NO337375B1 - Selvavbrytende flytegrenseforsterker for oljebasert borevæske - Google Patents

Description

Den foreliggende oppfinnelsen vedrører et flytende, selvavbrytende, midlertidig viskositetsøkende middel (flytegrenseforsterker) for oljebaserte borevæsker/boreslam, oppnådd ved å reagere en eller flere dikarboksylfettsyrer med et sekundært dialkanolamin og deretter med et tertiært trialkanolamin, og anvendelse av nevnte flytegrenseforsterker i oljebaserte borevæsker.

Boresystemer omfatter bruk av to hovedtyper av slam: vannbasert slam (WBM) og oljebasert slam (OBM).

Vann-i-olje emulsjonsslam, eller omvendte emulsjonsslam, er de mest benyttede OBM.

Boreslam (eller borevæsker) er svært komplekse systemer; de omfatter anvendelse av forskjellige kjemikalier slik som emulgatorer, fuktemidler, saltoppløsninger, oljer, reologiske modifiserende midler, tilsetningsstoffer for å kontrollere filtreringstap og vektmidler. Slammene/væskene yter et antall funksjoner, slik som fjerning av borestøv, smøring av borespissen, belegging av borehulloverflaten for å unngå strømning av fluider inn og ut av borehullet. Hjelp til å understøtte vekten av borerøret og utforingen. Ved dagens operasjoner pumpes borevæsker under høyt trykk gjennom et langt rør, som når den absolutte bunnen i borehullet gjennom midten av borekronen, og deretter returneres de til overflaten gjennom små ringrom mellom utsiden av selve røret og borehullsveggen eller utforingen.

Den teoretisk perfekte borevæsken er pseudoplastisk, som viser en lav viskositet når den forskyves, slik som under agitasjon eller sirkulering, men tykner når skjærhandlingen stanses, hvilket holder borestøvet på plass og unngår nedsigning; væsken bør tykne hurtig, for å nå en tilstrekkelig gelstyrke før suspendert materiale setter seg.

Denne adferden bør være reversibel uavhengig av temperaturen. Derfor krever borevæsker tilsetning av en eller flere reologimodifiserende stoffer for å opprettholde passende viskositet og stabilitet. Oljebaserte borevæsker, og i særdeleshet de som er designet for offshoredypvannsboring, er hovedsakelig vann-i-oljeemulsjoner av mineraloljer, eller olefiner eller parafiner eller blandinger derav.

En hovedbestanddel i disse oljebaserte borevæskene er organofiliske leirer: store mengder av kolloidale eller gelmidler er nødvendige for å oppnå den ønskede reologi i væsken og organofile leirer yter stort sett denne handlingen ved drift.

En nokså stor mengde av leirer er vanligvis nødvendig for å gi de ønskede pseudoplastiske egenskapene til væsken.

De faste stoffene som tilsettes til væsken er vanligvis ment for å øke den spesifikke gravitasjonen til selve væsken: under boreoperasjoner kan mottrykket av oljen eller gassen fra reservoaret være svært høyt og en høytetthetsborevæske anbefales alltid. En av de mest benyttede vektmidlene er barytt.

OBM for offshoreboring fremstilles generelt på tørt land og skipes deretter til plattformene; de bør derfor være stabile i nokså lang tid, under transport og frem til de når sitt driftssted. Uheldigvis er det svært vanskelig å aktivere (svelle) organofile leirer under fremstillingen av væsken; høyskj æring kan benyttes for å frembringe varme og hjelpe svellingen av leirene, men de fleste anlegg har ikke det passende utstyret.

Derfor er det normalt nødvendig å tilsette en flytegrenseforsterker til væsken som er i stand til å midlertidig etterligne funksjonen til leirene inntil de utvikler sin fulle viskositet.

Mange flytegrenseforsterkere er kjent, slik som amidharpiksadditivene beskrevet i US 4,816,551.

Oljebaserte væsker inneholder slike amidharpiksadditiver som fremviser høy kapasitet for å bære faststoff men som viser økende verdier av viskositet når de eksponeres for lave temperaturer; deres anvendelse ved offshoredyptvannsboreoperasjoner er derfor for det meste kritisk.

For offshoreoperasjoner må alltid den lave temperaturen i sjøen tas i betraktning, da effekten av flytegrenseforsterkerne vanligvis er sterkt avhengig av temperatur (jo høyere temperaturen er, jo høyere er risikoen for uønsket geling av væsken).

Polyesteramid-flytegrenseforsterkerene ifølge US 4,816,551 oppnås ved å reagere en dikarboksylfettsyre sammen med et dialkanolamin i kombinasjon med et polyamin. US 4,816,551 beskriver ikke flytegrenseforsterkere basert på polyesteramider fremstilt ved en totrinnsprosess som unngår bruk av polyaminer og som innbefatter bruk av trietanolamin i syntesen.

Boreoperasjoner er ikke kontinuerlige prosesser; mange stopp må nødvendigvis finne sted og det er da at risikoen for en overdreven viskositet av væsken, på grunn av nærværet av en flytegrenseforsterker, kan skape alvorlige problemer.

Når boreoperasjoner finner sted i ikke-dype farvann, er særlig forsiktighet og ytterligere tester nødvendig for å dosere flytepunktsforsterkeren korrekt. Når dypvannsboreoperasjoner utføres, faller temperaturen i sjøen ned til den er 0°C, og risikoen for geling av væsken er svært høy, spesielt under stopp.

Det ville være ønskelig å finne en selvavbrytende flytepunktsforsterker for oljebaserte borevæsker som viser høy kapasitet for å bære faste stoffer under transport og hvis viskositetsøkende effekt opphører så snart boringen faktisk finner sted, for således å overlate reologikontrollen av væsken til de organofile leirene.

Foreliggende oppfinnelse tilveiebringer en flytegrenseforsterker for oljebaserte borevæsker (boreslam) oppnådd ved å reagere, i et første trinn (i): i) omtrent en molarekvivalent av en eller flere dikarboksylfettsyrer med generell formel HOOC-R-COOH, der R er en alkylengruppe som inneholder fra 10 til 50 karbonatomer med omtrent en molarekvivalent av et sekundært dialkanolamin med den generelle formelen HO-R'-NH-R'OH, der R' er en alkylengruppe som inneholder fra 1 til 6 karbonatomer, ved omtrent 150°C og samle opp vann og holde reaksjonsblandingen under røring inntil omtrent en molar ekvivalent vann er oppsamlet;

i et andre trinn (ii),

ii) å reagere ved 120-150°C det oppnådde mellomproduktet med omtrent en tredjedel av en molarekvivalent av et tertiært trialkanolamin, med den generelle formelen N(-R"OH)3, der R" er en alkylengruppe som inneholder fra 1 til 6 karbonatomer, å samle opp vann og å holde reaksjonsblandingen under røring inntil omtrent en molarekvivalent av vann er samlet opp, for å oppnå et esteramid.

Ifølge et fundamentalt aspekt ved oppfinnelsen er det således nå funnet at en flytegrenseforsterker oppnådd fra reaksjonen av en eller flere dikarboksylfettsyrer med et sekundært dialkanolamin og deretter med et tertiært trialkanolamin, selv når det doseres i små mengder, tilveiebringer høy bærekapasitet av faste stoffer under transport for oljebaserte borevæsker, samt å forhindre at faste stoffer setter seg fra fremstillingstidspunktet av væsken til væsken når dets virkningsdestinasjon. Flytegrenseforsterkeren ifølge oppfinnelsen etterligner egenskapene til en oppsvulmet organofil leire, hvilke gir væsken midlertidig høy flytegrense og gelstyrke uten å øke den plastiske viskositeten.

Denne effekten forsvinner under boreoperasjonen, hvilket frigir den totale kontrollen av de ideologiske egenskapene av den oraganofile leiren og uten ytterligere å modifisere de reologiske egenskapene til den oljebaserte væsken.

Flytegrenseforsterkeren ifølge oppfinnelsen er i stand til å tykne væsken selv når lawiskositetsoljer benyttes som den eksterne fasen av den omvendte emulsjonen; den frembringer en høy flytegrense, en hurtig måte å nå en høy gelstyrke, samtidig som en lav plastisk viskositet opprettholdes.

I henhold til et fundamentalt aspekt er flytegrenseforsterkeren ifølge oppfinnelsen et estramid oppnådd ved å reagere en eller flere dikarboksylfettsyrer med et sekundært dialkanolamin og deretter med tertiært trialalkanoliamin.

Flytegrenseforsterkeren ifølge oppfinnelsen er fremstilt ved en totrinnsprosess.

I det første trinnet reageres omtrent en molarekvivalent av dikarboksylfettsyren med omtrent en molarekvivalent av det sekundære dialkanolaminet, fortrinnsvis dietanolamin.

I det andre trinnet reageres mellomproduktet med omtrent en tredjedel av molarekvivalenten av et tertiært trialkanolamin, fortrinnsvis trietanolamin, for å oppnå det ønskede esteramidet.

Ved begge trinnene samles vann opp og fjernes fra reaksjonskaret.

Det første trinnet ifølge fremgangsmåten utføres ved omtrent 150°C, og ekstern oppvarming er nødvendig; fortrinnsvis tilsettes dialkanolaminet langsomt i et reaksjonskar der dikarboksylsyren på forhånd har blitt skylt; og reaksjonsblandingen røres inntil omtrent en molarekvivalent vann er blitt samlet opp.

Ingen isolering av mellomproduktet er nødvendig.

Det andre trinnet er svakt eksotermt og reaksjonen utføres fortrinnsvis ved 120-150°C ved langsom tilsetning av trialkanolaminet; reaksjonsblandingen røres inntil omtrent en molarekvivalent vann er samlet opp.

Begge trinnene utføres fortrinnsvis i nærvær av et løsningsmiddel.

De foretrukne løsningsmidlene er glykoler, glykoletere eller blandinger derav; som eksempler på egnede løsningsmidler anfører vi: dietylenglykolmono-n-butyleter, dietylenglykoletyleter, etylenglykolmono-n-butyleter, butoksytriglykol.

Den mest foretrukne glykoleteren er butoksytriglykol.

For å regulere viskositeten i sluttproduktet kan eventuelt en eller flere egnede fortynningsmidler, slik som propylenkarbonat eller et glykol eller glykoleter (slik som de som er anført over som egnede løsningsmidler), eller blandinger derav tilsettes etter trinn (ii).

Den totale mengden av løsningsmiddel og fortynningsmiddel i flytegrenseforsterkeren ifølge oppfinnelsen er fortrinnsvis fra 30 til 70 vekt-%, mer foretrukket fra 40 til 60 vekt-%.

Dikarboksylfettsyrene som er nyttige for realiseringen av oppfinnelsen er de som har generell formel HOOC-R-COOH, der R er en alkylengruppe som inneholder fra 10 til 50 karbonatomer, fortrinnsvis fra 20 til 40 karbonatomer.

Det sekundære dialkanolaminet har den generelle formelen HO-R'-NH-R'OH, der R' er en alkylengruppe som inneholder fra 1 til 6 karbonatomer.

Det tertiære trialkanolaminet har den generelle formelen N(-R"OH)3, der R" er en alkylengruppe som inneholder fra 1 til 6 karbonatomer.

De foretrukne dikarboksylfettsyrene er dimeriserte fettsyrer, kommersielle produkter fremstilt ved dimerisering av umettete fettsyrer som inneholder fra 8 til omtrent 18 karbonatomer, inkludert 9-dodecen(cis), 9-tetradecen(cis), 9-oktadecen(cis), oktadekatetransyrer og lignende.

Blandinger av dimeriserte fettsyrer kan benyttes.

Det foretrukne sekundære dialkanolaminet er dietanolamin, diisopropanolamin og blandinger derav; dietanolamin er det mest foretrukne sekundære dialkanolaminet.

Det meste foretrukne tertiære trialkanolaminet er trietanolamin, men andre tertiære alanolaminer kan benyttes, slik som tri-iso-propanolamin, og blandinger av trietanolamin og tri-iso-propanolamin.

Esteramidet ifølge oppfinnelsen kan tilsettes til borevæsken ved et hvilke som helst stadium av dets fremstilling og tilførselmetoden i væsken er ikke kritisk.

Flytegrenseforsterkerne ifølge oppfinnelsen benyttes fordelaktig for å stabilisere oljebaserte borevæsker for offshoredypvannsboredrift.

De bibringer fortreffelig stabilitet til slik væsker, og er på flytende form, og de kan lett doseres.

Et annet fundamentalt formål ved den foreliggende oppfinnelsen er anvendelse av flytegrenseforsterkeren oppnådd som beskrevet over, ved å reagere en eller flere dikarboksylfettsyrer med et sekundært dialkanolamin og deretter med tertiært trialkanolamin, i en oljebasert borevæske der borevæsken inneholder 0,05 til 1,0 vekt-%, fortrinnsvis fra 0,1 til 0,5 vekt-%, av flytegrenseforsterkeren, og der prosentene henviser til en flytegrenseforsterker ifølge oppfinnelsen med et totalt innhold av løsningsmiddel og fortynningsmiddel på 50 vekt-%.

Ifølge en foretrukken utførelsesform ved oppfinnelsen er den oljebaserte borevæsken, oljebaserte omvendte emulsjoner, dannet ved en oljeaktig kontinuerlig ekstern fase og en vandig intern fase.

For å fremstille den oljebaserte borevæsken ifølge oppfinnelsen tilsettes normalt vannløselige salter, valgt blant natriumklorid, kaliumklorid, natriumbromid eller kalsiumklorid, til den oljeaktige fasen på formen av saltoppløsninger, i konsentrasjoner på mellom 1 til 50 volum-%, fortrinnsvis mellom 10 til 30 volum-%, mer foretrukket i en konsentrasjon på 25 volum-% (volum-% henviser til den endelige emulsjonen).

En fagmann på området er i stand til å bestemme det passende saltoppløsning til oljeforholdet, for å oppnå en stabil emulsjon, tatt i betraktning og begrensning av kostnaden ved borvæsken.

Den oljebaserte borvæsken ifølge oppfinnelsen inneholder også normalt en eller flere surfaktanter (emulgatorer), for å stabilisere emulsjonen; surfaktantene kan tilsettes til den eksterne fasen, til den interne fasen eller til begge fasene.

Nyttige emulgatorer inkluderer harpikssyrer, talloljesyrer og derivater derav (slik som amido-aminer og imidazoliner), fettalkoholer og fettsyrer, slik som oljesyre, kapronsyre, stearinsyre.

Forskjellige modifikasjoner og endringer av denne oppfinnelsen vil være åpenbare for en fagmann på området uten å fjerne seg fra omfanget av denne oppfinnelsen.

Det skal forstås at denne oppfinnelsen ikke er ment å begrenses urimelig av de illustrative utførelsesformene og eksemplene som her er angitt.

I figur 1-6 er resultatene av applikasjonstestene (Eksempel 3 og 4) utført med oljebaserte borevæsker i henhold til oppfinnelsen (fremstilt som beskrevet i eksempel 2) rapportert. Figur 1-3 viser reduksjonen av flytegrensen for oljebaserte borevæsker i henhold til oppfinnelsen (D, O, MO) sammenlignet med flytegrensen til de analoge væskene som ikke inneholder flytegrenseforsterkeren ifølge oppfinnelsen (blindmaterialer: Do, Oo, MOo), når væsker eksponeres for skjærbelastning (se eksempel 3). Figur 4-6 viser reduksjonen av flytegrensen for oljebaserte borevæsker i henhold til oppfinnelsen (D, O, MO) sammenlignet med flytegrensen til de analoge væskene som ikke inneholder flytegrenseforsterkeren ifølge oppfinnelsen (blindmateriale: Do, Oo, MOo), når væsker eksponeres for varme (se eksempel 4).

Eksempel 1

Fremstilling av flytegrenseforsterkeren (YPE1).

736,56 g dimersyre (1,37 mol) (Unydime® Tl8, Arizona Chem. Co., US) fylles i et reaksjonskar; 405 g butoksytriglykol tilsettes så til reaksjonskaret og blandingen varmes

opp til 95°C under røring. 144,36 g dietanolamin tilsettes deretter langsomt og temperaturen opprettholdes ved omtrent 150°C, inntil 24,66 g vann er samlet opp.

68,40 g trietanolamin (0,46 mol) tilsettes deretter langsomt; reaksjonen er svakt eksoterm og temperaturen opprettholdes ved rundt 150°C, spyling med en moderat strøm av nitrogen og oppsamling av vann inntil 24,66 g vann er samlet opp.

Reaksjonsblandingen avkjøles deretter til 95°C og 405 g butoksytriglykol og 90 g propylenkarbonat tilsettes, for å oppnå 1800 g av sluttproduktet.

Sluttproduktet (YPE1) er en gul homogen væske; IR analyse viser et typisk amidbånd ved 1627 cm"<1>og et esterbånd ved 1739 cm"<1>.

Eksempel 2.

Fremstilling av oljebaserte borvæsker

Borevæskene fremstilles ved å blande 158,34 g av organisk fase (diesel, eller en intern olefinblanding C16-C18, eller en mineralolje) og 82,443 g av 25 vekt-% CaCl2-saltoppløsning og deretter emulgere i nærvær av en organofil leire, lesket kalk, en imidazolinbasert primæremulgator, Ecotrol® (filtreringstapsreduksjonsmiddel fra M-I L.L.C, US), barytt og YPE1.

Sammensetningen av borevæskene (i g) er rapportert i tabell 1.

Applikasjonstester

Eksempel 3

Flytegrensen til borevæskene skjært ved 8000 omdr. pr. min. med Hamilton Beach måles ved 25°C ved intervaller.

Resultatene er rapportert i tabell 2, og som en graf i fig. 1-3.

Eksempel 4

Borevæskene varmes til 65°C under lave skjærbetingelser og deres flytegrense måles ved intervaller på 10 minutter.

Resultatene er rapportert i tabell 3, og som en graf i fig. 4-6.

Applikasjonstestene viser at flytegrenseforsterkeren ifølge oppfinnelsen, både under skjærebelastning og varme (simulering av boredriftsbetingelser), brytes ned uten å endre noen egenskaper ved den opprinnelige borevæsken.

Claims (10)

1. Flytegrenseforsterker for oljebaserte borevæsker (boreslam) oppnådd ved å reagere, i et første trinn (i): i) omtrent en molarekvivalent av en eller flere dikarboksylfettsyrer med generell formel HOOC-R-COOH, der R er en alkylengruppe som inneholder fra 10 til 50 karbonatomer med omtrent en molarekvivalent av et sekundært dialkanolamin med den generelle formelen HO-R-NH-ROH, der R' er en alkylengruppe som inneholder fra 1 til 6 karbonatomer, ved omtrent 150°C og samle opp vann og holde reaksjonsblandingen under røring inntil omtrent en molar ekvivalent vann er oppsamlet; i et andre trinn (ii), ii) å reagere ved 120-150°C det oppnådde mellomproduktet med omtrent en tredjedel av en molarekvivalent av et tertiært trialkanolamin, med den generelle formelen N(-R"OH)3, der R" er en alkylengruppe som inneholder fra 1 til 6 karbonatomer, å samle opp vann og å holde reaksjonsblandingen under røring inntil omtrent en molarekvivalent av vann er samlet opp, for å oppnå et esteramid.

2. Flytegrenseforsterker ifølge krav 1, der R er en alkylengruppe som inneholder fra 20 til 40 karbonatomer.

3. Flytegrenseforsterker ifølge krav 2, der dikarboksylfettsyrene er dimeriserte fettsyrer fremstilt ved dimerisering av umettete fettsyrer som inneholder fra 8 til omtrent 18 karbonatomer.

4. Flytegrenseforsterkere ifølge krav 3, der det andre dialkanolaminet er dietanolamin og det tertiære trialkanolaminet er trietanolamin.

5. Flytegrenseforsterker ifølge krav 4, som er oppnådd ved å utføre trinn (i) og (ii) i nærvær av en glykol, eller en glykoleter, eller blanding derav.

6. Flytegrenseforsterker ifølge krav 5, der trinnene (i) og (ii) utføres i nærvær av en glykoleter valgt fra gruppen bestående av dietylenglykolmono-n-butyleter, dietylenglykoletyleter, etylenglykolmono-n-butyleter, butoksytriglykol.

7. Flytegrenseforsterker ifølge krav 6, der glykoleteren er butoksytriglykol.

8. Flytegrenseforsterker ifølge krav 6, oppnådd ved ytterligere å tilsette etter trinn (ii), et fortynningsmiddel valgt blant dietylenglykolmono-n-butyleter, dietylenglykoletyleter, etylenglykol mono-n-butyleter, butoksytriglykol, propylenkarbonat eller blanding derav, opptil en total mengde av fortynningsmiddel på fra 30 til 70 vekt-%.

9. Anvendelse av flytegrenseforsterkeren ifølge et hvilke som helst av kravene 1-8, i en oljebasert borevæske, der borevæsken inneholder fra 0,05 til 1 vekt-% av flytegrenseforsterkeren og der prosentene henviser til en flytegrenseforsterker med et totalt innhold av løsningsmiddel og fortynningsmiddel på 50 vekt-%.

10. Anvendelse ifølge krav 9, der borevæsken er på formen av en omvendt emulsjon.