钻井液润滑剂及其制备方法和应用与流程

本发明涉及钻井液，具体来讲，是涉及一种钻井液润滑剂及其制备方法和应用。

背景技术：

1、在深井、超深井、大斜度井、定向井及水平井等复杂井钻探施工过程中，钻具与套管以及钻具与井壁之间摩擦不断增大，需要添加钻井液润滑剂提升钻井液润滑性能，从而减少钻井摩阻，提高钻井效率。目前，钻井液润滑剂种类多样，主要包括固体润滑剂如石墨润滑剂、塑料小球润滑剂、玻璃微珠润滑剂等以及液体润滑剂如油基润滑剂、水基润滑剂等。其中，液体润滑剂的作用机理是在摩擦表面形成一层由疏水分子链组合而成的疏水润滑膜，利用疏水润滑膜降低摩擦副相对运动的剪切力，从而有效满足钻井过程中的减摩降阻需求。常用的润滑剂用疏水材料主要有白油、柴油、植物油等油脂材料，但是这些疏水材料结构中缺乏吸附基团，难以牢固吸附于摩擦表面，导致润滑剂润滑性能低，润滑持效性弱。含氮化合物包括胺衍生物，含氮杂环化合物如唑类、嗪类、啶类等，酰胺等化合物结构中的氮原子含有孤对电子，具有优异的金属轨道给电子配位能力。因此，含氮化合物大量作为配体、缓蚀剂以及金属润滑剂。采用长链烃基材料改性含氮化合物形成润滑剂的发明思路业已得到广发的公开。

2、中国专利cn 111848961公开了种高效钻井液用改性聚酰胺极压润滑剂的制备方法。该发明将脂肪酸、多乙烯多胺以及酸酐混合反应形成改性聚酰胺，混合含磷极压剂、含硫极压剂以及泡沫改性剂形成最终的改性聚酰胺极压润滑剂。解决了现场润滑剂的加量大、润滑效果差、不抗温、易起泡的问题。

3、中国专利cn 103849360 a公开了一种水基钻井液润滑剂制备方法，该发明以8碳原子以上的脂肪酸和有机胺为原料混合反应形成水基钻井液，该发明所形成的润滑剂具有泥浆分散性好、抗高温、润滑性好特点。该发明工艺操作简单、设备要求低、环境无污染、适合大规模生产。

4、中国专利cn 109370722 b公开了一种切割钢丝湿拉润滑剂及其制备方法。该发明所公开的切割钢丝湿拉润滑剂的成分包括摩擦特性改进剂、复合羧酸、抗磨防霉剂、偶合剂、酰胺化试剂、表面活性剂、防锈粘附反应单体以及余量水，该发明润滑剂润滑性能周期长、生产稳定、耐高压、高温，冷却效果好、低的泡沫倾向、清洗性好、无异味、不含矿物油可以生物降解等优势。

5、由此可见，目前大量润滑剂采用含氮化合物作为润滑剂的主体工作结构，提升润滑剂在摩擦表面的吸附能力，说明含氮化合物的金属基底结合能力以及表面吸附成膜能力日渐得到研究人员的认可，通过提高润滑剂氮原子组分的含量，促使整体润滑剂分子呈现富电子体系，提升润滑剂与金属结合能力有利于高性能钻井液润滑剂的开发。

技术实现思路

1、为了克服现有润滑剂摩擦表面吸附强度弱、润滑效果待改进的问题，本发明的发明人经过广泛而深入的研究，构建了一种基于三嗪为核心结构的改性含氮杂环钻井液润滑剂分子，利用高反应性以及多反应位点的三聚氯氰与脂肪胺、醇胺为原料，灵活调控润滑剂结构中疏水基团与亲水基团的比例，形成多氨基取代的钻井液润滑剂，提高了三嗪结构的富电子能力，加强了润滑剂与金属络合吸附的性能，提升润滑剂的吸附成膜能力与润滑性能。例如，本发明的目的之一在于提供一种钻井液润滑剂，其结构中含有多个含氮基团，可以在摩擦表面形成强力吸附，形成牢固的润滑膜，从而增强润滑效果；又如，本发明的另一目的在于提供一种钻井液润滑剂的制备方法，合成过程简单，润滑吸附型强合成过程较为简单。本发明的钻井液润滑剂在膨润土钻井液基浆中表现出优异的润滑性能，具有钻井液润滑的应用潜力。

2、为了实现上述目的，本发明第一方面提供了一种钻井液润滑剂，其包括三聚氯氰、脂肪胺、缚酸剂和醇胺的反应产物，其中，

3、所述脂肪胺选自十八胺、十六胺、n-十八烷基丙撑二胺和n-油基丙撑二胺中的一种或多种；

4、所述醇胺选自氨基乙醇、氨基丙醇、氨基丁醇和亚氨基二乙醇中的一种或多种。

5、本发明中，十八胺的cas号为124-30-1，可来自市售；十六胺的cas号为143-27-1，可来自于市售分析纯试剂；n-十八基丙撑二胺又称n-硬脂基丙撑二胺，cas号为4253-76-3，可来自于市售分析纯试剂；n-油基丙撑二胺的cas号为7173-62-8，可来自于市售分析纯试剂。

6、本发明中，氨基乙醇又可称为2-羟基乙胺，cas号为141-43-5，可来自于市售分析纯试剂；氨基丙醇的cas号为6168-72-5可来自于市售分析纯试剂；氨基丁醇又可称为2-氨基-1-丁醇，cas号为96-20-8，可来自于市售分析纯试剂；亚氨基二乙醇又可称为2,2'-二羟基二乙胺，cas号为111-42-2，可来自于市售分析纯试剂。

7、在本发明的一些实施方式中，所述三聚氯氰、脂肪胺、缚酸剂和醇胺中含有的醇羟基的摩尔比为1：0.5～2.5：2.5～4.0：0.5～2.5，优选为1：1～2：2.8～3.5：1～2。

8、在本发明的一些实施方式中，脂肪胺与醇胺中含有的醇羟基的摩尔比为1:1～4，优选为1:1～2。

9、本发明中，“三聚氯氰、脂肪胺、缚酸剂和醇胺中含有的醇羟基的摩尔比”中，“醇胺中含有的醇羟基”指的是醇胺中含有的醇羟基的摩尔量。例如，醇胺为氨基乙醇时，氨基乙醇含有一个醇羟基，“三聚氯氰、脂肪胺、缚酸剂和醇胺中含有的醇羟基的摩尔比”即为加入的氨基乙醇的摩尔量与加入的三聚氯氰、脂肪胺、缚酸剂的摩尔比；醇胺为亚氨基二乙醇时，亚氨基二乙醇含有两个醇羟基，“三聚氯氰、脂肪胺、缚酸剂和醇胺中含有的醇羟基的摩尔比”即为两倍加入的亚氨基二乙醇的摩尔量与加入的三聚氯氰、脂肪胺、缚酸剂的摩尔比。

10、本发明中，三聚氯氰、脂肪胺、缚酸剂和醇胺反应后，生成的产物的分子结构中含有一个脂肪链片段与两个醇胺片段(以下可简称为单脂肪链产物)和/或含有两个脂肪链片段与一个醇胺片段(以下可简称为双脂肪链产物)，即生成的产物含有一个脂肪链片段与两个醇胺片段，或者生成的产物含有两个脂肪链片段与一个醇胺片段，又或者两者皆有，本发明中，可通过控制脂肪胺与醇胺的加量与比例控制产物中单脂肪链产物和双脂肪链产物的比例。

11、以脂肪胺为十八胺、醇胺为氨基乙醇为例，以下示例性的表示本技术的单脂肪链产物(式i)和双脂肪链产物(式ii)的结构式：

12、

13、在本发明的一些实施方式中，所述缚酸剂选自碳酸钠、碳酸钾、磷酸三钠和磷酸三钾中的一种或多种。

14、本发明提供的多氮杂环改性的润滑剂采用脂肪胺与醇胺取代三聚氯氰，形成三聚氰胺母核结构，多氨基取代后提高了三嗪结构的富电子能力，加强了润滑剂与金属络合吸附的性能。

15、根据本发明，由于三聚氯氰结构中含有三个活性可被取代修饰的芳基氯，反应物中脂肪胺与醇胺主要是用于调控润滑剂结构中疏水基团与亲水基团的比例。

16、本发明第二方面提供了一种钻井液润滑剂的制备方法，其包括步骤：

17、s1、使含有三聚氯氰、脂肪胺、缚酸剂和溶剂的反应体系i发生第一反应，得到中间体i；

18、s2、使含有所述中间体i和醇胺的反应体系ii发生第二反应，得到中间体ii；

19、s3、对所述中间体ii进行浓缩处理，得到所述钻井液润滑剂。

20、在本发明的一些实施方式中，所述脂肪胺选自十八胺、十六胺、n-十八基丙撑二胺和n-油基丙撑二胺中的一种或多种。

21、在本发明的一些实施方式中，所述醇胺选自氨基乙醇、氨基丙醇、氨基丁醇和亚氨基二乙醇中的一种或多种。

22、在本发明的一些实施方式中，所述缚酸剂选自碳酸钠、碳酸钾、磷酸三钠和磷酸三钾中的一种或多种。

23、在本发明的一些实施方式中，所述溶剂选自二氯甲烷、二氯乙烷、四氢呋喃和乙二醇二甲醚中的一种或多种。

24、在本发明的一些实施方式中，所述制备方法中，所述三聚氯氰、脂肪胺、缚酸剂和醇胺中含有的醇羟基的摩尔比为1：0.5～2.5：2.5～4.0：0.5～2.5，优选为1：1～2：2.8～3.5：1～2。

25、在本发明的一些实施方式中，脂肪胺与醇胺中含有的醇羟基的摩尔比为1:1～4，优选为1:1～2。

26、在本发明的一些实施方式中，所述三聚氯氰和溶剂的用量比为三聚氯氰100g：溶剂100～200ml。

27、在本发明的一些实施方式中，所述第一反应的条件包括：温度为40～100℃；和/或，时间为2～8h。

28、在本发明的一些实施方式中，所述第二反应的条件包括：温度为40～100℃；和/或，时间为3～6h。

29、在本发明的一些实施方式中，将所述中间体ii减压蒸馏回收出多余的溶剂，以完成所述浓缩处理，最终得到所述钻井液润滑剂。

30、本发明中，可使用带有回流冷凝管的圆底烧瓶完成所述制备方法。本发明的第一反应和第二反应均可回流反应。

31、本发明第三方面提供了一种如上述第一方面所述的钻井液润滑剂或上述第二方面所述的制备方法获得的钻井液润滑剂在钻井液中的应用，尤其是作为润滑剂的应用。

32、在本发明的一些实施方式中，在钻井液中，所述钻井液润滑剂的用量为0.5～2.0wt％。

33、与现有技术相比，本发明包括以下有益效果中的至少一种：

34、1)本发明提供的钻井液润滑剂，结构中含有多个含氮基团，能够在摩擦表面形成强力吸附，形成牢固的润滑膜，从而增强润滑效果；

35、2)本发明提供的钻井液润滑剂的制备方法，合成过程简单，润滑吸附型强合成过程较为简单；

36、3)本发明提供的钻井液润滑剂在钻井液中的应用，在膨润土钻井液基浆中表现出优异的润滑性能，具有钻井液润滑的应用潜力。