СМАЗОЧНАЯ ДОБАВКА ДЛЯ БУРОВЫХ РАСТВОРОВ Российский патент 2025 года по МПК C09K8/35 

Область техники, к которой относится изобретение

Изобретение относится к бурению нефтяных, газовых и геологоразведочных скважин, а именно к смазочным добавкам для буровых растворов на водной основе, применимым в операциях бурения.

Уровень техники

Смазочные добавки к буровым растворам необходимы для эффективного снижения коэффициента трения между колонной бурильных или обсадных труб при проведении спускоподъемных операций или вращательном бурении ротором и стенкой скважины. В результате действия смазочной добавки снижаются осевые усилия при подъеме бурильной колонны, облегчается движение бурильной и обсадной колонны вниз, снижаются моменты при вращении бурильной колонны. Особенно значимо влияние смазочной добавки при движении бурильной колонны или обсадной колонны в интервалах повышенной пространственной искривленности, протяженных пологих участках скважин, горизонтальных скважинах. Применение смазочных добавок облегчает доведение нагрузки до породоразрушающего инструмента и, следовательно, облегчает процесс наклонно-направленного бурения. При этом контакт бурильной или обсадной колонны со стенкой скважины может происходить в трех вариантах:

1. В паре метал-метал в интервале скважины перекрытой обсадной колонной;

2. В паре метал-горная порода, в свежепробуренном интервале;

3. В паре метал-фильтрационная корка бурового раствора в интервале открытого участка ствола скважины.

Снижения силы трения на всех поверхностях контакта, движущихся или перемещаемых элементов (деталей) бурильного инструмента и оборудования между собой, внутренней поверхностью обсадных труб, фильтрационной коркой и с горной породой. При этом снижается износ и повышается длительность эксплуатации бурильного инструмента, уменьшается вероятность осложнений процесса бурения вследствие снижения липкости фильтрационной корки и усиления ее триботехнических характеристик и как следствие облегчается движение бурильного инструмента, минимизируется вероятность возникновения дифференциальных прихватов бурильной или обсадной колонны.

Смазочные добавки должны удовлетворять следующим требованиям:

- повышать смазочные, противоизносные и противоприхватные свойства бурового раствора, в том числе в условиях высоких контактных дифференциальных давлений и температур;

- адсорбироваться на металлических поверхностях бурильной колонны и обсадных труб с образованием тонкого триботехнического слоя обеспечивающего эффективное снижение коэффициента трения в паре метал-метал;

- снижать липкость фильтрационной корки и увеличивать ее плотность и триботехнические свойства;

- легко диспергироваться в водной среде в том числе при температуре среды ниже 10÷15°С;

- не вызывать вспенивания бурового раствора;

- быть совместимой со всеми применяемыми химическими реагентами и не ухудшать технологических свойств бурового раствора;

- не оказывать негативного воздействия на окружающую при родную среду и персонал;

- легко утилизироваться после окончания бурения, как в отработанном буровом растворе, так и в буровом шламе;

- быть доступной и недорогой.

В связи с этим высока актуальность разработки составов эффективных, экологически чистых, доступных и недорогих смазочных добавок к буровым растворам, позволяющие существенно улучшить технико-экономические показатели бурения скважин.

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 положительное действие на буровые растворы.

В патенте US 11365365 (В2) (опубл. 21.06.2022) описана смазочная композиция для буровых растворов на основе монокарбоновых жирных кислот и алкильных эфиров (синтезированных из растительных масел). Предпочтительно, в качестве жирных кислот выбирают пальмитиновую кислоту или стеариновую кислоту (более 50% смеси жирных кислот). При этом алкильные эфиры берут в пропорции от 1:1 до 3:1. Подобная композиция является экологически приемлемой, но она трудно применима при низких температурах. Однако данная композиция по патенту US 11365365 сложна в производстве, так как требует наличия высокотехнологичного оборудования с проведением в две стадии глубокого органического синтеза при высоких температурах и потере массы получаемого продукта в результате отгонки воды. Кроме того, для производства алкильных эфиров предусмотрено применение более 50% чистых монокислот, которые сами по себе являются дорогим и ограниченно доступным продуктом. Таким образом полученная по данному патенту смазочная добавка имеет высокую итоговую себестоимость в результате сложного, энергозатратного производства из труднодоступного сырья.

Известна смазочная добавка к буровым растворам RU 2684657 С1 (дата подачи заявки: 28.05.2018). Смазочная добавка к буровым растворам содержит, мас. %: растительное масло 40-80; углеводородную синтетическую жидкость 10-40; сложный эфир жирных кислот растительных масел 5-20; неионогенное или цвиттерионное поверхностно-активное вещество 0,5-2.

Известна смазочная добавка для буровых растворов RU 2197511 С1 (приоритет от 28.05.2018), содержащая легкое талловое масло, триэтаноламин, дополнительно содержит оксиэтилированный алкифенол C₉H₁₉C_бH₄O(С₂Н₄)₁₀ОН, пентамер пропилена. В этой композиции пентамер пропилена вводится для уменьшения вязкости и в качестве растворителя, а алкидофенол (реагент с торговой маркой Неонол) выполняет роль эмульгатора. Недостатком является высокий расход смеси и повышение вязкости при низких температурах.

Перечисленные смазочные добавки так же, как по патенту US 11365365 являются сложными продуктами органического синтеза, кроме того, смазочная добавка оп патенту RU 2684657 С1 изготавливается из дорогих растительных масел в том числе пищевого назначения.

Известна смазочная добавка на основе отработанных моторных масел. Композиция раскрыта в патенте RU 2767461. Состав смазочной добавки по RU 2767461 сложен, состоит из 8÷9 компонентов, что обуславливает сложность в приготовлении и три вида жирных кислот, причем включает два чистых продукта (стеариновая и олеиновая кислота), которые на практике более дороги и менее доступны. Также углеводородная основа смеси в виде отработанных масел может сильно различаться по составу и отмечают токсичность такого продукта для окружающей среды и рабочего персонала. В этой композиции для обеспечения низкотемпературной текучести предусмотрено применение депрессорно-диспергирующей присадки Keroflux 3501. Депрессорно-диспергирующие присадки дороги и имеют ограниченный срок службы.

Сущность изобретения

Заявленная смазочная добавка призвана преодолеть указанные недостатки в аналогах и прототипе.

Технический результат заявляемого изобретения выражается в снижении коэффициента трения бурового раствора (табл.1), обработанного заявляемой смазочной добавкой при одновременном снижении ее расхода, а также уменьшение опасности возникновения дифференциальных прихватов при движении бурового инструмента в следствии уменьшения липкости и толщины фильтрационной корки.

Технический результат достигается тем, что смазочная добавка для буровых растворов содержит тяжелую фракции углеводородов, неионогенное поверхностно-активное вещество (НПАВ), взаимный растворитель и дополнительно смесь ненасыщенных карбоновых кислот с эфирами жирных кислот, выполняющую роль триботехнической присадки, при следующем соотношении компонентов, мас. %:

взаимный растворитель 10÷20 НПАВ 5 триботехническая добавка 5÷15 смесь тяжелых жидких углеводородов остальное

Заявляемая смазочная добавка обладает следующим преимуществами:

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 устойчивыми в минерализованной водной среде.

Кроме того, использование неионогенного ПАВ обеспечивает легкую диспергируемость в пресных и минерализованных средах и не вызывает избыточного 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 образуют прочный адсорбционный слой на поверхности металла.

3) Синергетический эффект в результате сочетания компонентов смазочной добавки, а именно жирных кислот растительного масла и эфиров жирных кислот, способствует образованию плотной и стабильной пленки, что облегчает продвижению труб и инструмента в скважине.

4) Заявленная смазочная добавка не оказывает отрицательного воздействия на реологию бурового раствора, и хорошо совместима со всеми реагентами, применяемыми для обработки буровых растворов (биоциды, ингибиторы коррозии, тампонажные добавки).

5) Смазочная добавка легко готовится и не требует длительного перемешивания и нагрева.

Входящие в смазочную добавку компоненты недефицитны и имеют крупнотоннажное производство.

Далее будут приведены варианты осуществления изобретения, которые тем не менее, не ограничивают другие возможные варианты осуществления явным образом следующие из материалов заявки и понятные специалисту.

Примеры.

Эффективность заявляемой смазочной добавки для буровых растворов подтверждается результатами исследований на конкретных составах, которые приведены в табл.1.

В составе смазочной добавки для буровых растворов используют не оказывающих негативного воздействия на окружающую природную среду и токсического воздействия на персонал, недорогую и доступную активную основу в виде тяжелых фракции углеводородов или их смесь со средними фракциями в диапазоне кипения выше 250°С (предпочтительно мазут флотский Ф5, мазут топочный M100 (ГОСТ 10585-99), некондиционные мазуты).

Для обеспечения низкотемпературной текучести смазочной добавки для буровых растворов заявляемого состава не требуется применение дорогих депрессорно-диспергирующех присадок, технический результат по обеспечению текучести смазочной добавки при отрицательных температурах достигается вводом в ее состав смеси легких фракций углеводородов с температурой кипения 110÷130°С (предпочтительно бензин «калоша», сольвент, нефрас или их смеси), или фракции пентамеров пропилена, или их смеси с одновременным вводом присадки для обеспечений оптимального диспергирования смазочной добавки в буровом растворе на водной основе без интенсивного перемешивания и нагрева. Диспергирующая присадка по данной заявке представлена неионогенными ПАВ предпочтительно техническая смесь изомеров оксиэтилированных алкилфенолов на основе тримеров полипропилена (например, продукт под торговой маркой НЕОНОЛ) или ОП-7/ОП-10, или оксид лаурамина и пр.

Смазочная добавка для буровых растворов заявляемого состава обладает более высокими по сравнению с прототипом триботехническими и эксплуатационными свойствами (табл.2) в результате применения более чистых компонентов не содержащих в своем составе воды, механических примесей и продуктов разложения с одновременным применением высокоэффективной триботехнической добавкой представляющей собой синергетическую смесь (табл.3) высших непредельных карбоновых кислот (предпочтительно рапсового, подсолнечного, соевого масла) с эфирами жирных кислот (предпочтительно метиловыми, или изопропиловыми эфирами, полученные в процессе кислотного катализа).

Как видно из данных в таблице 3, смесь рапсовое масло - метиловый эфир жирных кислот (колонка 4) работает лучше в конечной смазочной добавке, чем исходные компоненты (колонка 2 и 3). Остальные компоненты смазочной добавки - как в таблице 1, примеры 3÷4.

Триботехнические свойства смазочной добавки тестировались на установке для определения смазочной способности буровых растворов УСР-1М. Определение смазывающей способности буровых растворов производилось посредством измерения коэффициента трения между трущимися поверхностями, помещенными в буровой раствор плотностью 1,12 г/см³ при введении 2% об. исследуемой смазочной добавки.

Как видно из приведенных результатов, заявляемая смазочная добавка для буровых растворов превосходит смазочную добавку по прототипу.

Обработка бурового раствора производится путем прямого введения данной смазочной добавки в товарном виде тонкой струей под перемешиватель или через гидравлическую воронку в количестве от 0,5 до 5 об.% (при оптимальной концентрация 2 об. %) в зависимости от геолого-технических условий бурения. При ее использовании обеспечивается снижение коэффициента трения на 50÷95%. Промысловые испытания подтвердили высокую эффективность заявляемого состава.

Изобретение относится к реагентам для оптимизации буровых растворов. Технический результат - снижение коэффициента трения бурового раствора, обработанного заявляемой смазочной добавкой при одновременном снижении ее расхода, а также уменьшение опасности возникновения дифференциальных прихватов при движении бурового инструмента. Смазочная добавка для водных буровых растворов содержит, мас.%: взаимный растворитель - смесь легких фракций углеводородов с температурой кипения 110-130°С или смесь пентамеров пропилена 10-20; неионогенное поверхностно-активное вещество 5; триботехническую добавку 5-15; смесь жидких углеводородов - остальное. При этом в качестве триботехнической добавки используют смесь ненасыщенных карбоновых кислот с эфирами жирных кислот, содержащую 20-60 мас.% непредельных жирных кислот растительных масел из группы: рапсовое масло, подсолнечное масло, соевое масло, при соотношении высших непредельных карбоновых кислот и эфиров жирных кислот 1:1. А в качестве смеси жидких углеводородов используют смесь тяжелой фракции углеводородов - смеси жидких углеводородов с температурой кипения выше 250°С и взаимного растворителя - смеси легких фракций углеводородов с температурой кипения 110-130°С или смеси пентамеров пропилена. 4 з.п. ф-лы, 3 табл.

1. Смазочная добавка для водных буровых растворов, содержащая тяжелую фракции углеводородов, неионогенное поверхностно-активное вещество НПАВ, отличающаяся тем, что содержит в качестве тяжелой фракции углеводородов смесь жидких углеводородов с температурой кипения выше 250°С и дополнительно взаимный растворитель - смесь легких фракций углеводородов с температурой кипения 110-130°С или смесь пентамеров пропилена и триботехническую добавку - смесь ненасыщенных карбоновых кислот с эфирами жирных кислот, содержащую 20-60 мас.% непредельных жирных кислот растительных масел из группы: рапсовое масло, подсолнечное масло, соевое масло, при соотношении высших непредельных карбоновых кислот к эфирам жирных кислот 1:1, при следующем соотношении компонентов, мас.%:

указанный взаимный растворитель 10-20

НПАВ 5 указанная триботехническая добавка 5-15 указанная смесь жидких углеводородов остальное

2. Смазочная добавка по п. 1, которая в качестве смеси жидких углеводородов с температурой кипения выше 250°С содержит мазут или некондиционный мазут.

3. Смазочная добавка по п. 1, которая в качестве НПАВ содержит смесь оксиэтилированных алкилфенолов на основе тримеров полипропилена, или смачивающий агент ОП -7 или ОП-10, или оксид лаурамина.

4. Смазочная добавка по п. 1, в которой указанная триботехническая добавка содержит в качестве эфиров жирных кислот метиловые или изопропиловые эфиры, получаемые кислотным катализом жирных кислот.

5. Смазочная добавка по п. 1, которая дополнительно содержит антикоррозийный агент - имидазолин.