专利名称：页岩水化抑制剂和使用方法
背景技术：
在地下井的旋转钻探中，希望钻井流体具有许多功能和特性。钻井流体应当在井中各处循环并且从钻头下面携带钻屑、将钻屑输送到环面上和允许它们在地面上得到分离。同时，还希望钻井流体冷却和净化钻头、降低钻柱和孔侧之间的摩擦并且保持钻孔的无套管部分的稳定性。钻井流体还应当形成密封通过钻头穿透形成的开口的薄的、低渗透性滤饼，并且起降低不期望的地层流体从透水岩石中流入的作用。
钻井流体一般根据它们的基础材料进行分类。在油基流体中，固体颗粒悬浮在油中，并且水或者盐水可以被油乳化。所述油一般为连续相。在水基流体中，固体颗粒悬浮在水或者盐水中，并且油可以在水中得到乳化。水一般为连续相。气动流体是第三类钻井流体，其中空气或者天然气的高速流出除去了钻屑。
在水基钻井流体中通常存在三种类型的固体1)加入以提供必要的粘度和过滤性能的粘土和有机胶体；2)功能是升高钻井流体的密度的重矿物；和3)在钻探作业期间变得分散在钻井流体中的地层固体。
变得分散在钻井流体中的地层固体一般是由钻头作用产生的钻屑和由于钻孔不稳定性而产生的固体。当地层固体是溶胀的粘土矿物时，任何一种地层固体在钻井流体中的存在都会极大地增加钻井时间和成本。
粘土矿物在本质上通常为晶体。粘土晶体的结构决定了它的性能。一般，粘土具有薄片状的云母型结构。粘土薄片由许多面对面堆积的晶体片状物构成。每个片状体都被称为单元层，并且所述单元层的表面被称为基础表面。
单元层由多重片组成。将一个片称为八面体片，其由与羟基的氧原子八面体配位的铝或者镁原子组成。另一种片被称为四面体片。四面体片由与氧原子四面体配位的硅原子构成。
单元层中的片通过共用氧原子连接在一起。当该连接存在于一个八面体和一个四面体片之间时，一个基础表面由暴露的氧原子组成，而另一个基础表面具有暴露的羟基。两个四面体片通过共用氧原子与一个八面体片结合也是十分普遍的。称为Hoffman结构的由此得到的结构，具有夹在两个四面体片之间的八面体片。因此，Hoffman结构中的两个基础表面都由暴露的氧原子组成。
单元层面对面层叠在一起并且通过弱吸引力固定就位。在相邻的单元层中，相应平面之间的距离被称为c-间距。具有由三个片组成的单元层的粘土晶体结构的c-间距通常为约9.5×10-7mm。
在粘土矿物晶体中，具有不同化合价的原子通常定位在所述结构的片内，从而在晶体表面上产生负电势。在这种情况下，阳离子被吸附在表面上。这些吸附的阳离子被称为可交换的阳离子，因为当将粘土晶体悬浮在水中时，它们可以以化学方式与其它阳离子换位。此外，离子还可以被吸附在粘土晶体的棱边上并且与水中的其它离子进行交换。
粘土晶体结构中发生的取代的类型和晶体表面上吸附的可交换的阳离子会极大地影响粘土溶胀，粘土溶胀是钻井流体工业中最重要的一种性能。粘土溶胀是其中水分子围绕粘土晶体结构并且自身定位从而增加结构的c-间距，由此导致体积增加的现象。可能发生两种类型的溶胀。
表面水化是一种溶胀类型，其中水分子被吸附在晶体表面上。氢键连接将一层水分子固定在暴露在晶体表面上的氧原子上。随后水分子层排列，从而在单元层之间形成导致c-间距增加的准晶结构。事实上，所有类型的粘土都以这种方式溶胀。
渗透溶胀是第二种溶胀类型。当粘土矿物中的单元层之间的阳离子浓度高于周围水中的阳离子浓度时，水就会在单元层之间渗透移动并且使得c-间距得到增大。与表面水化相比，渗透溶胀产生更大的总体积。然而，仅仅某些粘土(比如钠蒙脱石)以这种方式溶胀。
据报道，粘土矿物中的可交换性阳离子对产生的溶胀量具有显著的影响。可交换性阳离子与水分子竞争粘土结构中可利用的活性位置。通常，高化合价的阳离子与低化合价的阳离子相比吸附更为强烈。由此，与具有高化合价的可交换性阳离子的粘土相比，具有低化合价的可交换的阳离子的粘土溶胀更多。
在北海和美国墨西哥湾岸区，钻孔机通常遇到泥质沉积物，其中主要的粘土矿物质是钠蒙脱石(通常称为“粘性页岩”)。钠阳离子是粘性页岩中占优势的可交换性阳离子。因为钠离子具有低正价(即，形式上为+1化合价)，因此其易于分散入水中。从而，粘性页岩以其溶胀性而出名。
在地下井的钻井期间，粘土溶胀会对钻探作业产生巨大的不利影响。伴随着粘土溶胀而产生的总体积的总体增加妨碍了从钻头下面清除钻屑、增大了钻柱和钻孔侧面之间的摩擦并且抑制了能够密封地层的薄滤饼的形成。粘土溶胀还可以造成其它钻井问题，比如循环漏失或者钻杆被卡住，这将降低钻井速度和提高钻井成本。由于在钻探地下井的过程中遇到粘性页岩的频率较高，因此，在油气勘探工业中始终需要开发用于降低粘土溶胀的物质和方法。
一种降低粘土溶胀的方法是在钻井流体中使用盐。盐通常降低粘土的溶胀。然而，盐使粘土絮凝，导致高流体损失和几乎完全丧失触变性。此外，增加盐度通常会降低钻井流体添加剂的功能特性。
另一种用于控制粘土溶胀的方法是在钻井流体中使用有机页岩抑制剂分子。可以确信，有机页岩抑制剂分子可以被吸附在粘土表面上，同时加入的有机页岩抑制剂与粘土活性位置竞争水分子并且由此可以降低粘土溶胀。一种报道的页岩抑制剂是使用水溶性的二胺化合物，比如链长为8或者更低的伯二胺和链长为4或者更低的伯烷基胺。然而，这些胺化合物在高温和高压下并不适宜。此外，本领域熟练技术人员可以理解，公开的这些胺化合物具有低分子量，并且由此分子中的亲水性和亲脂性部分的比例将有利于亲水性胺部分。由此，具有更多碳原子的化合物由于分子的亲脂性，将是不适宜的。
基于上述，本领域熟练技术人员应当理解，在本领域中仍然需要新的页岩水化抑制剂。
发明概述基于本发明的公开内容，本领域熟练技术人员应当理解，权利要求的主题内容的一种例证性实施方案包括用于钻井的水基井内流体，所述井穿过含有在水存在下溶胀的页岩的地层。在所述例证性实施方案中，所述钻井流体包括水基连续相、增重剂和页岩水化抑制剂。所述页岩水化抑制剂应当具有以下通式
其中R和R’独立地选自氢、甲基、乙基或者丙基，和X是C5～C12烃基，和n是1～4的整数。优选一种例证性的页岩水化抑制剂X是芳香胺与醛的反应产物的氢化反应的反应产物，优选所述醛为甲醛。另外，页岩水化抑制剂可以是苯胺和甲醛的反应产物的氢化反应的反应产物。在一种例证性的实施方案中，所述页岩水化抑制剂选自具有以下通式结构的化合物 其中R和R’独立地选自氢、甲基、乙基或者丙基，R”是选自具有1～6个碳原子的直链或者支链烷基的桥接基团，和n是1～4的值。此外，应当指出，所述氨基可以相对于桥接基团位于邻位、间位或者对位。所述页岩水化抑制剂以充分浓度存在，从而通过与钻井流体接触显著地降低页岩钻屑的溶胀。
对例证性的钻井流体进行配制，从而使得水基连续相选自淡水、海水、盐水、水和水溶性有机化合物的混合物以及这些物质的混合物，以及这些与本领域熟练技术人员应当已知的类似的水基流体的组合。在一种例证性的实施方案中，将任选的增粘剂加入到流体中，优选所述增粘剂选自本领域熟练技术人员应当已知的化合物的混合物和组合，所述化合物比如黄原胶树胶、淀粉、改性淀粉和合成增粘剂(比如聚丙烯酰胺)等等。还可以将增重物质，比如重晶石、方解石、赤铁矿、氧化铁、碳酸钙、有机盐和无机盐以及这些化合物和本领域熟练技术人员应当已知的类似化合物的混合物和组合，加入到例证性流体的制剂中。所述例证性的流体还可以包含多种常规的水基钻井流体组分，比如滤失控制剂、助悬剂、增粘剂、流变学控制剂以及其它本领域熟练技术人员已知的其它化合物和物质。
权利要求的主题内容的范围还包括用于地下井中的压裂液，其中地下井透过一层或者多层由在水存在下溶胀的页岩组成的地层。对一种例证性的流体进行配制，使得其中包含水基连续相、增粘剂和本文中公开的并且以足以显著降低页岩溶胀的浓度存在的页岩水化抑制剂。
本发明主题内容的范围还包括将在页岩地层上形成半透膜从而增加井孔的稳定性的水基钻井流体。该结构可以通过以下方式得到实现谨慎选择胺，然后调节其pH值或者用其它组分对其进行交联，从而形成胺的沉积物，随后在页岩的表面上成膜，由此稳定井孔。
还应当理解，权利要求的主题内容内在地包括以下组分，比如水基连续相；可膨胀的页岩物质；和基本上如本文所述并且以足以显著地降低可溶胀页岩物质的溶胀作用的浓度存在的页岩水化抑制剂。所述组合物可以在钻探地下井期间得到形成，也可以有意地进行，如果钻屑将要被再喷入的话。
本领域熟练技术人员应当理解，权利要求的主题内容的流体可以在钻探、完成、巩固、破裂、保持和生产、修理、废弃井和其它与地下井有关的操作期间使用。权利要求的主题内容还包括将钻屑处理到地层中的方法。本领域熟练技术人员还应当理解，权利要求的主题内容内在地包括降低井中页岩粘土溶胀的方法，该方法包括在井中循环基本上如本文所公开进行配制的水基钻井流体。权利要求的主题内容的这些和其它特征将在以下权利要求的主题内容的例证性实施方案的说明中进行更全面的阐述。
例证性实施方案的说明权利要求的主题内容涉及用于地下井中的水基钻井流体，所述地下井穿过含有在水存在下溶胀的页岩的地层。通常，权利要求的主题内容的钻井流体可以被配制成含有含水连续相和页岩水化抑制剂，优选亲脂性的胺化合物。如同以下所公开，权利要求的主题内容的钻井流体可以任选地含有其它组分，比如增重剂、粘性剂、滤失控制剂、桥接剂、润滑剂、抗钻头包泥剂、中和剂、腐蚀抑制剂、碱性保留物质和pH值缓冲剂、表面活性剂和助悬剂、钻进速度增强剂以及本领域熟练技术人员可以理解的可以加入到水基钻井流体中的组分等等。
所述水基连续相通常可以是任何与钻井流体制剂相容并且与本文公开的页岩水化抑制剂相容的水基流体相。为了增溶本文中公开的页岩水化抑制剂，在钻探作业之前或者期间，为了使其成为功能活性的，可能需要对胺官能团进行质子化。在一种优选的实施方案中，所述水基连续相选自淡水、海水、盐水、水和水溶性有机化合物的混合物及其混合物。所述水基连续相的量应当足以形成水基钻井流体。按体积计，该量可以为接近钻井流体的100％至少于钻井流体的30％。优选地，基于钻井流体的体积，水基连续相为按体积计约95～约30％，优选约90～约40％。
权利要求的主题内容还涉及亲脂性页岩抑制剂的应用，用于形成相对不溶性膜形成化合物。由此，所述亲脂性页岩抑制剂自身与页岩表面缔合，从而构成不溶性膜。
将页岩水化抑制剂包含入本发明主题内容的钻井流体制剂中，从而使得页岩和页岩类地层的水化作用得到抑制。由此，所述页岩水化抑制剂应当以足以降低页岩粘土的基于表面水化的溶胀和/或渗透基溶胀的浓度存在。存在于具体钻井流体制剂中的页岩水化抑制剂的准确量可以通过测试钻井流体和所遇到的页岩粘土地层的组合的逐次逼近法进行确定。然而，通常，权利要求主题内容的页岩水化抑制剂可以以约1～约18磅/桶钻井流体(lbs/bbl或者ppb)的浓度用于钻井流体中，更优选以约2～约12磅/桶的浓度用于钻井流体中。
如先前所指出，权利要求的主题内容的页岩水化抑制剂优选为亲脂性胺化合物。这与多种作为亲水性化合物(即，至少部分可溶于水中)的现有技术化合物形成对比。本领域熟练技术人员应当注意，一些在此公开的强亲脂性胺可以通过部分质子化胺官能团而得到增溶。所述质子化可以通过加入酸或者将钻井泥浆的pH值调节至预定值而得以进行。另外地，在将它们应用于钻探作业中之前，可以对在此公开的页岩水化抑制剂进行部分或者完全的质子化或者中和。
在一种例证性的实施方案中，权利要求的主题内容的页岩水化抑制剂应当具有以下通式结构
其中R和R’独立地选自氢、甲基、乙基或者丙基，并且X是C5～C12烃基，以及n是1～4的整数。一种充当页岩水化抑制剂的例证性胺是其中X为环己基或者其它类似长链或者环烷基的胺。在这种情形中，所述胺可以为伯胺、仲胺或者叔胺。例如，发现环己基胺、N-甲基环己基胺和N，N-二甲基环己基胺都是有效的页岩水化抑制剂。
在另一种例证性的实施方案中，优选所述页岩水化抑制剂是芳香胺与醛的反应产物的氢化反应的反应产物，优选所述醛为甲醛。另外，页岩水化抑制剂可以是苯胺和甲醛的反应产物的氢化反应的反应产物。在一种例证性的实施方案中，所述页岩水化抑制剂选自具有以下通式结构的化合物 其中R和R’独立地选自氢、甲基、乙基或者丙基，R”是选自具有1～6个碳原子的直链或者支链烷基的桥接基团，和n是1～4的值。此外，应当指出，相对于桥接基团，所述氨基可以位于邻位、间位或者对位，然而，优选位于对位。由此，在优选的例证性实施方案中，所述页岩水化抑制剂具有以下通式结构 其中R和R’独立地选自氢、甲基、乙基或者丙基，和X是1～6的值。
如上式所示，例证性的页岩水化抑制剂是胺的游离碱(即，未质子化的胺)。本领域熟练技术人员应当理解，取决于使用期间或者使用之前钻井流体的pH值，权利要求的主题内容的页岩水化抑制剂可以部分或者完全得到质子化。此外，还应当理解，所述胺的质子化状态可以在使用期间或者使用之前通过仅仅调节钻井流体的pH值而得到轻易调节。
为了增加流体的密度，权利要求的主题内容的钻井流体可以含有增重物质。所述增重物质的主要目的是增加钻井流体的密度，从而防止反冲和井喷。本领域熟练技术人员应当知道和理解，防止反冲和井喷对于钻机每天的安全运转是非常重要的。由此，以功能有效量加入到钻井流体中的增重物质很大程度上取决于进行钻探的地层的性质。适用于配制权利要求的主题内容的钻井流体的加重物质通常可以选自任何类型的作为制备工艺的一部分悬浮在溶液、溶解于水相中或者钻探期间后来加入的固体、颗粒形式的加重物质。优选所述增重物质选自重晶石、赤铁矿、氧化铁、碳酸钙、碳酸镁、有机盐和无机盐和这些化合物的混合物和组合，以及可以用于钻井流体制剂中的类似增重物质。
为了改变或者保持流体的流变性质，权利要求的主题内容的钻井流体可以含有增粘剂。所述增粘剂的主要目的是控制钻井流体的粘度和粘度的潜在变化。粘度控制是非常重要的，这是因为地层通常可能具有比表面温度显著更高的温度。由此，钻井流体在其从表面传送到钻头和背部的过程期间可能会经受接近冷冻温度至接近水的沸点或者更高温度的温度极限。本领域熟练技术人员应当知道和理解，所述温度的变化可以导致流体流变性质的显著变化。由此，为了控制和/或缓和流变学变化，可以将粘度剂和流变学控制剂包含入钻井流体制剂中。适用于配制权利要求的主题内容的钻井流体的增粘剂通常可以选自任何类型的适用于水基钻井流体中的增粘剂。在一种例证性的实施方案中，将任选的增粘剂加入到流体中，优选所述增粘剂选自本领域熟练技术人员应当已知的化合物的混合物和组合，所述化合物是比如黄原胶树胶、淀粉、改性淀粉和合成增粘剂(比如聚丙烯酰胺)等等。
除了上述指出的组分之外，权利要求的钻井流体还可以配制包括通称为碱性保留和碱缓冲剂、pH值缓冲剂、胶化物质、稀释剂和滤失控制剂的物质以及其它任选地加入到水基钻井流体制剂中的化合物和物质。这些其它物质各自可以以钻井条件所需的流变学和功能浓度加入到所述制剂中。
本领域熟练技术人员应当理解，石灰是用于配制水基钻井流体中的基本碱性保留试剂。还可以将碱性缓冲剂，比如环状有机胺、空间位阻胺、脂肪酸的酰胺等等，包含在其中，充当防止碱性保留试剂损失的缓冲液。所述钻井流体可以含有胺质子化或者pH值缓冲剂，从而对页岩抑制剂进行增溶和由此增强它们的活性。所述钻井流体还可以含有防腐剂，从而防止钻探作业设备的金属部分发生腐蚀。通常还将胶化物质用于水基钻井流体中，并且这些胶化物质包括皂土、海泡石、粘土、山软木土、阴离子型高分子量聚合物和生物聚合物。通常还将稀释剂(比如木素磺酸盐)加入到水基钻井流体中。一般加入木素磺酸盐、改性的木素磺酸盐、多磷酸盐和丹宁酸。在其它实施方案中，还可以将低分子量聚丙烯酸盐作为稀释剂加入其中。将稀释剂加入到钻井流体中以降低流动阻力和控制凝胶化趋势。稀释剂实现的其它功能包括降低过滤和泥饼厚度、平衡盐的作用、最小化水对钻探地层的作用、将油乳化在水中和在高温下稳定泥的性能。
可以将多种滤失控制剂加入到权利要求主题内容的钻井流体中，它们通常选自合成的有机聚合物、生物聚合物及其混合物。还可以将比如改性褐煤、聚合物、改性淀粉和改性纤维素的滤失控制剂加入到本发明的水基钻井流体系统中。在一种实施方案中，优选本发明的添加剂选自具有低毒性并且与常规阴离子钻井流体添加剂相容的添加剂，比如聚阴离子羧甲基纤维素(PAC或者CMC)、聚丙烯酸盐、部分水解的聚丙烯酰胺(PHPA)、木素磺酸盐、黄原胶和这些物质的混合物等等。
权利要求主题内容的钻井流体可以进一步含有通常选自合成的有机、无机和生物聚合物及其混合物的包被试剂。包被试剂的作用是在沿链的多个点上吸附粘土颗粒，由此将颗粒结合在一起和包被钻屑。这些包被剂有助于改良钻屑清除，同时将更少的钻屑分散入钻井流体中。所述包被剂可以为阴离子、阳离子、两性或者本质为非离子的包被剂。
其它可以存在于权利要求主题内容的钻井流体中的添加剂包括比如润滑剂、渗入速度增强剂、消泡剂、流体损耗循环产品等等的产品。所述化合物对于配制水基钻井泥浆领域的普通技术人员应当是已知的。
以下包含的实施例用于表明权利要求主题内容的优选实施方案。本领域熟练技术人员应当理解，在随后的实施例中公开的工艺表示本发明发明人发现的在权利要求主题内容实践中效力良好的工艺，由此可以认为它们构成了其实践的优选方式。然而，本领域熟练技术人员根据本发明的公开内容应当理解，可以对公开的具体实施方案进行多种不背离本发明主题内容的范围的改变并且仍然可以获得相同或者类似的结果。
除非另有说明，所有原料都可以市场购买到，并且使用标准实验室技术和设备。所述测试根据API Bulletin RP 13B-2，1990中的方法进行。以下缩略语有时用于描述在实施例中讨论的结果“PV”是塑性粘度(CPS)，它是用于计算钻井流体的粘度特性的一个变量。
“YP”是屈服点(磅/100平方英尺)，它是用于计算钻井流体的粘度特性的另一个变量。
“GELS”(磅/100平方英尺)是钻井流体的悬浮特性和触变性能的尺度。
“F/L”是API流体损失和在100psi下钻井流体的流体损失(单位为毫升)的尺度。
实施例1配制了以下泥浆用于说明权利要求的主题内容
在上述泥浆制剂中，将以下市售化合物用于钻井流体的配制中，但是本领域熟练技术人员应当理解，可以替代使用其它类似化合物。
对上述泥浆以及基础泥浆(即，其中不存在页岩水化抑制剂的泥浆)的性能进行测量并且得到以下示例性数据
通过在150下，在一桶当量的泥浆中将10g钻屑热轧16小时，用牛津粘土钻屑进行分散试验。在热轧之后，利用20筛目网筛对剩余的钻屑进行过筛，并且用10％氯化钾水溶液对其进行洗涤、进行干燥和称重，从而获得回收百分比。该评价的结果示于下表中，表明了本发明页岩水化抑制剂的改良的页岩抑制性能。
为了进一步表明根据本发明教导配制的钻井流体的性能，利用本体硬度试验机进行了测试。BP本体硬度试验机用于评价暴露于钻井流体的页岩钻屑的硬度，该硬度反过来可能与进行评价的钻井流体的抑制性能相关。在此测试中，在150下，在测试钻井流体中将页岩钻屑热轧16小时。将页岩钻屑进行过筛并且然后将其投入BP本体硬度试验机中。将该设备密闭和使用转矩扳手，对用于将钻屑挤出通过具有孔的板的作用力进行记录。取决于水化状态和钻屑硬度以及使用的钻井流体，当开始进行钻屑挤压时，达到了扭矩平台区。另外，扭矩可以持续上升，这在较硬的钻屑样品时倾向于发生。因此，获得的扭矩数越大，就认为钻井流体系统的抑制性越强。以下给出了用牛津粘土钻屑获得的三种不同钻浆制剂的例证性数据。
在上表中，D表示形成圆盘；R表示形成带状物的细条。
通过对上述数据进行观察，本领域熟练技术人员应当注意，根据本发明教导配制的钻井流体预防了各种类型的页岩粘土的水化，并且由此在钻探遇到这类页岩粘土的地下井中可以提供良好的性能。
实施例2
实施以下测试以表明可以通过权利要求主题内容的页岩水化抑制剂的单一10.5ppb处理而在数天期间得到抑制的API皂土的最大量。该试验方法使用填充有一桶当量自来水和10.5ppb页岩水化抑制剂的品脱罐。自来水用作对照样品。用氢氯酸将所有样品的pH值调节为至少9.5，并且在中等剪切速率下用10ppb份的M-I GEL(API皂土)对其进行处理。搅拌30分钟之后，在150下将样品加热老化过夜。在样品得到冷却之后，在环境温度下对它们的流变进行记录。对各个样品都进行该处理，直至它们太厚而难以测量为止。下表列出了代表性的数据，这些数据表明通过每日将皂土加入到用表明在各栏顶部的页岩水化抑制剂处理的自来水中，对权利要求主题内容的页岩水化抑制作用的影响。对于以下实施例，用来下页岩水化抑制剂
600rpm流变学数据(厘泊)
在上表中，缩略语TTTM意指太厚，难以测量。
6rpm流变学数据(厘泊)
在上表中，缩略语TTTM意指太厚，难以测量。
10Min.凝胶
在上表中，缩略语TTTM意指太厚，难以测量。
塑性粘度
在上表中，缩略语TTTM意指太厚，难以测量。
屈服点
在上表中，缩略语TTTM意指太厚，难以测量。
通过对上述代表性数据进行观察，本领域熟练技术人员应当注意，根据本发明教导配制的钻井流体显著地抑制了各种类型的页岩粘土的水化，并且由此在钻探遇到这类页岩粘土的地下井中可以提供良好的性能。
实施例3在该实施例中，将按重量计3％的4，4’-二甲基二环己基甲烷溶于1.5％冰醋酸的蒸馏水溶液中。通过搅拌该混合物，形成透明溶液。向上述所得溶液中加入充分量的1.0N氢氧化钠，从而使得其pH值为约10.5。在此pH值下，形成了白色沉淀。通过将pH值调节为约9.5，该沉淀可以得到再溶解。
上述实施例说明，本发明公开的优选页岩水化抑制剂可以通过调节pH值从溶液中沉淀析出和沉淀在页岩表面。本领域熟练技术人员应当理解，形成该沉淀的能力将促进可以增强井稳定性的膜的形成。
基于本发明的公开内容，本领域熟练技术人员应当相信和理解，权利要求的主题内容的一种例证性实施方案包括用于钻井中的水基钻井流体，所述井穿过含有在水存在下溶胀的页岩的地层。在所述例证性实施方案中，所述钻井流体包括水基连续相、增重剂和具有以下一般性结构式的页岩水化抑制剂 其中R和R’独立地选自氢、甲基、乙基或者丙基，和X是C5～C12烃基，和n是1～4的整数。优选页岩抑制剂是芳香胺与醛的反应产物的氢化反应的反应产物，优选所述醛为甲醛。另外，页岩水化抑制剂可以是苯胺和甲醛的反应产物的氢化反应的反应产物。在一种例证性的实施方案中，所述页岩水化抑制剂选自具有以下通式结构的化合物
其中R和R’独立地选自氢、甲基、乙基或者丙基，R”是选自具有1～6个碳原子的直链或者支链烷基的桥接基团，和n是1～4的值。此外，应当指出，所述氨基可以相对于桥接基团位于邻位、间位或者对位，然而，优选位于对位。由此，在优选的例证性实施方案中，所述页岩水化抑制剂具有以下通式结构 其中R和R’独立地选自氢、甲基、乙基或者丙基，和X是1～6的值。
对例证性的钻井流体进行配制，从而使得水基连续相选自淡水、海水、盐水、水和水溶性有机化合物的混合物以及这些物质与本领域熟练技术人员应当已知的类似的水基流体的混合物和组合。在一种例证性的实施方案中，将任选的增粘剂加入到流体中，优选所述增粘剂选自本领域熟练技术人员应当已知的化合物的混合物和组合，所述化合物比如是黄原胶树胶、淀粉、改性淀粉和合成增粘剂(比如聚丙烯酰胺)等等。还可以将增重物质，比如重晶石、方解石、赤铁矿、氧化铁、碳酸钙、有机盐和无机盐以及这些化合物和本领域熟练技术人员应当已知的类似化合物的混合物和组合，加入到例证性流体的制剂中。所述例证性的流体还可以包含多种常规的水基钻井流体组分，比如滤失控制剂、助悬剂、增粘剂、流变学控制剂、pH值缓冲剂以及其它本领域熟练技术人员已知的化合物和物质。
权利要求的主题内容的范围还包括用于地下井中的压裂液，其中地下井穿过一层或者多层由在水存在下溶胀的页岩组成的地层。一种例证性的流体配制包含水基连续相、增粘剂和以足以显著地降低页岩溶胀的浓度存在的页岩水化抑制剂。在一种例证性实施方案中，页岩水化抑制剂具有下式 其中R和R’独立地选自氢、甲基、乙基或者丙基，和X是1～6的值。对例证性的钻井流体进行配制，从而使得水基连续相可以选自淡水、海水、盐水、水和水溶性有机化合物的混合物以及这些物质与本领域熟练技术人员应当已知的类似的水基流体的混合物和组合。在一种例证性的实施方案中，将任选的增粘剂加入到流体中，优选所述增粘剂选自本领域熟练技术人员应当已知的化合物的混合物和组合，所述化合物是比如黄原胶树胶、淀粉、改性淀粉和合成增粘剂(比如聚丙烯酰胺)等等。还可以将增重物质，比如重晶石、方解石、赤铁矿、氧化铁、碳酸钙、有机盐和无机盐以及这些化合物和本领域熟练技术人员应当已知的类似化合物的混合物和组合，加入到例证性流体的制剂中。所述例证性的流体还可以包含多种常规的压裂液组分，比如支撑剂(比如沙、砂砾、玻璃珠、陶瓷物质等等)、酸释放剂、滤失控制剂、助悬剂、增粘剂、流变学控制剂、pH值缓冲剂以及其它本领域熟练技术人员已知的化合物和物质。
本领域熟练技术人员应当理解，权利要求的主题内容的流体可以在钻探、完成、巩固、破裂、保持和生产、修理、废弃井和其它与地下井有关的作业过程期间使用。在一种例证性实施方案中，将所述流体用于涉及钻探穿过一层或者多层含有在水存在下溶胀的页岩的地层的地下井的方法中。所述例证性方法利用常规的钻探装置和工艺进行；然而，使用的钻井流体制剂包含水基连续相；增重剂；和以足以降低页岩溶胀的浓度存在的页岩水化抑制剂。在一种例证性实施方案中，页岩水化抑制剂具有下式
其中R和R’独立地选自氢、甲基、乙基或者丙基，和X是1～6的值。对例证性的钻井流体进行配制，从而使得水基连续相可以选自淡水、海水、盐水、水和水溶性有机化合物的混合物以及这些物质与本领域熟练技术人员应当已知的类似的水基流体的混合物和组合。在一种例证性的实施方案中，将任选的增粘剂加入到流体中，优选所述增粘剂选自本领域熟练技术人员应当已知的化合物的混合物和组合，所述化合物比如是黄原胶树胶、淀粉、改性淀粉和合成增粘剂(比如聚丙烯酰胺)等等。还可以将增重物质，比如重晶石、方解石、赤铁矿、氧化铁、碳酸钙、有机盐和无机盐以及这些物质与本领域熟练技术人员应当已知的类似化合物的混合物和组合，加入到例证性流体的制剂中。所述例证性的流体还可以包含多种常规的钻探和钻井流体组分，比如滤失控制剂、助悬剂、增粘剂、流变学控制剂、pH值缓冲剂以及其它本领域熟练技术人员已知的化合物和物质。
权利要求的主题内容还包括将钻屑处理入地层中的方法。如本领域熟练技术人员所熟知，该方法涉及在流体存在下研磨预先已经与再循环钻井流体分离的钻屑，从而形成浆液。然后，通过井将该浆液注射到适宜的用于处理的地层中。基于该目的，本领域熟练技术人员应当理解，权利要求主题内容的一种例证性实施方案包括在水基流体中研磨钻屑，从而形成浆液，其中所述水基流体配制含有水基连续相和以足以显著降低页岩溶胀的浓度存在的页岩水化抑制剂，然后将上述浆液注射到指定用于处理钻屑的地层中。用于流体制剂中的页岩水化抑制剂是上面实质性描述的抑制剂。也就是说，用于一种例证性方法的实施方案中的页岩水化抑制剂具有下式 其中R和R’独立地选自氢、甲基、乙基或者丙基，和X是1～6的值。对例证性的钻井流体进行配制，从而使得水基连续相可以选自淡水、海水、盐水、水和水溶性有机化合物的混合物以及这些物质与本领域熟练技术人员应当已知的类似的水基流体的混合物和组合。在一种例证性的实施方案中，将任选的增粘剂加入到流体中，优选所述增粘剂选自本领域熟练技术人员应当已知的化合物的混合物和组合，所述化合物比如是黄原胶树胶、淀粉、改性淀粉和合成增粘剂(比如聚丙烯酰胺)等等。还可以将增重物质，比如重晶石、方解石、赤铁矿、氧化铁、碳酸钙、有机盐和无机盐以及这些化合物和本领域熟练技术人员应当已知的类似化合物的混合物和组合，加入到例证性流体的制剂中。所述例证性的流体可以任选地包含多种常规的钻探和钻井流体组分，比如滤失控制剂、助悬剂、增粘剂、流变学控制剂、pH值缓冲剂以及其它本领域熟练技术人员已知的化合物和物质。
本领域熟练技术人员还应当理解，权利要求的主题内容内在地包括降低井中页岩粘土溶胀的方法，该方法包括在井中循环基本上如本文所公开进行配制的水基钻井流体。一种例证性的所述流体包括水基连续相和以足以显著地降低页岩溶胀的浓度存在的页岩水化抑制剂。也就是说，用于一种例证性方法的实施方案中的页岩水化抑制剂具有下式 其中R和R’独立地选自氢、甲基、乙基或者丙基，和X是1～6的值。对例证性的钻井流体进行配制，从而使得水基连续相可以选自淡水、海水、盐水、水和水溶性有机化合物的混合物以及这些物质与本领域熟练技术人员应当已知的类似的水基流体的混合物和组合。在一种例证性的实施方案中，将任选的增粘剂加入到流体中，优选所述增粘剂选自本领域熟练技术人员应当已知的化合物的混合物和组合，所述化合物比如是黄原胶树胶、淀粉、改性淀粉和合成增粘剂(比如聚丙烯酰胺)等等。还可以将增重物质，比如重晶石、方解石、赤铁矿、氧化铁、碳酸钙、有机盐和无机盐以及这些化合物和本领域熟练技术人员应当已知的类似化合物的混合物和组合，加入到例证性流体的制剂中。所述例证性的流体可以任选地包含多种常规的钻探和钻井流体组分，比如滤失控制剂、助悬剂、增粘剂、流变学控制剂、pH值缓冲剂以及其它本领域熟练技术人员已知的化合物和物质。
本领域熟练技术人员应当理解，存在宽广范围的可以用作在此所述化合物的可能化合物，由此它们都包括在本发明主题内容的范围之内。本发明的该广阔范围包括具有显著亲脂性的一元胺化合物。在一种所述例证性实施方案中，用于穿过一层或者多层含有在水存在下溶胀的页岩的地层的地下井中的水基钻井流体制剂包括水基连续相；和具有下式的页岩水化抑制剂 其中R和R’独立地选自氢、甲基、乙基或者丙基，和X是C5～C12烃基，和n是1～4的整数。如先前所指出，所述页岩水化抑制剂应当以足以降低页岩溶胀的浓度存在。对例证性的钻井流体进行配制，从而使得水基连续相可以选自淡水、海水、盐水、水和水溶性有机化合物的混合物以及这些物质与本领域熟练技术人员应当已知的类似的水基流体的混合物和组合。在一种例证性的实施方案中，将任意的增粘剂加入到流体中，优选所述增粘剂选自本领域熟练技术人员应当已知的化合物的混合物和组合，所述化合物比如是黄原胶树胶、淀粉、改性淀粉和合成增粘剂(比如聚丙烯酰胺)等等。还可以将增重物质，比如重晶石、方解石、赤铁矿、氧化铁、碳酸钙、有机盐和无机盐以及这些化合物和本领域熟练技术人员应当已知的类似化合物的混合物和组合，加入到例证性流体的制剂中。所述例证性的流体可以任选地包含多种常规的钻探和钻井流体组分，比如滤失控制剂、助悬剂、增粘剂、流变学控制剂、pH值缓冲剂以及其它本领域熟练技术人员已知的化合物和物质。
还应当进一步指出，在此公开的水基钻井流体可以通过原位沉积或者聚合作用形成膜。一种所述例证性流体可以包括水基连续相；和，具有下式的页岩水化抑制剂
其中R和R’独立地选自氢、甲基、乙基或者丙基，和X是C5～C12烃基，和n是1～4的整数。如先前所指出，所述页岩水化抑制剂应当以足以降低页岩溶胀的浓度存在。对例证性的钻井流体进行配制，从而使得水基连续相可以选自淡水、海水、盐水、水和水溶性有机化合物的混合物以及这些物质与本领域熟练技术人员应当已知的类似的水基流体的混合物和组合。在一种例证性的实施方案中，将任选的增粘剂加入到流体中，优选所述增粘剂选自本领域熟练技术人员应当已知的化合物的混合物和组合，所述化合物比如黄原胶树胶、淀粉、改性淀粉和合成增粘剂(比如聚丙烯酰胺)等等。还可以将增重物质，比如重晶石、方解石、赤铁矿、氧化铁、碳酸钙、有机盐和无机盐以及这些化合物和本领域熟练技术人员应当已知的类似化合物的混合物和组合，加入到例证性流体的制剂中。所述例证性的流体可以任选地包含多种常规的钻探和钻井流体组分，比如滤失控制剂、助悬剂、增粘剂、流变学控制剂、pH值缓冲剂以及其它本领域熟练技术人员已知的化合物和物质。
本领域熟练技术人员还应当理解，所述例证性流体可以用于使用水基钻井流体增强页岩地层稳定性的方法中。例如，所述方法可以包括，将水基钻井流体递送到页岩地层，其中所述钻井流体包括水基连续相；和，具有下式的页岩水化抑制剂 其中R和R’独立地选自氢、甲基、乙基或者丙基，和X是C5～C12烃基，和n是1～4的整数；并且其中所述页岩水化抑制剂以足以在页岩地层上形成渗透膜的浓度存在。
按照类似的方式，本发明还教导了通常使用二胺化合物作为页岩水化抑制剂的水基钻井流体的理想性和应用。一种所述例证性实施方案包括钻井流体，所述钻井流体可以被配制成包含水基连续相；和具有下式的页岩水化抑制剂
其中R1、R2、R3、R4独立地选自氢、甲基、乙基或者丙基，和X为约7～约20个碳原子的脂族烃基。如先前所指出，所述页岩水化抑制剂应当以足以降低页岩溶胀的浓度存在。对例证性的钻井流体进行配制，从而使得水基连续相可以选自淡水、海水、盐水、水和水溶性有机化合物的混合物以及这些物质与本领域熟练技术人员应当已知的类似的水基流体的混合物和组合。在一种例证性的实施方案中，将任选的增粘剂加入到流体中，优选所述增粘剂选自本领域熟练技术人员应当已知的化合物的混合物和组合，所述化合物比如黄原胶树胶、淀粉、改性淀粉和合成增粘剂(比如聚丙烯酰胺)等等。还可以将增重物质，比如重晶石、方解石、赤铁矿、氧化铁、碳酸钙、有机盐和无机盐以及这些化合物和本领域熟练技术人员应当已知的类似化合物的混合物和组合，加入到例证性流体的制剂中。所述例证性的流体可以任选地包含多种常规的钻探和钻井流体组分，比如滤失控制剂、助悬剂、增粘剂、流变学控制剂、pH值缓冲剂以及其它本领域熟练技术人员已知的化合物和物质。
虽然已经根据优选实施方案对权利要求主题内容的组合物和方法进行了描述，但是对于本领域技术人员很显然可以对在此所述的方法进行变化，这并不背离权利要求主题内容的构思和范围。所有对于本领域熟练技术人员而言显而易见的替换和变型都认为在以下权利要求所陈述的权利要求主题内容的范围和构思之内。
权利要求
1.一种水基钻井流体，其用于钻探穿过一层或者多层含有页岩的地层的地下井中，所述的页岩在水存在下溶胀，其中所述流体包括水基连续相；和具有下式的页岩水化抑制剂 其中R和R’独立地选自氢、甲基、乙基或者丙基，R”是选自具有1～6个碳原子的直链或者支链烷基的桥接基团，和n是1～4的值；并且其中所述页岩水化抑制剂以足以降低页岩溶胀的浓度存在。
2.权利要求1的水基钻井流体，其中所述页岩水化抑制剂是芳香胺与甲醛的反应产物的氢化反应的反应产物。
3.权利要求1的水基钻井流体，其中所述页岩水化抑制剂是4，4’-二氨基二环己基甲烷。
4.权利要求1的水基钻井流体，其中所述水基连续相选自淡水、海水、盐水和水溶性有机化合物及其混合物。
5.权利要求1的水基钻井流体，进一步包括增粘剂。
6.权利要求5的水基钻井流体，进一步包括选自重晶石、方解石、赤铁矿、氧化铁、碳酸钙、有机盐和无机盐及其混合物的增重物质。
7.权利要求1的水基钻井流体，其中至少一个胺官能团被质子化了。
8.一种水基钻井流体，其用于钻探穿过一层或者多层含有页岩的地层的地下井，所述的页岩在水存在下溶胀，其中所述的钻井流体包括水基连续相；增重剂；和具有下式的页岩水化抑制剂 其中R和R’独立地选自氢、甲基、乙基或者丙基，和X是1～6的值；和其中所述页岩水化抑制剂以足以降低页岩溶胀的浓度存在。
9.权利要求8的水基钻井流体，其中所述页岩水化抑制剂是芳香胺与甲醛的反应产物的氢化反应的反应产物。
10.权利要求8的水基钻井流体，其中所述页岩水化抑制剂是4，4’-二氨基二环己基甲烷。
11.权利要求8的水基钻井流体，其中所述水基连续相选自淡水、海水、盐水和水溶性有机化合物及其混合物。
12.权利要求8的水基钻井流体，进一步包含增粘剂。
13.权利要求12的水基钻井流体，其中所述增重物质选自重晶石、方解石、赤铁矿、氧化铁、碳酸钙、有机盐和无机盐及其混合物。
14.权利要求8的水基钻井流体，其中至少一个胺官能团被质子化了。
15.一种压裂液，其用于穿过一层或者多层含有页岩的地层的地下井中，所述的页岩在水存在下溶胀，其中所述流体包括水基连续相；增粘剂；和具有下式的页岩水化抑制剂 其中R和R’独立地选自氢、甲基、乙基或者丙基，和X是1～6的值；和其中所述页岩水化抑制剂以足以降低页岩溶胀的浓度存在
16.权利要求15的组合物，进一步包括支撑物质。
17.权利要求15的组合物，进一步包括选自重晶石、方解石、赤铁矿、氧化铁、碳酸钙、有机盐和无机盐及其混合物的增重物质。
18.一种方法，包括钻探穿过一层或者多层含有页岩的地层的地下井中，所述的页岩在水存在下溶胀，其中所述钻探利用钻井流体进行，所述钻井流体包括水基连续相；增重剂；和具有下式的页岩水化抑制剂 其中R和R’独立地选自氢、甲基、乙基或者丙基，和X是1～6的值；并且其中所述页岩水化抑制剂以足以降低页岩溶胀的浓度存在。
19.权利要求18的方法，其中所述增重剂选自重晶石、方解石、赤铁矿、氧化铁、碳酸钙、有机盐和无机盐及其混合物。
20.一种将钻屑处理到地层中的方法，该方法包括在水基流体中研磨钻屑，从而形成浆液，其中所述水基流体包括水基连续相和具有下式的页岩水化抑制剂 其中R和R’独立地选自氢、甲基、乙基或者丙基，和X是1～6的值；并且其中所述页岩水化抑制剂以足以降低页岩溶胀的浓度存在，和将所述浆液注射到地层中。
21.权利要求20的方法，其中所述页岩水化抑制剂是4，4’-二氨基二环己基甲烷。
22.权利要求20的方法，其中至少一个胺官能团被质子化了。
23.权利要求20的方法，其中所述水基连续相选自淡水、海水、盐水和水溶性有机化合物及其混合物。
24.一种降低井中页岩粘土溶胀的方法，包括在井中循环水基钻井流体，所述水基钻井流体包括水基连续相和具有下式的页岩水化抑制剂 其中R和R’独立地选自氢、甲基、乙基或者丙基，和X是1～6的值；并且其中所述页岩水化抑制剂以足以降低页岩溶胀的浓度存在，和将所述浆液注射到地层中。
25.权利要求24的方法，其中所述页岩水化抑制剂是4，4’-二氨基二环己基甲烷。
26.权利要求24的方法，其中至少一个胺官能团被质子化了。
27.权利要求24的方法，其中所述水基连续相选自淡水、海水、盐水和水溶性有机化合物及其混合物。
28.一种水基钻井流体，其用于钻探穿过一层或者多层含有页岩的地层的地下井中，所述的页岩在水存在下溶胀，其中所述钻井流体包括水基连续相；和具有下式的页岩水化抑制剂 其中R和R’独立地选自氢、甲基、乙基或者丙基，和X是C5～C12烃基，和n是1～4的整数；和其中所述页岩水化抑制剂以足以降低页岩溶胀的浓度存在。
29.一种能够通过原位沉积或者聚合作用形成膜的水基钻井流体，所述流体包括水基连续相；和具有下式的页岩水化抑制剂 其中R和R’独立地选自氢、甲基、乙基或者丙基，和X是C5～C12烃基，和n是1～4的整数；并且其中所述页岩水化抑制剂以足以降低页岩溶胀的浓度存在。
30.一种利用水基钻井流体增强页岩地层稳定性的方法，该方法包括将水基钻井流体递送至页岩地层，其中所述钻井流体包括水基连续相；和具有下式的页岩水化抑制剂 其中R和R’独立地选自氢、甲基、乙基或者丙基，和X是C5～C12烃基，和n是1～4的整数；和其中所述页岩水化抑制剂以足以在页岩地层上形成渗透膜的浓度存在。
31.一种水基钻井流体，其用于钻探穿过一层或者多层含有页岩的地层的地下井中，所述的页岩在水存在下溶胀，其中所述钻井流体包括水基连续相；和具有下式的页岩水化抑制剂 其中R1、R2、R3、R4独立地选自氢、甲基、乙基或者丙基，和X是约7～约20个碳原子的脂族烃基，并且其中所述页岩水化抑制剂以足以降低页岩溶胀的浓度存在。
32.一种利用水基钻井流体增强页岩地层稳定性的方法，该方法包括将水基钻井流体递送至页岩地层，其中所述钻井流体包括水基连续相；和具有下式的页岩水化抑制剂 其中R和R’独立地选自氢、甲基、乙基或者丙基，和X是1～6的值；和其中所述页岩水化抑制剂以足以在页岩地层上形成渗透膜的浓度存在。
全文摘要
一种用于钻探、巩固、加工、破裂和处理穿过含有在水存在下溶胀的页岩的地层的地下井中的水基流体。在一种例证性实施方案中，所述钻井流体由水基连续相、增重剂和页岩水化抑制剂组成。所述页岩水化抑制剂应当具有通式(I)其中R和R’独立地选自氢、甲基、乙基或者丙基，和X是1～6的值。所述页岩水化抑制剂以充分浓度存在，从而通过与钻井流体接触显著降低页岩钻屑的溶胀。所述例证性的流体可以被配制成包含多种水基钻井流体组分，比如增重剂、滤失控制剂、助悬剂、增粘剂、流变学控制剂以及其它本领域熟练技术人员已知的其它化合物和物质。还可以通过将钻井岩屑再注射到选择的地下处理地层中而将所述流体用于所述的破裂和处理中。
文档编号C09K8/86GK101061198SQ200580039757
公开日2007年10月24日 申请日期2005年10月4日 优先权日2004年10月5日
发明者A·D·帕特尔, E·斯塔马塔基斯 申请人:M-I有限公司