JP6912151B2 - エステル化された廃植物油からの、坑井掘削流体のための環境に配慮した乳化剤合成 - Google Patents

エステル化された廃植物油からの、坑井掘削流体のための環境に配慮した乳化剤合成 Download PDF

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Description

優先権の主張
本出願は、2017年7月27日に出願されると共に発明の名称「坑井掘削流体のための、エステル化された廃植物油からの環境に配慮した乳化剤の合成」である米国仮特許出願第62/537572号、及び2018年7月23日に出願されると共に発明の名称「坑井掘削流体のための、エステル化された廃植物油からの環境に配慮した乳化剤の合成」である米国特許出願第16/042,723号の優先権を主張し、その内容は、参照により本明細書に組み込まれる。
技術分野
本願は、エステル化された廃植物油(以下、「エステル化廃植物油」と記す)からの、坑井掘削システムのための環境に優しい乳化剤の合成に関する。
坑井掘削の作業は、いくつかの目的のために坑井掘削流体を使用し、該目的は、例えば、ドリルビットを冷却すること、又は坑井の内部から地表に坑井の掘削物を輸送することを含む。掘削流体は、また、掘削孔を掘削しながら、ドリルストリングのための潤滑媒体として作用することによって、掘削ストリングとケーシング、掘削孔壁、又はその両方との間の摩擦を低減するために使用される。掘削流体は、カテゴリ、例えば油性の掘削流体又は水性の掘削流体に分けられることができる。時には、添加剤が、掘削流体の特性を向上させるために、掘削流体のカテゴリのいずれか又は両方に添加される。
本願は、掘削流体、例えば油性掘削流体、のための、エステル化廃植物油からの環境に優しい乳化剤合成を説明する。
ここで説明された主題のある態様は、方法として実施されることができる。原料の廃植物油が、原料廃植物油のメチルエステルを生成するためにエステル化される。苛性ソーダ溶液がメチルエステルに添加されて、その結果、混合物になる。混合物は熱処理される。混合物のpHが調整されて、その結果、水相及び非水相の形成になる。水相が、非水相から分離される。
この態様及び他の態様は、以下の特徴のうちの1又は複数を含むことができる。苛性ソーダ溶液は、溶媒に溶解されたアルコキシドを含むことができる。アルコキシドは、水酸化ナトリウムを含むことができる。溶媒は、水を含むことができる。混合物は、混合物を熱処理している間中に撹拌されることができる。混合物が、室温より高い温度へ加熱されることができる。温度は、実質的に60℃であることができる。酸が、混合物のpHを調整するために添加されることができる。酸は、実質的に31容積%の塩酸であり得る。混合物の調整されたpHは、実質的に4と5との間であり得る。
本明細書において説明された主題のいくつかの態様は、方法として実施されることができる。廃植物油のメチルエステルのエステル基が、廃植物油の乳化剤を生成するために切断される。苛性ソーダ溶液が、メチルエステルに添加されて、結果として、混合物になる。混合物は、実質的に60℃において熱処理される。混合物のpHは、酸を加えることによって調整される。水相及び非水相が、酸の添加に応答して形成される。水相が、非水相から分離される。
本明細書で説明された主題の1又は複数の実施の詳細は、添付図面及び説明に記載される。主題の他の特徴、態様及び利点は、明細書、図面及び特許請求の範囲から明らかになるであろう。
図1は、掘削流体循環システムの概略図であり、
図2は、ドリルストリングと、該ドリルストリング及び坑井の間のアニュラスとを通して流れる掘削流体を示す概略図である。
図3は、エステル化された廃植物油を用いて乳化剤を生産する例示的なプロセスのフローチャートである。
図4は、エステル化された廃植物油を生産するプロセスの一例を示すフローチャートである。
様々な図面における同様の参照番号及び名称は、同様の要素を示す。
水性の掘削流体は、坑井の高圧及び高温(HPHT)の特定セクションのための実行可能な掘削流体選択肢ではない場合がある。このようなHPHTセクションについては、転化(invert)エマルジョンの油性泥(OBM)は、掘削流体として使用されることができる。シェール形成物は水に敏感であって、水に接触すると膨潤し、分解し、崩壊し得る。この理由から、OBMは、非常に反応性の高いシェールセクションを掘削するときに掘削流体として使用されて、該シェールセクションを安定化させる。転化エマルジョンOBM又は100%油性の掘削流体といった、いくつかの油性掘削流体は、油中において水の安定なエマルジョンを生成するための乳化剤を含む。乳化剤は、親水性頭部基及び疎水性尾部(例えば、長鎖の疎水性尾部)を有する一種の界面活性剤である。乳化剤は、水相と油相との間の界面張力を減少させて、掘削流体の安定性を達成することができる。トール油脂肪酸(TOFA)は,油性掘削流体、例えば転化エマルジョンOBMにおいて使用される乳化剤の例示的なクラスである。
本願は、転化エマルジョンOBMといった、油性掘削流体に使用することができる環境に優しい乳化剤を説明する。環境に優しい乳化剤は、例えば食品産業から取得されることができる植物油、特に、使用済み又は加工された植物油を用いて調製される。植物油は、植物から抽出されたトリグリセリドである。トリグリセリドは、グリセロールと3つの脂肪酸とのエステルである。供給源に依存して、植物油は、異なるタイプの脂肪酸の混合物、例えば飽和、一価不飽和、多価不飽和、オメガ3、オメガ6又はオメガ9脂肪酸の混合物を含有する。調理に通常使用される植物油(例えば、オリーブ油、パーム油、ヒマワリ油、コーン油、又はピーナッツ油)の大部分は、これらの脂肪酸の1つ、複数又は全てを含有する。これらの異なるタイプの脂肪酸の存在は、植物油を掘削流体のための乳化剤の有望な供給源にする。調理のために使用されまた廃棄物として処分されてきた植物油は、乳化剤合成のための持続可能な供給源として使用されることができるであろう。未使用又は未処理の植物油も、また、ここで説明された乳化剤合成に使用されることができる。
図1は、掘削流体循環システム10の概略図である。図2は、ドリルストリング12、及びドリルストリング12と坑井50との間のアニュラス40を通って流れる掘削流体を示す概略図である。掘削リグを使用する坑井掘削状況では、掘削流体循環システム10が、1又は複数の泥水ポンプを用いて掘削流体(例えば、掘削泥)を循環させる(又は送り込む)。掘削流体循環システム10は、ドリルストリング12と、ドリルストリング12に接続されたドリルカラー(drill collar)とを介して掘削流体(泥、F)を下方に移動させて坑井50内に入れる。掘削流体は、ドリルビットにおけるポート(流出口)を通って出て、掘削物Cを拾い上げ、坑井50の掘削物を運ぶ。図1に見られるように、泥ポンプ30は、掘削流体Fを、泥タンク22から吸い込んで、排出管24から外に、スタンドパイプ26を用いて上に、回転ホース28を通して、ケリードライブ又はトップドライブユニット31を介し、そして図2に示されるように、ドリルストリング12の中央孔、ドリルカラー及びドリルビット内に送り出す。掘削流体F及び掘削物Cは、アニュラス40の表面に戻った。該表面では、掘削流体及び掘削物が出口(図示せず)を通って坑井50から去って、図1に見られるように、掘削物除去システムに泥戻りライン60を介して送られる。戻りラインの端部では、掘削流体F及び切削物Cが、振動ふるい、例えばシェールシェーカー62上に流された。より微細な固体は、サンドトラップ64を用いて除去されることができる。掘削流体は、化学薬品タンク66内に貯蔵された化学薬品を用いて処理され、次いで泥タンク22内に供給され、ここではこの処理が繰り返されることができる。
掘削流体循環システム10は、掘削リグ作業のために大量の掘削流体を加圧下で配送する。循環システム10が、掘削流体をドリルステムに配送して、ドリルストリング12を流れ落ちて、ドリルステムの下端に付加されたドリルビットを通って流出する。ドリルビットを冷却することに加えて、掘削流体は、破片、岩屑、及び切削物を油圧によって洗い流し、破片、岩屑、及び切削物は、ドリルビットが坑井50内に前進するにつれて発生される。これ故に、掘削流体は、要素となる掘削運転の重要な部分であり、異なる掘削作業において、例えばバランス掘削又はオーババランス掘削の下で、例えば回転式、コイルドチュービング、又はケーシングとしての構成掘削システム部品を通って流されることができ、いくつかの機能的タスクを実行すると共に安全、トラブル無しの経済的な掘削を容易にする。
図3は、エステル化廃植物油を用いて乳化剤を製造する例示的なプロセス300のフローチャートである。いくつかの実施では、乳化剤が、他の坑井流体、例えば、破砕流体、仕上げ流体、刺激流体(stimulation fluid)、又はそれらの組み合わせにおいて使用されることができる。302において、エステル化廃植物油が得られる。いくつかの実施では、廃植物油のメチルエステルが得られる。例えば、廃植物油(すなわち、既に調理に使用された植物油)が、廃植物油中に見出された植物油脂肪酸及びその誘導体のメチルエステルを調製するために、エステル化される。
304において、苛性ソーダ溶液が、廃植物油のメチルエステルに添加される。苛性ソーダ溶液を添加すると、反応混合物を懸濁液に変化させる。いくつかの実施では、苛性ソーダ溶液が、ある量の水酸化ナトリウムを水に溶解することによって調製されることができる。或いは、他のアルカリ水酸化物が、苛性ソーダ溶液を調製するために水に溶解されることができる。いくつかの実施では、苛性ソーダ溶液が、ある期間にわたって廃植物油のメチルエステルに添加されることができる。苛性ソーダ溶液は、最適な速度で添加されることができる。例えば、毎分1ミリリットルの速度で苛性ソーダ溶液を添加することは、場合によっては最適な速度であり得る。速い添加によれば、直ちに懸濁液を形成することになるので、メチルエステルの乳化剤への植物油の転化率に影響を及ぼし、これはメチルエステルとの苛性ソーダ反応を妨げることになる。
306では、混合物が熱処理される。いくつかの実施では、混合物は、特定の持続時間の期間に、6時間の期間に室温よりも高い温度において、かき回して混ぜられる(又は撹拌される)ことができる。撹拌することにより、苛性ソーダとメチルエステルとの間の接触を促進し、また接触を増加させる。該温度において加熱すると、反応混合物のブラウン運動を生成し、また反応速度論の進行を速める。
308において、熱処理された混合物は、静止状態に維持される。いくつかの実施では、熱処理された混合物の撹拌及び加熱が、混合物が室温に冷却することを可能にするために停止される。そのとき、混合物に対して実行されることができる他の動作はない。混合物を静止状態に維持すると、メチル基を開裂することを可能になって、結果として乳化剤になる。
310では、水が、油相及び水相を分離するために反応混合物に添加されて、それによって乳化剤を単離する。水の体積は、反応のために最初に取られた油の体積の15〜30%であることができる。
312では、混合物のpHが調整される。いくつかの実施では、該pHは、油相が反応混合物から分離するレベルに混合物のpHが達するまで反応混合物に酸を添加することによって、調整される。
314において、非水相と水相とが分離される。いくつかの実施では、2つの相は、最初に反応混合物を分離フラスコに移すことによって分離し、分離フラスコから水相が除去される。いくつかの実施では、追加の水が、水を通し(wash)また非水相中における残存の無機塩に無機塩を除去するために、分離フラスコに加えられることができる。エマルジョンと一緒の残りの非水相は、エマルジョンが脱泡することを可能にするために、静止状態に放置される。脱泡は、水をさらに放出することがあり、該水は、前述のように除去されることができる。既に泡が除去された非水相は、乳化剤として利用可能である。
図4は、エステル化廃植物油を製造する例示的なプロセス400のフローチャートである。例えば、プロセス400を実施することによって生産されたエステル化廃植物油は、プロセス300を実施することによって乳化剤を生成するために使用されることができる。いくつかの実施では、添加剤が、坑井流体、例えば掘削流体(具体的には、油性掘削流体)、破砕流体、仕上げ流体、刺激流体、又はそれらの組合せに使用されることができる。
402においては、脂肪酸を含む廃植物油が取得されるいくつかの実施では、廃植物油は、食品産業によって副産物として生成された加工植物油であってもよい。
本願を通して、用語「実質的に」は、開示された量から5%の許容される偏差を表す。廃植物油は、多段速度回転粘度計を用いて測定された実質的に50センチポアズ(cP)又は60.8cPをより大きい塑性粘度を有することができる。廃植物油は、実質的に10(例えば、実質的に11.18)より大きい塑性粘度比を有することができ、塑性粘度比は、鉱油への廃植物油の比である。廃植物油は、Safra(Jeddah, Saudi Arabia)によって製造され沖合掘削のために使用されたうってつけの精製油の塑性粘度に対して、実質的に20より大きな塑性粘度比を有することができる。Safraは精製鉱油である。廃植物油は、Safraによって製造され沖合掘削のために使用されたうってつけの精製油に対して、実質的に24.12の塑性粘度比を有することができる。廃植物油は、油性の掘削流体配合物のために使用される鉱油の塑性粘度に対して、実質的に10より大きな塑性粘度比を有することができる。これらの油は、鉱油の塑性粘度が予想通りの精製鉱油のものより大きいけれども、10cP辺りの非常に似た粘度値を有する。鉱油は、市場における鉱油として購入されることができる。精製鉱油は、海洋掘削にも使用されるSafra油と呼ばれる。
廃植物油は、短鎖アルコールを有する脂肪酸を含むことができる。短鎖アルコールは、メタノール、エタノール、プロパノール、ブタノール、又はそれらの組み合わせのうちの少なくとも1又はより多くを含むことができる。脂肪酸は、平均して実質的に16個の炭素原子から20個未満の炭素原子までの分子を含むことができる。
404において、不純物が廃植物油から除去される。不純物、例えば食品残渣は、廃植物油の機能能力を低下させることがある。いくつかの実施では、廃植物油が、低圧、例えば、実質的に平方インチ当たり5ポンド(PSI)から実質的に10PSIの圧力範囲、においてフィルタ処理され、例えば迅速にクイックフィルタ処理されることができる。不純物は、代替又は追加の方法を用いて廃植物油から除去されることができる。
406において、原料廃油は、エステル化される。いくつかの実施では、原料廃油が触媒の存在下でエステル化されて、アルキルエステル生成物及びトリグリセリドを生成する。触媒は、水酸化ナトリウム、水酸化カリウム、ナトリウムアルコキシド、カリウムアルコキシド、又はそれらの組み合わせの少なくとも1つを含むことができる。例えば、廃植物油は、水酸化ナトリウムの存在下においてメタノールでエステル化されることができる。408では、アルキルエステル生成物及びトリグリセリドが分離される。エステル化廃植物油を製造するプロセス400の一部を実施するための例示的な技術が、以下に記載される。代替技術が、エステル化廃棄植物油を製造するために実施されることができる。
不純物及び過剰な水の除去
低圧フィルタ処理セルが、植物油中に存在する不純物、例えば、燃えた食品残渣及び未燃の食品残渣を除去するために使用されることができる。低圧フィルタ処理セルは、5ミクロン(μm)より大きい不純物を除去するために、5μm未満であった細孔サイズを有する濾紙を含むことができる。5〜10PSIの定圧が、ある体積の廃棄植物油の迅速なフィルタ処理のために、低圧セルに対して使用されることができる。廃植物油から全不純物及び過剰の水を除去する能力を有する他のフィルタ処理媒体、吸着剤、又はその両方が、低圧濾過セルの代替物として、又は低圧フィルタ処理セルに加えて使用されることができる。例えば、多セルシフタ処理装置が、不純物を除去するために使用されることができる。
触媒量の特定
廃植物油を処理するために必要な触媒の量は、滴定法によって決定されることができる。そうするために、例えば1ミリリットル(mL)の廃植物油が、純度99.2体積%のイソプロピルアルコール10mLと混合されることができる。この混合物に対して、2〜3滴の指示薬流体(例えば、フェノールフタレイン)が添加されることができる。指示薬流体は、色がピンク色に変わるまで、撹拌された廃植物油に滴下により添加されることができる。終点後、混合物は、ピンク色の永続性をチェックするために、しばらくの間、撹拌されることができる。滴定試験は、終点に到達するために必要な触媒の平均量を計算するために、3回繰り返されることができる。滴定試験結果に基づき水酸化ナトリウム(NaOH)の平均値を特定した後に、一定値(例えば、3.5グラム(g))が添加されることができ、廃植物油1リットル(L)に必要な触媒の総量(例えば、4.18g〜4.22g)を特定する。トリグリセリドを除去するためのエステル化
廃植物油の粘度は、メタノールを用いて基油をエステル化することによって、鉱油粘度(約12cP)に適合するように低下されることができる。そうするために、ある体積のメタノール、例えば元廃植物油体積の20%、及びNaOHの質量(例えば、廃植物油1リットル当たり4.22gのNaOH)が、磁気撹拌機を用いて非常に乾燥した状態(検出可能な量の水が無し)において混合され、次いで、容器内において廃植物油に加えられることができる。混合物は、次いで、相互作用を完了するために、6時間、磁気撹拌機を用いて撹拌されることができる。
沈降
全反応生成物を、一晩、静止状態に留めることを可能にして、容器の底部においてグリセロール及びスラッジの沈降を完了させる。初期の沈降相の間中、形成されたエマルジョンは、処理された塊を約80℃において加熱することによって破壊されることができる。いくつかの実施では、エマルジョンは、エステル層中におけるいくらかのエマルジョン形成副産物の存在に起因して形成される。場合によっては、廃植物油1リットル当たり約10mLの酢酸を添加すると、エマルジョン形成を破壊して、エマルジョン形成を防止することができる。
エステル化油の洗浄及び分離
完全な沈降の後に、上部の透明なエステル化された油がゆっくりと静かに移され、また磁気攪拌機を用いて撹拌しながら、水を用いて数時間洗浄した。次に、エステル化油及び洗浄水は、油相及び水相を効果的に分離するために、一晩中静止状態に保たれた。分離された油相は、該油相を水相から除去するために、その上澄みがゆっくりと静かに移されて、この洗浄工程が、例えば2回、繰り返された。
例示
乳化剤を生産する工程300が、ここで説明されるように実施された。廃植物油のメチルエステルの実質的に300ミリリットル(mL)が、磁気撹拌棒を有するビーカー中に取られて、またホットプレート撹拌機上に置かれた。メチルエステルが、実質的に500回転/分(rpm)で撹拌された。苛性ソーダ溶液は、実質的に15グラム(g)の水酸化ナトリウムを50mLの水に溶解することによって調製された。苛性ソーダ溶液は、メチルエステルに実質的に2分間にわたって添加されて、これにより反応混合物を懸濁液に変化させた。反応混合物が、実質的に60℃において実質的に6時間撹拌され、次いで実質的に16時間静置することを可能にして、この結果、反応混合物が濃厚になり、反応混合物の半固体の堅さ(粘度又は濃度、consistency)になった。実質的に50mLの水が混合物に加えられた。塩酸(実質的に31容積%)が、反応混合物のpHが約4〜5になるまで反応混合物に滴下され、それに際して、油相が反応混合物から分離した。反応混合物が、分離フラスコに移された。水相は、エマルジョン層によって非水相から分離されており、分離フラスコからゆっくりと注意深く除去された。実質的に50mLの水が、非水相中に残存した任意の無機塩の洗浄及び除去のために、分離フラスコ中の残りの非水相に添加された。再び形成された水相は、分離フラスコからゆっくりと注意深く除去され、このステップを繰り返された。エマルジョンと一緒に残りの非水相は、エマルジョンの脱泡を可能にするために、静止状態において放置された。脱泡時に放出された水は、随時、除去された。最後に、非水相は、無色の液体として回収された。
従って、主題の特定の実施が説明されてきた。他の実施は、以下の特許請求の範囲の範囲内にある。
構成1:廃植物油の乳化剤を生成するために、前記廃植物油のメチルエステルのエステル基を切断するステップと;前記メチルエステルに苛性ソーダ溶液を加えるステップであって、結果として混合物にするステップと;前記混合物を熱処理する、ステップと;前記混合物のpHを調整するステップであって、結果として水相及び非水相を形成する、ステップと;前記水相を前記非水相から分離するステップと;を備える方法。
構成2:前記苛性ソーダ溶液が、溶媒に溶解されたアルコキシドを含む、構成1に記載の方法。
構成3:前記アルコキシドが水酸化ナトリウムを含む、構成2に記載の方法。
構成4:前記溶媒が水を含む、構成2に記載の方法。
構成5:前記混合物の熱処理中に前記混合物を撹拌するステップを更に備える、構成1に記載の方法。
構成6:前記混合物は、室温より高い温度に加熱される、構成1に記載の方法。
構成7:前記温度は、実質的に60℃である、構成6に記載の方法。
構成8:前記混合物のpHを調整するステップは、酸を加えることを含む、構成1に記載の方法。
構成9:前記酸は、実質的に31%塩酸である、構成8に記載の方法。
構成10:前記混合物の前記調節されたpHは、実質的に4と5の間にある、構成1に記載の方法。
構成11:廃植物油の乳化剤を生成するために、前記廃植物油のメチルエステルのエステル基を切断するステップと;前記メチルエステルに苛性ソーダ溶液を加えるステップであって、結果として混合物になる、ステップと;前記混合物を実質的に60℃において熱処理するステップと;酸を加えることによって、前記混合物のpHを調整するステップと;酸を添加することに応答して、水相及び非水相を形成するステップと;前記水相を前記非水相から分離するステップと;を備える方法。
10 掘削流体循環システム
12 ドリルストリング
22 泥タンク
24 排出管
26 スタンドパイプ
28 回転ホース
30 泥ポンプ
31 ケリードライブ又はトップドライブユニット
40 アニュラス
50 坑井
66 化学薬品タンク
300 プロセス
400 プロセス
C 掘削物
F 掘削流体

Claims (8)

  1. 廃植物油の乳化剤を生成するために、前記廃植物油のメチルエステルのエステル基を切断する方法であって、前記廃植物油の前記メチルエステルは、前記廃植物油をメタノールでエステル化することによって生産される脂肪酸メチルエステルであり
    前記メチルエステルに苛性ソーダ溶液を加えて、結果として混合物にするステップと;
    前記混合物を熱処理するステップであって、前記混合物が60℃を基準に正負5パーセントの偏差の温度範囲内の温度に加熱される、ステップと;
    前記混合物のpHを調整するステップであって、調整された前記pHは、pH4から−5パーセントの偏差とpH5から+5パーセントの偏差との間にある、pHを調整し、結果として水相及び非水相を形成する、ステップと;
    乳化剤としての前記非水相から前記水相を分離するステップと;を備え、
    前記廃植物油は、飽和、一価不飽和、多価不飽和、オメガ3、オメガ6又はオメガ9の脂肪酸の混合物を含有す
    方法。
  2. 前記苛性ソーダ溶液が、溶媒に溶解されたアルコキシドを含む、
    請求項1に記載の方法。
  3. 前記アルコキシドが水酸化ナトリウムを含む、
    請求項2に記載の方法。
  4. 前記溶媒が水を含む、
    請求項2に記載の方法。
  5. 前記混合物の熱処理中に前記混合物を撹拌するステップを更に備える、
    請求項1に記載の方法。
  6. 前記混合物のpHを調整するステップは、酸を加えることを含む、
    請求項1に記載の方法。
  7. 前記酸は、31容積を基準に正負5パーセントの偏差の濃度範囲内の塩酸である、
    請求項6に記載の方法。
  8. 廃植物油の乳化剤を生成するために、前記廃植物油のメチルエステルのエステル基を切断する方法であって、前記廃植物油の前記メチルエステルは、前記廃植物油をメタノールでエステル化することによって生産される脂肪酸メチルエステルであり
    前記メチルエステルに苛性ソーダ溶液を加えるステップであって、結果として混合物になる、ステップと;
    前記混合物を熱処理するステップであって、前記混合物が60℃を基準に正負5パーセントの偏差の温度範囲内の温度に加熱される、熱処理するステップと;
    酸を加えることによって、前記混合物のpHを調整するステップであって、調整された前記pHは、pH4から−5パーセントの偏差とpH5から+5パーセントの偏差との間にある、前記pHを調整するステップと;
    酸を添加することに応答して、水相及び非水相を形成するステップと;
    乳化剤としての前記非水相から前記水相を分離するステップと;を備え、
    前記廃植物油は、飽和、一価不飽和、多価不飽和、オメガ3、オメガ6又はオメガ9の脂肪酸の混合物を含有す
    方法。
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