Смазочная добавка к буровым растворам
Изобретение относится к бурению нефтяных, газовых и геолого-разведочных скважин, а именно к смазочным добавкам для буровых растворов. Технический результат — сохранение высоких показателей смазочных свойств, а также повышение противоприхватных свойств на границе «металл — глинистая корка» и «металл — металл» в пресных и минерализованных буровых растворах. 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. 4 табл.
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.
Например, известна смазочная добавка для буровых растворов, содержащая легкое талловое масло, триэтаноламин, дополнительно содержит оксиэтилированный алкифенол С9Н19С6Н4O(C2H4)10ОН, пентамер пропилена при следующем соотношении ингредиентов, мас. %: легкое талловое масло 35-55, оксиэтилированный алкилфенол С9Н19С6Н4O(C2H4)10ОН 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 буровые смазочные добавки 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.