DE69433329T2

DE69433329T2 - Bohrspüladditive und Verfahren zur Hydratationsbeschleunigung

Info

Publication number: DE69433329T2
Application number: DE69433329T
Authority: DE
Inventors: Arvind D. Houston Patel; Henry C. The Woodlands McLaurine; Emanuel Houston Stamatakis; Carl J. Katy Thaemlitz
Original assignee: MI LLC
Current assignee: MI LLC
Priority date: 1993-07-02
Filing date: 1994-07-01
Publication date: 2004-09-09
Anticipated expiration: 2014-07-02
Also published as: EP0634468B1; DE69414481T2; NO942493D0; AU6612194A; ATE254158T1; CA2126938A1; EP0634468A1; NO942493L; DE69414481D1; AU675709B2; NO312301B1; EP0838514B1; DE69433329D1; EP0838514A1; ATE173290T1

Description

Die Erfindung betrifft Bohrspülungen bzw. Spülflüssigkeiten, die das Quellen von Ton innerhalb eines unterirdischen Bohrloches während des Bohrprozesses unterdrücken. Die Erfindung ist insbesondere auf die Hydration verhindernde Bohrspülungen gerichtet, die quartäre Hydroxyalkyl-Ammoniumverbindungen enthalten, die mit anionischen Polymeren kompatibel bzw. verträglich sind, die typischerweise in Bohrspülungen gefunden werden oder diesen zugegeben werden, und die umweltverträglich sind.
Beim Rotarybohren bzw. Drehbohren von unterirdischen Bohrlöchern erwartet man zahlreiche Funktionen und Eigenschaften von einer Bohrspülung. Eine Bohrspülung sollte überall in dem Bohrloch zirkulieren und Bohrklein bzw. Gesteinsstücke von unterhalb des Bohrers bzw. Bohrwerkzeugs mitführen, das Bohrklein zum Ring hinauf transportieren und dessen Abtrennung an der Oberfläche erlauben. Gleichzeitig erwartet man von der Bohrspülung, dass sie den Bohrer bzw. das Bohrwerkzeug kühlt und reinigt, die Reibung zwischen dem Bohrstrick bzw. der Bohrleine und den Seiten des Loches verringert und die Stabilität in Bereichen des Bohrlochs, die nicht eingeschlossen bzw. mit einem Gehäuse versehen sind, aufrecht erhält. Die Bohrspülung sollte ebenfalls einen dünnen Filterkuchen von niedriger Permeabilität bilden, der Öffnungen in Formationen abdichtet, die von dem Bohrer durchdrungen worden sind, und dahingehend wirken, dass sie das unerwünschte Einströmen von Formationsfluiden bzw. Formationsflüssigkeiten aus permeablen Gesteinen reduziert.
Bohrspülungen werden typischerweise gemäß ihrem Grundmaterial oder ihrer primären kontinuierlichen Phase klassifiziert. In Fluiden auf Ölbasis werden Feststoffteilchen in Öl suspendiert, und Wasser oder Sole kann mit dem Öl emulgiert werden. Das Öl bildet typischerweise die kontinuierliche Phase. In Fluiden auf Wasserbasis werden Feststoffteilchen in Wasser oder Sole suspendiert, und Öl kann in dem Wasser emulgiert werden. Wasser bildet die kontinuierliche Phase. Fluide auf Ölbasis sind allgemein wirksamer bei der Stabilisierung von wasserempfindlichen Schiefern als Fluide auf Wasserbasis. Jedoch haben Umweltbelange die Verwendung von Bohrspülungen auf Ölbasis eingeschränkt. Demgemäß haben sich Ölbohrungsgesellschaften zunehmend auf Fluide auf Wasserbasis konzentriert.
Drei Typen von Feststoffen werden üblicherweise in Bohrspülungen auf Wasserbasis gefunden: (1) Tone und organische Kolloide, die zugegeben werden, um die notwendigen Viskositäts- und Filtrationseigenschaften bereitzustellen, (2) Schwermineralien, deren Funktion darin besteht, die Dichte der Bohrspülung zu erhöhen, und (3) Formationsfeststoffe, die während des Bohrvorgangs in der Bohrspülung dispergiert werden.
Bei den Formationsfeststoffen, die in einer Bohrspülung dispergiert werden, handelt es sich typischerweise um das Bohrklein bzw. die Gesteinsstücke, das bzw. die durch die Wirkung des Bohrwerkzeugs erzeugt wird bzw. werden, und die Feststoffe, die durch die Instabilität des Bohrlochs erzeugt werden. Wo es sich bei den Formationsfeststoffen um Tonmineralien handelt, die quellen bzw. aufquellen, kann die Anwesenheit derartiger Feststoffe in der Bohrspülung die Bohrzeit und -kosten in großem Maße erhöhen. Die Gesamtzunahme in dem Masse- bzw. Bulkvolumen, die das Quellen des Tones begleitet, behindert die Entfernung von Bohrklein bzw. Gesteinsstücken von unterhalb des Bohrwerkzeugs, erhöht die Reibung zwischen dem Bohrstrick und den Seiten des Bohrlochs und inhibiert die Bildung des dünnen Filterkuchens, der die Formationen abdichtet. Das Quellen von Ton kann ebenfalls zu anderen Bohrproblemen führen, wie einem Verlust an Zirkulation oder einem Festsitzen im Rohr, die das Bohren verlangsamen und die Bohrkosten erhöhen können.
In der Nordsee und in Bereichen der Golflcüste der Vereinigten Staaten treffen Bohrunternehmen bzw. Bohrer herkömmlicherweise tonige bzw. argillitische Sedimente an, in denen das vorherrschende Tonmineral Montmorillonit (üblicherweise „Gumbo-Schiefer" bzw. „gumbo shale" genannt) ist. Gumbo-Schiefer ist berüchtigt für sein Quellen. Nimmt man daher die Häufigkeit, mit der man Gumbo-Schiefer in unterirdischen Löchern antrifft, dann war die Entwicklung einer Substanz und eines Verfahrens zur Verringerung des Quellens von Ton seit langem ein Ziel der Öl- und Gaserforschungsindustrie.
Die Mechanismen für das Quellen von Ton sind wohl bekannt. Tonmineralien sind von Natur aus kristallin. Die Struktur eines Tonkristalls bestimmt seine Eigenschaften. Typischerweise haben Tone eine schuppige bzw. blättrige Struktur vom Mica-Typ. Tonschuppen bzw. -blättchen sind aus einer Anzahl von Kristallblättchen aufgebaut, die direkt aufeinander gesetzt sind. Jedes Blättchen wird eine Einheitsschicht genannt, und die Oberflächen der Einheitsschicht werden Basisflächen bzw. Grundflächen genannt.
Eine Einheitsschicht ist aus mehrfachen (dünnen) Schichten bzw. Lagen zusammen gesetzt. Eine Schicht wird die oktaedrische Schicht genannt, und sie ist aus entweder Aluminium- oder Magnesiumatomen zusammengesetzt, die oktaedrisch mit den Sauerstoffatomen der Hydroxylgruppen koordiniert sind. Eine andere Schicht wird die tetraedrische Schicht genannt. Die tetraedrische Schicht besteht aus Siliziumatomen, die tetraedrisch mit Sauerstoffatomen koordiniert sind.
Schichten innerhalb einer Einheitsschicht sind miteinander verbunden, indem sie sich Sauerstoffatome teilen. Wenn diese Bindung zwischen einer oktaedrischen und einer tetraedrischen Schicht stattfindet, besteht eine Basisfläche aus freigelegten Sauerstoffatomen, während die andere Basisfläche freigelegte Hydroxylgruppen hat. Es ist bei zwei tetraedrischen Schichten auch ganz üblich, dass sie sich mit einer oktaedrischen Schicht verbinden, indem sie sich Sauerstoffatome teilen. Die resultierende Struktur, die als Hoffman-Struktur bekannt ist, hat eine oktaedrische Schicht, die zwischen die zwei tetraedrischen Schichten (wie ein „Sandwich") eingelegt ist. Als Ergebnis davon sind beide Basisflächen in einer Hoffman-Struktur aus freigelegten Sauerstoffatomen zusammengesetzt.
Die Einheitsschichten sind direkt aufeinander gestapelt, und sie werden durch schwache anziehende Kräfte an ihrem Platz gehalten. Der Abstand zwischen ent sprechenden Ebenen in aneinandergrenzenden Einheitsschichten wird der c-Zwischenraum („c-spacing") genannt. Eine Tonkristallstruktur mit einer aus drei Schichten bestehenden Einheitsschicht hat typischerweise einen c-Zwischenraum von etwa 9,5 × 10^–7 mm.
In Tonmineralkristallen werden Atome mit unterschiedlichen Valenzen üblicherweise innerhalb der Schichten der Struktur positioniert, um ein negatives Potential an der Kristalloberfläche zu erzeugen. In diesem Fall wird ein Kation auf der Oberfläche adsorbiert. Diese adsorbierten Kationen werden austauschbare Kationen genannt, da sie Plätze mit anderen Kationen austauschen können, sobald der Tonkristall in Wasser ist. Darüber hinaus können Ionen ebenfalls auf den Tonkristallecken adsorbiert werden und mit anderen Ionen im Wasser ausgetauscht werden.
Die Substitutionstypen, die innerhalb der Tonkristallstruktur und der auf der Kristalloberfläche adsorbierten, austauschbaren Kationen stattfinden, beeinflussen in großem Maße das Aufquellen des Tons, eine Eigenschaft von primärer Bedeutung in der Bohrspülungsindustrie. Das Quellen des Tons ist ein Phänomen, bei dem Wassermoleküle eine Tonkristallstruktur umgeben und sich so positionieren, dass sie den c-Zwischenraum der Struktur erhöhen. Zwei Typen von Quellen können stattfinden.
Die Oberflächenhydration ist ein Typ des Quellens, bei dem Wassermoleküle auf Kristalloberflächen adsorbiert werden. Eine Wasserstoffbindung hält eine Schicht von Wassermolekülen auf den Sauerstoffatomen, die auf den Kristalloberflächen freigelegt sind. Darauffolgende Schichten von Wassermolekülen stellen sich dann zu einer quasi-kristallinen Struktur zwischen den Einheitsschichten auf, was zu einem vergrößerten c-Zwischenraum führt. Alle Tontypen quellen auf diese Weise.
Das osmotische Quellen ist ein zweiter Typ des Quellens. Wo die Konzentration an Kationen zwischen Einheitsschichten in einem Tonmineral höher ist als die Kationenkonzentration in dem umgebenden Wasser, wird Wasser zwischen die Einheitsschichten gezogen, und der c-Zwischenraum wird erhöht. Das osmotische Quellen führt zu größeren Zunahmen im Gesamtvolumen als die Oberflächenhydration. Jedoch quellen nur bestimmte Tone, wie Natriummontmorillonit, auf diese Weise.
Austauschbare Kationen, die in Tonmineralien gefunden werden, wirken sich in großem Maße stark auf das Ausmaß der stattfindenden Quellung aus. Die austauschbaren Kationen konkumeren mit Wassermolekülen um die verfügbaren reaktiven Stellen in der Tonstruktur. Im Allgemeinen werden Kationen mit hohen Valenzen stärker als die mit niedrigen Valenzen adsorbiert. Somit werden Tone mit austauschbaren Kationen niedriger Valenz mehr quellen als Tone, deren austauschbare Kationen hohe Valenzen haben. Calcium- und Natriumkationen sind die üblichsten austauschbaren Kationen in Gumbo-Schiefer. Da das Natriumkation eine niedrige Valenz hat, dispergiert es leicht in Wasser, wodurch es Gumbo-Schiefer seine berüchtigten Quellcharakteristiken verleiht.
Obwohl von einer Anzahl von Verbindungen bekannt ist, dass sie wirksam bei der Inhibierung von reaktiven Schieferformationen sind, beeinflussen mehrere Faktoren die Anwendbarkeit der Verwendung von Quellinhibitoradditiven in Bohrspülungen. Erstens muss der Inhibitor mit den anderen Bohrspülungsbestandteilen kompatibel bzw. verträglich sein. Der Bohrunternehmer bzw. Bohrer der unterirdischen Bohrlöcher muss in der Lage sein, die rheologischen Eigenschaften der Bohrspülungen durch Verwendung von Additiven, wie Bentonit, anionischen Polymeren und Beschwerungsmaterialien bzw. Gewichtsmaterialien, zu steuern bzw. zu kontrollieren. Somit sollten Bohrspülungsadditive auch wünschenswerte Ergebnisse bereitstellen, aber nicht die gewünschte Leistungsfähigkeit von anderen Additiven inhibieren. Jedoch reagieren viele Quellinhibitoren mit anderen Bohrspülungsbestandteilen, was zu ernstzunehmender Ausflockung oder Ausfällung fuhrt.
Zweitens müssen die derzeitigen Bohrspülungsbestandteile umweltverträglich sein. Da Bohrvorgänge sich stark auf das pflanzliche und tierische Leben auswirken, sollten Bohrspülungsadditive niedrige Toxizitätswerte aufweisen und leicht hand zu haben und zu verwenden sein, um die Gefahr einer Umweltverschmut zung und eines Schadens für das Personal zu minimieren. Darüber hinaus ist es in der Öl- und Gasindustrie heute erwünscht, dass Additive sowohl an Land („onshore") als auch küstennah („offshore") und in Frisch- und Salzwasserumgebungen funktionieren.
Zahlreiche Versuche wurden unternommen, um die Schieferinhibierung von Bohrspülungen auf Wasserbasis zu verbessern. Ein Verfahren zur Verringerung des Quellens von Ton besteht darin, anorganische Salze in Bohrspülungen zu verwenden, wie z. B. Kaliumchlorid und Calciumchrlorid. Andere Verfahren, die zur Steuerung des Quellens von Ton untersucht wurden, haben sich auf die Verwendung von wasserlöslichen Polymeren in Bohrspülungen konzentriert. Da sie auf den Oberflächen von Tonen adsorbiert werden, sobald sie in Bohrspülungen eingeschlossen werden, konkurrieren diese Polymeren mit Wassermolekülen um die reaktiven Stellen auf Tonen, und somit dienen sie der Verringerung des Quellens von Ton. Diese Polymeren können entweder kationisch, anionisch oder nichtionisch sein. Kationische Polymere dissoziieren in organische Kationen und anorganische Anionen, während anionische Polymere in anorganische Kationen und organische Anionen dissoziieren. Nichtionische Polymere dissoziieren nicht. Kationische Polymere haben sich allgemein als wirksamere Schieferinhibitoren als entweder anionische oder nichtionische Polymere erwiesen.
Mehrere kationische Polymersysteme für Fluide auf Wasserbasis sind vorgeschlagen worden. Bei einem System, einem System auf Solebasis, wurden zwei quartäre Dialkyldimethyl-Ammoniumsalze (Dialkyl-Quats) der folgenden allgemeinen Formel untersucht:
wobei x = 10 oder 16 beträgt. Obwohl das kürzerkettige Dilalkyl-Quat (x = 10) wirksamer bei der Inhibierung von Schiefer war als das längerkettige Dialkyl- Quat (x = 16), zeigten die Tests an, dass die Fähigkeit der Dialkyl-Quats zur Inhibierung von Schiefer durch ihre begrenzte Löslichkeit in Wasser behindert worden zu sein schien.
In einem weiteren Versuch wurden drei Trimethylalkyl-Ammoniumchloride (Monoalkyl-Quats) der folgenden allgemeinen Formel untersucht:
wobei x = 10, 14 oder 16 beträgt.
Das Alkyl-Quat mit der kürzesten Kette (x = 10) zeigte die beste Schieferinhibierung. Jedoch erzeugten Bohrspülungen, die unter Verwendung des Alkyl-Quats in Verbindung mit Kaliumchlorid in einer Bohrspülungsformulierung formuliert wurden, große Schaummengen. Folglich wurden die drei Alkyl-Quats als ungeeignet zur Verwendung beim Bohren beurteilt.
Basierend auf dem Fehlversuch mit Systemen auf Solebasis, bei denen Kaliumchlorid und quartäre Verbindungen verwendet werden, wurden alternative kationische Polymere bewertet. Kationische Polymere wurden wiederum in Verbindung mit Kaliumchlorid verwendet. Bei dem System auf Solebasis wurden Kaliumchlorid und drei zusätzliche quarternisierte Polymere mit den folgenden allgemeinen Formeln verwendet:
Poly(dimethylamin-co-epichlorhydrin)
Poly(N,N-dimethyl-3,5-dimethylenpiperidiniumchlorid)
Polyimidazolin
Ein Polymer der Kategorie der Formel I zeigte die beste Schieferinhibierung. Eine Bohrspülungsrezeptur wurde unter Verwendung herkömmlicher Viskositätszusätze bzw. Viskositätsmittel, Fluidverlustadditiven, dem Schieferinhibitor von Formel I und Kaliumchlorid hergestellt. Man fand, dass das kationische Polymer nicht mit den herkömmlichen anionischen Additiven, d. h. Bentonit, Xanthanlösung bzw. Xanthangummi, Carboxymethylcellusose (CMC), Polyacrylaten, etc. kompatibel bzw. verträglich ist. Ein nichtionischer Viskositätszusatz, Hydroxyethylcellulose und ein nichtionisches Fluidverlustmittel, vorgelierte Stärke, wurden als Ersatzstoffe verwendet, um das Inkompatibilitäts- bzw. Unverträglichkeitsproblem zu überwinden. Weitere Einzelheiten zu den Systemen auf Solebasis, die oben beschrieben sind, sind in Beihoffer et al., „The Development of an Inhibitive Cationic Drilling Fluid for Slim-Hole Corin Applications" SPE-19953 presented at the 1990 SPE/IADC Drilling Conference held in Houston, Feb. 27–March 2, 1990, berichtet.
Obwohl die beschriebenen kationischen Polymere wirksame Schieferinhibitoren sind, stellt die Unverträglichkeit der Polymeren mit herkömmlichen anionischen Bohrspülungsadditiven einen Nachteil dar. Darüber hinaus sind diese kationischen Polymere toxisch. Da Umweltbelange von immer mehr zunehmender Bedeutung sind, ergab sich eine Suche nach verträglichen kationischen Polymeren mit niedriger Toxizität.
Bei einem Versuch wurden zwei kationische Polymere mit niedriger Toxizität und guter Schieferinhibierung bei gemeinsamer Verwendung identifiziert. Bei dem ersten Polymeren handelt es sich um ein kationisches Polyacrylamid mit hohem Molekulargewicht. Bei dem zweiten Polymeren handelt es sich um ein quartäres Polyamin. Bei der Bohrspülungsformulierung wurde das Polyacrylamid mit hohem Molekulargewicht für die Schieferumhüllung verwendet, und das Polyamin mit niedrigem Molekulargewicht wurde zur Unterdrückung des Quellens verwendet. Obwohl die zwei Polymere eine niedrige Toxizität besaßen, waren sie völlig unverträglich mit anionischen Polymeren in Frischwasser. Eine Zugabe von Salzen, wie Natriumchlorid, zur Erhöhung der Ionenkonzentration verminderte das Ausfällungsproblem. Jedoch verursachten die Polymere auch eine Ausflockung der Bentonitkomponente der Bohrspülung. Dieses Problem wurde durch Zugabe von Polyvinylalkohol zu der Formulierung als Entflocker korrigiert. Weitere Einzelheiten des beschriebenen Systems, einschließlich Toxizitätstests und zusätzlicher Hintergrund zur Wasseradsorption und Schieferinhibierung finden sich in Retz et al., „An Environmentally Acceptable and Field-Practical, Cationic Polymer Mud System", SPE-23064 presented at the Offshore Europe Conference held in Aberdeen, September 3–6, 1991.
Obwohl die Forschung kationische Polymere identifiziert hat, die wirksame Schieferinhibitoren für eine Verwendung als Bohrspülungsadditive sind, werden andere kationische Polymere mit verbesserter Verträglichkeit und niedriger Toxizität gewünscht.
Eine Vielzahl von Fluiden wird während und nach Bohrvorgängen in unterirdischen Erdformationen verwendet. Eine klare Unterscheidung wird auf dem Gebiet der Bohrspülungen zwischen Fluiden, die aktiv während Bohrvorgängen verwendet werden, und Fluiden, die nach Bohrvorgängen verwendet werden, gezogen. Ein Fluidtyp, der nach Bohrvorgängen verwendet wird, wird als Fracturing-Fluid (Aufbrechfluid) bezeichnet. Fracturing-Fluide sind Materialien, die in den erzeugenden Abschnitt einer Bohrlochformation injiziert werden, um die Formation zu „(zer)brechen", in der die Kohlenwasserstoffe gehalten werden, um einen leichten Fluss und eine leichte endgültige Entfernung zu ermöglichen. Derartige Fracturing-Fluide werden in den US-Patenten 5,089,151 und 5,097,904 gelehrt. Bemerkenswerterweise enthalten die in der Ölbohrlochindustrie typischen Fracturing-Fluide nicht eines der Additive, die typischerweise in Bohrspülungen gefunden werden. Insbesondere Bohrspülungseigenschaften, wie Toxizität und Verträglichkeit mit anionischen Materialien sind für ein Fracturing-Fluid nicht wichtig. Beschwerungs- bzw. Gewichtsmaterialien werden nicht in Fracturing-Fluide eingebaut, da sie in Bohrspülungen vorliegen.
Die vorliegende Erfindung betrifft Bohrspülungen zur Verringerung der Probleme, die mit Tonen verbunden sind, die in Anwesenheit von Wasser quellen, wobei die Bohrspülungen der Erfindung ein Bohrspülungsadditiv enthalten. Ein besonderer Vorteil der Bohrspülungen der vorliegenden Erfindung liegt darin, dass sie Bohrspülungsadditive enthalten, die eine Verträglichkeit bzw. Kompatibilität mit gewöhnlichen anionischen Bohrspülungskomponenten und eine niedrige Toxizität zeigen.
Im Allgemeinen sind die Additive einer Ausführungsform der Erfindung monomere quartäre Alkylamine, bei denen es sich um die Reaktionsprodukte von (1) einem tertiären Alkylamin der folgenden Formel handelt:
wobei R₁ und R₂ Methylgruppen sind und R₃ eine Hydroxyethylgruppe ist; und (2) einem Alkylhalogenid der folgenden allgemeinen Formel: R-X wobei R eine Methylgruppe ist und X ein Halogen ausgewählt aus Chlor, Brom, Jod oder Kombinationen davon ist.
Man nimmt an, dass es sich bei den Reaktionsprodukten um quartäre Alkylamine der folgenden allgemeinen Struktur handelt:
wobei R₁, R₂, R₃, R und X wie oben definiert sind.
Die Bohrspülungen dieser Erfindung besitzen eine spezielle Brauchbarkeit auf dem Gebiet der Bohrspülungen, da sie sowohl nichttoxisch als auch mit anionischen Bohrspülungskomponenten innerhalb kommerziell akzeptabler Parameter verträglich bzw. kompatibel sind. Für die Zwecke dieser Anmeldung wird von einer Verbindung angenommen, dass sie eine „niedrige Toxizität" zeigt, wenn sie einen LC₅₀-Wert von mehr als 30000 bei dem Mysid-Shrimps-Test zeigt, der von der US-Umweltschutzbehörde für Offshore-Bohrauslässe vorgeschrieben ist. In ähnlicher Weise wird eine Verbindung als verträglich bzw. kompatibel mit anionischen Bohrspülungskomponenten angesehen, wenn sie in Anwesenheit von anionischen Polymeren kein Fällungsmittel ergibt.
Die vorliegende Erfindung betrifft Bohrspülungen zur Verringerung der „downhole" Probleme (in Bohrlöchern), die mit Tonen verbunden sind, die in Anwesenheit von Wasser quellen, wobei die Bohrspülungen ein Bohrspülungsadditiv enthalten. Ein besonderer Vorteil der Bohrspülungen der vorliegenden Erfindung liegt darin, dass sie Bohrspülungsadditive enthalten, die eine niedrige Toxizität und eine Kompatibilität bzw. Verträglichkeit mit gewöhnlichen anionischen Bohrspülungskomponenten zeigen.
Allgemein sind die Additive der Bohrspülungen monoquartäre Hydroxyalkylalkylamine. Verbindungen sind solche, bei denen es sich um das Reaktionsprodukt eines tertiären Hydroxyalkylamins und eines Alkylhalogenids handelt, das durch Umsetzung der Verbindungen gemäß der folgenden allgemeinen Reaktion erhalten wird:
wobei R₁ und R₂ Methylgruppen sind, R₃ eine Hydroxyethylgruppe ist, R eine Methylgruppe ist und X ein Halogen, ausgewählt aus Chlor, Brom, Jod oder Kombinationen davon, ist.
Das tertiäre Hydroxyalkylamin ist Dimethylethanolamin. Besonders bevorzugte, resultierende quartäre Amine, die als Additiv zu Bohrspülungen verwendet werden, sind die Produkte, die sich aus der Umsetzung von Dimethylethanolamin und Methylchlorid ergeben, wobei das Produkt quartäres Trimethylethanolaminchlorid ist, das üblicherweise als Cholinchlorid bekannt ist. Cholinchlorid kann ebenfalls durch Umsetzung von Trimethylamin und Chlorhydrin oder Ethylenoxid, gefolgt von einer Neutralisation mit Salzsäure, hergestellt werden. Die Syntheseverfahren sind dem Fachmann wohlbekannt.
Quartäre Amine werden generisch als quartäre Ammoniumverbindungen bezeichnet. Spezielle Informationen zu der Formulierung und Synthese von quartären Aminen und verwandten Materialien sind aus Kirk-Othmer, Encyclopedia of Chemical Technology, 3. Ausgabe, Band 19, Seiten 521–531, zu entnehmen. Zusätzliche Informationen sind aus L. D. Metcalfe, R. J. Martin und A. A. Schmitz, J. Am. Oil Chemical Society, 43, 355 (1966), zu entnehmen.
Quartäre Ammoniumverbindungen sind tetrasubstituierte Ammoniumsalze. In allen Fällen befindet sich das Stickstoffatom in dem positiv geladenen Teil des Moleküls.
Es gibt viele und mannigfaltige Verfahren zur Herstellung von quartären Ammoniumverbindungen, in Abhängigkeit von der Struktur, die für die Endverbindung erwünscht ist. Die zweckmäßigste Umsetzung ist eine, bei der ein geeignetes tertiäres Amin mit einem Alkylierungsmittel umgesetzt wird, das ein Alkylhalogenid sein kann.
Wegen der großen Anzahl von ungleichen Ausgangsaminen und -alkylierungsmitteln gibt es viele Variationen beim Endprodukt.
Quartäre Ammoniumverbindungen werden üblicherweise in Ausrüstungen aus Edelstahl oder mit Glasauskleidung hergestellt. Das Amin und Lösungsmittel, z. B. Isopropylalkohol, Wasser oder beide, werden in den Reaktor eingebracht und auf eine geeignete Temperatur erwärmt (üblicherweise 80–100°C) und anschließend wird das Alkylierungsreagenz zugegeben. Die Quarternisierung der tertiären Amine mit Alkylhalogeniden ist bimolekular. Die Reaktionsgeschwindigkeit wird durch eine Zahl von Faktoren, einschließlich der Basizität des Amins, sterischer Effekte, der Reaktivität des Halogenids und der Polarität des Lösungsmittels, beeinflusst. Polare Lösungsmittel fördern die Umsetzungen, indem sie die ionischen Intermediate und Produkte stabilisieren.
Verfahren zur Herstellung von quartären Aminen sind dem Fachmann wohlbekannt. Allgemein können wirksame quartäre Amine gebildet werden, indem das Hydroxyalkylamin und Alkylhalogenid oder eine andere wasserlösliche quartäre Aminverbindung auf Temperaturen bis zu 120°C, vorzugsweise zwischen 65°C und 120°C, erwärmt werden. Die Reaktanten werden bis zu 10 Stunden auf der gewünschten Temperatur gehalten und vorzugsweise von 2 bis 10 Stunden oder bis die Reaktion beendet ist. Allgemein ist die Reaktion beendet, sobald der Wert des tertiären Amins etwa Null ist. Dieser Punkt kann durch geeignete analytische Techniken bestimmt werden.
Die Additive sind in den Bohrspülungen der Erfindung in Konzentrationen enthalten, die ausreichend sind, um die vorliegenden Tonquellungsprobleme zu behandeln. Konzentrationen zwischen 0,5 Pfund pro Barrel (ppb) und 10 ppb werden allgemein in Erwägung gezogen und als funktionell wirksam angesehen. Jedoch können in manchen Situationen viel höhere Konzentrationen zur Steuerung des Quellens von Tonen in Untergrundformationen erwünscht sein.
Es ist wesentlich, dass die Bohrspülung, die letztendlich für eine Verwendung in einer beliebigen spezifischen Bohrlochanwendung ausgewählt und formuliert wird, für die Bedingungen des Bohrlochs geeignet ist. Daher könen, auch wenn die Grundbestandteile die gleichen bleiben, d. h. Salz- oder frisches Wasser und die Bohrspülungsadditive, andere Komponenten zugefügt werden.
Insbesondere Materialien, die im Allgemeinen als Geliermittel, Verdünnungsmittel, Mittel zur Steuerung bzw. Kontrolle des Fluidverlustes bzw. Flüssigkeitsverlustes und Beschwerungsmaterialien bzw. Gewichtsmaterialien bezeichnet werden, werden typischerweise zu Bohrspülungsformulierungen auf Wasserbasis zugegeben. Von diesen zusätzlichen Materialien kann jedes zu der Formulierung in einer Konzentration zugegeben werden, wie sie rheologisch und funktional durch die Bohrbedingungen erforderlich ist. Typische Geliermittel, die in Bohrspülungen auf wässriger Basis verwendet werden, sind Bentonit(-), Sepiolit(-) und Attapulgit-Tone und anionische wasserlösliche Polymere mit hohem Molekulargewicht, wie partiell hydrolysierte Polyacrylamide.
Die Bohrspülungen der vorliegenden Erfindung enthalten auch ein Beschwerungsmaterial bzw. Gewichtsmaterial. Materialien, die sich als brauchbar als Beschwerungsmaterial gezeigt haben, umfassen Galena (PbS), Hämatit (Fe₂O₃), Magnetit (Fe₃O₄), Eisenoxid (Fe₂O₃) (hergestellt), Illmenit (FeO·TiO₂), Baryt (BaSO₄), Siderit (FeCO₃), Zölestin (SrSO₄), Dolomit (CaCO₃ MgCO₃) und Calcit (CaCO₃). Das Beschwerungsmaterial wird zu der Bohrspülung in einer funktionell wirksamen Menge zugegeben, die in hohem Maße von der Natur der Formation, in die gebohrt wird, abhängt. Beschwerungsmaterialien sind typischerweise nur in Bohrspülungen vorhanden, und man findet sie nicht allgemein bei Bohrlochbehandlungs- und Reizfluiden bzw. Stimulierungsflüssigkeiten, wie Fracturing-Fluiden bzw. -flüssigkeiten. Bei Fracturing-Fluiden wird die Verwendung von Beschwerungsmaterialien besonders aus funktionellen Gründen vermieden.
In ähnlicher Weise hat es sich als vorteilhaft erwiesen, Lignosulfonate als Verdünnungsmittel für Bohrspülungen auf Wasserbasis zuzugeben. Typischerweise werden Lignosulfonate, modifizierte Lignosulfonate, Polyphosphate und Tannine zugegeben. In anderen Ausführungsformen können Polyacrylate mit niedrigem Molekulargewicht ebenfalls als Verdünnungsmittel zugegeben werden. Verdünnungsmittel werden einer Bohrspülung zugegeben, um den Strömungswiderstand zu verringern und Geliertendenzen zu kontrollieren bzw. steuern. Andere Funktionen, die von Verdünnungsmitteln ausgeübt werden, umfassen: sie verringern Filtration und Kuchendicke, sie wirken den Effekten von Salzen entgegen, sie minimieren die Wirkungen von Wasser auf die gebohrten Formationen, sie emulgieren Öl in Wasser, und sie stabilisieren die (Bohr-)Schlammeigenschaften bzw. Mudeigenschaften bei erhöhten Temperaturen.
Wie vorstehend erwähnt, enthält die Bohrspülung dieser Erfindung eine Beschwerungsmaterial bzw. Gewichtsmaterial. Die Menge hängt von der gewünschten Dichte der Endzusammensetzung ab. Die am meisten bevorzugten Beschwerungsmaterialien umfassen Baryt, Hämatit, Calciumcarbonat, Magnesiurncarbonat und dergleichen, sie sind jedoch nicht darauf beschränkt.
Schließlich können anionische Mittel zur Steuerung bzw. Kontrolle des Fluidverlustes bzw. Flüssigkeitsverlustes, wie modifiziertes Lignit, Polymere, modifizierte Stärken und modifizierte Cellulosen zu der Bohrspülung dieser Erfindung auf Wasserbasis zugegeben werden.
Wie angegeben, werden die Additive, die in den Bohrspülungen der Erfindung enthalten sind, so ausgewählt, dass sie eine niedrige Toxizität haben und mit herkömmlichen anionischen Bohrspülungsadditiven, wie polyanionischer Carboxymethylcellulose (PAC oder CMC), Polyacrylaten, partiell hydrolysierten Polyacrylamiden (PHPA), Lignosulfonaten, Xanthanlösung bzw. Xanthangummi etc., kompatibel bzw. verträglich sind.
Mehrere Ausführungsformen wurden zur Verwendung in den folgenden Beispielen hergestellt. Mehrere Kondensatproben wurden unter Verwendung verschiedener Katalysatoren, wie angegeben, hergestellt.
Triethanolaminmethylchlorid wurde durch Vermischen von 60 g Triethanolamin mit 20 g destilliertem Wasser hergestellt. 20 g Methylchlorid wurde dann zu der Lösung zugegeben. Die Lösung wurde für etwa 6 Stunden bei etwa 65°C erwärmt. Nach Beendigung der Reaktion wurde überschüssiges Methylchlorid verdampft. Von dem Reaktionsprodukt nimmt man an, dass es folgendes ist:
In einer alternativen Ausführungsform wurde ein verbessertes Bohrspülungsadditiv durch Umsetzung von Triethanolamin mit N,N,N-Trimethyl-2-hydroxy-3-chlorpropan-ammoniumchlorid unter Bildung eines wasserlöslichen Diquats gebildet. Die Umsetzung wurde allgemein gemäß der Arbeitsweise durchgeführt, die vorstehend für die Herstellung des Triethanolamin-methylchlorids angegeben ist. Die Reaktanten haben die folgenden Formeln:
Von dem resultierenden Produkt geht man davon aus, dass es die folgende Struktur hat:
Kondensate von Triethanolamin wurden unter Verwendung verschiedener Katalysatoren hergestellt, gefolgt von einer Quarternisierung der Kondensate. Im Allgemeinen wurden die Kondensatproben durch Vermischen von 200 g Triethanolamin mit 1 bis 10 Gew.-% des Katalysators hergestellt. Die bei der Herstellung der Proben verwendeten Katalysatoren waren Natriumhydroxid, Zinkchlorid und Calciumchlorid.
Im Allgemeinen wurden die Gemische für mehrere Stunden zwischen 100°C bis 250°C erwärmt, bis die gewünschte Kondensation erreicht war. Das Kondensationswasser wurde während der Reaktion herausdestilliert. Die Triethanolaminkondensate wurden dann gemäß der Arbeitsweise quarternisiert, die für die Herstellung des oben beschriebenen Triethanolaminmethylchlorids angegeben ist.
Die folgende Tabelle fasst die in den folgenden Beispielen diskutierten Proben zusammen.
TABELLE 1
Die folgende Tabelle fasst die Viskositäten der Triethanolaminkondensate und der Katalysatoren, die bei der Herstellung der Proben 2 bis 7 (Vergleich) verwendet wurden, zusammen.
TABELLE 2
Die in Tabelle 2 angegebenen Viskositäten beziehen sich auf die Triethanolaminkondensate vor der Quarternisierung mit Methylchlorid.
Die folgenden Beispiele werden zu dem Zwecke vorgelegt, die Toxizitäts- und Leistungseigenschaften der vorliegenden quarternisierten Trihydroxyalkylamine und deren Kondensate zu veranschaulichen. Die Tests wurden gemäß den Arbeitsweisen in API Bulletin RP 13B-2, 1990 durchgeführt. Die folgenden Abkürzungen werden manchmal bei der Beschreibung der in den Beispielen diskutierten Ergebnisse verwendet:
„PV" bezeichnet die plastische Viskosität, die eine Variable ist, die bei der Berechnung von Viskositätseigenschaften einer Bohrspülung verwendet wird.
„FP" bezeichnet den Fließpunkt bzw. die Fließgrenze, der bzw. die eine andere Variable ist, die bei der Berechnung von Viskositätseigenschaften von Bohrspülungen verwendet wird.
„GELS" ist ein Maß für die Suspendiereigenschaften und die thixotropen Eigenschaften einer Bohrspülung.
„F/V" ist der API-Fluidverlust bzw. API-Flüssigkeitsverlust, und er ist ein Maß für den Fluidverlust bzw. Flüssigkeitsverlust (in ml) der Bohrspülung bei 100 psi (690 kPa).
Beispiel 1
Die Testergebnisse zeigen an, dass signifikante Verringerungen beim Quellen von Ton durch Zugabe der quartären Trihydroxyalkylamine der vorliegenden Erfindung zu Bohrspülungen erreicht werden können. Das folgende Experiment zeigt die Inhibierung von Bentonitton. Die Verringerung beim Fließpunkt und bei der Viskosität zeigt die Inhibierung des Tons an.
Das Experiment wurde durch Zugabe von 8 g der Testprobe zu 330 ml destilliertem Wasser durchgeführt. 50 g API-Monogramm-Bentonitton wurden dann zu der Lösung zugegeben, und das Gemisch wurde für 30 Minuten in einem Hamilton-Beach-Mischer einer Scherung ausgesetzt. Die Rheologie wurde mit einem Viskosimeter gemäß der oben beschriebenen API-Arbeitsweise gemessen. Die Kontrolle enthielt nur den Bentonitton und destilliertes Wasser. Die Ergebnisse sind unten in Tabelle 3 zusammengefasst.
TABELLE 3 Rheologie @ 75F.
Beispiel 2
Proben der Additive, die in den Bohrspülungen enthalten sind, wurden ebenfalls auf ihre Kompatibilität mit herkömmlichen anionischen Bohrspülungskomponenten getestet. Eine 1–2%ige Lösung von anionischen Polymeren (PAC NV – Natriumcarboxymethylcellulose niedriger Viskosität und PHPA – partiell hydrolysiertes Polyacrylamid) wurde in destilliertem Wasser hergestellt. 30%ige wässrige Lösungen der obigen Additive wurden zu den Polymerlösungen zugegeben. Die Ausfällung der anionischen Polymeren aus der Lösung zeigte eine Nichtkompatibilität bzw. Nichtverträglichkeit der Proben mit anionischen Polymeren an. Die Ergebnisse des Experiments sind in der folgenden Tabelle zusammengefasst.
TABELLE 4
Es sei angemerkt, dass die Proben 2 und 6, Polymere, die unter Einsatz des Natriumhydroxidkatalysators kondensiert wurden, eine Kompatibilität mit anionischen Bohrspülungskomponenten zeigten. Die säurekatalysierten Polymerproben 3, 4, 5 und 7 waren mit anionischen Komponenten nicht kompatibel. Sobald diese Eigenschaft bei der Herstellung der Polymeren identifiziert worden ist, kann der Fachmann durch Routine-Screening andere geeignete Katalysatoren identifizieren, die die kondensierten quartären Trihydroxyalkylamine mit der Eigenschaft einer Kompatibilität mit anionischen Polymeren erzeugen.
Beispiel 3
Es wurden Tests durchgeführt, um die mit der Verwendung der Proben 1 bis 9 verbundenen Toxizitätswerte zu bewerten. Die Umweltschutzbehörde der Vereinigten Staaten hat einen Mysid-Shrimps-Bioassay als Mittel zur Bewertung der Meerwassertoxizität von Bohrspülungen festgelegt. Eine genaue Darstellung der Arbeitsweise zur Messung der Toxizität von Bohrspülungen ist in Duke, T. W., Parrish, P. R., „Acute Toxicity of Eight Laboratory Prepared Generic Drilling Fluids to Mysids (Mysidopsis)" 1984 EPA-600/3-84-067 beschrieben.
Im Zusammenhang mit dieser Anmeldung ist der Begriff „niedrige Toxizität" so zu verstehen, dass er sich auf eine Bohrspülung mit einem LC₅₀-Wert von mehr als 30.000 ppm mittels des Mysid-Shrimps-Tests bezieht. Obwohl 30.000 die für die Zwecke der Bewertung verwendete Anzahl war, sollte sie nicht als Begrenzung für den Umfang dieser Erfindung angesehen werden. Vielmehr legen die Tests den Zusammenhang für die Verwendung des Begriffs „niedrige Toxizität" dar, wie er in der vorliegenden Erfindung verwendet wird, was vom Fachmann leicht nachvollzogen werden kann. Andere LC₅₀-Werte können in verschiedenen Umgebungseinstellungen brauchbar sein. Ein LC₅₀-Wert von mehr als 30.000 ist mit einem „umweltverträglichen" Produkt gleichgesetzt worden. Jede Probe wurde bei einer Konzentration von 5 lbs/bbl in Generic Muc #7 (generischer (Bohr-)Schlamm) auf ihre Toxizität getestet. Die Ergebnisse der 96 Stunden-Toxizitätstests sind unten angegeben.
TABELLE 5
Die Werte in Tabelle 4 und 5 zeigen an, dass die Proben, die mit anionischen Polymeren kompatibel bzw. verträglich sind, nichttoxisch sind, während die Verbindungen, die mit anionischen Polymeren nicht verträglich sind, toxisch sind.
Beispiel 4
Bohrspülungen wurden hergestellt, um sie auf ihre Wirksamkeit in einem simulierten Bohrspülungssystem zu testen. Die Bohrspülungen wurden unter Verwendung herkömmlicher Bohrspülungsadditive hergestellt, und es wurden drei Tests durchgeführt.
Bohrspülung #1 enthielt 40 Pfund pro Barrel Bentonitton zusätzlich zu anderen Bohrspülungsadditiven. Nach Wärmealterung bei 150°F waren die Viskositäten zu hoch, um sie zu messen, was eine nicht brauchbare Bohrspülung bedingt durch die Hydration der Tone anzeigt. Bohrspülung #2 enthielt 33,8 Pfund pro Barrel Kaliumchlorid und 10 Pfund pro Barrel vorhydratisierten Bentonit. Selbst ohne extra Bentonit waren die Rheologien höher als für Bohrspülung #3, die vorhydratisierten Bentonit sowie 40 Pfund pro Barrel Bentonit enthielt. Die Rheologietests für Bohrspülung #3 zeigen an, dass die quartären Trihydroxylalkylamine das Quellen des Bentonits in einem simulierten Bohrspülungssystem verhinderten. Die Komponenten der drei Bohrspülungen sind unten in Tabelle 6 dargelegt.
TABELLE 6
Tabelle 7 fasst die Rheologietests für die drei Bohrspülungen zusammen.
TABELLE 7 Rheologie
Beispiel 5
Es wurden Bohrspülungen hergestellt, um die Herstellung von Bohrspülungssystemen zu veranschaulichen, wobei die beanspruchten Erfindungen bei hohen Konzentrationen verwendet werden. Die Bohrspülungen wurden unter Verwendung herkömmlicher Bohrspülungsadditive hergestellt, die in dieser Arbeit vorstehend beschrieben sind. Tabelle 8 listet die Zusammensetzung des Fluids A auf, das das beanspruchte Material Cholinchlorid bei hoher Konzentration enthält.
TABELLE 8 Zusammensetzung des Fluids A
Fluid A wurde auf die folgende Weise hergestellt. Ein wasserenthaltendes Einpint-Gefäß („jar") wurde unter einen von einer Welle angetriebenen Mischapparat gestellt, der bei verschiedenen Geschwindigkeiten vermischen konnte. Bei einer geeigneten Rührgeschwindigkeit wurden das Xanthangummi-Biopolymere, PAC-NV und PHPA zum Wasser zugegeben und für insgesamt 30 Minuten bei Raumtemperatur gerührt. Das Gefäß wurde dann aus dern Mischapparat entfernt, abgedichtet und dynamisch in einem Ofen bei 150°F für 16 Stunden wärmegealtert. Nach Entfernung aus dem Ofen wurde das Gefäß unter den Mischapparat gestellt, und das Cholinchlorid (aq) wurde unter Rühren bei einer geeigneten Schergeschwindigkeit zugegeben, die für 15 Minuten nach der Zugabe fortgesetzt wurde. Der Baryt wurde zugegeben, und die Probe wurde zusätzliche 30 Minuten umgerührt, unter Herstellung einer Bohrspülung mit einer Dichte von 12 Pfund pro Gallone.
Die in Tabelle 9 gezeigten Werte beziehen sich auf Fluid A, das dynamisch bei 150°F für 16 Stunden nach seiner vollständigen Herstellung gealtert wurde. Die Rheologien von Fluid A wurden bei 120°F unter Verwendung eines Model 35 Fann Viscometer (Viskosimeter) gemessen.
TABELLE 9 Eigenschaften des Fluids A
Die Werte in Tabelle 9 zeigen, dass wirksame Bohrspülungen, die die erwünschten Eigenschaften einer guten rheologischen Steuerung und einer ausgezeichneten Steuerung des Fluidverlustes durch die Verwendung von leicht erhältlichen Bohrspülungsadditiven besitzen, leicht mit hohen Konzentrationen an in dieser Arbeit beanspruchten Materialien hergestellt werden.

Claims

Bohrspülung auf Wasserbasis zur Verwendung in Bohrlöchern durch eine Formation, die einen Ton enthält, der in Anwesenheit von Wasser quillt, wobei die Bohrspülung umfasst: (a) ein Beschwerungsmaterial; und (b) das Reaktionsprodukt von (i) einem tertiären Amin, bei dem es sich um Dimethylethanolamin handelt und welches die folgende Formel hat:
wobei sowohl R₁ als auch R₂ Methylgruppen sind und R₃ eine Hydroxyethylgruppe ist, mit (ii) einem Alkylhalogenid der folgenden allgemeinen Formel R-X wobei R eine Methylgruppe ist und X ein Halogen ausgewählt aus Chlor, Brom, Iod oder Kombinationen davon ist, wobei das Reaktionsprodukt weiterhin gekennzeichnet ist durch (1) eine niedrige Toxizität bei Bewertung durch den Mysid-Shrimps-Test und (2) eine Kompatibilität bzw. Verträglichkeit mit anionischen Bohrspülungskomponenten, dadurch nachgewiesen, dass es in Anwesenheit von anionischen Polymeren kein Fällungsmittel ergibt, wobei das Reaktionsprodukt in ausreichender Konzentration vorliegt, um das Quellen des Tons zu verringern.
Bohrspülung nach Anspruch 1, wobei X Chlor ist.
Bohrspülung nach Anspruch 1, wobei das Beschwerungsmaterial aus Baryt, Hämatit, Eisenoxid, Calciumcarbonat, Magnesiumcarbonat und Kombinationen davon ausgewählt ist.
Bohrspülung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Reaktionsprodukt Cholinchlorid ist.
Bohrspülung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Reaktionsprodukt in einer Menge zwischen etwa 2.513 und 50.266 kg/m³ (etwa 0,5 und 10 Pfund pro Barrel) vorliegt.
Verfahren zur Verringerung des Quellens von Ton in einem Bohrloch, wobei das Verfahren das Zirkulieren einer Bohrspülung auf Wasserbasis in dem Bohrloch umfasst, wobei die Bohrspülung umfasst: (a) ein Beschwerungsmaterial; und (b) eine funktionell wirksame Konzentration eines Addititvs, das aus dem Reaktionsprodukt eines (i) tertiären Amins, wobei es sich um Dimethylethanolamin handelt und welches die folgende Formel hat:
wobei sowohl R₁ als auch R₂ Methylgruppen sind und R₃ eine Hydroxyethylgruppe ist, mit (ii) einem Alkylhalogenid der folgenden allgemeinen Formel R-X wobei R eine Methylgruppe ist und X ein Halogen ausgewählt aus Chlor, Brom, Iod oder Kombinationen davon ist, gebildet ist, und wobei das Reaktionsprodukt weiterhin gekennzeichnet ist durch (1) eine niedrige Toxizität bei Bewertung durch den Mysid-Shrimps-Test und (2) eine Kompatibilität bzw. Verträglichkeit mit anionischen Bohrspülungskomponenten, dadurch nachgewiesen, dass es in Anwesenheit von anionischen Polymeren kein Fällungsmittel ergibt, wobei das Reaktionsprodukt in ausreichender Konzentration vorliegt, um das Quellen des Tons zu verringern.
Verfahren nach Anspruch 6, wobei X Chlor ist.
Verfahren nach Anspruch 6, wobei das Beschwerungsmaterial aus Baryt, Hämatit, Eisenoxid, Calciumcarbonat, Magnesiumcarbonat und Kombinationen davon ausgewählt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 8, wobei das Reaktionsprodukt Cholinchlorid ist.