Смазочная добавка для неминерализованных глинистых буровых растворов

Смазочная добавка для неминерализованных глинистых буровых растворов

Иллюстрации

Показать все

Реферат

 

СОЮЗ СОВЕТСЭ(ИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (1Ю (И) ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ

ОПИСАНИЕ, ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

Остальное (21) 3222650/23-03 (22) 17.12.80 (46) 30.10.83. Бюл. Ю 40 (72) M.Ä.ßëóíèí, С.A.Посташ, Ф.И.Шейнин, Т.Д.Дзугкоев, Н.Я.Верко, A.Ê.ÁóTèí н В А.Вопияков (71) Грозненский ордена Трудового

Красного Знамени нефтяной институт им. акад. М.Д.Миллионщикова (53) 622. 243. 144. 3(088 ° B) (56) 1. Кис=ер Э.Г. Химическая обработка буровых растворов. М., "Недра", 1972, с. 218.

2. Там ие, с. 219 (прототип), (54) (57) СМАЗОЧНАЯ ДОБАВКА ДЛЯ НЕМИНЕРАЛИЗОВАННЫХ ГЛИНИСТЫХ БУРОВЫХ PACTBOРОВ, содериащая высокомолекулярные карбоновые кислоты или натриевые выла высокомолекулярных карбоновых кислот, отличающаяся. тем, что, с целью повыаения противоизносных и противозадирных свойств буровых растворов, она дополнительно содержит соли меди высокомолекулярных карбоновых кислот при следующем соотношении ингредиентов, вес.В:

Соли меди высокомолекулярных карбоновых кислот 50-60 .

Высокомолекулярные карбоновые кислоты или натриевые мала высокомолекулярных карбоновых кислот

1051105

Изобретение относится к бурению нефтяных и газовых скважин, в частl ности к смазочным добавкам для буровых растворов, снижающим трение и износ трущихся элементов.

Известно использование в качестве смазочных добавок для буровых растворов нефти, графита, полиоксиэтилированных алкилфенолов, сульфонола и т,п. (1), Известные смазочные добавки в одних случаях обладают недостаточной эффективностью и требуют большого расхода, в других — плохо диспергируются в водных растворах или эффективно работают только в 1i растворах с малой щелочностью (рН 9,5).

Наиболее близким к изобретению является использование для повышения смазочных свойств буровых растворов высокомолекулярных карбоновых кислот, содержащихся в продуктах масложировой, нефтеперерабатывакщей и химической проьжшленностей (гидронах, жирных кислотах, окисленном 25 петролатуме и т.п. или их натриевых мыл) (2) .

Однако высокомолекулярные карбоновые кислоты или нх натриевые. мыла недостаточно эффективно улучшают про-З тивоиэносные и противоэадирные свойства буровых растворов., в результате чего проходка на долото при их применении увеличивается всего на

30-40% иэ-эа быстрого износа узлов долота.

Цель изобретения - повышенне противоизносных и противозадирных свойств буровых растворов.

Поставленная цель достигается тем, что смазочная добавка для 40 неминерализованных глинистых буровых растворов, содержащая высокомолекулярные карбоновые кислоты или натриевые ьиала высокомолекулярных карбоновых кислот, дополнительно содержит соли меди высокомолекулярных карбоновых кислот при следующем соотношении ингредиентов, вес.В:

Соли меди высокомолекулярных карбоновых кис50 лот 50-60

Высокомолекулярные карбоновые кислоты или натриевые мыла высокомолекулярных карбоновых кислот Остальное

Предлагаемую смазочную добавку получают иэ отходов или побочных ° продуктов масложирового, нефтегаэоперерабатывающего и химического производства, содержащих высокомо- бО лекулярные карбоновые кислоты и их производные с числом атомов углерода 9 и более, которые обрабатывают

1 водным раствором сульфата или хлорида меди или другими медьсодержашими веществами, взятыми в определенном соотношении, обеспечивающими омеднение 50-60 вес.Ъ жирных кислот исходного продукта прн температуре кипения смеси в течение 15-20 мин с постоянным перемешиваннем, после чего от охлажденной реакционной смеси отделяют омедненную смазочную добавку отстаиванием и при необходимости осуществляют частичное омыление ее известным методом например, обработкой едким натром.

При воздействии на жирные кислоты щелочи или солей меди происходит замещение водорода гидроксила с образованием мыла или соли меди жирных кислот.

Для предельных и непредельных жирных кислот введение меди может выполняться по одному из следующим вариантов (R — радикал жирных кислот) с медным купоросом (сульфатом меди) Сиябд (концентрированный водный раствор)

90-(00 С

0 0

R-С С-RtHa 50gt5H>P; ОС00

) (м о С м (3 ) кг (в, 1 кон молекулярные веса соответственно медьсодержащего вещества и КОН, число омыления исходного сырья, мг KOH/ã, отношение числа молекул жирных кислот в формулах (1) и (2) к числу молекул жирной кислоты в реакции с КОН

Pгде Мж Mz,»вЂ” нсоон+кон = нсоок+н о;

C - степень насыщения смазочной добавки медными солями жирных кислот, С =)1 /М,„, где Нщ — количество медьсодержащего вещества, затраченное на реакцию, N>s - количество медт содержащего вещества, необходимое для полного насыщения медью смазочной добавки, определяемое по формуле (3) при с л = 1 ° с черным оксидом меди СиО или минералом теноритом

О <оо-кос 0 О

2R-Ñ

iiQH 0СиО

Возможно использование и других медьсодержащих веществ {минерала аэурита, водного раствора хлорида меди и пр.).

Расчет потребного количества медьсодержащих веществ следует производить по их числу опыления по формуле

105 "1 10 :

ДЛЯ 11РИ1 ОТОB/ltIIIИЯ 11РЕ1С)акаЕМОИ смазочнои доьавки исиол1 зуют; жирные кислоты {,ЖК), являн11и .ся, в частнОсти у ОтхОдами 11роиз Ilolj<"TBB себациHOBOS КИСЛОТЫ С IIHCJIO I HINDI I 1И СЛОМ не менее 130 мг КОН, числом Омыления не менее 140 мг КОН, содержанием жирных кислот С,„ - С14до 79Ъ; смеси гудронов (СГ) с кислотнь11.числом не менее 60 мг КОН, числом омыления не менее 130 мг КОН, мол. весом 470 10 и более, содержанием жирных кислот

С 6 — С1 64- 88Ъ; окисленный петролатум, вырабатываемый для производства смазочной добавки к буровым растворам под товарным названием СМАД-1, )5 с кислотным числом не менее ?О мг

КОН, числом омыления не менее 127 мг

КОН и мол. весом 420-475.

Смазочную добавку готовят следующим образом. 20

Пример 1. Для приготовления смазочной добаэки используют жирную кислоту (ЖК) с числом о1ыления 1.„ =

150 мг КОН и сульфат меди Си8

7 с мол. весом М = 249,5.

Мол.вес КОН М1,к= 56. Приняв С„,=

0,5, определяют необходимое количество медьсодержащего вещества по формуле (3) P = 200 кг/т. Для полного насыщения (C< = 1) требуется 334 кг/т

В соответствии с расчетом 20 г сульфата меди, растворенных в

200 см Н О, нагревают до т.кип. После нагревания в раствор вводят

100 r ЖК. При постоянном перемешивании смесь нагревают до т.кип. и З5 кипятят при перемешивании 15 мин.

После охлаждения производят отделение методом отстаивания жирной кислоты, прореагировавшей с ионами меди, от водного раствора. 40

Титрование отделенного водного раствора показывает, что для омеднения жирных кислот используют 17 г сульфата меди, т.е. степень насыщения медными солями жирных кислот

С = 0,51, или в исходный продукт вводят 51Ъ солей меди жирных кислот ° .

Полученный продукт, состоящий из смеси 49Ъ высокомолекулярных карбоновых кислот и их производных и 51% их солей меди, частично омыляют (степень омыления 0,4) известным методом едким натром

BCOOH +ИьОН = RCOON8, +Н О..

Оценивают эффективность полученной смазочной добавки. 55

Пример 2. Для приготовпейий смазочной добавки используют СГ с числом омыления r< = 160 мг КОН и сульфат меди 1,ыБ .4 ° 5 .

С, = 0,6 необходимое количество медьсодержащего вещества составляет

Р = 214 кг/т, а при Cä, —— 1 P

356 кт/т.

В соответствии с расчетом 23 г сульфата меди, растворенных в

200 см Н О, нагревают до т.кип. В нагретыи раствор вводят 100 г СГ.

При постоянном перемешивании смесь нагрснают до т.кип. и кипятят в течение 20 мин. После охлаждения производят отделение методом отстаивания смеси гудронов, прореагировавшей с ионами меди, от водного раствор» .

Тит»ование отделенного водного раствора показывает, что для омеднения жирных кислот смеси гудронов используют 18,9 г сульфата меди, т. е . с 111eHI H O III HII Me H MH солями жир 1ых кислот С = О, 56. Полученный продукт, состоящий из смеси 44Ъ высокомолекулярных карбоновых ки. лот и их производных и 56% их солей меди, используют в качестве смазочной добавки для буровых растворов.

Аналогичным способом производят омеднение ЖК, СГ, окисленного петролатума (на 54%) другими медьсодержащими веществами.

Протироизносные свойства неминерализованных глинистых буровых растворов, содержащих смазочные. добавки, оценивают по диаметру пятна износа шариков на четырехшариковой машине MACT-1. Износ шариков проводят при нагрузке, содержащей контактные напряжения 41000 кгс/см, частота вращения шпинделя 1 об/мин при суммарном числе оборотов 15, т.е. по принятой методике для оценки смазочных свойств буровых растворов.

Перед испытаниями буровые растворы со смазочными добавками перемешивают в миксере в течение 5 мин при

5000 об/мин.

В табл. 1 приведены результаты сравнительных испытаний омыленных (до степени 0,4) ЖК, СГ, а также окисленного петролатума (СМАД-1) и растворов с предлагаемыми добавками (обозначено М).

1051105

Таблиц 1

Относительный иэнос

Коэффициент трения (средний) Абсолютный износ шариков мм.

Буровой раствор

1,0

0,22

0,045

Исходный раствор +

23 ОЖК

0,49 1,0

0,096

0,022

0,27

0,55

0,1

0,012

Исходный раствор +

ЗЪ СГ

0,42 1,0

0,08

0,019

Исходный раствор +

34 СГМ (омедненных) 0,014

0 31 0,74

0,1

1,0

0,62

0,06

0,028

0,79

0,083

0,49,О, 022

Исходный глинистый раствор из бентонитовой глины, р 1,05 гс/смз

Исходный раствор +

2% OKKM (омедненных) Исходный раствор +

ЗЪ СМАД-1 (окисленный етролатум) Исходный раствор +

3% СМАД-1 (с омедненным окисленным петролатумом) Приведенные в табл. 1 результаты сравнительных испытаний свидетельствуют, что введение в буровой раст- go .вор 2-ЗВ предлагаемой смазочной добавки в зависимости от используе мой основы (отходов) в 2,1-3,75 раза снижает износ или во столько же раз повышает противоизносные свойст- gg ва бурового раствора. Таким образом, эффективность омедненной смазочной добавки по улучшению противоизностных неминералиэованных глинистых растворов на 27-83% вьвае по сравнению с применяемыми в бурении добавками. Особенно эффективны омедненные окрыленные жирные кислоты (ОЖКМ) и неомыленная смесь гудронов (CrM), повышакицие смазочные способности промывочных жидкостей в 3,2-3,75 раза.

Влияние омеднения смазочной добавки на основе отходов и побочных продуктов, содержащих высокомолекулярные карбоновые кислоты и нх производные, на противоэадирные свойства буровых растворов оценивают на испытательной машине трения МИ-1М при трении скольжения образцов иэ стали 20ХНЗА, термообработанной до твердости ННС 57-59, по стали 40 ХН с

HRC 53-55, т.е. применяют долотные стали.

Изнашивание производят в присутствии буровых растворов с различными смазочными добавками при скорости скольжения 1 м/с и различных удельных нагрузках, возникновение которых возможно при работе долот.

В табл. 2 приведены результаты изнашивания в среде глинистого раствора из бентонитовой глины с добавками ОЖК (омыленных до степени 0,4) иомеднениых омыленных жирных кислот (ОЖКМ).

30 ) 3 105

Таблица 7

Интенсивность изнашивания, Относительная интенсивность мг/1000 об., при удельных изнашивания при упельных нагрузках, кгс/см нагрузках, кгс/см

Буровой раствор

200 400 600 800 1000

200 400 600 800 1000

Исхсдный глинистый раствор из бентонитовой глины, 1,05 г/см

2,37 6,1 14,3

1,0 2,57 2,34

Исходный раствор +

38 ОЖК

1,0 1,26 1,46 5,96

1,25 1,57 2,3 13,7

Исходный раствор %

ЗЗ ОЖКМ

059076081093131012910711514

1 Таблица 3

Буровой раствор

Абсолютный износ шариков, ьм, при различной степени .насыщения (Cщ) смазочной.добавки медными солями жирных кислот

Глинистый раствор, р = 1,05 гс/см

+ 2% ОЖКМ 0,022 0,016 0,013 0,012 0,013 0,015

Анализ результатов исследований показывает, что в глинистом растворе с добавкой ОЖК при удельной нагрузке свыше 400 кгс/см наблюдается увеличение интенсивности изнашивания и коэффициента трения. При удельной нагрузке свыше 600 кгс/см отмечается наступление явлений схватывания с резким возрастанием интенсивности изнашивания. и коэффициента тре-30 ния. При добавке в буровой раствор омедненных омыленных жирных кислот (ОЖКМ) некоторое увеличение интенсивности изнашивания и коэффициента трения отмечается только после увеличе- 35 йия удельной нагрузки до 1000 кгс/см (дальнейшее увеличение нагрузки ограничивает характеристика машины МИ-1М), Приведенные данные позволяют сделать вывод, что применение омед- 40 ненной смазочной добавки повышает противозадирные свойства неминералиэованных глинистых буровых растворов по величине удельной нагрузки до наступления схватывания более чем,4 в два раза (с 400-600 до 1000 кгс/сии и более 1по сравнению с применением неомедненной смазочной добавки или .повыаает противоэадирные свойства промывочной жидкости, у которой наблюдаются явления схватывания уже при удельной нагрузке около

150 кгс/см, в 5-7 раэ. учитывая удельные нагрузки, возникакщие при работе в опоре долота, с применением омедненной смазочной добавки в опорах долот отсутствуют явления схватывания. Вместе с тем эти данные еще раэ подтверждают вывод (табл. 1) о значительном повышрнии противоиэносных свойств буровых растворов с омедненной смазочной добавкой, если оценку производят н по интенсивности изнашивания.

В процессе испытаний производят, оценку оптимального содержания со-. лей меди жирных кислот в смазочной добавке и смазочной добавки в бу. ровом растворе.

B табл. 3 приведены результаты испытаний бентонитового глинистого раствора с 2% добавки омедненных.омыленных жирных кислот (ОЖКМ) при различной степени насьзцения лх солями меди жирных кислот, проведенными на машине MACT-1, по приведенной методике.

1051105

Продолжение табл. 3

Относительный износ,мм, при различной степени насыщения CM

Буровой раствор

0 0,2 О, 0 51 0,7 0,8

Глинистый раствор, ) =1,05 гс/ñü .

+ 2В ОЖКМ 1,33 1,33 1,08 1,0 1,08 1,25

Как видно из данных табл. 3, 1S оптимальное насыщение или содержание солей меди жирных кислот в смазочной добавке составляет 50-60%. раствора с различным содержанием смазочной добавки в виде омедненных омыленных жирных кислот (OEKM)-, оцененных по диаметру пятна износа на машине МАСТ-1 и по интенсивности изнашивания на машине МИ-1М с удельной нагрузкой 400 кгс/см, Т а блица 4

В табл. 4 приведены результаты 2О оценки смазочных свойств бурового

Буровой раствор

Абсолютный износ шариков,мм, машине MACT-1 при различном содержании ОЖКМ в растворе,/

1 2 3 4 10 1 2 3 4

Глинистый раствор иэ бентонитовой глины, f3 = 1,05 гс/см

0,013 0,012 0,11 0,015 0,032 1,13 1,07 0,76 1,09 в смазочной добавке позволяет использовать при трении и износе деталей породораэрушающегося и бу40 рильного инструмента, а также бурового оборудования в среде бурового раствора явление избирательного переноса, значительно снижающего износ и отдаляющего наступление

45 режима схватывания. Предлагаемая смазочная добавка не оказывает отрицательного воздействия на реологические и фильтрационные свойства неминерализованных глинистых буровых растворов. Более того, она снижает водоотдачу необработанного глинистого раствора, что позволяет снизить расход реагентов-повн-нт»лей водоотдачи (табл. 5).

Предлагаемая омедненная добавка, будучи омыленной, хорошо диспергируется в водных растворах, не требует растворителя и непосредственно вводится в буровые растворы из мерной емкости.

В то же время омедненную, но не омыленную смазочную добавку следует растворять в дизельном топливе в соотношении 1:3 для снижения вязкости. Наличие связанной меди

1 е

Как видно из данных табл. 4, оптимальное содержание смазочной добавки в буровой промывочной жидкости составляет 2-3 об.%, т.е. находится в тех же пределах, что и для известных смазочных добавок.

Интенсивность изнашивания, мг/1000 об., на машине МИ-1М при различном содержании ОЖКМ в растворе,у

1051105

IТ

М Юа «у аблица 5

Фильтрация, СМЭ рН

Толщина Статическое глинис- напряжение той кор- сдвига ки, мм 01/10,мг/см

Условная вязкость с

Плотность, г /см

Буровой раствор

27/36

17

1,05

6/15

9,5

1,04

23 Таблица 6,Буровой раствор Абсолютный износ Коэффициент трения Относительный износ шариков, мм (средний1

0,045

0,22

0,56 1

0,025

0,097

0,11

0,47 0,84

0,020

Исходный раствор+

3% СМАД-1.(окисленный петролатум) 0,62 1

О., 06

0,028 Исходный раствор+

3% СМАД-1М (с омедненным окисленным петролатумом) 0,49 0,78

0,083

0,022

Исходный раствор+

3% ООП (омыленного окисленного петролатума) + 3% дизтоплива

0,71 1,14

0,078

0,032

Исходный раствор+

3% ООПМ (омедненного окисленного петролатума) + 3% диэтоплива

0,53 0,86

0,097

0,024 .

Исходный глинистый раствор иэ бентоннтовой глины

Исходный раствор + 3% ОЖКМ (омыленных омедненных жирных кислот) результаты сравнительных испытаний неомыленных жирных кислот, а также омыленного (ООП) и неоьвяленного окисленного петролатума СМАД-1 в сравнении с теми же добавками, чо омедненными (обозначено М, при ведены в табл. 6. Полученные реэульИсходный глинистый раствор из бентонивой глины, P = 1,05 гс/см

Исходный раствор +

3% ЖК + 3% дизтоплива

Исходный раствор+

3% ЖКМ + 3% дизтоплива

29 таты свидетельствуют, что для получения смазочной добавки возможно использование омыленных (иатриевых мыл) и неомыленных высокомолекулярных карбоновых кислот и их производных.

25 Омыление производят едким натром до степени 0,4.

1051105

Составитель В Ягодин

Техред Л„Пилипенко Корректор 0.Вилак

Редактор Н.Кешеля ю

Заказ 8602/27 Тираи 639 . Подписное

ВНИИПИ Гооударственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

213035, Иосква, %-35, Раушская иаб., д. 4/5

° ВЮФЫВ Ю Ю Ю ЮФ Ю

Филиал ППП "Патент" г.уагород, ул.Проектная, 4

Таким образом, предлагаемая смазочная добавка позволяет улучшить противоиэносные свойства неминералиэованных глинистых буровых растворов в 2,1-3,75 раза и противозадирные в

5-7 раэ, т,е. повысить на 27-83% про- > тивоизносные и на 100% противозадир ные свойства растворов по сравнению с известными. смазочными добавками и, следовательно, значительно снизить износ и расход бурильного и породоразрушакщего инструмента.