DE112022003437T5

DE112022003437T5 - Direktemulsionsbohrspülung

Info

Publication number: DE112022003437T5
Application number: DE112022003437.8T
Authority: DE
Inventors: Lynn Michelle Foster; Jeremy Smith; Dimitri M. Khramov
Original assignee: Schlumberger Technology BV
Current assignee: Schlumberger Technology BV
Priority date: 2021-07-07
Filing date: 2022-07-07
Publication date: 2024-05-16
Also published as: WO2023283346A1; US20230011243A1

Abstract

In dieser Schrift sind Bohrspülmischungen beschrieben, die stabile Öl-in-Wasser-Emulsionen sind. Darüber hinaus werden Tensidpakete zum Stabilisieren solcher Emulsionen beschrieben. Die Tensidpakete verwenden ein Alkyletheranion, das einen Alkylabschnitt, eine anionische Kopfgruppe und einen Etherabschnitt zwischen dem Alkylabschnitt und der anionischen Kopfgruppe umfasst.

Description

QUERVERWEIS AUF VERWANDTE ANMELDUNGEN
Die vorliegende Patentanmeldung beansprucht den Vorteil und die Priorität der vorläufigen US-Patentanmeldung Nr. 63/203073 , eingereicht am 7. Juli 2021, die hiermit per Verweis vollständig aufgenommen wird.
GEBIET
Diese Anmeldung betrifft stabile Emulsionen, die als Bohrspülungen verwendet werden. Insbesondere betrifft diese Anmeldung Verfahren und Zusammensetzungen zum Stabilisieren von Öl-in-Wasser-Emulsionen zur Verwendung in bohrgeologischen Formationen mit Salzkomponenten sowohl im vertikalen als auch im lateralen Abschnitt einer Öl oder Gas enthaltenden unterirdischen Formation.
ALLGEMEINER STAND DER TECHNIK
Direktemulsion-ÖI-in-Wasser-Bohrspülungen werden beim Bohren durch Salzformationen verwendet, können aber auch für die gesamte Länge des Bohrlochs von der Oberfläche über die vertikalen Abschnitte bis zu den lateralen Abschnitten eingesetzt werden. Die äußere Phase einer Direktemulsion ist eine wässrige Phase, die aus reinem Wasser oder einer wässrigen Salzlösung verschiedener Konzentrationen bestehen kann. Eine Direktemulsion mit einer wässrigen Salzlösung als äußerer Phase weist eine geringere Dichte als eine reine Salzsole auf. Gesättigte Salzsole, wie etwa NaCl, wird bei Bohrungen durch Salzformationen verwendet, da gesättigte Sole das Salz nicht aus der Formation löst und somit Schäden an der Formation verringert oder verhindert, wenn die Formation viel Salz enthält. Die Verwendung einer umgekehrten Emulsion (Wasser-in-Öl) kann zwar die Dichte der Bohrspülung weiter verringern, aber umgekehrte Emulsionssysteme sind weniger tolerant gegenüber Formationen, in denen große Wasserzuflüsse zu erwarten sind.
Aufgrund des hohen Salzgehalts und des Vorhandenseins mehrwertiger Kationen sind viele Tenside, die direkte Öl-in-Wasser-Emulsionen bilden, nicht zur Verwendung in salzhaltigen Formationen geeignet. Dodecylbenzolsulfonat (eine typische Geschirrspülseife) und verschiedene Fettsäuren können beispielsweise in Umgebungen mit hohem Salzgehalt und variablen Temperaturen einer unerwünschten Phaseninversion unterliegen. Es wird erwartet, dass Bohrspülungen auf der Basis von Direktemulsionen von Temperaturen bei oder unter dem Gefrierpunkt von Wasser bis zu etwa 150-200 °F (erwartete Temperatur im Bohrloch) durchgängig Wasser führen und trotz großer Wasser- oder Salzwasserzuflüsse funktionieren.
Herkömmliche Direktemulsionsbohrspülungen werden mit einer Kombination aus Tensiden und Polymeren stabilisiert. 1A ist ein schematisches Flüssigkeitsvolumendiagramm, das eine instabile Emulsion veranschaulicht. In einem Behälter 100 befindet sich ein Flüssigkeitsvolumen 102, das sich in eine erste Phase 104 und eine zweite Phase 106 getrennt hat. 1B ist ein schematisches Flüssigkeitsvolumendiagramm, das eine stabile Emulsion veranschaulicht. In dem Behälter 100 befindet sich ein Flüssigkeitsvolumen 110, das aus einer einzigen Phase besteht und keine Phasentrennung aufweist. Die Figuren, die schematische Flüssigkeitsvolumina zeigen, sind Darstellungen von Fotos von Flüssigkeitsvolumina in Behältern und wie sich diese Flüssigkeitsvolumina trennen oder stabil bleiben.
Das zum Stabilisieren der Emulsion verwendete Polymer kann bei Kalkeinwirkung eine Viskositätserhöhung bewirken, und die Viskosität der wässrigen kontinuierlichen Phase kann durch Lufteinschluss zur Schaumbildung führen. Die eingeschlossene Luft kann auch bei einigen Geräten Korrosion verursachen. Bestehende Tenside allein reichen nicht aus, um Direktemulsionssysteme zu stabilisieren. Daher wird das Polymer als notwendiger Bestandteil herkömmlicher Systeme angesehen. Ein Reduzieren der Polymerkonzentration im System, um den Viskositätsanstieg und die Lufteinschlüsse zu steuern, wirkt sich nachteilig auf die Emulsionsstabilität aus. Es besteht ein Bedarf an Tensidsystemen, die Direktemulsionsbohrspülungen zur Verwendung in Umgebungen mit hohem Salzgehalt über einen weiten Temperaturbereich stabilisieren können, ohne einen Viskositätsanstieg und Aufschäumen zu verursachen.
KU RZDARSTELLU NG
Die in dieser Schrift beschriebenen Ausführungsformen stellen eine Bohrspülung bereit, die eine Emulsion aus einer wässrigen Phase, entweder reines Wasser oder eine wässrige Salzlösung mit unterschiedlicher Salzzusammensetzung und -konzentration, und einem Öl umfasst, wobei die Emulsion mit einem Alkyletheranion-Tensidpaket stabilisiert wird.
Weitere Ausführungsformen in dieser Schrift stellen ein Tensidpaket zum Stabilisieren einer Öl-in-Wasser-Emulsion bereit, wobei das Tensidpaket ein Alkyletheranion mit der folgenden allgemeinen Formel umfasst: CH₃-(CH)_i-(CH₂)_j-(CH)_k-(CH₂)_l-(CR¹R²)_m-(CR³R⁴)_n-(CH)_o-(CH₂)_p-(CH)_q- (CR⁵R⁶)_r-(CR⁷R⁸)_s-(CH)_t-(CH₂)_u-(CR⁹R¹⁰O)_v-Z wobei i, j, k, l, m, n, o, p, q, r, s, t, u und v ganze Zahlen sind, i+j+k+l+m+n+o+p+q+r+s+t+u+v 4 bis 30 ist, m+n+r+s 0 bis 2 ist, i+k+o+q+t 0 bis 2 ist, v 5 bis 30 ist, und R¹, R², R⁵ und R⁶ jeweils unabhängig voneinander Wasserstoff, Hydrocarbyl mit 1 bis 10 Kohlenstoffatomen, alkoholhaltige Gruppen oder Ether- oder Polyethergruppen sind, R³, R⁴, R⁷ und R⁸ jeweils unabhängig voneinander in jedem Fall Kohlenwasserstoffgruppen mit 1 bis 10 Kohlenstoffatomen und höchstens einer Kohlenstoff-Kohlenstoff-Doppelbindung sind, R⁹ und R¹⁰ jeweils unabhängig voneinander in jedem Fall Wasserstoff, Methylgruppen oder Ethylgruppen sind und Z eine anionische Kopfgruppe ist.
Weitere in dieser Schrift beschriebene Ausführungsformen stellen ein Verfahren bereit, das Erlangen einer Bohrspülung, die eine Emulsion eines in einer wässrigen Phase dispergierten Öls umfasst, wobei die Emulsion unter Verwendung eines Alkylätheranion-Tensidpakets stabilisiert wird; und Bohren eines Bohrlochs in eine geologische Formation mit salzhaltigen Komponenten unter Verwendung der Bohrspülung umfasst.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

1A ist ein schematisches Flüssigkeitsvolumendiagramm, das eine instabile Emulsion veranschaulicht.
1B ist ein schematisches Flüssigkeitsvolumendiagramm, das eine stabile Emulsion veranschaulicht.
2 ist ein schematisches Flüssigkeitsvolumendiagramm, das eine teilweise stabile Emulsion veranschaulicht.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
In der folgenden Beschreibung sind zahlreiche Details aufgeführt, um ein Verständnis der vorliegenden Offenbarung zu ermöglichen. Für einen Fachmann versteht es sich jedoch, dass die Verfahren der vorliegenden Offenbarung ohne diese Details ausgeführt werden können und dass zahlreiche Variationen oder Modifikationen der beschriebenen Ausführungsformen möglich sein können.
Zu Beginn sei darauf hingewiesen, dass bei der Entwicklung derartiger tatsächlicher Ausführungsformen zahlreiche implementationsspezifische Entscheidungen getroffen werden, um die spezifischen Ziele der Entwickler zu erfüllen, etwa die Einhaltung systembezogener Einschränkungen, die je nach Implementierung unterschiedlich sind. Darüber hinaus versteht es sich, dass derartige Entwicklungsbestrebungen zwar komplex und zeitaufwändig sein können, jedoch trotzdem für Durchschnittsfachleute mit dem Vorteil dieser Offenbarung ein routinemäßiges Unterfangen darstellen. Darüber hinaus kann die in dieser Schrift verwendete/offenbarte Zusammensetzung auch noch andere als die genannten Komponenten umfassen. In der Zusammenfassung der Offenbarung und dieser detaillierten Beschreibung sollte jeder numerische Wert einmal als durch den Begriff „etwa“ modifiziert gelesen werden (sofern nicht bereits ausdrücklich so modifiziert) und dann noch einmal als nicht auf diese Weise modifiziert gelesen werden, sofern im Kontext nicht anderweitig angegeben. Der Begriff „etwa“ sollte als jede Menge oder jeder Bereich innerhalb von 10 % der angegebenen Menge oder des genannten Bereichs verstanden werden (beispielsweise umfasst ein Bereich von etwa 1 bis etwa 10 einen Bereich von 0,9 bis 11). Auch versteht es sich in der Zusammenfassung und dieser detaillierten Beschreibung, dass ein als sinnvoll, geeignet oder dergleichen aufgelisteter oder beschriebener Konzentrationsbereich ausdrücken soll, dass jede Konzentration innerhalb des Bereichs einschließlich der Endpunkte als angegeben anzusehen ist. Beispielsweise ist „ein Bereich von 1 bis 10“ so zu lesen, dass er jede mögliche Zahl entlang des Kontinuums zwischen etwa 1 und etwa 10 angibt. Darüber hinaus können ein oder mehrere der Datenpunkte in den vorliegenden Beispielen miteinander kombiniert werden oder mit einem der Datenpunkte in der Patentschrift kombiniert werden, um einen Bereich zu erstellen und somit jeden möglichen Wert oder jede mögliche Zahl innerhalb dieses Bereichs einzuschließen. Selbst wenn also bestimmte Datenpunkte innerhalb des Bereichs oder sogar keine Datenpunkte innerhalb des Bereichs ausdrücklich genannt werden oder sich auf einige wenige bestimmte beziehen, ist es so zu verstehen, dass die Erfinder davon ausgehen und verstehen, dass alle Datenpunkte innerhalb des Bereichs als spezifiziert zu betrachten sind und dass die Erfinder Kenntnis von dem gesamten Bereich und den Punkten innerhalb des Bereichs hatten.
Wie in dieser Schrift verwendet, bezieht sich „Ausführungsformen“ auf in dieser Schrift offenbarte, nicht einschränkende Beispiele, unabhängig davon, ob sie beansprucht werden oder nicht, die allein oder in beliebiger Kombination oder Permutation mit einer oder mehreren anderen Ausführungsformen verwendet werden oder vorhanden sein können. Jede in dieser Schrift offenbarte Ausführungsform sollte sowohl als zusätzliches Merkmal betrachtet werden, das mit einer oder mehreren anderen Ausführungsformen verwendet werden kann, als auch als Alternative, die separat oder anstelle einer oder mehrerer anderer Ausführungsformen verwendet werden kann. Es versteht sich, dass damit keine Einschränkung des Schutzumfangs des beanspruchten Gegenstands beabsichtigt ist. Alle Änderungen und weiteren Modifikationen der dargestellten Ausführungsformen sowie alle weiteren Anwendungen der darin dargestellten Anwendungsprinzipien, die einem Fachmann auf dem Gebiet, auf das sich die Offenbarung bezieht, normalerweise einfallen würden, werden in dieser Schrift in Betracht gezogen.
In dieser Schrift sind Additivsysteme zum Stabilisieren von salzhaltigen Direktemulsionsbohrspülungen, ohne dass Polymere verwendet werden, die zu einem unerwünschten Aufschäumen führen können, beschrieben. Salzhaltige Direktemulsionsbohrspülungen, die unter Verwendung der in dieser Schrift beschriebenen Systemen stabilisiert werden, bleiben in Umgebungen mit hohem Salzgehalt und Wassereinwirkung bei Temperaturen nahe dem Gefrierpunkt einer gesättigten Salzlösung bis zu 200°F Direktemulsionen mit einer kontinuierlichen wässrigen Phase. Diese Additivsysteme stützen sich auf Alkylethercarboxylat-, Sulfonat- oder Phosphatanionen zum Stabilisieren der ÖI-Wasser-Grenzfläche. Die Anionen können durch Zugabe von Säuren zur wässrigen Salzphase zusammen mit einem basischen Neutralisierungsreagenz oder -material wie NaOH, Triethylamin oder Soda (eine Quelle für NaOH) erlangt werden. Beispielsweise können Alkylethercarbonsäuren, Alkylethersulfonsäuren und Alkyletherphosphorsäuren zu einer gesättigten NaCl-Lösung gegeben werden, um Alkyletheranionen zu erzeugen, wobei Natriumhydroxid den pH-Wert steuert.
Die Alkyletheranionen weisen einen Alkyl-Endabschnitt, der funktionelle Gruppen beinhalten kann, einen Ether-Mittelabschnitt, der funktionelle Gruppen beinhalten kann, und eine anionische Kopfgruppe auf, wobei der Ether-Mittelabschnitt zwischen der anionischen Kopfgruppe und dem Alkyl-Endabschnitt liegt. Der Alkylabschnitt der Alkylether-Anionen stellt eine mizellare Affinität zur Ölphase bereit, um die Öl-in-Wasser-Emulsion aufrechtzuerhalten. Längere und/oder größere Alkyl-Endabschnitte erhöhen die mizellare Affinität zur Ölphase, wodurch die Aufschäumungstendenz der Mischung reduziert wird.
Der Etherabschnitt der Alkylether-Anionen sorgt für die Stabilität der Wasserhärte. Herkömmliche Tenside, die für Bohrspülungen verwendet werden, reagieren empfindlich auf das Vorhandensein zweiwertiger Kationenspezies, die bei Anwenden einer Bohrspülung in einer salzhaltigen Formation angetroffen werden können. Die zweiwertigen Spezies können unerwünschte Reaktionen herkömmlicher Tenside hervorrufen. Der Etherabschnitt der in dieser Schrift beschriebenen Alkyletheranionen reduziert oder verhindert die Inversion, wenn die Bohrspülung auf zweiwertige Spezies trifft.
Die hierbei verwendeten Alkylethercarboxylat-, Sulfonat- oder Phosphonat-Anionen können abgestimmt werden. In einem Aspekt können die Länge der Etherkette und die Art der sich wiederholenden Einheiten in der Etherkette so gewählt sein, dass sie die gewünschten Eigenschaften liefern. Beispielsweise kann die Polymerisationsreaktion eines Alkylenoxids mit einer säureabschließenden Spezies, wie einem Amid, mit einem gezielten Überschuss an Alkylenoxid durchgeführt werden, um eine Alkylpolyetheranion-Spezies mit einer gewünschten Polyetherkettenlänge zu ergeben. Die Polyetherreaktion kann auch mit einer Mischung von Alkylenoxiden oder mit nacheinander zugegebenen Aliquoten verschiedener Alkylenoxide durchgeführt werden, um statistische oder Blockalkylpolyetherketten mit Carboxylat-, Sulfonat- oder Phosphonatfunktionalität zu ergeben.
In einem weiteren Aspekt kann die Polyetherkette funktionalisiert werden, indem die Alkylpolyetheranionen unter Verwendung funktionalisierter Alkylenoxide hergestellt werden. Zu den Funktionalitäten, die den Alkylenoxidabschnitten der Alkylpolyetheranionen hinzugefügt werden können, gehören Methylgruppen, Ethylgruppen, Propylgruppen, Ether, Alkohole, Carbonsäuren, Sulfonate und Phosphate.
Die Alkylpolyetheranionen, die als Tenside zum Stabilisieren von Öl-in-Wasser-Emulsionen mit salzhaltigen oder stark salzhaltigen, zum Beispiel gesättigten Salzlösungen verwendet werden können, haben die folgende allgemeine Struktur: CH₃-(CH=CH)_i-(CH₂)_j-(CH=CH)_k-(CH₂)_l-(CR¹R²)_m-(CR³R⁴)_n-(CH=CH)_o- (CH₂)_p-(CH=CH)_q-(CR⁵R⁶)_r-(CR⁷R⁸)_s-(CH=CH)_t-(CH₂)_u-(CR⁹R¹⁰)_v-Z wobei i, j, k, l, m, n, o, p, q, r, s, t, u und v ganze Zahlen sind, i+j+k+l+m+n+o+p+q+r+s+t+u+v 4 bis 26 ist, m+n+r+s 0 bis 2 ist, i+k+o+q+t 0 bis 2 ist, v 5 bis 30 ist, und R¹, R², R⁵ und R⁶ jeweils unabhängig voneinander Wasserstoff, Hydrocarbyl mit 1 bis 10 Kohlenstoffatomen, alkoholhaltige Gruppen oder Ether- oder Polyethergruppen sind, R³, R⁴, R⁷ und R^$ jeweils unabhängig voneinander in jedem Fall Kohlenwasserstoffgruppen mit 1 bis 10 Kohlenstoffatomen und höchstens einer Kohlenstoff-Kohlenstoff-Doppelbindung sind, R⁹ und R¹⁰ jeweils unabhängig voneinander in jedem Fall Wasserstoff, Methylgruppen oder Ethylgruppen sind und Z eine anionische Kopfgruppe ist, wie etwa Carboxylat, Sulfonat oder Phosphat. In vielen Fällen sind R⁹ und R¹⁰ entweder jeweils beide Wasserstoff, jeweils beide Methylgruppen oder eine Mischung aus Wasserstoff und Methylgruppen in einem beliebigen erwünschten Verhältnis und/oder Muster. In einem Beispiel ist das Tensid ein Oleyl(j=19; i=k=l=m=n=o=p=q=r=s=t=u=0)-Ethercarboxylat (Z = Carboxylat) mit 9 bis 14 Ethylenoxideinheiten (R⁹=R¹⁰=H; v= 9 bis 14), beispielsweise Oleylether-9 Carboxylat (j-19; i=k=l=m=n=o=p=q=r=s=t=u=0; v-9; R⁹=R¹⁰; Z=Carboylat). In einem anderen Beispiel ist das Alkylethercarboxylat ein langkettiges Alkylethercarboxylat, wie Oleth-9-carboxylat (i=0; j=7; k=1; l=7; m=n=o=p=q=r=s=t=u=0; v=9; R⁹=R¹⁰=H; Z=carboxylate), Oleth-10-carboxylat (i=0; j=7; k=1; l=7; m=n=o=p=q=r=s=t=u=0; v=10; R⁹=R¹⁰=H; Z=Carboxylat) oder Oleth-11-carboxylat (i=0; j=7; k=1; l=7; m=n=o=p=q=r=s=t=u=0; v=11; R⁹=R¹⁰=H; Z=Carboxylat). Es können Oleyl- oder Olethphosphate und Sulfonate mit einem Ethergehalt von 2 bis 30 verwendet werden. Lauryl-, Laureth-, Capryl-, Capryleth-, Stearyl-, Steareth-, Palmityl-, Palmiteth- und andere langkettige Anteile können ebenfalls verwendet werden, allein oder in Kombination, mit Ethergehaltszahlen von 2 bis 30. Beispielhafte Kategorien beinhalten Oleth-α-carboxylat, -phosphat oder - sulfonat, wobei α 2 bis 30 beträgt; Laureth-α-carboxylat, -phosphat oder -sulfonat, wobei α 2 bis 30 beträgt; Capryleth-α-carboxylat, -phosphat oder -sulfonat, wobei α 2 bis 30 beträgt; Steareth-α-carboxylat, -phosphat oder -sulfonat, wobei α 2 bis 30 beträgt; und Palmiteth-α-carboxylat, -phosphat oder -sulfonat, wobei α 2 bis 30 beträgt.
Wie in der vorstehenden Formel angegeben, kann der Alkylabschnitt des Alkyletheranions linear oder verzweigt sein und kann ungesättigte Kohlenstoff-Kohlenstoff-Bindungen in der Hauptalkylkette, soweit eine Hauptalkylkette vorhanden ist, oder in Verzweigungen der Hauptalkylkette beinhalten. Der Alkylabschnitt kann linear sein oder bis zu zwei Verzweigungen aufweisen, die vom gleichen Kohlenstoffatom oder von verschiedenen Kohlenstoffatomen abzweigen können. Der Alkylabschnitt kann vollständig aus gesättigten Kohlenwasserstoffeinheiten bestehen oder bis zu zwei Kohlenstoff-Kohlenstoff-Doppelbindungen beinhalten, die sich an beliebiger Stelle in der Hauptalkylkette oder in einer Verzweigung befinden können. Zwei Kohlenstoff-Kohlenstoff-Doppelbindungen können dasselbe Kohlenstoffatom beinhalten (d. h. eine CH=C=CH-Struktur), oder zwei Kohlenstoff-Kohlenstoff-Doppelbindungen können zwischen zwei verschiedenen benachbarten Paaren von Kohlenstoffatomen liegen. Der Alkylabschnitt kann auch nur eine Kohlenstoff-Kohlenstoff-Doppelbindung beinhalten. Der Alkylabschnitt kann auch funktionelle Gruppen entlang der Hauptkette oder beliebige Verzweigungen beinhalten, und die funktionellen Gruppen können alkoholhaltige Gruppen oder Ether- oder Polyethergruppen beinhalten. Im Allgemeinen ist der Alkylabschnitt eine hauptsächlich lineare Kohlenwasserstoffstruktur mit bis zu zwei Verzweigungen und bis zu zwei Kohlenstoff-Kohlenstoff-Doppelbindungen, die an jeder beliebigen Stelle des Alkylteils seitenständige Hydroxylgruppen und/oder Sauerstoff in Form einer Etherstruktur aufweisen kann. Diese Struktur des Alkylabschnitts stellt eine ölverträgliche Struktur bereit, die eng mit Ölmolekülen zusammenwirkt, ohne selbstausrichtende Domänen zu bilden, welche die Affinität des Alkylabschnitts zu Ölmolekülen reduzieren. Auf diese Weise bleibt die Tensidleistung der Tensidmoleküle in einer Emulsion aus Öl mit einer wässrigen Phase mit hohem Salzgehalt erhalten.
Die hier beschriebenen emulgierten Bohrspülmischungen bestehen typischerweise aus 70-80 % gesättigter NaCl-Sole, 20-30 % Öl, wie etwa Dieselöl, Basisöl oder anderen Ölen, die zur Verwendung in Bohrspülemulsionen geeignet sind und üblicherweise für solche Anwendungen verwendet werden, und 5-10 % eines oder mehrerer der vorstehend beschriebenen Tenside. Die Sole kann auch ungesättigt sein und andere Alkalisalze, wie Lithium- und Kaliumsalze, beispielsweise LiCl und KCl, beinhalten. Anionen in der Sole können auch andere Halogene, andere anorganische Anionen wie Sulfat, Phosphat und Nitrat und kleine organische Anionen wie Acetat und Citrat beinhalten. Ein basisches Material wie NaOH, LiOH oder KOH oder eine Aminbase wird hinzugefügt, um den pH-Wert zu steuern. Die Menge des verwendeten Tensids kann das Verhalten der emulgierten Bohrspülung steuern. Beispielsweise kann mit einer geringen Menge an Tensid eine mäßig stabile Bohremulsion erzeugt werden, sodass sich die Emulsion teilweise, aber nicht vollständig trennt. Die Mischung behält genügend Emulsionscharakter, um als Bohrspülung zu funktionieren, wird sich aber im Laufe der Zeit teilweise trennen, sodass die Ölfraktion der Bohrspülung zurückgewonnen werden kann, nachdem die Bohrspülung an die Oberfläche gebracht wurde.
Die in den in dieser Schrift beschriebenen Bohrspülungen verwendeten alkalischen Mittel sind im Allgemeinen starke Basen, die in der Lage sind, die Tensidspezies hierin in anionischer Form zu halten, um die Phasengrenzfläche der Emulsion zu stabilisieren. Das alkalische Mittel kann als harte Base, Lewis-Base oder ein anderes alkalisches Molekül klassifiziert werden, das in Wasser ionisiert und eine saure sauerstoffbasierte Einheit oder Molekülgruppe deprotoniert. Die Verwendung weicher Basen trägt dazu bei, die Tensidspezies in Anionenform zu halten. Im Allgemeinen können Hydroxid- und Aminbasen verwendet werden. Kalk oder Calciumhydroxid kann als Base verwendet werden. Geeignete Aminbasen enthalten im Allgemeinen keine aromatischen Komponenten, können aber ungesättigte oder Kohlenstoff-Kohlenstoff-Doppelbindungen und Konjugationen enthalten.
2 ist ein schematisches Flüssigkeitsvolumendiagramm, das eine teilweise stabile Emulsion veranschaulicht. Hier enthält der Behälter 100 ein Flüssigkeitsvolumen 202 mit einem stabilen Emulsionsanteil 204 und einem teilweise stabilen Emulsionsanteil 206. Es gibt keine Phasengrenze zwischen den Abschnitten 204 und 206, aber in dem teilweise stabilen Emulsionsabschnitt 206 ist eine leichte Phasentrennung zu erkennen, jedoch keine vollständige Trennung. Beispielsweise wird der teilweise stabile Emulsionsabschnitt 206 lokal getrennt, aber die Trennung erstreckt sich nicht über weite Strecken.
Die Menge der in dieser Schrift beschriebenen Tenside, die zum Stabilisieren einer Emulsion nötig wird, hängt von der Zusammensetzung der Emulsion, sowohl der Ölphase als auch der wässrigen Phase, und von den verwendeten Tensidtypen ab. Wie bereits erwähnt, können längere Polyetherabschnitte die Stabilität erhöhen, wenn die Bohrspülung auf zweiwertige Metallkationen trifft, entweder in der wässrigen Phase der Bohrspülung selbst oder in unterirdischem Wasser. Ebenso können längere Alkylketten und Alkylketten mit Funktionalisierungen und/oder Verzweigungen die Stabilität fördern und Aufschäumung reduzieren. Beispielsweise kann ein in dieser Schrift beschriebenes Tensid in manchen Fällen eine Öl-in-Meerwasser-Emulsion stabilisieren, weil das Tensid einen ausreichenden Ethergehalt hat, um die Wirkung der zweiwertigen Ionen im Meerwasser zu passivieren und die Emulsion zu stabilisieren.
Wie vorstehend erwähnt, können Alkyletheranionen Carboxylate, Sulfonate und/oder Phosphonate sein. Unter sonst gleichen Bedingungen können Sulfonate Aufschäumen stärker fördern als Carboxylate, aber wie bereits erwähnt, kann das Aufschäumen durch Abstimmen struktureller Aspekte der Tensidmoleküle reduziert werden, beispielsweise durch Erhöhen der Länge des Alkylabschnitts oder der Anzahl der Kohlenstoff- und Wasserstoffatome im Alkylabschnitt. Im Allgemeinen halten die in dieser Schrift beschriebenen Bohrspülungen die Viskosität einer Bohrspülung niedrig, um Aufschäumen zu minimieren.
Die in dieser Schrift beschriebenen Bohrspülungen können auch unerwünschte Emulsionsreaktionen wie Aufschäumen und Aufrahmen verhindern. Beim Aufschäumen bilden sich Luft-/Gasblasen in der Emulsion, insbesondere beim Mischen der Emulsion. Beim Aufrahmen steigen Öltröpfchen an die Spitze der Emulsion und ein Teil der wässrigen Phase trennt sich unterhalb der Emulsionsphase.
Additive können verwendet werden, um andere Eigenschaften der in dieser Schrift beschriebenen Bohrspülungen einzustellen. Langkettige Alkylkomponenten können beispielsweise den Stockpunkt erhöhen und den Flammpunkt der Tensidmischung in unerwünschtem Maße senken. Solche Tensidmischungen können an einem Bohrloch schwer zu handhaben sein. Additive wie aromatische und nicht-aromatische Lösungsmittel wie Toluol, Xylol, Aromatic 150 und Aromatic 200, Alkohole und Glykol wie Hexyl CARBITOL™ und Hexyl CELLOSOLVE™ können den Flammpunkt erhöhen und den Stockpunkt der Tensidmischung senken. Während die in dieser Schrift beschriebenen Tensidanionen im Allgemeinen so ausgewählt sein können, dass ein Aufschäumen minimiert wird, können die in dieser Schrift beschriebenen Tensidanionen in einigen Fällen mit Entschäumungsmitteln wie DEFOAM X™, erhältlich bei Schlumberger Ltd. in Houston, TX, verwendet werden. Andere Arten von chemischen Entschäumungsmitteln, die mit diesem Tensid kompatibel sind, beinhalten unter anderem Silikone, Silane, Alkohole und Glykole. Beispiele beinhalten 2-Ethylhexanol und Propylenglykol. In den in dieser Schrift beschriebenen Bohrspülungen und Tensidpaketen können auch im Stand der Technik bekannte Verdickungsmittel verwendeten werden.
In einem Beispiel führte ein Tensidpaket, das 50 Gew.-% Oleth-10-Carboxylat, 25 Gew.-% Escaid 110 (eine Kohlenwasserstoffflüssigkeit, die von ExxonMobil Chemical Co. in Houston, Texas, erhältlich ist) und 25 Gew.-% Hexylcarbitol enthielt, zu einem Stockpunkt von 33°F und bildete eine stabile Öl-in-Wasser-Emulsion.
Die in dieser Schrift beschriebenen Tensidspezies können als Ester oder Ether hinzugefügt oder ergänzt werden, die in der Bohrspülung unter den in einem Bohrloch herrschenden Bedingungen hydrolysieren können, um die in dieser Schrift beschriebenen Tensidanionen zu ergeben. So kann ein Alkylethercarboxylatester einer Bohrspülmischung zugesetzt werden, um eine stabile Emulsion zu ergeben, wenn die Bedingungen im Bohrloch die Hydrolyse des Esters zu der Form des Tensidanions fördern. In einigen Fällen kann eine Bohrspülung eine Säure der in dieser Schrift beschriebenen Tensidanionen, eine aktivierende Base zur Deprotonierung der Anionen und einen Ester oder Ether des Anions enthalten, der unter Bohrlochbedingungen hydrolysieren kann. Solche Mischungen können in Situationen nützlich sein, in denen einige Tensidanionen aufgrund von Wechselwirkungen mit Formationsoberflächen und Materialien verloren gehen oder unter bestimmten Umständen aus der Mischung herausgesalzen werden können. Die Aufnahme von Spezies, die hydrolysieren können, um mehr Tensidanionen in der wässrigen kontinuierlichen Phase zu ergeben, kann die auf diese Weise verlorenen Anionen ergänzen und so freie Tensidmoleküle bereitstellen, die zur Öl-Wasser-Grenzfläche wandern können, um die Emulsion zu stabilisieren, obwohl die Tensidmoleküle an den Fest-Flüssig-Grenzflächen in der Bohrlochformation anhaften oder adsorbieren.
Die hier in dieser Schrift Bohrspülungen können eine wässrige Phase verwenden, die aus reinem Wasser oder einem beliebigen Salzgehalt besteht, bis hin zur Sättigung. Die wässrige Phase kann Alkalimetallhalogenid-Salze, Alkalimetall-Salze mit kleinen organischen Anionen und Alkalimetall-Salze mit anorganischen Anionen wie Sulfat, Phosphat und Nitrat beinhalten. Wie bereits erwähnt, kann eine gesättigte, salzhaltige wässrige Mischung beim Bohren durch salzhaltige Formationen Schäden an der Formation minimieren, aber der Salzgehalt der wässrigen Mischung, die für die Bohrspülemulsion verwendet wird, kann angepasst werden, oder in einigen Fällen kann auch reines Wasser verwendet werden.
Die in dieser Schrift beschriebenen Tenside ermöglichen Bohrverfahren unter Verwendung von Emulsionsbohrspülungen mit günstigen Spüleigenschaften, die unter Bohrlochbedingungen stabil oder teilweise stabil bleiben. Im Allgemeinen wird ein Tensidpaket, wie in dieser Schrift beschrieben, erlangt und zu einer Mischung aus einem Basisöl und einer wässrigen Phase, die reines Wasser sein kann oder Alkalisalze und bis zu einem geringen Anteil an Erdalkalisalzen enthalten kann, hinzugefügt, um eine Bohrspülmischung zu bilden. Die Bohrspülmischung wird dann unter hoher Scherung gerührt, um eine Emulsion zu bilden. Die resultierende Bohrspülemulsion wird dann zum Durchführen eines Bohrvorgangs verwendet.
Das Tensidpaket wird im Allgemeinen auf Grundlage bekannter Aspekte der Formation, in die gebohrt werden soll, ausgewählt und/oder formuliert. Wenn beispielsweise erwartet wird, dass während des Bohrvorgangs zweiwertige Salze und/oder Wasser, das zweiwertige Salze enthält, angetroffen werden, kann die Bohrspülemulsion unter Verwendung der in dieser Schrift beschriebenen Tenside formuliert werden, die weniger empfindlich auf das Vorhandensein von zweiwertigen Kationen reagieren. Das Tensidpaket kann auch so formuliert sein, dass es Spezies beinhaltet, die unter Bohrlochbedingungen hydrolysieren können, um Tensidspezies der in dieser Schrift beschriebenen Typen zu liefern. Solche hydrolysierbaren Spezies können das Tensidpaket verstärken, falls ein Teil des Tensids durch die Wechselwirkung mit Materialien der Formation verloren geht.
Auch wenn das Vorstehende auf Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung gerichtet ist, können andere und weitere Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung ohne Abweichung von deren grundlegendem Schutzumfang erarbeitet werden, und deren Schutzumfang wird durch die nachfolgenden Ansprüche bestimmt.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

US 63/203073 [0001]

Claims

Bohrspülung, umfassend: eine Emulsion aus einer wässrigen Phase und einem Öl, wobei die Emulsion unter Verwendung eines Alkyletheranion-Tensidpakets stabilisiert ist.
Bohrspülung nach Anspruch 1, wobei das Alkyletheranion ein Carboxylat, ein Sulfat oder ein Phosphat ist.
Bohrspülung nach Anspruch 1, wobei das Alkyletheranion ein Oleylethercarboxylat oder ein Olethcarboxylat ist.
Bohrspülung nach Anspruch 1, wobei das Alkyletheranion ein Oleylether-9-carboxylat, ein Oleth-9-carboxylat, ein Oleth-10-carboxylat, ein Oleth-11-carboxylat oder eine Kombination davon ist.
Bohrspülung nach Anspruch 1, ferner umfassend ein aromatisches oder nicht-aromatisches Lösungsmittel.
Bohrspülung nach Anspruch 1, ferner umfassend ein Glykol, einen Alkohol, ein aromatisches Lösungsmittel, ein nicht-aromatisches Lösungsmittel oder eine Kombination davon.
Bohrspülung nach Anspruch 1, ferner umfassend ein Entschäumungsmittel.
Bohrspülung nach Anspruch 1, ferner umfassend ein Verdickungsmittel.
Bohrspülung nach Anspruch 1, ferner umfassend ein alkalisches Mittel.
Bohrspülung nach Anspruch 1, wobei eine wässrige Phase eine Sole ist.
Tensidpaket zum Stabilisieren einer Öl-in-Wasser-Emulsion, wobei das Tensidpaket ein Alkyletheranion mit der folgenden allgemeinen Formel umfasst: CH₃-(CH)_i-(CH₂)_j-(CH)_k-(CH₂)_l-(CR¹R²)_m-(CR³R⁴)_n-(CH)_o-(CH₂)_p-(CH)_q- (CR⁵R⁶)_r-(CR⁷R⁸)_s-(CH)_t-(CH₂)_u-(CR⁹R¹⁰O)_v-Z wobei i, j, k, l, m, n, o, p, q, r, s, t, u und v ganze Zahlen sind, i+j+k+l+m+n+o+p+q+r+s+t+u+v 4 bis 30 ist, m+n+r+s 0 bis 2 ist, i+k+o+q+t 0 bis 2 ist, v 5 bis 30 ist, und R¹, R², R⁵ und R⁶ jeweils unabhängig voneinander Wasserstoff, Hydrocarbyl mit 1 bis 10 Kohlenstoffatomen, alkoholhaltige Gruppen oder Ether- oder Polyethergruppen sind, R³, R⁴, R⁷ und R⁸ jeweils unabhängig voneinander in jedem Fall Kohlenwasserstoffgruppen mit 1 bis 10 Kohlenstoffatomen und höchstens einer Kohlenstoff-Kohlenstoff-Doppelbindung sind, R⁹ und R¹⁰ jeweils unabhängig voneinander in jedem Fall Wasserstoff, Methylgruppen oder Ethylgruppen sind und Z eine anionische Kopfgruppe ist.
Tensidpaket nach Anspruch 11, wobei j=19, i=k=I=m=n=o=p=q=r=s=t=u=0 und Z Carboxylat ist.
Tensidpaket nach Anspruch 11, wobei i=0; j=7; k=1; l=7; m=n=o=p=q=r=s=t=u=0; v=9, 10 oder 11; R⁹=R¹⁰= H; und Z Carboxylat ist.
Tensidpaket nach Anspruch 11, wobei das Alkyletheranion Oleth-α-carboxylat, -phosphat oder -sulfonat; Laureth-α-carboxylat, -phosphat oder -sulfonat; Capryleth-α-carboxylat, -phosphat oder -sulfonat; Steareth-α-carboxylat, -phosphat oder -sulfonat; Palmiteth-α-carboxylat, -phosphat oder -sulfonat, wobei α unabhängig voneinander in jedem Fall 2 bis 30 ist; oder eine Kombination davon ist.
Tensidpaket nach Anspruch 11, wobei das Alkyletheranion ein Oleylether-9-carboxylat, ein Oleth-9-carboxylat, ein Oleth-10-carboxylat, ein Oleth-11-carboxylat oder eine Kombination davon ist.
Tensidpaket nach Anspruch 11, ferner umfassend ein Glykol, einen Alkohol, ein aromatisches Lösungsmittel, ein nicht-aromatisches Lösungsmittel oder eine Kombination davon.
Tensidpaket nach Anspruch 11, ferner umfassend ein Entschäumungsmittel.
Verfahren, umfassend: Erlangen einer Bohrspülung, umfassend eine Emulsion eines Öls, das in einer wässrigen Phase dispergiert ist, wobei die Emulsion unter Verwendung eines Alkylether-Anion-Tensidpakets stabilisiert wird; und Bohren eines Bohrlochs in eine geologische Formation mit salzhaltigen Komponenten unter Verwendung der Bohrspülung von der Oberfläche eines Bohrlochs durch vertikale Abschnitte und in laterale Abschnitte.
Verfahren nach Anspruch 18, wobei das Alkyletheranion ein Carboxylat, Phosphat oder Sulfonat mit einem Alkylabschnitt, einer anionischen Kopfgruppe und einem Etherabschnitt zwischen dem Alkylabschnitt und der anionischen Kopfgruppe ist.
Verfahren nach Anspruch 19, wobei der Alkylabschnitt 6 bis 24 Kohlenstoffatome und der Etherabschnitt 2 bis 30 Alkylenoxideinheiten aufweist.
Verfahren nach Anspruch 20, wobei der Alkylabschnitt eine oder zwei Kohlenstoff-Kohlenstoff-Doppelbindungen aufweist.
Verfahren nach Anspruch 20, wobei die Alkylenoxideinheiten Ethylenoxid- oder Propylenoxideinheiten sind.
Verfahren nach Anspruch 19, wobei die wässrige Phase Meerwasser beinhaltet und die Bohrspülung ein Co-Tensid beinhaltet.