專利名稱：：用于水基鉆井液的功能化粘土組合物的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明涉及用于鉆采地殼結(jié)構(gòu)中的油井、氣井和地?zé)峋乃后w，并涉及用于這種液體的添加劑。更特別地說，本發(fā)明涉及一種包含特定類型功能化粘土的水基鉆井液。發(fā)明概述本發(fā)明提供了一種含水鉆井液，包含有二季銨陽離子功能化粘土，當該粘土加入鉆井液中時，能提供相對于鹽度基本上恒定的流變性特征。本發(fā)明的又一方面是一種鉆井方法，該方法使用一種包含下述二季銨陽離子功能化粘土的鉆井液。本發(fā)明進一步提供了一種粘土/有機化合物組合物，其包括(a)蒙脫土和(b)—種或多種二季銨化合物。發(fā)明詳述鉆井液在工業(yè)中也稱為漿液、鉆井漿、鉆采液、洗井液、油井液和油井鉆采液，在整個本申請中這些術(shù)語應(yīng)該理解為是可互相替換的。可以理解的是，這些術(shù)語指代在鉆采作業(yè)中泵送到井中的液體。井本身可以是使用鉆井液的氣井、油井或任何其他目的地方。本發(fā)明的鉆井液是水基或含水基的液體。本發(fā)明的實施方式之一提供了一種包含二季銨功能化粘土組合物的含水基鉆井液。二季銨是一種含有兩個陽離子氮中心的化合物。該二季銨功能化粘土組合物包括蒙脫土和一種或多種二季銨化合物。蒙脫土是通常形成微晶的非常軟的層狀硅酸鹽。蒙脫土是蒙脫石族的一員，具有兩個中間夾有中央八面體層的四面體層。蒙脫土是可膨脹的層狀粘土，包含有單個的小片。本發(fā)明中可使用天然存在的粘土和合成的粘土兩種。天然存在的含水層狀硅酸鹽如蛭石也可用于本發(fā)明。用于本發(fā)明的合成粘土是能夠確定為屬于蒙脫石類粘土礦物的那些，此外，合成蛭石和合成云母也可用于本發(fā)明中?；?00%的活性粘土，根據(jù)已知的乙酸銨方法進行測定，用于本發(fā)明的粘土優(yōu)選具有至少45毫克當量/100克陽離子交換容量。優(yōu)選的蒙脫土是天然存在的懷俄明類(Wyoming)膨脹皂土和類似粘土，以及鋰蒙脫石，一種膨脹硅酸鎂粘土。皂土和其性質(zhì)詳細描述在Carr,D等1994年，工業(yè)礦物和巖石，第6版，題目為"皂土"的章節(jié)中(采礦、冶金和勘探協(xié)會出版，美國科羅拉多州)。蒙脫土是本領(lǐng)域中熟知的并能從許多來源購到。理想地，粘土是鈉的形式或者在用于本發(fā)明之前轉(zhuǎn)化為鈉的形式。該轉(zhuǎn)化可通過制備含水的粘土漿料并使?jié){料通過鈉形式的陽離子交換樹脂床來完成?？商鎿Q地，粘土與水和可溶的鈉化合物如碳酸鈉、氫氧化鈉等混合，并例如用攪土機或擠壓機剪切?？捎糜诒景l(fā)明的典型蒙脫土詳細描述在"HydrousPhyllosilicates，ReviewsinMineralogy,Volume19,S.W.Bailey,editor"中。剪切和未剪切形式的兩種上述蒙脫土可以使用。ElementisSpecialties公司和它的前身提出了一些描述剪切蒙脫石粘土的專利，例如美國專利No.4,695,402和美國專利No.4,742,098，在此將兩篇的全部內(nèi)容并入本文中。此外，所用的蒙脫土或者是粗制的(包含礦渣或非粘土物質(zhì))或者是精選的(去除礦渣的)。使用粗制粘土的能力表明非常節(jié)約成本，因為不需要粘土精選過程和轉(zhuǎn)化成鈉形式。本發(fā)明的有機陽離子化合物選自能夠通過與蒙脫土的陽離子交換形成官能化粘土的烷氧基化和非烷氧基化二季銨陽離子。在一實施方式中，本發(fā)明的有機陽離子化合物包括具有下式的二季銨陽離子，或者其混合物R2汰2其中，&包括具有l(wèi)-30個碳原子的直鏈或支鏈、飽和或不飽和的烷基或者-(CR3R4-CR5R60)zH,其中113、R4、Rs和&獨立地選自由H-、CHr和CH3CH2-組成的組中。在一優(yōu)選的實施方式中，Rt包括甲基。在另一優(yōu)選實施方式中，R3、R4、Rs和R6包括甲基或氫。在又一優(yōu)選實施方式中，R3、R4、Rs和R6包括氫。在一優(yōu)選實施方式中，R!包括甲基。在一實施方式中，重復(fù)單元Z的范圍是0-30。在更加優(yōu)選的實施方式中，重復(fù)單元Z的范圍是0-12。R2包括I^或者是具有1-30個碳原子的直鏈或支鏈、飽和或不飽和的烷基。在優(yōu)選的實施方式中，R2選自由氫、甲基、十六烷和十八烷組成的組中。在更優(yōu)選的實施方式中，R2是甲基。重復(fù)單元y的范圍是2-22。在另一實施方式中，重復(fù)單元y的范圍是2-12。在一優(yōu)選實施方式中，重復(fù)單元y的范圍是2-6。在更優(yōu)選的實施方式中，重復(fù)單元y的范圍是2-4。x-包括選自由氯化物、硫酸二甲酯、乙酸酯、碘化物和溴化物組成的組中的陰離子，優(yōu)選氯化物。用于制造本發(fā)明的有機粘土組合物的優(yōu)選二季銨化合物的實施例是................................:~~~"ggr■■:-...........CIfe€ft:其中z的范圍從0到12，y的范圍從2到4。本發(fā)明進一步提供了一種用于鉆取油井和氣井的含水鉆井液。含水鉆井液包括水、直到32%的鹽和二季銨功能化的粘土組合物。在一實施方式中，0-20%的鹽加入到鉆采漿中。在一優(yōu)選實施方式中，15-20%的鹽加入到鉆采漿中。在油井鉆采點，本發(fā)明的二季銨功能化的粘土組合物可任何時候加入到漿液中。當以常規(guī)的方式加入本發(fā)明的二季銨功能化的粘土組合物來制備漿液時是特別有用的。通常，油井漿通過混合二季銨功能化的粘土組合物和鹽水來制備。和用于混合它們的方法一樣，二季銨功能化的粘土組合物和鹽水的比例是本領(lǐng)域中熟知的。制造鉆井液時，使用本發(fā)明的二季銨功能化的粘土組合物和水以及缺乏鹽水的粘土也是可能的。也能夠?qū)⒈景l(fā)明的二季銨功能化的粘土組合物與不包含二季銨功能化的粘土組合物的起始鉆井液一起使用。換句話說，作業(yè)者能夠用不包含功能化粘土組合物的鉆井液開始鉆采作業(yè)，以后在鉆采那口井時再使用本發(fā)明的功能化粘土組合物。實際上，對于不同的鉆采作業(yè)，加入到漿液中的二季銨功能化粘土組合物的用量不同。在大部分應(yīng)用中，用于鉆井液中的二季銨功能化粘土組合物的用量不超過每桶("ppb")鉆井液35磅。在一實施方式中，將0.875ppb-35ppb的本發(fā)明的二季銨功能化粘土組合物加入到鉆井漿中。在優(yōu)選實施方式中，將3.5ppb-10.5ppb的本發(fā)明的二季銨功能化粘土組合物加入到鉆井漿中。本發(fā)明的鉆井液包含有根據(jù)需要的常規(guī)用量的其他常規(guī)井眼添加劑。這種添加劑的實例包括油，防失水劑和增稠劑如淀粉，羥乙基纖維素，羧甲基纖維素及其他纖維素，漢生膠(xanthan)及其他生物高聚物，皂土，木素磺酸鹽例如鈣或者鉻的木素磺化鹽，乳化劑，增重劑，頁巖抑制劑例如聚丙烯酰胺或者乙二醇，控制侵蝕、潤滑等的特殊添加劑，這些是本領(lǐng)域中熟知的。本發(fā)明的二季銨功能化的粘土組合物可以以本領(lǐng)域的技術(shù)人員己知的各種方法加入到井眼中。本發(fā)明的二季銨功能化粘土組合物可與鹽水混合，然后將其泵入鉆孔之前在鉆采地點加入到由傳統(tǒng)粘土制成的漿液中?；蛘撸景l(fā)明的二季銨功能化粘土組合物可直接加入到包含傳統(tǒng)粘土的漿液中，包含功能化和非功能化兩種粘土的漿液能夠泵送到鉆孔中。在一實施方式中，鉆井液組合物也可包含皂土。本發(fā)明可用于目前使用粘土的任何鉆井液應(yīng)用中，特別包括這種井處理應(yīng)用如完井和修井作業(yè)。術(shù)語"鉆井液"意味著包括但不限制于完井液、修井液、堵漏漿、壓井液、鉆進生產(chǎn)層的鉆井液、礫石填塞液和壓裂液。水基鉆井液的功能或特征之一是從構(gòu)造中懸浮起孔底處由鉆頭制造出的切割物并將該切割物從孔運輸出來。水基鉆井液也懸浮起重質(zhì)材料如硫酸鋇。通過懸浮重質(zhì)材料，鉆井液有助于保持向構(gòu)造施加特定壓力的均勻槳液柱。流變添加劑，例如皂土、纖維素制品和生物高聚物，用于建立必要的流變性能。然而，沒有一種可獲得的流變添加劑既是熱穩(wěn)定的(350°F+)，又是耐鹽性的(17wt。/。氯化鈣和/或氯化鈉)。皂土，一種用于水基鉆井液中的主要流變添加劑，在存在二價陽離子如鈣(氯化鈣)時會絮7凝。一旦皂土絮凝，流變性特征顯著變化，懸浮固相，包括但不限制于重質(zhì)材料如重晶石的能力降低。在鉆采過程中，無論其是否是通過鉆通鹽丘或吸收鹽水流來自地層水，經(jīng)常會遇到氯化鈣和/或氯化鈉。本發(fā)明的功能化粘土添加劑提供了一種鉆井液，其在鹽如氯化鈣存在下具有基本上恒定的流變性特征。本發(fā)明由以下的非限制性實施例加以說明。這些實施例顯示出包含二季銨功能化蒙脫土的鉆井液的令人驚奇的優(yōu)越性。實施例提供了如下所示的功能化粘土，并配制了樣板鉆井液，它們用于測試液體損耗和流變性能。根據(jù)標準API漿液制備手冊，使用標準啤酒杯和5個紡錘形HamiltonBeach通用混合器來制備全部液體并測試。制備的液體放置在316個不銹鋼熱時效單元中。單元放置在設(shè)定于所需溫度的滾動烘爐中并熱軋16小時。取出單元并淬火在充滿冷水的水槽中。使用Fann型35流變計或等同器件測量了起始和熱軋周期后的流變性。根據(jù)每個APIRP13B程序測量?；鶟{組合物5ppb二季銨功能化粘土添加劑175.4lbs/bbl水174.6lbs/bbl重晶石CaCl2槳液組合物5ppb二季銨功能化粘土添加劑175.4lbs/bbl水174.6lbs/bbl重晶石35,1lbs/bblCaCl2實施例1實施例1顯示了來自含有5ppb二季銨功能化粘土添加劑的具備和不具備20wt。/。氯化鈣的樣本鉆井液的結(jié)果。二季銨具有一種組成，其中A和R2包括甲基，y等于2。制備了樣品并根據(jù)API程序在150。F熱軋后測試了流變性能。測試結(jié)果報道在表1中。本發(fā)明的二季銨功能化粘土具有不管鹽濃度多少都穩(wěn)定的流變性能。如圖1中所示，通過比較淡水漿液的6rpm讀數(shù)和20wt/。氯化鈣鹽水溶液的6rpm讀數(shù)證實，二季銨功能化粘土具有基本上恒定的流變性能。對本申請來說，基本上恒定的流變性能意味著淡水漿液的6rpm和600rpm讀數(shù)以及20wt/。氯化鈣鹽水溶液的6rpm和600rpm讀數(shù)在彼此的50%之內(nèi)。表l<table>tableseeoriginaldocumentpage9</column></row><table>實施例2實施例2顯示了來自含有5ppb垸氧基化二季銨功能化粘土添加劑的具備和不具備20wtn/。氯化鈣的樣本鉆井液的結(jié)果。二季銨具有一種組成，其中R,和R2包括甲基或環(huán)氧乙烷。制備了樣品并根據(jù)API程序在150T熱軋后測試了流變性能。測試結(jié)果報道在表l中。表2<table>tableseeoriginaldocumentpage9</column></row><table>600RPM讀數(shù)18182127300RPM讀數(shù)1091317200RPM讀數(shù)66812100RPM讀數(shù)44476RPM讀數(shù)32223RPM讀數(shù)2222表觀粘度，cPs991114塑性粘度,cPs89810屈服點，Lbs/100ftx22057實施例2例示了乙氧基功能化皂土對具有和不具有氯化鈣的水基鉆井漿粘度的作用。通過比較淡水漿液的6和600rpm讀數(shù)和20wt.M氯化鈣鹽水溶液的6和600rpm讀數(shù)證實，該功能化粘土對氯化鈣是穩(wěn)定的。通過加入20wtM的氯化鈣，6和600rpm讀數(shù)并沒有顯著變化(50%)。數(shù)據(jù)表明，實施例2的鉆井液在包含20wt。/。氯化鈣的水溶液中具有基本上恒定的流變性能。實施例3實施例3顯示了來自含有10ppb皂土粘土添加劑的具備和不具備20wt。/。氯化鈣的樣本鉆井液的比較結(jié)果。表3鹽，頂部的氯化鈣的Wtc/。020150。F熱軋16小時后OFI800粘度(5U20。F600RPM讀數(shù)2330300RPM讀數(shù)1225200RPM讀數(shù)923100RPM讀數(shù)206RPM讀數(shù)4153RPM讀數(shù)415塑性粘度,cPs9屈服點，lbs/100ftA2320如表3中所示，包含皂土添加劑的鉆井液并能提供在氯化鈣存在下具有基本上恒定流變性能的鉆井液。這可通過淡水漿液6rpm對于淡水漿液來說讀數(shù)從4增加到對于20wt。/。氯化鈣鹽水溶液的15而得以證實。在不脫離本發(fā)明的實質(zhì)或主要特征的精神下，本發(fā)明可具體體現(xiàn)為其他具體的形式。因此，應(yīng)該參照所附的權(quán)利要求，而不是前述說明書，來指明本發(fā)明的保護范圍。盡管上述描述涉及本發(fā)明的優(yōu)選實施方式，但應(yīng)該注意的是，對本領(lǐng)域的技術(shù)人員而言能夠作出一些顯而易見的其它變化和修改，這些都不脫離本發(fā)明的實質(zhì)和保護范圍。權(quán)利要求1、一種功能化的粘土組合物，包括蒙脫土；和一種或多種具有下式的二季銨化合物其中，R1包括具有1-30個碳原子的直鏈或支鏈、飽和或不飽和的烷基或者-(CR3R4-CR5R6O)zH，其中R3、R4、R5和R6獨立地選自由H-、CH3-和CH3CH2-組成的組中，且重復(fù)單元z的范圍從0到40；R2包括R1或者是具有1-30個碳原子的直鏈或支鏈、飽和或不飽和的烷基；重復(fù)單元y的范圍從2到22；且X-包括陰離子，其選自由氯化物、硫酸二甲酯、乙酸酯、碘化物和溴化物組成的組中，優(yōu)選氯化物。2、權(quán)利要求1所述的功能化粘土組合物，其中R2選自由氫、甲基、十六烷和十八烷組成的組或是&。3、權(quán)利要求1所述的功能化粘土組合物，其中R2包括甲基或R"4、權(quán)利要求1所述的功能化粘土組合物，其中R3、R4、Rs和R6包括甲基或氫。5、權(quán)利要求1所述的功能化粘土組合物，其中R3、R4、Rs和R6包括氫。6、權(quán)利要求l所述的功能化粘土組合物,其中重復(fù)單元z的范圍是0-30。7、權(quán)利要求l所述的功能化粘土組合物，其中重復(fù)單元z的范圍是0-12。8、權(quán)利要求l所述的功能化粘土組合物，其中重復(fù)單元y的范圍是2-12。9、權(quán)利要求1所述的功能化粘土組合物，其中重復(fù)單元y的范圍是2-6。10、一種用于鉆采油井和氣井的含水鉆井液，包括水，直到32被％鹽，和功能化粘土組合物，該組合物包含；蒙脫土；和一種或多種具有下式的二季銨化合物<formula>formulaseeoriginaldocumentpage3</formula>其中，&包括具有1-30個碳原子的直鏈或支鏈、飽和或不飽和的烷基或者-(CR3R4-CR5R60)ZH，其中R3、R4、R5和R6獨立地選自由H-、CHr和CH3CH2-組成的組中，且重復(fù)單元z的范圍從0到40;R2包括&或者是具有1-30個碳原子的直鏈或支鏈、飽和或不飽和的垸基；重復(fù)單元y的范圍是2-22;且X包括陰離子，其選自由氯化物、硫酸二甲酯、乙酸酯、碘化物和溴化物組成的組中，優(yōu)選氯化物。11、權(quán)利要求10所述的含水鉆井液，在鹽存在下具有基本上恒定的流變性能。12、權(quán)利要求10所述的含水鉆井液，其中R2選自由氫、甲基、十六垸和十八烷組成的組或是Ri。13、權(quán)利要求10所述的含水鉆井液，其中R2包括甲基或A。14、權(quán)利要求10所述的含水鉆井液，其中R3、R4、Rs和R6包括甲基或氫。15、權(quán)利要求10所述的含水鉆井液，其中R3、R4、Rs和R6包括氫。16、權(quán)利要求10所述的含水鉆井液，其中重復(fù)單元z的范圍是0-30。17、權(quán)利要求10所述的含水鉆井液，其中重復(fù)單元z的范圍是0-12。18、權(quán)利要求10所述的含水鉆井液，其中重復(fù)單元y的范圍是2-12。19、權(quán)利要求10所述的含水鉆井液，其中重復(fù)單元y的范圍是2-6。20、權(quán)利要求10所述的含水鉆井液，其中所述功能化粘土組合物的范圍是從約0.874ppb到約35ppb。全文摘要一種水基鉆井液，包含有二季銨陽離子功能化的粘土，當其加入鉆井液中時，該粘土能提供相對于鹽度基本上恒定的流變性特征。本發(fā)明的又一方面是一種鉆井方法，該方法使用了一種包含下述二季銨陽離子功能化粘土的鉆井液。粘土/有機化合物組合物包括(a)蒙脫土和(b)一種或多種二季銨化合物。文檔編號C09K8/05GK101495594SQ200780027912公開日2009年7月29日申請日期2007年9月7日優(yōu)先權(quán)日2006年9月14日發(fā)明者戴維·迪諾,詹姆斯·麥克爾·福利申請人:伊萊門蒂斯專業(yè)有限公司