一种水基乳液润滑剂的制备方法与应用技术

本发明专利技术公开了属于钻井液润滑添加剂技术领域的一种水基乳液润滑剂的制备方法与应用。所述方法利用聚合物纳米复合乳液、液体润滑剂和乳化增强相复配成水基乳液润滑剂；聚合物纳米复合乳液中分布在双改性层状无机填料剥离片层间的聚合物纳米球作为固体润滑剂，基础油作为液体润滑剂。本发明专利技术通过无皂乳液聚合实现双改性层状无机填料与聚合物分子基体的纳米尺度复合，获得热稳定性能可控调节的聚合物基纳米复合乳液，实现乳液润滑剂在水基钻井液中高效润滑与良好耐热稳定性及摩擦损伤自修复性。性。性。

【技术实现步骤摘要】
一种水基乳液润滑剂的制备方法与应用


[0001]本专利技术属于钻井液润滑添加剂
，尤其涉及一种水基乳液润滑剂的制备方法与应用。

技术介绍

[0002]随着油气勘探开发领域的不断扩大和复杂储层钻井的不断增加，深井、超深井、大位移井等复杂结构井增多，钻具与套管或井壁岩石间接触面积增大，势必会产生各种各样摩擦造成旋转扭矩增加、钻进速度降低和钻具磨损加快等难题。因此常在钻井液中添加一定量润滑剂以提高钻井液流体润滑性能，降低钻进过程扭矩、缩短起下钻时间以及减少钻具磨损来保证安全高效钻井。水基钻井液具有成本低、现场维护简单、环保压力小等优点，已成为目前应用最广泛的钻井液类型，但相比于油基钻井液体系，润滑和耐温能力不足已成为制约其进一步发展应用的瓶颈难题。
[0003]钻井液用润滑剂按相态主要分为液体类和固体类。其中，液体润滑剂主要包括聚合醇润滑剂、聚合醚润滑剂、矿物油润滑剂或植物油润滑剂。液体类润滑剂与钻井液配伍性好、润滑效果高，但也存在高温环境下容易氧化降解及润滑快速失效等难题。固体润滑剂主要有玻璃小球、塑料小球、石墨粉以及二硫化钼等。固体润滑剂具有负荷稳定高、耐腐蚀、化学稳定性好等优点，但固体类润滑剂与钻井液配伍性较差，石墨粉、二硫化钼等粉末容易漂浮于液面上，塑料小球、玻璃小球尺寸较大，容易被固控设备所除去等缺点导致其应用受到一定限制。随着深层、超深层等复杂储层钻探装备对钻井液润滑剂高效润滑和高耐温适应性能要求的日益提升，对钻井液润滑剂材料体系设计提出了更高的要求。在这种情况下，开发具有耐高温稳定、高效润滑减摩功能的新型水基钻井液润滑剂材料对于提高钻井中钻具运行的可靠性和延长服役寿命具有重要意义。

技术实现思路

[0004]为了解决上述问题，本专利技术提出了一种水基乳液润滑剂，其特征在于，利用聚合物纳米复合乳液、液体润滑剂和乳化增强相复配成水基乳液润滑剂；所述聚合物纳米复合乳液中分布在双改性层状无机填料剥离片层间的聚合物纳米球作为固体润滑剂，基础油作为液体润滑剂；
[0005]本专利技术采用双改性层状无机填料与有机活性反应单体通过无皂乳液聚合所得到的纳米复合乳液微球尺寸较小、表面活性高、耐压强度好，能对金属表面的微凸体起到抛光作用，降低金属表面粗糙度，填充进入金属钻具表面微犁沟与摩擦损伤处，形成一层润滑防护膜，抗磨微球类似“微轴承”支撑表面，将摩擦表面滑动状态转变滚动状态。同时，复合材料中高扩散性和渗透性的纳米片层在金属摩擦表面扩散吸附生成润滑保护膜，抑制金属表面腐蚀磨损及提高表面微观损伤自修复性，有效防止金属表面裂纹扩展，大大延长金属材料的服役寿命。
[0006]在水基乳液润滑剂中，所述基础油的质量分数为20～60％，聚合物纳米复合乳液
的质量分数为11～45％，乳化增强相的质量分数为15～50％。进一步，所述基础油的质量分数为25～50％，聚合物纳米复合乳液的质量分数为17～33％，乳化增强相的质量分数为20～45％。
[0007]所述双改性层状无机填料是利用阳离子型改性剂和阴离子型改性剂或阳离子型改性剂和硅烷偶联剂将层状无机填料进行二元复合改性得到的阳离子
‑
阴离子型双改性层状无机填料或阳离子
‑
硅烷偶联剂型双改性层状无机填料。
[0008]相比于传统的季铵盐阳离子型改性剂，本专利技术采用的季鏻盐阳离子改性剂对无机片层材料改性效率更高、分子复合效果更好及耐热稳定性更优；而硅烷偶联剂作为表面改性剂，能通过化学反应以强相互作用的共价键方式接枝到无机片层表面，同时还能引入不同功能基团，增强无机填料的反应活性。
[0009]由于不同改性剂对无机片层的改性机理不同，因此只采用一种改性剂对无机片层填料进行改性存在一定的缺陷与不足。
[0010]阴离子改性剂主要通过离子偶极作用吸附于层状无机填料端面，与片层边缘和层间的羟基发生替换作用，进而可插入层间，实现有机化改性，但由于其与无机填料片层表面负电荷具有静电排斥作用，因此阴离子改性剂插入层间比较困难，所需反应条件要求较高。
[0011]阳离子改性剂主要通过与无机片层层间的水合离子进行离子交换反应而插层进入层间，有效增大片层间距，但对无机片层的表面改性效果不佳。
[0012]硅烷偶联剂主要通过与无机片层表面的羟基反应，接枝到片层表面，实现表面有机化，但大部分硅烷偶联剂无法有效进入片层层间，无法明显扩大片层间距。
[0013]因此，相比于阳离子型改性剂、阴离子型改性剂和硅烷偶联剂对无机片层材料的单改性方式，本申请采用阳离子
‑
阴离子或阳离子
‑
硅烷偶联剂双改性方式将实现两种不同改性剂的协同增效。
[0014]第一种：通过阳离子改性剂与阴离子改性剂的静电相互作用和有机亲合作用，利用阳离子改性剂增大片层间距的作用，促进阴离子改性剂进一步插入无机片层层间，并克服阳离子改性剂表面改性效果不佳的缺陷。
[0015]第二种：通过阳离子改性剂的插层作用，能增大硅烷偶联剂与无机片层表面的接触反应几率，提高硅烷偶联剂的接枝反应效率。
[0016]综上，通过两种不同类型改性剂的协同增效，进一步增大无机片层之间的片层间距、增强片层表面的有机亲和性和耐热稳定性，有利于后续有机单体小分子的扩散进入片层层间，引发聚合反应，明显提高无机片层的剥离效率与分散程度，获得可控剥离结构形貌与粒径尺寸分布均匀的纳米复合乳液微球，大大提高复合材料的耐热性能、力学性能、润滑减阻性能和摩擦损伤自修复性能。
[0017]所述阳离子型改性剂为十四烷基三丁基氯化鏻、十六烷基三丁基溴化鏻、十八烷基三甲基溴化鏻、丁基三苯基溴化鏻中的一种或多种；
[0018]所述阴离子型改性剂为十二烷基磺酸钠、十二烷基硫酸钠、十二烷基苯磺酸钠、十八酸钠、十六酸钠中的一种或多种；
[0019]所述硅烷偶联剂为γ
‑
甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷、γ
‑
(2,3
‑
环氧丙氧)丙基三甲氧基硅烷、γ
‑
氨丙基三乙氧基硅烷、十八烷基二甲基甲氧基硅烷中的一种或多种。
[0020]所述基础油为聚阿尔法烯烃合成油、植物油、硅油、白油、工业石蜡油中的至少一
种；
[0021]所述乳化增强相由植物油酸、非离子表面活性剂和渗透剂构成，三者的质量比为100:25～40:7～20；
[0022]非离子表面活性剂为山梨醇酐单硬脂酸酯(Span60)和失水山梨糖醇脂肪酸酯(Span80)中的至少一种；
[0023]渗透剂为脂肪醇聚氧乙烯醚、烷基硫酸酯钠和氨基磺酸钠中的至少一种。
[0024]水基乳液润滑剂的制备方法，具体制备步骤如下：将基础油加入乳化增强相中，在60℃下恒速搅拌1h，然后加入聚合物纳米复合乳液，搅拌均匀，最后加入0.5％的消泡剂继续搅拌1h，获得粘稠状的水基乳液润滑剂。
[0025]所述聚合物纳米复合乳液的制备方法，包括以下步骤：
[0026]步骤a.将双改性层本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种水基乳液润滑剂，其特征在于，利用聚合物纳米复合乳液、液体润滑剂和乳化增强相复配成水基乳液润滑剂；所述聚合物纳米复合乳液中分布在双改性层状无机填料剥离片层间的聚合物纳米球作为固体润滑剂，基础油作为液体润滑剂；在所述水基乳液润滑剂中，基础油的质量分数为20～60％，聚合物纳米复合乳液的质量分数为11～45％，乳化增强相的质量分数为15～50％。2.根据权利要求1所述水基乳液润滑剂，其特征在于，所述双改性层状无机填料是利用阳离子型改性剂和阴离子型改性剂或阳离子型改性剂和硅烷偶联剂将层状无机填料进行二元复合改性得到的阳离子
‑
阴离子型双改性层状无机填料或阳离子
‑
硅烷偶联剂型双改性层状无机填料。3.根据权利要求2所述水基乳液润滑剂，其特征在于，所述阳离子型改性剂为十四烷基三丁基氯化鏻、十六烷基三丁基溴化鏻、十八烷基三甲基溴化鏻、丁基三苯基溴化鏻中的一种或多种；所述阴离子型改性剂为十二烷基磺酸钠、十二烷基硫酸钠、十二烷基苯磺酸钠、十八酸钠、十六酸钠中的一种或多种；所述硅烷偶联剂为γ
‑
甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷、γ
‑
(2,3
‑
环氧丙氧)丙基三甲氧基硅烷、γ
‑
氨丙基三乙氧基硅烷、十八烷基二甲基甲氧基硅烷中的一种或多种。4.根据权利要求1所述水基乳液润滑剂，其特征在于，所述基础油为聚阿尔法烯烃合成油、植物油、硅油、白油、工业石蜡油中的至少一种；所述乳化增强相由植物油酸、非离子表面活性剂和渗透剂构成，三者的质量比为100:25～40:7～20；非离子表面活性剂为山梨醇酐单硬脂酸酯和失水山梨糖醇脂肪酸酯中的至少一种；渗透剂为脂肪醇聚氧乙烯醚、烷基硫酸酯钠和氨基磺酸钠中的至少一种。5.权利要求1
‑
4任一项所述水基乳液润滑剂的制备方法，其特征在于，制备步骤如下：将基础油加入乳化增强相中，在60℃下恒速搅拌1h，然后加入聚合物纳米复合乳液，搅拌均匀，最后加入0.5％的消泡剂继续搅拌1h，获得粘稠状的水基乳液润滑剂。6.根据权利要求5所述水基乳液润滑剂的制备方法，其特征在于，所述聚合物纳米复合乳液的制备方法，包括以下步骤：步骤a.将双改性层状无机填料与聚合物的反应单体和交联剂混合得到油相，使得反应单体与交联剂分子进入双改性无机填料片层中间，充分溶胀和分散双改性无机填料；步骤b.溶解十二烷基磺酸钠和十二烷基硫酸钠于水中，得到水相；步骤c.在氮气条件下，将油相滴加到水相后，加入过硫酸钠
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【专利技术属性】
技术研发人员：于呈呈，解国新，
申请(专利权)人：清华大学，
类型：发明
国别省市：