Смазочный реагент для буровых промывочных жидкостей "ст-7" и способ его получения
Изобретения относятся к реагентам для оптимизации свойств растворов, используемых при бурении нефтяных и газовых скважин. Технический результат - снижение коэффициента трения в системе «буровой инструмент - стенки скважины/обсадной колонны», уменьшение опасности возникновения дифференциальных прихватов, снижение интенсивности сальникообразования, облегчение движения бурового инструмента, исключение пенообразования, улучшение основных технологических свойств буровых растворов, предотвращение коррозии. Смазочный реагент для буровых промывочных жидкостей содержит, мас.%: циклогексиламин 3-31; кремнеорганическую жидкость 132-24 1-5; 2,6-ди-трет-бутил-4-метилфенол 0,5-5; жирные кислоты природные - остальное. Способ получения смазочного реагента для буровых промывочных жидкостей включает предварительный нагрев жирных кислот до температуры не менее 72°С, введение фенольного антиоксиданта-2,6-ди-трет-бутил-4-метилфенол при постоянном перемешивании до полного его растворения, охлаждение до температуры не выше 50°С, введение основания - циклогексиламина, перемешивание и последующее введение кремнеорганической жидкости 132-24. Изобретение развито в зависимых пунктах. 2 н. и 4 з.п. ф-лы, 1 табл.
Изобретение относится к нефтедобывающей промышленности, а именно к реагентам для оптимизации свойств растворов, используемых при бурении нефтяных и газовых скважин.
Известна смазочная добавка для буровых растворов на водной основе [RU 2236431 С1, 2004], включающая керосин, маслорастворимое поверхностно-активное вещество - продукт взаимодействия этаноламина и смеси жирных кислот предельного и непредельного ряда, в качестве указанного продукта взаимодействия содержит продукт взаимодействия борной кислоты, диэтаноламина и смеси жирных кислот предельного и непредельного ряда с углеводородным радикалом C8-С24 при их мольном соотношении 1:3:1,5 и дополнительно полигликоль и изобутанол при следующем соотношении компонентов, мас.%: указанный продукт взаимодействия 20-30, полигликоль 50-65, керосин 5-10, изобутанол 7-10.
Данная смазочная добавка обладает высокой пенообразующей способностью, которая снижается или устраняется только после увеличения концентрации смазки более 5-7%, что ведет к сильному удорожанию бурового раствора, при более низких концентрациях 1-2% предложенная смазочная добавка вызывает затруднения, а иногда и не возможность проведения технологических операций в связи с сильным пенообразованием.
Кроме того, высокое содержание горючих компонентов, таких как керосин и спирт делают данную систему потенциально пожароопасной, а пары керосина и изобутилового спирта оказывают раздражающее воздействие на дыхательные пути работников.
Известна смазочная добавка для буровых растворов [RU 2163617 С1, 2001], 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 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.
Буровой раствор, обработанный вышеуказанной композицией, имеет низкие значения антаприхватных (антифрикционных) свойств буровых растворов.
В качестве прототипа для реагента и способа его получения выбран [RU 2278889 С1, 2006], в котором приведен состав смазочной добавки к буровым растворам; состав содержит жирные кислоты триглицеридов с числом углеродных атомов от 14 до 24 в количестве 60-70%, нейтрализующий агент 2-4%, замещенные аммонийные соли жирных кислот с числом углеродных атомов от 10 до 26 4-26%, олигоорганоалкоксисилоксан 5-25%, воду остальное. Способ осуществляют путем последовательного добавления компонентов к жирным кислотам при определенных температурных режимах и при перемешивании.
Наличие в данной композиции гидрофильных радикалов щелочных металлов (К+, Na+) приводит к проявлению флотационных свойств смазочной добавки, соответственно даже при отсутствии пенообразующей активности в 1% водном растворе, при взаимодействии с твердой фазой бурового раствора происходит интенсивный воздухозахват и, как следствие, изменение структурно-реологических и плотностных свойств бурового раствора в сторону их ухудшения.
Высокое процентное содержание воды приводит к невозможности использования смазочной добавки в условиях низких температур (ниже - 20°С).
Задача изобретения - разработать состав реагента, используемого для улучшения свойств промывочных жидкостей (растворов), используемых при бурении нефтяных и газовых скважин, обладающего высокими смазочными и антиприхватными свойствами и не ухудшающего технологические свойства растворов различных типов, не замерзающего при низких температурах.
Техническим результатом предлагаемого изобретения является эффективное снижение коэффициента трения в системе «буровой инструмент - стенки скважины/обсадной колонны», существенное уменьшение опасности возникновения дифференциальных прихватов, снижение интенсивности сальникообразования, облегчение движения бурового инструмента, особенно в субгоризонтальных и горизонтальных участках ствола скважины, не вызывается пенообразование.
Дополнительный технический результат - улучшение параметров основных технологических свойств буровых растворов: структурно-реологических, фильтрационных, качества и прочности фильтрационной корки (обеспечивается уменьшение коэффициента сдвига корки), оказывается антикоррозионное воздействие на металл.
Поставленная задача решается тем, что предлагаемый смазочный реагент для буровых промывочных жидкостей содержит в качестве жирных кислот природные жирные кислоты, в качестве основания - циклогексиламин, а в качестве полиэтилсилоксановой жидкости - кремнийорганическую жидкость и дополнительно фенольный антиоксидант - 2,6-ди-трет-бутил-4-метилфенол при следующем соотношении компонентов, мас.%:
| Циклогексиламин | 3-31 |
| Кремнийорганическая жидкость | 1-5 |
| 2,6-ди-трет-бутил-4-метилфенол | 0,5-5 |
| Жирные кислоты природные | остальное |
Желательно, что смазочный реагент в качестве жирной кислоты содержит жирную кислоту таллового масла или олеиновую кислоту.
Предпочтительно, что количество циклогексиламина составляет 7-10 мас.%.
Поставленная задача решается также тем, что как и в известном способе в предлагаемом способе получения смазочного реагента для буровых промывочных жидкостей осуществляют предварительный нагрев жирных кислот, введение основания, перемешивание и последующее введение полиэтилсилоксановой жидкости.
Новым является то, что при изготовлении смазочного реагента по п.1 осуществляют нагрев до температуры не менее 72°С, введение фенольного антиоксиданта 2,6-ди-трет-бутил-4-метилфенол при постоянном перемешивании до полного его растворения, последующее охлаждение до температуры не выше 50°С, введение циклогексиламина и затем кремнийорганической жидкости.
Желательно в качестве жирной кислоты использовать жирные кислоты таллового масла или олеиновую кислоту
Предпочтительно, что циклогексиламин вводят в количестве 7-10 мас.%.
Циклогексиламин является сильным органическим основанием. При взаимодействии с жирными кислотами образуется поверхностно-активное вещество (ПАВ), которое обладает сильной химической способностью взаимодействовать с поверхностью адсорбента, тем самым создавать прочную гидрофобную пленку на металле, обладающую высокой смазывающей способностью. Эффект наблюдается уже при введении 3 мас.% циклогексиламина и усиливается при увеличении до 7 мас.%, далее смазочная способность увеличивается медленно, но идет нарастание пенообразования.
Введение в композицию смазочного реагента полиэтилсилоксановой жидкости, предпочтительно, кремнийорганической жидкости 132-24, необходимо для усиления смазочной и антиприхватной способности и дополнительного предотвращения пенообразования.
Еще одним важным компонентом является 2,6-ди-трет-бутил-4-метилфенол. Для снижения процесса полимеризации в процессе омыления жирных кислот в настоящем изобретении предлагается введение регулятора полимеризации, приводящее к получению нового продукта - смазочного реагента СТ-7. В качестве регулятора полимеризации предлагается добавление к ЖКТМ фенольного антиоксиданта, предпочтительно, 2,6-ди-трет-бутил-4-метилфенола. Экспериментально было установлено, что влияние на условия полимеризации происходит в заявляемых в настоящем изобретении пределах, а именно при введении регулятора полимеризации в пределах 0,5-5 мас.%.
2,6-ди-трет-бутил-4-метилфенол - твердое вещество, его температура плавления 72°С, поэтому для его растворения необходимо его растопить, а затем растворять. Поэтому при температуре ниже 72° реакция происходить не будет и соответственно результат получается при предварительном нагреве жирной кислоты до температуры не менее 72°С.
Механизм действия антиоксиданта в процессе получения поверхностно-активного вещества (ПАВ) основан на его способности обрывать разветвленную цепную полимеризацию, молекулы предлагаемой в изобретении смазочной добавки СТ-7 обладают малой молекулярной массой по сравнению с громоздкими полимерными структурами аналога и прототипа. Подвижность молекул ПАВ в буровых растворах обратно-пропорциональна молекулярной массе, более легкие молекулы соединений более подвижны в растворе и обусловливают высокую скорость их взаимодействия с металлом и, как следствие, усиливают смазочные свойства реагента (добавки) и уменьшают его расход. Кроме того, флоккулы разбиваются на мономолекулы и способствуют прекращению излишнего пенообразования.
Предлагаемый смазочный реагент получают следующим образом.
Пример 1
К 1000 г жирной кислоты таллового масла - ЖКТМ (ТУ 13-0281078-83-90), нагретой до 75°С, добавляют 40 г (4 мас.%) 2,6-ди-трет-бутил-4-метилфенола, и перемешивают до его полного растворения. Затем охлаждают смесь до 50°С и затем под реакционную массу при непрерывном перемешивании вводят циклогексиламин 30 г (3 мас.%), 70 г (7 мас.%), 100 г (10 мас.%), 310 г (31 мас.%). Реакция экзотермическая, поэтому чтобы исключить закипание, необходим отвод тепла до 80-85°С. Перемешивание продолжают 30 мин. Затем вводят 30 г (3 мас.%) кремнийорганической жидкости 132-24 (ГОСТ 13004-77) до полного равномерного смешивания.
Получают маслянистую жидкость, цвет которой от светло-желтого до желто-коричневого с различными оттенками (в зависимости от йодного числа ЖКТМ), состоящую из смеси анионных поверхностно-активных веществ и полезных добавок, изготовленных на основе природных растительных жирных кислот таллового масла.
Пример 2
К 1000 г жирной кислоты таллового масла ЖКТМ (ТУ 13-0281078-83-90), нагретой до 75°С, добавляют 10 г (1 мас.%) 2,6-ди-трет-бутил-4-метилфенола, и перемешивают до его полного растворения. Затем охлаждают смесь до 45°С и затем под реакционную массу при непрерывном перемешивании вводят циклогексиламин 70 г (7 мас.%). Реакция экзотермическая, поэтому чтобы исключить закипание, необходим отвод тепла до 80-85°С. Перемешивание продолжают 30 мин. Затем вводят 50 г (5 мас.%) кремнийорганической жидкости 132-24 (ГОСТ 13004-77) до полного равномерного смешивания.
Получают маслянистую жидкость, цвет которой от светло-желтого до желто-коричневого с различными оттенками (в зависимости от йодного числа ЖКТМ), состоящую из смеси анионных поверхностно-активных веществ и полезных добавок, изготовленных на основе природных растительных жирных кислот таллового масла.
Пример 3
Режимы и процентное содержание компонентов аналогично примерам 1 и 2, за исключением того, что в качестве основы используют олеиновую кислоту (ГОСТ 7580-91) марки Б 14.
В таблице приведены сравнительные характеристики смазочного реагента в зависимости от количества вводимого циклогексиламина и используемой основы для его получения.
КСК - коэффициент сдвига корки;
ΔКСК, % - снижение коэффициента сдвига фильтрационной корки;
Ктр - коэффициент трения в паре металл-металл в среде бурового раствора.
Определение на приборе УСР-1;
ΔКтр, % - снижение коэффициента трения;
ЭСД - показатель эффективности смазочного действия, характеризует прочность смазывающего слоя;
В - водоотдача;
ПВ - пластическая вязкость;
ДНС - динамическое напряжение сдвига.
| № | Состав | Добавка, % | В, см3/30 м | КСК | ΔКСК,% | Ктр | ΔКтр,% | ЭСД, МПа-1 | ПВ, МПа·с | ДНС, дПа |
| 1 | Бентонитовый р-р 6% + Сайпан (0.06%), КМЦ (0.2%) | Отс. | 8 | 0.0699 | - | 0.25 | 0.1716 | 10 | 67.5 | |
| 2 | Раствор №1 + смазка ЖКТМ | 0,5 | 7 | 0,0437 | 37,5 | 0,1 | 60 | 0,028 | 10,5 | 63 |
| 3 | Раствор №1 + смазка СТ-7+1% циклогексиламина | 0.5 | 7 | 0.0306 | 56.2 | 0.06 | 76 | 0.0108 | 11 | 65.4 |
| 4 | Раствор №1 + смазка СТ-7+3% циклогексиламина | 0.5 | 7 | 0.048 | 31.3 | 0.05 | 80 | 0.0078 | 13.54 | 54 |
| 5 | Раствор №1 + смазка СТ-7+7% циклогексиламина | 0.5 | 7 | 0.0218 | 68.8 | 0.01 | 96 | 0.001 | 11.5 | 57 |
| 6 | Буровой раствор со скважины | обр. | 6 | 0.0699 | - | 0.22 | - | 0.133 | 9 | 67.5 |
| 7 | Раствор №6 + смазка СТ-7 | 0.5 | 6 | 0.0398 | 43.0 | 0.07 | 68 | 0.014 | 10.0 | 45.0 |
| 8 | Раствор №1 + СТ-7 (Олеиновая Ж.К.) | 0.5 | 5 | 0,0919 | 54,84 | 0,03 | 88 | 0,0025 | 26.5 | 196,5 |
| 9 | Раствор №1 (полимерный) + DRILL FREE | 0,5 | 5 | 0,1095 | 48,5 | 0,06 | 45,45 | 0,0108 | 18,5 | 123 |
| 10 | Раствор №1 (полимерный) + ФК-1 | 0.5 | 5 | 0,1007 | 52,63 | 0,04 | 63,64 | 0,0044 | 19 | 124, 5 |
Как видно из приведенных в таблице экспериментальных данных, смазочные и противоприхватные свойства буровых промывочных жидкостей, содержащих предлагаемую в настоящем изобретении смазочную добавку (примеры 3-5, 7, 8), существенно лучше по сравнению с аналогичными параметрами буровых промывочных жидкостей, содержащих известные смазочные добавки (примеры 1, 2), и по отношению к исходной буровой промывочной жидкости, не содержащему никаких добавок (пример 6). Пример 8 приведен для олеиновой кислоты.
Предлагаемый в настоящем изобретении смазочный реагент для буровых промывочных жидкостей (СТ-7) предназначен для обработки пресных, минерализованных и ингибированных буровых растворов при бурении вертикальных, наклонно-направленных и горизонтальных участков нефтяных и газовых скважин на суше и на море. Он легко диспергируется в холодной воде, не создает проблем при утилизации (полностью биоразложим), экологически безвреден, может применяться в любых условиях бурения, совместим со всеми химическими реагентами.
1. Смазочный реагент для буровых промывочных жидкостей, включающий жирные кислоты, основание и кремнеорганическую жидкость, отличающийся тем, что он содержит в качестве жирных кислот природные жирные кислоты, в качестве основания - циклогексиламин, а в качестве кремнеорганической жидкости - кремнеорганическую жидкость 132-24 и дополнительно фенольный антиоксидант - 2,6-ди-трет-бутил-4-метилфенол при следующем соотношении компонентов, мас.%:
| Циклогексиламин | 3-31 |
| Кремнеорганическая жидкость 132-24 | 1-5 |
| 2,6-ди-трет-бутил-4-метилфенол | 0,5-5 |
| Жирные кислоты природные | Остальное |
2. Смазочный реагент по п.1, отличающийся тем, что в качестве жирных кислот он содержит жирные кислоты таллового масла или олеиновую кислоту.
3. Смазочный реагент по п.1 или 2, отличающийся тем, что преимущественное содержание циклогексиламина составляет 7-10 мас.%.
4. Способ получения смазочного реагента для буровых промывочных жидкостей, включающий предварительный нагрев жирных кислот, введение основания, перемешивание и последующее введение кремнеорганической жидкости, отличающийся тем, что при изготовлении смазочного реагента по п.1 осуществляют нагрев до температуры не менее 72°С, введение фенольного антиоксиданта - 2,6-ди-трет-бутил-4-метилфенол при постоянном перемешивании до полного его растворения, последующее охлаждение до температуры не выше 50°С, введение циклогексиламина и затем кремнеорганической жидкости 132-24.
5. Способ по п.4, отличающийся тем, что в качестве жирных кислот используют жирные кислоты таллового масла или олеиновую кислоту.
6. Способ по п.4 или 5, отличающийся тем, что преимущественное введение циклогексиламина осуществляют 7-10 мас%.
