專利名稱：鉆井液體的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及適用于油和氣的勘探以及開采工業(yè)的鉆井液體，它包括用于鉆井的鉆孔，完成、改造或裝填的液體。本發(fā)明特別是涉及可生物降解的鉆井液體、其液相由油或油包水“轉(zhuǎn)化”乳狀液組成，其油相包含具有10～20個碳原子的正-鏈烷烴。
鉆井是通過連接到一節(jié)鉆孔管底部的鉆頭進行的，鉆頭是通過地面上的發(fā)動機驅(qū)動鉆孔管的頂端轉(zhuǎn)動而旋轉(zhuǎn)或通過固定到鉆孔管較低端的的透平機而旋轉(zhuǎn)，透平機是靠鉆井中的循環(huán)液體驅(qū)動的。
在這兩種情況下，都需要鉆孔液體以除去鉆頭周圍的鉆屑并將鉆屑輸送到地面以分離并除去。鉆孔液體也冷卻鉆頭并潤滑鉆頭和鉆孔管，由此減少摩擦。
許多情況下，可使用包含水和增加液體粘度的蒙脫石粘土的簡單混合物作為鉆孔液體，用來懸浮和傳輸鉆屑。但是，鉆井常常要鉆孔穿過地質(zhì)成形的構(gòu)成材料，這些材料與水接觸時膨脹和開裂。在這種情形下，使用油基鉆孔液體，即液體中的液相由油或油包水“轉(zhuǎn)化”乳狀液組成。
這類油基鉆孔液體避免了因水與頁巖接觸而引起的水化問題或鹽形成。將它們與水基液體比較還具有提高鉆孔管的潤滑，抑制鉆孔管的腐蝕和高溫下的高穩(wěn)定性的優(yōu)點。
最初，這類油基鉆孔液體利用柴油或其它類似的石油餾分作為油相?？墒沁@些液體包含相當(dāng)高比例的芳香烴和對海洋生命有毒的其它化合物。
近來，人們已經(jīng)使用高精制低芳香烴礦物油物為鉆孔液體的油相。它們的毒性比柴油的毒性低的多，是通過降低芳香烴濃度，尤其是多核芳香烴的各種方法而由石油原料中制得的。
這些油一般包含小于約6%的芳香烴，并主要比例是鏈烷烴如支鏈的異-鏈烷烴，環(huán)鏈烷烴(環(huán)烷類)，以及正鏈烷烴(直鏈鏈烷烴)。其各組分的比例隨所使用的石油原料(原油)和所使用的精制方法而不同。
按照本發(fā)明的第一方面，提供了一種可生物降解的鉆井液體，該液體具有連續(xù)的油相。它包含至少50%(重量)具有10～20個碳原子的正鏈烷烴，或這類鏈烷烴的混合物。
該鉆井液體最好基本上沒有環(huán)鏈烷烴，異鏈烷烴和芳香化合物。因此，本發(fā)明的鉆井液體的連續(xù)油相優(yōu)選地小于10%，更優(yōu)選地小于5%(重量)的環(huán)鏈烷烴，異-鏈烷烴，芳香化合物和聚α-烯烴類。
盡管聚α-烯烴類在厭氧條件下不易降解，但在某些條件下例如油相的量高達約50%(體積)時，它們是可生物降解的，因此在本發(fā)明的鉆井液體中可以承受。在本發(fā)明的優(yōu)選的實施方案中，任何聚α-烯烴類的存在量不大于20%(體積)，更優(yōu)選的不大于10%(體積)，最優(yōu)選的不大于5%(體積)。
本發(fā)明的鉆井液體的連續(xù)油相可包含至多50%(體積)的其它可生物降解油如EP-A-0374671或EP-A-0374672中描述的酯油或植物油。
本發(fā)明的鉆孔液體在需氧和厭氧條件下均具有高生物降解性和低毒性。
正鏈烷烴可通過從植物油或動物脂肪獲得的可回收原料進行處理而制備。例如，正鏈烷烴的混合物(基本上沒有其它烴類并具有適當(dāng)?shù)奶兼滈L度)可直接由甘油三酯油和脂肪如椰子油或棕櫚仁油制得。通過在高溫高壓下(近似360℃和40～100巴)，在催化劑的存在下用氫可還原植物油，而得到基本上純的正鏈烷烴，其碳數(shù)相當(dāng)于甘油三酯酯原料中結(jié)合的脂肪酸。丙烷是還原甘油組分的副產(chǎn)品。由于其揮發(fā)性易于從正鏈烷烴中分離?？赡墚a(chǎn)生的少量正辛烷由于其產(chǎn)品的閃點是不希望有的，必要時經(jīng)蒸餾易于除去，剩下更優(yōu)選的鏈長C10-C18的正鏈烷烴的混合物。
同樣，可將天然脂肪酸脫去羧基或還原以生成合適的高純正鏈烷烴。脂肪族醇和α-烯烴也可還原成正鏈烷烴。
在本發(fā)明的一個優(yōu)選的實施方案中，本發(fā)明的正鏈烷烴具有12～18個碳原子。
驚奇地發(fā)現(xiàn)，本發(fā)明的正鏈烷烴混合物用作生物可降解油基的或轉(zhuǎn)化乳狀液的鉆井液體的連續(xù)液相時具有很大的優(yōu)點。(轉(zhuǎn)化乳狀鉆井液體一般有乳化成油的分散的鹽相)。
當(dāng)需要在冷的環(huán)境中使用鉆孔液體時，本發(fā)明的鉆井液體可包含添加的傾點下降劑以降低正鏈烷烴混合物的傾點(凝固點)。
可使用的油連續(xù)鉆井液體的油水比，優(yōu)選的范圍為25∶75和100∶0。
本發(fā)明的鉆井液體的液體組分在連續(xù)的油相中可包含分散的親水液體的乳狀液。
為了加速生物降解，本發(fā)明的鉆井液體還可包括添加的營養(yǎng)素。合適的營養(yǎng)素包括元素氮、磷和鉀的源，最好還包括痕量元素如細菌所需的鐵。如果鉆井液體是轉(zhuǎn)化泥漿，則該營養(yǎng)素可被溶解在水相或營養(yǎng)素被分散在油相中。
鉆井液體還可包括電子受體如赤鐵礦、硝酸鹽和硫酸鹽。
向鉆井液體中加入營養(yǎng)素和/或電子受體的原則是可擴大到水不混溶的任何鉆井液體或油相。于是，按本發(fā)明的另一方面，提供了一種包含油相的鉆井液體，其特征在于該鉆井液體還包含作為營養(yǎng)素添加的用于提高該鉆井液體的所述油相的生物降解目的的一種或多種元素氮、磷和鉀。該鉆井液體最好包含該三種元素的每一種源。
在本發(fā)明的這方面中，油相的油在厭氧條件下在所述營養(yǎng)素的存在下應(yīng)該是可生物降解的。
在本發(fā)明的另一方面的鉆井液體中，鉆井液體可另外包含厭氧細菌所需的痕量元素源用于有效的生物降解，并且可另外包含電子受體以有助于生物降解。
鉆井液體中可包含的任意添加劑包括乳化劑和其它表面活性劑，粘膠劑如有機粘土和聚合物，過濾控制劑如一種天然瀝青[GilsoniteTM]和有機粘土改性的褐煤，密度增加劑如粉狀重晶石或赤鐵礦或碳酸鈣，或其它現(xiàn)有技術(shù)中熟知的鉆井液體添加劑。
其它油可混溶的和可生物降解的液體如油溶酯、植物油可按小比例[如少于50%(重量)]包含在鉆井流體的連續(xù)油相中。
該鉆井液體的乳化水相可包含溶解鹽如堿金屬鹵化物。例如氯化鈉、堿土金屬鹵化物如氯化鈣或用于調(diào)節(jié)分散水相的水活性的其它水溶性有機化合物或鹽(以增強鉆孔性能)。
在本發(fā)明之前，人們不清楚可生物降解的鉆井液體可以采用正鏈烷烴作為連續(xù)的液相而配制，也不清楚可配制的鉆孔液體，其基本上包含純正鏈烷烴混合物的連續(xù)相具有低塑性粘度的有利特性(由于正鏈烷烴混合物的低運動粘度的結(jié)果)，對于除了最冷的環(huán)境條件外都具有足夠低的傾點，可接受的閃點，對人體皮膚最小的作用和最低的致癌性，完全擺脫紫外熒光(U.V.熒光)和對橡膠制品最小的膨脹作用。
按照本發(fā)明的第二方面，提供了一種鉆井方法，其中鉆孔液體是按照本發(fā)明第一方面的鉆井液體。用鉆孔液體污染的鉆屑可被排放到海洋底或通過將鉆屑擴散到地面的耕地上，在那上面固有的生物降解過程有效地除去油污染。
按照本發(fā)明的第三方面，提供了作為鉆井液體連續(xù)油相而使用具有10～20個碳原子的正鏈烷烴。
下面的實施例闡述了基于本發(fā)明正鏈烷烴的鉆井液體的環(huán)境和技術(shù)特性和性能。
按照API RP 13B-2 1990測試鉆井液體特性。
使用下列縮寫KV 油的運動粘度(厘沲)。
PV 鉆孔液體的塑性粘度(厘泊)。一般低PV是有利(如低KV油)。
AV 鉆孔液體的表觀粘度(厘泊)。
YP 液體的屈服點(磅/100平方英尺)是非牛頓粘度特性的量度。
6rpm和3rpm 在Fann粘度計上的刻度盤讀數(shù)，表示低剪切速率下的粘度。6rpm和3rpm值越高表明觸變性越大，一般是有利的。
Gels 液體凝膠和懸浮特性的量度(磅/100平方英尺)是采用Fann粘度計確定的。
ES 乳狀液的電穩(wěn)性(伏特)。數(shù)字越高意味著穩(wěn)定性越大。
HTHP FL 高溫高壓液體損失。在HTHP條件下通過濾紙過濾鉆孔液體的容易性量度。結(jié)果按濾液的毫升數(shù)計。低的濾液體積是有利的。
實施例1在表1中比較了正鏈烷烴和其它傳統(tǒng)的或最近的油基的某些特性。該表列于本發(fā)明書的最后。在該表中，包含下列正鏈烷烴近似濃度的油基“混合物C12，14，16，18”%(重量)正十二烷52正十四烷19.5正十六烷10.5正十八烷18上述分析是在將椰子油或棕櫚仁油原料加工得到正鏈烷烴時所獲得的產(chǎn)品的代表，小量的正辛烷和正癸烷通過蒸餾除去。
由表1清楚可見，C12-C18正鏈烷烴混合物與直鏈烷基苯(LAB)比較，尤其是與Finagreen BDMF酯油比較具有有利的低運動粘度。
與LAB相比，正鏈烷烴具有優(yōu)點，它對橡膠制品的膨脹作用低并在紫外光下無熒光存在。與在超過約140℃溫度下水解難以控制的酯油比較，正鏈烷烴混合物的水解穩(wěn)定性是極好的。
實施例2通過石油學(xué)會(Institute of Petroleum)方法IP 15/67，測定實施例1中描述的正鏈烷烴(C12，14，16，18)的傾點。
同樣，對具有0.49%(重量)市售傾點抑制劑-EMPICRYL PPT148＊的正鏈烷烴混合物試樣進行同樣測定。
傾點℃(1)C12,14,16,18正鏈烷烴混合物 -2℃(2)當(dāng)(1)+49%EMPICRYL PPT 148 -9℃結(jié)果表明通過加入傾點抑制劑可易于降低正鏈烷烴混合物的傾點，使之在冷的環(huán)境條件下有效的使用液體。
附注＊Alburight和Wilson Limited的商標(biāo)表1油型 KV Cst KV Cst 閃點℃22℃ 40℃正癸烷 1.0 - 46正十二烷 1.5 - 74正十四烷 2.8 - 99正十六烷 4.6 - 135正十八烷 - 3.6C12,14,16,18正鏈烷烴混合物 - 2.0 91FINAGREEN BDMF* 5.9 >150(酯油)直鏈烷基苯 4.0(C10-C12)聚α-烯烴 3.9-9.6 156-172(M.I.鉆孔液體)CLAIRSOL 350 MHF* 1.95 93MENTOR28* 4.2 120*商標(biāo)表1(續(xù))油型 傾點℃ 橡膠相 U.V.熒光 在140℃以上容性 的水解穩(wěn)定性正癸烷 -29.7 良好 無 良好正十二烷 -9.6 良好 無 良好正十四烷 5.9 良好 無 良好正十六烷 18 良好 無 良好正十八烷 28 良好 無 良好C12,14,16,18正鏈烷烴混合物 -2 良好 無 良好FINAGREEN BDMF* -23 良好 中等 差(酯油)直鏈烷基苯 <-70 中等-差 中等 良好(C10-C12聚α-烯烴 <-60 良好 無 良好(M.I.鉆孔液體)CLAIRSOL 350 MHF* -20 良好 中等 良好MENTOR28* -15 合理 中等 良好＊商標(biāo)實施例3
將實施例1描述的C12-C18鏈烷烴的正鏈烷烴混合物(下文稱“NAM1218”用作下列配方的鉆井液體的連續(xù)相。
配制每350ml的鉆井液體NAM1218125gINTERDRILL EMUL HT＊14gINTERDRILL OW＊ 1.5gTRUFLO 100＊2.5gTRUDRILL S＊2.5gTRUVIS HT＊3.5g石灰10gOCMA球土10g氯化鈣(86.5%)18g水43g重晶石460g將該鉆井液體的特性與用聚α-烯烴(主要是二癸烯)替代NAM1218的類似配方比較。
兩種液體具有的密度約1.96(16.3磅/加侖)和油水比為80∶20。
測定兩者在184℃加熱老化16小時前(BHR)和后(AHR)的特性。測定在50℃下的粘度特性，和在178℃和500 psi下的HTHP FL。獲得的結(jié)果示于如下表2中。
附注＊Schlumberger Dowell Limited的商標(biāo)表2油相特性 NAM1218 聚α-烯烴(PAO)BHR AHR BHR AHRAV 51 54 105 125PV 38 45 83 111YP 26 18 44 286rpm/3rpm 13/11 9/8 20/18 11/9Gels 13/20 11/18 20/32 11/20ES 1055 980 1104 916HTHP FL - 17.6 - 16.4PAO液體的表觀和塑性粘度(AV & PV)是NAM1218液體的兩倍以上，結(jié)果PAO的運動粘度較高。低的塑性粘度在泵送時使壓降減至最小并在減少“等效循環(huán)密度”至最小(或?qū)赡艿拇嘈韵蛳麓蜓蹘r結(jié)構(gòu)施加的壓力)方面是明顯有利的。
從加熱老化(AHR)后的結(jié)果看，NAM1218液體具有良好的6rpm/3rpm值和凝膠強度(低的剪切速度粘度和懸浮能力)，而沒有遭受高塑性粘度的代價。NAM1218液體加熱老化后特性變化比較小，表明了該液體在高溫下的穩(wěn)定性。
相反，采用酯油連續(xù)相的乳狀液配方在遭受這樣高的溫度下時將經(jīng)受因酯水解引起的不可逆斷裂和增稠。
實施例4將實施例1中描述的C12-C18鏈烷烴的正鏈烷烴混合物(“NAM1218”)用作下列配方的鉆井液體的連續(xù)相配制每350ml的鉆井液體NAM12181674.8g乳化劑11.5g有機粘土粘度劑4g過濾退粘劑6g石灰5g水57.8gCaCl2(86.5%純度)19.7gOCMA球土25.0g重晶石121.7g該液體具有的密度為1.2(10磅/加侖)和油水比率為80∶20。
將同樣配方的液體也與作為連續(xù)相的直鏈烷基苯(LAB)混合。
按OECD 301F方法在需氧條件下測定兩種液體的生物降解率。獲得的結(jié)果示于表3中。
表3液體類型 生物降解性%NAM218 100%LAB 66%NAM1218基鉆井液體在需氧條件下具有特別好的生物降解性。
實施例5將實施例4中的NAM1218鉆井液體配方的厭氧生物降解性與以礦物油，直鏈烷基苯和2-油酸乙基乙基酯的類似配方進行比較。厭氧生物降解測定方法是按ECETOC28(56天試驗)進行。
將包含硫酸銨(3.1g)和磷酸二氫鉀(2.4g)的第二種NAM1218配方混合到鹽相中以確定這種營養(yǎng)添加物是否能加速生物降解過程。獲得的結(jié)果示于下表4中。
表4基液類型 厭氧生物降解性%礦物油 0直鏈烷基苯 0NAM 1218 10.2NAM1218+營養(yǎng)劑 24.9油酸2-乙基已基酯 48.3
以烴物質(zhì)為主的對二氧化碳和甲烷的厭氧生物降解顯著地小于需氧條件下對二氧化碳的生物降解。因此，結(jié)果越低速度越慢是正常的。
正如預(yù)料的，包含較多支鏈和環(huán)狀烴的礦物油不能生物降解。直鏈烷基苯基的鉆孔液體也不能生物降解。
但是，NAM1218顯示出的顯著的厭氧生物降解為10.2%，通過添加由元N、P和K提供的營養(yǎng)鹽和電子受體如硫酸鹽催化達24.9%。這些結(jié)果異常的好。
為了比較，酯液體(油酸2-乙基己基酯)的生物降解更大為48.3%，但這類液體由于酯的水解在約140℃以上的熱井條件下不能使用。
實施例6測試了實施例4中NAM1218鉆井液體配方對渦螺蜾贏蜚(Corophium volutator)，一種海床沉積物居住者的毒性。采用另一種油相的類似配方進行比較，結(jié)果示于表5中。
表5液體類型 對蜾贏蜚屬的毒性LC50(mg/Kg沉積物)礦物油 294直鏈烷基苯 210NAM1218 1654
結(jié)果表明在由NAM1218鉆井液體提供的LC50(降低毒性)方面顯示極有利的增加。
權(quán)利要求
1.一種具有連續(xù)油相的可生物降解的鉆井液體，它包含至少50%(重量)的具有10～20個碳原子的正鏈烷烴或這類鏈烷烴的混合物。
2.按照權(quán)利要求1的鉆井液體，其中正鏈烷烴有12～18個碳原子。
3.按照權(quán)利要求1或2的鉆井液體，其中正鏈烷烴是由天然脂肪、植物油、天然衍生的脂肪酸，或天然衍生的脂肪醇經(jīng)化學(xué)處理而衍生的。
4.按照任何上述權(quán)利要求的鉆井液體，它還包含有效量的傾點抑制劑。
5.按照任何上述權(quán)利要求的鉆井液體，其液體組分在連續(xù)油相中包含分散了樣水液體的乳狀液。
6.按照任何上述權(quán)利要求的鉆井液體，它還包括添加的營養(yǎng)素以加速生物降解。
7.按照任何上述權(quán)利要求的鉆井液體，它還包括電子受體加速厭氧的生物降解。
8.按照權(quán)利要求7的鉆井液體，其中電子受體選自赤鐵礦、硝酸鹽和硫酸鹽。
9.按照任何上述權(quán)利要求的鉆井液體，其中油相還包含可生物降解的油混溶的組分。
10.按照任何上述權(quán)利要求的鉆井液體，其中基本上無芳香烴、環(huán)狀鏈烷烴、環(huán)鏈烯烴異-鏈烷烴。
11.按照權(quán)利要求10的鉆井液體，其中還基本上無聚α-烯烴。
12.按照上述權(quán)利要求任一項的鉆井液體，其中包含低于35%(重量)的支鏈亞烷基。
13.鉆井的方法，其中鉆孔液體是按照任何上述權(quán)利要求的鉆井液體。
14.作為鉆井液體的連續(xù)油相的用途，其油相包含具有10～20個碳原子的正鏈的烷烴或其混合物。
全文摘要
本文公開了一種鉆井液體，它具有包括至少50％(重量)10～20個碳原子的正鏈烷烴或這種鏈烷烴的混合物的連續(xù)油相。
文檔編號C09K8/34GK1114110SQ9419064
公開日1995年12月27日 申請日期1994年8月30日 優(yōu)先權(quán)日1993年9月1日
發(fā)明者克里斯托弗·A·索頓 申請人:索菲泰克公司