阅读说明：本技术 包含层状双氢氧化物作为流变改性剂并且包含氨基酰胺作为乳化剂的油基钻井流体组合物 (Oil-based drilling fluid composition comprising a layered double hydroxide as rheology modifier and an aminoamide as emulsifier ) 是由 木萨拉特·哈利玛·穆罕默德 休·克里斯托弗·格林威尔 安德鲁·怀廷 莫纳·艾尔巴塔尔 马诺哈 于 2018-08-10 设计创作，主要内容包括：本申请公开了钻井流体组合物、用于制备钻井流体的方法和用于利用钻井流体钻地下井的方法。根据一个实施例,一种钻井流体组合物可以包含油相、水相、乳化剂和流变改性剂。所述乳化剂可以包含氨基酰胺,并且所述流变改性剂可以包含层状双氢氧化物,例如肉豆蔻酸Mg/Al层状双氢氧化物。(Disclosed herein are drilling fluid compositions, methods for preparing drilling fluids, and methods for drilling subterranean wells with drilling fluids. According to one embodiment, a drilling fluid composition may include an oil phase, an aqueous phase, an emulsifier, and a rheology modifier. The emulsifier may comprise an aminoamide and the rheology modifier may comprise a layered double hydroxide, for example a Mg/Al layered double hydroxide of myristic acid.)

包含层状双氢氧化物作为流变改性剂并且包含氨基酰胺作为 乳化剂的油基钻井流体组合物

相关申请的交叉引用

本申请要求2017年8月15日提交的美国临时申请序列号62/545,500的权益，其通过引用并入本文。

技术领域

本公开的实施例总体上涉及在自然资源井中利用的材料和方法，并且更具体地涉及用于高压和高温钻井操作中的油基钻井流体。

缩写词

在整个本公开中，以下度量单位或其它缩写术语如下：

°＝度；

℃＝摄氏度；

°F＝华氏度；

％＝百分比；

Al＝铝；

cP＝厘泊；

Ex.＝实例；

FIG.＝图；

g＝克；

h＝小时；

G'＝储存模量；

G”＝损耗模量；

HTHP＝高温、高压；

mmol＝毫摩尔；

mg＝毫克；

Mg＝镁；

mL＝毫升；

MPa＝兆帕；

psi＝磅/平方英寸；

Pa·s＝帕秒；

s^-1＝秒的倒数；并且

wt.％＝重量百分比。

背景技术

用于钻新井眼以进行烃提取的钻井操作例如包含在钻井操作期间使钻井流体(可替代地被称为钻井泥浆)连续循环通过井眼的常规做法。钻井流体被泵入钻杆并到达井眼底部，然后钻井流体从井眼底部向上流过井眼壁和钻杆之间的环形空间，最后返回表面并流出井眼，在表面处回收钻井流体以进行二次处理。在钻井期间，钻井固体(例如，所钻探的地质层的一部分)可以被钻井流体从井眼底部处或附近携带到表面。在钻井流体返回表面后，可以对其进行机械或化学处理，以从钻井流体去除捕获的固体和钻屑，然后再通过井眼再循环回去。

发明内容

在一些钻井过程中，基于多种因素(例如，周围温度以及施加于钻井流体的物理应变)，钻井流体会经历相对广泛的环境。例如，施加在钻井流体上的应变可以基于钻井流体是处于循环状态或者可替代地处于停滞状态(例如，当钻井停止时)而不同。另外，钻井流体在井眼表面处或附近可能经历相对较低的温度(例如，近似于表面处的空气温度)，但是在地质层的更深处可能经历高压、高温(HPHT)环境条件。随着井眼深度的增加，井眼基部处的压力和温度可能会升高。HPHT条件的工业限定定义通常包含大于300℉(149℃)的井眼温度和大于10,000psi(68.9MPa)的井眼压力。

考虑到钻井流体的循环性质及其在钻井操作期间捕获固体和钻屑的功能，钻井流体在循环期间应以相对较低的粘度自由流动，以便于经济地泵送，同时具有足够的物质来保留和输送钻屑和其它固体，并使加重材料混悬，以在静态和循环条件下在井眼中保持均匀密度的泥浆柱。钻井流体还应具有足以在钻井流体的循环被停止的情况下使固体和钻屑混悬的凝胶强度，以防止固体在井眼底部积聚。固体积聚在井眼底部可能会导致钻头阻塞以及钻井流体流动路径的物理堵塞。

然而，开发可以在HPHT环境中操作的钻井流体具有挑战性。高温可能会对一些钻井流体产生不利影响，使无法承受高温的组分分解。另外，在高温下，一些钻井流体可能开始固化或经历粘度增加，这可能会阻碍循环。另外，适合于HPHT环境的钻井流体在非HPHT环境中(例如，在井眼的表面处和低深度部分处所经历的温度下)可能无法适当地操作。在这些相对较低的温度下，常规钻井流体在经历相对较少的应变时(例如，在钻井和流体循环停止时)以及在经历相对较大量的应变时(例如，在进行钻井时和循环钻井流体时)都可能具有相对较高的粘度。

因此，持续需要在HPHT条件下具有热稳定性同时在相对较低的温度(例如，在表面温度相对较低时所经历的那些(例如，在0℃或低于0℃，例如在北极))下提供合适的流变性质的钻井流体。例如，与一些常规钻井流体相比，理想的钻井流体(例如，当前描述的那些)在0℃的温度下针对不同的施加剪切应力可以具有较小的粘度。因此，当前描述的钻井流体可能需要较少的能量来循环，同时在停止钻井时具有可接受的固体保持性质。不受理论的束缚，据信特定流变改性剂、乳化剂或两者的并入可以有助于当前公开的钻井流体的期望流变性质。具体地，加入层状双氢氧化物作为流变改性剂、并入氨基酰胺作为乳化剂或并入两者都可以促进钻井流体的流变性质，这有利于特定环境中(例如，在冻结表面温度或近似冻结表面温度下在井眼底部存在HPHT环境的位置)的钻井。

根据一个或多个实施例，一种油基钻井流体组合物可以包括基础油、水、流变改性剂、乳化剂以及选自润湿剂、流体损耗控制添加剂和加重添加剂的一种或多种添加剂。基础油可以在油相中，并且水可以在水相中。流变改性剂可以包括层状双氢氧化物。乳化剂可以包括具有式R-CO-NH-R'-NH-R”-NH₂的氨基酰胺。

根据另一个实施例，可以通过一种方法来制备油基钻井流体组合物，所述方法包括混合基础油、含水组分、乳化剂和流变改性剂以形成油基钻井流体组合物。油基钻井流体组合物可以包括油相和水相，所述油相包括基础油，并且所述水相包括水。流变改性剂可以包括层状双氢氧化物。乳化剂可以包括具有式R-CO-NH-R'-NH-R”-NH₂的氨基酰胺。

根据又一个实施例，可以通过一种方法来钻地下井，所述方法包括：提供油基钻井流体组合物，并且在油基钻井流体组合物的存在下，在井眼中操作钻头。油基钻井流体组合物可以包括油相中的基础油、水相中的水、流变改性剂、乳化剂以及选自润湿剂、流体损耗控制添加剂和加重添加剂的一种或多种添加剂。流变改性剂可以包括层状双氢氧化物。乳化剂可以包括具有式R-CO-NH-R'-NH-R”-NH₂的氨基酰胺。

所描述的实施例的另外的特征和优点将在下面的详细描述中阐述，并且根据所述描述，其对于本领域技术人员而言将是显而易见的，或者其通过实践所描述的实施例(包含下面的详细描述和权利要求)而被认识到。

附图说明

当结合以下附图阅读时，可以理解说明性实施例的以下详细描述。

图1是根据当前公开的一个或多个实施例的描绘了各种测试的钻井流体的粘度在0℃和50℃下随剪切速率的变化的图。

图2是根据当前公开的一个或多个实施例的描绘了各种测试的钻井流体的储存模量(G')和损耗模量(G”)在50℃下随应变百分比的变化的图。

图3是根据当前公开的一个或多个实施例的描绘了各种测试的钻井流体的相角在50℃下随应变百分比的变化的图。

具体实施方式

本公开的实施例涉及用于油基钻井流体的乳化剂和流变改性剂，并且另外涉及并入所公开的乳化剂和流变改性剂的油基钻井流体组合物。油基钻井流体是连续油相、水相和至少一种乳化剂的组合。乳化剂可以包括氨基酰胺，例如具有式R-CO-NH-R'-NH-R”-NH₂的乳化剂。流变改性剂可以包含层状双氢氧化物，例如肉豆蔻酸Mg/Al层状双氢氧化物。为了方便起见，在整个本公开中，具有式R-CO-NH-R'-NH-R”-NH₂的氨基酰胺乳化剂可替代地也被称为“式1”乳化剂。

为了钻地下井，将包含钻头和用以对钻头加重的钻铤的钻柱插入到预先钻好的孔中并旋转，以使钻头切入孔底部的岩石。钻孔操作会产生岩石碎片。为了从井眼底部去除岩石碎片，将钻井流体(例如，油基钻井流体组合物)向下泵送通过钻柱到达钻头。钻井流体冷却钻头，提供润滑，并将岩石碎片(被称为钻屑)从钻头托离。随着钻井流体再循环回到表面，钻井流体向上携带钻屑。在表面处，通过二次操作从钻井流体去除钻屑，并且钻井流体可以沿钻柱向下再循环回井眼底部，以收集更多的钻屑。本领域技术人员将理解，可以使用本领域技术人员熟悉的多个术语来描述同一项目。例如，地下井可以可替代地被称为井或井眼，并且单个术语的使用也旨在涵盖每个相关术语。

钻井流体包含钻井泥浆、封隔液、混悬液和完井液。通常，钻井流体具有多种功能，其中不同类型专门用于特定功能。在一个或多个实施例中，油基钻井流体组合物使钻屑混悬，并且加重材料将钻屑连同油基钻井流体组合物一起输送到井眼表面。另外，油基钻井流体组合物可以吸收井眼中的气体，例如二氧化碳(CO₂)、硫化氢(H₂S)和甲烷(CH₄)，并将它们输送到井眼表面以释放、封存或燃尽。油基钻井流体组合物可以另外地为钻柱提供浮力，从而随着井眼长度的增加而减轻钻柱上的张力。在一个或多个实施例中，油基钻井流体组合物还提供冷却和润滑功能，以用于冷却和润滑在钻孔操作中使用的钻头和钻柱。在其它实施例中，油基钻井流体组合物还控制表面下压力。具体地，油基钻井流体组合物可以在井眼中提供静水压力，以为井眼的侧壁提供支撑，并防止侧壁崩塌和塌陷在钻柱上。另外，油基钻井流体组合物可以在井眼中提供静水压力，以防止井下地层中的流体在钻井操作期间流入井眼。

在某些极端的井下条件下(例如，过高温度或复杂地层)，钻井流体的一些性质可能会发生变化。例如，钻井流体与具有膨胀或可分散粘土或两者的地层的相互作用，或钻井流体经受极端的井下温度可能导致钻井流体增稠或稀释，粘度过度增加或降低，或这些的任意组合。例如，在高压和高温(HPHT)操作中使用的钻井流体可能会经历大于300℉(大约149℃)的井眼温度和大于10,000psi(大约68.9MPa)的井眼压力，这是HPHT条件的工业限定定义。在HPHT条件下，常规钻井流体可能会分解或经历流变学方面的不良变化。在另外的实施例中，即使在不期望的井下条件下(例如，气体涌入，其可能稀释钻井流体或化学地使钻井流体不稳定，或蒸发岩地层，其可能使钻井流体不稳定)，当前公开的钻井流体可以如期地表现。

调配了油基钻井流体组合物的实施例以提供改善的流变性。具体地，油基钻井流体组合物可以被调配成包括与常规HPHT油基钻井流体相比相似或更大的低剪切速率下的粘度，更小或相似的高剪切速率下的粘度，或两者(与常规HPHT油基钻井流体相比)。较大的低剪切速率下的粘度使油基钻井流体组合物在停止钻井操作时能有效地保持钻屑。相反，较小的高剪切速率下的粘度使得在钻井操作期间循环油基钻井流体组合物所需的动力较小。如当前所述，低剪切速率可以描述例如小于或等于10s^-1的剪切速率，而高剪切速率可以描述例如大于或等于100s^-1的剪切速率。

在一个或多个实施例中，油相包含基础油。油基钻井流体的油相可以包含合成油或天然石油产品作为基础油。天然石油衍生产品可以包含油，例如柴油或矿物油。合成油可以包括酯或烯烃。此外，合成油或天然石油产品可以由烃构成，例如正链烷烃、异链烷烃、环烷烃、支链烷烃或其混合物。例如，基础油可以包括C8到C26直链或支链饱和烷基烃，例如可从Shell商购的Saraline 185V中所找到。另外的基础油可以包含但不限于可购自Total的DF-1和EDC99-DW和可购自Exxon Mobil的Escaid 110。另外的合适的基础油可以包含矿物油、链烷烃或柴油中的一种或多种。在各个实施例中，油基钻井流体组合物可以包含以油基钻井流体组合物的总重量计5wt.％到45wt.％(例如，5wt.％到30wt.％、5wt.％到20wt.％、5wt.％到15wt.％、5wt.％到10wt.％、10wt.％到45wt.％、15wt.％到45wt.％、20wt.％到45wt.％、30wt.％到45wt.％、5wt.％到25wt.％或10wt.％到20wt.％)基础油。

油基钻井流体的水相可以包含水和盐源。在一个或多个实施例中，水包含以下中的一种或多种：去离子水、自来水、蒸馏水或淡水；或天然、微咸和饱和盐水；天然、盐丘、烃地层产生或合成的盐水；过滤或未处理的海水；矿泉水；和含有一种或多种溶解盐、矿物质或有机物质的其它饮用水和非饮用水。在一些实施例中，水相可以包括例如由水和盐构成的盐水，所述盐选自氯化钙、溴化钙、氯化钠、溴化钠及其组合中的一种或多种。油基钻井流体可以含有以油基钻井流体的总重量计2wt.％到10wt.％水相。在各个实施例中，油基钻井流体组合物可以具有以油基钻井流体组合物的总重量计2wt.％到12wt.％(例如，4wt.％到10wt.％、2wt.％到8wt.％、2wt.％到6wt.％、2wt.％到5wt.％、3wt.％到10wt.％、3wt.％到8wt.％、3wt.％到6wt.％、4wt.％到10wt.％、4wt.％到8wt.％、4wt.％到6wt.％或4wt.％到5wt.％)水相。在一些实施例中，油基钻井流体的油水体积比可以例如为50:50到95:5、75:20到95:5、85:15到95:5或90:10到95:5。油基钻井流体组合物的油水比是体积比，其被计算为：油:水＝基础油+表面活性剂+乳化剂+润湿剂+层状双氢氧化物的油部分:水+盐水的水部分。作为一个实例但不限于此，其中盐水可以是X％水(体积)，盐水体积的X％作为水体积包含。

油基钻井流体包含至少一种乳化剂。乳化剂可以有助于在油基钻井流体组合物的油相内形成油基钻井流体组合物的水相的乳液。油基钻井流体组合物中包含乳化剂可以有助于防止油相和水相分离。

在一个或多个实施例中，乳化剂包括氨基酰胺。氨基酰胺可以是包括氨基功能性(-NH₂)和酰胺功能性的任何分子。在一些实施例中，氨基酰胺可以包括化学结构1中描绘的结构。

化学结构1的氨基酰胺可以被称为“式1乳化剂”或包括式R-CO-NH-R'-NH-R”-NH₂的分子。

在一个或多个实施例中，钻井流体组合物中的式1乳化剂的量以钻井流体组合物的总重量计可以为0.05重量百分比(wt.％)到5wt.％、0.1wt.％到2wt.％、0.1wt.％到1.5wt.％、0.1wt.％到1wt.％、0.5wt.％到2.5wt.％、0.5wt.％到2wt.％、0.5wt.％到1.5wt.％、0.5wt.％到1wt.％、0.75wt.％到2.5wt.％、0.75wt.％到2wt.％、0.75wt.％到1.5wt.％、0.75wt.％到1wt.％、0.8wt.％到1.1wt.％、0.8wt.％到1wt.％或0.9wt.％到1.1wt.％。油基钻井流体可以包含另外的乳化剂。另外的示例性乳化剂包含合成基钻井流体体系的脂肪酸、反相乳化剂和油润湿剂，例如可从Halliburton Energy Services,Inc.商购的LE SUPERMUL^TM和可从M-I SWACO商购的MUL XT。LE SUPERMUL^TM是羧酸封端的聚酰胺。

在一个或多个实施例中，包含式1乳化剂和另外的乳化剂的钻井流体组合物中的乳化剂的总量以钻井流体组合物的总重量计可以为0.05wt.％到5wt.％、0.1wt.％到2.5wt.％、0.1wt.％到1.5wt.％、0.1wt.％到1wt.％、0.5wt.％到2.5wt.％、0.5wt.％到2wt.％、0.5wt.％到1.5wt.％、0.5wt.％到1wt.％、0.75wt.％到2.5wt.％、0.75wt.％到2wt.％、0.75wt.％到1.5wt.％、0.75wt.％到1wt.％、0.8wt.％到1.1wt.％、0.8wt.％到1wt.％或0.9wt.％到1.1wt.％()。

在一个或多个实施例中，包括式R-CO-NH-R'-NH-R”-NH₂的氨基酰胺中的R基团包括烃基。如所描述，“烃基”是指通过从烃去除一个或多个氢原子(即从在一个点处连接到主链结构的基团(例如，R)去除一个氢，从在两个点处连接到主链结构的基团(例如，R'和R”)去除两个氢等等而形成的基团。例如，R基团可以是直链或支链烃基，包括烷烃、烯烃、炔烃、芳族、环状萜烯和脂环族功能基团中的一种或多种。在一个或多个实施例中，R基团可以是包含1到100个碳原子(诸如例如1到50个碳原子、1到25个碳原子、10到25个碳原子、15到20个碳原子或16到18个碳原子的直链脂族烷基。例如，在一个实施例中，R基团可以是-C₁₇H₃₅。在另一个实施例中，R基团可以是直链不饱和烃基，包括包含1到100个碳原子(诸如例如1到50个碳原子、1到25个碳原子、10到25个碳原子、15到20个碳原子或16到18个碳原子的烯烃基团。例如，RE基团可以是-C₇H₁₄CHCHC₈H₁₇。

在一个或多个实施例中，R'基团、R”基团或两者可以包括直链烃基，例如烷基或烯基。R'基团、R”基团或两者可以包含1到20个碳分子，例如1到10个碳原子、1到5个碳原子或1到3个碳原子。例如，R'基团、R”基团或两者都可以包括双碳烷基(即-CH₂CH₂-)。

根据一个实施例，式1乳化剂可具有-C₁₇H₃₅的R基团和-CH₂CH₂-的R'和R”基团。此实施例被描绘为化学结构2。

在实施例中，油基钻井流体组合物包含流变改性剂。例如，流变改性剂可以是增粘剂，以将非牛顿流体流变学赋予油基钻井流体组合物，以促进将岩屑托载和运送到井眼表面。在一个或多个实施例中，油基钻井流体可以包含层状双氢氧化物(例如，肉豆蔻酸Mg/Al层状双氢氧化物)作为流变改性剂。如本公开中所使用，层状双氢氧化物是指具有通用层序列[ACBZADB]_n的离子固体材料，其中C和D层代表金属阳离子，A和B层代表氢氧根阴离子层，Z代表另一种离子层，并且n代表结构中重复单元的数量。根据一个或多个实施例，C和D层可以包含不同的金属阳离子。例如，C层可以包含镁阳离子，例如二价镁阳离子，并且D层可以包含铝阳离子，例如三价铝阳离子。然而，在本公开中考虑了其它金属阳离子，例如可以形成阳离子的任何金属。例如但不限于，在层状双氢氧化物中可以包含Li、Zn、Co、Ni、Ca、Fe或Ga的阳离子。Z层可以包含肉豆蔻酸盐，其是肉豆蔻酸的盐或酯。肉豆蔻酸具有通式(CH₃)(CH₂)₁₂COOH，并且包含在层状双氢氧化物中的肉豆蔻酸根离子可以具有通式(CH₃)(CH₂)₁₂COO^-。根据一个或多个实施例，所述层状双氢氧化物具有下式：

[C_1-xD_x(OH)₂]^Y+(OOC(CH₂)₁₂CH₃)^Y-

其中x为0.1到0.33，并且Y代表金属阳离子和肉豆蔻酸根阴离子的离子电荷。

根据一个或多个实施例，可以通过一种工艺来制造层状双氢氧化物，所述工艺包括在水中混合阳离子盐和肉豆蔻酸盐，随后在高温(例如，至少100℃，至少125℃或150℃或更高温度(例如，100℃到200℃))下对混合物进行水热处理，持续4小时到一周(例如，6小时到48小时)。在通过水热处理进行反应后，可以通过将反应产物分散在溶剂(例如，丙酮)中并任选地在室温下搅拌至少1分钟(例如，15分钟到45分钟)来将双层状氢氧化物与其它物质分离。在丙酮处理后，可以通过在烘箱中加热到高温然后用热水洗涤来回收双层状氢氧化物。

在一个或多个实施例中，双层状氢氧化物可以包括镁和铝，并且镁与铝的摩尔比可以为0.5到10，例如1到5。在另外的实施例中，肉豆蔻酸根与总金属阳离子的摩尔比可以为1到3，例如1到2或1.5。根据一个或多个实施例，可以通过利用Mg(NO₃)₂·6H₂O、Al(NO₃)₃·9H₂O、尿素和肉豆蔻酸钠的前体材料来制备层状双氢氧化物。

根据实施例，层状双氢氧化物可以是油基钻井流体中包含的唯一流变改性剂，或者可替代地，其它流变改性剂可以包含在油基钻井流体中。另外的增粘剂的实例可以包含但不限于海泡石、聚酰胺、二聚或三聚脂肪酸或这些增粘剂的组合。在一些实施例中，油基钻井流体组合物可以任选地包含亲有机锂蒙脱石粘土，例如可从MI-SWACO，休斯顿，德克萨斯州商购的VERSAGEL HT，或亲有机粘土，例如可从Elements Specialties Inc，海思镇(Highstown)，新泽西州商购的42。

示例性油基钻井流体组合物可以包含0.1wt.％到0.8wt.％流变改性剂(以油基钻井流体组合物的总重量计)。在一些实施例中，油基钻井流体组合物可以包含0.1wt.％到0.7wt.％层状双氢氧化物，例如肉豆蔻酸Mg/Al层状双氢氧化物。例如，油基钻井流体的至少0.1wt.％、至少0.2wt.％、至少0.3wt.％、至少0.4wt.％、至少0.5wt.％、至少0.6wt.％、至少0.7wt.％或至少0.8wt.％可以为流变改性剂。

油基钻井流体组合物还包含一种或多种添加剂。示例性添加剂包含但不限于润湿剂、流体损耗控制添加剂和加重添加剂。油基钻井流体组合物还可以任选地包含碱度调节剂、电解质、二醇、甘油、分散助剂、腐蚀抑制剂、消泡剂和其它添加剂或添加剂的组合。

在实施例中，油基钻井流体组合物可以包含加重添加剂以增加油基钻井流体的重量、密度或两者。加重添加剂可以用于控制地层压力并帮助抵抗应力区可能遇到的页岩坍塌或坍崩的影响。比水更稠密并且不会不利地影响钻井流体的其它性质的任何物质都可以用作加重材料。在一些实施例中，加重材料可以是具有一定比重(SG)的颗粒状固体，所述比重足以在不加入过量加重材料的情况下将钻井流体组合物的密度增加一定量，使得钻井流体组合物不能循环通过井眼。加重材料的比重(SG)可以为2克/立方厘米(g/cm³)到6g/cm³。重量调节或密度调节剂的实例包含重晶石(BaSO₄)、方铅矿(PbS)、赤铁矿(Fe₂O₃)、磁铁矿(Fe₃O₄)、人造氧化铁、钛铁矿(FeO·TiO₂)、菱铁矿(FeCO₃)、天青石(SrSO₄)、白云石(CaCO₃·MgCO₃)和方解石(CaCO₃)。

油基钻井流体组合物可以包含一定量的加重添加剂，其足以增加钻井流体组合物的密度，以允许钻井流体组合物支撑井眼并防止井下地层中的流体流入井眼。在实施例中，油基钻井流体组合物可以包含以油基钻井流体组合物的总重量计1wt.％到80wt.％加重添加剂。在一些实施例中，油基钻井流体组合物可以包含以油基钻井流体组合物的总重量计1wt.％到90wt.％、20wt.％到80wt.％、20wt.％到75wt.％、50wt.％到80wt.％、50wt.％到75wt.％、60wt.％到80wt.％、60wt.％到75wt.％、65wt.％到80wt.％或70wt.％到80wt.％加重添加剂。在一些实施例中，油基钻井流体组合物可以包含以油基钻井流体组合物的总重量计50wt.％到90wt.％加重添加剂。

油基钻井流体组合物可以任选地包含至少一种碱度调节剂。在实施例中，油基钻井流体组合物可以任选地包含至少一种碱性化合物以调节油基钻井流体组合物的pH。碱性化合物的实例可以包含但不限于石灰(氢氧化钙或氧化钙)、苏打灰(碳酸钠)、氢氧化钠、氢氧化钾、其它强碱或这些碱性化合物的组合。应当指出，pK_a大于约13的酸的共轭碱被认为是强碱。碱性化合物可以与钻井流体组合物在钻井操作期间遇到的气体(例如，CO₂或H₂S)反应，以防止气体水解水基钻井流体组合物的组分。一些示例性水基钻井流体组合物可以任选地包含0.1wt.％到3wt.％、0.4wt.％到2wt.％或0.6wt.％到0.8wt.％石灰。

在一个或多个实施例中，可以加入表面活性剂(例如，润湿剂)以增强油基钻井流体组合物中的混悬液或乳液的稳定性。合适的润湿剂可以包含脂肪酸、有机磷酸酯、改性的咪唑啉、酰胺基胺、烷基芳族硫酸盐和磺酸盐。例如，可从M-I SWACO，休斯敦，德克萨斯州商购的是一种油基润湿剂和次级乳化剂，其可以用于润湿细料和钻探固体以防止固体被水润湿。此外，可以改善井眼流体的热稳定性、流变稳定性、过滤控制、乳液稳定性。可从M-I LLC，休斯敦，德克萨斯州商购的是另一种润湿剂，其在难以润湿的赤铁矿体系中尤其有效。示例性油基钻井流体组合物可以任选地包含以油基钻井流体组合物的总重量计0.1wt.％到2wt.％润湿剂。在一些实施例中，油基钻井流体组合物可以任选地包含0.25wt.％到0.75wt.％每种(以油基钻井流体组合物的总重量计)。在不脱离本主题的范围的情况下，油基钻井流体组合物可以任选地包含其它合适的润湿剂。

在一个或多个实施例中，可以将流体损耗控制添加剂加入到油基钻井流体组合物中以减少从油基钻井流体组合物损耗到表面下地层中的滤液的量。流体损耗控制添加剂的实例包含亲有机(例如，胺处理)褐煤、膨润土、人造聚合物以及稀释剂或抗絮凝剂。当使用流体损耗控制添加剂时，它们以钻井流体的总重量计可以占油基钻井流体组合物的0.5wt.％到3wt.％。在各个实施例中，流体损耗控制添加剂以钻井流体的总重量计可以占油基钻井流体组合物的0.5wt.％到1.5wt.％、0.5wt.％到1.25wt.％、0.75wt.％到2wt.％、0.75wt.％到1.5wt.％、0.75wt.％到1.25wt.％、1wt.％到2wt.％、1wt.％到1.5wt.％或1wt.％到1.25wt.％。示例性流体损耗控制添加剂包含VERSATROL^TM、VERSALIG^TM、ECOTROL^TMRD、ONETROL^TM HT、EMI 789和NOVATECH^TM F(所有均可从MI SWACO，休斯顿，德克萨斯州商购)以及(可从Halliburton Energy Services,Inc.商购)。在一些实施例中，油基钻井流体组合物可以任选地分别包含约10:1重量比的ONETROL^TM HT和ECOTROL^TM RD。

可以将任选的混悬剂加入到油基钻井流体组合物中以调节油基钻井流体组合物的粘度，以具有足以混悬所有钻井流体组分的低剪切速率下的屈服点，由此可以避免油基钻井流体组合物的组分的沉降。混悬剂的实例包含脂肪酸和纤维材料。当使用混悬剂时，它们以钻井流体的总重量计可以占油基钻井流体组合物的约0.0wt.％到约1.0wt.％或0.01到0.5wt.％。

根据一个或多个实施例，在低速钻井期间或在钻井操作之间保持固体和钻屑在油基钻井流体组合物中的混悬，较小剪切速率下的高于阈值的粘度是有利的。在一个或多个实施例中，油基钻井流体在大气压下于50℃或0℃下测量的剪切速率为10.22s^-1时的粘度为至少385cP、至少1000cP或甚至至少1850cP。

根据一个或多个实施例，较大剪切速率下的低于阈值的粘度期间允许油基钻井流体组合物循环而不需要过多的能量是有利的。在一个或多个实施例中，油基钻井流体在大气压下于50℃或0℃下测量的剪切速率为170s^-1时的粘度小于或等于222cP、小于或等于175cP或甚至小于或等于128cP。

前面已经描述了根据各个实施例的油基钻井流体组合物，现在将描述用于制备油基钻井流体组合物的说明性方法。用于制备油基钻井流体的方法可以包含混合基础油、至少一种乳化剂和至少一种润湿剂以形成第一混合物，其中至少一种乳化剂包括氨基酰胺，所述氨基酰胺包括式R-CO-NH-R'-NH-R”-NH₂。可以加入第一混合物的成分以提供先前关于油基钻井流体组合物的实施例所描述的量。用于制备油基钻井流体组合物的方法可以任选地包含将至少一种流变改性剂(例如，肉豆蔻酸Mg/Al层状双氢氧化物)和碱度调节剂混合到第一混合物中以形成第二混合物。同样，可以加入第二混合物的成分以提供先前关于油基钻井流体组合物的实施例所描述的量。用于制备油基钻井流体组合物的方法可以任选地包含将至少一种流体损耗控制添加剂混合到第二混合物中以形成第三混合物。同样，可以加入第三混合物的成分以提供先前关于油基钻井流体组合物的实施例所描述的量。用于制备油基钻井流体组合物的方法可以进一步包含将盐水溶液混合到第一混合物或第三混合物中以形成第四混合物。可以加入第四混合物的成分以提供先前关于油基钻井流体组合物的实施例所描述的量。用于制备油基钻井流体组合物的方法可以进一步包含将加重添加剂混合到第四混合物中以形成油基钻井流体组合物。可以加入油基钻井流体组合物的成分以提供先前关于油基钻井流体组合物的实施例所描述的量。

先前所述的油基钻井流体组合物可能非常适用于地下地层的钻井操作，特别适用于在井眼压力大于10,000psi并且井眼温度大于300℉(149℃)的HPHT条件下进行的钻井操作。因此，用于在高压高温条件下在地下井中钻井的方法的实施例可以包含提供根据本说明书中描述的任何实施例的油基钻井流体组合物。用于在高压高温条件下在地下井中钻井的方法包括在油基钻井流体组合物的存在下，在井眼中操作钻头。

实例

以下实例示出了本公开的一个或多个另外的特征。应当理解，这些实例并不旨在以任何方式限制本公开或所附权利要求的范围。

通过将硬脂酸(0.28g，1mmol)、硼酸(3.09mg，0.05mmol)和甲苯(3ml)加入到装有Dean-Stark分水器的烧瓶(回流冷凝器配于其上)中来合成化学结构2的乳化剂。在搅拌下将二亚乙基三胺(0.11g，1.1mmol)加入到反应混合物中。将反应混合物加热回流过夜(至少14小时)。使混合物冷却至室温，然后在搅拌下倒入己烷中，导致固体立即析出，将固体滤出并用己烷洗涤，以得到根据本公开的实施例的包括式R-CO-NH-R'-NH-R”-NH₂的所需氨基酰胺乳化剂。

产生了肉豆蔻酸Mg/Al层状双氢氧化物。Mg(NO₃)₂·6H₂O、Al(NO₃)₃·9H₂O、尿素和肉豆蔻酸钠作为起始材料购自Sigma Aldrich，无需进一步纯化即可使用。在整个合成过程中均使用了由水纯化系统处理的纯净水，并且通过在75℃下加热将水脱碳酸盐以避免任何CO₂污染。为了形成层状双氢氧化物，将11.596g Mg(NO₃)₂·6H₂O、8.35g Al(NO₃)₃·9H₂O和12.16g的尿素置于衬有特氟龙的1000mL高压釜中。Mg/Al的摩尔比为2，并且尿素与金属的摩尔比为3。向本混合物中加入25.34g肉豆蔻酸钠和500mL热脱碳酸盐水，以形成具有肉豆蔻酸盐/金属的摩尔比为1.5的混合物。将得到的反应混合物在150℃下水热处理24小时。在反应后，将全部产物分散在丙酮中并在室温下搅拌30分钟。通过用大量的热脱碳酸盐水洗涤，然后在烘箱中于75℃下加热24小时来回收产物。此外，通过将Mg/Al摩尔比从1更改为5，将加热温度从100℃更改为200℃)，并且将反应时间从6小时更改为48小时来制备肉豆蔻酸Mg/Al层状双氢氧化物。

为了将含有化学结构2的乳化剂和肉豆蔻酸Mg/Al层状双氢氧化物流变改性剂的钻井流体的物理和流变性质与含有工业标准乳化剂和流变改性剂的钻井流体的物理和流变性质进行比较，制备了两种钻井流体。两种钻井流体均基于M-I SWACO RHADIANT^TM系统，所述系统包含专为油基流体调配物定制的专有乳化剂、润湿剂和流体损耗控制添加剂的共混物。具体地，使用作为乳化剂并且使用VERSAGEL HT和Bentone 42作为流变改性剂来制备比较钻井流体(比较例A)。通过用化学结构2的乳化剂代替并用肉豆蔻酸Mg/Al层状双氢氧化物代替VERSAGEL HT和Bentone 42来制备第二钻井流体(实例1)。应当注意的是，实例1中的总乳化剂的量少于比较例A中的总乳化剂的量，而实例1中的流变改性剂的总量少于比较例A中的流变改性剂的总量。因此，实例1将具有比比较例A更好的环境特性。

比较例A和实例1钻井流体使用以下成分调配：Saraline 185V，一种合成油钻井基础液，可购自Shell；一种酰胺基胺表面活性剂，可购自M-I SWACO,LLC(休斯顿，德克萨斯州，美国)；一种润湿剂，可购自M-I SWACO,LLC(休斯顿，德克萨斯州，美国)；MUL XT，一种用于非水流体体系的乳化剂，可购自M-I SWACO,LLC(休斯顿，德克萨斯州，美国)；VERSAGEL HT，一种用于有助于过滤控制的锂蒙脱石粘土增粘剂，可购自M-I SWACO,LLC(休斯顿，德克萨斯州，美国)；Bentone 42，一种锂蒙脱石有机粘土增粘剂，可购自Elementis Specialties,Inc.(东温莎，新泽西州)；ONE-TROL^TM HT，一种被设计用于油和合成基钻井流体体系的胺处理单宁过滤控制添加剂，可购自M-I SWACO,LLC(休斯顿，德克萨斯州，美国)；ECOTROL RD，一种被设计用于油和合成基钻井流体体系的过滤控制添加剂，可购自M-I SWACO,LLC(休斯顿，德克萨斯州，美国)；和重晶石(BaSO₄)加重添加剂，可购自M-I SWACO,LLC(休斯顿，德克萨斯州，美国)。另外，使用了石灰，其在20℃下的比重为2.24，堆积密度为400kg/m³；CaCl₂盐水可购自Schlumberger；并且包含淡水。

使用磁力搅拌棒分别制备30.88g和25.27g的比较例A和实例1钻井流体。在表1中提供了比较例A和实例1的钻井流体的调配物。为了制备钻井流体，在阶段1期间首先将基础油、乳化剂和润湿剂混合在一起10分钟。具体地，将加入到比较例A中作为乳化剂，并且将式1乳化剂加入到实例1中作为乳化剂。然后，在阶段2期间加入流变改性剂并再混合20分钟，其中在实例1中使用肉豆蔻酸Mg/Al层状双氢氧化物(但在比较例A中未使用)。接下来，在阶段3中，加入流体损耗控制添加剂并混合20分钟，随后在阶段4中加入盐水和淡水并且在阶段5中加入重晶石，分别混合30分钟和40分钟。比较例A和实例1的所使用的基础油的量和重晶石的wt.％略有不同，以使比较例A和实例1的比重为2.20，油/水比为90.0。应当注意的是，在实例中，油:水比不包含层状双氢氧化物的油部分。

表1：HPHT油基钻井流体的调配和混合程序

在混合17小时后，将比较例A和实例1钻井流体静置，然后在流变测量之前检查其流挂和流体分离。目视检查流体分离和流挂。具体地，进行了固体和液体目视分离的检查。还可以通过将微型刮铲插入泥浆中以检查泥浆从上到下的质地是否相同(主观上是硬还是软)以及是否存在固体的分离和沉降，使得固体不再在整个钻井流体中均匀分布，来检查流挂。如果存在流挂现象(如固体的分离和沉降所证明)，则泥浆在静置钻井流体的容器的顶部将会显得较软，而在底部会显得较硬。如所描述，流挂是指固体以增加的密度沉降的情况，例如较重的材料(例如，重晶石)移至底部的情况，并且可能需要剧烈混合以将固体分散回到溶液中。流体分离是指在顶部分离出流体，但成分的内容物保持分散，而没有重质固体与其余组分分离并沉降在底部。

使用应力和应变控制流变仪(TA Instrument，纽卡斯尔，特拉华州的DiscoverHybrid Rheometer)测试了钻井流体的粘度。流变仪中使用的几何形状是25mm粗糙的不锈钢平行板。选择这种几何形状是因为样品中存在颗粒状重晶石。不锈钢板之间的间隙设定为300μm。在大气压力下于0℃和50℃下执行随剪切速率(0.004到2000s^-1)变化的粘度测量。当不施加力时，比较例A和实例1钻井流体凝胶化并且强度足以保持钻井固体和加重材料(例如，重晶石)。另外，剪切速率实验提供了有用的流体粘度信息以及流体是否具有零剪切或剪切稀释。剪切速率实验还表明钻井流体变形的剪切速率。

图1描绘了测试样品的粘度在0℃和50℃下随剪切速率的变化。另外，从流变学测量选择的结果示出于图1中

表2：HPHT油基钻井流体流变学

参考图1和表2，比较例A和实例1均表现出剪切稀释行为，与它们的调配物和测试温度无关。然而，在50℃下，与相同温度和剪切速率下的比较例A相比，实例1具有更大的相对较低剪切速率(例如，10.22s^-1)下的粘度，因此使的实例1钻井流体在固定的同时能够更好地保持固体(与50℃下的比较例A钻井流体相比)。然而，在50℃下，实例1具有更大的剪切速率为170s^-1的粘度，这意味着在流体循环期间将需要另外的能量。实例1和比较例A在50℃下的相对粘度表明，当与比较例A相比时，实例1由于具有更大的低剪切速率下的粘度而将在固定的同时更好地保持固体，但由于具有更大的高剪切速率下的粘度而将在钻井流体循环期间需要更多的动力。因此，如果需要增加粘度以在停滞期间保持固体，则实例1钻井流体可能优于比较例A钻井流体。

如图1和表2中所示，实例1钻井流体在0℃下的10.22s^-1下的粘度比比较例A钻井流体相更小，并且在0℃下的170s^-1下的粘度也比比较例A钻井流体相更小。因此，尽管与比较例A相比，实例1在钻井停滞期间的凝胶强度会稍低，但是实例1钻井流体在0℃下循环所需的能量将更少。因此，实例1钻井流体在0℃下可能优于比较例A钻井流体，只要实例1钻井流体的粘度对于在停滞期间保持固体是可接受的。

另外，实例1钻井流体表现出易碎凝胶的特性，使得一旦去除应力，它们就会胶凝化。这与以下有关，即一旦停止钻井，钻井流体将会胶凝化，使得钻井流体将有效地支撑钻屑。

表3：油基钻井流体：变形和流体分离时的应变％

实例1和比较例A均未表现出流挂，并且在制备后静置17小时后仅表现出痕量分离或无分离。如表3和图2-3中所示，实例1和比较例A在50℃下都以大约相同的应变变形，因此两者将需要相似的动力来启动钻井。

在图2中描绘了储存模量(G')和损耗模量(G”)在50℃下随应变％的变化。另外，在图3中描绘了相角在50℃下随应变％的变化。实例1的储存模量(G')大于损耗模量(G”)，表明它具有类似于比较例A的固体状性质。比较例A的G'和G”值都比比较例A大，但是它在50℃下以稍大的应变变形，并且因此在启动钻井时不需要过多的动力，但在循环期间将需要更大的动力，因为它由于向液态变形时会承受更大的应变/剪切而保持为半液态的时间更长，因此需要更多动力。与比较例A钻井流体类似，实例1钻井流体的相角在较小应变下表现出类似于固体的行为，而较大应变下表现为液体行为。在实例1钻井流体在50℃下开始表现得类似于液体之前，需要较大的应变。

另外，考虑了盐水量减少的钻井流体可能具有降低的粘度，因为在制备钻井流体期间观察到，在加入盐水后粘度增加。考虑了减少盐水或使用另一种盐水(例如，NaCl)可能降低粘度。

应当注意的是，实例1中使用的乳化剂的总量少于比较例A。因此考虑了实例1钻井流体可能比比较例A钻井流体更环保。

应当理解，分配给某一性质的任何两个定量值可以构成所述性质的范围，并且在本公开中考虑了由给定性质的所有所述定量值形成的范围的所有组合。应当理解的是，在一些实施例中，组合物或调配物中的化学成分的组成范围应当被理解为含有所述成分的异构体的混合物。应当理解的是，实例提供了各种组合物的组成范围，并且特定化学组合物的异构体的总量可以构成一个范围。

应当注意，以下权利要求中的一项或多项使用术语“其中”作为过渡短语。为了限定本技术的目的，应当注意，本术语在权利要求书中作为开放式过渡短语引入，其用于引入对结构的一系列特性的叙述，并且应以类似的方式被解释为更常用的开放式序言术语“包括”。

应当理解，分配给某一性质的任何两个定量值可以构成所述性质的范围，并且在本文中考虑了由给定性质的所有所述定量值形成的范围的所有组合。

对于本领域技术人员显而易见的是，可以在不脱离所要求保护的主题的精神和范围的情况下对所描述的实施例进行各种修改。因此，本说明书旨在覆盖所描述的各个实施例的修改和变型，只要此些修改和变型在所附权利要求及其等同的范围内。

当前描述的主题可以包含一个或多个方面，不应将其视为对本公开的教导的限制。第一方面可以包含油基钻井流体组合物，其包括：油相中的基础油；水相中的水；包括层状双氢氧化物的流变改性剂；包括式R-CO-NH-R'-NH-R”-NH₂的乳化剂；和选自润湿剂、流体损耗控制添加剂和加重添加剂的一种或多种添加剂。

第二方面可以包含一种用于制备油基钻井流体组合物的方法，其包括：混合基础油、含水组分、乳化剂和流变改性剂以形成油基钻井流体组合物，其中：所述油基钻井流体组合物包括油相和水相，所述油相包括所述基础油，并且所述水相包括所述水；所述流变改性剂包括层状双氢氧化物；并且所述乳化剂包括具有式R-CO-NH-R'-NH-R”-NH₂的氨基酰胺。

第三方面可以包含一种用于钻地下井的方法，所述方法包括：提供油基钻井流体组合物，其中所述油基钻井流体组合物包括：油相中的基础油；水相中的水；包括层状双氢氧化物的流变改性剂；包括具有式R-CO-NH-R'-NH-R”-NH₂的氨基酰胺的乳化剂，其中R是脂肪酸烷基，R'是烷基，并且R”是烷基；以及选自润湿剂、流体损耗控制添加剂和加重添加剂的一种或多种添加剂；并且在所述油基钻井流体组合物的存在下，在井眼中操作钻头。

另一方面包含前述方面中的任一个，其中所述油基钻井流体包括肉豆蔻酸Mg/Al层状双氢氧化物，其量以所述油基钻井流体的总重量计为0.1wt.％到2wt.％。

另一方面包含前述方面中的任一个，其中所述油基钻井流体包括具有所述式R-CO-NH-R'-NH-R”-NH₂的氨基酰胺，其量以所述油基钻井流体的总重量计为0.1wt.％到5wt.％。

另一方面包含前述方面中的任一个，其中所述油基钻井流体包括所述基础油，其量以所述油基钻井流体的总重量计为10wt.％到20wt.％。

另一方面包含前述方面中的任一个，其中所述油基钻井流体包括一种或多种润湿剂，其量以所述油基钻井流体的总重量计为0.1wt.％到2wt.％。

另一方面包含前述方面中的任一个，其中所述油基钻井流体包括一种或多种流体损耗控制添加剂，其量为0.5wt.％到2wt.％(以所述油基钻井流体的总重量计)。

另一方面包含前述方面中的任一个，其中所述油基钻井流体包括一种或多种加重添加剂，其量以所述油基钻井流体的总重量计为50wt.％到90wt.％。

另一方面包含前述方面中的任一个，其中所述层状双氢氧化物包括肉豆蔻酸盐。

另一方面包含前述方面中的任一个，其中所述层状双氢氧化物包括铝阳离子。

另一方面包含前述方面中的任一个，其中所述层状双氢氧化物包括镁阳离子。

另一方面包含前述方面中的任一个，其中所述层状双氢氧化物是肉豆蔻酸Mg/Al层状双氢氧化物。

另一个方面包含前述方面中的任一个，其进一步包括将选自润湿剂、流体损耗控制添加剂和加重添加剂的一种或多种添加剂与所述基础油、所述含水组分、所述乳化剂和所述流变改性剂混合。

另一个方面包含前述方面中的任一个，其中所述井眼包括大于300℉的井眼温度。

另一方面包含前述方面中的任一个，其中所述井眼包括大于10,000psi的井眼压力。

另一方面包含前述方面中的任一个，其中所述井眼包括大于10,000psi的井眼压力。

另一方面包含前述方面中的任一个，其中所述表面温度为0℃或更小。

尽管已经详细地并且参考具体实施例描述了本公开的主题，但应当注意，本公开中描述的各种细节不应被理解为暗示这些细节与作为本公开中描述的各个实施例的基本组成部分的元素有关，即使是在伴随本说明书的每个附图中示出了特定元素的情况下。相反，所附权利要求书应被视为本公开的广度以及本公开中描述的各个实施例的相应范围的唯一代表。此外，对于本领域技术人员显而易见的是，在不脱离所要求保护的主题的精神和范围的情况下，可以对所描述的实施例进行各种修改和变型。因此，本说明书旨在覆盖所描述的各个实施例的修改和变型，只要此些修改和变型落在所附权利要求及其等同的范围内。