生產(chǎn)油基鉆井液用乳化劑的方法
【專利說明】生產(chǎn)油基鉆井液用乳化劑的方法
[0001] 相關(guān)申請的交叉引用
[0002] 本申請要求2013年8月19日申請的美國臨時(shí)專利申請No 61/867,328的權(quán)益，該申 請通過引用整體并入本文。
[000引背景 [0004] 領(lǐng)域
[000引所描述的實(shí)施方案廣義設(shè)及制備包括一或多種妥爾油和一或多種Ξ酷胺的乳化 劑的方法、乳化鉆井液和其使用方法。
[0006] 相關(guān)技術(shù)的描述
[0007] 石油和天然氣工業(yè)已多年使用鉆井液或"鉆探泥漿"來開發(fā)自然資源的地下沉積 物。由于油的總儲(chǔ)量減少，在因 W前工藝或經(jīng)濟(jì)困難而未到達(dá)的區(qū)域鉆探已經(jīng)變得很必要。 運(yùn)已導(dǎo)致了油基鉆井液或反相乳液鉆井液的廣泛使用，它們比水基流體能提供更好的熱穩(wěn) 定性和化學(xué)穩(wěn)定性，使得鉆井更深和用于其它需求服務(wù)中，例如設(shè)及暴露于高電解質(zhì)濃度 和溶解性的氣體情況下。例如，反相乳液鉆井液已經(jīng)成功用于鉆探熱（例如高于150°C)地層 W及含硫化氨的地層。此外，為了從每一海上鉆井平臺(tái)最大化地回收，反相乳液鉆井液是有 利的，因?yàn)樗鼈兡苡行в糜阢@探偏斜井(例如有角度的井）。特別地，反相乳液鉆井液的高潤 滑性是必要的，因?yàn)樵谄便@井中施加在鉆桿上的扭矩會(huì)增加。
[0008] 反相乳液鉆井液一般是通過將控油與水或鹽水在高剪切和存在適宜乳化劑的條 件下調(diào)混而成。乳化劑不僅需要形成穩(wěn)定分散于油相中的水滴，而且還需要使任何固體如 加重材料添加劑(例如重晶石)或鉆屑維持油濕狀態(tài)。由于一些鉆井地點(diǎn)例如海上鉆井平臺(tái) 的空間有限且將材料運(yùn)輸?shù)姐@井地點(diǎn)成本增加，工業(yè)上廣泛對可W用最少量或比現(xiàn)有技術(shù) 組合物更少量的溶劑和其它添加劑配制并保存(例如存儲(chǔ))的鉆井液組合物特別關(guān)注。
[0009] 因此，需要改進(jìn)的反相乳液用乳化劑，使其例如可用于油井鉆孔。概述
[0010] 提供制備乳化劑、乳化鉆井液的方法及其使用方法。在一或多個(gè)實(shí)施方案中，制備 乳化劑的方法包括將妥爾油和Ξ酷胺混合。所述Ξ酷胺具有如下式(I)的化學(xué)式：
[0011]
(1)，
[0012]其中；
[001引x、y和Z獨(dú)立選自1-10的整數(shù)，
[0014] Rl 為 C8-C20烷基、C8-C20締基、C8-C2 日二締基或 C8-C20烘基，
[001引 R2是Η或是對每個(gè)[(C也)xNR2(C也)y]單元獨(dú)立選擇的
[0016] 其中R4為C1-C3亞烷基或打-〔3徑基亞烷基，且其中至少一個(gè)R2是
和
[001 7 ] R3是 C8-C20烷基、C8-C20締基、C8-C20二締基或 C8-C20烘基。
[0018] 在一些實(shí)施方案中，制備乳化劑的方法包括將Ξ酷胺與妥爾油混合?？赏ㄟ^將二 酷氨基胺與飽和二元簇酸、飽和酸酢或它們的混合物進(jìn)行反應(yīng)來制備所述Ξ酷胺。所述方 法還包括提供將所述乳化劑噴霧干燥來提供噴霧干燥的乳化劑。
[0019] 制備鉆井液的方法可包括將油相、水相和噴霧干燥的乳化劑進(jìn)行混合來生產(chǎn)鉆井 液。所述噴霧干燥的乳化劑可包括妥爾油和Ξ酷胺的混合物，其中所述Ξ酷胺具有式(I)的 化學(xué)式，
[0020] 詳細(xì)描述
[0021] 提供制備乳化劑、乳化的鉆井液的方法及其使用方法。在一或多個(gè)實(shí)施方案中，可 通過將一或多種妥爾油和一或多種Ξ酷胺混合、調(diào)混或合并來制備乳化劑。所述一或多種 Ξ酷胺可用式（I)的化學(xué)通式表示：
[0022]
(I)，
[0023] 其中；
[0024] x、y和Z獨(dú)立選自1-10的整數(shù)，
[002 引 R1 為 C8-C20 烷基、C8-C20 締基、C8-C20 二締基或 C8-C20 烘基，
[0026] R2是Η或是對每個(gè)[(C也)xNR2(C也)y]單元獨(dú)立選擇的
[0027] 其中R4為C1-C3亞烷基或Ci-C3^基亞烷基，且其中至少一個(gè)R2是
和
[0028] R3是C8-C20烷基、C8-C20締基、C8-C20二締基或C8-C20烘基。其中：
[0029] R4的C1-C3亞烷基可包括但不限于亞甲基或甲撐基（-畑2-)、亞乙基或乙撐基（- C出C出-)和亞丙基或丙撐基(-C此C出C出-)，在立酷胺中提供了飽和燒控部分。R4的Ci-C絕基 亞烷基可W包括但不限于徑基亞甲基或徑基甲撐（（-C(OH)H-)，徑基亞乙基或徑基乙撐(- C此C(0H化-)和徑基亞丙基或徑基丙撐(-C出C(0H)肥出-或-C此C此C(0H化-)，在Ξ酷胺中提 供了飽和燒控醇部分，
[0030] 在一些實(shí)施方案中，所述乳化劑可用于油基鉆井液。令人驚奇和意外地發(fā)現(xiàn)當(dāng)R4是C1-C3亞烷基或Ci-C3^基亞烷基例如飽和碳鏈時(shí)，所述油基鉆井液可呈現(xiàn)一或多個(gè)W下 性能:與相同乳化劑但有不飽和R4如含至少一個(gè)碳-碳雙鍵的R4相比，更平的低端流變性、更 低的高端流變性、更高的電穩(wěn)定性、更低的塑性粘度、更低的靜切力和更低的地下層液濾損 失。例如，與相同乳化劑但有不飽和R4如R4為亞締基（例如-(Cn此n-2)-，其中η是1、2或3)相 比，R4為C1-C3亞烷基或Ci-C3^基亞烷基的乳化劑可使低端流變性、高端流變性、電穩(wěn)定性、 靜切力、塑性粘度、流體突破和/或液濾損失改進(jìn)約0.2%、約0.5%、約1 %、約2%、約3%、約 4%、約5%或約10%。
[0031] 乳化劑的一或多種妥爾油和一或多種Ξ酷胺可W任意比例相互組合。例如，Ξ酷 胺與妥爾油的重量比可為約99:1、約90:10、約80:20、約70:30、約60:40或約50:50-40:60、 約30: 70、約20:80、約10:90或約1:99。在另一個(gè)實(shí)例中，Ξ酷胺與妥爾油的重量比可為約 0.5:1、約1:1、約2: 3、約3:7或約1:4。而在另一實(shí)例中，所述酷胺與妥爾油的重量比可為約 0.1:1-3:1、約0.2:1-2.8:1、約0.3:1-2.5:1、約0.4:1-2.2:1、約0.5:1-2:1、約0.3:1-2:1、 約1:1-3:1、約 0.4:1-1:1、約 0.4:1-0.7:1或約 0.3:1-1:1。
[0032] 在一些實(shí)施方案中，乳化劑的酸值為每克乳化劑約lOOmg K0H、約125mg K0H、或約 150-250mg K0H、約175mg K0H、約200mg KOH/g。例如，所述乳化劑的酸值為每克乳化劑約 100-150mg K0H、約125-175mg K0H、約170-200mg K0H、約170-225mg K0H、約165-230mgK0H、 約 180-220mg K0H、約200-化Omg K0H、約225mg K0H-250mg K0H或約250-300mg K0H。在另一 實(shí)例中，所述乳化劑的酸值至少lOOmg K0H、至少llOmg K0H、至少120mg K0H、至少130mg K0H，至少150mg K0H或至少175mg K0H。在另一實(shí)例中，所述乳化劑的酸值小于220mg K0H、 小于 170mg K0H或小于 150mg K0H。
[0033] 本文所用術(shù)語"酸值"是指中和1克反應(yīng)混合物或組合物所需的氨氧化鐘化OH)質(zhì) 量毫克計(jì)）。例如，乳化劑的酸值是指中和1克乳化劑所需要的K0H的毫克數(shù)。酸值可作為 反應(yīng)混合物或組合物中簇酸基團(tuán)量的量度。在典型測量方法中，將已知量的組合物溶解于 有機(jī)溶劑中，用已知濃度的氨氧化鐘溶液滴定分析?？赏ㄟ^使用含顏色指示劑酪獻(xiàn)的氨化 鐘溶液或利用電位分析來確定酸值。用于測定酸值的標(biāo)準(zhǔn)方法包括ASTM D 465-05和A0CS Te la-64〇
[0034]流變性、電穩(wěn)定性、靜切力(gel S化engths)、塑性粘度、動(dòng)切力(yield point)、高 溫/高壓流體突破（fluid break-through)和高溫/高壓液濾損失可API Recommended Practice Sl:andard 13B-2,Third Edition,February 1998進(jìn)行測試。在 150°F下W3轉(zhuǎn)/分 鐘(rpm)熱旋轉(zhuǎn)后鉆井液的流變性為約3、約5、或約7-15、約17或約20，例如，在150° F下W ：3rpm熱旋轉(zhuǎn)后鉆井液的流變性可為約4-7、約5-10、約6-17、約8-15或約8-28。在150° F下W 6rpm熱旋轉(zhuǎn)后鉆井液的流變性為約3、約5、或約7-15、約17、約23、約27、或約30。例如，在 150° F下W化pm熱旋轉(zhuǎn)后鉆井液的流變性可為約4-7、約5-10、約6-17、約8-15或約6-28。在 150°F下W60化pm熱旋轉(zhuǎn)后鉆井液的流變性看為約45、約50、或約55-70、約75、約85。例如， 在150°F下W600巧m熱旋轉(zhuǎn)后鉆井液流變性可為約40-70、約50-67、約50-70、或約55-85。
[0035] 含所述乳化劑的鉆井液在150°F下熱旋轉(zhuǎn)后的10秒靜切力約3化/100ft2、約51b/ 100ft2、或約7-15化/100ft2、約17化/100ft2、約3(nb/100ft 2。例如，鉆井液在150°F下熱旋 轉(zhuǎn)后的 10 秒靜切力約 4-7 化/100ft2、約 5-l(Ub/100ft2、約 6-17 化/100ft2、約 8-15 化/100^2 或約14-28化/100的2。
[0036] 含所述乳化劑的鉆井液在150°F下熱旋轉(zhuǎn)后10分鐘靜切力約3化/100ft2、約51b/ 100ft2、或約7-15化/100ft2、約17化/100ft2、約3(Ub/100ft 2。例如在150°F下熱旋轉(zhuǎn)后鉆井 液的10分鐘靜切力為約4-71b/100ft2、約5-10化/100門2、約6-17化/100^2、約8-151b/ 100的2 或約 14-2 別 b/100ft2。
[0037] 含所述乳化劑的鉆井液在150° F下熱旋轉(zhuǎn)后塑性粘度為約15cP、約17cP、或約 19cP-25cP、約27cP、約30cP。例如，鉆井液在150°F下熱旋轉(zhuǎn)后塑性粘度為約15-17CP、約5- lOcP、約 6-17cP、約 8-15cP 或約 14-28CP。
[0038] 含所述乳化劑的鉆井液在150°F下熱旋轉(zhuǎn)后動(dòng)切力約3化/100ft2、約5化/100ft2、 或約7-15化/100ft2、約17化/100ft2、約3(Ub/100ft2。例如，鉆井液在150°F下熱旋轉(zhuǎn)后動(dòng)切 力約4-7化/100打2、約5-10化/100打2、約6-17化/100打2、約8-15化/100打2或約8-28化/ 100化
[0039] 含所述乳化劑的鉆井液可具有更高的電穩(wěn)定性。含所述乳化劑的鉆井液150°F下 電穩(wěn)定性為約600V、約700V、或約725-800V、約1000V或約1200V。例如，含所述乳化劑的鉆井 液 150°F 下電穩(wěn)定性為約 600-650V、約是 650-700V、約 675-750V、約 700-760V、約 725-850V、 約 825-950V、約 925-1100V 或約 1000-1200V。
[0040] 含所述乳化劑的鉆井液在150°F下熱旋轉(zhuǎn)后高溫/高壓液濾損失約為約5mL、約 6血、或約7-10血、約12血、約14mL。例如，在150° F下熱旋轉(zhuǎn)后鉆井液的液濾損失約為4-7血、 約 5-lOmL、約 6-llmL 或約 8-14mL。
[0041] 含所述乳化劑的鉆井液在高溫高壓測試條件下表現(xiàn)出極小的水突破。含所述乳化 劑的鉆井液在高溫高壓測試條件下水突破值為約OmL、約0.1 mL或約0.2-0.5mL。例如，含所 述乳化劑的鉆井液在高溫高壓測試條件下水突破值為約0-0 . ImL、約0.1 0-0.2mL、約0.2- 0.3mL、約0.3ιΛ-〇. 4mL或約0.4-0.5mL。
[0042] 式（I)化合物的制備可采用一或多個(gè)不同合成途徑。一種示例性合成路線可W包 括如下面方案（I)所示的序貫縮合反應(yīng)。更具體地說，多胺可與脂肪酸反應(yīng)生成酷氨基胺產(chǎn) 物?？岚被樊a(chǎn)物可與班巧酸酢反應(yīng)W產(chǎn)生Ξ酷胺。方案（I)所示的特定實(shí)例中，兩分子的 相同種類脂肪酸與作為多胺的二乙Ξ胺反應(yīng)形成二酷氨基胺或"中間產(chǎn)物"。在序貫縮合反 應(yīng)中，二酷氨基胺與作為飽和二元簇酸的班巧酸酢進(jìn)行反應(yīng)生成Ξ酷胺。示例性方案(I)如 下：
[0043]
[0044] 方案（I)
[004引可W看出，方案(I)所示的Ξ酷胺具有式(I)的分子結(jié)構(gòu)，其中Ri和R4是相同的。
[0046] 反應(yīng)條件，如加熱可控制為有利于熱力學(xué)更穩(wěn)定的酷胺類產(chǎn)品。任何多胺上的胺 官能團(tuán)都可與脂肪酸的簇基進(jìn)行縮合反應(yīng);然而，多胺上的伯胺比仲胺動(dòng)力學(xué)上更為有利。 通過控制反應(yīng)條件，如反應(yīng)物濃度，一個(gè)脂肪酸分子與多胺上的每一伯胺進(jìn)行反應(yīng)較為有 利。方案(I)的反應(yīng)1中已示出了熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)有利的二酷氨基胺。
[0047] 二酷氨基胺可與飽和二元簇酸和/或飽和酸酢反應(yīng)。方案（I)的反應(yīng)2示出了二酷 氨基胺與班巧酸酢之間的縮合反應(yīng)。班巧酸酢上的至少一個(gè)酷基部分可與二酷氨基胺上的 至少一個(gè)仲胺官能團(tuán)（二乙Ξ胺僅存在一個(gè)仲胺)反應(yīng)形成Ξ酷氨基。酸酢上的第二個(gè)酷基 部分可與反應(yīng)混合物中的第二個(gè)二酷氨基胺反應(yīng)，例如，兩個(gè)酷氨基胺分子能與一個(gè)酸酢 化合物進(jìn)行反應(yīng)。但是，通過控制反應(yīng)條件，如反應(yīng)物的濃度，可有利于一個(gè)酷氨基胺分子 和一個(gè)二元簇酸或酸酢分子之間反應(yīng)。另外，如果用酸酢化合物替代二元簇酸化合物進(jìn)行 反應(yīng)，則可采用低溫，運(yùn)使二酷氨基胺之間交聯(lián)更少。在一或多個(gè)實(shí)例中，反應(yīng)產(chǎn)物可W是 如方案（I)的反應(yīng)2所示的Ξ酷胺。
[0048] 在一或多個(gè)實(shí)例中，脂肪酸與多胺的單縮合反應(yīng)后，自環(huán)化反應(yīng)可生成咪挫嘟(例 如1-氨基烷基-2-烷基-2-咪挫嘟）。為了清楚起見，已將反應(yīng)3包括進(jìn)來，用于示出當(dāng)反應(yīng)物 多胺是二乙Ξ胺時(shí)的例示性咪挫嘟產(chǎn)物：
[0049]
[0050] 二酷氨基胺的反應(yīng)混合物且如果后續(xù)反應(yīng)是W單蓋操作的話，Ξ酷胺的反應(yīng)混合 物