ФУНКЦИОНАЛИЗИРОВАННЫЕ ГЛИНИСТЫЕ СОСТАВЫ ДЛЯ БУРОВЫХ РАСТВОРОВ НА ВОДЯНОЙ ОСНОВЕ Российский патент 2012 года по МПК C09K8/22 

Область техники, к которой относится изобретение

Данное изобретение относится к жидкостям на водной основе, используемым для бурения нефтяных, газовых и геотермальных скважин в толщах пород, и к добавкам для использования в подобных жидкостях. Конкретнее, изобретение имеет отношение к буровому раствору на водной основе, содержащему специальные образцы функционализированной глины.

Сущность изобретения

Настоящее изобретение является водным буровым раствором, который содержит функционализированную дичетвертичным катионом аммония глину, которая обеспечивает постоянный реологический профиль, по отношению к минерализации, при введении в буровые жидкости. Следующим объектом изобретения является способ бурения скважин, который использует буровой раствор, содержащий функционализированную дичетвертичным катионом аммония глину, описанную ниже.

Кроме того, настоящее изобретение является глинистым/органическим химическим составом, который включает: (а) монтмориллонитовую глину и (б) одно или более дичетвертичных аммониевых соединений.

Подробное описание изобретения

Жидкости для бурения скважин также называют глинистыми растворами, буровыми глинистыми растворами, растворами для бурения, буровыми растворами, нефтескважинными жидкостями и буровыми нефтескважинными жидкостями в промышленности, и данные термины должны быть поняты как взаимозаменяемые повсюду в этой заявке. Следует понимать, что данные термины относятся к жидкости, которую нагнетают в скважину при бурении. Сама скважина может быть для газа, нефти или для любой другой цели, в которой используют буровой раствор. Буровые растворы данного изобретения являются буровыми растворами на водяной основе.

Один вариант осуществления настоящего изобретения обеспечивает водный буровой раствор, содержащий функционализированный дикватом глинистый состав. Дикват - это соединение, которое содержит два катионных азотных центра. Функционализированный дикватом глинистый состав включает монтмориллонитовую глину и одно или более дичетвертичных аммониевых соединения. Монтмориллонитовая глина - это очень мягкий филлосиликатный минерал, который обычно образуется в микроскопических кристаллах.

Монтмориллонит является членом семейства смектитов, имеющих два тетраэдрических слоя, прослаивающих центральный октаэдрический слой. Монтмориллонитовые глины являются набухающими слоистыми глинами, которые включают отдельные пластины. В данном изобретении могут быть использованы глины как природного, так и синтетического происхождения. Гидрофиллосиликаты природного происхождения, такие как вермикулит, могут быть также пригодны в этом изобретении. Синтетическими глинами, подходящими для данного изобретения, являются синтетические глины, которые могут быть определены как принадлежащие к смектитовой группе глинистых минералов, но также искусственный вермикулит и искусственная слюда могут быть использованы в данном изобретении.

Глины, которые могут быть использованы в настоящем изобретении, предпочтительно имеют катионную обменную способность не менее 45 миллиэквивалентов на 100 граммов глины, 100% активное глинистое основание, как определено хорошо известным аммонийно-ацетатным методом. Предпочтительные монтмориллонитовые глины представляют собой природное многообразие набухающего бентонита и подобных глин, и гекторита, набухающей магний силикатной глины Вайоминга. Бентонит и его свойства описаны в разделе, озаглавленном «Bentonite», в Carr, D., ed. 1994, Industrial Mineral and Rocks, 6^th Edition (опубликованном Society For Mining, Metallurgy and Exploration, Colorado).

Монтмориллонитовые глины хорошо известны в области техники и коммерчески доступны из ряда источников. Оптимально глины находятся в натриевой форме или переведены в натриевую форму перед использованием в изобретении. Это превращение проводят путем приготовления водной суспензии глины и пропусканием этой суспензии через слой катионобменной смолы в натриевой форме. Альтернативный вариант - глину смешивают с водой и растворимым натриевым соединением, таким как карбонат натрия, гидроксид натрия, т.д., и смесь раздавливают, например, глиномялкой или экструдером. Представленные монтмориллонитовые глины, пригодные в соответствии с настоящим изобретением, подробно описаны в «Hydrous Phyllosilicates, Rewiews in Mineralogy, Volume 19, S.W. Bailey, editor». Могут быть использованы как раздавленные, так и нераздавленные формы вышеперечисленных монтмориллонитовых глин. Elementis Specialties, Inc. и его предшественник выдали патенты, описывающие раздавливание глинистых минералов, как в US Patent No. 4695402 и US Patent No. 4742098, оба из которых включены здесь, исходя из их цельности. Кроме того, использованная монтмориллонитовая глина может быть как сырой (содержащей примеси или неглинистый материал), так и обогащенной (примеси удалены). Возможность использовать необработанную глину представляет значительное снижение затрат, поскольку способ обогащения глины и перевод в натриевую форму не требуются.

Органические катионные соединения настоящего изобретения выбраны из алкоксилированных и неалкоксилированных дичетвертичных катионов аммония, которые способны образовывать функционализированную глину путем обмена катионами с монтмориллонитовой глиной. В одном из вариантов осуществления органическое катионное соединение(я) настоящего изобретения содержит дичетвертичные катионы аммония или их смесь, имеющие следующую формулу:

где R₁ включает линейную или разветвленную, насыщенную или ненасыщенную алкильную группу, имеющую от одного до 30 атомов углерода или -(CR₃R₄-CR₅R₆O)_zH, где R₃, R₄, R₅ и R₆ независимо выбраны из группы, состоящей из H-, CH₃- и CH₃CH₂-. В предпочтительном варианте R₁ включает метил. В другом предпочтительном варианте R₃, R₄, R₅ и R₆ включают метил или водород. В уже другом предпочтительном варианте R₃, R₄, R₅ и R₆ включают водород. В предпочтительном варианте R₁ включает метил. В одном из вариантов осуществления настоящего изобретения повторяющееся звено z изменяется от 0 до 30. В более предпочтительном варианте повторяющееся звено z изменяется от 0 до 12. R₂ включает R₁ или линейную, или разветвленную, насыщенную или ненасыщенную алкильную группу, имеющую от одного до 30 атомов углерода. В предпочтительном варианте R₂ выбирают из группы, состоящей из водорода, метила, гексадекана или октадекана. В более предпочтительном варианте R₂ является метилом. Повторяющееся звено y изменяется от 2 до 22. В другом варианте осуществления изобретения повторяющееся звено y изменяется от двух до двенадцати. В предпочтительном варианте повторяющееся звено y изменяется от двух до четырех. X^- содержит анион, выбранный из группы, состоящей из хлорида, метилсульфата, ацетата, иодида и бромида, предпочтительно хлорида.

Пример предпочтительных дичетвертичных аммонийных соединений, использованных для создания органоглинных составов данного изобретения:

где z изменяется от 0 до двенадцати и y изменяется от двух до четырех.

Далее настоящее изобретение предусматривает водный буровой раствор для бурения нефтяных и газовых скважин. Водный буровой раствор содержит воду, до 32 масс.% соли и дикват функционализированный глинистый состав. В одном из вариантов 0-20% соли добавляют в буровую жидкость. В предпочтительном варианте 15-20% соли добавляют в буровую жидкость.

В точке бурения скважины дикват функционализированный глинистый состав настоящего изобретения может быть добавлен в буровой раствор в любое время. Это особенно удобно, когда буровую жидкость приготавливают обычным способом с добавлением дикват функционализированного глинистого состава настоящего изобретения. Обычно нефтескважинную жидкость получают смешиванием дикват функционализированного глинистого состава и рассола. Соотношения дикват функционализированного глинистого состава и рассола, используемых в буровой жидкости, хорошо известны в данной области техники как способы, используемые для их соединения. При получении бурового раствора также можно использовать дикват функционализированный глинистый состав настоящего изобретения с водой и глиной без рассола. Также возможно использовать дикват функционализированный глинистый состав настоящего изобретения с начальной буровой жидкостью, которая не содержит дикват функционализированный глинистый состав. Другими словами, оператор может начать процесс бурения со скважинной жидкостью, которая не содержит функционализированный глинистый состав, и затем использовать функционализированный глинистый состав настоящего изобретения при бурении этой скважины.

На практике количество дикват функционализированного глинистого состава, добавляемого в буровую жидкость, различно для разных процессов бурения. В большинстве методов применения количество дикват функционализированного глинистого состава, использованного в буровой жидкости, не превысит 35 миллиардных долей буровой жидкости. В одном из вариантов к буровой жидкости добавляют от 0,875 миллиардных долей до 35 миллиардных долей дикват функционализированного глинистого состава настоящего изобретения. В предпочтительном варианте к буровой жидкости добавляют от 3,5 миллиардных долей до 10,5 миллиардных долей дикват функционализированного глинистого состава настоящего изобретения.

Буровые растворы данного изобретения могут содержать другие традиционные скважинные добавки, которые необходимы в стандартных количествах. Примеры таких добавок включают нефть, понизители фильтрации и такие загустители, как крахмал, гидроксиэтилцеллюлоза, карбоксиметилцеллюлоза и другие продукты целлюлозы, ксантан и другие биополимеры, бентонит, соли лигносульфоновой кислоты, такие как кальций и хром лигносульфонаты, эмульгаторы, утяжелители, ингибиторы гидратации глинистых пород, такие как полиакриламиды или гликоли, специальные добавки для контроля коррозии, смазывающей способности и подобные, широко известные в уровне техники.

Дикват функционализированный глинистый состав настоящего изобретения может быть введен в ствол скважины любым известным специалистам в данной области техники способом. Дикват функционализированный глинистый состав настоящего изобретения может быть смешан с рассолом и затем добавлен к буровому раствору, приготовленному из обычных глинистых материалов в месте бурения скважины перед его нагнетанием в буровую скважину. Или дикват функционализированный глинистый состав настоящего изобретения может быть напрямую добавлен к буровому раствору, который содержит обычные глинистые материалы, и к буровому раствору, содержащему как функционализированные, так и нефункционализированные глины, может быть нагнетен в буровую скважину. В одном из вариантов состав буровой жидкости может также заключать бентонит.

Изобретение может быть использовано в любом применении бурового раствора, где в настоящее время используют глинистые материалы, в частности, включая такие способы обработки скважины, как завершения и операции по капитальному ремонту. Термин «буровой раствор» предназначен, чтобы охватить, но не ограничить до растворов для завершения скважины, жидкости для ремонта скважин, наполнители для борьбы с поглощением, жидкости глушения, буровые жидкости для бурения в продуктивных пластах, жидкости гравийной засыпки и жидкости для гидроразрыва пласта.

Одной функцией или особенностью буровых растворов на водной основе является осаждение бурового шлама из пласта, полученных буром на дне скважины, и выведение шлама из скважины. Буровые растворы на водной основе также осаждают утяжелители, например сульфат бария. Высаживая утяжелитель, буровой раствор помогает поддерживать гомогенную колонну бурового раствора, которая оказывает заданное давление на пласт. Реологические добавки, такие как бентонит, продукты целлюлозы и биополимеры, используют для создания этой необходимой реологии. Однако ни одна из реологических добавок не является и температуроустойчивой (350ºF+) и солеустойчивой (17 масс.% кальция и/или натрия хлорида). Бентонит, один из первичных реологических добавок, используемых в буровых жидкостях на водной основе, флоккулирует в присутствии бивалентных катионов, например кальция (хлорид кальция). Как только бентонит флоккулирует, реологический профиль резко изменяется и уменьшается способность осаждать твердые вещества, включая, но не ограничиваясь, утяжелитель, такой как барит.

В ходе процесса бурения регулярно встречается хлорид кальция и/или натрия из пластовых ли он вод, пробуриваемых через соляной купол, или поглощаемых в потоке соленой воды. Функционализированная глинистая добавка настоящего изобретения обеспечивает буровой раствор, имеющий в значительной степени постоянный реологический профиль в присутствии соли, такой как хлорид кальция.

Изобретение пояснено следующими неограниченными примерами. Данные примеры показывают поразительное преимущество буровых растворов, содержащих дикват функционализированный монтмориллонитовый глинистый состав.

Примеры

Функционализированные глины, как отмечено ниже, были приготовлены и составлены в модельные буровые растворы, которые были исследованы на водоотдачу и реологические свойства.

Все жидкости были приготовлены и исследованы в соответствии со стандартными правилами приготовления бурового раствора АНИ, использующими стандартные солодовые манжеты и 5-шпиндельный универсальный смеситель Hamilton Beach. Приготовленные растворы поместили в 316 ячеек из нержавеющей стали, предохраняющие от разрушения при нагреве. Ячейки поместили в вальцовочную печную установку при требуемой температуре и подвергли горячему вальцеванию в течение шестнадцати часов. Ячейки вынули и охладили в ванне, заполненной холодной водой. Реологические измерения были сняты в начале и после цикла горячей прокатки, используя Fann model 35 Rheometer или аналог.

Измерения были выполнены в соответствии с инструкциями RP 13B АНИ.

Рецептура исходного бурового раствора

5 миллиардных долей функционализированной дичетвертичным аммонием глинистой добавки

175,4 фунт/баррель Н₂О

174,6 фунт/баррель барита

Рецептура CaCl ₂ бурового раствора

5 миллиардных долей функционализированной дичетвертичным аммонием глинистой добавки

175,4 фунт/баррель Н₂О

174,6 фунт/баррель барита

35,1 фунт/баррель CaCl₂

Пример 1

Пример 1 показывает результаты по модельной скважинной буровой жидкости, содержащей 5 миллиардных долей функционализированной дичетвертичным аммонием глинистой добавки с и без 20 масс.% хлорида кальция. Дикват имеет состав, при котором R₁ и R₂ включают метил и y равняется 2. Образцы были приготовлены и исследованы на реологические свойства после горячей прокатки при 150ºF в соответствии с инструкциями АНИ. Результаты исследований представлены в Таблице 1.

Изобретательский дикват функционализированный глинистый материал вырабатывает реологический профиль, устойчивый в независимости от концентрации соли. Как показано в Таблице 1, дикват функционализированный глинистый материал имеет в значительной степени неизменный реологический профиль, доказанный сравнением 6 показаний оборотов для бурового раствора на основе пресной воды и 6 показаний оборотов для 20 масс.% хлоркальциевого рассола. В целях данной заявки в значительной степени неизменный реологический профиль означает 6 и 600 показаний оборотов для бурового раствора на основе пресной воды и 6 и 600 показаний оборотов для 20 масс.% хлоркальциевого рассола с 50% друг друга.

Таблица 1 Образец/ (СН)_y/z длина РХ4902/2/0 Соль, масс.% хлорида кальция 0 20 OFI 800 вязкость @ 120ºF после 16 ч ГП при 150ºF 600 Показаний оборотов 23 29 300 Показаний оборотов 19 25 200 Показаний оборотов 17 23 100 Показаний оборотов 15 20 6 Показаний оборотов 14 17 3 Показаний оборотов 13 16 Динамическая вязкость, сП 4 4 Предел текучести, фунт/100 фт² 15 21

Пример 2

Пример 2 показывает результаты по модельной скважинной буровой жидкости, содержащей 5 миллиардных долей функционализированной алкоксилированным дичетвертичным аммонием глинистой добавки с и без 20 масс.% хлорида кальция. Дикват имеет состав, при котором R₁ и R₂ включают метил или этиленоксид. Образцы были приготовлены и исследованы на реологические свойства после горячей прокатки при 150ºF в соответствии с инструкциями АНИ. Результаты исследований представлены в Таблице 2.

Таблица 2 PX4907R Концентрация 5 миллиардных
долей         Первоначальный 150F
HR Первоначальный 150F
HR OFI 800 вязкость @ 120ºF         600 Показаний оборотов 18 18 21 27 300 Показаний оборотов 10 9 13 17 200 Показаний оборотов 6 6 8 12 100 Показаний оборотов 4 4 4 7 6 Показаний оборотов 3 2 2 2 3 Показаний оборотов 2 2 2 2           Кажущаяся вязкость, сП 9 9 11 14 Динамическая вязкость, сП 8 9 8 10 Предел текучести, фунт/100 фт² 2 0 5 7

Пример 2 показывает влияние этоксилированного функционализированного бентонитного глинистого материала на вязкость бурового раствора на основе воды с и без хлорида кальция. Функционализированный глинистый материал устойчив к хлориду кальция, как доказано сравнением 6 и 600 показаний оборотов для бурового раствора на основе пресной воды и 6 и 600 показаний оборотов для 20 масс.% хлоркальциевого рассола.

Пример 3

Пример 3 показывает сравнительные результаты по модельной скважинной буровой жидкости, содержащей 10 миллиардных долей бентонита и без 20 масс.% хлорида кальция.

Таблица 3 Соль, масс.% хлорида кальция 0 20 OFI 800 вязкость @ 120ºF после 16 ч ГП при 150ºF 600 Показаний оборотов 23 30 300 Показаний оборотов 12 25 200 Показаний оборотов 9 23 100 Показаний оборотов 7 20 6 Показаний оборотов 4 15 3 Показаний оборотов 4 15 Динамическая вязкость, сП 9 5 Предел текучести, фунт/100 фт² 3 20

Как видно из Таблицы 3, скважинная буровая жидкость, содержащая бентонит в качестве присадки, не обеспечивает по существу постоянный реологический профиль в присутствии хлорида кальция. Доказательством этого служит тот факт, что для свежего водного глинистого раствора показания составляют 6 оборотов в минуту, увеличиваясь от 4 для свежего глинистого раствора до 15 для 20 масс.% раствора хлористого кальция.

Настоящее изложение может быть осуществлено в других специальных видах без отступления от смысла или существенных признаков описания. Таким образом, должна быть сделана ссылка на прилагаемую формулу изобретения, вместо вышеприведенного описания изобретения, как отражающую объем изложения. Несмотря на то, что вышеприведенное описание направлено на предпочтительные варианты осуществления изложения, следует заметить, что другие варианты и модификации будут очевидны для специалистов в данной области техники и могут быть осуществлены без отступления от смысла или существенных признаков описания.

Изобретение относится к жидкостям на водной основе, используемым для бурения нефтяных, газовых и геотермальных скважин в толщах пород, и добавкам для использования в этих жидкостях. Технический результат -повышение степени постоянства реологического профиля по отношению к минерализации. Функционализированный глинистый состав, который является добавкой к буровым растворам, включает: монтмориллонитовую глину и одно или более дичетвертичных аммониевых соединений, имеющих приведенную структурную формулу. Водный буровой раствор содержит воду, до 32 мас.% соли и указанный выше функционализированный глинистый состав. Изобретение развито в зависимых пунктах формулы. 2 н. и 18 з.п. ф-лы, 3 пр., 3 табл.

1. Функционализированный глинистый состав, который является добавкой к буровым растворам, включающий:
монтмориллонитовую глину; и
одно или более дичетвертичных аммонийных соединений, имеющих формулу:

где R₁ включает линейную или разветвленную, насыщенную или ненасыщенную алкильную группу, имеющую от одного до 30 атомов углерода или -(СR₃R₄-СR₅R₆O)_zН, где R₃, R₄, R₅ и R₆ независимо выбраны из группы, состоящей из Н-, СН₃- и СН₃СН₂-, и повторяющееся звено z меняется от нуля до сорока;
R₂ включает R₁ или линейную, или разветвленную, насыщенную или ненасыщенную алкильную группу, имеющую от одного до 30 атомов углерода;
повторяющееся звено у меняется от 2 до 22; и
X^- содержит анион, выбранный из группы, состоящей из хлорида, метилсульфата, ацетата, йодида и бромида, предпочтительно хлорида.

2. Функционализированный глинистый состав по п.1, в котором R₂ выбирают из группы, состоящей из водорода, метила, гексадекана и октадекана или R₁.

3. Функционализированный глинистый состав по п.1, в котором R₂ содержит метил или R₁.

4. Функционализированный глинистый состав по п.1, в котором R₃, R₄, R₅ и R₆ содержат метил или водород.

5. Функционализированный глинистый состав по п.1, в котором R₃, R₄, R₅ и R₆ содержат водород.

6. Функционализированный глинистый состав по п.1, в котором повторяющееся звено z меняется от нуля до 30.

7. Функционализированный глинистый состав по п.1, в котором повторяющееся звено z меняется от нуля до 12.

8. Функционализированный глинистый состав по п.1, в котором повторяющееся звено у меняется от двух до двенадцати.

9. Функционализированный глинистый состав по п.1, в котором повторяющееся звено у меняется от двух до шести.

10. Водный буровой раствор для бурения нефтяных и газовых скважин, содержащий: воду, до 32 мас.% соли и функционализированный глинистый состав, включающий:
монтмориллонитовую глину; и
одно или более дичетвертичных аммонийных соединений, имеющих формулу:

где R₁ включает линейную или разветвленную, насыщенную или ненасыщенную алкильную группу, имеющую от одного до 30 атомов углерода или -(СR₃R₄-СR₅R₆O)_zН, где R₃, R₄, R₅ и R₆ независимо выбраны из группы, состоящей из Н-, СН₃- и СН₃СН₂-, и повторяющееся звено z меняется от нуля до сорока;
R₂ включает R₁ или линейную или разветвленную, насыщенную или ненасыщенную алкильную группу, имеющую от одного до 30 атомов углерода;
повторяющееся звено у меняется от 2 до 22; и
X^- содержит анион, выбранный из группы, состоящей из хлорида, метилсульфата, ацетата, йодида и бромида, предпочтительно хлорида.

11. Водный буровой раствор по п.10, имеющий в значительной степени постоянный реологический профиль в присутствии соли.

12. Водный буровой раствор по п.10, в котором R₂ выбирают из группы, состоящей из водорода, метила, гексадекана и октадекана или R₁.

13. Водный буровой раствор по п.10, в котором R₂ содержит метил или R₁.

14. Водный буровой раствор по п.10, в котором R₃, R₄, R₅ и R₆ содержат метил или водород.

15. Водный буровой раствор по п.10, в котором R₃, R₄, R₅ и R₆ содержат водород.

16. Водный буровой раствор по п.10, в котором повторяющееся звено z меняется от нуля до 30.

17. Водный буровой раствор по п.10, в котором повторяющееся звено z меняется от нуля до 12.

18. Водный буровой раствор по п.10, в котором повторяющееся звено у меняется от двух до двенадцати.

19. Водный буровой раствор по п.10, в котором повторяющееся звено у меняется от двух до шести.

20. Водный буровой раствор по п.10, в котором указанный функционализированный глинистый состав изменяется от 0,874 миллиардных долей до 35 миллиардных долей.