用于井眼钻井液的由酯化废植物油的环保型乳化剂合成的制作方法

优先权申明

本申请要求提交于2017年7月27日并且名称为“用于井眼钻井液的由酯化废植物油的环保型乳化剂合成”的美国临时专利申请号62/537,572以及提交于2018年7月23日并且名称为“用于井眼钻井液的由酯化废植物油的环保型乳化剂合成”的美国专利申请号16/042,723的优先权，这些申请的内容通过引用结合于此。

本公开涉及由酯化废植物油合成用于井眼钻井系统的环保型乳化剂。

背景技术：

井眼钻井操作将井眼钻井液用于多种目的，包括例如冷却钻头或将井眼岩屑从井眼内部运输到地面。钻井液还用于通过在钻探井眼时用作钻柱的润滑介质来减少钻柱与套管、井眼壁或两者之间的摩擦。钻井液可以分为几类，例如油基钻井液或水基钻井液。有时，将添加剂添加到任一种或两种钻井液中，以增强钻井液的性能。

技术实现要素：

本公开描述了用于井眼钻井液(例如油基井眼钻井液)的由酯化废植物油的环保型乳化剂合成。

本文描述的主题的某些方面可以实施为一种方法。将原料废植物油酯化以产生原料废植物油的甲酯。将苛性苏打溶液添加到所述甲酯中，得到混合物。对该混合物进行热处理。调节混合物的ph，导致形成水相和非水相。将水相与非水相分离。

该方面和其他方面可以包括以下特征中的一个或多个。苛性苏打溶液可以包括溶解在溶剂中的醇盐。醇盐可以包括氢氧化钠。溶剂可以包括水。可以在热处理混合物期间搅拌混合物。可以将混合物加热至高于室温的温度。该温度可以基本上为60℃。可以添加酸来调节混合物的ph。酸可以是按体积计基本上为31％的盐酸。混合物的调节的ph可以基本上为4至5。

本文描述的主题的某些方面可以实施为一种方法。使废植物油的甲酯的酯基断裂以产生废植物油的乳化剂。将苛性苏打溶液添加到所述甲酯中，得到混合物。在基本上60℃对混合物进行热处理。通过添加酸来调节混合物的ph。响应于添加酸而形成水相和非水相。将水相与非水相分离。

本说明书中描述的主题的一个或多个实施方案的细节在所附附图和描述中给出。主题的其它特征、方面和优点将由所述描述、附图和权利要求书而显见。

附图说明

图1是钻井液循环系统的示意图。

图2是示出了钻井液流过钻柱以及钻柱与井眼之间的环状空间的示意图。

图3是使用酯化废植物油生产乳化剂的一个示例性方法的流程图。

图4是生产酯化废植物油的一个示例性方法的流程图。

各个附图中的类似参考数字和标记表示类似的元件。

具体实施方式

对于钻孔的某些高压和高温(hpht)段，水基钻井液可能不是可行的钻井液选择。对于这样的hpht段，可以将反相乳液油基泥浆(obm)用作钻井液。页岩地层对水敏感，并且在与水接触时可以溶胀、崩解和塌陷。为此，当对反应性极强的页岩段进行钻井时，obm也用作钻井液以稳定页岩。某些油基钻井液，诸如反相乳液obm或100％油基钻井液，包括乳化剂以产生油包水的稳定乳液。乳化剂是具有亲水性头基和疏水性尾部(例如长链疏水性尾部)的一类表面活性剂。乳化剂可以降低水相和油相之间的界面张力，以实现钻井液的稳定性。妥尔油脂肪酸(tofa)是用于油基钻井液(例如反相乳液obm)的乳化剂的一种示例性类型。

本公开描述了可以用于油基钻井液(诸如反相乳液obm)的环保型乳化剂。使用植物油(特别是使用过的或加工过的植物油)来制备环保型乳化剂，所述植物油可以例如从食品工业获得。植物油是从植物中提取的甘油三酯。甘油三酯是甘油和三个脂肪酸的酯。根据来源，植物油含有不同类型脂肪酸的混合物，例如饱和脂肪酸、单不饱和脂肪酸、多不饱和脂肪酸、ω3脂肪酸、ω6脂肪酸或ω9脂肪酸。通常用于烹饪的大多数植物油(例如，橄榄油、棕榈油、向日葵油、玉米油或花生油)含有这些脂肪酸中的一种或多种或全部。这些不同类型的脂肪酸的存在使植物油成为用于钻井液的乳化剂的有前途的来源。已经用于烹饪并且作为废物处理的植物油可以用作乳化剂合成的可持续来源。未使用或未加工的植物油也可以用于本文所述的乳化剂合成。

图1是钻井液循环系统10的示意图。图2是示出了钻井液流过钻柱12以及钻柱12和井眼50之间的环状空间40的示意图。在使用钻机的井眼钻井情况中，钻井液循环系统10使用一个或多个泥浆泵来循环(或泵送)钻井液(例如钻井泥浆)。钻井液循环系统10将钻井液(泥浆，f)通过钻柱12以及连接至钻柱12的钻铤向下移动到井眼50中。钻井液通过钻头中的端口(喷嘴)流出，拾取岩屑c并且携带井眼50的岩屑。如图1所示，泥浆泵30从泥浆罐22中抽吸并且将钻井液f泵出排送管24，使用竖管26向上泵送，通过水龙带28，通过方钻杆(kelly)或顶部驱动单元31，并且泵入图2所示的钻柱12的中心孔、钻铤和钻头中。钻井液f和岩屑c返回到环状空间40的地面。在地面处，钻井液和岩屑通过出口(未示出)离开井眼50，并且经由图1所示的泥浆回流管线60送至岩屑移除系统。在回流管线的末端，钻井液f和岩屑c流到振动筛例如泥浆振动筛62上。可以使用分砂池64来移除较细的固体。可以用储存在化学罐66中的化学品处理钻井液，然后将其提供到泥浆罐22中，其中可以重复该过程。

钻井液循环系统10在用于钻机操作的压力下递送大体积的钻井液。循环系统10将钻井液递送至钻杆，以沿着钻柱12向下流动并且通过附接到钻杆下端的钻头流出。除了冷却钻头以外，钻井液还液压地洗去随着钻头前进至井眼50中而产生的碎屑、石屑和岩屑。因此，钻井液是钻井操作环节的重要部分，在不同的井眼钻井操作中，例如在平衡钻井或超平衡钻井下，钻井液可以流过井眼钻井系统组件例如旋转的连续油管或套管，以执行多项功能任务并且促进安全、无故障和经济的钻孔。

图3是使用酯化废植物油生产乳化剂的示例性方法300的流程图。在一些实施方案中，乳化剂可以用于其他井眼流体中，例如压裂液、完井液、增产液或它们的组合。在302处，获得酯化废植物油。在一些实施方案中，获得废植物油的甲酯。例如，将废植物油(即已经用于烹饪的植物油)酯化以制备在废植物油中发现的植物油脂肪酸及其衍生物的甲酯。

在304处，将苛性苏打溶液添加到废植物油的甲酯中。添加苛性苏打溶液将反应混合物变为悬浮液。在一些实施方案中，苛性苏打溶液可以通过将一定量的氢氧化钠溶解在水中来制备。备选地，可以将其他碱金属氢氧化物溶解在水中以制备苛性苏打溶液。在一些实施方案中，可以在一段时间内将苛性苏打溶液添加到废植物油的甲酯中。可以以最佳速率添加苛性苏打溶液。例如，在某些情况下，以1毫升/分钟的速率添加苛性苏打溶液可以是最佳速率。快速添加将影响植物油的甲酯向乳化剂的转化百分比，因为其立即形成悬浮液，这将阻碍苛性苏打与甲酯的反应。

在306处，对混合物进行热处理。在一些实施方案中，可以在高于室温的温度下达六小时将混合物搅拌(或以其他方式搅动)一定的时间。搅拌促进并且增加了苛性苏打和甲酯之间的接触。在该温度下加热使反应混合物产生布朗运动，并且加快反应动力学。

在308处，将热处理过的混合物保持在静态条件下。在一些实施方案中，可以停止搅动热处理过的混合物和加热，以使混合物冷却至室温。然后可以不对混合物进行其他动作。将混合物保持在静态条件下可以使甲基断裂，产生乳化剂。

在310处，将水添加到反应混合物中以分离油相和水相，从而分离乳化剂。水体积可以是最初用于反应的油体积的15-30％。

在312处，调节混合物的ph。在一些实施方案中，通过将酸添加到反应混合物中来调节ph，直到混合物的ph达到油相从反应混合物中分离出来的水平。

在314处，分离非水相和水相。在一些实施方案中，通过以下方式分离两相：首先将反应混合物转移至分离烧瓶中，从所述分离烧瓶中移除水相。在一些实施方案中，可以将另外的水添加到分离烧瓶中以洗涤并且移除非水相中的任何残留的无机盐。剩余的非水相与乳液一起置于静态条件下，以使乳液消泡。消泡可以进一步释放水，可以如先前所述将其移除。已从其中移除了泡沫的非水相可用作乳化剂。

图4是生产酯化废植物油的示例性方法400的流程图。例如，通过实施方法400生产的酯化废植物油可以通过实施方法300而用于生产乳化剂。在一些实施方案中，添加剂可以用于井眼流体中，例如钻井液(尤其是油基钻井液)、压裂液、完井液、增产液或它们的组合。

在402处，获得包括脂肪酸的废植物油。在一些实施方案中，废植物油可以是由食品工业作为副产物产生的加工过的植物油。

在整个本公开中，术语“基本上”表示与公开的量的5％的允许偏差。废植物油可以具有用多速旋转粘度计测得的基本上大于50厘泊(cp)或60.8cp的塑性粘度。废植物油可以具有基本上大于10(例如基本上11.18)的废植物油与矿物油的塑性粘度比。相对于由safra(吉达，沙特阿拉伯)生产并且用于海上钻井的极精炼的油的塑性粘度，废植物油可以具有基本上大于20的塑性粘度比。safra是一种精炼矿物油。相对于由safra生产并且用于海上钻井的极精炼的油，废植物油可以具有基本上24.12的塑性粘度比。相对于用于油基钻井液制剂的矿物油的塑性粘度，废植物油可以具有基本上大于10的塑性粘度比。尽管如所预期的，矿物油的塑性粘度大于精炼矿物油的塑性粘度，这些油具有在10cp附近的非常类似的粘度值。矿物油可以作为市场上的矿物油购买。精炼矿物油也被称为safra油，其也用于海上钻井。

废植物油可以包括脂肪酸与短链醇。短链醇可以包括甲醇、乙醇、丙醇、丁醇或它们的组合中的至少一种或多种。脂肪酸可以包括基本上平均为16个碳原子至少于20个碳原子的分子。

在404处，从废植物油中移除杂质。杂质(例如食物残渣)可能降低废植物油的功能能力。在一些实施方案中，可以在低压下(例如在基本上5磅/平方英寸(psi)至基本上10psi的压力范围下)过滤(例如快速过滤)废植物油。可以使用替代方法或其他方法从废植物油中移除杂质。

在406处，将原料废油酯化。在一些实施方案中，将原料废油在催化剂的存在下酯化以产生烷基酯产物和甘油三酯。催化剂可以包括氢氧化钠、氢氧化钾、醇钠、醇钾或它们的组合中的至少一种。例如，废植物油可以在氢氧化钠的存在下用甲醇酯化。在408处，分离烷基酯产物和甘油三酯。下面描述用于实施方法400的一部分以生产酯化废植物油的示例技术。可以实施替代技术来生产酯化废植物油。

杂质和多余水的移除

低压过滤池可以用于移除废植物油中存在的杂质，例如燃烧的和未燃烧的食物残渣。低压过滤池可以包括孔径小于5微米(μm)的滤纸，以移除大于5μm的杂质。可以在低压池上使用5-10psi的恒定压力，用以快速过滤一定体积的废植物油。能够从废植物油中移除所有杂质和多余水的其他过滤介质、吸附剂或两者可以用作低压过滤池的替代方案或补充。例如，多室过滤装置可以用于移除杂质。

催化剂量的确定

处理废植物油所需的催化剂量可以通过滴定法确定。为此，例如，可以将1毫升(ml)的废植物油与10ml的体积纯度为99.2％的异丙醇混合。可以向该混合物中添加2-3滴指示液(例如酚酞)。指示液可以逐滴地添加到搅动的废植物油中，直到颜色变为粉红色。在终点后，可以将混合物搅拌一会儿，以检查粉红色的持久性。滴定测试可以重复三次，以计算达到终点所需的平均催化剂量。在基于滴定测试结果确定氢氧化钠(naoh)的平均值后，可以添加定值例如3.5克(g))以确定1升(l)的废植物油所需的催化剂总量(例如4.18g至4.22g)。

酯化以移除甘油三酯

通过使用甲醇酯化基础油，可以降低废植物油的粘度以使其与矿物油粘度(约12cp)相匹配。为此，可以在非常干燥的条件下(没有可检测量的水)使用磁力搅拌器混合一定体积的甲醇(例如，原始废植物油体积的20％)和naoh的物料(例如，4.22gnaoh/升废植物油，然后将其添加到容器中的废植物油中。然后可以使用磁力搅拌器将混合物搅拌六小时以完成相互作用。

沉降

可以使总反应产物在静态条件下放置过夜，以完成甘油和污泥在容器底部的沉降。在初始沉降阶段，可以通过在约80℃下加热加工过的物料来破坏形成的乳液。在一些实施方案中，由于在酯层中存在一些乳液形成副产物而形成乳液。在一些情况下，添加约10ml乙酸/升废植物油可以破坏并且防止乳液形成。

酯化油的分离和洗涤

完全沉降后，将顶部澄清酯化油缓慢滗析，并且在使用磁力搅拌器搅拌的同时用水洗涤数小时。然后，将酯化油和洗涤过的水在静态条件下保持过夜，以有效分离油相和水相。缓慢滗析分离的油相以将其从水相中移除。重复洗涤过程，例如两次。

实施例

如本文所述实施生产乳化剂的方法300。将基本上300毫升(ml)的废植物油的甲酯取入具有磁力搅拌棒的烧杯中，并且置于热板搅拌器上。以基本上500转/分钟(rpm)搅拌甲酯。通过将基本上15克(g)的氢氧化钠溶于50ml水中来制备苛性苏打溶液。在基本上两分钟的时间段内将苛性苏打溶液添加到甲酯中，这使反应混合物变成悬浮液。将反应混合物在基本上60℃下搅拌基本上6小时，然后使其静置基本上16小时，这导致反应混合物变稠并且具有半固体稠度。将基本上50ml的水添加到混合物中。将盐酸(基本上为31体积％)逐滴地添加到反应混合物中，直到反应混合物的ph为约4-5，此时油相从反应混合物中分离出来。将反应混合物转移至分离烧瓶中。将通过乳液层与非水相分离的水相缓慢且小心地从分离烧瓶中移除。将基本上50ml的水添加到分离烧瓶中的剩余非水相中，用以洗涤和移除残留在非水相中的任何无机盐。从分离烧瓶中缓慢且小心地移除再次形成的水相，并且重复该步骤。剩余的非水相与乳液一起置于静态条件下，以使乳液消泡。不时地移除消泡时释放的水。最后，收集非水相，为无色液体。

如此，已经描述了本主题的特定实施方式。其他实施方案在所附权利要求书的范围内。