專利名稱：包含纖維素醚的井眼維護液的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及選自水泥制劑、陶瓷、金屬加工液和切削液以及特別是井眼維護液(wellbore servicing fluid)的包含纖維素醚的組合物,并涉及纖維素醚用于改變這樣的組合物的粘度的用途以及新的纖維素醚類。
_2]
背景技術：
在含水或烴類地帶中的水或烴類(例如油和天然氣)，可以通過在陸地或海底鉆入地面中的穿透到含水層或含烴地層中的井眼來取得。這樣的井眼可用于生產水或烴類，或作為注入井注入流體例如水或氣體，以驅動相關流體進入生產井眼。典型情況下，這樣的井眼必須被深深地鉆入地面中。通常，井的深度越大，地層的自然溫度越高。在鉆出裸井后，下一步被稱為“完成”井眼。井眼有時是完成的裸井，即在與生產地層相鄰的位置處沒有注水泥套管。然而，更典型情況下，作為完井過程的一部分，將被稱為“套管”的金屬管放置在裸井中并用水泥固定在位。當井眼穿透到地層的含烴或水的地帶中時，可以將套管穿孔以允許地帶與井眼之間的流體連通。井眼穿透的能夠生產烴類的含烴類地帶的區(qū)段被稱為“生產區(qū)段”。通過使用井下工具例如封隔器或塞子，或者通過使用其他技術例如形成砂堵或在穿孔中放置水泥，套管也能分開或隔離井眼的一個或多個生產區(qū)段。無論井眼是裸井還是裝有套管，通常利用各種方法來完成井眼，以為烴類生產或采水做準備。例如，一種常用方法是礫石充填，以幫助防止砂和細粒隨著生產的烴類流入井目艮。促進烴類產物從含烴類地帶流出的常用方法的另一個實例是地層的水力壓裂。這種方法通常被稱為“液壓破碎(fracking) ”，其為烴類從含烴類地層向井眼流動提供改進的流動路徑。

在井已經完成并投產后，時常通過進行重大維護或修復處理修井是有幫助的。修井包括井的增強和修復，以幫助恢復、延長或增強烴類生產或采水。在井維護或維修期間，可以使用各種處理方法，包括例如礫石充填或水力壓裂。所有這些方法，從鉆井眼到水泥灌漿、到完井、到修井，都使用適合的流體。在最初井眼的鉆孔和建造期間，流體通常被稱為處理液、完井液或修井液。當在本文中使用時，“處理液”包括不論是在鉆孔、完井、維護、維修還是任何其他這樣的階段期間引入到井眼中的任何適合流體。這些處理液，通常也稱為“維護液”(servicing fluid)，典型是包含流變改性劑和/或降失液(fluid loss)調節(jié)劑的水基流體。在水基維護液中，使用廣泛種類的水溶性或水溶脹性聚合物，例如纖維素醚類、淀粉、瓜爾膠、黃原膠，以及丙烯酰胺、丙烯酸、丙烯腈和2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸的合成的聚合物和共聚物。美國專利號4，784，693公開了具有2_4wt. %的疏水取代度、1. 5-4的MS(羥基乙氧基)取代度和以Iwt. %水溶液測量的300-500cps的粘度的疏水改性的羥乙基纖維素的用途，其用于石油鉆探中。美國專利號4，529，523公開了疏水改性的纖維素醚類，例如具有約Iwt. %的疏水取代度、2. 5的MS (羥基乙氧基)取代度和50，000-1，000，000、優(yōu)選約150，000-800，000的
分子量的疏水改性的羥乙基纖維素的用途，其作為注水介質。美國專利號4，228，277公開了用具有10至24個碳原子的長鏈烷基取代的非離子型羥乙基或羥丙基纖維素醚，所述取代基的量在約0. 2wt. %至使所述纖維素醚在水中的溶解性低于Iwt. %的量之間。所述產品據說與它們的未改性纖維素醚對應物相比，表現(xiàn)出改進的增粘效果。美國專利號4，892，589公開了一種水泥灌漿組合物，其包含水硬性水泥和作為降失液劑的水溶性、非離子型疏水改性的羥乙基纖維素。美國專利號5，407，919公開了一種雙取代的陽離子水溶性纖維素醚，其用具有8至18個碳原子的烷基進行疏水基改性，并用三甲基或三乙基銨基團進行陽離子取代。這種陽離子疏水基改性的羥乙基纖維素的分子量描述為10，000至500，000道爾頓。在該專利中描述的陽離子疏水基改性的羥乙基纖維素聚合物可用于化妝品、個人護理和制藥應用中。美國專利申請2007/0031362A1公開了一種雙取代的陽離子水溶性纖維素醚，其用具有8至18個碳原子的烷基進行疏水基改性，并用三甲基或三乙基銨基團進行陽離子取代。這種陽離子疏水基改性的羥乙基纖維素的聚合度描述為4，000至10，000。在該專利中描述的陽離子疏水基改性的羥乙基纖維素聚合物可用于化妝品、個人護理和制藥應用中。隨著世界對烴類例如石油和天然氣的需求持續(xù)增加，而已知儲量被耗盡，鉆井的深度越來越大。一般來說，鉆出的井越深，地層的溫度越高。不幸的是，許多已知的在水基維護液中用作流變改性劑或降失液調節(jié)劑的水溶性或水溶脹性聚合物，在高溫下表現(xiàn)出可逆的粘度損失，也稱為熱稀化。然而，在許多終端應用例如水、石油和天然氣開采(例如鉆井液、修井液或完井液、固井、水力壓裂和三次采油(enhanced oil recovery))、建筑(例如混凝土泵送和澆注、自流平水泥、地熱井水泥灌漿、擠壓混凝土板)、全深度路面再生、陶瓷(例如作為生坯強度(green strength)添加劑)、金屬加工和切削液中，熱稀化是非常不期望的。在烴類開采工業(yè)中，一個具體的未滿足的需求是具有改進的井下高溫粘度保留的水溶性聚合物。井下溫度可能超過250 °F (120°C )，并且水溶性聚合物的大多數(shù)油田應用取決于這些聚合物溶液在這些高溫下的固體懸浮效率。因此，期望發(fā)現(xiàn)表現(xiàn)出降低的熱稀化程度、從而在高溫下是更有效的增稠劑的新的纖維素醚類。發(fā)明概沭令人吃驚的是，現(xiàn)已發(fā)現(xiàn)某些離子型疏水基改性的纖維素醚顯示出抗熱稀化的增加的穩(wěn)定性。因此，本發(fā)明的一個方面是纖維素醚，其具有(i)選自甲基、羥乙基和羥丙基的一個或多個取代基，(ii) 一個或多個疏水取代基，以及(iii) 一個或多個陽離子、叔氨基或陰離子取代基，并且具有至少30%的保留動態(tài)粘度，％ n8(l/25，其中% n 80/25 = [80°c下的動態(tài)溶液粘度/25°C下的動態(tài)溶液粘度]xlOO，所述25°C和80°C下的動態(tài)溶液粘度以I %水溶液進行測量。本發(fā)明的另一方面是組合物，其選自井眼維護液、水泥制劑、陶瓷、金屬加工液和切削液，所述組合物包含纖維素醚，所述纖維素醚具有
(i)選自甲基、羥乙基和羥丙基的一個或多個取代基，(ii) 一個或多個疏水取代基，以及(iii) 一個或多個陽離子、叔氨基或陰離子取代基。本發(fā)明的另一方面是纖維素醚的用途，所述纖維素醚具有(i)選自甲基、羥乙基和羥丙基的一個或多個取代基，(ii) 一個或多個疏水取代基，以及(iii) 一個或多個陽離子、叔氨基或陰離子取代基，用于改變選自井眼維護液、水泥制劑、陶瓷、金屬加工液和切削液的組合物的粘度。本發(fā)明的再另一方面是改變選自井眼維護液、水泥制劑、陶瓷、金屬加工液和切削液的組合物的粘度的方法，所述方法包括在所述維護液中摻入纖維素醚的步驟，所述纖維素醚具有(i)選自甲基、羥乙基和羥丙基的一個或多個取代基，(ii) 一個或多個疏水取代基，以及

(iii) 一個或多個陽離子、叔氨基或陰離子取代基。發(fā)明詳沭本發(fā)明的纖維素醚和在本發(fā)明的組合物中使用的纖維素醚具有(i)選自甲基、羥乙基和羥丙基的一個或多個取代基，(ii) 一個或多個疏水取代基，以及(iii) 一個或多個陽離子、叔氨基或陰離子取代基。適合用于制備本發(fā)明的纖維素醚的纖維素醚類包括羥乙基纖維素、羥丙基纖維素、甲基纖維素、羥丙基甲基纖維素或羥乙基甲基纖維素。優(yōu)選的纖維素醚類包括羥乙基纖維素和羥乙基甲基纖維素。適用于制備本發(fā)明的纖維素醚類的最優(yōu)選的纖維素醚類包含羥乙基。甲基、羥乙基或羥丙基的量不是非常關鍵，只要存在足夠的水平以確保纖維素醚為水溶性即可。從羥乙基纖維素制備的聚合物的羥乙基摩爾取代度EO MS(氧化乙烯摩爾取代度)，通過簡單的質量增加或使用Morgan改良的Zeisel方法P. ff. Morgan, Ind. Eng.Chem. ,Anal. Ed.，18，500-504 (1946)來測定。所述方法也描述在ASTM方法D-2364中。本發(fā)明的纖維素醚的EO MS 一般為I至5，優(yōu)選為1. 5至3. 5，更優(yōu)選為1. 6至2. 5，最優(yōu)選為1.9 至 2. 5。本發(fā)明的纖維素醚以及用于本發(fā)明的組合物中的纖維素醚進一步被一個或多個疏水取代基取代，所述取代基優(yōu)選為非環(huán)狀或環(huán)狀、飽和或不飽和、支鏈或直鏈烴基，例如烷基、烷芳基或芳烷基，其具有至少8個碳原子，一般為8至32個碳原子，優(yōu)選為10至30個碳原子，更優(yōu)選為12至24個碳原子，最優(yōu)選為12至18個碳原子。當在本文中使用時，術語“芳烷基”和“烷芳基”是指含有芳香族和脂族兩種結構的基團。最優(yōu)選的脂族疏水取代基是十六烷基，其最優(yōu)選為直鏈的。疏水取代基是非離子型的。每摩爾脫水葡萄糖單元的疏水取代基的平均摩爾數(shù)被稱為疏水基DS (疏水基取代度)。疏水基DS使用如上所述的Morgan改良的Zeisel方法來測量，但是使用氣相色譜來測量離去烷基的濃度。在烷芳基疏水劑例如十二烷基苯基縮水甘油醚的情況下，可以使用在2002年4月16日出版的美國專利6，372，901中描述的分光光度法來確定疏水基DS。疏水基DS—般為每摩爾脫水葡萄糖單元至少0. 005、優(yōu)選至少0. 007、更優(yōu)選至少0. 010、最優(yōu)選至少0. 012、特別是至少0. 015摩爾的疏水取代基。疏水取代基的平均取代水平一般最高0. 025，典型地最高0. 018。隨著疏水基取代度的增加，達到得到的聚合物為水不溶性的點。然而，如果由于疏水基取代造成超過水不溶性的點，用離子性官能團例如陽離子或陰離子基團對聚合物進行進一步改性，將使聚合物可溶于水(“重新溶解”聚合物)，而對所期望的高溫流變性和熱稀化行為的降低沒有不利影響。正如在實施例1-5中提到的，對于含有十六烷基的HmHEC聚合物來說，在高于0. 0125的疏水基取代度下HmHEC聚合物變得水不溶性。該上限的變化取決于所使用的具體疏水基、纖維素骨架的分子量和疏水基的添加方法。在纖維素醚上可以取代超過一種類型的疏水取代基，但是總取代水平優(yōu)選在上面提到的范圍之內。本發(fā)明的纖維素醚和用于本發(fā)明的組合物中纖維素醚還包含一個或多個陽離子、叔氨基或陰離子取代基。優(yōu)選的陽離子基團由式I表示
權利要求
1.纖維素醚，其具有 (i)選自甲基、羥乙基和羥丙基的一個或多個取代基， (ii)一個或多個疏水取代基，以及 (iii)一個或多個陽離子、叔氨基或陰離子取代基，并且 具有至少30%的保留動態(tài)粘度，％ Π8(ι/25，其中 % η 80/25 = [80°C下的動態(tài)溶液粘度/25°C下的動態(tài)溶液粘度]xlOO，所述25°C和80°C下的動態(tài)溶液粘度以I%水溶液進行測量。
2.權利要求1的纖維素醚，其具有一個或多個式I的陽離子取代基
3.權利要求1的纖維素醚，其具有一個或多個磺基-C1-6-燒基。
4.權利要求1的纖維素醚，其具有一個或多個羧甲基或羧乙基。
5.權利要求1的纖維素醚，其具有一個或多個二甲基氨基、二乙基氨基或二異丙基氨基。
6.前述權利要求任一項的纖維素醚，其以1%水溶液在25°C下用4號轉子以6rpm測量時具有至少20，OOOmPa-sec的布氏粘度。
7.前述權利要求任一項的纖維素醚，其具有至少750，000的重均分子量。
8.前述權利要求任一項的纖維素醚，其具有至少35%的保留動態(tài)粘度％n 80/25O
9.前述權利要求任一項的纖維素醚，其中所述一個或多個疏水取代基是具有至少8個碳原子的非環(huán)狀或環(huán)狀、飽和或不飽和、支鏈或直鏈烴基，并且所述一個或多個疏水取代基的平均取代水平為每摩爾脫水葡萄糖單元0. 007至0. 025摩爾。
10.前述權利要求任一項的纖維素醚，其具有1.5至3. 5的羥乙基摩爾取代度。
11.組合物，其選自井眼維護液、水泥制劑、陶瓷、金屬加工液和切削液，所述組合物包含纖維素醚，所述纖維素醚具有 (i)選自甲基、羥乙基和羥丙基的一個或多個取代基， (ii)一個或多個疏水取代基，以及 (iii)一個或多個陽離子、叔氨基或陰離子取代基。
12.權利要求11的組合物，其包含權利要求1至10任一項的纖維素醚。
13.纖維素醚的用途，所述纖維素醚具有 (i)選自甲基、羥乙基和羥丙基的一個或多個取代基， (ii)一個或多個疏水取代基，以及 (iii)一個或多個陽離子、叔氨基或陰離子取代基，用于改變選自井眼維護液、水泥制劑、陶瓷、金屬加工液和切削液的組合物的粘度。
14.權利要求13的用途，其中所述纖維素醚是權利要求1至10任一項的纖維素醚。
15.改變選自井眼維護液、水泥制劑、陶瓷、金屬加工液和切削液的組合物的粘度的方法，所述方法包括向所述井眼維護液中摻入纖維素醚的步驟，所述纖維素醚具有 (i)選自甲基、羥乙基和羥丙基的一個或多個取代基， (ii)一個或多個疏水取代基，以及 (iii)一個或多個陽離子、叔氨基或陰離子取代基。
全文摘要
纖維素醚，其具有(i)選自甲基、羥乙基和羥丙基的一個或多個取代基，(ii)一個或多個疏水取代基，以及(iii)一個或多個陽離子、叔氨基或陰離子取代基，并且具有至少30％的保留動態(tài)粘度％η80/25，其中％η80/25＝[80℃下的動態(tài)溶液粘度/25℃下的動態(tài)溶液粘度]x 100，所述25℃和80℃下的動態(tài)溶液粘度以1％水溶液進行測量，所述纖維素醚可用于改變選自井眼維護液、水泥制劑、陶瓷、金屬加工液和切削液的組合物的粘度。
文檔編號C04B35/636GK103068949SQ201180039473
公開日2013年4月24日 申請日期2011年8月10日 優(yōu)先權日2010年8月13日
發(fā)明者E·M·帕泰恩, R·L·克雷格 申請人:聯(lián)合碳化化學品及塑料技術公司