Смазочная добавка к буровым растворам

 

Добавка относится к области бурения нефтяных и газовых скважин, в частности к смазочным добавкам к буровым растворам. Техническим результатом является обеспечение снижения коэффициента трения бурового раствора и низкая температура застывания. Смазочная добавка к буровым растворам, включающая жирные кислоты, нейтрализующий агент и воду, содержит жирные кислоты синтетические и/или природные с C₇ 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 C_2-5 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. 1 табл.

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, степень нейтрализации которых составляет 0,4 /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/. Такие смазочные добавки характеризуются удовлетворительной совместимостью с глинистыми буровыми растворами, обуславливающей их широкое применение.

В качестве прототипа, по совокупности свойств, выбрана смазочная добавка, содержащая жирные кислоты высшего ряда (C₁₄ и выше), а также воду и нейтрализующий агент, в качестве которого используют неорганические гидраты щелочных металлов /Самотой А.К. Предупреждение и ликвидация прихватов при бурении скважины. : М. - Недра. - 1979. - С. 62/. Источниками жирных кислот служат жирные глицериды (хлопковое, льняное, талловое и другие масла).

Основным недостатком прототипа является его сравнительно слабая совместимость с глинистыми буровыми растворами из-за низкой степени нейтрализации жирных кислот, которая не превышает 0,45. Поэтому такая смазочная добавка неравномерно распределяется в объеме бурового раствора и образует на металлической поверхности фрагментальный "питтинговый" смазочный слой, малоэффективный в условиях тангенциальных напряжений, возникающих при движении колонн труб в скважине. Кроме того, такой разреженный смазочный слой не обеспечивает в достаточной мере снижение адгезионной составляющей силы трения, противодействующей поступательному перемещению колонны. Повышение содержания нейтрализующего агента, обеспечивая более количественную нейтрализацию жирных кислот, неизбежно приводит к уменьшению процентного содержания жирных кислот в смазочной добавке, снижая тем самым ее эффективность. Кроме того, повышение доли жирных кислот в смазочной добавке нежелательно еще и поэтому, что действие готовых мыл менее эффективно, чем не нейтрализованных жирных кислот, которые образуют органометаллические мыла непосредственно в зоне трения.

Задачей изобретения является создание высокоэффективной смазочной добавки, обеспечивающей значительное снижение (на 85 - 90%) коэффициента трения исходного бурового раствора, обладающей низкой температурой застывания (-15 - -20^oC).

Сущность изобретения заключается в том, что смазочная добавка к буровым растворам, включающая жирные кислоты, нейтрализующий агент, содержит жирные кислоты синтетические и/или природные с C₇ выше, а в качестве нейтрализующего агента - неорганические основания или их смеси и дополнительно - азотсодержащие органические основания или их смеси и низшие одноатомные спирты с C_2-5 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 Новая смазочная добавка обладает следующим преимуществами: 1. Присутствие в новой смазочной добавке азотсодержащих органических оснований приводит к появлению смешанных мицелл, образованных как молекулами органометаллических ПАВ, так и молекулами анионных ПАВ с органическими противоионами. Органические противоины представляют собой соединения с четвертичным азотом, характеризующиеся гораздо более низкой энергией гидратации по сравнению с катионами щелочных металлов. Поэтому система анионное ПАВ - органический катион преимущественно существует в состоянии ассоциированной ионной пары. Таким образом, часть молекул, образующих мицеллы ПАВ, представлена ионными ассоциатами и вследствие этого электронейтральна. Это приводит к снижению удельного поверхностного заряда мицелл и значительной их гидрофобизации. Поэтому критическая концентрация мицеллообразования (ККМ) смешанных мыл ниже по сравнению с ККМ жирных кислот, нейтрализованных гидроокисями щелочных металлов. В результате этого новая смазочная добавка обладает более высокой коллоидной растворимостью в водной фазе бурового раствора по сравнению с прототипом. Кроме того, более высокая концентрация мицеллярных структур в буровом растворе, обработанном новой смазочной добавкой, обеспечивает насыщенный и равномерный хемосорбционный смазочный слой даже на самых труднодоступных участках контактной поверхности.

2. Более высокая совместимость новой смазочной добавки с буровыми растворами, что связано с более значительной степенью солюбилизации не нейтрализованных жирных кислот в смешанных мицеллах, чем в мицеллах металлоорганических ПАВ. Данный эффект, по-видимому, обусловлен более сильным Ван-дер-Ваальсовым сродством полярных молекул жирных кислот, выступающих в роли солюбилизата, к молекулам ПАВ, существующим в виде ассоциированных ионных пар (органические мыла жирных кислот, содержащиеся в новой смазочной добавке), чем к поверхностно-активным анионам (металлоорганические мыла жирных кислот прототипа) и, как следствие, более высокой средней степенью ассоциации молекул ПАВ, присутствующих в новой смазочной добавке, с молекулами солюбилизата.

3. Обеспечение плотного, слабодеформируемого, легкомобилизуемого смазочного покрытия, что связано с более высокой скоростью адсорбции на металлической поверхности смешанных мицелл, характерных для новой смазочной добавки, по сравнению с металлоорганическими мицеллами прототипа. Это обусловлено гораздо более низким зарядом атмосферы противоионов, сформированной вокруг смешанных мицелл, по сравнению с зарядом ионной атмосферы мицелл прототипа, образованных только поверхностно-активными анионами. Такое различие в величинах зарядов ионных атмосфер, даже при условно равных степенях агрегации, объясняется тем, что поверхностно-активные молекулы органических мыл жирных кислот, присутствующие в новой смазочной добавке, находятся в состоянии ионных пар, и поэтому азотсодержащие органические противоионы не участвуют в формировании ионной атмосферы. При адсорбции на активных центрах металлической поверхности, имеющих эффективный положительный заряд, отрицательно заряженная мицелла движется в направлении поверхности адсорбента, а противоионы - в обратном направлении. При этом возникает локальное внутреннее электрическое поле (вследствие того, что ионная атмосфера не успевает быстро разрушиться), стремящееся вернуть мицеллу в исходное положение, что приводит к ослаблению внешнего электрического поля поверхности адсорбента и, в конечном итоге, замедлению процесса адсорбции, которое тем более значительно, чем выше заряд ионной атмосферы.

4. Присутствие спиртов или полигликолей обеспечивает существенное снижение температуры застывания (T_з) новой смазочной добавки по сравнению с прототипом, что значительно облегчает работу с ней в северных условиях. Кроме того, введение полигликолей оказывает общее облагораживающее действие, улучшая качество смазочного покрытия, повышая коллоидную растворимость новой смазочной добавки, что связано, очевидно, с дополнительной гидрофобизацией в результате ассоциации молекул полигликолей с противоионами и экранирования образующимися комплексными структурами мицеллярной поверхности.

В ходе лабораторных испытаний проводились измерения коэффициента трения (k_тр) буровых растворов, обработанных новой смазочной добавкой (исследования проводились на приборе фирмы 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 - прототип: легкое тепловое масло (ЛТМ) - 83,3 мас. %; NaOH - 2,5 мас.%; вода - 14,2 мас.%.

2. Смазочная добавка "СМ-1": ЛТМ - 56%; пропиленгликоль (ПГ) - 33%; триэтаноламин (ТЭА) - 0,1%; КОН - 2,1%; вода - 8,8%.

3. Смазочная добавка "СМ-2": ЛТМ - 85%; ПГ - 10%; ТЭА - 0,1%; КОН - 1%; вода - 3,9%.

4. Смазочная добавка "СМ-3": ЛТМ - 20%; ПГ - 40%; карбамид - 20%; КОН - 8%; вода - 12%.

5. Смазочная добавка "СМ-4": ЛТМ - 56%; ПГ - 33%; ТЭА - 4%; КОН - 3%; вода - 4%.

6. Смазочная добавка "СМ-5": ЛТМ - 56%; ПГ - 30%; ТЭА - 2%; карбамид - 2%; КОН - 3%; вода - 7%.

7. Смазочная добавка "СМ-6": ЛТМ - 28%; синтетические жирные кислоты (C₇-C₉) - 28%; этанол - 33%; карбамид - 4%; КОН - 2%; NaOH - 1%; вода - 4%.

8. Смазочная добавка "СМ-7" - кислоты касторового масла - 56%; смесь полиэтиленгликолей /триэтиленгликоль - 20 мас.% тетраэтиленгликоль - 20 мас. %, пентаэтиленгликоль - 60 мас.% / - 33%; карбамид - 4%; КОН - 3%; вода - 4%.

Из данных таблицы видно, что в абсолютном большинстве случаев новая смазочная добавка показывает высокую эффективность, снижен k_тр исходной глинистой суспензии в 7 - 10 раз, в то время как прототип снижает k_тр всего в 3 - 4 раза.

Буровые растворы, обработанные новыми смазочными добавками, демонстрируют способность к созданию на металлической поверхности прочных смазочных покрытий, выдерживающих нормальные нагрузки более 4,14 МПа, характеризующихся показателем ЭСД, в 10 - 20 раз меньшим аналогичного показателя для буровых растворов в отсутствие новой смазочной добавки.

Формула изобретения

Смазочная добавка к буровым растворам, включающая жирные кислоты, нейтрализующий агент и воду, отличающаяся тем, что она содержит жирные кислоты синтетические и/или природные с ₇ 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 С_2-5 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

РИСУНКИ

Рисунок 1