СМАЗОЧНАЯ ДОБАВКА ДЛЯ БУРОВЫХ РАСТВОРОВ
LUBRICATING ADDITIVE FOR DRILLING MUDS

Изобретение относится к области бурения и предназначено для использования в буровых растворах на водной основе при проходке нефтяных и газовых скважин при разработке месторождений.
Известна смазочная композиция для бурового раствора на водной основе [1]. Композиция содержит легкое талловое масло, а в качестве модифицирующей добавки полигликоль при следующем соотношении ингредиентов, мас.%:
легкое талловое масло
40-60
полигликол
40-60.
Композицию вводят в глинистый раствор в количестве 1-3 мас. %. Техническим результатом является улучшение смазочных свойств растворов в результате повышения степени адгезии смазочной пленки к поверхности металла.
Недостатками известной композиции являются повышенная коррозионная агрессивность вследствие наличия в ее составе воды, склонность к вспениванию глинистого бурового раствора, а также низкая противоизносная способность бурового раствора.
Предложена смазочная добавка для буровых растворов, применяемых в качестве промывочного агента при бурении нефтяных и газовых скважин [2]. Добавка содержит, мас.%:
продукт конденсации моноэтаноламина
сырых талловых масел
10-30
растворитель из класса ароматических или
алифатических нефтяных углеводородов,
например керосин по ТУ 38.601-22-70-9
5-10
моноэтанолами
1,0-1,5
оксаль
остальное.
Добавка имеет низкую температуру застывания, высокую стойкость к полиминеральной сероводородной агрессии и улучшает смазочные свойства бурового раствора на 15-24%, а противоизносные на 35-45%.
Недостатками указанной смазочной добавки являются:
- невысокие смазочные свойства в условиях высоких контактных нагрузок;
- склонность к пенообразованию при концентрациях добавки более 1,5%;
- повышенная экологическая опасность смазки, так как основной компонент
- флотореагент оксаль - относится ко 2-му классу опасности.
Известен также концентрат буровых технологических жидкостей на водно-щелочном растворе [3]. Концентрат получают последовательным введением в водно-щелочной раствор модифицирующей добавки сапропеля. В качестве модифицирующей добавки применяют углеводородную жидкость в количестве 0,1% от объема водно-щелочного раствора. Углеводородную жидкость вводят в виде растительных масел или отходов их производства и переработки, а также аналогичные им реагенты, т.е. жидкие кислоты триглециридов с числом углеводородных атомов от 14 до 18. Сапропель (1 мас. ч.) и водный раствор щелочного агента с концентрацией 0,15-0,12% используют в соотношении 3-50 мас. ч.
Недостатками концентрата являются низкая смазочная и противоизносная способность бурового раствора и высокая температура застывания.
Наиболее близкой к предлагаемому техническому решению является смазочная добавка для буровых растворов, содержащая масло индустриальное И-20А, масло таловое сырое, присадку АФК, жидкость полиметилсилоксаиовую ПМС-200А, жидкость осерненную масляную "Техсойл-ХХ", присадку ГСК, топливо печное и экстракт нефтяной, которая и выбрана в качестве прототипа [4]. Смазочная добавка - прототип включает следующие ингредиенты, мас.%:
масло талловое сырое
9-11
присадка АФК
0,05-1,10
жидкость полиметилсилоксановая ПМС-200А
0,003-0,025
жидкость осерненная масляная "Техсойл-ХХ"
0,1-0.5
присадка ГСК
1,5-11,0
топливо печное
24-25
экстракт нефтяной
45-55
масло индустриальное И-20А
остальное.
К недостаткам известных смазочных добавок для буровых растворов и, в частности, смазочной добавки прототипа относится невысокая смазочная способность содержащих их буровых растворов.
Задачами, которые решаются с помощью настоящего изобретения являются повышение смазочной способности и расширение сырьевой базы за счет изменения качественного и количественного состава смазочной добавки для буровых растворов.
тм
Поставленные задачи решаются тем, что смазочная добавка для буровых растворов, содержащая экстракт нефтяной, масляную фазу и модифицирующие добавки, согласно изобретению, в качестве масляной фазы содержит индустриальное масло или отработанные индустриальные масла, а в качестве модифицирующих добавок содержит кислоту олеиновую и при необходимости ланолин, жировой концентрат или кислоты жирные для промышленной переработки и присадку депрессорную «МАКСОЙЛ-Д» или «IRFAGLO 720 Р» при следующем соотношении компонентов, мас.%:
экстракт нефтяной
25,0-40,0
кислота олеиновая и при необходимости ланолин
0,5-1,5
жировой концентрат или кислоты жирные для
промышленной переработки
3,0-7,0
присадка депрессорная «МАКСОЙЛ-Д» или
«IRFAGLO<sup>тм</sup> 720 Р»
0,2-1,6
индустриальное масло или отработанные
индустриальные масла
остальное до 100
Из патентной и научно-технической литературы неизвестны смазочные добавки для буровых растворов, содержащие совокупность указанных выше ингредиентов в предложенном в заявляемой смазочной добавке количественном соотношении, что позволяет сделать вывод о новизне заявляемого технического решения.
Совокупность ингредиентов в заявляемой смазочной добавке, каждый из которых, оказывая свое полезное функциональное действие, кроме того, в комплексе синергетически влияет на повышение смазочной способности смазочной добавки, т.е. обеспечивает интегральный эффект.
Все вышеизложенное позволяет сделать вывод о соответствии заявляемого технического решения критерию "Изобретательский уровень".
Для приготовления смазочной добавки используются новые компоненты, не относящиеся к категории дефицитных и имеющие крупнотоннажное производство, а также смазочная добавка легко воспроизводится как в лабораторных, так и в опытно-промышленных условиях, что соответствует критерию «Промышленная применимость».
17
33
Кислота олеиновая (формула СНСООН) - ненасыщенная жирная кислота, бесцветная маслянистая жидкость без запаха и вкуса, нерастворима в воде, растворяется в органических растворителях. Входит в состав почти всех природных жиров и масел. Кислота олеиновая - серийно выпускаемый продукт, в зависимости от исходного сырья, назначения и показателей качества изготавливается различных марок. В заявляемом техническом решении могут адекватно или равнозначно использоваться: кислота олеиновая техническая марки В (ТУ 9145-024-0036562-98) или кислота олеиновая техническая марки Б-14 (ГОСТ 7580-91. Данные марки кислот отличаются тем, что в своем составе наряду с олеиновой кислотой (до 70 мас.%) содержат миристиновую, пальмитиновую, пальмитолеиновую, стеариновую линолевую и другие высшие жирные кислоты. Массовая доля этих высших жирных кислот в безводном продукте составляет не менее 92%, кислотное число находится в пределах 175-210 мгКОН/г, число омыления - не менее 175 мгКОН/г. Как известно [5], молекулы таких высших жирных кислот, на поверхностях трения способны образовывать полимолекулярные гомеотропно ориентированные граничные слои с высоким смазочным действием. Причем, однозначно отмечено, что наибольшая смазочная способность проявляется при совокупном, т.е. комплексном их использовании, что. как показано выше, и обеспечивается в составах предлагаемых марок кислот олеиновых при их серийном производстве.
3
Ланолин - это смесь свободных высокомолекулярных спиртов, их эфиров и жирных кислот. Сырьем для получения ланолина служит шерстяной воск животного происхождения, получаемый при специальной обработке овечьей шерсти. В результате образуется темно-желтая масса плотностью 0,94 г/см с температурой плавления порядка 40°С, обладающая своеобразным запахом и сильной вязкостью. Выделять вещество принято различными способами. Более 96% ланолина составляют сложные эфиры, в которых спиртовая часть представлена - холестерином, дигидрохолестерином, эргостерином и т.д., а алифатические жирные кислоты - каприлловой, каприновой, лауриновой, миристиновой, пальмитиновой, стеариновой и другими жирными кислотами. Таким образом, длина жирнокислотной цепочки в сложных эфирах может варьироваться примерно от 8 атомов углерода до 41 (С8-С41). Все перечисленные компоненты, входящие в ланолин, как по отдельности, так и в совокупности, особенно эфиры холестерина и жирных кислот, которые известны как жидкокристаллические соединения холестерина, обладают высоким экранирующим и смазочным действием [5, 6].
Жировой концентрат (ТУ РБ 10122586.056-2003) представляет собой смесь жиров и жирных карбоновых кислот. Имеет жидкую консистенцию при 20°С. В результате своего многокомпонентного специфического состава обладает высокими триботехническими характеристиками, а также загущающей способностью и, поэтому, предназначен для использования в производстве технических смазок, а также в мыловарении. Для выработки жирового концентрата применяют соапсток по ТУ РБ 190239501.034, саломас технический марок 1-5 по ТУ РБ 37602662.601, растительные масла по НД, непригодным для пищевых целей.
Кислоты жирные для промышленной переработки (ТУ РБ 190239501.035-2002) получаются из соапстоков растительных масел и саломасов, а также технического или пищевого животного жира. При 20°С имеют жидкую консистенцию. Кислотное число для них находится в пределах 185-205 мгКОН/г. Глубина расщепления в пересчете на олеиновую кислоту составляет не менее 93%. Кислоты жирные для промышленной переработки предназначены для использования в мыловарении и других технических целях.
При этом следует отметить, что как концентрат жировой, так и кислоты жирные для промышленной переработки обеспечивает высокий уровень триботехнических свойств заявляемых составов, поскольку относятся к ПАВ, содержащим высшие жирные кислоты, которые как известно [5, 6], при определенных концентрациях в смазке положительно влияют на снижение трения и износа твердых тел.
Присадка депрессорная полиметакрилатная «МАКСОЙЛ-Д» - содержит полимерное активное вещество с условной молекулярной массой порядка 8300-10000 тыс.ед. в количестве 35-60%. Относится к универсальным депрессорным присадкам с умеренной загущающей способностью. Обеспечивает более плотную упаковку кристаллов парафина с уменьшением количества масла, остающегося в кристаллах. В результате этих изменений уменьшается объем кристаллизующегося парафина, сохраняется текучесть масла в более широком диапазоне отрицательных температур, понижается температура застывания бурового раствора.
тм
тм
3
тм
Присадка депрессорная Irgaflo 720 Р представляет собой раствор полимеров метакрилата в минеральном масле. Плотность присадки Irgaflo 720 Р при 20°С составляет 890 кг/м. кинематическая вязкость при 100°С - 65 сСт. Растворимость присадки Irgaflo 720 Р в базовых маслах групп I-IV и эфирах >50%, в воде - не растворима. Относится к депрессорным присадкам и модификаторам вязкости. Серийно выпускается фирмой BASF в Германии.
Ниже также представлены физико-химические показатели индустриальных масел и отработанных индустриальных масел, используемых в качестве масляной фазы в составе предлагаемой смазочной добавки для буровых растворов:
тм
Кроме того, применение в заявляемых составах смазочной добавки для буровых растворов экстракта нефтяного, жирового концентрата (ТУ РБ 10122586.056-2003) или кислот жирных для промышленной переработки (ТУ РБ 190239501.035-2002) в разнообразных сочетаниях с присадками депрессорными «МАКСОЙЛ-Д» или «IRFAGLO 720Р», причем, совместно с различными марками в приведенных в формуле изобретения концентрациях кислот олеиновых, а, именно, кислоты олеиновой технической марки В (ТУ 9145-024-0036562-98) или кислоты олеиновой технической марки Б-14 (ГОСТ 7580-91) или кислоты олеиновой производства Чехии (GAS №112-80-1) в сочетании с масляной фазой, в качестве которой может быть использовано не только индустриальное масло различных марок (И-12 А. И-20А, И-40А и др.), но и отработанные индустриальные масла в соответствие с ГОСТ 21046-86 (группа МИО, код ОКП 02 5892 8100) существенно расширяет сырьевую базу получения смазочных добавок для буровых растворов.
Предлагаемая смазочная добавка для буровых растворов готовится следующим образом.
тм
Пример 1. В обогреваемый реактор с мешалкой загружают рецептурные количества индустриального масла И-12А и экстракта нефтяного. После нагрева этой смеси до 55°С в реактор при перемешивании вводят жировой концентрат или кислоты жирные для промышленной переработки. Температуру в реакторе повышают до 80°С и содержимое реактора перемешивают в течение 20-30 мин. Затем в реактор загружают рецептурное количество кислоты олеиновой либо технической марки В, либо технической марки Б-14 и содержимое реактора перемешивают в течение 60 мин. Далее в реактор вводят предварительно расплавленную присадку депрессорную «МАКСОЙЛ-Д» или «IRFAGLO720 Р». После растворения введенных ингредиентов температуру в реакторе снижают до 60-70°С и перемешивают в течение 60 мин. Готовую смазочную добавку охлаждают до температуры 45-55°С и выгружают в накопительную емкость.
тм
Пример 2. В обогреваемый реактор с мешалкой загружают рецептурные количества индустриального масла И-20А и экстракта нефтяного. После нагрева этой смеси до 55°С в реактор при перемешивании вводят жировой концентрат или кислоты жирные для промышленной переработки. Температуру в реакторе повышают до 80°С и содержимое реактора перемешивают в течение 20-30 мин. Затем в реактор загружают рецептурное количество кислоты олеиновой либо технической марки В, либо технической марки Б-14, либо по отдельности смеси этих жирных кислот с ланолином и содержимое реактора перемешивают в течение 60 мин. Далее в реактор вводят предварительно расплавленную присадку депрессорную «МАКСОЙЛ-Д» или «IRFAGLO720 Р». После растворения введенных ингредиентов температуру в реакторе снижают до 60-70°С и перемешивают в течение 60 мин. Готовую смазочную добавку охлаждают до температуры 45-55°С и выгружают в накопительную емкость.
тм
Пример 3. В обогреваемый реактор с мешалкой загружают рецептурные количества индустриального масла И-40А и экстракта нефтяного. После нагрева этой смеси до 55°С в реактор при перемешивании вводят жировой концентрат или кислоты жирные для промышленной переработки. Температуру в реакторе повышают до 80°С и содержимое реактора перемешивают в течение 20-30 мин. Затем в реактор загружают рецептурное количество кислоты олеиновой либо технической марки В, либо технической марки Б-14, либо по отдельности смеси этих жирных кислот с ланолином и содержимое реактора перемешивают в течение 60 мин. Далее в реактор вводят предварительно расплавленную присадку депрессорную «МАКСОЙЛ-Д» или «IRFAGLO 720 Р». После растворения введенных ингредиентов температуру в реакторе снижают до 60-70°С и перемешивают в течение 60 мин. Готовую смазочную добавку охлаждают до температуры 45-55°С и выгружают в накопительную емкость.
тм
Пример 4. В обогреваемый реактор с мешалкой загружают рецептурные количества отработанных индустриальных масел (ГОСТ 21046-86 (группа МИО. код ОКП 02 5892 8100)) и экстракта нефтяного. После нагрева этой смеси до 55°С в реактор при перемешивании вводят жировой концентрат или кислоты жирные для промышленной переработки. Температуру в реакторе повышают до 80°С и содержимое реактора перемешивают в течение 20-30 мин. Затем в реактор загружают рецептурное количество кислоты олеиновой либо технической марки В. либо технической марки Б-14, либо по отдельности смеси этих жирных кислот с ланолином и содержимое реактора перемешивают в течение 60 мин. Далее в реактор вводят предварительно расплавленную присадку депрессорную «МАКСОИЛ-Д» или «IRFAGLO 720 Р». После растворения введенных ингредиентов температуру в реакторе снижают до 60-70°С и перемешивают в течение 60 мин. Готовую смазочную добавку охлаждают до температуры 45-55°С и выгружают в накопительную емкость.
Рабочие жидкости готовят разбавлением смазочной добавки до 1-3-х %-ых эмульсионных жидкостей. Введение смазочной добавки в количестве 1,0-3,0 мас.% к глинистым пресным или соленасыщенным растворам совместимы и придают им повышенные смазочные свойства.
В табл. 1 приведены различные варианты составов смазочной добавки для буровых растворов. В вариантах 1-15 представлены составы заявляемой смазочной добавки, а в варианте 16 для сравнения приведен состав смазочной добавки согласно прототипу.
Допустимый диапазон концентраций компонентов предлагаемой смазочной добавки определен исходя из условий обеспечения:
- температура застывания не выше: -15°С;
- хорошая совместимость с буровым раствором;
- коэффициент трения не выше 0,11 (минимальный показатель по прототипу);
- отсутствие ценообразования.
В табл.2 представлены параметры соленасыщенных буровых растворов, взятых со скважин различных месторождений, а также бурового раствора, приготовленного в лабораторных условиях.
Исходный глинистый солепасыщенный раствор готовят из глинопорошка Полыгорскитового марки ППБ по ТУ 480-1-334-91. В стакан В-1-1000 ТС по ГОСТ 25336 наливают 920 см воды питьевой и вводят 80±0,5 г глинопорошка. Содержимое перемешивают мешалкой с числом оборотов 1000 об/мин в течение 20-30 минут. Раствор глинопорошка в воде оставляют для набухания на 24 часа. По истечении вышеуказанного времени его перемешивают 20 минут и вводят 300±1 г соли поваренной пищевой, предварительно взвешенной на электронных весах. Соленасыщенный глинистый раствор перемешивают высокооборотистой мешалкой 30-40 минут до полного растворения соли и замеряют технологические параметры.
Далее в раствор вводят смазочную добавку в концентрациях 1.0-3,0 мас. %.
Результаты сравнительного анализа исследуемых буровых растворов при концентрациях смазочной добавки 1,0 и 2,0 мас.% приведены в табл. 3. Технологические параметры (плотность, условная вязкость, показатель фильтрации -- ПФ) замерялись с помощью стандартных приборов и методик, изложенных, например, в работе Рязанова Я.А. Справочник по буровым растворам. - М.: Недра. 1979.
Смазочную и противоизносную способность добавки определяли с помощью прибора "Kubricity Tester" американской фирмы "Fann Instrument Со".
тр
Замер коэффициента трения (К) производился при взаимодействии под заданной нагрузкой (1,0 МПа) металлической пары "вращающееся кольцо -неподвижная призма" в исследуемой среде раствора. Чем меньше коэффициент трения, тем лучше смазочная способность добавки.
Как следует из приведенных экспериментальных данных (таблицы 1 и 3). предлагаемая смазочная добавка при оптимальной концентрации ингредиентов обеспечивает буровым растворам значения коэффициента трения на 23.6-32.5% меньше, чем смазочная добавка согласно прототипу, особенно при наличии в них солей. Это подтверждает более высокую смазочную способность заявляемой смазочной добавки по сравнению со смазочной добавкой - прототипом. Причем, как следует из таблиц 1 и 3 при этом сохраняются практически неизменными все остальные необходимые для буровых растворов свойства.
ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ
8
1. Патент RU 2142978 С1, МПК С09К 7/02. Смазочная композиция для бурового раствора на водной основе / Андерсон Б.А., Острягин А.И. - №98107228/03; Заявл. 15.04.1998; Опубл. 20.12.1999.
5
2. А.с. SU 1749226 А1. МПК С09К 7/02.. Смазочная композиция для бурового раствора на водной основе / Андерсон Б.А., Абрахманов Р.Г., Бочкарев Г.П.. Умутбаев В.Н., Фрязинов В.В., Кудинов В.Н., Валиахметов Ф.М. - №4794222; Заявл. 23.02.1990; Опубл. 23.07.1992.
6
3. Патент RU 2055089 С1. МПК С09К 7/02. Способ получения концентрата буровых технологических жидкостей / Коновалов Е.А., Балаба В.И. - №93037047; Заявл. 21.07.1993; Опубл. 27.02.1996.
4. Патент №11805. C1 BY, С09К 8/02. Смазочная добавка для буровых растворов (варианты) / Мулярчик В.В., Константинов В.Г., Данишевский В.П.. Рязанцева А.А., Катульский П.В. - №а 20050815; Заявл. 09.08.2005; Опубл. 30.04.2007 (прототип).
5. Ахматов А.С. Молекулярная физика граничного трения. - М.: Государственное издательство физико-математической литературы, 1963. - 472 с.
6. Фукс Г.И. Адсорбция и смазочная способность масел // Трение и износ.- 1983. - Т. 4, N3. - С. 398-414.