改進的粘土和頁巖抑制劑及使用方法
【專利摘要】鉆井操作中粘土和頁巖的水化可以通過使用包含具有下式(I)的頁巖水化抑制劑的水基鉆井液來抑制：R是具有1至6個碳的烷基；R1可以與R相同或不同并且是具有1至10個碳的烷基、或包含n個碳和n-1個羥基的羥基烷基，其中n是1至10的整數(shù)；R2是具有1至6個碳的烷基；R3可以與R2相同或不同并且是具有1至10個碳的烷基、或包含n個碳和n-1個羥基的羥基烷基，其中n是1至10的整數(shù)，條件是R3與R1不相同；和X是陰離子。所述頁巖水化抑制劑在所述水基鉆井液中存在的濃度應(yīng)該足以降低粘土和頁巖當暴露于水基鉆井液時的反應(yīng)性例如溶脹。
【專利說明】改進的粘土和頁巖抑制劑及使用方法 發(fā)明領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明涉及鉆探工業(yè)的頁巖水化抑制劑，具體地說是有效降低與鉆探和建造石油 工業(yè)的油氣井中使用的液體發(fā)生接觸的粘土和頁巖的反應(yīng)性、例如抑制溶脹的二季胺醇化 合物。
[0002] 發(fā)明背景
[0003] 在旋轉(zhuǎn)鉆井中，鉆井液在整個地下井中循環(huán)以運載鉆頭的鉆肩并將這些鉆肩輸送 到地面。同時，鉆井液冷卻和清潔鉆頭，以及降低鉆柱和鉆孔之間的摩擦，并且還穩(wěn)定井的 未加固部分。通常，鉆井液形成低滲透性濾餅以密封與周圍地質(zhì)構(gòu)造相關(guān)的任何滲透性。
[0004] 鉆井液可以按照它們的液體基礎(chǔ)分類：具有固體粒子懸浮在油連續(xù)相中的油基 液，并且，可能地，水或鹽水可以用所述油乳化?；蛘?，水基液包含懸浮在水或鹽水中的固體 粒子?？梢韵蛩@井液有意或無意地添加各種固體：a)有機聚合物或粘土，用于賦予粘 度和過濾性質(zhì)；b)不可溶的無機礦物質(zhì)，增加所述液體密度及幫助減少液體損失；c)可溶 性鹽，用于增加所述泥漿的密度；和d)在鉆孔操作期間，地層固體可以分散到鉆井液中。
[0005] 分散在鉆井液中的地層固體包括鉆出的鉆肩、土壤、和周圍不穩(wěn)定地層的固體。當 地層產(chǎn)生的固體是有反應(yīng)性的粘土礦物，所述反應(yīng)性例如溶脹、分散、迀移或經(jīng)歷溶脹引起 的迀移時，這可潛在危害鉆井時間和增加成本。
[0006] 粘土通常由具有暴露的表面羥基的鋁硅酸鹽礦物質(zhì)的片或?qū)訕?gòu)成。所述粘土表面 的基面（basal plane)是帶負電荷的，因此陽離子容易吸附在所述表面上。這些陽離子可以 是可交換的。在粘土結(jié)構(gòu)內(nèi)取代和存在可交換的陽離子影響粘土在水中溶脹的趨勢。例如 以水分子吸附在粘土表面上的表面水化產(chǎn)生溶脹。許多類型的粘土可通過這種方式溶脹。
[0007] 另一種類型的溶脹被稱作滲透溶脹，當層間離子濃度浸提（leach)粘土單位層之 間的水時，溶脹所述粘土。只有一些粘土可經(jīng)歷滲透溶脹。所有類型的粘土和頁巖的不穩(wěn) 定性，例如溶脹，都可引起一系列問題。例如，可增加鉆柱與鉆孔側(cè)之間的牽拉力。這可引 起液體循環(huán)量的損失和鉆柱與鉆頭粘著。
[0008] 這是開發(fā)有效的粘土不穩(wěn)定性抑制劑對油氣勘探行業(yè)而言之所以重要的原因。本 發(fā)明致力于這些困難的解決方案。
[0009] 許多類型的粘土抑制劑是已知的，包括使用無機鹽例如氯化鉀。已經(jīng)提交了許多 專利描述可用于抑制粘土溶脹的技術(shù)或產(chǎn)品。沒有完全匯總所述專利文獻，舉例來說，我 們可引用的抑制劑組合物基于：a)無機磷酸鹽，在USP 4, 605, 068中描述；b)聚烷氧基二 胺和它們的鹽，其在 USP 6, 484, 821 ;6, 609, 578 ;6, 247, 543 ;和 US20030106718 中描述；c) USP 5, 908, 814中描述的膽堿衍生物；d)低聚亞甲二胺和它們的鹽，在USP 5, 771，971和美 國公布No. 20020155956中描述；e)羧甲基纖維素和有機胺的加成產(chǎn)物，在WO 2006/013595 中描述；f)l，2-環(huán)己烷二胺和/或它們的鹽，在W02006/013597中描述；g)烷氧基化多 元醇的磷酸酯的鹽，在W02006/013596中描述；h)部分水解的丙烯酸類共聚物、氯化鉀和 聚陰離子纖維素的組合，在USP 4, 664, 818中描述；i)季銨化合物，在USP 5, 197, 544和 5, 380, 706中描述；j)基于二烷基氨基烷基甲基丙烯酸酯的聚合物，在USP 7, 091，159中描 述；k)包含具有親水和疏水基的聚合物的水溶液，在USP 5, 728, 653中描述；和1)多羥基 烷烴和環(huán)氧烷的反應(yīng)產(chǎn)物，在USP 6, 544, 933中描述。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0010] 本發(fā)明是水基鉆井液組合物和使用所述水基鉆井液組合物來降低鉆探操作中粘 土和頁巖的反應(yīng)性例如溶脹的方法，其中所述水基鉆井液包含水基連續(xù)相、反應(yīng)性粘土或 頁巖材料、和包含具有下式的二季胺醇化合物的頁巖水化抑制劑：
[0011]
[0012] 其中

【權(quán)利要求】
1. 水基鉆井液組合物，其包含： i)水基連續(xù)相； ii)反應(yīng)性粘土或頁巖材料； 和 iii)具有下式的頁巖水化抑制劑：
R是具有1至6個碳的烷基； R1可以與R相同或不同并且是具有1至10個碳的烷基、或包含η個碳和η-I個羥基的 羥基烷基，其中η是1至10的整數(shù)； R2是具有1至6個碳的烷基； R3可以與1?2相同或不同并且是具有1至10個碳的烷基、或包含η個碳和η-I個羥基 的羥基烷基，其中η是1至10的整數(shù)，條件是馬與Rif相同；和 X是陰離子； 其中所述頁巖水化抑制劑以足以降低所述粘土或頁巖的反應(yīng)性的濃度存在。
2. 權(quán)利要求1的組合物，其中： R是-CH3; 札是_CH3; R2是-CH3; R3是-CH2CH2OH;-CH(CH2OH) 2;或-C(CH2OH) 3; 和 X是氯根。
3. 權(quán)利要求1的組合物，其中所述頁巖抑制劑是2-羥基-N^(2-羥基乙 基）-N1，N1，N3,N3,N3-五甲基丙烷-1，3-二銨氯化物；N1-(1，3-二羥基丙-2-基）-2-羥 基-N1，N1，N3,N3,N3-五甲基丙烷-1，3-二銨氯化物；或N1- (1，3-二羥基-2-(羥基甲基） 丙-2-基）-2-羥基-N1，N1，N3,N3,N3-五甲基丙烷-1，3-二銨氯化物。
4. 權(quán)利要求1的組合物，其還包含濾失控制劑、加重材料、稠化劑、分散劑、潤滑劑、腐 蝕抑制劑、消泡劑或表面活性劑中的一種或多種。
5. 權(quán)利要求1的組合物，其中所述水基連續(xù)相是淡水、海水、鹽水、水和水溶性有機化 合物的混合物、或其混合物。
6. 用于降低鉆井作業(yè)中粘土和頁巖的反應(yīng)性的方法，所述方法包括使用包含具有下式 的頁巖水化抑制劑的水基鉆井液：
R是具有1至6個碳的烷基； R1可以與R相同或不同并且是具有1至10個碳的烷基、或包含η個碳和n-1個羥基的 羥基烷基，其中η是1至10的整數(shù)； R2是具有1至6個碳的烷基； R3可以與1?2相同或不同并且是具有1至10個碳的烷基、或包含η個碳和n-1個羥基 的羥基烷基，其中η是1至10的整數(shù)，條件是馬與Rif相同；和 X是陰離子，優(yōu)選鹵根、硫酸根、磷酸根、碳酸根或氫氧根陰離子，最優(yōu)選氯根； 其中所述頁巖水化抑制劑以足以降低所述粘土或頁巖的反應(yīng)性的濃度存在。
7. 權(quán)利要求6的方法，其中： R是-CH3; 札是_CH3; R2是-CH3; R3是-CH2CH2OH;-CH(CH2OH) 2;或-C(CH2OH) 3; 和 X是氯根。
8. 權(quán)利要求6的方法，其中所述頁巖抑制劑是2-羥基-Nl(2-羥基乙 基）-N1，N1，N3,N3,N3-五甲基丙烷-1，3-二銨氯化物；N1-(1，3-二羥基丙-2-基）-2-羥 基-N1，N1，N3,N3,N3-五甲基丙烷-1，3-二銨氯化物；或N1- (1，3-二羥基-2-(羥基甲基） 丙-2-基）-2-羥基-N1，N1，N3,N3,N3-五甲基丙烷-1，3-二銨氯化物。
9. 權(quán)利要求6的方法，其還包含濾失控制劑、加重材料、稠化劑、分散劑、潤滑劑、腐蝕 抑制劑、鹽、消泡劑或表面活性劑中的一種或多種。
10. 權(quán)利要求6的方法，其中所述水基連續(xù)相是淡水、海水、鹽水、水和水溶性有機化合 物的混合物、或其混合物。
【文檔編號】C09K8/22GK104471017SQ201380038525
【公開日】2015年3月25日 申請日期:2013年7月16日 優(yōu)先權(quán)日:2012年7月20日
【發(fā)明者】C·A·威瑟姆, J·L·德亞文珀特, M·K·波因德克斯特 申請人:陶氏環(huán)球技術(shù)有限責(zé)任公司