一种离子液体功能化石墨烯润滑剂及其制备方法和应用与流程

本发明属于钻井液，具体涉及一种离子液体功能化石墨烯润滑剂及其制备方法和应用。

背景技术：

1、随着水平井、大斜度井及大位移井技术的不断发展，钻井施工对钻井液的润滑性要求越来越高。液体润滑剂和固体润滑剂均能提高钻井液的润滑性，其中固体润滑材料有塑料小球、玻璃珠、石墨及石墨烯等。石墨烯材料具有很高的机械强度，极低的层间滑动摩擦力和良好的化学稳定性，大量研究表明石墨烯及其衍生物不仅可以作为固体润滑剂用以降低摩擦副的磨损量，也可以作为液体润滑添加剂，能够使钻杆和套管、钻杆和井壁的接触面之间产生物理分离，不但能够降低摩擦系数，而且能够降低金属的磨损，是近年来发展较快的一种钻井液润滑材料。但是由于石墨烯所含元素单一，表面几乎无其他官能团，因此在水溶液中分散稳定性差，极易团聚。随着不断的研究，研究者们发现将其进行简单的表面功能化后得到的石墨烯衍生物(如氧化石墨烯，go)即可改善石墨烯在水及其他溶剂中的分散稳定性。

2、离子液体因其独特的双极性结构，良好的导电性、热稳定性和化学稳定性等诸多优异的理化性能，自2001年以来，其作为高性能润滑剂的研究引起了人们的广泛关注，离子液体的应用形式是多种多样的，不仅可以单独作为润滑剂使用，也能作为基础油以及润滑脂的添加剂来提高减摩抗磨的效果，它还可以用于制备有机润滑薄膜。同时，由于其在滑动表面具有较强的成膜能力，因此被用作一种新型润滑添加剂，很好地解决了其高成本的问题。

3、近年来，石墨烯材料作为钻井液润滑剂和降滤失剂而被大量研究，而离子液体有望被用作钻井液高效环保抑制剂，其中自身的润滑效果常被忽视；但另一方面，这两种材料自身价格相对较高，且功能相对单一，限制了他们在钻井液中的应用。

技术实现思路

1、为了解决现有技术中的上述问题，本发明提出了一种离子液体功能化石墨烯润滑剂及其制备方法和应用。

2、第一方面，本发明提出了一种离子液体功能化石墨烯润滑剂的制备方法，包括以下步骤：

3、s1：将石墨烯进行氧化处理、酰氯化处理和硬脂醇改性，得到改性后的石墨烯；

4、s2：将表面活性剂、水和步骤s1得到的改性石墨烯混合均匀，得到改性石墨烯分散液；

5、s3：将离子液体和步骤s2得到的石墨烯分散液混合均匀，得到离子液体功能化石墨烯润滑剂。

6、根据本发明，离子液体功能化石墨烯润滑剂的主要功能成分为石墨烯以及离子液体，其中主要依赖于石墨烯层与层之间特殊的润滑作用，离子液体自身具有较强的成膜作用，通过吸附作用有效的作用在石墨烯表面，可进一步增强润滑作用。其中对石墨烯进行的一系列改性，目的是改善其在水中的分散性。

7、作为本发明的具体实施方式，所述步骤s1中，所述氧化处理包括采用无机酸进行氧化，所述无机酸包括硫酸、硝酸中的至少一种；优选地，所述无机酸为硫酸和硝酸的混合物；更优选地，所述硫酸和硝酸的混合物，其体积比为3：(0.5-1.5)，优选为3：1；优选地，氧化处理方法包括：将石墨烯置于无机酸溶液中超声分散后在50-70℃水浴中回流20-30h，过滤，洗涤至滤液呈中性，烘干，研磨，得到经氧化处理后的石墨烯。

8、作为本发明的具体实施方式，所述步骤s1中，所述酰氯化处理包括：采用二氯亚砜(socl2)在异构烷烃溶剂中进行酰氯化；优选地，酰氯化处理：包括将经氧化处理后的石墨烯以及socl2加入到异构烷烃溶剂中，超声处理20-60min，在70-90℃回流搅拌1-4h，过滤、洗涤、烘干，研磨，得到经酰氯化处理后的石墨烯。

9、作为本发明的具体实施方式，所述步骤s1中，所述硬脂醇改性的方法包括将经酰氯化处理后的石墨烯置于硬脂醇和异构烷烃溶剂的混合溶液中，超声分散20-60min，在70-90℃回流搅拌12-24h，过滤、洗涤、烘干，研磨，得到改性石墨烯。所述步骤s1和s2中，所述异构烷烃溶剂选自n,n-二甲基甲酰胺、isopar e、isopar g中的一种，优选为n,n-二甲基甲酰胺(dmf)；所述石墨烯和所述经酰氯化处理后的石墨烯与所述异构烷烃溶剂的质量体积比为3-8w/v％。

10、作为本发明的具体实施方式，所述步骤s1中，石墨烯与二氯亚砜的质量比为1：(5-20)；所述经酰氯化处理后的石墨烯与硬脂醇的质量比为1：(5-20)。

11、作为本发明的具体实施方式，所述步骤s2中，所述表面活性剂、改性石墨烯和水的质量比为(0.1-1.2)：(0.1-0.5)：100。

12、作为本发明的具体实施方式，所述步骤s2中，所述混合条件包括超声分散，所述超声分散时间为1-3h。

13、作为本发明的具体实施方式，所述步骤s2中，所述表面活性剂选自十二烷基硫酸钠、十六烷基三甲基溴化铵、聚氧乙烯月桂醚、烷基硫酸盐、烷基磷酸盐、吐温80、聚乙二醇辛基苯基醚中的一种或多种。

14、作为本发明的具体实施方式，所述步骤s3中，离子液体和所述改性石墨烯分散液质量比为(5-20)∶(14-30)。

15、作为本发明的具体实施方式，所述步骤s3中，所述混合条件包括超声分散，所述混合温度为60-80℃；所述超声分散时间为1-3h。

16、作为本发明的具体实施方式，所述步骤s3中，所述离子液体为酯类离子液体，优选自氯化1-十六烷基-3-甲基咪唑鎓、六氟磷酸锂-乙二醇离子液体、二丁基-1-(2-丙基苯并咪唑基)磷酸酯。

17、作为本发明的具体实施方式，所述步骤s3后还包括静置2-24h后得到离子液体功能化石墨烯润滑剂。

18、第二方面，本发明提供了所述离子液体功能化石墨烯润滑剂在钻井液领域的应用。

19、作为本发明的具体实施方式，所述离子液体功能化石墨烯润滑剂在钻井液中的质量体积加量为0.1％-5％，优选为0.5％-3％。

20、与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

21、1、本发明的离子液体功能化石墨烯润滑剂合成来源广泛，制备方法简单，易于规模化生产。

22、2、本发明的离子液体功能化石墨烯润滑剂，由于吸附作用更好地分散在钻井液中，表现出更优的润滑作用；同时由于离子液体的存在，兼具地层水化抑制性；

23、3、本发明的离子液体功能化石墨烯润滑剂中离子液体的一些活性元素能够与摩擦副表面发生复杂的摩擦化学反应形成稳定的摩擦化学反应膜，大幅度提高了润滑剂的减摩抗磨效果。

24、4、本发明的离子液体功能化石墨烯润滑剂在钻井过程中产生一层封堵性薄膜，该薄膜能够改善钻井液泥饼质量，从而达到降低钻井液失水的目的。

技术特征：

1.一种离子液体功能化石墨烯润滑剂的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述步骤s1中，所述氧化处理包括采用无机酸进行氧化，所述无机酸包括硫酸、硝酸中的至少一种；优选地，所述无机酸为硫酸和硝酸的混合物；更优选地，所述硫酸和硝酸的混合物，其体积比为3：(0.5-1.5)，优选为3：1；优选地，氧化处理包括：将石墨烯置于无机酸溶液中超声分散后在50-70℃水浴中回流20-30h，过滤，洗涤至滤液呈中性，烘干，研磨，得到经氧化处理后的石墨烯。

3.根据权利要求1或2所述的制备方法，其特征在于，所述步骤s1中，所述酰氯化处理包括：采用二氯亚砜(socl2)在异构烷烃溶剂中进行酰氯化；优选地，酰氯化处理：包括将经氧化处理后的石墨烯以及socl2加入到异构烷烃溶剂中，超声处理20-60min，在70-90℃回流搅拌1-4h，过滤、洗涤、烘干，研磨，得到经酰氯化处理后的石墨烯。

4.根据权利要求1-3任一项所述的制备方法，其特征在于，所述步骤s1中，所述硬脂醇改性的方法包括将经酰氯化处理后的石墨烯置于硬脂醇和异构烷烃溶剂的混合溶液中，超声分散20-60min，在70-90℃回流搅拌12-24h，过滤、洗涤、烘干，研磨，得到改性石墨烯。所述步骤s1和s2中，所述异构烷烃溶剂选自n,n-二甲基甲酰胺、isopar e、isopar g中的一种，优选为n,n-二甲基甲酰胺(dmf)；所述石墨烯和所述经酰氯化处理后的石墨烯与所述异构烷烃溶剂的质量体积比为3-8w/v％。

5.根据权利要求1-4任一项所述的制备方法，其特征在于，所述步骤s1中，石墨烯与二氯亚砜的质量比为1：(5-20)；所述经酰氯化处理后的石墨烯与硬脂醇的质量比为1：(5-20)；所述步骤s2中，所述表面活性剂、改性石墨烯和水的质量比为(0.1-1.2)：(0.1-0.5)：100；和/或，所述混合条件包括超声分散，所述超声分散时间为1-3h。

6.根据权利要求1-5任一项所述的制备方法，其特征在于，所述步骤s2中，所述表面活性剂选自十二烷基硫酸钠、十六烷基三甲基溴化铵、聚氧乙烯月桂醚、烷基硫酸盐、烷基磷酸盐、吐温80、聚乙二醇辛基苯基醚中的一种或多种。

7.根据权利要求1-6任一项所述的制备方法，其特征在于，所述步骤s3中，离子液体和所述改性石墨烯分散液质量比为(5-20)∶(14-30)；和/或，所述混合条件包括超声分散，所述混合温度为60-80℃；所述超声分散时间为1-3h。

8.根据权利要求1-7任一项所述的制备方法，其特征在于，所述步骤s3中，所述离子液体为酯类离子液体，优选自氯化1-十六烷基-3-甲基咪唑鎓、六氟磷酸锂-乙二醇离子液体、二丁基-1-(2-丙基苯并咪唑基)磷酸酯。

9.权利要求1-8所述的制备方法得到的离子液体功能化石墨烯润滑剂。

10.权利要求9所述的离子液体功能化石墨烯润滑剂在钻井液领域的应用，所述离子液体功能化石墨烯润滑剂在钻井液中的质量体积加量优选为0.1％-5％，更优选为0.5％-3％。

技术总结本发明提供了一种离子液体功能化石墨烯润滑剂的制备方法，包括以下步骤：S1：将石墨烯进行氧化处理、酰氯化处理和硬脂醇改性，得到改性后的石墨烯；S2：将表面活性剂、水和步骤S1得到的改性石墨烯混合均匀，得到改性石墨烯分散液；S3：将表面活性剂、离子液体和步骤S2得到的石墨烯分散液混合均匀，得到离子液体功能化石墨烯润滑剂。本发明的离子液体功能化石墨烯润滑剂，由于吸附作用更好地分散在钻井液中，表现出更优的润滑作用；同时由于离子液体的存在，兼具地层水化抑制性；其中离子液体的一些活性元素能够与摩擦副表面发生复杂的摩擦化学反应形成稳定的摩擦化学反应膜，大幅度提高了润滑剂的减摩抗磨效果。其在钻井过程中产生一层封堵性薄膜，该薄膜能够改善钻井液泥饼质量，从而达到降低钻井液失水的目的。技术研发人员：李科,王旭东,杨春旭,李蕾,刘伟,杨龙波受保护的技术使用者：中国石油化工集团有限公司技术研发日：技术公布日：2024/6/20