CN108603100B - 黏土稳定剂及使用方法 - Google Patents

Abstract

使用黏土稳定剂来抑制在暴露于水时黏土地下材料的溶胀和/或迁移的方法，其中该黏土稳定剂选自根据式I、式II、式III、式IV、式V的季铵盐及其组合。

Description

黏土稳定剂及使用方法

相关申请的交叉引用

本申请根据35U.S.C.§119(e)要求于2016年1月26日提交的美国临时申请序列号62/287,147的优先权的权益，将所述申请的全部披露内容通过援引方式并入本申请。

背景技术

从地下地层中采出烃常常受到黏土及其他细料(fines)的存在的影响，这些黏土及其他细料可能迁移并堵塞或限制烃产品的流动。细料在地下地层中的迁移常常是由引入非地层所原有的液体而使黏土溶胀、盐溶解和/或细料扰动的结果。典型地，为了通过例如钻井、压裂、酸化、或稳定井完成和/或处理地层以增产烃的目的，将此类外来液体(例如钻井液、压裂液、或稳定液)引入该地层。

减少由引入外来液体以及地层组分的溶胀和迁移造成的损伤效应的尝试已包括将一种或多种不同的页岩水化抑制剂和/或稳定剂加入此类外来液体中。这些以在黏土晶格中用阳离子物种取代钠离子的原理起作用。总体上选择这些阳离子物种使得其水化半径小于钠离子的水化半径。据信，页岩水化抑制剂和稳定剂的分子与水分子竞争反应性位点。因此，在它们与地层接触时使溶胀和迁移的可能性最小化。其结果是，减少了地层分解的可能性并且抑制了溶胀。

已经广泛地使用氯化钾作为页岩抑制剂/黏土稳定剂。在增产方法中，氯化钾常常被用作预冲洗剂和/或被添加到水性增产方法中以便使黏土转化为较少可溶胀的形式。虽然此类盐减少了地层渗透性的降低，但它们对于外来液体的其他成分的性能常常是不利的。此类盐进一步产生环境上不可接受的高氯化物水平。氯化胆碱也已经被用作黏土稳定剂，但只提供了暂时的黏土保护并且可能在随后的酸或淡水进入过程中被冲掉。期望该技术领域内的改进。

发明内容

在某些实施例中，提供了一种用于在钻井过程中抑制黏土地下材料的溶胀和/或迁移的方法。在其他实施例中，提供了一种用于抑制在地下地层的钻井过程中遇到的黏土地下材料的溶胀和/或迁移的方法。在附加的实施例中，提供了一种用于在采出过程中抑制黏土地下材料的溶胀和/或迁移的方法。在某些实施例中，提供了一种用于从含石油的地下地层开采石油的方法。在一些实施例中，将地下地层预先水力压裂并预先开采石油。

附图说明

图1提供了CST比率的比较。

图2提供了在加热之前和之后的CST比率的比较。

图3是稳定剂浓度对CST比率的影响的研究。

图4是过滤时间测量研究。

具体实施方式

总体上，本披露的主题涉及使用黏土稳定剂来抑制在暴露于水时黏土地下材料的溶胀和/或迁移的方法。在实施例中，该黏土稳定剂选自以下项：根据

式I：

式II：

式III：

式IV：

式V：

的季铵盐及其组合，其中，对于每个式独立地：

R₁、R₂和R₃相同或不同并且是氢、从1至约3个碳原子的烷基或羟烷基，

R₄是饱和或不饱和的、直链或支链的从1至约3个碳原子的烷基、羟烷基或烷氧基化的烷基，

R₅是直链或支链的脂肪族的、烯属的或芳香族的从1至约12个碳原子的烃基或羟烷基，或单胺、二胺、或多元胺，或单酰胺、二酰胺、或聚酰胺，

R₆和R₇相同或不同并且是氢，或直链或支链的脂肪族的、烯属的或芳香族的从1至约12个碳原子的烃基或羟烷基，或单胺、二胺、或多元胺，或单酰胺、二酰胺、或聚酰胺，

R₈是直链或支链的脂肪族的、烯属的或芳香族的从1至约12个碳原子的烃基或羟烷基，或单胺、二胺、或多元胺，或单酰胺、二酰胺、或聚酰胺，

R₉和R₁₀相同或不同并且是饱和或不饱和的、直链或支链的从1至约3个碳原子的烷基、羟烷基或烷氧基化的烷基，

R₁₁、R₁₂、R₁₃、R₁₄、R₁₅、和R₁₆相同或不同并且是氢、从1至约3个碳原子的烷基或羟烷基，并且

X^-是一价无机阴离子或衍生自C_2-6羧酸的有机羧酸阴离子；及其组合。

在实施例中，该黏土稳定剂包括根据式I的季铵盐，其中R₅是直链或支链的从1至约12个碳原子的烷基或烯基。

在实施例中，该黏土稳定剂包括根据式II的季铵盐，其中R₆和R₇相同或不同并且是直链或支链的从1至12个碳原子的烷基或烯基。

如在此使用的，术语“黏土稳定配制品”指的是能够将黏土稳定剂递送到地下地层中的组合物。例如，该黏土稳定配制品可以与单独的钻井液、钻井完井液、完井液、增产液、压裂液、酸化液、补救液、阻垢液、循环液、砾石充填液等等一起使用或本身可以是任何前述液体。此类液体可能含有增加该液体的黏度的胶凝剂。在某些说明性实施例中，该黏土稳定剂还可以在固井液(如水泥浆或水泥隔离液)中使用。在优选的实施例中，该黏土稳定剂夹带在水性液体中。在其他实施例中，该黏土稳定剂可以作为固体材料供使用而没有溶解或夹带在水性液体中。在某些实施例中，该黏土稳定配制品展示了酸性、碱性或中性的pH，如在从约1至11范围内的那些，并且可以与具有酸性、碱性或中性的pH的水性液体一起使用。

当与水性液体结合以给予水性黏土稳定配制品时，该黏土稳定剂能够减少或基本上消除由黏土地下材料造成的对地层的损害。该黏土稳定剂的存在消除或减少了与黏土稳定配制品接触时黏土地下材料溶胀或分解/迁移的倾向。

作为非限制性实例，酸化是用于通过将含有反应性酸的溶液引入地层中以扩大通道并改进渗透性来改进采出的增产技术。在沙岩地层中，酸使孔扩大，而在碳酸盐地层中，酸溶解整个基体。然而，酸化可能产生迁移、导致堵塞并且降低采出的性能的细料。将本披露的黏土稳定配制品添加到酸处理液中帮助预防这些细料迁移并改进酸化步骤的效率。

尽管讨论了具体实施例，但是说明书仅是说明性的并且不是限制性的。在回顾本说明书时，本披露的许多变体对于本领域技术人员将变得显而易见。

除非以其他方式定义，否则在此使用的所有技术和科学术语具有与由本说明书涉及的领域中的技术人员通常理解的相同的含义。

如在本说明书和权利要求书中使用的，单数形式“一个/种(a/an)”和“该(the)”包括复数指示物，除非上下文另外清楚地指出。

如在此使用的，并且除非另外指明，术语“约”或“近似地”是指如由本领域普通技术人员确定的特定值的可接受的误差，其部分取决于如何测量或确定该值。在某些实施例中，术语“约”或“近似地”是指在1、2、3、或4个标准差内。在某些实施例中，术语“约”或“近似地”是指在给定的值或范围的50％、20％、15％、10％、9％、8％、7％、6％、5％、4％、3％、2％、1％、0.5％、或0.05％内。

另外，应理解在此列举的任何数值范围旨在包括包含于其中的全部子范围。例如，“1至10”的范围旨在包括在并且包括所列举的最小值1与所列举的最大值10之间的全部子范围；即，具有等于或大于1的最小值和等于或小于10的最大值。因为这些披露的数值范围是连续的，所以它们包括在最小值与最大值之间的每个值。除非另外清楚地指明，否则在本申请中指定的各种数值范围是近似值。

术语“地下地层”包括暴露的地表下面的区域以及被水(如海洋或淡水)覆盖的地表下面的区域两者。

术语“黏土地下材料”包括砂和/或黏土，其在外来水性井处理液(如钻井液、增产液、砾石充填液等)的存在下，溶胀、分散、分解或以其他方式被破坏，由此展示本体体积的增加。该术语还包括那些砂和/或黏土，其分散、分解或以其他方式被破坏而没有实际溶胀。例如，在外来水性井处理液的存在下，膨胀并可能通过变得疏松被破坏，由此产生迁移到井孔中的颗粒的黏土应该也被该术语包括。

可以有效地用黏土稳定剂配制品处理的黏土地下材料可以具有不同的形状，比如像微小的板状、管状和/或纤维状具有非常大的表面积的颗粒。实例包括蒙脱石(绿土)族如蒙脱石、皂石、绿脱石、锂蒙脱石和锌蒙脱石，高岭土族如高岭石、珍珠陶土、地开石、以及埃洛石，水云母族如水黑云母、海绿石、伊利石和钠伊利石，绿泥石族如绿泥石和鲕绿泥石的黏土矿物；不属于以上族的黏土矿物如蛭石、绿坡缕石和海泡石；以及此类黏土矿物和族的混合层种类。其他矿物组分可进一步与黏土关联，例如但不限于硅石、铁矿物、碱土金属碳酸盐、长石、黑云母、及其混合物。

在某些实施例中，提供了一种用于在钻井过程中抑制黏土地下材料的溶胀和/或迁移的方法。该方法包括用钻井液钻井孔，该钻井液包括选自根据式I、式II、式III、式IV、式V的季铵盐及其组合的黏土稳定剂。

在其他实施例中，提供了一种用于抑制在地下地层的钻井过程中遇到的黏土地下材料的溶胀和/或迁移的方法。该方法包括在地下地层中循环基于水的井处理液，该井处理液包括水性连续相和选自根据式I、式II、式III、式IV、式V的季铵盐及其组合的黏土稳定剂。

在附加的实施例中，提供了一种用于在采出过程中抑制黏土地下材料的溶胀和/或迁移的方法。该方法包括用循环液使采出液循环通过井孔，该循环液包括选自根据式I、式II、式III、式IV、式V的季铵盐及其组合的黏土稳定剂。

在某些实施例中，提供了一种用于从含石油的地下地层开采石油的方法。该方法包括提供加压的基于水的井处理液通过第一井孔，该井处理液包括水性连续相和选自根据式I、式II、式III、式IV、式V的季铵盐及其组合的黏土稳定剂，并且通过第二井孔从该地下地层中回收石油。在某些实施例中，将地下地层预先水力压裂并预先开采石油。

总体上，该黏土稳定剂以足够减少黏土地下材料的基于表面水化的溶胀和/或基于渗透的溶胀的任一者或两者的量存在于黏土稳定配制品中。存在于具体的黏土稳定配制品中的黏土稳定剂的精确量可以通过测试遇到的黏土稳定配制品和黏土地层的结合的试错法来确定。在一个实施例中，在黏土稳定配制品中使用的本披露的黏土稳定剂的量的范围是从约0.25加仑/千加仑至约5加仑/千加仑(“gpt”)的黏土稳定配制品。在另一个实施例中，在黏土稳定配制品中的稳定剂的量是至少0.5加仑/千加仑。在还另一个实施例中，存在于粘土稳定配制品中的黏土稳定剂的量的范围是黏土稳定配制品的按体积计从约0.05％至约0.5％。

当存在时，在本披露的液体中使用的水可以是淡水、盐水、或其混合物。术语“盐水”在此用于意指包括卤水(brine)和海水的不饱和盐水或饱和盐水。

在另一个实施例中，该黏土稳定配制品任选地包含一种或多种常规的添加剂。此类添加剂的实例包括但不限于胶凝材料、稀释剂、液体损失控制剂、包封剂、杀菌剂、破胶剂、发泡剂、铁控制剂、稳定剂、润滑剂、渗透率增强剂、消泡剂、腐蚀抑制剂、堵漏液(lostcirculation fluid)、防钻头泥包剂(anti-bit balling agent)、中和剂、pH缓冲剂、表面活性剂、支撑剂、以及用于砾石充填的砂。

胶凝材料的实例包括但不限于膨润土、海泡石黏土、绿坡缕石黏土、阴离子高分子量聚合物和生物聚合物。

稀释剂的实例包括但不限于木素硫酸盐、改性的木素硫酸盐、多磷酸盐、单宁酸、以及低分子量的聚丙烯酸盐。

液体损失控制剂的实例包括但不限于合成有机聚合物、生物聚合物及其混合物、改性的褐煤聚合物、改性淀粉以及改性纤维素。

包封剂的实例包括但不限于合成材料、有机材料、无机材料、生物聚合物或其混合物。该包封剂性质上可以是阴离子、阳离子或非离子的。

将通过参考以下实例来进一步说明本披露。以下实例仅是说明性的并且不旨在是限制性的。除非另外指明，否则所有百分比均是按总组合物的重量计。

实例1-毛细管抽吸时间(CST)比率测量。

将参考液体和浆料混合物的CST值测量至少三次，并且使用平均CST值计算CST比率(CST_浆料/CST_参考)。CST比率的测量有益于使仅液体效应打折扣。小的CST比率意指出现较少溶胀并且它直接取决于黏土稳定剂的性能。展示小于3.0的CST比率的黏土稳定剂是优选的。

通过将等级17CHR纤维素层析纸放置在下板上并且将上板降低到位，为每次CST测量准备了毛细管抽吸时间单元(OFITE 294-50)。将不锈钢漏斗(直径1cm)放置到上板的中心的孔中。将计时器重置为零。

通过将去离子水与以下黏土稳定剂结合来制备参考液体(100mL)：

表1.参考液体。

每种参考液体的CST是通过将3mL的参考液体经由移液管快速递送到不锈钢漏斗中单独地测量。当该液体迁移离开样品时，它通过与内环电接触来触发计时器。该液体继续向外迁移。当该液体接触外环时该计时器自动停止。记录了每个样品的时间(以秒计)，然后清理计时器并重置为零。将样品一式三份进行测试并平均时间(“CST_参考”)。

浆料液体是通过将5克的岩石粉末样品(其包含4.6克的硅砂和0.4克的未经处理的膨润土)和50mL的参考液体添加到100mL烧杯中来制备的。摇动该浆料以混合并允许静置60分钟用于平衡。

单独测量每种浆料液体的CST。摇动该浆料并将3.2mL快速倒入该漏斗。记录每个样品的时间。将样品测试至少三次并平均时间(“CST_浆料”)。

为了比较基于甜菜碱的候选物的性能，还测量了常见的黏土稳定剂氯化胆碱和氯化钾的CST比率。1克/千(gpt)氯化胆碱展示了2.44的CST比率并且2％KCl展示了3.7的CST比率。比较起来，1gpt甜菜碱甲基酯氯化物展示了1.21的CST比率，并且酰胺和HCl型式也展示了小于2，比1gpt氯化胆碱和2％KCl小的CST比率。因此，这些基于甜菜碱的候选物展示了比氯化胆碱和KCl更好的黏土稳定性能。(图1)。

还研究了升高的温度对黏土稳定性能的影响。在该浆料在60℃下加热1天后测量CST比率。氯化胆碱(1gpt)展示了2.37的CST比率，这不代表误差范围内的任何变化。虽然对于甜菜碱甲基酯氯化物(0.9gpt)该CST比率在热量暴露后增加至1.96，它仍然在优选的性能范围内(比率低于3.0)。(图2)。

还研究了黏土稳定剂浓度的影响。制备并分析了含有0.8gpt和0.4gpt的盐酸甜菜碱黏土稳定剂的浆料。即使在这些较低的载荷下，所有样品均显示小于3.0的CST比率。(表2和图3)。

表2.CST比率测量的总结。

实例2–过滤时间测量。

还通过比较在去离子水中包含黏土稳定剂的浆料样品的过滤时间减少与包含去离子水而无黏土稳定剂的浆料样品的过滤时间减少来评估黏土稳定剂性能。通过使5克的岩石粉末样品(其包含4.6克的硅砂和0.4克的未经处理的膨润土)与100mL的水(有或没有黏土稳定剂)在Waring共混器中结合并在低速下将该结合物混合5分钟来制备浆料样品。然后使该混合物通过Whatman#2滤纸。作为时间的函数记录滤液体积。

如图4中所示，当与不含黏土稳定剂的浆料相比较时，将氯化胆碱(1gpt)添加到该浆料使过滤时间减少了25％。出人意料地，当与不含黏土稳定剂的浆料相比较时，将甜菜碱甲基酯氯化物(0.9gpt)添加到该浆料使过滤时间减少了56％；添加DMAPA盐酸甜菜碱(1gpt)使过滤时间减少了52％；并且添加DETA、TETA、TEPA盐酸甜菜碱(全部1gpt)使过滤时间减少了67％。

基于以上结果，本披露的基于甜菜碱的黏土稳定剂提供了比氯化胆碱和氯化钾更有效的粘土稳定性能。

所披露的主题已经参考其具体实施例的具体细节进行描述。此类细节不旨在被认为是对所披露的主题的范围的限制，除非它们被包括在所附权利要求书的范围内。

因此，在此描述的示例性实施例很好地进行适配以便达到提及的目的和优点以及其中固有的那些。以上披露的具体实施例仅仅是说明性的，因为在此描述的示例性实施例可以以受益于在此的传授内容的对本领域技术人员明显的、不同但等效的方式进行修改和实践。此外，除了如在下面的权利要求中描述的，并不旨在对在此示出的结构或设计的细节有所限制。因此明显的是可以改变、结合或修改以上披露的具体的说明性实施例并且全部的此类变化被认为在在此描述的示例性实施例的范围和精神内。可以在不存在没有在此具体披露的任何元素和/或在此披露的任何任选元素的情况下适当地实践在此说明性地披露的在此描述的示例性实施例。虽然组合物和方法是以“包含(comprising)”、“含有(containing)”或“包括(including)”各种组分或步骤描述的，这些组合物和方法还可以“基本上由以下各项组成”或“由以下各项组成”：这些各种组分、物质和步骤。如在此使用的，术语“基本上由以下各项组成”应该理解为意在包括所列出的组分、物质或步骤以及不实质性地影响该组合物或方法的基本和新颖特性的这样的额外的组分、物质或步骤。在一些实施例中，根据本披露的实施例的“基本上由以下各项组成”的组合物：所列举的组分或物质，不包括改变该组合物的基本和新颖特性的任何额外的组分或物质。如果在本说明书以及可通过援引的方式并入本申请中的一个或多个专利或其他文献中存在词或术语的使用上的任何冲突，应采用与本说明书一致的定义。

Claims (13)

1.一种用于在钻井过程中抑制黏土地下材料的溶胀和/或迁移的方法，该方法包括用钻井液钻井孔，该钻井液包含选自下组的黏土稳定剂，该组由以下各项组成：根据

式II：

式IV：

的季铵盐及其组合，其中，对于每个式独立地：

R₁、R₂和R₃相同或不同并且是从1至3个碳原子的烷基或羟烷基，

R₄是饱和的、直链或支链的从1至3个碳原子的亚烷基，

R₆和R₇相同或不同并且是氢，或直链或支链的脂肪族的、烯属的或芳香族的从1至12个碳原子的烃基或羟烷基，或单胺、二胺、或多元胺，或单酰胺、二酰胺、或聚酰胺，

R₈是直链或支链的从1至12个碳原子的亚烷基，

R₉是饱和的、直链或支链的从1至3个碳原子的亚烷基，

R₁₀、R₁₁和R₁₂相同或不同并且是从1至3个碳原子的烷基或羟烷基，并且

X^-是一价无机阴离子或衍生自C_2-6羧酸的有机羧酸阴离子；及其组合。

2.如权利要求1所述的方法，其中，这些黏土地下材料选自下组，该组由以下各项组成：蒙脱石、皂石、绿脱石、高岭石、珍珠陶土、地开石、埃洛石、水黑云母、海绿石、伊利石、绿泥石、蛭石、绿坡缕石、海泡石及其组合。

3.如权利要求1所述的方法，其中，所述黏土地下材料选自下组，该组由以下各项组成：锂蒙脱石、锌蒙脱石、钠伊利石、鲕绿泥石及其组合。

4.如权利要求1所述的方法，其中，该钻井液进一步包含一种或多种选自下组的添加剂，该组由以下各项组成：杀菌剂、液体损失控制剂、及其组合。

5.一种用于抑制在地下地层的钻井过程中遇到的黏土地下材料的溶胀和/或迁移的方法，该方法包括在该地下地层中循环基于水的井处理液，该井处理液包含水性连续相和选自下组的黏土稳定剂，该组由以下各项组成：根据式II：

式IV：

的季铵盐及其组合，其中，对于每个式独立地：

R₁、R₂和R₃相同或不同并且是从1至3个碳原子的烷基或羟烷基，

R₄是饱和的、直链或支链的从1至3个碳原子的亚烷基，

R₆和R₇相同或不同并且是氢，或直链或支链的脂肪族的、烯属的或芳香族的从1至12个碳原子的烃基或羟烷基，或单胺、二胺、或多元胺，或单酰胺、二酰胺、或聚酰胺，

R₈是直链或支链的从1至12个碳原子的亚烷基，

R₉是饱和的、直链或支链的从1至3个碳原子的亚烷基，

R₁₀、R₁₁和R₁₂相同或不同并且是从1至3个碳原子的烷基或羟烷基，并且

X^-是一价无机阴离子或衍生自C_2-6羧酸的有机羧酸阴离子；及其组合。

6.如权利要求5所述的方法，其中，该基于水的井处理液包含淡水、盐水、或其混合物。

7.如权利要求5所述的方法，其中，该基于水的井处理液是酸性的。

8.如权利要求5所述的方法，其中，该基于水的井处理液进一步包含一种或多种选自下组的添加剂，该组由以下各项组成：液体损失控制剂、稳定剂、堵漏液、及其组合。

9.一种用于在采出过程中抑制黏土地下材料的溶胀和/或迁移的方法，该方法包括用循环液使采出液循环通过井孔，该循环液包括选自下组的黏土稳定剂，该组由以下各项组成：根据

式II：

式IV：

的季铵盐及其组合，其中，对于每个式独立地：

R₁、R₂和R₃相同或不同并且是从1至3个碳原子的烷基或羟烷基，

R₄是饱和的、直链或支链的从1至3个碳原子的亚烷基，

R₆和R₇相同或不同并且是氢，或直链或支链的脂肪族的、烯属的或芳香族的从1至12个碳原子的烃基或羟烷基，或单胺、二胺、或多元胺，或单酰胺、二酰胺、或聚酰胺，

R₈是直链或支链的从1至12个碳原子的亚烷基，

R₉是饱和的、直链或支链的从1至3个碳原子的亚烷基，

R₁₀、R₁₁和R₁₂相同或不同并且是从1至3个碳原子的烷基或羟烷基，并且

X^-是一价无机阴离子或衍生自C_2-6羧酸的有机羧酸阴离子；及其组合。

10.如权利要求9所述的方法，其中，该循环液进一步包含一种或多种选自下组的添加剂，该组由以下各项组成：杀菌剂、润滑剂、防钻头泥包剂、铁控制剂、消泡剂、堵漏液、及其组合。

11.一种用于从含石油的地下地层中开采石油的方法，该方法包括提供加压的基于水的井处理液通过第一井孔，该井处理液包含水性连续相和选自下组的黏土稳定剂，该组由以下各项组成：根据

式II：

式IV：

的季铵盐及其组合，其中，对于每个式独立地：

R₁、R₂和R₃相同或不同并且是从1至3个碳原子的烷基或羟烷基，

R₄是饱和的、直链或支链的从1至3个碳原子的亚烷基，

R₆和R₇相同或不同并且是氢，或直链或支链的脂肪族的、烯属的或芳香族的从1至12个碳原子的烃基或羟烷基，或单胺、二胺、或多元胺，或单酰胺、二酰胺、或聚酰胺，

R₈是直链或支链的从1至12个碳原子的亚烷基，

R₉是饱和的、直链或支链的从1至3个碳原子的亚烷基，

R₁₀、R₁₁和R₁₂相同或不同并且是从1至3个碳原子的烷基或羟烷基，并且

X^-是一价无机阴离子或衍生自C_2-6羧酸的有机羧酸阴离子；及其组合；并且通过第二井孔从该地下地层中回收石油。

12.如权利要求11所述的方法，其中，该基于水的井处理液包含淡水、盐水、或其混合物。

13.如权利要求11所述的方法，其中，该基于水的井处理液进一步包含一种或多种选自下组的添加剂，该组由以下各项组成：胶凝剂、支撑剂、pH缓冲剂、表面活性剂、用于砾石充填的砂、渗透率增强剂、腐蚀抑制剂、破胶剂、及其组合。

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