[发明专利]聚苯乙烯塑料小球的制备方法及其应用

说明书

技术领域

本发明涉及一种聚苯乙烯塑料小球的制备方法及其应用。更具体地说，本发明涉及一种钻井液用固体润滑剂塑料小球的制备方法及其作为固体润滑剂的应用。

背景技术

随着石油勘探工作的发展，钻井深度不断增加，丛式井、大斜度定向井和水平井的钻井数量也迅速增大，避免卡钻、降低钻具扭矩、减少钻柱磨损成为急需解决的问题，在钻井液中加入润滑剂可有效避免卡钻等事故。固体润滑剂是相对于液体润滑剂来说的，是以固体的形式加入到钻井液中起到润滑井壁、防止粘附卡钻等作用。它具有运输便利、无荧光、润滑性能好等优点。目前所用的钻井液用固体润滑剂按照润滑机理主要有以下两种。

⑴石墨类，润滑机理主要靠层间的滑动。石墨是碳的一种结晶形态，具有六方晶格,原子呈层状排列，同一层晶面上碳原子间的距离为0.142nm，相互之间是共价键结合；层与层之间的距离为0.34nm，原子间呈分子键结合，层与层之间的作用力很小故很容易在层间发生相对滑动，从而起到很好的减磨作用。石墨粉作为润滑剂具有抗高温、无荧光、降摩阻效果明显、加量小、对钻井液性能无不良影响等特点。加入到钻井液后能牢固地吸附(包括物理和化学吸附)在钻具和井壁岩石表面，从而改善摩擦接触面之间的摩擦状态，起到降低摩阻的作用。

⑵圆形球状体，类似于细小滚珠，润滑机理是存在于钻柱与井壁之间，将滑动摩擦转化为滚动摩擦，从而大幅度降低扭矩和阻力，防止粘附卡钻，主要包括玻璃小球和塑料小球。玻璃小球成分为玻璃体，性脆，在打钻过程中极易破碎，一般用于下套管时使用，而不能用于常规钻井中。塑料小球主要为苯乙烯与二乙烯苯的共聚物，韧性强，具有无毒、无荧光、可回收利用等特点。它耐酸、耐碱、不溶于水和油类，在钻井液中呈惰性，可与水基和油基的各种类型钻井液匹配，是一种高效润滑剂，近年来发展很快。无论是塑料小球还是玻璃小球，由于受固体尺寸的限制，在钻井过程中很容易被固控设备清除，而且在钻杆的挤压或拍打下，有破坏、变形的可能，因此在使用上受到了一定的限制。

由于石墨为天然矿物材料，玻璃小球由于脆性大，在打钻过程中无法应用，钻井液用固体润滑剂研究主要集中在塑料小球方面，目前塑料小球制备方法主要有以下两种：

⑴以苯乙烯或丙烯酸酯为主，配二烯属烃共聚而成。采用悬浮聚合的方法，以苯乙烯为单体，以二乙烯基苯为交联剂，过氧化二苯甲酰为引发剂，聚乙烯醇和明胶为分散剂合成出塑料小球，目前所用的塑料小球大部分为这种方法制备。缺点是制备的塑料小球粒径较小，不容易制备大于2μm以上产品。

⑵有机无机复合，以苯乙烯和无机层状材料为原料，利用单体原位插层悬浮聚合的方法制备聚苯乙烯复合粒子，聚苯乙烯/无机复合塑料小球，可以通过调整搅拌强度、分散剂用量、聚合时间和温度等来控制产品的粒径。

本发明提出了一种制备聚苯乙烯塑料小球的方法，在苯乙烯单体中溶解部分聚苯乙烯配制成均匀的油相，将它们分散到含有分散剂和乳化剂的水溶液中，利用悬浮聚合的方法使苯乙烯单体聚合生成聚苯乙烯，因此塑料小球的成分实际上是由前期加入的聚苯乙烯和后期生成的聚苯乙烯组成的。

发明内容

本发明的目的在于解决常规方法制备的聚苯乙烯塑料小球粒径偏小的问题，塑料小球的粒径可以控制，并且降低了成本，可作为钻井液用固体润滑剂使用。

本发明利用的方法为自溶解的方法，即将聚合物溶解于单体中，提高单体粘度，然后再控制条件使单体引发，此方法制备的塑料小球既含有原有的聚合物成分，也含有单体引发后聚合的产品成分。

本发明的技术方案如下：

一种制备聚苯乙烯塑料小球的方法，包含如下步骤：

(a)油相的制备：将聚苯乙烯溶解到苯乙烯单体中，再加入引发剂、交联剂和乳化剂作为油相。其中，聚苯乙烯的重量为苯乙烯重量的2%～30%，优选为苯乙烯重量的4～20%；引发剂重量为苯乙烯单体重量的0.02～3%，优选为苯乙烯单体重量的0.1～0.5%；交联剂重量为苯乙烯单体重量的0-4%，优选为苯乙烯单体重量的0.5-2.5%；乳化剂加量为聚苯乙烯和苯乙烯质量之和的2-10%，优选为聚苯乙烯和苯乙烯质量之和的3-5%。

(b)水相的制备：在蒸馏水中加入分散剂和乳化剂，溶解均匀的溶液做为水相。其中，分散剂重量为蒸馏水重量的0.12-8%，优选为蒸馏水重量的1-3%；乳化剂的重量为蒸馏水重量的0-1.0%，优选为蒸馏水重量的0.1-0.3%。