СМАЗОЧНАЯ ДОБАВКА К БУРОВЫМ РАСТВОРАМ
LUBRICANT ADDITIVE FOR DRILLING MUD

Изобретение относится к бурению нефтяных, газовых и геологоразведочных скважин, а именно к смазочным добавкам для буровых растворов.
Смазочные добавки к буровым растворам значительно увеличивают срок работы не только долот, но и всего бурового оборудования. Достигается это за счет снижения силы трения на всех поверхностях контакта, движущихся или перемещаемых элементов (деталей) бурового инструмента и оборудования между собой и с горной породой. При этом снижается износ, повышается длительность эксплуатации оборудования, уменьшается вероятность осложнений процесса бурения вследствие прихватов и посадок бурового инструмента, залипания колонны бурильных труб в желобах и на участках искривления скважины. В связи с этим важно разработать более эффективные и малодефицитные добавки, позволяющие существенно улучшить смазочные свойства буровых растворов.
Смазочные добавки должны удовлетворять следующим требованиям:
- повышать смазочные, противоизносные и противоприхватные свойства бурового раствора, в том числе в условиях высоких контактных давлений и температур;
- адсорбироваться на металлических поверхностях с образованием реологически пластичного или полупластичного их состояния с высоким пределом текучести;
- не вызывать вспенивания бурового раствора;
- не растворяться в водной среде;
- не подвергаться гидролизу или реакциям разложения в водной среде, не оказывать отрицательного воздействия на параметры бурового раствора и проницаемость продуктивного пласта;
- быть хорошо совместимой со всеми реагентами, применяемыми для обработки буровых растворов, и способствовать снижению показателя фильтрации раствора;
К настоящему времени предложено значительное количество смазочных добавок для буровых растворов. Они представлены широким набором различных классов химических соединений - соли металлов, (в основном щелочных), жирные кислоты, сложные эфиры жирных кислот, хлорированные, сульфированные, конденсированные жирные кислоты, а также сложные смеси природных веществ и др.
Известно применение в качестве смазочных добавок к буровым растворам частично нейтрализованных жирных кислот, обеспечивающих существенное снижение коэффициентов трения и оказывающих общее облагораживающее действие на буровые растворы.
Например, известна смазочная добавка для буровых растворов (см. патент № RU 2230769 от 20.06.2004), содержащая жирные кислоты триглицеридов с числом углеродных атомов от 14 до 24, нейтрализующий агент и воду, отличающаяся тем, что она дополнительно содержит замещенные аммонийные соли жирных кислот с числом углеродных атомов от 10 до 26 при следующем соотношении ингредиентов, масс. %: жирные кислоты триглицеридов (с числом углеродных атомов от 14 до 24) 50-80, нейтрализующий агент 3-6, замещенные аммонийные соли жирных кислот (с числом углеродных атомов от 10 до 26) 5-40, вода остальное.
Известна смазочная добавка для буровых растворов (см. патент № RU 2148608 от 10.05.2000), содержащая жирные кислоты триглицеридов с числом углеродных атомов от 14 до 24, нейтрализующий агент, полиэтиленгликолевый эфир моноизононилфенола с 6-12 мономерными звеньями в радикале и воду.
Известна смазочная добавка к буровым растворам (см. патент № RU 2163617 от 27.02.2001), включающая жирные кислоты, нейтрализующий агент и воду. Смазочная добавка содержит жирные кислоты синтетические и/или природные с С7 и выше, а в качестве нейтрализующего агента - неорганические основания или их смеси и дополнительно - азотсодержащие органические основания или их смеси и низшие одноатомные спирты с С2-5 или олигомерные полиэтиленгликоли со степенью полимеризации 2-5 или их смеси, или олигомерные полипропиленгликоли со степенью полимеризации 1-3 при следующем соотношении компонентов, мас. %: указанные жирные кислоты 20-85; указанные спирты, полиэтиленгликоли, полипропиленгликоли 10-40; нейтрализующий агент 1-8; указанные органические основания 0,1-20; вода остальное.
Высокая эффективность смазок на основе нейтрализованных жирных кислот связана с хорошей совместимостью последних с водной фазой бурового раствора в результате образования лиофильных мицеллярных дисперсий.
Кроме того, весьма распространенным является использование не нейтрализованных синтетических, а также некоторых природных жирных кислот, в частности, кислот легкого таллового масла (ЛТМ). При этом образуются эластичные смазочные слои повышенной прочности в результате омыления жирных кислот непосредственно на металлической поверхности.
9
19
6
4
2
4
10
9
19
6
4
2
4
10
Например, известна смазочная добавка для буровых растворов, содержащая легкое талловое масло, триэтаноламин, дополнительно содержит оксиэтилированный алкифенол СНСНO(CH)ОН, пентамер пропилена при следующем соотношении ингредиентов, мас. %: легкое талловое масло 35-55, оксиэтилированный алкилфенол СНСНO(CH)ОН 5-10, триэтаноламин 5-10, пентамер пропилена 35-55. Техническим результатом является снижение коэффициента трения бурового раствора, обработанного заявленной смазочной добавкой, при одновременном снижении ее расхода, (см. патент № RU 2197511 от 27.01.2003).
Как известно, эффективность жирных кислот как смазок повышается с увеличением длины углеводородных цепей, обеспечивающих гидрофобное экранирование поверхностей трения. С этой точки зрения, наилучшими свойствами обладают алкильные радикалы. Однако, во-первых, природные жирные кислоты обладают углеводородными цепями олефинового характера, характеризующимися сравнительно слабым экранирующим действием, а во-вторых, применение синтетических предельных жирных кислот ограничено числом углеродных атомов, равным 9, так как высшие жирные кислоты (с С9 и выше) - твердые, экологически небезопасные вещества.
Кроме того, известны следующие смазочные добавки к буровым растворам.
Известна смазка для бурового раствора (см. патент US 9598625 от 21.03.2017), представляющая собой комбинацию сырого таллового масла вязкостью 29 сПз при температуре 25°С и давлении 1 атм., и производного рицинолевой кислоты, которое представляет собой как минимум частично переэтерифицированный продукт из реакции рицинолевой кислоты с пропиловым спиртом в присутствии кислоты, содержащей фосфор, имеющий вязкость в интервале от 30 до 500 сПз при температуре 40°С и давление 1 атм. Объемное отношение производного рицинолеиновой кислоты к сырому талловому продукту составляет от примерно 1:1 до примерно 1:3. Содержание производных рицинолеиновой кислоты по меньшей мере 10 об. % от смазки бурового раствора.
К недостаткам данной смазки можно отнести совместимость с буровыми растворами только на водной основе, а также нестабильность фильтрационной корки ввиду использования чистых талловых масел.
Известна смазочная добавка для буровых растворов по п. 1 формулы изобретения (см. патент US 20160289529 от 06.10.2016), состоящая из трех компонентов: первый компонент - сульфированная добавка, второй - сложный эфир Олеиновой кислоты или сложный эфир жирной кислоты таллового масла, третий - этоксилированный жирный эфир. Содержание каждого компонента колеблется в пределах от 1 до 50 мас. %. В качестве сульфированной добавки могут быть использованы сульфурированый метиловый жирный эфир, сульфурированный 2-этилгексиловый жирный эфир, сульфурированный 2-этилгехсилолеат и их комбинации. В качестве второго компонента используют, например, соединение эфира олеиновой кислоты, тетраэтаноламина и пентаэритритила; соединение эфира жирной кислоты с высоким содержанием масла, триэтаноламина и пентаэритритола; соединение сложного эфира жирной кислоты с высоким содержанием масла, триэтаноламина и триметилолпропана; комбинация сложного эфира олеиновой кислоты, трис-изопропаноламина и пентаэритритола и др. В качестве третьего компонента используют этоксилированный жирный сложный эфир, сложный эфир полиэтиленгликоля олеиновой кислоты, сложный эфир полипропиленгликоля жирной кислоты таллового масла, этоксилированный диолеат касторового масла и их комбинации. Смазочная добавка дополнительно содержит жидкофазный компонент на водной основе, например, морская вода, минерализованная вода, пластовая вода.
Недостатками данной смазочной добавки является дороговизна компонентов, входящих в состав смазки, в частности высокая стоимость активной основы.
Также, известна смазочная добавка для промывочной жидкости и бурового раствора для вскрытия пласта (см. патент WO 2017176244 от 12.10.2017), содержащая растительное масло и как минимум два неионных поверхностно-активных вещества (нПАВ). В качестве растительного масла используют касторовое, а в качестве нПАВ - сложные эфиры сорбитана и полиэтоксилированные сорбитановые эфиры. Смазка содержит примерно от 50 до 90% растительного масла и от 10 до 50% нПАВ.
Недостатком данной смазочной добавки является низкая эффективность, поскольку в качестве активной основы используется растительное масло, которое не способствует значительному снижению коэффициента трения, а входящие в состав сложные эфиры сорбитана и полиэтоксилированные сорбитановые эфиры фактически являются эмульгаторами и солюбилизаторами, которые улучшают диспергируемость смазки в растворе, но никак не влияют (не снижают) на коэффициент трения.
Известна смазочная жидкость для бурового раствора, полученная из растительного масла по изобретению CN 104371674 от 25.02.2015, состоящая из следующих сырьевых материалов в массовых долях: от 70 до 80 частей растительного масла, от 10 до 20 частей низших спиртов, от 1 до 5 частей поверхностно-активного вещества и от 1 до 5 частей термостойкого эмульгатора. Дополнительно смазочная жидкость содержит катализатор. В качестве растительного масла используют арахисовое, кокосовое, соевое, рапсовое, подсолнечное и кукурузное, пальмовое, льняное, касторовое, хлопковое, масло рисовых отрубей, оливковое, кунжутное и тому подобное. В качеств низших спиртов использую спирты с 1-6 атомами углерода, предпочтительно 1-3 атомами углерода, например, метанола, этанол, пропанол, изопропанол. ПАВ используют для улучшения смазочных свойств, термостойкий эмульгатор - для повышения термостойкости смазочной добавки. Термостойкий эмульгатор выбирают из сульфометилированного танина, сульфометилированного таннин-экстракта, сульфометилфенольной смолы, сульфированной лигнитной смолы.
Недостатками данной смазки является низкая эффективность смазки в виду отсутствия эффективной смазывающей основы (в качестве основы используется только растительное масло, которое как уже говорилось ранее не способствует значительному снижению коэффициента трения), а присутствие низших спиртов не позволяет создать прочную пленку на поверхности металла.
Известна смазка для бурового раствора (см. CN 105524599 от 27.04.2016), состоящая из следующих компонентов: 60-98% растительного масла, 1-20% полиоксиэтиленового эфира жирного спирта и 1-20% противозадирной противоизносной присадки. Противозадирную противоизносную присадку выбирают из органического хлорида, органического сульфида, органической соли металла и бората. Предпочтительно органический хлорид представляет собой хлорированный парафин 42, хлорированный парафин 50 или хлорированный парафин 52. Органический сульфид представляет собой вулканизированное хлопковое масло или сульфированный изобутилен. Соль органического металла представляет собой диалкилдитиокарбамат, диалкилдитиофосфат или нафтенат свинца. Борат выбирают из метабората натрия, метабората калия или тетрабората калия.
К недостаткам данной смазки можно отнести низкую эффективность, поскольку в качестве активной основы используется растительное масло и полиоксиэтиленовый эфир жирного спирта, который не влияет на смазывающие свойства, и является лишь неионогенным ПАВ с высокими деэмульгирующими свойсвами.
Наиболее близким по своей сущности и достигаемому техническому результату является смазочная добавка к буровым растворам по изобретению RU 2163616 от 27.02.2001, включающая синтетическую жидкость, нейтрализующий агент и воду, содержит в качестве синтетической жидкости ацетали, или альфаолефины, или полиальфаолефины, жирные кислоты высшего ряда с С9 и выше, а в качестве нейтрализующего реагента - гидроокиси щелочных металлов при следующем соотношении компонентов, мас. %: указанная синтетическая жидкость 10-35, указанные жирные кислоты 60-80, указанный нейтрализующий агент 0-3, вода остальное.
К недостаткам прототипа можно отнести следующее:
1) Использование в качестве смазочного агента жирных кислот может приводить к образованию в минерализованных буровых растворах хлопьев, которые могут забивать вибросита.
2) Невозможность использования смазочной добавки в минерализованых буровых растворах, ввиду ее нестабильности.
3) Использование жирных кислот приводит к понижению рН бурового раствора, что приводит к ухудшению его свойств. В связи с этим появляется необходимость дополнительной обработки бурового раствора для поддержания его рН.
Существенным отличием заявляемой смазочной добавки от прототипа является использование в составе эфиров жирных кислот растительных масел и поверхностно-активных веществ, что в совокупности с другими заявляемыми компонентами добавки обеспечивает синергетический эффект, проявляющийся в повышении устойчивости как в пресных, так и в минерализованных буровых растворах, а также в повышении смазочных и противоприхватных свойств добавки.
Технической задачей предлагаемого изобретения является сохранение высоких показателей смазочных свойств, таких как снижение коэффициента трения бурильного инструмента о стенки скважины и обсадную колонну, а также повышение противоприхватных свойств, таких как снижение коэффициента потенциального прихвата на границе «металл - глинистая корка» и «метал-металл» в пресных и минерализованных буровых растворах.
Поставленная задача решается тем, что получают смазочную добавку, содержащую растительное масло, синтетическую жидкость, сложный эфир жирных кислот растительных масел и поверхностно-активное вещество при следующем соотношении компонентов, мас. %:
Растительное масло
40-80%
Синтетическая жидкость
10-40%.
Сложный эфир жирных
кислот растительных масел
5-20%
Поверхностно-активное вещество
0,5-2%.
В качестве растительного масла используют рапсовое, подсолнечное, сурепное, кукурузное, соевое, пальмовое(олеин), льняное, касторовое, хлопковое, оливковое, кунжутное и другие. В предпочтительном варианте в качестве растительного применяют рапсовое, пальмовое, подсолнечное масла.
В качестве синтетической жидкости используют, например, дистиллятные нефтяные масла малой и средней вязкости, экстракты от селективной очистки остаточных нефтяных масел, дистиллятные и остаточные компоненты различной вязкости (углеводороды), углеводородные компоненты полученные гидрокрекингом и гидроизомеризацией, а также синтетические продукты (высокомолекулярные углеводороды, полиальфаолефины и другие) и их смеси.
В качестве сложного эфира жирных кислот растительных масел используют метиловый эфир жирных кислот, эфир этиленгликоля и жирных кислот, эфир глицерина и жирных кислот, триэтаноламиновый эфир жирных кислоты и другие.
В качестве поверхностно-активного вещества (далее по тексту - ПАВ) используют неионогенные ПАВ или цвиттерионнные ПАВ. В качестве неионогенных ПАВ используют, например, глицерил лаурат, оксиэтилированные спирты, например, оксиэтилированный моноалкилфенол. В качестве цвиттерионных используют, например, лецитин, аминокислоты, производные бетаина, например, кокаминопропил бетаин и имидазолин.
Технический результат, достигаемый при осуществлении заявленного изобретения, заключается в повышении смазочных свойств и снижении коэффициента потенциального прихвата на границе «металл - глинистая корка» и «метал-металл» в пресных и минерализованных буровых растворах.
Заявляемая смазочная добавка обладает следующим преимуществами по сравнению с прототипом:
1) Заявляемая добавка может применятся как в пресных, так и в минерализованных типах растворов, за счет присутствия в составе сложных эфиров жирных кислот, которые являются более устойчивыми в минерализованных средах, чем жирные кислоты. Кроме того, использование в составе добавки ПАВ обеспечивает легкую диспергируемость в пресных и минерализованных средах, не вызывая при этом вспенивания.
2) Применение заявляемой смазочной добавки позволяет формировать более прочную смазочную пленку на поверхности металла за счет присутствия в составе сложных эфиров жирных кислот, которые благодаря своей полярности притягиваются к положительно заряженным металлическим поверхностям, образуя тем самым прочный адсорбционный слой.
3) Синергетический эффект в результате сочетания компонентов смазочной добавки, а именно - жирных кислот растительного масла, синтетической жидкости и сложных эфиров жирных кислот, способствует образованию плотной и стабильной граничной пленки, благодаря которой уменьшается рост сил адгезии и сил сопротивления движению колонны труб, в результате чего снижается налипание выбуренной породы на элементы КНБК (компоновок низа бурильной колонны) и оборудование первичной системы очистки бурового раствора, уменьшает износ подвижных элементов циркуляционной системы, а также эффективно снижается коэффициент трения (Ктр).
4) Снижает фильтратоотдачу бурового раствора. Компоненты смазки хорошо адсорбируются на границе раздела фаз - жидкость/твердая фаза. В качестве твердой фазы в буровом растворе может быть бентонит или мел, которые формируют фильтрационную корку и частично снижают фильтратоотдачу раствора. Адсорбция смазки на поверхности твердых частиц делает фильтрационную пленку более плотной и затрудняет проникновение воды между частиц твердой фазы, что и приводит к снижению фильтратоотдачи бурового раствора.
5) Кроме того, заявляемая смазочная добавка не оказывает отрицательного воздействия на реологию бурового раствора, и хорошо совместима со всеми реагентами, применяемыми для обработки буровых растворов.
Далее будет приведен наиболее предпочтительный вариант осуществления изобретения, который тем не менее, не ограничивает другие возможные варианты осуществления явным образом следующие из материалов заявки и понятные специалисту.
Способ получения смазочной добавки к буровым растворам осуществляют следующим наиболее предпочтительным образом.
В реактор-смеситель загружают расчетное количество растительного масла, синтетической жидкости, сложного эфира жирных кислот растительного масла и ПАВ. Массу перемешивают в течении 30-60 минут при температуре 30-40°С. Получают готовый продукт, который далее разливают по бочкам.
Эффективность смазочной добавки оценивали по стандарту Американского нефтяного института на приборе Lubricity Tester фирмы OFITE путем определения коэффициента трения пары "металл-металл"(Ктр в паре «М-М»). ΔКтр - величина снижения коэффициента трения бурового раствора при наличии смазочной добавки. Для измерения коэффициента трения в паре «металл-фильтрационная корка» (Ктр в паре «М-ФК») использовали прибор ФСК-4Э. Для оценки противоприхватных свойств использовали прибор на определение прихватоопасности OFITE.
Исследовались смазочные свойства бурового раствора, обработанного следующими смазочными добавками:
1. Смазочная добавка "В1", мас. %: подсолнечное масло - 69,5; масло компонент МК-50 - 20; эфир этиленгликоля и жирных кислот - 10; глицерил лаурат - 0,5.
2. Смазочная добавка "В2", мас. %: рапсовое масло - 64; масло компонент МК-50 - 30; эфир глицерина и жирных кислот - 5; оксиэтилированный моноалкилфенол - 1.
3. Смазочная добавка "В3", мас. %: пальмовый олеин - 40; Масло базовое М-9С - 38; триэтаноламиновый эфир жирных кислот - 20; кокаминпропил бетаин - 2.
4. Смазочная добавка "В4", мас. %: соевое масло - 78; Масло базовое М-9С - 10; метиловый эфир жирных кислот - 10; имидазолин - 2.
Рецептуры минерализованных растворов с заявляемыми смазочными добавками представлены в таблице №1, где образец №1 контрольный (без смазочной добавки).
Рецептуры пресных растворов с заявляемыми смазочными добавками представлены в таблице №2, где образец №6 контрольный (без смазочной добавки), а образец №7 с использованием смазки-прототипа.
Результаты испытаний заявляемых смазочных добавок в минерализованных растворах приведены в таблице №3, в пресных растворах в таблице №4.
Таким образом, исходя из представленных результатов в таблице №3 и №4, можно сделать вывод, что заявляемая смазочная добавка показывает высокую эффективность показателей смазочных и противоприхватных свойств, таких как снижение коэффициента трения и коэффициента потенциального прихвата на границе «металл - глинистая корка» и «метал-металл» в пресных и минерализованных буровых растворах.