NO833999L - Anvendelse av spesielle materialer som tynningsmidler i oljebaserte borevaesker - Google Patents

Description

Foreliggende oppfinnelse vedrører olje-eksterne emulsjoner og spesielt fortynning av emulsjoner av typen vann-is-olje hvori et emulgeringsmiddel omfattende en fettsyre eller et amin-eller amidderivat av en fettsyre anvendes.

Borevæsker av typen olje-vann-emulsjon har med fordel i mange år blitt benyttet innen oljebrønn-boringsindustrien. Slike emulsjons-borévæsker er i besittelse av mange fordeler i forhold til vanlige slammematerialer, idet de f.eks. bevirker forøkede borehastigheter, lengre levetid for borkroner, for-bedrede hullbetingelser o.l. De mest vanlig benyttede emulsjon-borevæsker er av typen olje-is-vann hvori oljen er den dispergerte fasen og vannet den kontinuerlige fasen. Omvendte eller emulsjoner av typen vann-is-olje hvori oljen er den kontinuerlige fasen, og vannet er den dispergerte fasen, har også med fordel blitt benyttet.

Foreliggende oppfinnelse angår borevæsker omfattende slike vann-is-olje-emulsjoner. Slike borevæsker krever et emulgeringsmiddel som virker slik at det opprettholder dispersjonen av vannet i oljen og gir væsken de riktige reologiske egenskapene slik at den benyttes som en borevæske. Måten borevæsker utnyttes på og spesielt de av emulsjonstypen er velkjent innen teknikken, og vil derfor i det følgende bare bli beskrevet rent generelt.

I roterende boreoperasjoner blir en borevæske pumpet ned langs borestrengen ved en rotasjonsboreénhet og ut gjennom åpninger i borkronen som er festet til borestrengen. Borevæsken strømmer rundt borkronen og returnerer til overflaten gjennom en ringformet passasje mellom borestrengen og veggene i brønn-hullet. Det primære formål med borevæsken er å avkjøle og smøre borkronen og å bringe formasjonsborekutt frembragt av borkronen bort fra borkronen og opp til jordoverflaten.

For å hindre tap av væske inn i porøse eller permiable for masjoner som gjennomtrenges av brønnhullet så inneholder væsken er suspendert eller dispergert fast materiale slik som leire eller andre egnede materialer som vil utfiltreres på brønnhullets vegger for dannelse av et impermiabelt belegg gjennom hvilket den væskeformige del av borevæsken ikke kan passere. Videre, for at væsken skal kunne utøve et trykk mot veggene i brønnhullet for å hindre at dette faller sammen ,

er de fleste borevæsker som i dag benyttes, "vekttilsatte" ved at det deri er suspendert et fast stoff med høy densitet slik som barytt, kalsinert leire, kalsium karbonat eller lignende. Det har hittil vært vanskelig å oppnå høye til-synelatende densiteter med konvensjonelle vektmaterialer og fremdeles opprettholde pumpbarhet for væsken når den flytende delen av væsken tar form av en vann-is-olje-emulsjon. Dette oppsto p.g.a. det faktum at slike vektmaterialer for det meste var oleofobe, dvs. de ble ikke lett fuktet av den kontinuerlige oljefasen i emulsjonen, og hadde derfor tilbøyelig-het til å utsedimenteres av væsken i stedet for å forbli vesentlig ensartet suspendert deri.

Dette problem har i det minste delvis blitt løst i slike borevæsker av emulsjonstypen ved anvendelse av emulgeringsmidler omfattende fettsyrer eller amin- eller amidderivater av slike fettsyrer. Slike emulgeringsmidler tillater at vekt-materialene kan dispergeres i væskens oljefase.

Et primært krav til en borevæske er at væsken må være i besittelse av de ønskede reologiske egenskaper i blandet til-stand og må også kunne bibeholde disse egenskaper, innen visse grenser, under fortsatt bruk av væsken og spesielt under betingelser hvor det foreligger en høy bunnhulltemperatur.

Som tidligere nevnt fjerner borevæsken borekutt fra brønn-hullet etter hvert som boringen skrider frem. Denne prosess bestemmes av den hastighet ved hvilken væsken beveger seg opp-over brønnhullets ringform, samt av dens viskositet eller flytegenskaper og dens densitet. Borekuttfjerningseffektivi-teten øker vanligvis medøkende viskositet og densitet. Viskositeten avhenger av konsentrasjonen, kvaliteten og dispersjons-tilstanden for suspenderte kolloide faste stoffer i borevæsken. Fortsatt bruk av en borevæske av typen vann-is-olje-emulsjon resulterer normalt i enøkning i viskositeten til væsken p.g.a. en akkumulering av kolloide borekutt i væsken. Riktig regulering av viskositet og gelstyrker er vesentlig

for effektiv rensing av brønnhullet, suspensjon av vektmaterialet og borekutt når sirkulasjon avbrytes og for å minimalisere trykktap og sugetrykk når borestrengen beveges. Den her benyttede betegnelse "gelstyrke" betyr den viskositet som utvikles av væsken ved henstand i en tidsperiode. Viskositeten til en borevæske kan reduseres ved å fortynne væsken. Fortynning oppnås ved å redusere den plastiske viskositet, flytegrensen eller gelstyrken, eller en kombinasjon av disse egenskaper hos borevæsken. Viskositet kan således reduseres ved å minske faststoffinnholdet eller antallet av partikler pr. enhetsvolum. Dette oppnås typisk ved å fortynne borevæsken med en væske slik som dieselbrensel eller lignende i vann-is-olje-emulsjoner. Mens dette reduserer væskens viskositet, har det også uønskede virkninger ved at væskens vekt reduseres, og det volumetriske forhold olje:vann endres. Ytterligere vektmateriale må derfor tilsettes til borevæsken for å tilveiebringe denønskede væskevekt, og oljervann-forholdet må reguleres før den kan resirkuleres gjennom borkronen .

Det ville væreønskelig å tilveiebringe et kjemisk stoff

som kan anvendes for å redusere viskositeten til en borevæske, og som ikke har uheldig innvirkning på væskens andre egenskaper.

Man har nå overraskende oppdaget at en borevæske av typen vann-is-olje-emulsjon som returneres fra et brønnhull ved en boreoperasjon, kan behandles med et additiv omfattende en fettsyrepolyester hvorved viskositeten til væsken kan reduseres uten en uønsket endring av væskens totale reologiske egenskaper. Additivet er sammenblandet! med borevæsken i en mengde som er tilstrekkelig til å redusere væskens viskositet til et ønsket område uten nødvendighet for å fortynne borevæsken.

Som tidligere angitt tilveiebringer foreliggende oppfinnelse et middel for justering av de reologiske egenskapene til en resirkulert, vekttilsatt borevæske av typen olje-vann-emulsjon. Slike sammensetninger omfatter karakteristisk et væskesuspensjonsmedium bestående av en vann-is-olje-emulsjon, et væsketapsadditiv som tjener til å hindre at suspensjonsmediet forsvinner i permiable formasjoner som gjennomtrenges av brønnhullet, og et vektmateriale for å øke sammensetningens densitet. Når fettsyre-emulgeringsmidler benyttes ved dannelsen av det emulgerte flytende suspensjonsmiddel, finner man at borevæsken er stabil overfor saltvannsforurensning, og har utmerkede væsketapsegenskaper. Emulgeringsmiddelet har dess-uten den egenskap at det gjør overflaten av vektmaterialet hurtig fuktig av olje, slik at relativt store mengder av vektmaterialer på stabil måte kan suspenderes i sammensetningen .

Emulgeringsmiddelet kan omfatte en fettsyre eller et amin-eller et amidderivat av en fettsyre. Emulgeringsmiddelet omfatter fortrinnsvis en dimerisert fettsyre.

Spesielle eksempler på egnede mettede fettsyrer er kaprinsyre, laurinsyre, myristinsyre, palmitinsyre, stearinsyre og behenin-syre. Egnede umettede fettsyrer er monoetenoidsyrer slik som kaproleinsyre, lauroleinsyre, myristolinsyre, palmitolinsyre, oleinsyre og setolinsyre; dietanoidsyrer slik som linolje-syrer; og trietenoidsyrer slik som linolensyre. Fra et kommer-sielt synspunkt har man funnet at blandinger av fettsyrer avledet fra talg, tallolje, soyaolje, kokosolje og bomulls-frøolje er egnet for utførelse av foreliggende oppfinnelse. Emulgeringsmiddelet omfatter fortrinnsvis dimerisert oleinsyre. Amin- og amidderivater av fettsyrene kan fremstilles på i og for seg kjent måte. Spesielle eksempler på egnede derivater er di-oleyl kvartært amin i og oleyldi-etanolamid.

Ved fremstilling av borevæskesammensetninger tilveiebragt ifølge foreliggende oppfinnelse kan det flytende suspensjonsmediet omfatte 50-99 volum-% olje, 1-50 volum-% vann og 0,1-5% av emulgeringsmiddelet (basert på den kombinerte vekt av vann og olje). 01jekomponenten er vanligvis av mineralsk opprinnelse, dvs. råpetroleum eller et petroleumdestillat eller restfraksjon, og omfatter fortrinnsvis en blanding av en relativt tung olje slik som en lett tjære, krakket rest, tungt ekstrakt eller lignende, _og et lett destillat slik som gassolje eller dieselbrensel. Vanligvis vil en slik olje ha en spesifikk vekt mellom ca. 12° og 40° API. Oppfinnelsen er imidlertid ikke begrenset til noen spesiell type oljer eller blandinger derav.

Vannkomponenten kan være ferskvann eller en saltoppløsning som er mettet eller delvis mettet med alkaliske salter.

Væsketapskomponenten er noen ganger et kalkholdig karbonat eller leireholdig materiale, skjønt asfalt, lignitt, kjønrøk og et hvilket som helst av de væsketapsadditiver som vanligvis benyttes i olje-kontinuerlige borevæsker, kan benyttes. Meget ofte vil lokale jordarter inneholde tilstrekkelig leire til å tjene formålet. Væsketapsmiddelet benyttes i en mengde som er tilstrekkelig til å redusere tapet av suspensjonsmediet til permiable formasjoner som gjennomtrenges av brønnhullet, men utilstrekkelig til å øke sammensetningens viskositet til en slik grad at den ikke lett kan pumpes. En slik mengde avhenger av selve væsketapsadditivet og av viskositeten til emulsjon-suspensjonsmediet, men tilsvarer vanligvis mellom ca. 2 og ca. 15 vekt-% av suspensjonsmediet.

Vektmaterialkomponenten (dersom en slik er til stede) kan være hvilke som helst av de høydensitetsmaterialer som vanligvis benyttes for dette formål, slik som f.eks. barytt, kalsinert leire eller lignende, og benyttes i en hvilken som helst mengde som er nødvendig for å justere sammensetningens densitet til den ønskede verdi. Det er vanligvis ønskelig at sammensetningen har en vekt fra ca. 0,72 til 3,36 kg/liter.

Mens det ikke behøves observeres noen spesiell rekkefølge ved fremstillingen av borevæske-emulsjonene, er det vanligvis mest hensiktsmessig først å danne emulsjon-suspensjonsmediet og deretter tilsette væsketapsadditiver og vektmateriale. Emulgeringsmiddelet tilsettes fortrinnsvis til oljen, og den vandige fasen inkorporeres deretter gradvis under hurtig omrøring. Dersom det er ønskelig, kan den innledende emulsjon deretter føres gjennom en kolloidmølle eller homogenisator hvoretter væsketapsadditivet tilsettes under omrøring. Til slutt tilsettes vektmaterialet, og hele sammensetningen omrøres for å sikre stabil suspensjon av de faste stoffene i væskefasen.

Borevæskene ifølge oppfinnelsen kan benyttes på en hvilken

som helst konvensjonell måte for boring av brønner. Væsken kan blandes i slamtanker og pumpes inn i borehullet gjennom den hule borestrengen i det roterende boreutstyret. Væsken som går gjennom hull i borkronen, som er festet til borestrengen, kommer i kontakt med veggene i brønnhullet for dannelse av en filterkake som reduserer væsketap mens den samtidig fjerner borekutt og utfører andre funksjoner. Væsken kan returneres til tankene via de ringformede rom mellom borehullet og borestrengen. Når i det minste en del av borekuttene har blitt separert og eventuelt tapt væske erstattet, resirkuleres væsken til brønnen sammen med en mengde av et additiv ifølge oppfinnelsen for å justere borevæskens reologiske egenskaper til et ønsket område.

Ifølge foreliggende fremgangsmåte tilveiebringes et additiv som omfatter en eller flere polyestere eller et salt derav avledet fra en hydroksykarboksylsyre med formelen HO X COOH hvor X er et toverdig mettet eller umettet alifatisk radikal inneholdende minst 8 karbonatomer, og hvor det er minst 4 karbonatomer mellom hydroksy- og karboksylsyregruppene, eller avledet fra en blanding av en slik hydroksykarboksylsyre og en karboksylsyre som er fri for hydroksygrupper, eller fra hvilke som helst andre passende utgangsforbindelser som vil gi den ønskede polyester inneholdende minst ca. 300 karbonatomer.

Additivene kan oppnås ved hjelp av hvilke som helst av de konvensjonelle og velkjente metoder for fremstilling av slike forbindelser. Additivene ifølge oppfinnelsen kan f.eks. fremstilles ved oppvarming av hydroksykarboksylsyren eller en blanding av slike syrer eller en blanding av hydroksykarboksylsyren og en karboksylsyre, eller andre passende forbindelser eventuelt i nærvær av en forestringskatalysator, ved en temperatur i området fra ca. 160 til ca. 200°C, inntil polyesteren med den nødvendige molekylvekt er oppnådd. Vannet som dannes ved forestringsreaksjonen fjernes fra reaksjonsmediet, og dette kan hensiktsmessig gjøres ved å føre en strøm av nitrogen over reaksjonsblandingen, eller fortrinnsvis ved å utføre reaksjonen i nærvær av et oppløsningsmiddel, slik som mineralolje, toluen eller sylen, og avdestillere vannet ettersom det dannes.

De resulterende polyestere kan deretter isoleres på konvensjonell måte; når reaksjonen utføres i nærvær av et organisk oppløsningsmiddel hvis nærvær ikke vil være skadelig for borevæsken så kan imidlertid den resulterende oppløsning av polyesteren benyttes.

Saltene av polyestrene kan enten være salter.av polyestrene

med metallatomer eller salter med baser slik som ammoniakk eller organiske derivater derav. Metallsaltene kan hensiktsmessig f.eks. oppnås ved oppvarming av polyesteren med et oksyd, hydroksyd eller karbonat av metallet ved forhøyede temperaturer,

f.eks. ved temperaturer i området for 200°C idet reaksjonen fortrinnsvis utføres i en inert atmosfære. Som eksempler på nevnte metaller kan nevnes alkaliemetaller slik som litium, natrium og kalium, jordalkaliemetaller slik som kalisum og barium, og magnesium, bly, sink og kobber.

I de nevnte hydroksykarboksylsyrene inneholder radikale representert ved X fortrinnsvis 12-20 karbonatomer, og det er videre foretrukket at det er mellom 8 og 14 karbonatomer mellom karboksylsyren og hydroksygruppene. Det er også foretrukket at hydroksygruppen er en sekundær hydroksygruppe.

Som spesielle eksempler på slike hydroksykarboksylsyrer kan nevnes ricinoleinsyre, en blanding av 9- og 10-hydroksy-stearinsyrer (oppnådd ved sulfatering av oljesyre fulgt av hydrolyse, og 12-hydroksy stearinsyre, og spesielt den kommer-sielt tilgjengelige hydrogenerte risinusolje-fettsyre som i tillegg til 12-hydroksy-stearinsyre inneholder mindre mengder av stearinsyre og palmitinsyre.

De karboksylsyrer som kan benyttes i forbindelse med hydroksykarboksylsyrene for oppnåelse av polyestrene er fortrinnvis karboksylsyrer av mettede eller umettede alifatiske forbindelser, spesielt alkyl- og alkenyl-karboksylsyrer inneholdende en kjede med 8-20 karbonatomer. Som eksempler på slike syrer kan nevnes laurinsyre, palmitinsyre, stearinsyre og oleinsyre.

Additiver ifølge oppfinnelsen sammenblandes med den resirkule-rende borevæsken i'en mengde som er tilstrekkelig til å redusere væskens viskositet til et ønsket område. Mengden av additiv som sammenblandes med borevæsken i løpet av en enkelt behandling av væsken vil typisk være i området fra ca. 0,29 til ca. 2,85 kg/m 3borevæske. Additivet blir fortrinnsvis sammenblandet med borevæsken i en mengde fra ca. 0,29 til ca. 1,4 3 kg/m 3 borevæske. Mens større mengder av addivet kan benyttes, bestemmer pris og den potensielle overbehandling som resulterer i ytterligere omkostninger for å gjenopprette de ønskede reologiske egenskapene, mengden av benyttet additiv. Additivet kan også blandes i lignende mengder med en nylig sammensatt borevæske for å justere de reologiske egenskapene til en slik borevæske før bruk.

I det tilfelle en for stor mengde additiv blandes med borevæsken og resulterende i et vesentlig tap av viskositet og gelstyrke, kan væsken returneres til detønskede området for reologiske egenskaper ved tilblanding av en mengde ev amin-behandlet bentonitt eller en hvilken som helst annen egnet organofil leire. Som tidligere angittøker slik behandling prisen på borevæsken.

Det er overraskende funnet at tilsetning av additivet har en vesentlig lineær effekt på borevæskens viskositet når først en viss terskelkonsentrasjon er oppnådd i vesken. Den spesielle terskelkonsentrasjon varierer med borevæskens sammensetninger. Mens det i dag ikke er kjent at det eksisterer noen øvre grense, har man funnet at additivets effekt generelt jevner seg ut over et konsentrasjonsnivå på ca. 2,14 kg/m<3>borevæske slik at ytterligere tilsetning av additivet er økonomisk uønsket.

Borevæsken kan behandles med additivet på et hvilket som helst tidspunkt når de reologiske egenskapene har endret seg tilstrekkelig til at en korreksjon anses for nødvendig. Således, når en væske skal anvendes ved boring av en brønn i et lengre tidsrom, kan det f.eks. være nødvendig å behandle væsken med additivet ifølge oppfinnelsen fra omkring 2 eller 3 ganger til over et dusin ganger. Slike behandlinger resulterer ikke i noen uønsket effekt på de andre egenskapene til borevæsken.

Følgende eksempler illustrerer dannelsen og fremstillingen av flere forskjellige borevæsker1 av emulsjonstypen.

Eksempel I

Flere fettsyrepolyestere fremstilles ved blanding av de i tabell I angitte syrer i de viste mengdeandeler sammen med en del mineralsyre, og deretter oppvarming derav i visse tidsperioder ved en temperatur i området fra ca. 190-200°C for dannelse av polyesteren omfattende additivet ifølge foreliggende oppfinnelse. Vann avdestilleres fra blandingen ettersom den dannes.

De forskjellige formuleringene blandes med et alkylamid og mineralolje i følgende vekt-%-andeler: 12% fettsyrepolyester, 5% alkylamid og 83% mineralolje for dannelse av en oppløsning av additivet. De forskjellige prøvene av additivet ifølge oppfinnelsen blandes deretter med en rekke av borevæskeprøvene under anvendelse av fettsyre-emulgeringsmidler for å bestemme den effekt som additivet har på borevæskens reologiske egenskaper. Oppløsningene av additivet tilsettes til bore-

væsken i en mengde på 5,71 kg/m 3borevæske. De reologiske egenskapene bestemmes i overensstemmelse med API RP 13 B "Stan-dard Procedure for Testing of Drilling Fluids". Dataene er angitt i tabellene II-IX, nedenfor. Tabell IX gir data angående de effekter som de upolymeriserte fettsyrene, alkylamid og mineralolje har på en borevæskes reologiske egenskaper.

Følgende forkortelser er benyttet i tabellene:

Dataene i tabellene II-IX illustrerer tydelig effektiviteten til det foreliggende additiv med hensyn til å redusere viskositeten og gelstyrken til borevæskene, hvilket vil gjøre det mulig for slike væsker å bli behandlet med mengder av additivet for å opprettholde borevæskens reologiske egenskaper i ønskede områder.

Eksempel II

For å bestemme effekten av konsentrasjonen som additivet har på borevæsken ble to av oppløsningene av additivet i eksempel I sammenlignet ved varierende konsentrasjonsnivåer i prøver av en borevæske. Dataene er angitt i tabell X nedenfor . De angitte data illustrerer klart den effekt som konsentrasjonen av additivet har på borevæskens reologiske egenskaper.

Claims (10)

1. Fremgangsmåte for behandling av en borevæske omfattende en vann-is-olje-emulsjon for å redusere viskositeten til den returnerte væsken, karakterisert ved at man blander den returnerte væsken inneholdende kolloidalt suspenderte formasjonspartikler med et additiv innbefattende en fettsyrepolyester i en mengde som er tilstrekkelig til å redusere viskositeten til den returnerte væsken.

2. Fremgangsmåte ifølge krav 1, karakterisert ved at additivet tilblandes i en mengde fra 2 ca. 0,29 til ca. 2,85 kg/m returnert væske.

3. Fremgangsmåte for behandling av en borevæske av typen vann-is-olje-emulsjon, karakterisert ved at emulsjonen dannes med et emulgeringsmiddel omfattende en fettsyre eller et amin- eller et amidderivat derav for å redusere viskositeten og gelstyrken til væsken, hvorved denne væske blandes med et additiv innbefattende en fettsyrepolyester i en mengde fra ca. 0,29 til ca. 2,85 kg/m 2 borevæske .

4. Fremgangsmåte ifølge krav 3, karakterisert ved at borevæsken inneholder et vektmateriale.

5. Fremgangsmåte ifølge krav 1 og 3, karakterisert ved at fettsyrepolyesteren er avledet fra en hydroksykarboksylsyre med formelen HO X COOH hvor X er et toverdig mettet eller umettet alifatisk radikal inneholdende minst 8 karbonatomer, eller er avledet fra en blanding av en slik hydroksykarboksylsyre og en karboksylsyre som er fri for hydroksygrupper.

6. Borevæske av typen vann-is-olje-emulsjon, karakterisert ved at den omfatter vann, olje, et emulgeringsmiddel innbefattende minst ett materiale valgt fra gruppen bestående av en fettsyre, et aminderivat av en fettsyre og et amidderivat av en fettsyre, et vektmateriale, et væsketapsadditiv og et additiv omfattende en fettsyrepolyester som er til stede i en mengde fra ca. 0,29 3 til ca. 2,85 kg/m av borevæsken.

7. Borevæske ifølge krav 3 og 6, karakterisert ved at additivet er opplø st i en hydrokarbon-bærevæske.

8. Borevæske ifølge krav 4 og 6, karakterisert ved at vektmaterialet omfatter barytt.

9. Borevæske ifølge krav 6, karakterisert ved at volumforholdet for olje til vann er i området fra ca. 99:1 til ca. 1:1.

10. Borevæske ifølge krav 8, karakterisert ved at væsketapsadditivet omfatter minst ett materiale valgt fra gruppen innbefattende et asfaltmateriale, et lignitt-materiale, et leireholdig materiale og et kalkholdig materiale.