用于抑制粘土的溶脹的新穎試劑、包含所述試劑的組合物以及實施所述試劑的方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種新的添加劑作為用于抑制粘土的溶脹的試劑的用途，特別是在鉆探領域。更具體地，本發(fā)明涉及特定的二胺與二酸鹽作為用于抑制含水介質(zhì)中粘土溶脹的試劑的用途，以及包含根據(jù)本發(fā)明的鹽的鉆井或水力壓裂液組合物以及實施所述鹽的鉆探或水力壓裂方法。
【專利說明】用于抑制粘土的溶脹的新穎試劑、包含所述試劑的組合物 以及實施所述試劑的方法
[0001] 本發(fā)明的主題是一種新穎的添加劑作為粘土溶脹抑制劑，尤其是在鉆探領域中的 用途。更具體地，本發(fā)明目的在于二胺與二酸的一種特定鹽作為含水介質(zhì)中粘土溶脹的抑 制劑的用途，以及還有在于一種包含根據(jù)本發(fā)明的鹽的鉆井液組合物或水力壓裂液組合物 以及使用所述鹽的鉆探或水力壓裂方法。

【背景技術】
[0002] 在鉆井作業(yè)過程中，尤其是當目的是采收地下石油和/或天然氣田而進行鉆井 時，采用了鉆井液旨在潤滑、清潔并且冷卻鉆探工具和鉆頭，和/或排出在鉆探過程中破碎 的物質(zhì)（清除的巖石或鉆屑）。鉆井液還用于清潔該井。它們還提供了在固結(jié)前支撐井壁 所必需的壓力。這種流體通常被稱為"鉆探泥漿"。在鉆探之后，井壁總體上用水泥材料固 結(jié)。
[0003] 在鉆井過程中，特別是在旨在生產(chǎn)石油和/或天然氣的鉆井過程中，鉆探經(jīng)常是 通過泥質(zhì)巖（特別是通過頁巖）進行的。
[0004] 泥質(zhì)巖層所造成的問題是眾所周知的。當通過使用水基鉆井液鉆探而滲透這些巖 層時，通過離子交換和水合作用在泥質(zhì)結(jié)構內(nèi)發(fā)生復雜的化學反應。
[0005] 這些反應導致粘土的溶脹，鉆探穿過的巖層的泥質(zhì)顆粒的崩解或分散。
[0006] 這種粘土的溶脹不僅在鉆探壁方面而且在鉆井液方面以及在儲集巖方面都造成 問題。
[0007] 表述"儲集巖"應理解為是指包括待提取的石油和/或天然氣的巖層。
[0008] 由于粘土的水合作用，分散的顆粒污染了鉆井液和儲集巖，并且崩解對井壁的穩(wěn) 定性是不利的。這些粘土的溶脹還通過干擾流體的流動或鉆探工具的通道而引起操作問 題。
[0009] 沿著井壁，溶脹造成突起，這些突起干擾鉆井液和鉆探工具的運動。此外，溶脹可 能導致崩解，從而造成沿著的壁隆起。這些隆起和突起可在井中產(chǎn)生機械弱點。
[0010] 在鉆井液中，崩解的泥質(zhì)材料被釋放到流體中并且呈現(xiàn)了流體的粘度控制的問 題：該泥質(zhì)材料，尤其是在高濃度的鹽（鹽水）的存在下，具有大大增加粘度的傾向。這種 粘度的增加變得有害，并且如果它太高，會損害鉆探工具。該井甚至可能變得不可用。
[0011] 此外，清除的泥質(zhì)巖在鉆井液中可能有聚集在一起的傾向（"鉆頭結(jié)球 (bit-balling)"現(xiàn)象）?？傮w上，它被稱為吸積現(xiàn)象。該吸積可能會干擾流體和工具的運 動。此外，它們可以圍繞鉆頭粘附并聚集在一起并且從而阻塞它。
[0012] 在泥質(zhì)巖層中在鉆探過程中由粘土的溶脹帶來的問題是與粘土 /鉆井液相互作 用的現(xiàn)象緊密相連的，尤其是在粘土-水接觸過程中。
[0013] 現(xiàn)有摶術/問穎
[0014] 在石油開采領域中，上面提及的問題尤其是在使用無水鉆井液（例如其中連續(xù)相 是基于一種液烴的流體）得以解決。但是用這些類型的"油基"泥漿鉆探具有很多缺點：該 流體的高昂成本，鉆探造成的流出物和碎屑的油的毒性并且尤其是污染。關于廢物處理的 現(xiàn)行法規(guī)從此導致處理成本和技術使得油基泥漿很經(jīng)常不可能使用。
[0015] 因此，目前，研究與開發(fā)基本上集中在含水體系中以便找到限制粘土溶脹現(xiàn)象的 添加劑。這些添加劑被稱為"粘土溶脹抑制劑"并且它們的目的在于防止流體沿壁滲入到 巖石中、滲入到懸浮的清除的巖石中，并抑制溶脹和/或崩解。
[0016] 在這些添加劑之中，它們特別是以下各項：
[0017] -礦物鹽類（KCl、NaCl、CaCl2等），其中KC1無疑是用于抑制粘土的溶脹的最常用 的鹽。事實上，鉀離子是一種很好的抑制劑，其降低了粘土片之間的靜電排斥并因此降低了 粘土的溶脹。盡管Na+離子作為抑制劑不如K+離子，NaCl的使用也是廣泛的，尤其是與硅 酸鹽、多元醇或甲基葡萄糖苷組合時。礦物鹽類的其他溶液，如CaCl 2、或CaBr2、ZnCl2、MgCl2 或MgBr2以及ZnBr2也被廣泛地用作溶脹抑制劑。然而，越來越多地尋求避免在該領域中使 用這些化合物，因為無機鹽類（尤其是氯化物鹽）對用于固結(jié)井壁的水泥具有有害的作用，
[0018] -有機一元酸鹽類，尤其是具有式RC001T其中R = Η或CH3并且M+ = Na+、K+或 Cs+的溶解的堿金屬甲酸鹽或堿金屬乙酸鹽，
[0019] -二胺鹽類，如在專利申請US 2006/0289164中所描述的，其抗衡離子是一元酸 (如甲酸）、無機酸、或其他酸如羥基酸（蘋果酸或檸檬酸）；以及更特別地己二胺與無機酸 (如鹽酸）或單官能有機酸（如甲酸）的鹽類，如在專利申請US 2002/0155956中所描述 的，
[0020] -用來固結(jié)壁的聚合物（"井筒固結(jié)"）。因此目前使用的是部分水解的聚丙烯酰 胺（PHPA)。專利FR 2185745描述了這樣一種用途。這些聚合物在壁的表面上形成了一種 聚合物膜，封裝清除的巖石，并且從而抑制了粘土的水合作用。然而這些聚合物的性能是有 限的，因為他們具有在高濃度下使流體太粘的傾向。此外，這些聚合物的性能在高溫高壓 (HTHP)鉆探條件下由于其有限的水解穩(wěn)定性是有限的。此外，這些聚合物在其使用期間由 于其低剪切阻力而降解。因此，需要替代解決方案。
[0021] 越來越嚴格的法規(guī)目的在于限制對人類或?qū)Νh(huán)境危險的產(chǎn)品的使用和/或處置 的風險。遲早，在一些國家，在鉆井泥漿的過度酸化的情況下，將不再有可能使用此類腐蝕 性添加劑（如己二胺），或有可能使刺激性和/或腐蝕性產(chǎn)品進入大氣中的添加劑（例如羥 基酸或甲酸）。因此，需要替代解決方案。
[0022] 因此，對于提供粘土溶脹抑制劑仍然存在一種需要，這些粘土溶脹抑制劑在其應 用中表現(xiàn)地甚至更好，并且對人類或?qū)Νh(huán)境的危險更小。
[0023] 發(fā)明簡要說明
[0024] 為此目的，本發(fā)明提供了二胺與二羧酸的一種鹽作為抑制粘土在含水介質(zhì)中溶脹 的試劑的用途，該二羧酸對應于下式I :
[0025] HOOC-A-COOH(I)
[0026] 其中A是共價鍵或者飽和的或不飽和的、直鏈的或支鏈的二價脂肪族烴基，在這 兩個C00H端基之間延伸的其主直鏈具有1至3的碳數(shù)。
[0027] 本發(fā)明還涉及一種鉆井液組合物或水力壓裂液組合物，其特征在于它包含根據(jù)本 發(fā)明的二胺與二酸的至少一種鹽、液體載體和任選的被溶解或分散在該液體載體中的添加 劑。
[0028] 最后本發(fā)明涉及一種鉆探方法（其中在至少一個步驟中使用了一種根據(jù)本發(fā)明 的鉆井液組合物）以及一種水力壓裂方法（其中在至少一個步驟中使用了根據(jù)本發(fā)明的水 力壓裂液組合物）。
[0029] 發(fā)明詳細說明
[0030] 用途
[0031] 本發(fā)明使用了二胺與二羧酸的鹽，其中該二羧酸（被稱為"二酸"）對應于上式I。
[0032] 在此式中，A是共價鍵或者飽和的或不飽和的、直鏈的或支鏈的二價脂肪族烴基， 在這兩個C00H端基之間延伸的其主直鏈具有1至3的碳數(shù)。
[0033] 將理解的是A不間雜有雜原子并且不攜帶其他官能基團（除在式I的鏈端的兩個 羧酸官能團之外），或者在其主鏈上或在可能的支鏈基團上。還將理解的是A不是環(huán)狀的。
[0034] 優(yōu)選地，當A為一個支鏈的脂肪族基團時，該一個或多個支鏈基團具有從1至3范 圍內(nèi)的碳數(shù)。優(yōu)選地，涉及的是甲基或乙基。
[0035] 有利地，當A為一個支鏈的脂肪族基團時，它包括最多兩個支鏈基團，優(yōu)選只有一 個。
[0036] 作為根據(jù)本發(fā)明可接受的A基團的實例，可以提及的是：
[0037] _(CH2)n_，其中η為從1至3的一個整數(shù)，
[0038] -CH(CH3)_(CH2)m-，其中 m 為從 0 至 2 的一個整數(shù)，
[0039] -C(CH3)2-(CH2)。-，其中 〇 為從 0 至 2 的一個整數(shù)，
[0040] -CH(CH2CH3)-(CH2) P-，其中 p 為從 0 至 2 的一個整數(shù)，
[0041] -CH = C (CH3) - (CH2) Γ (順式或反式），其中q等于0或1，
[0042] -CH = CH-(CHU順式或反式），其中r等于0或1，
[0043] -C ( = CH2) - (CH2) s_，其中 s 為從 0 至 2 的一個整數(shù)，
[0044] -CH2-CH(CH3) -CH2-,
[0045] _CH2_C (CH3) 2_CH2_j
[0046] -CH2_CH (CH2CH3) -CH2_。
[0047] 根據(jù)一個有利的實施例，本發(fā)明的二酸選自丙二酸、琥珀酸、戊二酸、甲基丙二酸、 二甲基丙二酸、乙基丙二酸、中康酸、甲基琥珀酸、乙基琥珀酸、馬來酸、富馬酸、衣康酸、甲 基戊二酸以及戊烯二酸。
[0048] 優(yōu)選地，該二酸選自丙二酸、琥珀酸、戊二酸、甲基丙二酸、二甲基丙二酸、乙基丙 二酸、甲基琥珀酸、乙基琥珀酸以及甲基戊二酸。
[0049] 還更優(yōu)選地，該二酸選自琥珀酸、戊二酸以及甲基戊二酸。
[0050] 根據(jù)本發(fā)明的二胺與二羧酸的鹽還使用一種二胺。
[0051] 根據(jù)一種有利的形式，該二胺是具有下式II的伯二胺：
[0052] H2N-Z-NH2(II)
[0053] 其中Z是飽和的或不飽和的、直鏈的或支鏈的二價脂肪族或脂環(huán)族烴基，任選地 間雜有雜原子，在兩個NH 2端基之間延伸的其主鏈具有小于或等于12,優(yōu)選地從4至12的 碳數(shù)。
[0054] 術語"間雜有雜原子的"將理解為是指該鏈可以間雜有一個或多個選自N、S、0或 P (優(yōu)選N)的原子。
[0055] 優(yōu)選地，當Z為一個支鏈的（環(huán)）脂肪族基團時，該一個或多個支鏈基團具有小于 或等于3的碳數(shù)。優(yōu)選地，涉及的是甲基或乙基。有利地，當Z為一個支鏈的（環(huán)）脂肪族 基團時，它包括最多兩個支鏈基團，優(yōu)選只有一個。
[0056] 作為根據(jù)本發(fā)明可接受的Z基團的實例，可以提及的是：
[0057] _(CH2)n，-，其中η'為從2至12,優(yōu)選從4至12的一個整數(shù)，
[0058] -CH(CH3)-(CH2)m,-，其中 m' 為從 1 至 11 的一個整數(shù)，
[0059] -C(CH3)2-(CH2)。,-，其中 〇' 為從 1 至 11 的一個整數(shù)，
[0060] -ch(ch2ch3)-(ch2) p，-，其中 P' 為從 1 至 11 的一個整數(shù)，
[0061] -CH = C(CH3)-(CH2)(1，-(順式或反式），其中q'為從0至10的一個整數(shù)，
[0062] -CH = CH_(CH2),，-(順式或反式），其中r'為從0至10的一個整數(shù)，
[0063] -CH2-CH(CH3)_(CH2) S，-，其中 s' 為從 0 至 10 的一個整數(shù)，
[0064] _012-(：(013)2-(01山，-，其中1為從0至10的一個整數(shù)，
[0065] -CH2-CH(CH2CH3)-(CH 2)U,-，其中 u' 為從 0 至 10 的一個整數(shù)，
[0066] _(CH2)v，-NH-(CH2) w，-，其中ν'和w'為從1至6的相同的或不同的整數(shù)，并且v'+w' 為小于或等于12，
[0067]

【權利要求】
1. 二胺與二羧酸的鹽作為粘土在含水介質(zhì)中溶脹的抑制劑的用途，該二羧酸對應于下 式I : HOOC-A-COOH(I) 其中A是共價鍵或飽和的或不飽和的、直鏈的或支鏈的二價脂肪族烴基，在這兩個 C00H端基之間延伸的其主直鏈具有1至3的碳數(shù)。
2. 根據(jù)權利要求1所述的用途，該二酸選自丙二酸、琥珀酸、戊二酸、甲基丙二酸、二甲 基丙二酸、乙基丙二酸、中康酸、甲基琥珀酸、乙基琥珀酸、馬來酸、富馬酸、衣康酸、甲基戊 二酸以及戊烯二酸。
3. 根據(jù)權利要求1或2所述的用途，該二酸選自丙二酸、琥珀酸、戊二酸、甲基丙二酸、 二甲基丙二酸、乙基丙二酸、甲基琥珀酸、乙基琥珀酸以及甲基戊二酸。
4. 根據(jù)權利要求1至3中任一項所述的用途，該二酸選自琥珀酸、戊二酸以及甲基戊二 酸。
5. 根據(jù)權利要求1至4中任一項所述的用途，該二胺是具有下式II的伯二胺： h2n-z-nh2(ii) 其中Z是飽和的或不飽和的、直鏈的或支鏈的二價脂肪族或脂環(huán)族烴基，該烴基任選 地間雜有雜原子，在兩個NH2端基之間延伸的其主鏈具有小于或等于12的碳數(shù)。
6. 根據(jù)權利要求1至5中任一項所述的用途，該二胺選自以下二胺：乙二胺、1，2-丙二 胺、1，3_丙二胺、1，4_ 丁二胺、1，5_戊二胺、2-甲基五亞甲基二胺、N-(2-氨乙基）_1，3_丙 二胺、1，2_環(huán)己二胺、1，4_環(huán)己二胺、1，6_己二胺、雙（3-氨基丙基）胺、1，7_庚二胺、1， 8_辛二胺、1，10-癸二胺、1，12-十二烷二胺以及雙（六亞甲基）三胺。
7. 根據(jù)權利要求1至7中任一項所述的用途，該二胺選自以下二胺：1，4_ 丁二胺、1， 戊二胺、2-甲基五亞甲基二胺、N- (2-氨乙基）-1，3-丙二胺、1，2-環(huán)己二胺、1，4-環(huán)己二 胺、1，6_己二胺、雙（3-氨基丙基）胺、1，7_庚二胺、1，8_辛二胺、1，10_癸二胺、1，12_十二 烷二胺以及雙（六亞甲基）三胺。
8. 根據(jù)權利要求1至7中任一項所述的用途，該二胺選自2-甲基五亞甲基二胺和1， 6-己二胺。
9. 根據(jù)權利要求1至8中任一項所述的用途，該鹽是二胺與二酸的混合鹽，該二酸中的 至少一種是如在權利要求1至4任一項中所定義的。
10. 根據(jù)權利要求1至9中任一項所述的用途，該含水介質(zhì)為鉆井液或水力壓裂液。
11. 鉆井液組合物或水力壓裂液組合物，其特征在于它包含如在權利要求1至10任一 項中所定義的二胺與二酸的至少一種鹽、液體載體以及任選的被溶解或分散在該液體載體 中的添加劑。
12. 根據(jù)權利要求11所述的組合物，該液體載體為水或水包油乳液。
13. 根據(jù)權利要求11或12所述的組合物，此外包括至少一種溶解或分散在該液體載體 中的添加劑，其選自： -增粘劑， _降濾失劑， -與如權利要求1至10中任一項所定義的二胺與二酸的鹽不同的粘土溶脹抑制劑。
14. 鉆探方法，其中在至少一個步驟中使用根據(jù)權利要求11至13中任一項所述的鉆井 液組合物。
15.水力壓裂方法，其中在至少一個步驟中使用根據(jù)權利要求11至13中任一項所述的 水力壓裂液組合物。
【文檔編號】C09K8/035GK104114670SQ201380009243
【公開日】2014年10月22日 申請日期:2013年2月12日 優(yōu)先權日:2012年2月14日
【發(fā)明者】T.巴德爾, A.卡迪克斯 申請人:羅地亞運作公司