СМАЗОЧНАЯ ДОБАВКА К БУРОВЫМ РАСТВОРАМ Российский патент 2001 года по МПК C09K7/06 

Изобретение относится к области бурения нефтяных и газовых скважин, в частности к смазочным добавкам к буровым растворам.

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 [Самотой А.К. Предупреждение и ликвидация прихватов труб при бурении скважин. - М.: Недра. - 1979. С. 62-65; Вопияков В.А., Гудок Н. С. , Посташ С. А., Струков Г.И., Данилова Г.Ф. Применение омыленных жирных кислот для вскрытия продуктивных пластов //Нефтяное хозяйство. N 2. - 1975. - С. 21-24]. 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 [Андерсон Б.А., Абрахманов Р.Г., Шарипов А.У., Бочкарев Г.П. Экологически чистые смазочные добавки для приготовления буровых растворов.- М. : ВНИИОЭНГ. - 1991. С. 29-31], а также некоторых природных жирных кислот, в частности, кислот легкого таллового масла (ЛТМ) [Мотылева Т.А., Шаляпин М. М. , Ковешников В.И., Крупнов В.В. Легкое талловое масло - добавка к буровым растворам //Газовая промышленность. N 6, 1988, С. 28-29]. При этом образуются эластичные смазочные слои повышенной прочности в результате омыления жирных кислот непосредственно на металлической поверхности.

С другой стороны, 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, как наиболее индифферентные к водной фазе и характеризующиеся высокой гибкостью в результате свободного вращения вокруг химических связей. 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 C₉ и выше) - твердые, экологически небезопасные вещества.

В практике бурения предложено использовать химические реагенты на основе синтетических жидкостей (СЖ), представляющих собой высшие углеводороды предельного ряда с точечными олефиновыми фрагментами (альфаолефины, полиальфаолефины), применяющиеся в качестве смазочных добавок к буровым растворам (Патент США N 4876017, C 09 K 7/06, 1989), а также ацетали, использующиеся для получения эмульсионных буровых растворов (Заявка РФ N 95115981/03, C 09 K 7/00, 1997). В качестве наиболее близкого аналога (прототипа) выбрана смазочная добавка к буровым растворам, содержащая воду, полиальфаолефин с молекулярной массой 500-2000 (Патент США N 4572790, C 09 K 7/00, 1986). Оптимальное содержание этой добавки в буровом растворе составляет 0,2 - 3 мас. %.

Смазочная добавка-прототип обладает следующими недостатками:
1. Образование малоэффективных питтинговых смазочных слоев, обеспечивающих лишь фрагментальное экранирование поверхности трения в результате неравномерного распределения малорастворимой смазки в водной фазе бурового раствора.

2. Низкая прочность смазочных слоев, особенно в условиях тангенциальных нагрузок, из-за весьма ограниченной способности углеводородов к адсорбции на гидрофильной металлической поверхности, осуществляющейся исключительно за счет слабых Ван-дер-Ваальсовых сил.

3. Не происходит образования плотных полимолекулярных адсорбционных слоев, так как весьма слабое поле поверхностных сил практически полностью скомпенсировано в первичном монослое, характеризующемся разряженностью и рыхлостью, что не способствует значительному снижению коэффициента трения в паре сталь-глинистая корка.

Задачей изобретения является создание новых смазочных добавок, характеризующихся высокой диспергирующей способностью в водной фазе буровых растворов, способствующих существенному снижению коэффициента трения, образующих плотные смазочные слои, устойчивые в условиях тангенциальных и нормальных нагрузок.

Сущность изобретения заключается в том, что новая смазочная добавка к буровым растворам, включающая синтетическую жидкость, нейтрализующий агент и воду, в качестве синтетической жидкости содержит ацетали или альфаолефины, или полиальфаолефины, жирные кислоты высшего ряда с C₉ и выше, а в качестве нейтрализующего агента - гидроокиси щелочных металлов при следующем соотношении компонентов, мас.%:
указанная синтетическая жидкость - 10-35
указанные жирные кислоты - 60-8
указанный нейтрализующий агент - 0-3
вода - остальное.

Новую смазочную добавку получают смешением СЖ с частично нейтрализованными жирными кислотами до получения однородного раствора или нейтрализацией смеси СЖ с неомыленными жирными кислотами.

Новая смазочная добавка оптимально сочетает положительные качества жирных кислот и СЖ. В результате взаимодействия между углеводородными цепями жирных кислот и их солей с алкильными радикалами СЖ образуются новые гидрофобные комплексы, обладающие высокими поверхностно-активными свойствами за счет развитой гидрофобной части. В приближении такие комплексные ПАВ можно рассматривать как СЖ, молекулы которых модифицированы анионными (или полярными) группами. Таким образом, в новой смазочной добавке модифицированные СЖ (МСЖ) приобретают свойства ПАВ и весьма активны на трущихся поверхностях.

Новая смазочная добавка обладает следующими преимуществами по сравнению с прототипом:
1. Более высокая совместимость с водной фазой бурового раствора в результате мицеллярного диспергирования МСЖ, что приводит к образованию плотных равномерных смазочных слоев, эффективно экранирующих поверхность трения.

2. Применение новой смазочной добавки обеспечивает формирование более прочных адсорбированных слоев, по сравнению с прототипом, так как МСЖ обладают способностью к хемосорбции в результате взаимодействия гидрофильных групп (полярных или анионных) с окисными пленками металлической поверхности.

3. При использовании новой смазочной добавки имеет место полимолекулярная адсорбция с нормальной ориентацией алкильных радикалов в хемосорбционном монослое, образованном мицеллами МСЖ. Такая текстура смазочного слоя обеспечивает гораздо более низкое значение коэффициента трения бурового раствора, обработанного новой смазочной добавкой по сравнению с аналогичным буровым раствором, содержащим смазку-прототип. Кроме того, насыщенные хемосорбционные слои со сверхплотной упаковкой мицеллярных структур МСЖ, характерные для новой смазочной добавки, обладают более высокой устойчивостью к действию тангенциальных и нормальных нагрузок по сравнению с рыхлыми анизотропными смазочными слоями, образованными молекулами добавки по прототипу.

В качестве альфаолефинов можно использовать продукты с числом углеродных атомов от 8 до 26 или их смеси, например, линейные альфаолефины фракций C₈-C₁₀, C₁₂-C₁₄, C₁₆-C₁₈, C₂₀-C₂₆ производства ОАО "Нижнекамскнефтехим"; в качестве полиальфаолефинов - продукты производства отечественных производителей (например, АО "Ангарскнефтеоргсинтез") и зарубежных фирм (например, "M-Y Drilling Fluid Co"; "Nexbase" и др.); в качестве ацеталей - продукты производства фирмы "Hoechst".

В ходе лабораторных испытаний проводились измерения коэффициента трения (k_тр.) буровых растворов, обработанных новой смазочной добавкой (исследования проводились на приборе фирмы Baroid (США), который позволяет получить полную картину поведения буровых растворов в условиях постоянно возрастающей нагрузки от 0,34 до 4,13 МПа с фиксацией для каждого образца своей предельной нагрузки (P_max), при которой достигается полное разрушение смазочного слоя). Прочность смазочного покрытия характеризовали величиной показателя эффективности смазочного действия (ЭСД), имеющего смысл удельного коэффициента трения смазочной пленки, для которой предельная нагрузка составляет 1 МПа. ЭСД вычисляется по следующей формуле:
ЭСД = k_тр./P_max.
Исследовались смазочные свойства глинистого бурового раствора (содержание глины - 5,8%), обработанного следующими смазочными добавками:
1. Смазочная добавка "S1", мас.%: полиальфаолефин марки "Nexbase 2002S" - 35; ЛТМ - 60; вода - 5.

2. Смазочная добавка "S2", мас.%: полиальфаолефин по п.1 - 10; ЛТМ - 80: вода - 10.

3. Смазочная добавка "S3", мас.%: полиальфаолефин по п.1 - 33; ЛТМ - 56; КОН-3; вода - 8.

4. Смазочная добавка "S4", мас. %: альфаолефин (фракции C₁₆-C₁₈) (ТУ 38.402-69-73-89)-33; ЛТМ-56; КОН-3; вода-8.

5. Смазочная добавка "S5", мас.%: ацеталь марки "Hostafluid V 4120"- 33; ЛТМ - 56; КОН-3; вода - 8.

Результаты испытаний новых смазочных составов приведены в таблице. Как видно из приведенных данных, новые смазочные составы обладают значительно более высокой эффективностью по сравнению с прототипом и обеспечивают многократное снижение коэффициента трения исходной суспензии, а также создание смазочных слоев повышенной прочности.

Важным свойством новых смазочных добавок является безопасность их применение для окружающей среды, так как используемые СЖ практически полностью (на 80-90%) подвергаются биоразложению в аэробных и в анаэробных условиях.

Добавка относится к области бурения нефтяных и газовых скважин, в частности к смазочным добавкам к буровым растворам. Техническим результатом является высокая диспергирующая способность в водной фазе буровых растворов, снижение коэффициента трения, образование плотных смазочных слоев, устойчивых в условиях тангенциальных и нормальных нагрузок. Смазочная добавка к буровым растворам, включающая синтетическую жидкость, нейтрализующий агент и воду, содержит в качестве синтетической жидкости ацетали, или альфаолефины, или полиальфаолефины, жирные кислоты высшего ряда с C₉ 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. 1 табл.

Смазочная добавка к буровым растворам, включающая синтетическую жидкость, нейтрализующий агент и воду, отличающаяся тем, что она 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