KR102450564B1

KR102450564B1 - 레올로지 조절제로서 층상 이중 하이드록사이드를 포함하는 유성 드릴링 유체 조성물

Info

Publication number: KR102450564B1
Application number: KR1020207007542A
Authority: KR
Inventors: 무사랏 할리마 모하메드; 휴 크리스토퍼 그린웰; 앤드류 휘팅; 마노하라 구디요르 베에라브하드랍파; 존 아드리안 할; 가산 셀만 알라베디; 마이클 헤이워드 호더
Original assignee: 사우디 아라비안 오일 컴퍼니; 유니버시티 오브 더럼; 엠-아이 드릴링 플루이즈 유케이 리미티드
Priority date: 2017-08-15
Filing date: 2018-08-10
Publication date: 2022-10-07
Also published as: KR20200109290A; JP2020532603A; US20190055453A1; JP6935006B2; US10745606B2; EP3668941A1; CN111448284A; SG11202001324VA; SA520411369B1; WO2019036287A1

Abstract

본원은 드릴링 유체 조성물, 드릴링 유체를 제조하는 방법, 및 드릴링 유체를 이용하여 지하 웰을 드릴링하는 방법을 개시한다. 일 구현예에 따르면, 드릴링 유체 조성물은 유상, 수성상, 및 레올로지 조절제를 포함할 수 있다. 레올로지 조절제는 층상 이중 수산화물, 예컨대 Mg/Al-미리스테이트 층상 이중 수산화물을 포함할 수 있다.

Description

레올로지 조절제로서 층상 이중 하이드록사이드를 포함하는 유성 드릴링 유체 조성물

관련 출원에 대한 교차 참조

본 출원은 본원에 참고로 인용된 2017년 8월 15일자로 출원된 미국 가출원 제62/545,507호의 이익을 주장한다.

기술분야

본 개시내용의 구현예는 일반적으로 천연 자원 웰에 사용되는 재료 및 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 고압 및 고온 드릴링 작업에 사용하기 위한 유성 드릴링 유체에 관한 것이다.

약어

본 개시내용 전반에 걸쳐, 다음 측정 단위 또는 기타 약어는 다음과 같다:

° = 도;

℃ = 섭씨 온도

℉ = 화씨 온도;

% = 퍼센트;

Al = 알루미늄;

cP = 센티포와즈;

Ex. = 실시예

FIG. = 도

g = 그램;

h = 시간

G' = 저장 탄성률;

G" = 손실 탄성률;

HTHP = 고온, 고압;

Mg = 마그네슘;

mL = 밀리리터;

MPa = 메가파스칼;

psi = 제곱 인치당 파운드;

Pa·s = 파스칼 초;

s^-1 = 역초(inverse seconds); 그리고

wt.% = 중량 백분율.

예를 들어, 탄화수소 추출을 위해 새로운 웰보어를 드릴링하기 위한 드릴링 작업은 드릴링 작업 중에 웰보어를 통해 드릴링 유체 (또는 드릴링 머드(drilling mud)라고도 함)를 연속적으로 순환시키는 일반적인 관행을 포함한다. 드릴링 유체는 드릴 파이프 및 시추공의 바닥으로 펌핑되며, 여기서 드릴링 유체는 웰보어 벽과 드릴 파이프 사이의 환형 공간을 통해 위쪽으로 흐르고, 최종적으로 표면으로 돌아와 웰보어 밖으로 흘러 나오며, 여기서 2차 처리를 위해 회수된다. 드릴링 동안, 드릴링 고형분, 예컨대 드릴링된 지질 구조물(geological formation)의 일부는 드릴링 유체에 의해 웰보어의 바닥 또는 그 근처에서 표면으로 운반될 수 있다. 표면으로 복귀한 후, 드릴링 유체는 웰보어를 통해 재순환하기 전에 드릴링 유체로부터 포획된 고형물 및 드릴 절단물을 제거하기 위해 기계적으로 또는 화학적으로 처리될 수 있다.

일부 드릴링 공정에서, 드릴링 유체는 주변 온도 및 드릴링 유체에 적용되는 물리적 변형과 같은 요인에 기초하여 비교적 다양한 환경을 경험한다. 예를 들어, 드릴링 유체에 가해지는 변형은 드릴링 유체가 순환하는지 또는 대안적으로 정체 상태 (예를 들어, 드릴링이 정지된 경우)인지에 따라 변할 수 있다. 또한, 드릴링 유체는 웰보어 표면 또는 그 근처에서 (예컨대 표면에서 대기 온도 근처에서) 비교적 낮은 온도를 경험할 수 있지만, 지질 구조물에서 더 깊은 고압, 고온 (HPHT) 환경 조건을 경험할 수 있다. 웰보어의 깊이가 증가함에 따라, 웰보어 바닥의 압력과 온도가 상승한다. HPHT 조건에 대해 업계에서 정의한 정의에는 전형적으로 300 ℉ (149 ℃) 초과의 웰보어 온도와 10,000 psi (68.9 MPa) 초과의 웰보어 압력이 포함된다.

드릴링 유체의 순환 특성과 드릴링 작업 중 고형물 및 절단물을 포획하는 데 있어서의 기능성을 고려할 때, 절단물 및 기타 고형물을 보유하고 운반하기에 충분한 물질을 보유하면서도 경제적인 펌핑을 용이하게 하기 위해 드릴링 유체는 순환 중에 비교적 낮은 점도로 자유롭게 유동해야 한다. 또한, 웰보어의 바닥에서 고형물의 축적을 방지하기 위해 드릴링 유체의 순환이 중단되는 경우, 드릴링 유체는 고형물 및 절단물을 부유시키기에 충분한 겔 강도를 가져야 한다. 웰보어의 바닥에 축적된 고형물은 잠재적으로 드릴의 재밍(jamming)을 유발할 뿐만 아니라 드릴링 유체의 흐름 경로를 물리적으로 막을 수 있다.

그러나 HPHT 환경에서 작동할 수 있는 드릴링 유체를 개발하는 것은 쉽지 않다. 상승된 온도는 상승된 온도를 견딜 수 없는 부품의 고장으로 일부 드릴링 유체에 해로운 영향을 줄 수 있다. 또한, 상승된 온도에서 일부 드릴링 유체는 고화되기 시작하거나 순환을 방해할 수 있는 점도 증가를 경험할 수 있다. 또한, HPHT 환경에 적합한 드릴링 유체는 표면 및 웰보어의 낮은-깊이 부분에서 경험하는 온도와 같이 HPHT 이외의 환경에서는 적절하게 작동하지 않을 수 있다. 이러한 비교적 낮은 온도에서, 종래의 드릴링 유체는 비교적 적은 변형 (예컨대 드릴링 및 유체 순환이 정지된 경우)을 경험하는 경우뿐만 아니라 비교적 많은 양의 변형 (예컨대 드릴링이 진행중이고 드릴링 유체가 순환하고 있는 경우)을 경험하는 경우 모두에서 비교적 높은 점도를 가질 수 있다.

따라서, 표면 온도가 비교적 낮을 때 경험하는 것과 같이 비교적 낮은 온도에서 적합한 유동학적 특성을 제공하면서 HPHT 조건하에서 열적으로 안정한 드릴링 유체에 대한 요구가 계속 존재하고 있다. 예를 들어, 현재 기술된 것과 같은 바람직한 드릴링 유체는 일부 종래의 드릴링 유체보다 가해지는 전단 응력을 변화시키기 위해 0 ℃의 온도에서 더 낮은 점도를 가질 수 있다. 따라서, 현재 기술된 드릴링 유체는 드릴링이 중단되는 동안 허용가능한 고형물 보유 특성을 가지면서 순환하는 데 더 적은 에너지를 요구할 수 있다. 또한, 50 ℃에서, 현재 기술된 드릴링 유체는 비교적 작은 전단 응력 속도에서 더 큰 점도를 갖기 때문에 드릴링이 중단되는 동안 고형물을 보유하는 능력이 더 클 수 있는 한편, 비교적 큰 전단 응력 속도에서 더 적은 점도를 갖기 때문에 드릴링 유체의 순환에서 에너지 사용이 또한 감소된다. 이론에 구속되지 않고, 특정 레올로지 조절제의 혼입은 현재 개시된 드릴링 유체에서 발견되는 바람직한 유동학적 특성에 기여할 수 있는 것으로 여겨진다. 구체적으로, 레올로지 조절제로서 층상 이중 수산화물의 혼입은 특정 환경, 예컨대 동결 표면 온도 또는 그 근처에서 및 HPHT 환경이 웰보어의 바닥에 존재하는 경우 드릴링에 유리한 드릴링 유체의 유동학적 특성을 촉진할 수 있다.

하나 이상의 구현예에 따르면, 유성 드릴링 유체 조성물은 유상의 기유, 수성상의 물, 레올로지 조절제, 및 유화제, 습윤제, 유체-손실 제어 첨가제 및 가중 첨가제로부터 선택된 하나 이상의 첨가제를 포함할 수 있다. 레올로지 조절제는 층상 이중 수산화물을 포함할 수 있다.

또 다른 구현예에 따르면, 유성 드릴링 유체 조성물은 기유, 물-함유 성분 및 레올로지 조절제를 혼합하여 유성 드릴링 유체 조성물을 형성하는 단계를 포함하는 방법에 의해 제조될 수 있다. 유성 드릴링 유체 조성물은 기유를 포함하는 유상 및 물을 포함하는 수성상을 포함할 수 있다. 레올로지 조절제는 층상 이중 수산화물을 포함할 수 있다.

또 다른 구현예에 따르면, 지하 웰은 유성 드릴링 유체 조성물을 제공하는 단계, 및 유성 드릴링 유체 조성물의 존재하에 웰보어에서 드릴을 작동시키는 단계를 포함하는 방법에 의해 드릴링될 수 있다. 유성 드릴링 유체 조성물은 유상의 기유, 수성상의 물, 레올로지 조절제, 유화제, 및 습윤제, 유체-손실 제어 첨가제 및 가중 첨가제로부터 선택된 하나 이상의 첨가제를 포함할 수 있다. 레올로지 조절제는 층상 이중 수산화물을 포함할 수 있다. 유화제는 화학식 R-CO-NH-R'-NH-R"-NH₂를 갖는 아미노 아미드를 포함할 수 있으며, 여기서 R은 지방산 알킬기이고, R'는 알킬기이며, R"는 알킬기이다.

기재된 구현예의 부가적인 특징 및 이점은 이하의 상세한 설명에서 제시될 것이고, 부분적으로 그 설명으로부터 당업자에게 명백하거나, 이하의 상세한 설명 및 청구범위를 포함하여, 기재된 구현예를 실시함으로써 인식될 것이다.

예시적인 구현예들의 다음의 상세한 설명은 다음의 도면들과 관련하여 읽을 때 이해될 수 있다.
도 1은 현재 개시된 하나 이상의 구현예에 따른, 0 ℃ 및 50 ℃ 모두에서 전단 속도의 함수로서 시험된 다양한 드릴링 유체의 점도를 도시한 그래프이다.
도 2는 현재 개시된 하나 이상의 구현예에 따른, 50 ℃에서의 변형률 백분율의 함수로서 시험된 다양한 드릴링 유체의 저장 탄성률 (G') 및 손실 탄성률 (G")을 도시한 그래프이다.
도 3은 현재 개시된 하나 이상의 구현예에 따른, 50 ℃에서의 변형률 백분율의 함수로서 시험된 다양한 드릴링 유체의 저장 탄성률 (G') 및 손실 탄성률 (G")을 도시한 그래프이다.
도 4는 현재 개시된 하나 이상의 구현예에 따른, 50 ℃에서의 변형률 백분율의 함수로서 시험된 다양한 드릴링 유체의 저장 탄성률 (G') 및 손실 탄성률 (G")을 도시한 그래프이다.
도 5는 현재 개시된 하나 이상의 구현예에 따른, 50 ℃에서의 변형률 백분율의 함수로서 시험된 다양한 드릴링 유체의 위상각의 그래프를 제공한다.

본 개시내용의 구현예는 유성 드릴링 유체용 유화제 및 추가로 개시된 레올로지 조절제를 포함하는 유성 드릴링 유체 조성물에 관한 것이다. 유성 드릴링 유체는 연속 유상, 수성상 및 적어도 하나의 레올로지 조절제의 조합이다. 레올로지 조절제는 층상 이중 수산화물, 예컨대 Mg/Al-미리스테이트 층상 이중 수산화물을 포함할 수 있다.

지하 웰을 드릴링하기 위해, 드릴 비트(drill bit) 및 드릴 비트에 무게를 실어주기 위한 드릴 칼라(drill collar)를 포함하는 드릴 스트링(drill string)을 미리 드릴링된 구멍에 삽입하고 회전시켜 드릴 비트가 구멍의 바닥에 있는 암석을 절단하도록 한다. 드릴링 작업은 암석 파편을 생성한다. 웰보어 바닥에서 암석 파편을 제거하기 위해 드릴링 유체, 예컨대 유성 드릴링 유체 조성물이 드릴 스트링을 통해 드릴 비트로 펌핑된다. 드릴링 유체는 드릴 비트를 식히고 윤활을 제공하며 절단물로 알려진 암석 파편을 드릴 비트에서 들어올린다. 드릴링 유체가 다시 표면으로 재순환될 때 드릴링 유체는 절단물을 위로 운반한다. 표면에서, 절단물은 2차 작업을 통해 드릴링 유체로부터 제거되고, 드릴링 유체는 추가 절단물의 수집을 위해 드릴 스트링 아래로 웰보어의 바닥으로 재순환될 수 있다. 당업자는 당업자에게 익숙한 다수의 용어가 동일한 항목을 설명하는데 사용될 수 있음을 이해할 것이다. 예를 들어, 지하 웰은 대안적으로 웰 또는 웰보어라고 할 수 있으며, 단일 용어의 사용은 각각의 관련 용어들을 또한 포함하도록 의도된다.

드릴링 유체에는 드릴링 머드, 패커 유체(packer fluid), 서스펜션 유체(suspension fluid) 및 완성 유체(completion fluid)가 포함된다. 일반적으로, 드릴링 유체는 다양한 기능을 제공하며, 특정 기능을 전문으로 하는 다양한 유형이 있다. 하나 이상의 구현예에서, 유성 드릴링 유체 조성물은 절단물을 부유시키고, 가중 재료는 유성 드릴링 유체 조성물로 절단물을 웰보어 표면으로 운반한다. 또한, 유성 드릴링 유체 조성물은 이산화탄소 (CO₂), 황화수소 (H₂S), 및 메탄 (CH₄)과 같은 웰보어 내의 가스를 흡수하여 방출, 격리 또는 연소를 위해 웰보어 표면으로 운반할 수 있다. 유성 드릴링 유체 조성물은 추가로 드릴 스트링에 부력을 제공하여 웰보어의 길이가 증가함에 따라 드릴 스트링 상의 장력을 완화시킬 수 있다. 하나 이상의 구현예에서, 유성 드릴링 유체 조성물은 또한 보링 작업에 사용되는 비트 및 드릴 스트링의 냉각 및 윤활을 위한 냉각 및 윤활 기능을 제공한다. 다른 구현예에서, 유성 드릴링 유체 조성물은 또한 지표면 아래 압력을 제어한다. 구체적으로는, 유성 드릴링 유체 조성물은 웰보어에 정수압을 제공하여 웰보어의 측벽에 지지를 제공하고 측벽이 드릴 스트링에서 붕괴 및 케이빙되는 것을 방지할 수 있다. 또한, 유성 드릴링 유체 조성물은 드릴링 작업 동안 다운홀 구조물 내의 유체가 웰보어로 흐르는 것을 방지하기 위해 보어 내에 정수압을 제공할 수 있다.

과도한 온도 또는 어려운 형성과 같은 특정 극한의 다운홀 조건하에서, 드릴링 유체의 일부 특성이 변경될 수 있다. 예를 들어, 드릴링 유체가 팽윤 또는 분산성 점토를 갖거나 또는 둘 다를 갖는 구조물과 상호작용하거나, 또는 드릴링 유체를 극한의 다운홀 온도에 노출시키면, 드릴링 유체는 두껍거나 얇아지게 되거나, 점도가 지나치게 증가 또는 감소하거나, 또는 이들의 임의의 조합이 일어날 수 있다. 예를 들어, 고압 및 고온 (HPHT) 작업에 사용되는 드릴링 유체는 HPHT 조건에 대해 업계에서 정의한 정의인 300 ℉ (대략 149 ℃) 초과의 웰보어 온도와 10,000 psi (대략 68.9 MPa) 초과의 웰보어 압력을 경험할 수 있다. HPHT 조건하에서, 종래의 드릴링 유체는 분해되거나 레올로지에서 바람직하지 않은 변화를 경험할 수 있다. 추가의 구현예에서, 현재 개시된 드릴링 유체는 드릴링 유체를 얇아지게 하거나 화학적으로 불안정화시킬 수 있는 가스 유입, 또는 드릴링 유체를 불안정화시킬 수 있는 증발암 형성과 같은 바람직하지 않은 다운홀 조건하에서도 바람직하게 수행될 수 있다.

유성 드릴링 유체 조성물의 구현예는 개선된 레올로지를 제공하도록 제형화된다. 구체적으로, 유성 드릴링 유체 조성물은 종래의 HPHT 유성 드릴링 유체보다 낮은 전단 속도에서 유사하거나 더 큰 점도, 종래의 HPHT 유성 드릴링 유체보다 높은 전단 속도에서 더 낮은 또는 유사한 점도, 또는 둘 모두를 포함하도록 제형화될 수 있다. 낮은 전단 속도에서 더 큰 점도는 드릴링 작업이 중단될 때 유성 드릴링 유체 조성물이 절단물을 효과적으로 보유할 수 있도록 한다. 반대로, 높은 전단 속도에서 더 낮은 점도는 드릴링 작업 동안 유성 드릴링 유체 조성물의 순환을 위해 더 적은 동력을 필요로 한다. 현재 기술된 바와 같이, 낮은 전단 속도는, 예를 들어, 10 s^-1 이하의 전단 속도를 나타낼 수 있으며, 높은 전단 속도는, 예를 들어, 100 s^-1 이상의 전단 속도를 나타낼 수 있다.

하나 이상의 구현예에서, 드릴링 유체는 기유를 포함하는 유상을 포함한다. 유성 드릴링 유체의 유상은 기유로서 합성 오일 또는 천연 석유 생성물을 포함할 수 있다. 천연 석유-유래 제품은 디젤 오일 또는 미네랄 오일과 같은 오일을 포함할 수 있다. 합성 오일은 에스테르 또는 올레핀을 포함할 수 있다. 또한, 합성 오일 또는 천연 석유 생성물은 탄화수소, 예컨대 n-파라핀, 이소-파라핀, 사이클릭 알칸, 분지형 알칸 또는 이들의 혼합물로 구성될 수 있다. 예를 들어, 기유는 Shell로부터 상업적으로 입수 가능한 Saraline 185V에서 발견되는 것과 같은 C8 내지 C26 선형 또는 분지형 포화 알킬 탄화수소를 포함할 수 있다. 추가의 기유에는 Total로부터 입수 가능한 DF-1 및 EDC 99-DW, 및 Exxon Mobil로부터 입수 가능한 Escaid 110이 제한 없이 포함될 수 있다. 추가의 적합한기유는 미네랄 오일, 파라핀 또는 디젤 오일 중 하나 이상을 포함할 수 있다. 다양한 구현예에서, 유성 드릴링 유체 조성물은, 유성 드릴링 유체 조성물의 총 중량을 기준으로, 5 중량% 내지 45 중량%, 예컨대 5 중량% 내지 30 중량%, 5 중량% 내지 20 중량%, 5 중량% 내지 15 중량%, 5 중량% 내지 10 중량%, 10 중량% 내지 45 중량%, 15 중량% 내지 45 중량%, 20 중량% 내지 45 중량%, 30 중량% 내지 45 중량%, 5 중량% 내지 25 중량%, 또는 10 중량% 내지 20 중량%의 기유를 포함할 수 있다.

유성 드릴링 유체의 수성상은 물 및 염 공급원을 포함할 수 있다. 하나 이상의 구현예에서, 물은 탈이온수, 수돗물, 증류수 또는 담수; 천연수, 기수 및 포화 소금물; 천연, 암염 돔, 탄화수소 구조물 생성된 또는 합성된 염수; 여과되거나 처리되지 않은 해수; 미네랄 워터; 및 하나 이상의 용해된 염, 미네랄 또는 유기 물질을 함유한 기타 음용수 및 비음용수 중 하나 이상을 포함한다. 일부 구현예에서, 수성상은 예를 들어 물로 구성된 염수 및 염화칼슘, 브롬화칼슘, 염화나트륨, 브롬화나트륨 및 이들의 조합 중 하나 이상으로부터 선택된 염을 포함할 수 있다. 유성 드릴링 유체는, 유성 드릴링 유체의 총 중량을 기준으로, 2 중량% 내지 10 중량%의 수성상을 함유할 수 있다. 다양한 구현예에서, 유성 드릴링 유체 조성물은, 유성 드릴링 유체 조성물의 총 중량을 기준으로, 2 중량% 내지 12 중량%, 예컨대 4 중량% 내지 10 중량%, 2 중량% 내지 8 중량%, 2 중량% 내지 6 중량%, 2 중량% 내지 5 중량%, 3 중량% 내지 10 중량%, 3 중량% 내지 8 중량%, 3 중량% 내지 6 중량%, 4 중량% 내지 10 중량%, 4 중량% 내지 8 중량%, 4 중량% 내지 6 중량%, 또는 4 중량% 내지 5 중량%의 수성상을 가질 수 있다. 일부 구현예에서, 유성 드릴링 유체는, 예를 들어, 용적 기준 오일 대 물 비가 50:50 내지 95:5, 75:20 내지 95:5, 85:15 내지 95:5, 또는 90:10 내지 95:5일 수 있다. 유성 드릴링 유체 조성물의 오일 대 물 비는 오일:물 = 기유 + 계면 활성제(들) + 유화제(들) + 습윤제(들) + 층상 이중 수산화물의 오일 부분: 물 + 염수의 물 부분으로 계산된 용적비이다. 예로서, 제한 없이, 염수가 X 용적% 물일 수 있는 경우, 염수 용적의 X%가 물 용적으로 포함된다.

구현예에서, 유성 드릴링 유체 조성물은 레올로지 조절제를 포함한다. 예를 들어, 레올로지 조절제는 비-뉴턴 유체 레올로지를 유성 드릴링 유체 조성물에 부여하여 암석 절단물을 웰보어의 표면으로 들어올리고 운반하는 것을 용이하게 하는 증점제(viscosifier)일 수 있다. 하나 이상의 구현예에서, 유성 드릴링 유체는 레올로지 조절제로서 층상 이중 수산화물, 예컨대 Mg/Al-미리스테이트 층상 이중 수산화물을 포함할 수 있다. 본 개시내용에 사용된 바와 같이, 층상 이중 수산화물은 일반 층 서열 [ACBZADB]_n을 갖는 이온성 고체 물질을 지칭하며, 여기서 C 및 D 층은 금속 양이온을 나타내고, A 및 B 층은 수산화물 음이온 층을 나타내고, Z는 또 다른 이온 층을 나타내고, n은 구조에서 반복 단위의 수를 나타낸다. 하나 이상의 구현예에 따르면, C 및 D 층은 상이한 금속 양이온을 포함할 수 있다. 예를 들어, C 층은 2가 마그네슘 양이온과 같은 마그네슘 양이온을 포함할 수 있고, D 층은 3가 알루미늄 양이온과 같은 알루미늄 양이온을 포함할 수 있다. 그러나, 양이온을 형성할 수 있는 임의의 금속과 같은 다른 금속 양이온이 본 개시내용에서 고려된다. 예를 들어, 제한 없이, Li, Zn, Co, Ni, Ca, Fe 또는 Ga의 양이온이 층상 이중 수산화물에 포함될 수 있다. Z 층은 미리스트산의 염 또는 에스테르인 미리스테이트를 포함할 수 있다. 미리스트산은 일반식 (CH₃)(CH₂)₁₂COOH를 가지며, 층상 이중 수산화물에 포함된 미리스테이트 이온은 일반식 (CH₃)(CH₂)₁₂COO^-를 가질 수 있다. 하나 이상의 구현예에 따르면, 층상 이중 수산화물은 하기 화학식을 갖는다:

[C_1-xD_x(OH)₂]^Y+(OOC(CH₂)₁₂CH₃)^Y-

여기서 x는 0.1 내지 0.33이고, Y는 금속 양이온 및 미리스테이트 음이온의 이온 전하를 나타낸다.

하나 이상의 구현예에 따르면, 층상 이중 수산화물은 양이온성 염 및 미리스테이트 염을 물에서 혼합한 후, 혼합물을 적어도 100 ℃, 적어도 125 ℃ 또는 심지어 150 ℃ 이상 (예를 들어, 100 ℃ 내지 200 ℃)와 같은 고온에서 4시간 내지 1주, 예컨대 6시간 내지 48시간의 기간 동안 열수 처리하는 단계를 포함하는 공정에 의해 제조될 수 있다. 열수 처리에 의한 반응 후, 이중 층 수산화물은 반응 생성물을 아세톤과 같은 용매에 분산시키고, 선택적으로 적어도 1분 동안, 예컨대 15분 내지 45분의 기간 동안 실온에서 교반함으로써 다른 물질로부터 분리될 수 있다. 아세톤 처리 후, 오븐에서 고온으로 가열한 후 열수로 세정함으로써 이중 층상 수산화물을 회수할 수 있다.

하나 이상의 구현예에서, 이중 층상 수산화물은 마그네슘 및 알루미늄을 포함할 수 있고, 마그네슘 대 알루미늄의 몰비는 0.5 내지 10, 예컨대 1 내지 5일 수 있다. 추가의 구현예에서, 미리스테이트 대 총 금속 양이온의 몰비는 1 내지 3, 예컨대 1 내지 2, 또는 1.5일 수 있다. 하나 이상의 구현예에 따르면, 층상 이중 수산화물은 Mg(NO₃)₂·6H₂O, Al(NO₃)₃·9H₂O, 우레아 및 나트륨 미리스테이트의 전구체 물질을 이용하여 제조될 수 있다.

구현예에 따르면, 층상 이중 수산화물은 유성 드릴링 유체에 포함된 유일한 레올로지 조절제일 수 있거나, 대안적으로, 다른 레올로지 조절제가 유성 드릴링 유체에 포함될 수 있다. 추가의 증점제의 예는 세피올라이트, 폴리아미드, 이량체 또는 삼량체 지방산, 또는 이들 증점제의 조합을 포함할 수 있지만, 이에 제한되지는 않는다. 일부 구현예에서, 유성 드릴링 유체 조성물은 선택적으로 친유성(organophilic) 헥토라이트 점토, 예를 들어, MI-SWACO (미국 텍사스 휴스턴)로부터 상업적으로 입수 가능한 VERSAGEL HT, 또는 예를 들어 Elements Specialties Inc. (미국 뉴저지 하이스타운)로부터 상업적으로 입수 가능한 Bentone^® 42를 포함할 수 있다.

예시적인 유성 드릴링 유체 조성물은 유성 드릴링 유체 조성물의 총 중량을 기준으로 0.1 중량% 내지 2 중량%의 레올로지 조절제를 포함할 수 있다. 일부 구현예에서, 유성 드릴링 유체 조성물은 0.1 중량% 내지 1 중량%의 층상 이중 수산화물, 예컨대 Mg/Al-미리스테이트 층상 이중 수산화물을 포함할 수 있다. 예를 들어, 유성 드릴링 유체의 적어도 0.1 중량%, 적어도 0.3 중량%, 적어도 0.5 중량%, 적어도 0.7 중량%, 또는 적어도 0.8 중량%가 레올로지 조절제일 수 있다.

유성 드릴링 유체 조성물은 또한 하나 이상의 첨가제를 포함한다. 예시적인 첨가제는 유화제, 습윤제, 유체-손실 제어 첨가제 및 가중 첨가제를 포함하지만 이에 제한되지는 않는다. 유성 드릴링 유체 조성물은 또한 선택적으로 알칼리도 조정제, 전해질, 글리콜, 글리세롤, 분산 보조제, 부식 억제제, 소포제 및 기타 첨가제 또는 첨가제의 조합을 포함할 수 있다.

유성 드릴링 유체는 적어도 하나의 유화제를 포함할 수 있다. 유화제는 유성 드릴링 유체 조성물의 유상 내에서 유성 드릴링 유체 조성물의 수성상의 에멀젼의 형성을 돕는다. 유성 드릴링 유체 조성물에 유화제의 포함은 유상과 수성상의 분리를 방지하는데 도움이 된다. 적합한 유화제는 지방산, 역 유화제(invert emulsifier), 및 Halliburton Energy Services, Inc.로부터 상업적으로 입수 가능한 LE SUPERMUL™ 및 M-I SWACO로부터 상업적으로 입수 가능한 MUL XT와 같은 합성 기반 드릴링 유체 시스템용 오일-습윤제를 포함할 수 있다. LE SUPERMUL™은 카르복실산 말단 폴리아미드이다.

하나 이상의 구현예에서, 드릴링 유체 조성물 중의 유화제의 총량은, 드릴링 유체 조성물의 총 중량을 기준으로, 0.05 중량% 내지 5 중량%, 0.1 중량% 내지 2.5 중량%, 0.1 중량% 내지 1.5 중량%, 0.1 중량% 내지 1 중량%, 0.5 중량% 내지 2.5 중량%, 0.5 중량% 내지 2 중량%, 0.5 중량% 내지 1.5 중량%, 0.5 중량%. % 내지 1 중량%, 0.75 중량% 내지 2.5 중량%, 0.75 중량% 내지 2 중량%, 0.75 중량% 내지 1.5 중량%, 0.75 중량% 내지 1 중량%, 0.8 중량% 내지 1.1 중량%, 0.8 중량% 내지 1 중량%, 또는 0.9 중량% 내지 1.1 중량%일 수 있다.

구현예에서, 유성 드릴링 유체 조성물은 유성 드릴링 유체의 중량, 밀도 또는 둘 모두를 증가시키기 위한 가중 첨가제를 포함할 수 있다. 가중 첨가제는 형성 압력을 제어하고 응력이 가해진 영역에서 발생할 수 있는 슬라우잉(sloughing) 또는 히빙 셰일(heaving shale)의 영향을 방지하기 위해 사용될 수 있다. 물보다 밀도가 높고 드릴링 유체의 다른 특성에 악영향을 미치지 않는 임의의 물질이 가중 재료로 사용될 수 있다. 일부 구현예에서, 가중 재료는 드릴링 유체 조성물이 웰보어를 통해 순환될 수 없도록 과도한 가중 재료를 첨가하지 않고 특정 양만큼 드릴링 유체 조성물의 밀도를 증가시키기에 충분한 비중 (SG)을 갖는 미립자 고형물일 수 있다. 가중 재료는 2 그램/입방 센티미터 (g/cm³) 내지 6 g/cm³의 비중 (SG)을 가질 수 있다. 중량 조절제 또는 밀도 조절제의 예로는 중정석 (BaSO₄), 방연석 (PbS), 적철석 (Fe₂O₃), 자철석 (Fe₃O₄), 제조된 산화철, 티탄철석 (FeO·TiO₂), 능철석 (FeCO₃), 천청석 (SrSO₄), 백운석 (CaCO₃·MgCO₃), 및 방해석(CaCO₃)이 포함된다.

유성 드릴링 유체 조성물은 드릴링 유체 조성물이 웰보어를 지지하고 다운홀 구조물 내의 유체가 웰보어로 흐르는 것을 방지하도록 드릴링 유체 조성물의 밀도를 증가시키기에 충분한 양의 가중 첨가제를 포함할 수 있다. 구현예에서, 유성 드릴링 유체 조성물은 유성 드릴링 유체 조성물의 총 중량을 기준으로 1 중량% 내지 80 중량%의 가중 첨가제를 포함할 수 있다. 일부 구현예에서, 유성 드릴링 유체 조성물은, 유성 드릴링 유체 조성물의 총 중량을 기준으로, 1 중량% 내지 90 중량%, 20 중량% 내지 80 중량%, 20 중량% 내지 75 중량%, 50 중량% 내지 80 중량%, 50 중량% 내지 75 중량%, 60 중량% 내지 80 중량%, 60 중량% 내지 75 중량%, 65 중량% 내지 80 중량% 또는 70 중량% 내지 80 중량%의 가중 첨가제를 포함할 수 있다. 일부 구현예에서, 유성 드릴링 유체 조성물은 유성 드릴링 유체 조성물의 총 중량을 기준으로 50 중량% 내지 90 중량%의 가중 첨가제를 포함할 수 있다.

유성 드릴링 유체 조성물은 선택적으로 적어도 하나의 알칼리도 조정제를 포함할 수 있다. 구현예에서, 유성 드릴링 유체 조성물은 선택적으로 유성 드릴링 유체 조성물의 pH를 조정하기 위해 적어도 하나의 알칼리성 화합물을 포함할 수 있다. 알칼리성 화합물의 예는 석회 (수산화칼슘 또는 산화칼슘), 소다회 (탄산나트륨), 수산화나트륨, 수산화칼륨, 다른 강염기, 또는 이들 알칼리성 화합물의 조합을 포함할 수 있지만, 이에 제한되지는 않는다. 약 13 초과의 pKa를 갖는 산에 대한 컨쥬게이트 염기는 강염기로 간주된다는 점에 유의한다. 알칼리성 화합물은 예를 들어 가스가 수성 드릴링 유체 조성물의 성분을 가수분해하는 것을 방지하기 위해 드릴링 작업 동안 드릴링 유체 조성물이 접하는 CO₂ 또는 H₂S와 같은 가스와 반응할 수 있다. 일부 예시적인 수성 드릴링 유체 조성물은 선택적으로 0.1 중량% 내지 3 중량%, 0.4 중량% 내지 2 중량%, 또는 0.6 중량% 내지 0.8 중량%의 석회를 포함할 수 있다.

하나 이상의 구현예에서, 유성 드릴링 유체 조성물 중의 현탁액 또는 에멀젼의 안정성을 향상시키기 위해 습윤제와 같은 계면활성제가 첨가될 수 있다. 적합한 습윤제는 지방산, 유기 포스페이트 에스테르, 개질 이미다졸린, 아미도아민, 알킬 방향족 설페이트, 및 설포네이트를 포함할 수 있다. 예를 들어, 텍사스 휴스턴의 M-I SWACO로부터 상업적으로 입수 가능한 SUREWET^®는 분광(fines)을 습윤시키고 고형물을 드릴링하여 고형물의 수-습윤을 방지하는 데 사용될 수 있는 2차 유화제 및 유성 습윤제이다. 또한, SUREWET^®는 웰보어 유체의 열 안정성, 유동학적 안정성, 여과 제어, 에멀젼 안정성을 개선시킬 수 있다. 텍사스 휴스턴의 M-I LLC로부터 상업적으로 입수 가능한 VERSAWET^®는 추가 습윤제이며, 특히 습윤시키기 어려운 적철석 시스템에 효과적이다. 예시적인 유성 드릴링 유체 조성물은 선택적으로 유성 드릴링 유체 조성물의 총 중량을 기준으로 0.1 중량% 내지 2 중량%의 습윤제를 포함할 수 있다. 일부 구현예에서, 유성 드릴링 유체 조성물은 선택적으로 유성 드릴링 유체 조성물의 총 중량을 기준으로 0.25 중량% 내지 0.75 중량%의 각각의 SUREWET^®를 포함할 수 있다. 유성 드릴링 유체 조성물은 선택적으로 본 주제의 범위를 벗어나지 않고 다른 적합한 습윤제를 포함할 수 있다.

하나 이상의 구현예에서, 유성 드릴링 유체 조성물로부터 지표면 아래 구조물 내로 손실되는 여액의 양을 감소시키기 위해 유성 드릴링 유체 조성물에 유체-손실 제어제가 첨가될 수 있다. 유체-손실 조절제의 예는 친유성 (예를 들어, 아민-처리된) 갈탄, 벤토나이트, 제조된 중합체, 및 시너(thinner) 또는 해교제(deflocculant)를 포함한다. 유체-손실 제어제가 사용되는 경우, 그것은 드릴링 유체의 총 중량을 기준으로 0.5 중량% 내지 3 중량%의 유성 드릴링 유체 조성물을 포함할 수 있다. 다양한 구현예에서, 유체-손실 조절제는, 드릴링 유체의 총 중량을 기준으로, 0.5 중량% 내지 1.5 중량%, 0.5 중량% 내지 1.25 중량%, 0.75 중량% 내지 2 중량%, 0.75 중량% 내지 1.5 중량%, 0.75 중량% 내지 1.25 중량%, 1 중량% 내지 2 중량%, 1 중량% 내지 1.5 중량%, 또는 1 중량% 내지 1.25 중량%의 유성 드릴링 유체 조성물을 포함할 수 있다. 예시적인 유체-손실 조절제에는 VERSATROL™, VERSALIG™, ECOTROL™ RD, ONETROL™ HT, EMI 789, 및 NOVATECH™ F (모두 텍사스 휴스턴의 M-I SWACO로부터 상업적으로 입수 가능함), 및 ADAPTA® (Halliburton Energy Services, Inc.로부터 상업적으로 입수 가능함)가 포함된다. 일부 구현예에서, 유성 드릴링 유체 조성물은 선택적으로 ONETROL™ HT 및 ECOTROL™ RD 둘 모두를 각각 약 10:1 중량비로 포함할 수 있다.

선택적인 현탁제가 유성 드릴링 유체 조성물에 첨가되어 유성 드릴링 유체 조성물의 점도가 모든 드릴링 유체 성분을 현탁시키기에 충분한 낮은 전단 속도에서 항복점을 갖도록 조정될 수 있고, 이에 의해 유성 드릴링 유체 조성물의 성분의 침강을 피할 수 있다. 현탁제의 예에는 지방산 및 섬유 물질이 포함된다. 현탁제가 사용될 때, 그것은 드릴링 유체의 총 중량을 기준으로 유성 드릴링 유체 조성물의 0.0 중량% 내지 1.0 중량% 또는 0.01 내지 0.5 중량%를 구성할 수 있다.

하나 이상의 구현예에 따르면, 저속 드릴링 동안 또는 드릴링 작업 사이에서 유성 드릴링 유체 조성물에서 고형물 및 절단물의 현탁을 유지하기 위해, 더 낮은 전단 속도에서 임계값 초과의 점도가 유리하다. 하나 이상의 구현예에서, 유성 드릴링 유체는 대기압에서 50 ℃ 또는 0 ℃에서 측정된 전단 속도 10.22 s^-1에서 적어도 358 cP, 적어도 1000 cP, 또는 심지어 적어도 1850 cP의 점도를 갖는다.

하나 이상의 구현예에 따르면, 유성 드릴링 유체 조성물이 과도한 에너지를 필요로 하지 않고 순환할 수 있도록 하기 위해, 더 높은 전단 속도에서 임계값 미만의 점도 동안 유리하다. 하나 이상의 구현예에서, 유성 드릴링 유체는 대기압에서 50 ℃ 또는 0 ℃에서 측정된 전단 속도 170 s^- ¹에서 222 cP 이하, 175 cP 이하, 또는 심지어 128 cP 이하의 점도를 갖는다.

다양한 구현예에 따른 유성 드릴링 유체 조성물을 이전에 설명하였으므로, 유성 드릴링 유체 조성물을 제조하기 위한 예시적인 방법이 이제 설명될 것이다. 유성 드릴링 유체를 제조하는 방법은 기유, 적어도 하나의 유화제 및 적어도 하나의 습윤제를 혼합하여 제1 혼합물을 형성하는 단계를 포함할 수 있다. 제1 혼합물의 성분은 유성 드릴링 유체 조성물의 구현예와 관련하여 전술한 양을 제공하도록 첨가될 수 있다. 유성 드릴링 유체 조성물을 제조하는 방법은 선택적으로 적어도 하나의 레올로지 조절제 및 알칼리도 조절제를 제1 혼합물에 혼합하여 제2 혼합물을 형성하는 단계를 포함할 수 있다. 또한, 제2 혼합물의 성분은 유성 드릴링 유체 조성물의 구현예와 관련하여 전술한 양을 제공하도록 첨가될 수 있다. 유성 드릴링 유체 조성물을 제조하는 방법은 선택적으로 적어도 하나의 유체-손실 제어 첨가제를 제2 혼합물에 혼합하여 제3 혼합물을 형성하는 단계를 포함할 수 있다. 다시, 제3 혼합물의 성분은 유성 드릴링 유체 조성물의 구현예와 관련하여 전술한 양을 제공하도록 첨가될 수 있다. 유성 드릴링 유체 조성물을 제조하는 방법은 염수 용액을 제1 혼합물 또는 제3 혼합물에 혼합하여 제4 혼합물을 형성하는 단계를 추가로 포함할 수 있다. 제4 혼합물의 성분은 유성 드릴링 유체 조성물의 구현예와 관련하여 전술한 양을 제공하도록 첨가될 수 있다. 유성 드릴링 유체 조성물을 제조하는 방법은 가중 첨가제를 제4 혼합물에 혼합하여 유성 드릴링 유체 조성물을 형성하는 단계를 추가로 포함할 수 있다. 유성 드릴링 유체 조성물의 성분은 유성 드릴링 유체 조성물의 구현예와 관련하여 전술한 양을 제공하도록 첨가될 수 있다.

전술한 유성 드릴링 유체 조성물은 지하 구조물에서의 드릴링 작업, 특히 10,000 psi보다 큰 웰보어 압력 및 300 ℉ (149 ℃)보다 큰 웰보어 온도의 HPHT 조건하에서 수행되는 드릴링 작업에 사용하기에 적합할 수 있다. 따라서, 고압 고온 조건하에 지하 웰에서 드릴링하는 방법의 구현예는 본 명세서에 기재된 임의의 구현예에 따른 유성 드릴링 유체 조성물을 제공하는 것을 포함할 수 있다. 고압 고온 조건하에 지하 웰에서 드릴링하는 방법은 유성 드릴링 유체 조성물의 존재하에 웰보어에서 드릴을 작동시키는 단계를 포함한다.

실시예

하기 실시예는 본 개시내용의 하나 이상의 추가적인 특징을 예시한다. 이러한 실시예는 본 개시내용 또는 첨부된 청구항의 범위를 임의의 방식으로 제한하는 것으로 의도되지 않음을 이해하여야 한다.

Mg/Al-미리스테이트 층상 이중 수산화물이 생성되었다. 출발 물질로서, Mg(NO₃)₂·6H₂O, Al(NO₃)₃·9H₂O, 우레아 및 나트륨 미리스테이트를 Sigma Aldrich로부터 구입하여 추가 정제 없이 사용하였다. MilliQ® 물 정화 시스템에 의해 처리된 정제수를 합성 전반에 걸쳐 사용하고, 물은 어떠한 CO₂ 오염을 방지하기 위해 75 ℃에서 가열하여 탈탄소화하였다. 층상 이중 수산화물을 형성하기 위해, 11.596 g의 Mg(NO₃)₂·6H₂O, 8.35 g의 Al(NO₃)₃·9H₂O 및 12.16 g의 우레아를 1000 mL 테플론 라이닝된 오토클레이브에 넣었다. Mg/Al의 몰비는 2이고, 우레아 대 금속의 몰비는 3이었다. 이 혼합물에 25.34 g의 나트륨 미리스테이트 및 500 mL의 고온 탈탄소화된 물을 첨가하여 1.5의 미리스테이트/금속의 몰비를 갖는 혼합물을 형성하였다. 생성된 반응 혼합물을 150 ℃에서 24시간 동안 열수 처리하였다. 반응 후, 생성물 전체를 아세톤에 분산시키고 실온에서 30분 동안 교반하였다. 다량의 고온 탈탄소화된 물로 세정한 후 오븐에서 24시간 동안 75 ℃에서 가열하여 생성물을 회수하였다. 또한, Mg/Al-미리스테이트 층상 이중 수산화물은 Mg/Al 몰비를 1 내지 5로 변화시키고, 가열 온도를 100 ℃ 내지 200 ℃로 변화시키고, 반응 시간을 6시간 내지 48시간으로 변화시킴으로써 제조하였다.

Mg/Al-미리스테이트 층상 이중 수산화물 레올로지 조절제를 함유한 드릴링 유체의 물리적 및 유동학적 특성을 산업 표준 점도 조절제를 함유한 드릴링 유체의 물리적 및 유동학적 특성과 비교하기 위해, 4개의 드릴링 유체를 제조하였다. 4 가지 드릴링 유체는 독점 유화제, 습윤제 및 유성 유체 제형에 특화된 유체-손실 제어제의 블렌드를 포함하는 M-I SWACO RHADIANT™ 시스템을 기반으로 하였다. 구체적으로, 레올로지 조절제로서 VERSAGEL HT 및 Bentone 42를 사용하여 비교 드릴링 유체, 비교예 A를 제조하였다. VERSAGEL HT, Bentone 42 또는 둘 다를 Mg/Al-미리스테이트 층상 이중 수산화물로 대체하여 다른 드릴링 유체 (실시예 1-3)를 제조했다. 실시예 1 내지 3은 비교예 A보다 총 레올로지 조절제의 양이 12 내지 25% 적다는 점에 유의한다. 따라서, 실시예 1 내지 3은 비교예 A보다 우수한 환경 특성을 가질 것이다.

비교예 A 및 실시예 1 내지 3 드릴링 유체는 다음 성분을 사용하여 제형화되었다: Shell로부터 입수 가능한 합성 오일 드릴링 베이스 유체인 Saraline 185V; M-I SWACO, LLC (미국 텍사스 휴스턴)로부터 입수 가능한 아미도아민 계면활성제인 SUREMUL®; M-I SWACO, LLC (미국 텍사스 휴스턴)로부터 입수 가능한 습윤제인 SUREWET®; M-I SWACO, LLC (미국 텍사스 휴스턴)로부터 입수 가능한 비-수성 유체 시스템에 사용하기 위한 유화제인 MUL XT; M-I SWACO, LLC (미국 텍사스 휴스턴)로부터 입수 가능한 여과 제어에 도움을 주는 헥토라이트 점토 증점제인 VERSAGEL HT; Elementis Specialties, Inc. (뉴저지 이스트 윈저)로부터 입수 가능한 헥토라이트 유기점토 증점제인 Bentone 42; M-I SWACO, LLC (미국 텍사스 휴스턴)로부터 입수 가능한 오일 및 합성-기반 드릴링 유체 시스템에 사용하도록 설계된 아민-처리된 타닌 여과 제어 첨가제인 ONE-TROL™ HT; M-I SWACO, LLC (미국 텍사스 휴스턴)로부터 입수 가능한 오일 및 합성-기반 드릴링 유체 시스템에 사용하도록 설계된 여과 제어 첨가제인 ECOTROL RD; 및 M-I SWACO, LLC (미국 텍사스 휴스턴)로부터 입수 가능한 중정석 (BaSO₄) 가중제. 또한, 20 ℃에서 2.24의 비중과 400 kg/m³의 벌크 밀도를 갖는 석회가 사용되었고; Schlumberger로부터 입수 가능한 CaCl₂ 염수; 및 담수가 포함되었다.

비교예 A 및 실시예 1-3의 드릴링 유체는 자기 교반 막대를 사용하여 각각 30.88 g, 25.98 g, 25.665 g 및 25.740 g의 양으로 제조되었다. 비교예 A 및 실시예 1 드릴링 유체를 위한 제형은 표 1에 제공된다. 드릴링 유체를 제조하기 위해, 기유, 유화제 및 습윤제를 단계 1 동안 10분 동안 먼저 함께 혼합하였다. 이어서, 점도 조절제 및 레올로지 조절제를 첨가하고 단계 2 동안 추가 20분 동안 혼합하였다. 특별히, Mg/Al-미리스테이트 DLH가 실시예 1-3에서 사용되었지만 비교예 A에서는 사용되지 않았다. 다음에, 단계 3에서 유체-손실 제어 첨가제를 첨가하고 20분 동안 혼합한 후, 단계 4에서 염수 및 담수를, 단계 5에서 중정석을 첨가하고, 이를 각각 30분 및 40분 동안 혼합하였다. 비교예 A 및 실시예 1에 대해 사용된 기유 및 중정석의 중량%의 양은 비교예 A 및 실시예 1-3에 대해 2.20의 비중 및 90.0의 오일/물 비를 제공하기 위해 약간 상이하였다. 실시예에서, 오일:물 비는 층상 이중 수산화물의 오일 부분을 포함하지 않는다는 점에 유의한다.

비교예 A 및 실시예 1-3의 드릴링 유체를 17시간 동안 혼합한 후 정적으로 방치한 후 레올로지 측정 전에 새깅(sagging) 및 유체 분리를 검사하였다. 유체 분리 및 새깅을 육안으로 검사했다. 특별히, 고체 및 액체의 시각적 분리 검사가 수행되었다. 새깅은 또한, 미세 주걱을 머드에 삽입하여 머드가 위에서 아래 전체에 걸쳐 비슷한 질감 (주관적으로 단단함 또는 부드러움)을 갖는지 확인하고 고체가 더 이상 균질하게 드릴링 유체 전체에 분배되지 않도록 고형물의 분리 및 침전이 존재하는지 확인함으로써 검사하였다. 고형물의 분리 및 침전 의해 입증된 바와 같이 새깅이 발생하면, 머드는 드릴링 유체가 정적으로 남겨진 용기의 상단에서 더 부드러워 보일 것이고 바닥에서 더 단단해질 것이다. 기재된 바와 같이, 새깅은 중정석과 같은 더 무거운 물질이 바닥으로 이동할 때와 같이 고형물이 밀도가 증가함에 따라 침전되는 경우를 말하며, 고형물을 용액으로 다시 분산시키기 위해 격렬한 혼합이 필요할 수 있다. 유체 분리는 상단에서 분리되는 유체를 말하지만 나머지 성분과 분리되어 바닥에 침전되는 무거운 고형물 없이 성분의 내용물이 분산된 상태로 유지된다.

드릴링 유체의 점도는 응력 및 변형률 제어 레오미터 (델라웨어 뉴캐슬의 TA Instrument의 디스커버 하이브리드 레오미터(Discover Hybrid Rheometer))를 사용하여 시험하였다. 레오미터에 사용되는 형상은 25 mm 거친 스테인리스강 평행 판이었다. 이 형상은 샘플에 과립형 중정석이 존재하기 때문에 선택되었다. 스테인리스강 강판들 사이의 간극은 300 μm로 설정되었다. 전단 속도의 함수로서의 점도 측정은 대기압에서 0 ℃ 및 50 ℃에서 0.004 내지 2000　s^-1에서 수행하였다. 힘이 가해지지 않은 경우, 비교예 A 및 실시예 1-3의 드릴링 유체는 겔화되었고, 드릴 고형물 및 중정석과 같은 가중 재료를 보유할 수 있을 정도로 강했다. 또한, 전단 속도 실험은 유체의 유용한 점도 정보 및 유체가 제로 전단을 갖는지 또는 전단 박화인지를 제공한다. 전단 속도 실험은 또한 드릴링 유체가 변형되는 전단 속도를 나타냈다.

도 1은 0 ℃ 및 50 ℃에서 시험된 샘플에 대한 전단 속도의 함수로서의 점도를 도시한다. 또한, 50 ℃에서의 시험에 대한 도 1에 도시된 레올로지 측정으로부터 선택된 결과는 표 2에 포함된다.

도 1 및 표 2를 참조하면, 비교예 A 및 실시예 1 둘다는 시험에서 이들의 제형 및 온도에 관계없이 전단-박화 거동을 나타냈다. 그러나, 50 ℃에서, 실시예 1-3은 동일한 온도 및 전단 속도에서 비교예 A보다 비교적 낮은 전단 속도, 예컨대 10.22 s^-1에서 더 크거나 같은 점도를 나타냈으며, 따라서 실시예 1-3의 드릴링 유체가 50 ℃에서 비교예 A의 드릴링 유체뿐만 아니라 적어도 정지된 상태에서 고형물을 보유할 수 있게 한다. 또한, 50 ℃에서 실시예 1-3의 드릴링 유체는 비교예 A의 드릴링 유체보다 더 적거나 같은 점도를 나타냈다. 따라서, 실시예 1-3의 드릴링 유체는 50 ℃에서 순환하는데 더 적은 에너지를 요구할 수 있다. 50 ℃에서 실시예 1-3 및 비교예 A의 유동학적 특성은, 실시예 1이 비교예 A와 비교할 때 높은 전단 속도에서 더 낮은 점도로 인해 드릴링 유체 순환 동안 더 적은 동력의 필요성을 나타내면서 낮은 전단 속도에서 더 큰 점도로 인해 정지 상태에서 고체를 보유하는 것이 더 우수할 것임을 나타낸다.

도 1-3 및 표 2에 나타낸 바와 같이, 실시예 1-3의 드릴링 유체는 비교예 A의 드릴링 유체보다 0 ℃에서 10.22 s^-1에서 더 낮은 점도를 나타냈으며, 또한 비교예 A의 드릴링 유체보다 0 ℃에서 170 s^-1에서 더 낮은 점도를 나타냈다. 따라서, 정체된 드릴링 기간 동안의 겔 강도는 비교예 A와 비교하여 실시예 1-3의 드릴링 유체에 대해 약간 더 작을 것이지만, 실시예 1-3의 드릴링 유체는 0 ℃에서 순환하는데 더 적은 에너지를 요구할 것이다. 따라서, 정체 동안 고형물을 보유하기 위해 실시예 1-3의 드릴링 유체의 점도가 허용되는 한, 실시예 1-3의 드릴링 유체는 0 ℃에서 비교예 A의 드릴링 유체보다 우수할 수 있다.

실시예 1의 드릴링 유체는 응력이 제거되자마자 겔화될 수 있는, 깨지기 쉬운 겔의 특성을 나타냈다. 이는 드릴링 유체가 절단물을 효과적으로 지지할 수 있도록 드릴링이 중단되자마자 겔화될 수 있는 드릴링 유체와 관련이 있다.

실시예 1 및 비교예 A 둘다는 새깅을 나타내지 않았으며 제조 후 17시간 동안 정지한 후 미량 또는 약간의 분리만을 나타냈다. 실시예 1은 표 3에 나타난 바와 같이 50 ℃에서 비교예 A보다 더 적은 변형률로 변형되었다. 따라서, 실시예 1-3의 드릴링 유체는 드릴링을 개시하기 위해 더 적은 동력이 필요할 것이다. 용기의 상부에서 얇은 액체층만이 관찰되었을 때 미량의 분리가 관찰되었다. 용기의 상부 및 용기의 측면에서 얇은 액체층이 보일 때 약간의 분리가 관찰되었다.

50 ℃에서의 저장 탄성률 (G') 및 손실 탄성률 (G")은 도 2에 % 변형률의 함수로서 도시되어 있다. 또한, % 변형률의 함수로서 50 ℃에서의 위상각이 도 3에 도시되어 있다. 실시예 1-3의 드릴링 유체의 저장 탄성률 (G')은 모두 손실 탄성률 (G")보다 더 크며, 이는 모든 드릴링 유체가 비교예 A의 드릴링 유체와 같은 고체-유사 특성을 가짐을 나타낸다. 실시예 1-3의 드릴링 유체는 비교예 A의 G' 및 G" 값과 유사하거나 더 큰 저장 탄성률 (G') 및 손실 탄성률 (G") 값을 가졌지만, 이들은 비교예 A의 드릴링 유체보다 낮은 변형률로 변형되었고, 따라서 순환을 개시하고 순환하는 동안 더 적은 동력이 필요하다. 실시예 1-3의 드릴링 유체는 비교 드릴링 유체보다 50 ℃에서 더 낮은 % 변형률에서 (G">G')와 같이 더 액체가 되므로 또한 순환 중에 더 적은 동력을 필요로 한다. 실시예 1-3의 드릴링 유체의 위상각은 비교예 1보다 낮은 변형률에서 반고체처럼 거동하기 시작했다.

특성에 할당된 임의의 두 정량적 값은 그 특성의 범위를 구성할 수 있고 주어진 특성의 모든 명시된 정량적 값으로부터 형성된 범위의 모든 조합이 본 개시내용에서 고려될 수 있음을 이해해야 한다. 조성물 또는 제형 내 화학 구성성분의 조성 범위는, 일부 구현예에서, 상기 구성성분의 이성질체의 혼합물을 포함하는 것으로 인식되어야 함을 이해해야 한다. 실시예는 다양한 조성물에 대한 조성 범위를 제공하고, 특정 화학 조성물의 이성질체의 총량이 범위를 구성할 수 있음을 이해해야 한다.

이하의 청구범위 중 하나 이상은 전이 구문(transitional phrase)로서 용어 "여기서(wherein)"를 사용한다는 것에 유의해야 한다. 본 기술을 정의할 목적으로, 이 용어는 구조의 일련의 특성을 열거하기 위해 사용되는 개방형 전이 구문으로 청구범위에 도입되며, 보다 일반적으로 사용되는 개방형 전제 용어(preamble term)인 "포함하는"과 같은 방식으로 해석되어야 함을 유의해야 한다.

특성에 할당된 임의의 두 정량적 값은 그 특성의 범위를 구성할 수 있고, 주어진 특성의 모든 명시된 정량적 값으로부터 형성된 범위의 모든 조합이 본 개시내용에서 고려된다는 것을 이해해야 한다.

청구된 주제의 사상 및 범위를 벗어나지 않으면서 기술된 구현예에 다양한 변형이 이루어질 수 있음이 당업자에게 명백할 것이다. 따라서, 다양한 기술된 구현예의 수정 및 변형이 첨부 청구범위 및 그 등가물의 범위 내에 있는 한 본 명세서가 그러한 수정 및 변형을 포함하는 것으로 의도된다.

현재 설명된 주제는 하나 이상의 측면을 포함할 수 있으며, 이는 본 개시내용의 교시를 제한하는 것으로 간주되어서는 안된다. 제1 측면은 다음을 포함하는 유성 드릴링 유체 조성물을 포함할 수 있다: 유상의 기유; 수성상의 물; 미리스테이트를 포함하는 층상 이중 수산화물을 포함하는 레올로지 조절제; 및 유화제, 습윤제, 유체-손실 제어 첨가제, 및 가중 첨가제로부터 선택된 하나 이상의 첨가제.

제2 측면은 기유, 물-함유 성분 및 레올로지 조절제를 혼합하여 유성 드릴링 유체 조성물을 형성하는 단계를 포함하는 유성 드릴링 유체 조성물의 제조 방법을 포함할 수 있으며, 여기서: 상기 유성 드릴링 유체 조성물은 기유를 포함하는 유상 및 물을 포함하는 수성상을 포함하고; 상기 레올로지 조절제는 미리스테이트를 포함하는 층상 이중 수산화물을 포함한다.

제3 측면은 지하 웰을 드릴링하기 위한 방법을 포함할 수 있고, 상기 방법은 유성 드릴링 유체 조성물을 제공하는 단계로서, 상기 유성 드릴링 유체 조성물은 유상의 기유; 수성상의 물; 미리스테이트를 포함하는 층상 이중 수산화물을 포함하는 레올로지 조절제; 유화제, 습윤제, 유체-손실 제어 첨가제 및 가중 첨가제로부터 선택된 하나 이상의 첨가제를 포함하는, 상기 제공 단계; 및 유성 드릴링 유체 조성물의 존재하에 웰보어에서 드릴을 작동시키는 단계를 포함한다.

또 다른 측면은 유성 드릴링 유체가 상기 유성 드릴링 유체의 총 중량을 기준으로 0.1 중량% 내지 2 중량%의 양으로 미리스테이트를 포함하는 층상 이중 수산화물을 포함하는, 이전 측면들 중 어느 것을 포함한다.

또 다른 측면은 유성 드릴링 유체가 상기 유성 드릴링 유체의 총 중량을 기준으로 10 중량% 내지 20 중량%의 양으로 기유를 포함하는, 이전 측면들 중 어느 것을 포함한다.

또 다른 측면은 유성 드릴링 유체가 상기 유성 드릴링 유체의 총 중량을 기준으로 0.1 중량% 내지 2 중량%의 양으로 하나 이상의 습윤제를 포함하는, 이전 측면들 중 어느 것을 포함한다.

또 다른 측면은 유성 드릴링 유체가 상기 유성 드릴링 유체의 총 중량을 기준으로 0.1 중량% 내지 5 중량%의 양으로 하나 이상의 유화제를 포함하는, 이전 측면들 중 어느 것을 포함한다.

또 다른 측면은 유성 드릴링 유체가 상기 유성 드릴링 유체의 총 중량을 기준으로 0.5 중량% 내지 2 중량%의 양으로 하나 이상의 유체-손실 제어 첨가제를 포함하는, 이전 측면들 중 어느 것을 포함한다.

또 다른 측면은 유성 드릴링 유체가 상기 유성 드릴링 유체의 총 중량을 기준으로 50 중량% 내지 90 중량%의 양으로 하나 이상의 가중 첨가제를 포함하는, 이전 측면들 중 어느 것을 포함한다.

또 다른 측면은 층상 이중 수산화물이 Mg/Al-미리스테이트 층상 이중 수산화물인, 이전 측면들 중 어느 것을 포함한다.

또 다른 측면은 층상 이중 수산화물이 알루미늄 양이온을 포함하는, 이전 측면들 중 어느 것을 포함한다.

또 다른 측면은 층상 이중 수산화물이 마그네슘 양이온을 포함하는, 이전 측면들 중 어느 것을 포함한다.

또 다른 측면은 층상 이중 수산화물이 Mg/Al-미리스테이트 층상 이중 수산화물이고, 유성 드릴링 유체가 상기 유성 드릴링 유체의 총 중량을 기준으로 층상 이중 수산화물을 0.1 중량% 내지 2 중량%의 양으로 포함하는, 이전 측면들 중 어느 것을 포함한다.

또 다른 측면은 유화제, 습윤제, 유체-손실 제어 첨가제 및 가중 첨가제로부터 선택된 하나 이상의 첨가제를 기유, 물-함유 성분 및 레올로지 조절제와 혼합하는 것을 추가로 포함하는, 이전 측면들 중 어느 것을 포함한다.

또 다른 측면은 웰보어가 300 ℉ 초과의 웰보어 온도를 포함하는, 이전 측면들 중 어느 것을 포함한다.

또 다른 측면은 웰보어가 10,000 psi 초과의 웰보어 압력을 포함하는, 이전 측면들 중 어느 것을 포함한다.

또 다른 측면은 표면 온도가 0 ℃ 이하인, 이전 측면들 중 어느 것을 포함한다.

본 개시내용의 주제를 상세하게 그리고 특정 구현예를 참조하여 설명하였지만, 본 개시내용에 기재된 다양한 세부 사항은 본 설명에 수반되는 각 도면에 특정 요소가 도시되어 있는 경우에도, 이들 세부 사항이 본 개시내용에 설명된 다양한 구현예의 필수 구성요소인 요소와 관련되어 있음을 암시하는 것으로 받아들여서는 안된다는 점에 유의한다. 오히려, 여기에 첨부된 청구범위는 본 개시내용의 폭 및 본 개시내용에서 기재된 다양한 구현예들의 상응하는 범위의 유일한 표현으로 받아들여져야 한다. 또한, 청구된 주제의 사상과 범위를 벗어나지 않으면서 기재된 구현예들에 다양한 수정 및 변형이 이루어질 수 있음이 당업자에게 명백할 것이다. 따라서, 본 명세서는 그러한 수정 및 변형이 첨부된 청구범위 및 그 등가물의 범위 내에 있는 경우 다양하게 기술된 구현예에서의 수정 및 변형을 포함하는 것으로 의도된다.

Claims

유상의 기유;
수성상의 물;
미리스테이트를 포함하는 층상 이중 수산화물을 포함하는 레올로지 조절제; 및
유화제, 습윤제, 유체-손실 제어 첨가제, 및 가중(weighting) 첨가제로부터 선택된 하나 이상의 첨가제를 포함하는, 유성 드릴링 유체 조성물.
청구항 1에 있어서, 상기 유성 드릴링 유체는 상기 유성 드릴링 유체의 총 중량을 기준으로 0.1 중량% 내지 2 중량%의 양으로 미리스테이트를 포함하는 층상 이중 수산화물을 포함하는, 유성 드릴링 유체 조성물.
청구항 1에 있어서, 상기 유성 드릴링 유체는
상기 유성 드릴링 유체의 총 중량을 기준으로 10 중량% 내지 20 중량%의 양의 기유;
상기 유성 드릴링 유체의 총 중량을 기준으로 0.1 중량% 내지 2 중량%의 양의 하나 이상의 습윤제;
상기 유성 드릴링 유체의 총 중량을 기준으로 0.1 중량% 내지 5 중량%의 양의 하나 이상의 유화제;
상기 유성 드릴링 유체의 총 중량을 기준으로 0.5 중량% 내지 2 중량%의 양의 하나 이상의 유체-손실 제어 첨가제; 또는
상기 유성 드릴링 유체의 총 중량을 기준으로 50 중량% 내지 90 중량%의 양의 하나 이상의 가중 첨가제 중 하나 이상을 포함하는, 유성 드릴링 유체 조성물.
청구항 1에 있어서, 상기 층상 이중 수산화물은 알루미늄 양이온 또는 마그네슘 양이온 중 하나 이상을 포함하는, 유성 드릴링 유체 조성물.
청구항 1 내지 4 중 어느 한 항에 있어서, 상기 층상 이중 수산화물은 Mg/Al-미리스테이트 층상 이중 수산화물인, 유성 드릴링 유체 조성물.
유성 드릴링 유체 조성물의 제조 방법으로서,
기유, 물-함유 성분, 및 레올로지 조절제를 혼합하여 유성 드릴링 유체 조성물을 형성하는 단계를 포함하며,
상기 유성 드릴링 유체 조성물은 기유를 포함하는 유상, 및 물을 포함하는 수성상을 포함하고;
상기 레올로지 조절제는 미리스테이트를 포함하는 층상 이중 수산화물을 포함하는, 유성 드릴링 유체 조성물의 제조 방법.
청구항 6에 있어서, 유화제, 습윤제, 유체-손실 제어 첨가제, 및 가중 첨가제로부터 선택된 하나 이상의 첨가제를 상기 기유, 물-함유 성분, 및 레올로지 조절제와 혼합하는 단계를 추가로 포함하는, 방법.
청구항 6에 있어서, 상기 유성 드릴링 유체는
상기 유성 드릴링 유체의 총 중량을 기준으로 10 중량% 내지 20 중량%의 양의 기유;
상기 유성 드릴링 유체의 총 중량을 기준으로 0.1 중량% 내지 5 중량%의 양의 하나 이상의 유화제;
상기 유성 드릴링 유체의 총 중량을 기준으로 0.1 중량% 내지 2 중량%의 양의 하나 이상의 습윤제;
상기 유성 드릴링 유체의 총 중량을 기준으로 0.5 중량% 내지 2 중량%의 양의 하나 이상의 유체-손실 제어 첨가제;
상기 유성 드릴링 유체의 총 중량을 기준으로 50 중량% 내지 90 중량%의 양의 하나 이상의 가중 첨가제; 또는
상기 유성 드릴링 유체의 총 중량을 기준으로 0.1 중량% 내지 2 중량%의 양의 층상 이중 수산화물 중 하나 이상을 포함하는, 방법.
청구항 6에 있어서, 상기 층상 이중 수산화물은 알루미늄 양이온 또는 마그네슘 양이온 중 하나 이상을 포함하는, 방법.
청구항 6 내지 9 중 어느 한 항에 있어서, 상기 층상 이중 수산화물은 Mg/Al-미리스테이트 층상 이중 수산화물인, 방법.
지하 웰(subterranean well)을 드릴링하는 방법으로서,
유성 드릴링 유체 조성물을 제공하는 단계로서, 상기 유성 드릴링 유체 조성물은, 유상의 기유; 수성상의 물; 미리스테이트를 포함하는 층상 이중 수산화물을 포함하는 레올로지 조절제; 유화제, 습윤제, 유체-손실 제어 첨가제, 및 가중 첨가제로부터 선택된 하나 이상의 첨가제를 포함하는, 상기 제공하는 단계; 및
상기 유성 드릴링 유체 조성물의 존재 하에 웰보어(wellbore)에서 드릴을 작동시키는 단계를 포함하는, 지하시추정을 드릴링하는 방법.
청구항 11에 있어서, 상기 웰보어는
300 ℉ 초과의 웰보어 온도;
10,000 psi 초과의 웰보어 압력; 또는
0 ℃ 이하의 표면 온도 중 하나 이상을 포함하는, 방법.
청구항 11에 있어서, 상기 유성 드릴링 유체는
상기 유성 드릴링 유체의 총 중량을 기준으로 10 중량% 내지 20 중량%의 양의 기유;
상기 유성 드릴링 유체의 총 중량을 기준으로 0.1 중량% 내지 5 중량%의 양의 하나 이상의 유화제;
상기 유성 드릴링 유체의 총 중량을 기준으로 0.1 중량% 내지 2 중량%의 양의 하나 이상의 습윤제;
상기 유성 드릴링 유체의 총 중량을 기준으로 0.5 중량% 내지 2 중량%의 양의 하나 이상의 유체-손실 제어 첨가제; 또는
상기 유성 드릴링 유체의 총 중량을 기준으로 50 중량% 내지 90 중량%의 양의 하나 이상의 가중 첨가제; 또는
상기 유성 드릴링 유체의 총 중량을 기준으로 0.1 중량% 내지 2 중량%의 양의 층상 이중 수산화물 중 하나 이상을 포함하는, 방법.
청구항 11에 있어서, 상기 층상 이중 수산화물은 알루미늄 양이온 또는 마그네슘 양이온 중 하나 이상을 포함하는, 방법.
청구항 11 내지 14 중 어느 한 항에 있어서, 상기 층상 이중 수산화물은 Mg/Al-미리스테이트 층상 이중 수산화물인, 방법.