Смазочная добавка для неминерализованных глинистых буровых растворов Советский патент 1983 года по МПК C09K7/06 

СП

Изобретение относится к бурению нефтяных и газовых скважин, в част ности к смазочным добавкам для буровых растворов, снижающим трение и износ трущихся элементов. Известно использование в качест ве смазочных добавок для буровых растворов нефти, графита, полиокси этилированных алкилфенолов, сульфо нола и т.п. 1 . Известные смазочные добавки в одних случаях обладают недостаточной эффективностью и требуют большого расхода,в других - плохо диспергируются в водных растворах или эффективно работают только в растворах с малой щелочностью (рН $9,5). Наиболее близким к изобретению является использование для повыиения смазочных свойств буровых раст воров высокомолекулярных карбоновы кислот, содержащихся в продуктах масложировой, нефтеперерабатывающе и химической про1«вЛ1шенностей (гидронах, жирных кислотах, окисленном петролатуме и т.п. или их натриевы мыл) 2 ,. . Однако высокомолекулярные карбо новые кислоты или их натриевые мы недостаточно эффективно улучшают п тивоизносные и противозадирные свойства буровых растворов-, в резу тате чего проходка на долото при и применении увеличивается всего на 30-40% из-за быстрого износа узлов I долота. Цель изобретения - повышение противоизносиых и противозадирных свойств .буровьис растворов. Поставленная цель достигается тем/ что смазочная добавка для неминерализованных глинистых буровых растворов, содержащая высокомолекулярные карбоновые кислоты или натриевые мыла высокомолекулярных карбоновых кислот, дополнительно содержит соли меди высокомолекулярн карбоновых кислот при следующем соо ношении ингредиентов, вес.%: Соли меди высокомолекулярных карбоновых кислот50-60Высокомолекулярные карбоковые кислоты или натриевые мыла высокомолекулярных карбоиовых кислот Остальное Предлагаемую смазочную добавку получают из отходов или побочных продуктов масложирового, нефтегазоперерабатывающего и химического производства, содержащих высокомолекулярные карбоновые кислоты и их производные с числом атомов углерода 9 и более, которые обрабатывают Iводным раствором сульфата или хлорида меди или другими медьсодержащими веществами, взятыми в определенном соотношении, обеспечивающими омеднение 50-60 вес.% жирных кислот исходного продукта при температуре кипения смеси в течение 15-20 мин с постоянным перемешиванием, после чего от охлажденной реакционной смеси отделяют омедненную смазочную добавку отстаиванием и при необходимости осуществляют частичное омыление ее известным методом например, обработкой едким натром. При воздействии на жирные кислоты щелочи или соле,й меди происходит замещение водорода гидроксила с образованием мыла или соли меди жирных кислот. Для предельных и непредельных жирных кислот введение меди может выполняться по одному из следукнцим вариантов (R - радикал жирных кислот): с медным купоросом ((сульфатом меди) CuS04 (концентрированный водный раствор) .Си904-5Н,(1) -R-c;ocuo/ - 2S04 5 0 с черным оксидом меди СиО или минералом теноритом 0 loo-i-ZO c 0 О ( 2R-ct.,,O.CR.H,0 Возможно использование и других медьсодержащих веществ (минерала азурита, водного раствора хлорида меди и пр.). Расчет потребного количества медьсодержащих веществ следует производить по их чиспу опыления по формуле где М,Мц|ЭЦ - молекулярные веса соответственно медьсодержащего вещества и кон; Tq - число омыления исходного сырья, мг KOH/rJ п - отношение числа молекул жирных кислот в формулах (1) и (2) к числу молекул жирной кислоты в реакции с КОН RCOOH + КОН RCOOK+H20; - степень насыщения смазочной добавки медными солями жирных кислот; CM где NM - количество медьсодержащего вещества, затраченное на реакцию, Нщ - количество медьсодержащего вещества, необходимое для полного насыщения медью смазочной добаЕ1КИ, определяемое по формуле ( 3) при С )л 1. Для jipHiTjTOBJU.iiHfl предла1аемой смазочной доЬавки используют; жирные кис;1оты (жк) , являю1пи1 ся , н час ности, отходами проианодства себ;ши новой кислоты, с кислотинм числом не менее 130 мг КОН, числом омыленя не менее 140 мг КОН, содержанием жирных кислот С,,,- C(j до 79%; смеси гудронов (СГ) с кислотным числом не менее 60 мг КОН, числом омыления не менее 130 мг КОН, мол,весом 470 и более, содержанием жирных кислот С((, - С 64-88%; окисленный петролатум, вырабатываемый для производств смазочной добавки к буровым растворам под товарным названием СМАД-1, с кислотным числом не менее 20 мг КОН, числом омыления не менее 127 м КОН и мол. весом 420-475, Смазочную добавку готовят следую щим образом. Пример 1. Для приготовлени смазочной добазки используют жирную кислоту (ЖК) с числом омыления Гд 150 мг КОН и сульфат меди 5}1 с мол. весом Mff, 249,5. Мол. вес КОН Мцрц 56. Приняв С 0,5, определяют необходимое количес во медьсодержащего вещества по формуле (3) Р 200 кг/т. Для полног насьцдения (C, 1) требуется 334 кг В соответствии с расчетом 20 г сульфата меди, растворенных в 200 см Н2О, нагревают до т.кип. По ле нагревания в раствор вводят 100 г ЖК. При постоянном перемешивании смесь нагревают до т.кип. и кипятят при перемешивании 15 мин. После охлаждения производят отделение методом отстаивания жирной кислоты, прореагировавшей с ионами мед от водного раствора. Титрование отделенного водного раствора показывает, что для омедне ния жирных кислот используют 17 г сульфата меди, т.е. степень насыщения медными солями жирных кислот , Cjv( 0,51, или в исходный продукт вводят 51% солей меди жирных кислот Полученный продукт, состоящий из смеси 49% высокомолекулярных карбоновых кислот и их производных и 51% их солей меди, частично омыляют (степень омыления 0,4 известным методом едким натром RCOOH +NaOH RCOONa +HjO.. Оценивают эффективность полученнсэй смазочной добавки. П р и м е р . 2. Для приготовлений с;.1азочной добавки используют СГ с числом омыления г 160 мг КОН и сульфат меди CuSOj . 5i., При С 0,6 необходимое количество медьсодержащего вещества составляет Р 214 кг/т, а при С 1 Р 356 кг/т, В соответствии с расчетом 23 г сульфата меди, растворенных в 200 , нагревают до т.кип. В нагрет)лй раствор вводят 100 г СГ. При постоянном перемешивании смесь нагревают до т.кип. и кипятят в течение 20 мин. После охлаждения произвсшят отделение методом отстаивания (;;меси гудронов, прореагироваЕшеП с ионаг и меди, от водного растгора . 1:итрование отделенного водного pacTBOj.)a показывает, что для омедненип жирных кислот смеси гудронов испольауют 18,9 г сульфата меди, т.е. степень насыщения медными солями жирчых кислот Су 0,56. Полученный продукт, состоящий из смеси 44% высокомолекулярных карбоновых кислот и их производных и 56% их солей меди, используют в качестве смазочной добавки для буровых растворов. Аналогичным способом производят омеднение ЖК, СГ, окисленного петролатума (на 54%) другими медьсодержащими веществами. Протироизносные свойства неминерализованных глинистых буровых растворов, содержаицих смазочные.добавки, оценивают по диаметру пятна износа шариков на четырехшариковой машине МЛСТ-1. Износ шариков проводят при нагрузке, содержащей контактные напряжения 41000 кгс/см , частота вращения шпинделя 1 об/мин при суммарном числе оборотов 15, т.е. по принятой методике для оценки смазочных свойств буровых растворов. Перед испытаниями буровые растворы со смазочными добавками перемешивают в миксере в течение 5 мин при 5000 об/мин. . В табл. 1 приведены результаты сравнительных испытаний омыленных, (до степени 0,4) ЖК, СГ, а также окисленного петролатума (сМАД-lJ и растворов с предлагаемыми добавками (обозначено М).

Т а б л и ц -I 1

Исходный глинистый раствор из бентонитовой глины, о 1,05 гс/см

0,045

Исходный раствор +

0,022 2% ОЖК

Исходный раствор + 2% ОЖКМ омедненных)

0,012

Исходный раствор -40,019 3% СГ

Исходный раствор + 3 СГМ (омедненных)

0,014

Исходный раствор + 3% СМАД-1 (окисленный

0,028 петролатум)

Исходный раствор +

3% СМАД-1 (с омедненным

окисленным петролатумом)

.0,022 Приведенные в табл. 1 результаты сравнительных испытаний свидетельствуют, что введение в буровой раствор 2-3% предлагаемой смазочной добавки в зависимости от используе-; мой основы (отходов) в 2,1-3,75 раз снижает износ или во столько же раз повышает противоизносные свойст ва бурового раствора. Таким образом эффективность омедненной смазочной добавки по улучшению противоизностных неминерализованных глинистых растворов на 27-83% выше по сравнению с применяемыми в добавками. Особенно эффективны омедненные О1 «:шеннь)е жирные кислоты (ОЖКМ) и неомыленная смесь гудронов (СГМ, повышающие смазочные способности промлвочных жидкостей в 3,2-3,75 раза. Влияние омеднения смазочной добав ки на основе отходов и побочных про1,0

0,22

0,49

1,0 0,27

0,55

0,42

1,0

0,08

0,31

0,74

0,1

0,62

1,0

0,06

0,49

0,79

0,083 дуктов, содержащих высокомолекулярные карбоновые кислоты и их производные, на противозадирные свойства буровых растворов оценивают на испытательной машине трения МИ-1М при трении скольжения образцов из стали 20ХНЗА, термообработанной до твердости НВС 57-59/ по стали 40 ХН с HRC 53-55, т.ее применяют долотные стали. Изнашивание производят в присутствии буров1ых растворов с различными смазочными добавками при скорости скольжения 1 м/с и различных удельных нагрузках, возникновение которых возможно при работе долот. В табл. 2 приведены результаты изнашивания в среде глинистого раствора из бентонитовой глины с добавкгши ОЖК (омыленных до степени 0,4) и омедненных омыленных жирных кислот (ОЖКМ). Исходный глинистый раствор из бентонитовой глины, „ р 1,05 г/см 2,37 6,1 14,3 Исходный раствор -f 1,25 1,57 2,3 13,7 3% ОЖК . Исходный раствор % 0,59 0,76 0,81 0,93 3% ОЖКМ Анализ результатов исследований показывает, что в глинистом растворе с добавкой ОЖК при лцельной нагрузке свыше 400 кгс/см наблюдается увеличение интенсивности изнашивания и коэффициента трения. При удельной нагрузке свыше 600 кгс/см отмечается наступление явлений схватывания с резким возрастанием интенсивности изнашивания и коэффициента тре ния. При добавке в буровой раствор омедненных омыленных жирных кислот (ОЖКМ) некоторое увеличение интенсивности изнашивания и коэффициента тре ния отмечается только после увеличения удельной нагрузки до 1000 кгс/см (дальнейшее увеличение нагрузки огра ничивает характеристика машины МИ-1м} Приведенные данные позволяют сделать вывод, что применение омедненной смазочной добавки повышает противозадирные свойства неминерализованных глинистых буровых растворов по величине удельной нагрузки до наступления схватывания более lew в два раза (с 400-600 до 1000 кгс/см и более)по сравнению с применением неомедненной смазочной добавки или .повышает противозадирные свойства

Буровой раствор

Глинистый раст- , вор, р 1,05 ГС/СМ + 2% ОЖКМ 0,022 0,016 0,013 0,012 0,013 0,015

Таблица J

Абсолютный, износ шариков, мм, при различной степени насыщения fc/ц) смазочной.добавки медными солями жирных кислот

о Jo,2 |0,4 Го,51 Т 0,7 о,8 1,0 2,57 2,34 - 1,0 1,26 1,46 5,96 1,3 1,0 1,29 1,07 1,15 1,4 промывочной жидкости, у которой наблюдаются я:вления схватывания уже при удельной нагрузке около 150 кгс/см, в 5-7 раз. Учитывая удельные нагрузки, возникающие при работе в опоре долота, с применением омедненной смазочной добавки в опорах долот отсутствуют явления схватывания. Вместе с тем эти данные еще раз подтверждают вывод (табл. 1) о значительном повыш| нии противоизносных свойств буровых растворов с омедненной смазочной добавкой, если оценку производят и по интенсивности изнашивания. В процессе испытаний производят , оценку оптимального содержания со-:лей меди жирных кислот в смазочной добавке и смазочной добавки в буровом растворе. В табл. 3 приведены результаты испытаний бентонитового глинистого раствора с 2% добавки омедненных омыленных жирных кислот (ОЖКМ) при различной степени иасьЕцення их солями меди жирных кислот, проведенными на маииине МАСТ-1, по приведенной методике. ТаблицаЗ

Относительный износ,мм, при различБуровой раствор ной степени насыщения CJ

Глинистый растL Jin nin XCHjn JJOV-i.-

вор, n 1,05 ГС/CM.

+ 2%-ожКМ 1,33 1,33 1,08 1,0 1,08 1,25

Как видно из данных табл. 3, оптимальное насыщение или содержание солей меди жирных кислот в смазочной добавке составляет 50-60%.

В табл.. 4 приведены результаты оценки смазочных свойств бурового

Глинистый раствор из бентонитовой глины; J р 1,05 ГС/см 0,013 0,012 0,11 0,015 0,032 1,13

Как видно из данных табл. 4, оптимальное содержание смазочной добавки в буровой промывочной жидкости составляет 2-3 об.%, т.е. Находится в тех же пределах, что и для известных смазочных добавок.

Предлагаемая омедненная добавка будучи омыленной, хорошо диспергируется в водных растворах, не требует растворителя и непосредственно вводится в буровые растворы из г-юрной емкости.

В то же время омедненную, но не омыленную смазочную добавку следует растворять в дизельном топливе Е соотношении 1:3 для снижения вязкости. Наличие связанной меди

Продолж ;иие табл. 3

О I 0,2 0,41о,51Го,7 Го,8

раствора с различным содержанием смазочной добавки в виде омедненных омыленных жирных кислот (ожкм), оцененных по диаметру пятна износа на машине МАСТ-1 и по интенсивности изнашивания на машине МИ-1М с ,удель.ной нагрузкой 400 кгс/см.

Таблица 4

1,07 0,76 1,09

в смазочной добавке позволяет использовать при и износе деталей породоразрушающегося и бурильного инструмента, а также бурового оборудования в среде бурового раствора явление избирательного переноса, значительно снижающего износ и отдаляющего наступление режима схватывания. Предлагаемая смазочная добавка не оказывает отрицательного воздействия на реологические и фильтрационные свойства неминерализованных глинистых 6ypOBFJX растворов. Более того, она снижает водоотдачу необработанного глинистого раствора, что позволяет снизить расход реагентов-пони ,гг(лей водоотдачи (табл. З) .

Исходный глинистый раствор из бентонитовой глины

Исходный раствор +3% ОЖКМ (омыленных омедненных жирных кислот)Результаты сравнительных испытаНИИ неомыленных жирных кислот, а также омыленного (ооп) и неокплленного окисленного петролатума СМАД-1 в сравнении с теми же добавками, чо омедненными (обозначено н), приведены в табл. 6. Полученные резульИсходный глинистый раствор из бентонивой глины, |Э 1,05 ГС/см

Исходный раствор +

3% ЖК + 3% дизтоплива

Исходный раствор+

3% ЖКМ + 3% дизтоплива

Исходный раствор+ 3% СМАД-1. (окисленный петролатум)

Исходный растворн3% СМАД-1М (с омедненным окисленным петролатумом)

Исходный раствор+ 3% ООП (омыленного окисленного петролатума) + 3% дизтоплива

Исходный раствор+ 3% ООПМ (омедненного окисленного петролатума) + 3% диэтоплива

(Таблица 5

27/36

17

6/15

9,5

таты свидетельствуют, что для получения смазочной добавки возможно использование омыленных (натриевых мыл) и неомыленных высокомолекулярных карбоновых кислот и их прризводных. Омыление производят едким натром до степени 0,4.

6

1

0,56 0,84 0,47

1

0,62

0,49 0,78

0,083

0,71 1,14

0,078

0,53 0,86

0,097

1310511051

Таким образом, преАпагаемая сма- тивоиэкосные и на 100% противозадир зочная добавка позволяет улучшить ные свойства растворов по сравнению противоиакосные свойства неминерали- с известными.смазочными добавками и, зованных глинистых буровых растворов .следовательно, значительно снизить в 2,1-3,75 раза и противозадирные в износ и расход бурильного и породо5-7 раз, т.е. повысить на 27-83% про-5 разрушагацего инструмента.