法制备本发明润滑剂组合物样19-23，根据q/sytz0022-2015中测试方法测试各样品技术性能指标，根据gb11914-1989测定润滑剂的cod，根据gb7488-1987测定润滑剂的bod5，计算bod5/cod得到样品的生物降解性，结果见表6。

一种钻井用水基环保润滑剂的制备方法，包括以下步骤：

本发明下述实施例中，样品配制方法包括以下步骤：

s1：按比例称取阳离子聚合物、改性植物油、表面活性剂、石墨、乳化剂、去离子水；

s2：向反应釜中1/2的去离子水，搅拌过程中加入乳化剂，恒温30-40℃、1000r/min搅拌30-60min，得混合物a；

s3：向反应釜中剩余去离子水、改性植物油及表面活性剂，搅拌10-20min至均匀，再加入石墨，恒温30-40℃搅拌30-60min，得混合物b；

s4：将混合物a与混合物b及阳离子聚合物于反应釜中搅拌混合，至均匀无分层，静置1-2h，即得所述钻井用水基环保润滑剂。

所述改性植物油制备方法为：称取植物油100份、乙酸10份、丙酮30份，搅拌混合均匀待用，称取95%浓度的硫酸2份、过氧化氢50份缓慢加入植物油混合物中搅拌均匀，55℃保温反应8-12h，减压蒸馏收集馏分即得改性植物油。

样19

一种钻井用水基环保润滑剂，其特征在于，所述润滑剂由如下重量百分比的原料制成：阳离子聚合物8wt%、改性植物油40wt%、表面活性剂16wt%、石墨1.5wt%、乳化剂6wt%、去离子水28.5wt%；所述阳离子聚合物为环氧氯丙烷-乙烯多胺缩聚物，所述改性植物油为改性棉籽油，所述表面活性剂为含氟表面活性剂obs和2,2,4-三甲基-1,3-戊二醇的组合，以表面活性剂总重量计，所述含氟表面活性剂obs含量为4wt%、所述2,2,4-三甲基-1,3-戊二醇含量为96wt%；所述乳化剂为司盘80与吐温80按质量比1:2复配而成。

样20

一种钻井用水基环保润滑剂，其特征在于，所述润滑剂由如下重量百分比的原料制成：阳离子聚合物8wt%、改性植物油45wt%、表面活性剂15wt%、石墨1.5wt%、乳化剂5.5wt%、去离子水25wt%；所述阳离子聚合物为环氧氯丙烷-乙烯多胺缩聚物，所述改性植物油为改性棉籽油，所述表面活性剂为含氟表面活性剂obs和2,2,4-三甲基-1,3-戊二醇的组合，以表面活性剂总重量计，所述含氟表面活性剂obs含量为4wt%、所述2,2,4-三甲基-1,3-戊二醇含量为96wt%；所述乳化剂为司盘80与吐温80按质量比1:2复配而成。

样21

一种钻井用水基环保润滑剂，其特征在于，所述润滑剂由如下重量百分比的原料制成：阳离子聚合物8wt%、改性植物油45wt%、表面活性剂15wt%、石墨1.5wt%、乳化剂5.5wt%、去离子水25wt%；所述阳离子聚合物为阳离子聚丙烯酰胺，所述改性植物油为改性棉籽油，所述表面活性剂为含氟表面活性剂obs和2,2,4-三甲基-1,3-戊二醇的组合，以表面活性剂总重量计，所述含氟表面活性剂obs含量为4wt%、所述2,2,4-三甲基-1,3-戊二醇含量为96wt%；所述乳化剂为司盘80与吐温80按质量比1:2复配而成。

样22

一种钻井用水基环保润滑剂，其特征在于，所述润滑剂由如下重量百分比的原料制成：阳离子聚合物6wt%、改性植物油40wt%、表面活性剂17wt%、石墨1.5wt%、乳化剂5.5wt%、去离子水30wt%；所述阳离子聚合物为环氧氯丙烷-乙烯多胺缩聚物，所述改性植物油为改性棉籽油，所述表面活性剂为含氟表面活性剂obs和2,2,4-三甲基-1,3-戊二醇的组合，以表面活性剂总重量计，所述含氟表面活性剂obs含量为4wt%、所述2,2,4-三甲基-1,3-戊二醇含量为96wt%；所述乳化剂为司盘80与吐温80按质量比1:2复配而成。

表6本发明钻井用水基环保润滑剂的技术性能

上述实施例为本发明较佳的实现方案，除此之外，本发明还可以其他方式实现，在不脱离本发明构思的前提下任何显而易见的替换均在本发明的保护范围之内。