生产油基钻井液用乳化剂的方法
【专利说明】生产油基钻井液用乳化剂的方法
[0001] 相关申请的交叉引用
[0002] 本申请要求2013年8月19日申请的美国临时专利申请No 61/867,328的权益，该申 请通过引用整体并入本文。
[000引背景 [0004] 领域
[000引所描述的实施方案广义设及制备包括一或多种妥尔油和一或多种Ξ酷胺的乳化 剂的方法、乳化钻井液和其使用方法。
[0006] 相关技术的描述
[0007] 石油和天然气工业已多年使用钻井液或"钻探泥浆"来开发自然资源的地下沉积 物。由于油的总储量减少，在因 W前工艺或经济困难而未到达的区域钻探已经变得很必要。 运已导致了油基钻井液或反相乳液钻井液的广泛使用，它们比水基流体能提供更好的热稳 定性和化学稳定性，使得钻井更深和用于其它需求服务中，例如设及暴露于高电解质浓度 和溶解性的气体情况下。例如，反相乳液钻井液已经成功用于钻探热（例如高于150°C)地层 W及含硫化氨的地层。此外，为了从每一海上钻井平台最大化地回收，反相乳液钻井液是有 利的，因为它们能有效用于钻探偏斜井(例如有角度的井）。特别地，反相乳液钻井液的高润 滑性是必要的，因为在偏斜钻井中施加在钻杆上的扭矩会增加。
[0008] 反相乳液钻井液一般是通过将控油与水或盐水在高剪切和存在适宜乳化剂的条 件下调混而成。乳化剂不仅需要形成稳定分散于油相中的水滴，而且还需要使任何固体如 加重材料添加剂(例如重晶石)或钻屑维持油湿状态。由于一些钻井地点例如海上钻井平台 的空间有限且将材料运输到钻井地点成本增加，工业上广泛对可W用最少量或比现有技术 组合物更少量的溶剂和其它添加剂配制并保存(例如存储)的钻井液组合物特别关注。
[0009] 因此，需要改进的反相乳液用乳化剂，使其例如可用于油井钻孔。概述
[0010] 提供制备乳化剂、乳化钻井液的方法及其使用方法。在一或多个实施方案中，制备 乳化剂的方法包括将妥尔油和Ξ酷胺混合。所述Ξ酷胺具有如下式(I)的化学式：
[0011]
(1)，
[0012]其中；
[001引x、y和Z独立选自1-10的整数，
[0014] Rl 为 C8-C20烷基、C8-C20締基、C8-C2 日二締基或 C8-C20烘基，
[001引 R2是Η或是对每个[(C也)xNR2(C也)y]单元独立选择的
[0016] 其中R4为C1-C3亚烷基或打-〔3径基亚烷基，且其中至少一个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] 在一些实施方案中，制备乳化剂的方法包括将Ξ酷胺与妥尔油混合。可通过将二 酷氨基胺与饱和二元簇酸、饱和酸酢或它们的混合物进行反应来制备所述Ξ酷胺。所述方 法还包括提供将所述乳化剂喷雾干燥来提供喷雾干燥的乳化剂。
[0019] 制备钻井液的方法可包括将油相、水相和喷雾干燥的乳化剂进行混合来生产钻井 液。所述喷雾干燥的乳化剂可包括妥尔油和Ξ酷胺的混合物，其中所述Ξ酷胺具有式(I)的 化学式，
[0020] 详细描述
[0021] 提供制备乳化剂、乳化的钻井液的方法及其使用方法。在一或多个实施方案中，可 通过将一或多种妥尔油和一或多种Ξ酷胺混合、调混或合并来制备乳化剂。所述一或多种 Ξ酷胺可用式（I)的化学通式表示：
[0022]
(I)，
[0023] 其中；
[0024] x、y和Z独立选自1-10的整数，
[002 引 R1 为 C8-C20 烷基、C8-C20 締基、C8-C20 二締基或 C8-C20 烘基，
[0026] R2是Η或是对每个[(C也)xNR2(C也)y]单元独立选择的
[0027] 其中R4为C1-C3亚烷基或Ci-C3^基亚烷基，且其中至少一个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亚烷基可包括但不限于亚甲基或甲撑基（-畑2-)、亚乙基或乙撑基（- C出C出-)和亚丙基或丙撑基(-C此C出C出-)，在立酷胺中提供了饱和烧控部分。R4的Ci-C絕基 亚烷基可W包括但不限于径基亚甲基或径基甲撑（（-C(OH)H-)，径基亚乙基或径基乙撑(- C此C(0H化-)和径基亚丙基或径基丙撑(-C出C(0H)肥出-或-C此C此C(0H化-)，在Ξ酷胺中提 供了饱和烧控醇部分，
[0030] 在一些实施方案中，所述乳化剂可用于油基钻井液。令人惊奇和意外地发现当R4是C1-C3亚烷基或Ci-C3^基亚烷基例如饱和碳链时，所述油基钻井液可呈现一或多个W下 性能:与相同乳化剂但有不饱和R4如含至少一个碳-碳双键的R4相比，更平的低端流变性、更 低的高端流变性、更高的电稳定性、更低的塑性粘度、更低的静切力和更低的地下层液滤损 失。例如，与相同乳化剂但有不饱和R4如R4为亚締基（例如-(Cn此n-2)-，其中η是1、2或3)相 比，R4为C1-C3亚烷基或Ci-C3^基亚烷基的乳化剂可使低端流变性、高端流变性、电稳定性、 静切力、塑性粘度、流体突破和/或液滤损失改进约0.2%、约0.5%、约1 %、约2%、约3%、约 4%、约5%或约10%。
[0031] 乳化剂的一或多种妥尔油和一或多种Ξ酷胺可W任意比例相互组合。例如，Ξ酷 胺与妥尔油的重量比可为约99:1、约90:10、约80:20、约70:30、约60:40或约50:50-40:60、 约30: 70、约20:80、约10:90或约1:99。在另一个实例中，Ξ酷胺与妥尔油的重量比可为约 0.5:1、约1:1、约2: 3、约3:7或约1:4。而在另一实例中，所述酷胺与妥尔油的重量比可为约 0.1:1-3:1、约0.2:1-2.8:1、约0.3:1-2.5:1、约0.4:1-2.2:1、约0.5:1-2:1、约0.3:1-2:1、 约1:1-3:1、约 0.4:1-1:1、约 0.4:1-0.7:1或约 0.3:1-1:1。
[0032] 在一些实施方案中，乳化剂的酸值为每克乳化剂约lOOmg K0H、约125mg K0H、或约 150-250mg K0H、约175mg K0H、约200mg KOH/g。例如，所述乳化剂的酸值为每克乳化剂约 100-150mg K0H、约125-175mg K0H、约170-200mg K0H、约170-225mg K0H、约165-230mgK0H、 约 180-220mg K0H、约200-化Omg K0H、约225mg K0H-250mg K0H或约250-300mg K0H。在另一 实例中，所述乳化剂的酸值至少lOOmg K0H、至少llOmg K0H、至少120mg K0H、至少130mg K0H，至少150mg K0H或至少175mg K0H。在另一实例中，所述乳化剂的酸值小于220mg K0H、 小于 170mg K0H或小于 150mg K0H。
[0033] 本文所用术语"酸值"是指中和1克反应混合物或组合物所需的氨氧化钟化OH)质 量毫克计）。例如，乳化剂的酸值是指中和1克乳化剂所需要的K0H的毫克数。酸值可作为 反应混合物或组合物中簇酸基团量的量度。在典型测量方法中，将已知量的组合物溶解于 有机溶剂中，用已知浓度的氨氧化钟溶液滴定分析。可通过使用含颜色指示剂酪献的氨化 钟溶液或利用电位分析来确定酸值。用于测定酸值的标准方法包括ASTM D 465-05和A0CS Te la-64〇
[0034]流变性、电稳定性、静切力(gel S化engths)、塑性粘度、动切力(yield point)、高 溫/高压流体突破（fluid break-through)和高溫/高压液滤损失可API Recommended Practice Sl:andard 13B-2,Third Edition,February 1998进行测试。在 150°F下W3转/分 钟(rpm)热旋转后钻井液的流变性为约3、约5、或约7-15、约17或约20，例如，在150° F下W ：3rpm热旋转后钻井液的流变性可为约4-7、约5-10、约6-17、约8-15或约8-28。在150° F下W 6rpm热旋转后钻井液的流变性为约3、约5、或约7-15、约17、约23、约27、或约30。例如，在 150° F下W化pm热旋转后钻井液的流变性可为约4-7、约5-10、约6-17、约8-15或约6-28。在 150°F下W60化pm热旋转后钻井液的流变性看为约45、约50、或约55-70、约75、约85。例如， 在150°F下W600巧m热旋转后钻井液流变性可为约40-70、约50-67、约50-70、或约55-85。
[0035] 含所述乳化剂的钻井液在150°F下热旋转后的10秒静切力约3化/100ft2、约51b/ 100ft2、或约7-15化/100ft2、约17化/100ft2、约3(nb/100ft 2。例如，钻井液在150°F下热旋 转后的 10 秒静切力约 4-7 化/100ft2、约 5-l(Ub/100ft2、约 6-17 化/100ft2、约 8-15 化/100^2 或约14-28化/100的2。
[0036] 含所述乳化剂的钻井液在150°F下热旋转后10分钟静切力约3化/100ft2、约51b/ 100ft2、或约7-15化/100ft2、约17化/100ft2、约3(Ub/100ft 2。例如在150°F下热旋转后钻井 液的10分钟静切力为约4-71b/100ft2、约5-10化/100門2、约6-17化/100^2、约8-151b/ 100的2 或约 14-2 別 b/100ft2。
[0037] 含所述乳化剂的钻井液在150° F下热旋转后塑性粘度为约15cP、约17cP、或约 19cP-25cP、约27cP、约30cP。例如，钻井液在150°F下热旋转后塑性粘度为约15-17CP、约5- lOcP、约 6-17cP、约 8-15cP 或约 14-28CP。
[0038] 含所述乳化剂的钻井液在150°F下热旋转后动切力约3化/100ft2、约5化/100ft2、 或约7-15化/100ft2、约17化/100ft2、约3(Ub/100ft2。例如，钻井液在150°F下热旋转后动切 力约4-7化/100打2、约5-10化/100打2、约6-17化/100打2、约8-15化/100打2或约8-28化/ 100化
[0039] 含所述乳化剂的钻井液可具有更高的电稳定性。含所述乳化剂的钻井液150°F下 电稳定性为约600V、约700V、或约725-800V、约1000V或约1200V。例如，含所述乳化剂的钻井 液 150°F 下电稳定性为约 600-650V、约是 650-700V、约 675-750V、约 700-760V、约 725-850V、 约 825-950V、约 925-1100V 或约 1000-1200V。
[0040] 含所述乳化剂的钻井液在150°F下热旋转后高溫/高压液滤损失约为约5mL、约 6血、或约7-10血、约12血、约14mL。例如，在150° F下热旋转后钻井液的液滤损失约为4-7血、 约 5-lOmL、约 6-llmL 或约 8-14mL。
[0041] 含所述乳化剂的钻井液在高溫高压测试条件下表现出极小的水突破。含所述乳化 剂的钻井液在高溫高压测试条件下水突破值为约OmL、约0.1 mL或约0.2-0.5mL。例如，含所 述乳化剂的钻井液在高溫高压测试条件下水突破值为约0-0 . ImL、约0.1 0-0.2mL、约0.2- 0.3mL、约0.3ιΛ-〇. 4mL或约0.4-0.5mL。
[0042] 式（I)化合物的制备可采用一或多个不同合成途径。一种示例性合成路线可W包 括如下面方案（I)所示的序贯缩合反应。更具体地说，多胺可与脂肪酸反应生成酷氨基胺产 物。酷氨基胺产物可与班巧酸酢反应W产生Ξ酷胺。方案（I)所示的特定实例中，两分子的 相同种类脂肪酸与作为多胺的二乙Ξ胺反应形成二酷氨基胺或"中间产物"。在序贯缩合反 应中，二酷氨基胺与作为饱和二元簇酸的班巧酸酢进行反应生成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)的分子结构，其中Ri和R4是相同的。
[0046] 反应条件，如加热可控制为有利于热力学更稳定的酷胺类产品。任何多胺上的胺 官能团都可与脂肪酸的簇基进行缩合反应;然而，多胺上的伯胺比仲胺动力学上更为有利。 通过控制反应条件，如反应物浓度，一个脂肪酸分子与多胺上的每一伯胺进行反应较为有 利。方案(I)的反应1中已示出了热力学和动力学有利的二酷氨基胺。
[0047] 二酷氨基胺可与饱和二元簇酸和/或饱和酸酢反应。方案（I)的反应2示出了二酷 氨基胺与班巧酸酢之间的缩合反应。班巧酸酢上的至少一个酷基部分可与二酷氨基胺上的 至少一个仲胺官能团（二乙Ξ胺仅存在一个仲胺)反应形成Ξ酷氨基。酸酢上的第二个酷基 部分可与反应混合物中的第二个二酷氨基胺反应，例如，两个酷氨基胺分子能与一个酸酢 化合物进行反应。但是，通过控制反应条件，如反应物的浓度，可有利于一个酷氨基胺分子 和一个二元簇酸或酸酢分子之间反应。另外，如果用酸酢化合物替代二元簇酸化合物进行 反应，则可采用低溫，运使二酷氨基胺之间交联更少。在一或多个实例中，反应产物可W是 如方案（I)的反应2所示的Ξ酷胺。
[0048] 在一或多个实例中，脂肪酸与多胺的单缩合反应后，自环化反应可生成咪挫嘟(例 如1-氨基烷基-2-烷基-2-咪挫嘟）。为了清楚起见，已将反应3包括进来，用于示出当反应物 多胺是二乙Ξ胺时的例示性咪挫嘟产物：
[0049]
[0050] 二酷氨基胺的反应混合物且如果后续反应是W单蓋操作的话，Ξ酷胺的反应混合 物