KR20200108404A

KR20200108404A - 고압 및 고온 시추 작업을 위한 오일계 시추액

Info

Publication number: KR20200108404A
Application number: KR1020207007559A
Authority: KR
Inventors: 무사라트 할리마 모하메드; 휴 크리스토퍼 그린웰; 앤드류 위팅; 바탈 모나 알; 존 아드리안 할; 가산 셀만 알라베디; 마이클 헤이워드 호더
Original assignee: 사우디 아라비안 오일 컴퍼니; 엠-아이 드릴링 플루이즈 유케이 리미티드; 더럼 유니버시티
Priority date: 2017-08-15
Filing date: 2018-08-08
Publication date: 2020-09-18
Also published as: US10640696B2; SG11202001270WA; EP3668943A1; WO2019036250A1; US20200216742A1; US11034880B2; CN111433315A; US20190055448A1; JP2020532598A

Abstract

기유(base oil)를 포함하는 유상(oil phase), 물을 포함하는 수성상, 적어도 하나의 유화제, 및 하나 이상의 첨가제를 포함하는 오일계 시추액(drilling fluid) 조성물이 제공된다. 적어도 하나의 유화제는 화학식 R-CO-NH-R'-NH-R"-NH₂를 갖는 아미노 아미드를 포함하며, 상기 화학식에서, R은 지방산 알킬이고, R' 및 R"는 알킬기이다. 하나 이상의 첨가제는 습윤제, 유동성 개질제(rheology modifier), 유체-손실 조절 첨가제(fluid-loss control additive) 및 증량 첨가제(weighting additive)로부터 선택된다. 오일계 시추액 조성물의 제조 방법 및 오일계 시추액 조성물을 이용한 지하시추정(subterranean well)의 시추 방법이 또한, 제공된다.

Description

고압 및 고온 시추 작업을 위한 오일계 시추액

관련 출원에 대한 교차 참조

본 출원은 참조로서 본원에 포함된, 2017년 8월 15일에 출원된 미국 가출원 62/545,516의 이득을 주장한다.

기술분야

본 개시내용의 구현예는 일반적으로, 고압 및 고온 시추 작업에 사용되는 오일계 시추액(drilling fluid)에 관한 것이다. 보다 구체적으로, 본 개시내용의 구현예는 유화제를 포함하는 오일계 시추액에 관한 것이다.

시추 작업은 탄화수소 추출을 위한 새로운 유정공(wellbore)을 시추하는 것이며, 예를 들어 시추 작업 동안 유정공을 통해 시추액(대안적으로 시추 이수(drilling mud)로 공지됨)을 계속해서 순환시키는 보편적인 실시를 포함한다. 시추액은 시추공(borehole)의 하부로의 굴착관 내로 펌핑되며, 그 후에 상기 시추공에서 시추액은 유정공 벽과 굴착관 사이의 환상 공간(annular space)을 통해 상향 유동하고, 마지막으로 상기 유정공으로부터 유동하며, 여기서, 상기 시추액은 제2 가공을 위해 회수된다. 구체적으로, 시추액은 기계적으로 또는 화학적으로 처리되어, 포착된 고형분 및 드릴 절삭물(drill cutting)을 유정공을 통해 다시 재순환되기 전에 시추액으로부터 제거한다.

시추 작업 동안 고형분 및 절삭물을 포착하는 데 있어서 시추액의 순환 성질 및 이의 기능성을 고려하면, 시추액은 절삭물 및 다른 고형분을 보유 및 수송하고 정적 및 순환 조건 동안 유정공에서 균일한 밀도의 시추액 컬럼을 유지하기 위해 칭량 물질을 현탁시키기에 충분한 성분을 갖는 한편 펌핑을 용이하게 하기 위해서는 상대적으로 낮은 점도를 가지면서 자유-유동성이어야 한다. 시추액은 또한, 유정공의 하부에서 고형분의 축적을 방지하기 위해 시추액의 순환이 중단된다면, 고형분 및 절삭물을 현탁시키기에 충분한 겔 강도를 가져야 한다. 유정공의 하부에서 축적되는 고형분은 잠재적으로, 드릴의 재밍(jamming)뿐만 아니라 시추액의 유동 경로의 물리적 폐색을 초래할 것이다.

심정 시추(drilling in deep well)는 고압 및 고온(HPHT)을 수반하는 지리학적 조건에 의해 복잡해진다. 유정공이 깊이 면에서 증가됨에 따라, 유정공의 기부(base)에서 압력 및 온도는 상승된다. HPHT 조건의 산업-정의된 정의는 전형적으로, 300℉(149℃) 초과의 유정공 온도 및 10,000 psi(68.9 MPa) 초과의 유정공 압력을 포함한다. 승온은 시추액에 유해 효과를 가지며, 이때 구성성분의 분해는 승온을 견딜 수 없다. 승온에서, 일부 시추액은 고형화하거나 점도 증가를 겪기 시작할 수 있으며, 이는 순환을 정체시킬 수 있다.

공지된 시추액은 전형적으로, 다른 구성 성분 중에서 유화제를 함유하며, 이는 이들 유화제가 HPHT 조건 하에 분해하기 때문에 HPHT 시추에 적합하지 않다. 따라서, 적합한 유동학적 특성을 제공하는 한편 HPHT 조건하에 열적으로 안정한 시추액 및 상기 시추액을 위한 포함된 유화제에 대한 요구가 계속 존재한다.

본 개시내용의 구현예는 오일계 시추액용 유화제, 상기 유화제를 포함하는 연관된 시추액 조성물, 및 오일계 시추액의 제조 방법에 관한 것이다.

하나 이상의 구현예에 따르면, 오일계 시추액은 기유(base oil)를 포함하는 유상(oil phase), 물을 포함하는 수성상, 적어도 하나의 유화제, 및 습윤제, 유동성 개질제(rheology modifier), 유체-손실 조절 첨가제 및 증량 첨가제(weighting additive)로부터 선택되는 하나 이상의 첨가제를 포함한다. 적어도 하나의 유화제는 화학식 R-CO-NH-R'-NH-R"-NH₂를 갖는 아미노 아미드를 포함하며, 상기 화학식에서, R은 지방산 알킬이고, R' 및 R"는 알킬기이다.

또 다른 양태에 따르면, 오일계 시추액의 제조 방법은 기유, 적어도 하나의 유화제, 및 선택적으로 적어도 하나의 습윤제를 혼합하여 제1 혼합물을 형성하는 단계를 포함한다. 유화제는 화학식 R-CO-NH-R'-NH-R"-NH₂의 아미노 아미드를 포함하고, 상기 화학식에서, R은 지방산 알킬이고, R' 및 R"는 알킬기이다. 부가적으로, 상기 방법은 선택적으로, 적어도 하나의 유동성 개질제 및 알칼리도 조정제를 제1 혼합물 내로 혼합하여 제2 혼합물을 형성하는 단계, 선택적으로, 적어도 하나의 유체-손실 조절 첨가제를 상기 제2 혼합물 내로 혼합하여 제3 혼합물을 형성하는 단계, 염수 용액을 상기 제1 혼합물 또는 제3 혼합물 내로 혼합하여 제4 혼합물을 형성하는 단계, 및 증량 첨가제를 상기 제4 혼합물 내로 첨가하여 오일계 시추액 조성물을 형성하는 단계를 포함한다.

추가의 양태에 따르면, 지하시추정(subterranean well)에서 시추 방법은 임의의 하나의 다른 양태에 따른 오일계 시추액 조성물을 제공하는 단계 및 상기 오일계 시추액 조성물의 존재 하에 유정공에서 드릴을 작동시키는 단계를 포함한다.

기재된 구현예의 부가적인 특징 및 이점은 후속하는 상세한 설명에 제시될 것이고, 부분적으로는, 해당 상세한 설명으로부터 당업자에게 쉽게 명백해지거나 또는 후속하는 상세한 설명 및 청구항을 포함하여 기재된 구현예를 실시함으로써 인지될 것이다.

예시적인 구현예의 하기 상세한 설명은 첨부된 도면과 함께 읽을 때 이해될 수 있다.
도 1은 다양한 시험되는 시추액의 점도를 0℃와 50℃ 둘 모두에서 전단 속도의 함수로서 나타낸 그래프를 제공한다.
도 2는 다양한 시험되는 시추액의 저장 탄성률(G') 및 손실 탄성률(G")을 50℃에서 변형률 퍼센트의 함수로서 나타낸 그래프를 제공한다.
도 3은 다양한 시험되는 시추액의 위상각을 50℃에서 변형률 퍼센트의 함수로서 나타낸 그래프를 제공한다.

본 개시내용의 구현예는 오일계 시추액용 유화제, 및 부가적으로 개시된 유화제를 혼입하는 오일계 시추액 조성물에 관한 것이다. 오일계 시추액은 유상, 수성상, 및 적어도 하나의 유화제의 조합이다. 유화제는 화학식 R-CO-NH-R'-NH-R"-NH₂의 아미노 아미드를 포함할 수 있으며, 상기 화학식에서, R은 지방산 알킬이고, R' 및 R"는 알킬기이다. 편의상, R이 지방산 알킬이고 R' 및 R"가 알킬기인 화학식 R-CO-NH-R'-NH-R"-NH₂의 아미노 아미드를 포함하는 유화제는 대안적으로 또한, 본 개시내용 전체에서 화학식 1 유화제로서 지칭된다.

지하시추정을 시추하기 위해, 드릴 비트(drill bit) 및 상기 드릴 비트를 칭량하기 위해 드릴 칼러(drill collar)를 포함하는 드릴 스트링(drill string)은 예비시추 정공(predrilled hole) 내로 삽입되고 회전되어, 상기 드릴 비트가 상기 정공의 말단에서 암석(rock)으로 절삭되게 한다. 시추 작업은 암석 단편을 생성한다. 암석 단편을 유정공의 말단으로부터 제거하기 위해, 오일계 시추액 조성물과 같은 시추액은 드릴 스트링을 통해 드릴 비트쪽으로 다운홀(downhole) 펌핑된다. 시추액은 드릴 비트를 냉각시키며, 윤활을 제공하고, 절삭물로 공지된 암석 단편을 드릴 비트로부터 멀리 들어올린다. 시추액이 표면으로 다시 재순환됨에 따라, 상기 시추액은 절삭물을 업홀(uphole) 운반한다. 표면에서, 절삭물은 2차 작업을 통해 시추액으로부터 제거되고, 시추액은 드릴 스트링을 통해 다운홀로 추가의 절삭물의 수합을 위해 유정공의 말단으로 다시 재순환된다. 당업자는, 당업자에게 친숙한 다수의 용어가 동일한 것을 기재하는 데 사용될 수 있는 것으로 이해될 것이다. 예를 들어, 지하시추정은 대안적으로 유정공 또는 시추공으로 지칭될 수 있고, 하나의 용어의 용법은 관련된 용어 각각을 마찬가지로 포괄하는 것이다.

시추액은 시추 이수, 패커 유체(packer fluid), 현탁 유체 및 완성 유체(completion fluid)를 포함한다. 일반적으로, 시추액은 특정 기능 또는 기능들에서 특수화하는 상이한 유형의 많은 기능들의 역할을 한다. 하나 이상의 구현예에서, 오일계 시추액 조성물은 절삭물 및 증량 물질을 현탁시키고, 절삭물을 오일계 시추액 조성물과 함께 유정공 표면으로 수송한다. 부가적으로, 오일계 시추액 조성물은 유정공에서 기체, 예컨대 이산화탄소(CO₂), 황화수소(H₂S) 및 메탄(CH₄)을 흡수하고, 이들을 방출, 격리 또는 연소(burn-off)를 위해 유정공 표면으로 수송한다. 오일계 시추액 조성물은 부가적으로, 부력을 드릴 스트링에 제공하여, 유정공의 길이가 증가함에 따라 드릴 스트링 상에서 장력을 완화시킨다. 하나 이상의 구현예에서, 오일계 시추액 조성물은 또한, 보링(boring) 작업에 이용되는 비트 및 드릴 스트링의 냉각 및 윤활을 위한 냉각 및 윤활 기능성을 제공한다. 다른 구현예에서, 오일계 시추액 조성물은 또한, 표면하(subsurface) 압력을 조절한다. 구체적으로, 오일계 시추액 조성물은 유정공에서 정수압(hydrostatic pressure)을 제공하여, 유정공의 측벽에 지지를 제공하고 측벽이 드릴 스트링 내에서 붕괴 및 케이빙(caving)하는 것을 방지한다. 부가적으로, 오일계 시추액 조성물은 시추 작업 동안 다운홀 형성물(formation) 내 유체가 유정공 내로 유동하는 것을 방지하기 위해 보어에 정수압을 제공한다.

소정의 극도의 다운홀 조건, 예컨대 과도한 온도 또는 상이한 형성물 하에, 시추액의 일부 특성은 변경될 수 있다. 예를 들어, 팽윤성 점토, 분산성 점토 또는 둘 모두를 갖는 형성물과 시추액의 상호작용, 또는 상기 시추액을 극도의 다운홀 온도에 처리하는 것은 상기 시추액이 농화되거나 담화되도록 유발하여 점도에서 과도한 증가 또는 감소, 또는 이들의 임의의 조합을 초래할 수 있다. 예를 들어, 고압 및 고온(HPHT) 작업에 이용되는 시추액은 300℉(149℃) 초과의 유정공 온도 및 10,000 psi(68.9 MPa) 초과의 유정공 압력을 경험할 수 있으며, 이는 HPHT 조건의 산업-정의된 정의이다. HPHT 조건 하에, 시추액은 분해되거나 유동학에서 바람직하지 못한 변화를 경험할 수 있다. 부가적으로, 유정공 내로의 기체 유입은 시추액을 담화시키거나 화학적으로 탈안정화시킬 수 있다. 증발 형성물 또한, 시추액을 탈안정화시킬 수 있다.

오일계 시추액 조성물의 구현예는 향상된 유동학을 제공하도록 제제화된다. 구체적으로, 오일계 시추액 조성물은 낮은 전단 속도에서 상업적으로 입수 가능한 HPHT 오일계 시추액보다 큰 점도 및 높은 전단 속도에서 상업적으로 입수 가능한 HPHT 오일계 시추액보다 작은 점도를 포함하도록 제제화된다. 이 개시내용에 사용된 바와 같이, 낮은 전단 속도는 10초의 역수(inverse second)(s^-1)보다 작은 것으로 정의되고, 높은 전단 속도는 100 s^-1보다 큰 것으로 정의된다. 낮은 전단 속도에서 더 큰 점도는, 시추 작업이 중단되고 증량 물질을 현탁액에 보유할 때 오일계 시추액 조성물이 절삭물을 효과적으로 갖고 있을 수 있게 한다. 역으로, 높은 전단 속도에서 더 작은 점도는 시추 작업 동안 오일계 시추액 조성물의 순환을 위해 더 적은 힘을 필요로 한다.

오일계 시추액은 적어도 하나의 유화제를 포함한다. 유화제는 오일계 시추액 조성물의 유상 내에서 상기 오일계 시추액 조성물의 수성상의 유화의 형성을 보조한다. 오일계 시추액 조성물에서 유화제의 포함은 유상 및 수성상의 분리를 방지하는 것을 돕고, 포획된 고형분이 유상에 분산되어 남아 있도록 보장한다. 유화제는 또한, 친유기성(organophilic) 점토와 같이 시추액을 점성화시키도록 설계된 첨가제의 성능에 영향을 준다.

하나 이상의 구현예에서, 유화제는 화학식 R-CO-NH-R'-NH-R"-NH₂를 포함하는 아미노 아미드(화학식 1 유화제)를 포함하고, 하기 반영된 바와 같은 화학 구조를 가진다.

하나 이상의 구현예에서, 시추액 조성물 내 화학식 1 유화제의 양은 상기 시추액 조성물의 총 중량을 기준으로, 0.05 중량 퍼센트(중량%) 내지 5 중량%, 0.1 중량% 내지 2 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. 오일계 시추액은 부가적인 유화제를 포함할 수 있다. 부가적인 예의 유화제는 Halliburton Energy Services, Inc.로부터 상업적으로 입수 가능한 LE SUPERMUL™ 및 M-I SWACO로부터 상업적으로 입수 가능한 MUL XT와 같은 합성계 시추액 시스템을 위한 오일-습윤제 및 인버트(invert) 유화제를 포함한다. LE SUPERMUL™은 카르복실산 종결화된 폴리아미드이다.

하나 이상의 구현예에서, 화학식 1 유화제와 부가적인 유화제 둘 모두를 포함하는 시추액 조성물 내 유화제의 총 양은 상기 시추액 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.

하나 이상의 구현예에서, 화학식 R-CO-NH-R'-NH-R"-NH₂를 포함하는 아미노 아미드에서 R 기는 지방산 알킬이다. 다양한 구현예에서, R 기는 C₁₅H₃₁, C₁₇H₃₅, C₂₁H₄₃ 또는 C₈H₁₇CHCHC₇H₁₄일 수 있다.

하나 이상의 구현예에서, 화학식 R-CO-NH-R'-NH-R"-NH₂를 포함하는 아미노 아미드에서 R' 기는 알킬기를 포함한다. 용어 "알킬"은 1 내지 500개의 탄소 원자를 갖는 포화된 직쇄 또는 분지쇄, 치환된 또는 비치환된 탄화수소 라디칼을 의미한다. 용어 "(C₁-C₂₀)알킬"은 1 내지 20개의 탄소 원자를 갖는 알킬을 의미하고, 이는 비치환되거나 또는 하나 이상의 R^s에 의해 치환된다. 하나 이상의 구현예에서, R' 기는 비치환된 알킬이다. 비치환된 (C₁-C₂₀)알킬의 예는 비치환된 (C₁-C₂₀)알킬; 비치환된 (C₁-C₁₀)알킬; 비치환된 (C₁-C₅)알킬; 메틸; 에틸; 1-프로필; 2-프로필; 1-부틸; 2-부틸; 2-메틸프로필; 1,1-디메틸에틸; 1-펜틸; 1-헥실; 1-헵틸; 1-노닐; 및 1-데실이다. 하나 이상의 구현예에서, R' 기는 치환된 알킬이다. 치환된 (C₁-C₂₀)알킬의 예는 치환된 (C₁-C₂₀) 알킬, 치환된 (C₁-C₁₀)알킬, 및 트리플루오로메틸이다. 다양한 구현예에서, R' 기는 2 내지 12개의 탄소 원자, 2 내지 6개의 탄소 원자, 또는 2개의 탄소 원자를 포함한다. 하나 이상의 구현예에서, R' 기는 C₂H₄, C₆H₁₂ 또는 C₁₀H₂₀일 수 있다.

하나 이상의 구현예에서, 화학식 R-CO-NH-R'-NH-R"-NH₂를 포함하는 아미노 아미드에서 R"기는 알킬기를 포함한다. 하나 이상의 구현예에서, R" 기는 비치환된 알킬이다. 비치환된 (C₁-C₂₀)알킬의 예는 비치환된 (C₁-C₂₀)알킬; 비치환된 (C₁-C₁₀)알킬; 비치환된 (C₁-C₅)알킬; 메틸; 에틸; 1-프로필; 2-프로필; 1-부틸; 2-부틸; 2-메틸프로필; 1,1-디메틸에틸; 1-펜틸; 1-헥실; 1-헵틸; 1-노닐; 및 1-데실이다. 하나 이상의 구현예에서, R" 기는 치환된 알킬이다. 치환된 (C₁-C₂₀)알킬의 예는 치환된 (C₁-C₂₀) 알킬, 치환된 (C₁-C₁₀)알킬, 및 트리플루오로메틸이다. 다양한 구현예에서, R' 기는 2 내지 12개의 탄소 원자, 2 내지 6개의 탄소 원자, 또는 2개의 탄소 원자를 포함한다. 하나 이상의 구현예에서, R' 기는 C₂H₄, C₆H₁₂ 또는 C₁₀H₂₀일 수 있다.

하나 이상의 구현예에서, 유화제는 화학식 R-CO-NH-R'-NH-R"-NH₂를 포함하는 아미노 아미드를 포함하고, 상기 화학식에서, R은 C₁₇H₃₅이고, R'는 C₂H₄이고, R"는 C₂H₄이다.

하나 이상의 구현예에서, 유화제는 3 내지 5의 친수성-친유성 균형(HLB)을 가질 수 있다. HLB는 표준 기술, 예컨대 그리핀 방법에 따라 측정될 수 있으며, 상기 그리핀 방법은 HLB = 20 x M_h/M을 언급하며, 여기서, M_h는 분자의 친수성 부분의 분자 질량이고, M은 전체 분자의 분자 질량이다. 결과적인 HLB 값은 0 내지 20의 규모로 결과를 제공하며, 상기 규모에서 0의 값은 완전히 소수성/친유성 분자에 상응하고, 20의 값은 완전히 친수성/소유성(lipophobic) 분자에 상응한다. 일반적으로, HLB가 10 미만인 분자는 지용성(따라서, 수불용성)이고, HLB가 10 초과인 분자는 수용성(따라서, 지질 불용성)이다.

하나 이상의 구현예에서, 유상은 기유를 포함한다. 오일계 시추액의 유상은 합성유 또는 천연 석유 생성물을 기유로서 포함할 수 있다. 천연 석유-유래 생성물은 디젤유 또는 미네랄유와 같은 오일을 포함할 수 있다. 합성유는 에스테르 또는 올레핀을 포함할 수 있다. 나아가, 합성유 또는 천연 석유 생성물은 n-파라핀, 이소-파라핀, 환식 알칸, 분지형 알칸 또는 이들의 혼합물과 같은 탄화수소로 이루어질 수 있다. 기유의 예는 Total S.A.(프랑스 파리 소재)로부터 입수 가능한 DF-1 및 EDC 99-DW 및 ExxonMobil Chemical Company(미국 텍사스주 스프링 소재)로부터 입수 가능한 Escaid™ 110이다. 다양한 구현예에서, 오일계 시추액 조성물은 상기 오일계 시추액 조성물의 총 중량을 기준으로, 10 중량% 내지 40 중량%, 10 중량% 내지 25 중량%, 10 중량% 내지 18 중량%, 12 중량% 내지 30 중량%, 12 중량% 내지 25 중량%, 12 중량% 내지 20 중량%, 12 중량% 내지 18 중량%, 15 중량% 내지 20 중량%, 15 중량% 내지 19 중량%, 15 중량% 내지 18 중량%, 또는 15 중량% 내지 17 중량% 기유를 가질 수 있다.

오일계 시추액의 수성상은 물 및 염 공급원을 포함할 수 있다. 하나 이상의 구현예에서, 물은 탈이온수, 수돗물, 증류수 또는 담수; 천연수, 담함수(brackish water) 및 포화된 염수; 천연, 암염 돔(salt dome), 탄화수소 형성물 생성 또는 합성 염수; 여과된 또는 미처리된 해수; 미네랄 워터; 및 하나 이상의 용해된 염, 미네랄 또는 유기 물질을 함유하는 다른 휴대용 및 비-휴대용 워터 중 하나 이상을 포함한다. 일부 구현예에서, 수성상은 물과 예를 들어 칼슘 클로라이드, 칼슘 브로마이드, 소듐 클로라이드, 소듐 브로마이드 및 이들의 조합 중 하나 이상으로부터 선택되는 염으로 이루어진 염수를 포함할 수 있다. 오일계 시추액은 상기 오일계 시추액의 총 중량을 기준으로, 약 2 중량% 내지 약 10 중량%의 수성상을 함유할 수 있다. 다양한 구현예에서, 오일계 시추액 조성물은 상기 오일계 시추액 조성물의 총 중량을 기준으로, 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, 오일계 시추액은 예를 들어 부피에 의해 50:50 내지 95:5, 75:20 내지 95:5, 85:15 내지 95:5, 또는 90:10 내지 95:5의 오일-대-물 비를 가질 수 있다. 오일계 시추액 조성물의 오일-대-물 비는 오일:물 = 기유 + 계면활성제(들) + 유화제(들) + 습윤제(들) : 물로서 계산되는 부피 비이다. 물 구성성분은 첨가된 모든 염수의 수성 부분 + 다른 첨가제에 존재하는 임의의 물을 포함한다.

오일계 시추액 조성물은 또한, 하나 이상의 첨가제를 포함한다. 첨가제의 예는 습윤제, 유동성 개질제, 유체-손실 조절 첨가제, 및 증량 첨가제를 포함한다. 오일계 시추액 조성물은 또한 선택적으로, 알칼리도 조정제, 전해질, 글리콜, 글리세롤, 분산 보조제, 부식 저해제, 소포제 및 다른 첨가제 또는 첨가제들의 조합을 포함할 수 있다.

구현예에서, 오일계 시추액 조성물은 오일계 시추액의 밀도를 증가시키기 위해 증량 첨가제를 포함할 수 있다. 증량 첨가제는 형성물 압력을 조절하고 응력을 받는 영역에서 맞닥뜨릴 수 있는 슬러깅(sloughing) 또는 무거운 셰일(heaving shale)의 효과에 대항하는 것을 돕는 데 사용될 수 있다. 물보다 치밀하고 시추액의 다른 특성에 악영향을 주지 않는 임의의 성분은 증량 물질로서 사용될 수 있다. 일부 구현예에서, 증량 물질은, 시추액 조성물이 유정공을 통해 순환되지 않을 수 있도록 과도한 증량 물질을 첨가하지 않으면서 시추액 조성물의 밀도를 소정의 양만큼 증가시키기에 충분한 비중(SG)을 갖는 미립자 고형분일 수 있다. 중량 조정 또는 밀도 조정 작용제의 예는 중정석(BaSO₄), 방연석(PbS), 적철석(Fe₂O₃), 자철석(Fe₃O₄), 제조된 철 옥사이드, 티탄 철광(FeO·TiO₂), 능철석(FeCO₃), 천청석(SrSO₄), 백운석(CaCO₃·MgCO₃) 및 방해석(CaCO₃)를 포함한다.

오일계 시추액 조성물은 시추액 조성물의 밀도를 증가시켜 상기 시추액 조성물이 유정공을 지지하고 다운홀 형성물 내 유체가 상기 유정공 내로 유동하는 것을 방지하는 것을 허용하도록 충분한 양의 증량 첨가제를 포함할 수 있다. 구현예에서, 오일계 시추액 조성물은 상기 오일계 시추액 조성물의 총 중량을 기준으로, 1 중량% 내지 80 중량%의 증량 첨가제를 포함할 수 있다. 일부 구현예에서, 오일계 시추액 조성물은 상기 오일계 시추액 조성물의 총 중량을 기준으로, 1 중량% 내지 75 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 증량 첨가제를 포함할 수 있다. 일부 구현예에서, 오일계 시추액 조성물은 상기 오일계 시추액 조성물의 총 중량을 기준으로, 64 중량% 내지 85.3 중량%의 증량 첨가제를 포함할 수 있다.

구현예에서, 오일계 시추액 조성물은 비-뉴턴 유체 유동학을 오일계 시추액 조성물에 부여하여, 암석 절삭물을 유정공의 표면으로 들어올리고 이송하는 것을 용이하게 하고 증량 물질을 현탁시키기 위해 유동성 개질제, 예를 들어 점증제(viscosifier)를 포함할 수 있다. 점증제의 예는 친유기성 점토, 해포석, 폴리아미드, 이량체성 또는 삼량체성 지방산, 이들 점증제의 조합을 포함할 수 있으나 이들로 한정되는 것은 아니다. 일부 구현예에서, 오일계 시추액 조성물은 선택적으로, 친유기성 헥토라이트 점토, 예를 들어 미국 텍사스주 휴스턴 소재의 MI-SWACO로부터 상업적으로 입수 가능한 VERSAGEL HT를 포함할 수 있다. 일부 구현예에서, 오일계 시추액 조성물은 선택적으로, 부가적인 또는 상이한 친유기성 점토, 예를 들어 미국 뉴저지주 하이츠타운 소재의 Elementis Specialties Inc로부터 상업적으로 입수 가능한 Bentone® 42를 포함할 수 있다. 오일계 시추액 조성물의 일례는 선택적으로, 상기 오일계 시추액 조성물의 총 중량을 기준으로, 0.1 중량% 내지 2 중량%의 유동성 개질제를 포함할 수 있다. 일부 구현예에서, 오일계 시추액 조성물은 선택적으로, 상기 오일계 시추액 조성물의 총 중량을 기준으로, 0.25 중량% 내지 0.5 중량%의 각각의 VERSAGEL HT 및 Bentone 42를 포함할 수 있다. 오일계 시추액 조성물은 선택적으로, 본 발명의 주제의 범위로부터 벗어나지 않으면서 다른 적합한 점증제를 포함할 수 있다.

오일계 시추액 조성물은 선택적으로, 적어도 하나의 알칼리도 조정제를 포함할 수 있다. 구현예에서, 오일계 시추액 조성물은 선택적으로, 상기 오일계 시추액 조성물의 알칼리도를 조정하기 위해 적어도 하나의 알칼리 화합물을 포함할 수 있다. 알칼리 화합물의 예는 석회석(칼슘 하이드록사이드 또는 칼슘 옥사이드), 소다회(소듐 카르보네이트), 소듐 하이드록사이드, 포타슘 하이드록사이드, 다른 강염기, 또는 이들 알칼리 화합물의 조합을 포함할 수 있지만 이들로 한정되는 것은 아니다. 약 13 초과의 pK _a 를 갖는 산에 대한 짝염기는 강염기인 것으로 여겨짐을 주목한다. 알칼리 화합물은 예를 들어 시추 작업 동안 시추액 조성물과 만나게 되는 CO₂ 또는 H₂S와 같은 기체가 오일계 시추액 조성물의 구성성분을 가수분해하는 것을 방지하기 위해 상기 기체와 반응할 수 있다. 오일계 시추액 조성물의 일부 예는 선택적으로, 0.1 중량% 내지 2 중량%, 0.4 중량% 내지 1.8 중량%, 또는 0.6 중량% 내지 1.5 중량%의 석회석을 포함할 수 있다. 구현예에서, 오일계 시추액 조성물은 1 리터 과량 라인(excess line) 당 0 내지 15 그램(g/L)의 알칼리도를 가질 수 있다.

하나 이상의 구현예에서, 계면활성제, 예컨대 습윤제는 오일계 시추액 조성물에서 현탁액 또는 에멀젼의 안정성을 증강시키기 위해 첨가될 수 있다. 적합한 습윤제는 지방산, 유기 포스페이트 에스테르, 변형된 이미다졸린, 아미도아민, 알킬 방향족 설페이트 및 설포네이트를 포함할 수 있다. 예를 들어, 미국 텍사스주 휴스턴 소재의 M-I SWACO로부터 상업적으로 입수 가능한 SUREWET^®는 미세물(fine)을 습윤시키고 고형분의 물-습윤을 방지하기 위해 상기 고형분을 시추하는 데 사용될 수 있는 오일계 습윤제 및 2차 유화제이다. 더욱이, SUREWET^®는 유정공 유체의 열 안정성, 유동학적 안정성, 여과 조절, 에멀젼 안정성을 향상시킬 수 있다. 미국 텍사스주 휴스턴 소재의 M-I LLC로부터 상업적으로 입수 가능한 VERSAWET^®는 추가의 습윤제이고, 적철석 시스템을 습윤시키기 어려운 데 특히 효과적이다. 오일계 시추액 조성물의 일례는 선택적으로, 상기 오일계 시추액 조성물의 총 중량을 기준으로, 0.1 중량% 내지 2 중량%의 습윤제를 포함할 수 있다. 일부 구현예에서, 오일계 시추액 조성물은 선택적으로, 상기 오일계 시추액 조성물의 총 중량을 기준으로, 0.25 중량% 내지 0.75 중량%의 각각의 SUREWET^®를 포함할 수 있다. 오일계 시추액 조성물은 선택적으로, 본 주제의 범위로부터 벗어나지 않으면서 다른 적합한 습윤제를 포함할 수 있다.

하나 이상의 구현예에서, 유체-손실 조절제는 오일계 시추액 조성물로부터 표면하 형성물 내로 손실되는 여과물의 양을 감소시키기 위해 오일계 시추액 조성물에 첨가될 수 있다. 유체-손실 조절제의 예는 친유기성 (예를 들어, 아민-처리된) 갈탄, 벤토나이트, 제조된 중합체, 및 담화제(thinner) 또는 해교제(deflocculant)를 포함한다. 유체-손실 조절제가 사용되는 경우, 이들 조절제는 시추액의 총 중량을 기준으로, 약 0.5 중량% 내지 약 3.0 중량%의 오일계 시추액 조성물을 포함할 수 있다. 다양한 구현예에서, 유체-손실 조절제는 시추액의 총 중량을 기준으로, 약 0.5 중량% 내지 약 1.5 중량%, 0.5 중량% 내지 약 1.25 중량%, 0.75 중량% 내지 약 2 중량%, 0.75 중량% 내지 약 1.5 중량%, 0.75 중량% 내지 약 1.25 중량%, 1 중량% 내지 약 2 중량%, 1 중량% 내지 약 1.5 중량%, 또는 1 중량% 내지 약 1.25 중량%의 오일계 시추액 조성물을 포함할 수 있다. 유체-손실 조절제의 예는 모두 미국 텍사스주 휴스턴 소재의 MI SWACO로부터 상업적으로 입수 가능한 VERSATROL™, VERSALIG™, ECOTROL™ RD, ONETROL™ HT, EMI 789 및 NOVATECH™ F, 및 Halliburton Energy Services, Inc.로부터 상업적으로 입수 가능한 ADAPTA®를 포함한다. 일부 구현예에서, 오일계 시추액 조성물은 선택적으로, ONETROL™ HT와 ECOTROL™ RD 둘 모두를 각각 약 10:1의 중량비로 포함할 수 있다.

선택적인 현탁제는 모든 시추액 구성성분을 현탁시키기에 충분한 낮은 전단 속도에서 오일계 시추액 조성물의 점도를 조정하기 위해 오일계 시추액 조성물에 첨가될 수 있으며, 이로써 오일계 시추액 조성물의 구성성분의 침강이 피해질 수 있다. 현탁제의 예는 지방산 및 섬유성 물질을 포함한다. 현탁제가 사용되는 경우, 이들 현탁제는 시추액의 총 중량을 기준으로, 0.0 중량% 내지 약 1.0 중량%, 또는 0.01 내지 0.5 중량%의 오일계 시추액 조성물을 이룰 수 있다.

저속 시추 동안 또는 시추 작업 사이에 오일계 시추액 조성물에서 고형분 및 절삭물의 현탁을 유지하기 위해, 더 낮은 전단 속도에서 역치보다 큰 점도가 유리하다. 하나 이상의 구현예에서, 오일계 시추액은 50℃에서 측정 시 10.22 초^-1(s^-1)의 전단 속도에서 400 cP 초과의 점도를 가진다. 다양한 구현예에서, 오일계 시추액은 50℃ 및 대기압에서 측정 시 10.22 s^-1의 전단 속도에서 410 cP 초과, 420 cP 초과, 430 cP 초과 또는 440 cP 초과의 점도를 가진다. 역으로, 시추액 순환을 개시하거나 유지시키는 데 필요한 과도한 에너지 또는 힘을 피하기 위해 더 낮은 전단 속도에서 오일계 시추액 조성물의 점도를 제한하는 것이 또한 유리하다. 다양한 구현예에서, 오일계 시추액은 50℃에서 측정 시 10.22 s^-1의 전단 속도에서 1500 cP 미만, 1000 cP 미만, 800 cP 미만 또는 600 cP 미만의 점도를 가진다.

일단 시추 작업이 시작되고 오일계 시추액 조성물이 순환하고 있으면, 오일계 시추액 조성물의 순환은 상기 오일계 시추액 조성물에서 고형분 및 절삭물의 현탁을 유지시키는 데 일조한다. 오일계 시추액 조성물 순환에 대한 과도한 에너지 요건을 피하고 동등한 순환 밀도의 효과를 통해 시추공에 노출된 형성물에 과도한 압력이 가해지는 것을 피하기 위해, 오일계 시추액 조성물의 점도는 더 큰 전단 속도에서 역치보다 작은 것이 유리하다. 하나 이상의 구현예에서, 오일계 시추액은 50℃ 및 대기압에서 측정 시 170 s^-1의 전단 속도에서 125 cP 미만의 점도를 가진다. 다양한 구현예에서, 오일계 시추액은 50℃에서 측정 시 170 s^-1의 전단 속도에서 122 cP 미만, 120 cP 미만, 118 cP 미만 또는 115 cP 미만의 점도를 가진다.

다양한 구현예에 따른 오일계 시추액 조성물에 대해 이미 기재되었다면, 오일계 시추액 조성물의 예시적인 제조 방법이 이제 기재될 것이다. 오일계 시추액의 제조 방법은 기유, 적어도 하나의 유화제 및 적어도 하나의 습윤제를 혼합하여 제1 혼합물을 형성하는 단계를 포함할 수 있으며, 상기 적어도 하나의 유화제는 화학식 R-CO-NH-R'-NH-R"-NH₂를 포함하는 아미노 아미드를 포함하며, 상기 화학식에서, R은 지방산 알킬이고, R' 및 R"는 알킬기이다. 제1 혼합물의 성분은 오일계 시추액 조성물의 구현예에 관해 이전에 기재된 양을 제공하기 위해 첨가될 수 있다. 오일계 시추액 조성물의 제조 방법은 선택적으로, 적어도 하나의 유동성 개질제 및 알칼리도 조정제를 제1 혼합물 내로 혼합하여 제2 혼합물을 형성하는 단계를 포함할 수 있다. 다시, 제2 혼합물의 성분을 첨가하여, 오일계 시추액 조성물의 구현예에 관해 이전에 기재된 양을 제공할 수 있다. 오일계 시추액 조성물의 제조 방법은 선택적으로, 적어도 하나의 유체-손실 조절 첨가제를 제2 혼합물 내로 혼합하여 제3 혼합물을 형성하는 단계를 포함할 수 있다. 다시, 제3 혼합물의 성분을 첨가하여, 오일계 시추액 조성물의 구현예에 관해 이전에 기재된 양을 제공할 수 있다. 오일계 시추액 조성물의 제조 방법은 추가로, 염수 용액을 제1 혼합물 또는 제3 혼합물 내로 혼합하여 제4 혼합물을 형성하는 단계를 포함할 수 있다. 제4 혼합물의 성분을 첨가하여, 오일계 시추액 조성물의 구현예에 관해 이전에 기재된 양을 제공할 수 있다. 오일계 시추액 조성물의 제조 방법은 추가로, 증량 첨가제를 제4 혼합물 내로 혼합하여 오일계 시추액 조성물을 형성하는 단계를 포함할 수 있다. 오일계 시추액 조성물의 성분을 첨가하여, 오일계 시추액 조성물의 구현예에 관해 이전에 기재된 양을 제공할 수 있다.

이전에 기재된 오일계 시추액 조성물은 지하 형성물에서의 시추 작업, 특히 10,000 psi 초과의 유정공 압력 및 300℉(149℃) 초과의 유정공 온도의 HPHT 조건 하에 수행되는 시추 작업에 사용하기에 잘 적합할 수 있다. 이에, 고압 고온 조건 하에 지하시추정에서 시추 방법의 구현예는 본 명세서에서 기재된 임의의 구현예에 따른 오일계 시추액 조성물을 제공하는 단계를 포함할 수 있다. 고압 고온 조건 하에 지하시추정에서 시추 방법은 오일계 시추액 조성물의 존재 하에 유정공에서 드릴을 작동시키는 단계를 포함한다.

실시예

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

실험 절차:

본 개시내용에 따른 화학식 R-CO-NH-R'-NH-R"-NH₂를 포함하는 아미노 아미드 유화제(화학식 1 유화제)를 제조하기 위한 일반적인 절차는 0.28 그램(g)의 1 밀리몰(mmol) 지방산(스테아르산), 3.09 밀리그램(mg)의 0.05 mmol 붕산, 및 3 밀리리터(ml)의 톨루엔을 환류 축합기가 상부에 있는 Dean-Stark 트랩이 장착된 플라스크에 첨가하는 단계를 포함한다. 후속적으로, 0.12 g의 1.1 mmol 아미노 아민(디에틸렌트리아민)을 교반 하에 반응 혼합물에 첨가하였다. 반응 혼합물을 환류에서 밤새(대략 14시간 내지 16시간) 가열하였다. 상기 혼합물을 실온까지 냉각시키고, 그 후에 교반하면서 헥산 내에 부어, 고형분의 즉각적인 침전을 유발하였고, 상기 고형분을 여과해 내고 헥산으로 세척하여, 본 개시내용의 구현예에 따른 화학식 R-CO-NH-R'-NH-R"-NH₂를 포함하는 요망되는 아미노 아미드 유화제를 수득하였다.

화학식 1 유화제를 함유하는 시추액의 물리적 및 유동학적 특성을 산업 표준 유화제를 함유하는 시추액의 특성과 비교하기 위해, 2가지 시추액을 제조하였다. 2가지 시추액은 오일계 유체 제제에 특수 맞춤된 유체-손실 조절제, 습윤제 및 등록(proprietary) 유화제의 배합물을 포함하는 M-I SWACO RHADIANT^TM 시스템을 기초로 하였다. 구체적으로, 비교 시추액, 비교예 1은 SUREMUL®을 유화제로서 사용하여 제조하였다. 제2 시추액, 실시예 2는 SUREMUL®을 화학식 1 유화제로 대체함으로써 제조하였다. SUREMUL®은 기유에 용해된 75% 유화제이고 화학식 1 유화제는 순수한 유화제였기 때문에, 대체 시 화학식 1 유화제는 SUREMUL®의 양으로부터 25%만큼 감소되었음을 주지한다.

비교예 1 및 실시예 2 시추액을 하기 성분을 사용하여 제제화하였다: Shell로부터 입수 가능한 Saraline 185V, 합성유 시추 베이스 유체; M-I SWACO, LLC(미국 텍사스주 휴스턴 소재)로부터 입수 가능한 SUREMUL®, 아미도아민 계면활성제; M-I SWACO, LLC(미국 텍사스주 휴스턴 소재)로부터 입수 가능한 SUREWET®, 습윤제; M-I SWACO, LLC(미국 텍사스주 휴스턴 소재)로부터 입수 가능한 MUL XT, 비-수성 유체 시스템에서 사용하기 위한 유화제; M-I SWACO, LLC(미국 텍사스주 휴스턴 소재)로부터 입수 가능한 VERSAGEL HT, 여과 조절에 일조하기 위한 헥토라이트 점토 점증제; M-I SWACO, LLC(미국 텍사스주 휴스턴 소재)로부터 입수 가능한 ONE-TROL™ HT, 오일 및 합성-기초 시추액 시스템에서 사용하도록 설계된 아민-처리된 탄닌 여과 조절 첨가제; M-I SWACO, LLC(미국 텍사스주 휴스턴 소재)로부터 입수 가능한 ECOTROL RD, 오일 및 합성-기초 시추액 시스템에서 사용하도록 설계된 여과 조절 첨가제; 및 M-I SWACO, LLC(미국 텍사스주 휴스턴 소재)로부터 입수 가능한 중정석(BaSO₄) 증량제.

비교예 1 및 실시예 2 시추액을 자기 교반 막대를 사용하여 각각 30.88 g 및 25.98 g의 양에서 제조하였다. 비교예 1 및 실시예 2 시추액에 대한 제제는 표 1에 제공된다. 시추액을 제조하기 위해, 기유, 유화제 및 습윤제를 단계 1 동안 처음에 10분 동안 함께 혼합하였다. 구체적으로, SUREMUL®을 비교예 1에 유화제로서 첨가하고, 화학식 1 유화제를 실시예 2에 유화제로서 첨가하였다. 그 후에, 점도 변형제 및 유동성 개질제를 첨가하고, 단계 2 동안 또 다른 20분 동안 혼합하였다. 다음, 단계 3에서, 유체-손실 조절 첨가제를 첨가하고, 20분 동안 혼합하였으며, 뒤이어 단계 4에서 염수 및 담수를 첨가하고, 단계 5에서 중정석을 첨가하고, 이들을 각각 30분 및 40분 동안 혼합하였다. 중량%로서 사용된 기유 및 중정석의 양은 비교예 1 및 실시예 2에 대해 약간 상이하여, 비교예 1과 실시예 2 둘 모두에 대해 2.20의 비중 및 90.0의 오일/물 비를 제공하였다.

비교예 1 및 실시예 2 시추액을 17시간 동안 혼합한 후 정적인 상태로 놔두었고, 그 후에, 유동학 측정 전에 새깅 및 유체 분리에 대해 조사하였다. 유체 분리 및 새깅을 시각적으로 조사하였다. 구체적으로, 고형분 및 액체의 시각적 분리의 조사를 수행하였다. 새깅을 또한, 마이크로 스파츌라를 이수 내로 삽입하여, 상기 이수이 상부로부터 하부까지 전체적으로 유사한 질감(주관적으로 단단하거나 부드러운)을 갖고 있는지, 그리고 고형분의 분리 및 침강이 있어서 상기 고형분이 시추액 전체에 걸쳐 더 이상 균질하게 분포되지 않는지 체크함으로써 검사하였다. 고형분의 분리 및 침강에 의해 입증된 바와 같이 새깅이 있다면, 이수은, 시추액이 정적인 채로 존재하는 용기의 하부에서 더 단단해지고 상부에서 더 부드럽게 보일 것이다.

시추액의 점도를 응력 및 변형률 조절 유량계(미국 델라웨어주 뉴캐슬 소재의 TA Instrument, Discover Hybrid Rheometer)를 사용하여 시험하였다. 유량계에서 이용되는 기하학적 특성은 25 mm의 거친 스테인리스강 평행판이었다. 이러한 기하학적 특성은 시료에서 중정석의 존재로 인해 선택되었다. 거친 표면을 갖는 이러한 기하학적 특성은 시료에서 중정석의 존재로 인한 시추액과 판 사이의 슬립(slip)을 최소화하도록 선택되었다. 스테인리스강 판 사이의 갭을 300 μm로 설정하였다. 전단 속도의 함수로서 점도 측정을 0℃와 50℃ 및 대기압에서 0.004 내지 2000 s^-1에서 수행하였다. 힘을 가하지 않았을 때, 비교예 1 및 실시예 2 시추액은 겔화되었고, 드릴 고형분 및 증량 물질, 예컨대 중정석을 보유하기에 충분히 강하였다. 전단 속도 실험은 유체, 및 상기 유체가 제로 전단을 갖는지 또는 전단 담화적인지에 대한 유용한 점도 정보를 제공한다. 전단 속도 실험은 또한, 시추액이 변형되는 전단 속도를 시사하였다.

점도 시험, 변형률 %, 새깅 및 유체 분리 시험으로부터의 결과를 표 2 및 표 3에 제공한다.

도 1 및 표 2를 참조로 하여, 비교예 1과 실시예 2 둘 모두는 시험 시 이들의 제제 및 온도와 상관 없이 전단-담화 거동을 나타내었다. 그러나, 50℃에서, 실시예 2는 동일한 온도 및 전단 속도에서 10.22 s^-1의 낮은 전단 속도에서 비교예 1보다 큰 점도를 가졌으며, 따라서, 실시예 2 시추액은 비교예 1 시추액보다 정적인 한편 고형분을 더 양호하게 보유하는 것을 허용한다. 역으로, 50℃에서, 실시예 2는 동일한 온도 및 전단 속도에서 170 s^-1의 높은 전단 속도에서 비교예 1보다 작은 점도를 가졌다. 실시예 2의 더 작은 점도는, 시추 작업 동안 시추액을 순환시키는 데 있어서 비교예 1에서 필요한 것보다 적은 에너지가 필요한 것으로 해석된다. 실시예 2 시추액의 점도는 대략 95 내지 100 s^-1에서 비교예 1 시추액의 점도보다 작아지게 되고, 실시예 2 및 비교예 1은 80 s^-1의 전단 속도 즈음에서는 유사한 점도를 가진다. 50℃에서 실시예 2 및 비교예 1의 상대 점도는, 실시예 2가 낮은 전단 속도에서 더 큰 점도의 결과 정적이면서도 고형분을 더 잘 보유할 것인 한편, 이와 동시에, 비교예 1과 비교할 때 높은 전단 속도에서 더 작은 점도의 결과 시추액 순환 동안 더 적은 파워에 대한 요구를 나타냄을 시사한다.

실시예 2 시추액은 겔 특징을 보여주었으며, 따라서 이들 시추액은 응력이 제거되자마자 겔화될 것이다. 이는 시추가 중단되자마자 겔화하게 될 시추액과 상관관계가 있으며, 따라서 시추액이 절삭물을 효과적으로 지지할 것이다.

실시예 2 및 비교예 1은 제조 후 17시간 동안 정적인 상태로 방치 후, 새깅을 보여주지 않았고, 단지 미량의 분리만 실증하였다. 실시예 2와 비교예 1 둘 모두는 표 및 도 2 내지 3에서 제시된 바와 같이 50℃에서 대략 동일한 변형률로 변형되었으며, 따라서, 둘 모두는 순환을 개시하기 위해 유사한 파워를 필요로 할 것이다. 부가적으로, 도 2에 제시된 바와 같이, 실시예 2는 더 낮은 변형률에서 비교예 1보다 더 많이 유체화하였으며(G" > G'), 이로써 순환 동안 더 적은 파워를 필요로 하였다. 도 3에서, 실시예 2 및 비교예 1의 위상각 또한, 실시예 2가 50℃에서 더 낮은 변형률에서 비교예 1보다 더 많이 유체성으로 되었음을 확인시켜 주었다.

도 2 및 도 3에서, 변형률 %의 함수로서 저장 탄성률(G'), 손실 탄성률(G") 및 위상각 측정을 1 라디안(radian)/초(second)(rad s^-1)의 일정한 진동수 및 0℃ 및 50℃의 온도에서 0.01 내지 10000의 변형률 %에서 모니터링하여, 선형 점탄성 영역을 식별하였다. 시험은 작은 증가분의 진동(회전에서 시계 방향, 그 후에 반시계 방향) 응력을 이수에 가하는 단계 및 이의 생성된 변형률(즉, 변형) 반응을 모니터링하는 단계를 수반한다. 이들 측정을 또한 사용하여, 분산액 구조의 강도(침강 안정성) 및 탄력성을 식별할 수 있을 것이다. G', G" 및 위상각은 유체의 점탄성 특성에 관한 것이다. G'는 시추액의 탄성 특성을 기재하는 한편, G"는 시추액의 점성 특성을 기재한다. 따라서, G'가 G"보다 큰 경우, 시추액은 고형분 물질처럼 거동하고, G"보다 작은 경우, 유체처럼 거동한다. 겔화된 유체는 처음에 낮은 변형률에서 선형 점탄성 영역을 보여주지만, 변형률 %가 증가함에 따라 G' 및 G"는 감소하고, G'는 결국 G"보다 작아지게 되고, 위상각의 증가를 초래한다. 위상각은 G"/G'이며, 여기서, 물과 같은 뉴턴 유체의 위상각은 90°이다. 겔이 강할수록, 상기 겔을 분해하는 데 필요한 변형률은 커지고, 따라서 순환을 시작하는 데 더 많은 파워가 필요함을 주지한다.

실시예 2 및 비교예 1을 열 안정성에 대해 시험하였다. 열 안정성을 열무게 분석(TGA)을 사용하여 시험하였다. TGA는, 실시예 2가 170℃까지 열 안정성을 보유하였음을 실증한 한편, 비교예 1은 단지 100℃까지만 열 안정성을 실증하였다.

오일계 유체 조성물, 이의 제조 방법, 및 이를 이용하여 지하시추정을 시추하는 방법의 다양한 양태가 기재되어 있고, 이러한 양태는 다양한 다른 양태와 조합하여 이용될 수 있음을 이해해야 한다.

제1 양태에서, 본 개시내용은 오일계 시추액 조성물을 제공한다. 오일계 시추액 조성물은 기유를 갖는 유상; 수성상; 적어도 하나의 유화제; 및 습윤제, 유동성 개질제, 유체-손실 조절 첨가제 및 증량 첨가제로부터 선택되는 하나 이상의 첨가제를 제공한다. 적어도 하나의 유화제는 화학식 R-CO-NH-R'-NH-R"-NH₂를 갖는 아미노 아미드를 포함하며, 상기 화학식에서, R은 지방산 알킬이고, R' 및 R"는 알킬기이다.

제2 양태에서, 본 개시내용은 제1 양태의 시추액을 제공하며, 여기서, 상기 개시내용은 R이 C₁₅H₃₁, C₁₇H₃₅, C₂₁H₄₃ 또는 C₈H₁₇CHCHC₇H₁₄로부터 선택되는 제1 양태의 시추액을 제공한다.

제3 양태에서, 본 개시내용은 R'가 C₂H₄, C₆H₁₂ 또는 C₁₀H₂₀으로부터 선택되는 제1 양태 또는 제2 양태의 시추액을 제공한다.

제4 양태에서, 본 개시내용은 R"가 C₂H₄, C₆H₁₂ 또는 C₁₀H₂₀으로부터 선택되는 제1 양태 내지 제3 양태 중 어느 한 양태의 시추액을 제공한다.

제5 양태에서, 본 개시내용은 R이 C₁₇H₃₅이며, R'가 C₂H₄이고, R'가 C₂H₄인 제1 양태의 시추액을 제공한다.

제6 양태에서, 본 개시내용은 오일계 시추액이 상기 오일계 시추액의 총 중량을 기준으로 10 중량% 내지 20 중량%의 기유를 포함하는, 제1 양태 내지 제5 양태 중 어느 한 양태의 시추액을 제공한다.

제7 양태에서, 본 개시내용은 오일계 시추액이 상기 오일계 시추액의 총 중량을 기준으로 0.05 중량% 내지 5.0 중량%의 유화제를 포함하는, 제1 양태 내지 제3 양태, 제6 양태 중 어느 한 양태의 시추액을 제공한다.

제8 양태에서, 본 개시내용은 오일계 시추액이 상기 오일계 시추액의 총 중량을 기준으로 0.1 중량% 내지 2.0 중량%의 습윤제를 포함하는, 제1 양태 내지 제7 양태 중 어느 한 양태의 시추액을 제공한다.

제9 양태에서, 본 개시내용은 오일계 시추액이 상기 오일계 시추액의 총 중량을 기준으로 0.1 중량% 내지 2.0 중량%의 유동성 개질제를 포함하는, 제1 양태 내지 제8 양태 중 어느 한 양태의 시추액을 제공한다.

제10 양태에서, 본 개시내용은 오일계 시추액이 상기 오일계 시추액의 총 중량을 기준으로 0.5 중량% 내지 2.0 중량%의 유체-손실 조절 첨가제를 포함하는, 제1 양태 내지 제9 양태 중 어느 한 양태의 시추액을 제공한다.

제11 양태에서, 본 개시내용은 오일계 시추액이 상기 오일계 시추액의 총 중량을 기준으로 3.0 중량% 내지 5.0 중량%의 염수 용액을 포함하는, 제1 양태 내지 제10 양태 중 어느 한 양태의 시추액을 제공한다.

제12 양태에서, 본 개시내용은 오일계 시추액이 상기 오일계 시추액의 총 중량을 기준으로 64 중량% 내지 85.3 중량%의 증량 첨가제를 포함하는, 제1 양태 내지 제11 양태 중 어느 한 양태의 시추액을 제공한다.

제13 양태에서, 본 개시내용은 오일계 시추액이 상기 오일계 시추액의 총 중량을 기준으로 0.1 중량% 내지 2.5 중량%의 유화제를 포함하는, 제1 양태 내지 제12 양태 중 어느 한 양태의 시추액을 제공한다.

제14 양태에서, 본 개시내용은 상기 유동성 개질제가 친유기성 점토, 헥토라이트 점토, 이량체성 지방산, 삼량체성 지방산, 폴리아민, 해포석 및 애터펄자이트(attapulgite) 중 하나 이상을 포함하는, 제1 양태 내지 제13 양태 중 어느 한 양태의 시추액을 제공한다.

제15 양태에서, 본 개시내용은 상기 증량 첨가제가 중정석, 방해석, 아라고나이트(aragonite), 철 카르보네이트, 아연 카르보네이트, 망간 테트록사이드, 아연 옥사이드, 지르코늄 옥사이드, 적철석, 티탄 철광 및 납 카르보네이트 중 하나 이상을 포함하는, 제1 양태 내지 제14 양태 중 어느 한 양태의 시추액을 제공한다.

제16 양태에서, 본 개시내용은 50℃에서 측정 시 10.22 s^-1의 전단 속도에서의 점도가 400 cP 초과인, 제1 양태 내지 제15 양태 중 어느 한 양태의 시추액을 제공한다.

제17 양태에서, 본 개시내용은 50℃에서 측정 시 170 s^-1의 전단 속도에서의 점도가 125 cP 미만인, 제1 양태 내지 제16 양태 중 어느 한 양태의 시추액을 제공한다.

제18 양태에서, 본 개시내용은 오일계 시추액 조성물의 제조 방법을 제공한다. 상기 방법은 기유, 적어도 하나의 유화제, 적어도 하나의 유화제 및 선택적으로 적어도 하나의 습윤제를 혼합하여 제1 혼합물을 형성하는 단계를 포함하고, 상기 적어도 하나의 유화제는 화학식 R-CO-NH-R'-NH-R"-NH₂를 갖는 아미노 아미드를 포함하며, 상기 화학식에서, R은 지방산 알킬이고, R' 및 R"는 알킬기이다. 상기 방법은 추가로, 선택적으로, 적어도 하나의 유동성 개질제 및 알칼리도 조정제를 제1 혼합물 내로 혼합하여 제2 혼합물을 형성하는 단계; 선택적으로, 적어도 하나의 유체-손실 조절 첨가제를 상기 제2 혼합물 내로 혼합하여 제3 혼합물을 형성하는 단계; 염수 용액을 상기 제1 혼합물 또는 제3 혼합물 내로 혼합하여 제4 혼합물을 형성하는 단계; 및 증량 첨가제를 상기 제4 혼합물 내로 혼합하여 오일계 시추액 조성물을 형성하는 단계를 포함한다.

제19 양태에서, 본 개시내용은 R이 C₁₅H₃₁, C₁₇H₃₅, C₂₁H₄₃ 또는 C₈H₁₇CHCHC₇H₁₄로부터 선택되는 제18 양태의 방법을 제공한다.

제20 양태에서, 본 개시내용은 R'가 C₂H₄, C₆H₁₂ 또는 C₁₀H₂₀으로부터 선택되는 제18 양태 또는 제19 양태의 방법을 제공한다.

제21 양태에서, 본 개시내용은 R"가 C₂H₄, C₆H₁₂ 또는 C₁₀H₂₀으로부터 선택되는 제18 양태 내지 제20 양태 중 어느 한 양태의 방법을 제공한다.

제22 양태에서, 본 개시내용은 R이 C₁₇H₃₅이며, R'가 C₂H₄이고, R'가 C₂H₄인 제18 양태 내지 제21 양태 중 어느 한 양태의 방법을 제공한다.

제23 양태에서, 본 개시내용은 오일계 시추액 조성물이 상기 오일계 시추액 조성물의 총 중량을 기준으로 10 중량% 내지 20 중량%의 기유를 포함하는, 제18 양태 내지 제22 양태 중 어느 한 양태의 방법을 제공한다.

제24 양태에서, 본 개시내용은 오일계 시추액 조성물이 상기 오일계 시추액 조성물의 총 중량을 기준으로 0.05 중량% 내지 5.0 중량%의 유화제를 포함하는, 제18 양태 내지 제23 양태 중 어느 한 양태의 방법을 제공한다.

제25 양태에서, 본 개시내용은 오일계 시추액 조성물이 상기 오일계 시추액 조성물의 총 중량을 기준으로 0.1 중량% 내지 2.0 중량%의 습윤제를 포함하는, 제18 양태 내지 제24 양태 중 어느 한 양태의 방법을 제공한다.

제26 양태에서, 본 개시내용은 오일계 시추액 조성물이 상기 오일계 시추액 조성물의 총 중량을 기준으로 0.1 중량% 내지 2.0 중량%의 유동성 개질제를 포함하는, 제18 양태 내지 제25 양태 중 어느 한 양태의 방법을 제공한다.

제27 양태에서, 본 개시내용은 오일계 시추액 조성물이 상기 오일계 시추액 조성물의 총 중량을 기준으로 0.5 중량% 내지 2.0 중량%의 유체-손실 조절 첨가제를 포함하는, 제18 양태 내지 제26 양태 중 어느 한 양태의 방법을 제공한다.

제28 양태에서, 본 개시내용은 오일계 시추액 조성물이 상기 오일계 시추액 조성물의 총 중량을 기준으로 3.0 중량% 내지 5.0 중량%의 염수 용액을 포함하는, 제18 양태 내지 제27 양태 중 어느 한 양태의 방법을 제공한다.

제29 양태에서, 본 개시내용은 오일계 시추액 조성물이 상기 오일계 시추액 조성물의 총 중량을 기준으로 64 중량% 내지 85.3 중량%의 증량 첨가제를 포함하는, 제18 양태 내지 제28 양태 중 어느 한 양태의 방법을 제공한다.

제30 양태에서, 본 개시내용은 오일계 시추액 조성물이 상기 오일계 시추액 조성물의 총 중량을 기준으로 0.1 중량% 내지 2.5 중량%의 유화제를 포함하는, 제18 양태 내지 제29 양태 중 어느 한 양태의 방법을 제공한다.

제31 양태에서, 본 개시내용은 상기 유동성 개질제가 친유기성 점토 및 헥토라이트 점토 중 하나 이상을 포함하는, 제18 양태 내지 제30 양태 중 어느 한 양태의 방법을 제공한다.

제32 양태에서, 본 개시내용은 상기 증량 첨가제가 중정석, 적철석, 티탄 철광, 방해석, 아라고나이트, 철 카르보네이트, 아연 카르보네이트, 망간 테트록사이드, 아연 옥사이드, 지르코늄 옥사이드 및 납 카르보네이트 중 하나 이상을 포함하는, 제18 양태 내지 제31 양태 중 어느 한 양태의 방법을 제공한다.

제33 양태에서, 본 개시내용은 50℃에서 측정 시 10.22 s^-1의 전단 속도에서 상기 오일계 시추액 조성물의 점도가 400 cP 초과인, 제18 양태 내지 제32 양태 중 어느 한 양태의 방법을 제공한다.

제34 양태에서, 본 개시내용은 50℃에서 측정 시 170 s^-1의 전단 속도에서 상기 오일계 시추액 조성물의 점도가 125 cP 미만인, 제18 양태 내지 제33 양태 중 어느 한 양태의 방법을 제공한다.

제35 양태에서, 본 개시내용은 지하시추정의 시추 방법을 제공한다. 상기 방법은 제1 양태 내지 제17 양태 중 어느 한 양태에 따른 오일계 시추액 조성물을 제공하는 단계; 및 상기 오일계 시추액 조성물을 유정공 내로 도입하는 단계를 포함한다.

제36 양태에서, 본 개시내용은 상기 방법이 상기 유정공에서 드릴을 작동시키는 단계를 추가로 포함하는, 제35 양태의 방법을 제공한다.

제37 양태에서, 본 개시내용은 상기 유정공이 300℉(148.9℃) 초과의 유정공 온도를 갖는, 제35 양태 또는 제36 양태의 방법을 제공한다.

제38 양태에서, 본 개시내용은 상기 유정공이 10,000 psi(68,948 kPa) 초과의 유정공 압력을 갖는, 제35 양태 내지 제37 양태 중 어느 한 양태의 방법을 제공한다.

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 제제 내 화학 구성성분의 조성 범위는 몇몇 구현예에서 상기 구성 성분의 이성질체의 혼합물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 실시예는 다양한 조성물에 대한 조성 범위를 제공하고 특정 화학 조성물의 이성질체의 총량이 범위를 구성할 수 있는 것으로 이해되어야 한다.

본 개시내용의 기술요지를 상세히 설명하고 특정 구현예를 참조하여, 본 개시내용에 기재된 다양한 세부 사항은 본 설명에 수반되는 각 도면에 특정 요소가 도시되어 있는 경우에도, 이들 세부 사항이 설명된 다양한 구현예의 필수 구성인 요소를 의미하는 것으로 받아 들여서는 안된다. 오히려, 본 출원에 포함된 청구범위는 본 개시내용의 폭 및 본 개시내용에서 기재된 다양한 구현예들의 상응하는 범위의 유일한 표현으로서 취해져야 한다. 또한, 청구된 주제의 사상과 범위를 벗어나지 않는 한 기재된 구현예들에 대한 다양한 변형과 수정이 가능함은 당업자에게 자명할 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

오일계 시추액(drilling fluid) 조성물로서,
기유(base oil)를 포함하는 유상(oil phase);
물을 포함하는 수성상;
화학식 R-CO-NH-R'-NH-R"-NH₂를 포함하는 아미노 아미드를 포함하는 적어도 하나의 유화제로서, 상기 화학식에서, R은 지방산 알킬이고, R' 및 R"는 알킬기인, 적어도 하나의 유화제; 및
습윤제, 유동성 개질제(rheology modifier), 유체-손실 조절 첨가제(fluid-loss control additive) 및 증량 첨가제(weighting additive)로부터 선택되는 하나 이상의 첨가제
를 포함하는, 오일계 시추액 조성물.
제1항에 있어서, R이 C₁₅H₃₁, C₁₇H₃₅, C₂₁H₄₃ 또는 C₈H₁₇CHCHC₇H₁₄로부터 선택되는, 오일계 시추액 조성물.
제1항에 있어서, R'가 C₂H₄, C₆H₁₂ 또는 C₁₀H₂₀으로부터 선택되는, 오일계 시추액 조성물.
제1항에 있어서, R"가 C₂H₄, C₆H₁₂ 또는 C₁₀H₂₀으로부터 선택되는, 오일계 시추액 조성물.
제1항에 있어서, R이 C₁₇H₃₅이며, R'가 C₂H₄이고, R'가 C₂H₄인, 오일계 시추액 조성물.
제1항에 있어서, 오일계 시추액이 상기 오일계 시추액의 총 중량을 기준으로 0.05 중량% 내지 5.0 중량%의 유화제를 포함하는, 오일계 시추액 조성물.
제1항에 있어서, 50℃에서 측정 시 10.22 s^-1의 전단 속도에서의 점도가 400 cP 초과인, 오일계 시추액 조성물.
제1항에 있어서, 50℃에서 측정 시 170 s^-1의 전단 속도에서의 점도가 125 cP 미만인, 오일계 시추액 조성물.
오일계 시추액 조성물의 제조 방법으로서,
기유, 적어도 하나의 유화제, 적어도 하나의 유화제 및 선택적으로 적어도 하나의 습윤제를 혼합하여 제1 혼합물을 형성하는 단계로서, 상기 적어도 하나의 유화제는 화학식 R-CO-NH-R'-NH-R"-NH₂를 갖는 아미노 아미드를 포함하며, 상기 화학식에서, R은 지방산 알킬이고, R' 및 R"는 알킬기인, 단계;
선택적으로, 적어도 하나의 유동성 개질제 및 알칼리도 조정제를 상기 제1 혼합물 내로 혼합하여 제2 혼합물을 형성하는 단계;
선택적으로, 적어도 하나의 유체-손실 조절 첨가제를 상기 제2 혼합물 내로 혼합하여 제3 혼합물을 형성하는 단계;
염수 용액을 상기 제1 혼합물 또는 제3 혼합물 내로 혼합하여 제4 혼합물을 형성하는 단계; 및
증량 첨가제를 상기 제4 혼합물 내로 혼합하여 오일계 시추액 조성물을 형성하는 단계
를 포함하는, 방법.
제9항에 있어서, R이 C₁₅H₃₁, C₁₇H₃₅, C₂₁H₄₃ 또는 C₈H₁₇CHCHC₇H₁₄로부터 선택되며; R'가 C₂H₄, C₆H₁₂ 또는 C₁₀H₂₀으로부터 선택되고; R"가 C₂H₄, C₆H₁₂ 또는 C₁₀H₂₀으로부터 선택되는, 오일계 시추액 조성물.
제9항에 있어서, R이 C₁₇H₃₅이며, R'가 C₂H₄이고, R'가 C₂H₄인, 오일계 시추액 조성물.
제9항에 있어서, 오일계 시추액 조성물이 상기 오일계 시추액 조성물의 총 중량을 기준으로, 0.05 중량% 내지 5.0 중량%의 유화제를 포함하는, 방법.
지하시추정(subterranean well)의 시추 방법으로서,
오일계 시추액 조성물을 제공하는 단계; 및
상기 오일계 시추액 조성물을 유정공(wellbore) 내로 도입하는 단계
를 포함하고,
상기 오일계 시추액 조성물은
기유를 포함하는 유상;
물을 포함하는 수성상;
화학식 R-CO-NH-R'-NH-R"-NH₂를 포함하는 아미노 아미드를 포함하는 적어도 하나의 유화제로서, 상기 화학식에서, R은 지방산 알킬이고, R' 및 R"는 알킬기인, 적어도 하나의 유화제; 및
습윤제, 유동성 개질제, 유체-손실 조절 첨가제 및 증량 첨가제로부터 선택되는 하나 이상의 첨가제
를 포함하는, 방법.
제13항에 있어서, 상기 유정공이 300℉ 초과의 유정공 온도를 포함하는, 방법.
제13항에 있어서, 상기 유정공이 10,000 psi 초과의 유정공 압력을 포함하는, 방법.