一种抗高温纳米复合润滑剂及其乳液制备方法与应用与流程

本发明涉及一种抗高温纳米复合润滑剂及其制备方法与具体应用，属于油气田工程
技术领域：
。
背景技术：
：随着石油天然气勘探开发领域的扩大和深入，钻井任务量迅速增加，钻具磨损、卡钻和失效等事故时有发生，尤其是深井超深井井下有很高温度和压力，要求所使用的钻井液、完井液、压裂液或其它油气工程流体具有良好抗高温能力以及高温润滑与减阻特性。润滑剂是添加到钻井、完井或压裂液中用来提高润滑性能的一种处理剂，其作用主要是减小钻进工程的机具扭矩、磨损和磨耗及其损坏速率。按相态将润滑剂分为液体类和固体类润滑剂。液体类润滑剂主要包括矿物油、植物油、醇醚类、酯类和纳米材料类润滑剂等。固体类润滑剂主要包括塑料小球、玻璃小球、石墨和炭黑润滑剂等。深井超深井处于高温环境，现有液体类润滑剂在高温条件易挥发、降解和交联而失去活性和失效等问题，现有抗高温钻井液、完井液、压裂液用润滑剂不能有效解决所述的润滑剂失活失效等难题。现有技术的中国发明专利cn201510132577.2，公开了一种抗高温钻井液用润滑剂，该润滑剂主要原料为合成润滑油脂、脂肪酸、乳化剂、石油磺酸钙和亚硫酸钠，所述的润滑剂经200℃老化16h后润滑系数降低率为80％，在220℃老化后其降低率为70％，表明所述的润滑剂抗温、耐老化及其持效性都有待提高。现有技术(张文、杜昱熹、孔凡波.一种乳液型钻井液润滑剂的制备及性能评价，石油与天然气化工，2016，45(04)：73-76)采用多胺、棉籽油、低碳酸原料合成植物油酰胺，再改性制得水包油乳液型钻井液润滑剂，0.5％该产品加入钻井液经170℃老化后润滑系数降低率82.7％，但其更高温度润滑效果差。现有技术的中国发明专利cn201810407333.4公开了一种钻井液用抗高温润滑剂及其制备方法，所述润滑剂主要包括生物柴油、白油或柴油、二烷基二硫代磷酸锌、氮化硼、乳化剂和分散剂。但其制备方法需在280-300℃煅烧，反应条件苛刻，能耗量大。现有技术的不足，还在于所述的现有润滑剂普遍使用有机物组成，有机物分子耐高温稳定性差，受高温冲击有机物分子链产生显著弯曲旋转逐渐断裂很快失去原有特性。针对此问题，现有技术的中国发明专利cn201810390855.8公开了一种层状结构化合物经过插层原位聚合复合研制润滑剂方法，采用高分子单体与无机层状化合物，研制了高聚物纳米复合微球抗磨剂及其润滑剂组合物，然而，在长时间高温老化条件下高聚物分子链易解缠结、分子链结构破坏无法载负润滑成分而降解失效难题，仍有待解决。类似地，现有高聚物纳米复合润滑剂技术，存在众所周知的纳米团聚等问题，即现有的润滑剂纳米结构非均匀分布及外力作用下非均匀受力，导致其在地下深层超深层或油气储层复杂工况和油气工程高温复杂工况所用机具润滑失效，或很难产生持效、高效润滑减阻及降扭矩效果，由此产生偏磨、缩径或卡钻事故等难题长期存在，尤其是，现有的润滑剂技术，难以解决所述的深层超深层高温条件的工程机具超大扭矩、无法连续钻进及大幅降低油气工程钻井完井效率等重大难题。技术实现要素：针对现有技术的不足，本发明提供一种抗高温纳米复合润滑剂及其乳液制备方法与应用。本发明的技术方案如下：一种抗高温纳米复合润滑剂，其特征在于包括如下质量份的成分：所述抗高温单体为n-乙烯基吡咯烷酮、n-乙烯基己内酰胺、n-乙烯基甲基二苯基甲氧基硅烷、烯丙基磺酸钠、对苯乙烯磺酸钠、二乙烯基苯磺酸钠中的一种或几种，所述抗高温单体为共聚单体。优选的所述无机层状结构纳米中间体为层状石墨、层状硅酸盐和/或层状二硫化钼的层状结构体系，层间距经过插层剂的插层扩大到其原始层间距1倍以上。进一步优选的所述层状硅酸盐选自蒙脱土、高岭土、水滑石、海泡石、硅灰石和绿泥石中的一种或几种。进一步优选的所述插层剂选自十二烷基磺酸钠、十二烷基硫酸钠、十二烷基苯磺酸钠、十六烷基三甲基溴化铵、三丁基十四烷基氯化磷中的一种或几种。优选的所述抗高温单体选自n-乙烯基吡咯烷酮、n-乙烯基己内酰胺、对苯乙烯磺酸钠中的一种或几种。优选的所述乳化剂选自十二烷基磺酸钠、十二烷基硫酸钠、十二烷基苯磺酸钠中的一种或几种。优选的所述交联剂选自二乙烯苯、n,n-亚甲基双丙烯酰胺、过氧化二异丙苯中的一种或几种。优选的所述引发剂选自过硫酸钾、过硫酸铵、n,n-二甲基苯胺、偶氮二异丁腈中的一种或几种。优选的所述基础油为工业硅油、工业石蜡油、工业白油、工业植物油或者工业聚α烯烃合成油中的一种或几种。前述的一种抗高温纳米复合润滑剂的制备方法，其特征在于包括如下步骤：(1)将所述苯乙烯单体、抗高温单体、无机层状结构纳米中间体、乳化剂、交联剂和水在惰性气氛下混合搅拌20-40min；(2)将混合体系加热到65-75℃，加入引发剂，持续搅拌7-10h，采用乳液聚合、悬浮聚合或分散聚合反应得到纳米复合乳液；(3)混合基础油、纳米复合乳液以及油酸，室温下搅拌均匀，得到所述抗高温纳米复合润滑剂。优选的步骤(1)在惰性气氛保护下进行，先向反应釜中通入20-30min氮气以除去其中的氧气，氮气纯度为不低于99.999％，压力为0.5-0.55mpa，流量为40-50m3/h。优选的步骤(1)中的苯乙烯单体需要进行预处理，用质量分数为7-9％的氢氧化钠水溶液洗涤苯乙烯单体，调节ph为7-8，用无水硫酸镁干燥置于低温保存。优选的所述无机层状结构纳米中间体按如下步骤制备：1)混合1.0-10.0质量份的层状硅酸盐和100-200质量份的水加热至70-80℃搅拌30min；2)加入1.0-5.0质量份的插层剂恒温搅拌10-12h得到插层体系；3)对上述插层体系进行过滤、洗涤、干燥及研磨，得到无机层状结构纳米中间体。一种钻井液，其特征在于含有前述的一种抗高温纳米复合润滑剂，其中，所述抗高温纳米复合润滑剂在所述钻井液中的质量分数为0.1-5％。本发明的技术效果如下：本发明采用抗高温单体、共聚单体和纳米材料，通过原位共聚反应形成共聚链缠结构与纳米可控均匀分散的共聚纳米复合微球体系，具有无机纳米相-有机相界面成键、载负润滑性组分和极压抗磨润滑性。抗高温单体，含杂原子尤其是n杂原子单体，在酸性条件反应转化为正氮离子(-n )季铵化结构单体，所述n杂原子单体是n-乙烯基己内酰胺、n-乙烯基吡咯烷酮、n-乙烯基甲基二苯基甲氧基硅烷，其结构可增大高分子链侧基体积而增大主链空间位阻，抑制高分子链高温内旋转和弯曲性，形成多元杂环结构共聚分子链具有更高刚性和抗温性。正氮离子(-n )季铵化结构单体，与层状结构纳米中间体原位插层共聚反应，使层状结构中间体原位剥离形成无机片层-有机共聚链复合结构体系，复合结构具有界面强吸附、成键和高温稳定性。层状结构纳米中间体与所述的抗高温单体共聚合反应和交联反应，形成0.35-1.0nm片层或0.35-1.0nm片层倍数的分散复合体系，产生抗高温界面稳定性、配伍性、均匀分散性及承压润滑性，形成抗高温极压抗磨润滑剂共聚纳米复合微球及其组合物体系。本发明的一种抗高温纳米复合润滑剂，由高分子单体与层状结构纳米中间体原位共聚插层反应剥离分散，生成巨大表面积和强烈吸附性高活性1nm片层，原位形成共聚链纳米复合微球体系，具有阻挡隔绝外部高温热冲击和老化效应或抗高温特性，具有粘弹性，在金属表面、金属钻具表面或岩石表面产生强吸附粘弹性、极压抗磨润滑运移与保护效应；在金属表面、金属钻具表面或岩石表面运移摩擦过程中，形成纳米复合润滑膜产生摩擦热熔或烧结态、强吸附高韧性、高抗拉抗折强度保护特性。附图说明图1为本发明实施例1制备的纳米复合粒子的扫描电子显微镜图；图2为本发明实施例1制备的纳米复合粒子的透射电子显微镜图。具体实施方式下面结合本发明的实施例，对本发明加以详细说明，但本发明的范围不限于以下实施例。实施例1本实施例的配方按质量份如下：苯乙烯单体20份、抗高温单体n-乙烯基吡咯烷酮5份、层状结构纳米中间体层状硅酸盐3份、乳化剂十二烷基磺酸钠3份、交联剂二乙烯苯5份、引发剂过硫酸钾3份、水100份、基础油工业硅油30份、油酸30份。其中，所述无机层状结构纳米中间体按如下步骤制备：1)混合3质量份的层状硅酸盐和100质量份的水加热至70-80℃搅拌30min；2)加入3质量份的插层剂十二烷基磺酸钠恒温搅拌10h得到插层体系；3)对上述插层体系进行过滤、洗涤、干燥及研磨，得到无机层状结构纳米中间体。本实施例的抗高温纳米复合润滑剂的制备方法如下：首先用8％氢氧化钠水溶液洗涤苯乙烯单体，调节ph为7-8，用无水硫酸镁干燥预处理产物，进行减压蒸馏，得到适于聚合纯度的苯乙烯单体；将苯乙烯单体、抗高温单体、层状结构纳米中间体、乳化剂、交联剂和水在惰性气氛下混合搅拌30min；加入引发剂，将混合体系加热到70℃，并维持该温度下持续搅拌7-10h，得到纳米复合乳液；混合基础油、油酸以及纳米复合乳液，室温下搅拌均匀，得到所述抗高温纳米复合润滑剂。其中，步骤(2)中取部分所得纳米复合乳液进行后处理，使用乙醇进行破乳、过滤、干燥及研磨，得到纳米复合粒子，用作测试表征。如图1的扫描电子显微镜图所示，说明合成粒子的形貌是球形，在微观上就将滑动摩擦变为滚动摩擦，降低摩擦系数，减小磨损，可以起到类似“球轴承”的作用；如图2的透射电子显微镜图所示，证明是插层结构。实施例2本实施例的配方按质量份如下：苯乙烯单体10份、抗高温单体n-乙烯基吡咯烷酮3份、层状结构纳米中间体层状硅酸盐0.1份、乳化剂十二烷基磺酸钠0.1份、交联剂二乙烯苯0.1份、引发剂过硫酸钾0.01份、水50份、基础油工业硅油20份、油酸20份。实施例3本实施例的配方按质量份如下：苯乙烯单体30份、抗高温单体n-乙烯基吡咯烷酮10份、层状结构纳米中间体层状硅酸盐5份、乳化剂十二烷基磺酸钠5份、交联剂二乙烯苯10份、引发剂过硫酸钾5份、水200份、基础油工业硅油50份、油酸50份。实施例4本实施例的配方按质量份如下：苯乙烯单体20份、抗高温单体n-乙烯基己内酰胺5份、层状结构纳米中间体层状硅酸盐3份、乳化剂十二烷基硫酸钠3份、交联剂n,n-亚甲基双丙烯酰胺5份、引发剂过硫酸胺3份、水100份、基础油工业石蜡油30份、油酸30份。实施例5苯乙烯单体20份、抗高温单体对苯乙烯磺酸钠5份、层状结构纳米中间体层状硅酸盐3份、乳化剂十二烷基苯磺酸钠3份、交联剂过氧化二异丙苯5份、引发剂n,n-二甲基苯胺3份、水100份、基础油工业白油30份、油酸30份。实施例6苯乙烯单体20份、抗高温单体n-乙烯基吡咯烷酮5份、层状结构纳米中间体层状硅酸盐3份、乳化剂十六烷基三甲基溴化铵3份、交联剂二乙烯苯5份、引发剂偶氮二异丁腈3份、水100份、基础油工业植物油30份、油酸30份。钻井液基浆的配置：在400ml去离子水中加入20.0g蒙脱土和0.8g无水碳酸钠，在高速搅拌机上以5000rpm高速搅拌20min，室温密闭养护24h，得含土量为6％的钻井液基浆。室温下将实施例1的纳米复合润滑剂加入到所配置的钻井液基浆中，在高速搅拌机上以5000rpm高速搅拌20min，得到本实施例的钻井液。其中，润滑剂组合物在钻井液中的质量分数为0.2％、0.5％、0.8％、1.0％，构成实施例1-1～1-4。以下，对得到的钻井液进行性能测试，具体测试方法参照sy/t1088-2012。润滑性能测试取钻井液，用极压润滑仪测试润滑系数，测试结果见表1。润滑系数降低率按下式进行计算(公式没有给出)：r＝(k0-k1)/k0×100％式中，r代表润滑系数降低率；k0代表基浆的极压润滑系数；k1代表钻井液的极压润滑系数。测试表征结果见表1。表1实施例润滑系数降低率r(％)1-163.51-276.41-385.81-489.6由表1可知，随着润滑剂用量的增加，钻井液润滑性能有明显改善，润滑系数降低率逐渐增大，说明本发明的纳米复合润滑剂的加入能明显改善钻井液的润滑性能，有效降低摩擦系数，起润滑减阻效果。流变性能测试分别取钻井液基浆和实施例1-1～1-4的钻井液，倒入六速旋转粘度计的量杯中，使液面与粘度计外筒的刻度线相平。将粘度计的转速从高到低分别设置为600、300、200、100、6和3rpm进行测量，稳定后读数，并分别记为θ600、θ300、θ200、θ100、θ6、θ3。完成上述测试后，将转速设置为600rpm，使量杯中的钻井液搅拌1分钟，静置10秒后，将转速设置为3rpm，读取刻度盘最大值，记为θ3-1。重新搅拌1分钟，静置10分钟，将转速设置为3rpm，读取刻度盘最大值，记为θ3-2。测试结果见表2。表观粘度：av＝θ600×0.5塑性粘度：pv＝θ600－θ300动切力：yp＝0.511×(θ300－pv)静切力：g"＝0.511×θ3-1，g'＝0.511×θ3-2测试表征结果见表2。表2由表2可知，随着润滑剂的加入，表观粘度、塑性粘度、动切力、静切力数值变化较小，说明该润滑剂与钻井液配伍性良好，对钻井液的流变性能影响不大，说明体系有较好的流变稳定性。耐热性能测试取实施例1-4的钻井液，分别在160℃、200℃和240℃的滚子加热炉中热滚16h后测试钻井液性能的变化。测试结果见表3表3由表3可知，随着温度升高，钻井液表观粘度、塑性粘度、动切力略有变化，润滑系数降低率逐渐下降，240℃热滚16h后仍有较好的润滑性能，说明该润滑性钻井液可抗温240℃。采用实施例2-6进行上述实验，均可得到类似效果。当前第1页12