阅读说明：本技术 用于反向乳化钻井液的废植物油类乳化剂 (Waste vegetable oil emulsifier for reverse emulsion drilling fluid ) 是由 乔弟巴苏·拉马萨米 姆迪·阿马努拉 穆杰塔巴·M·艾莎哈蒂 于 2018-11-06 设计创作，主要内容包括：描述了用作钻井泥浆主要乳化剂的废植物油类乳化剂。由废植物油的烷基酯制备第一乳化剂。废植物油为已经用于在制备第一乳化剂之前的过程的植物油。将一定量的第一乳化剂加入到油基钻井液中。将一定量的活化剂加入到油基钻井液中。活化剂被配置成活化该乳化剂以使乳液稳定。将一定量的增粘剂加入到油基钻井液中。将一定量的第二乳化剂加入到油基钻井液中。将一定量的增重材料加入到油基钻井液中。在钻井操作中使用所得油基钻井液以在地下区域中钻出井眼。(Waste vegetable oil-based emulsifiers are described for use as the primary emulsifier in drilling muds. The first emulsifier is prepared from alkyl esters of waste vegetable oil. The waste vegetable oil is a vegetable oil that has been used in a process before the first emulsifier is prepared. An amount of a first emulsifier is added to the oil-based drilling fluid. An amount of activator is added to the oil-based drilling fluid. The activator is configured to activate the emulsifier to stabilize the emulsion. An amount of a viscosifier is added to the oil based drilling fluid. An amount of a second emulsifier is added to the oil-based drilling fluid. An amount of weighting material is added to the oil-based drilling fluid. The resulting oil-based drilling fluid is used in a drilling operation to drill a wellbore in a subterranean zone.)

用于反向乳化钻井液的废植物油类乳化剂

优先权要求

本申请要求2017年11月14日提交的美国专利申请号15/812,694的优先权，其全部内容通过引用结合于此。

技术领域

本公开涉及钻井液，例如，用于在烃地层中钻出井眼的井眼钻井液。

背景技术

钻井操作使用井眼钻井液用于多种用途，包括例如冷却钻头、将井眼岩屑从井眼内部输送到地表或类似的用途。钻井液还用于通过在钻井眼时充当钻柱的润滑介质而减少钻柱与套管或井眼壁之间的摩擦。钻井液可以分为多个种类，例如，油基钻井液、水基钻井液或类似的种类。有时，将添加剂加入到一类或两类钻井液中以提高钻井液的性能。

发明内容

本说明书描述了涉及用于反向乳化油基泥浆制剂的废植物油类乳化剂的技术。

此处描述的主题的某些方面可以作为一种方法实施。由废植物油的烷基酯制备第一乳化剂。废植物油为已经用于在制备第一乳化剂之前的过程的植物油。将一定量的第一乳化剂加入到油基钻井液中。将一定量的活化剂加入到油基钻井液中。活化剂被配置成活化该乳化剂以使乳液稳定。将一定量的增粘剂加入到油基钻井液中。将一定量的第二乳化剂加入到油基钻井液中。将一定量的增重材料加入到油基钻井液中。在钻井操作中使用所得油基钻井液以在地下区域中钻出井眼。

该方面和其他方面可以包括以下特征中的一个或多个。第一乳化剂的量与油基钻井液的量的比率可以是4磅第一乳化剂/桶油基钻井液至12磅第一乳化剂/桶油基钻井液。活化剂的量与油基钻井液的量的比率可以是大致4克活化剂/桶油基钻井液。增粘剂的量与所述油基钻井液的量的比率可以是大致4克增粘剂/桶油基钻井液。第二乳化剂的量与油基钻井液的量的比率可以是大致6克第二乳化剂/桶油基钻井液。盐水的量与油基钻井液的量的比率可以是大致85毫升盐水/桶油基钻井液。盐水可以包含一定量的溶解于水中的氯化钙。盐水可以包含大致61克氯化钙/85立方厘米水。增重材料的量与油基钻井液的量的比率可以是大致161克增重材料/桶油基钻井液。在钻井操作中使用所述油基钻井液以在地下区域中钻出井眼可以包括在对地下区域进行钻井的同时使油基钻井液流过井眼。

此处描述的主题的某些方面可以作为一种方法实施。将原料废植物油酯化以产生原料废植物油的甲酯。将苛性钠溶液加入到甲酯，得到混合物。热处理混合物。调节混合物的pH，导致形成水相和非水相。将水相与非水相分离。

该方面和其他方面可以包括以下特征中的一个或多个。苛性钠溶液可以包含溶解于溶剂中的醇盐。醇盐可以包括氢氧化钠。溶剂可以包括水。可以在热处理混合物的过程中搅拌混合物。可以将混合物加热到高于室温的温度。该温度可以是大致60℃。可以加入酸以调节混合物的pH。酸可以是大致31％盐酸。混合物的经调节的pH可以是大致4至5。

本说明书中描述的主题的一个或多个实施方案的细节在附图和随后的描述中给出。根据该描述、附图和权利要求书，所述主题的其他特征、方面和优点将变得明显。

附图说明

图1是一种钻井液循环系统的示意图。

图2是示出钻井液流过钻柱以及在钻柱和井眼之间的环空的示意图。

图3是一种使用酯化的废植物油制备乳化剂的示例方法的流程图。

图4是一种制备酯化的废植物油的示例方法的流程图。

图5是一种用于在油基钻井液中使用通过图3的示例方法制备的乳化剂的示例方法的流程图。

各个附图中相同的附图标记和标示表示相同的要素。

具体实施方式

对于钻孔的某些高温高压(HPHT)段来说，水基钻井液由于极端钻井条件而可能不是可行的钻井液选择。对于这样的HPHT段，可以使用反向乳化油基泥浆(OBM)作为钻井液。OBM也可以用作在对活性页岩段进行钻井时的钻井液以使页岩稳定。某些油基钻井液如反向乳化OBM包含乳化剂以生成油包水的稳定乳液。乳化剂是一类表面活性剂，其具有亲水性的头基和疏水性的尾部(例如，长链疏水性尾部)。乳化剂可以降低水相和油相之间的界面张力，从而实现钻井液的稳定性。

本公开描述了一种环保(ecofriendly)乳化剂，其可以用于油基钻井液，如反向乳化OBM或类似的油基钻井液。在一些实施方式中，该乳化剂用作反向乳化油基泥浆制剂中的主要乳化剂，所述反向乳化油基泥浆制剂用作在钻孔的HPHT段中的钻井液，或者用作在对高度活性页岩段进行钻井时的钻井液以使页岩稳定。通常，乳化剂可以用于在岩石地层中使用的OBM，其中高摩擦和扭矩是预期的，或者在高延伸范围的井(high extendedreachwells)中使用的OBM(或兼具两者)。之后描述制剂中的示例性的油水比和乳化剂浓度。此处描述的乳化剂为用于反向乳化OBM以生成油包水的稳定乳液的主要添加剂。乳化剂可以降低水相和油相之间的界面张力，从而提高钻井液的稳定性。

乳化剂是一类表面活性剂，其同时具有亲水性头基和长链疏水性尾部。在本公开中，使用植物油、特别是用过的或加工过的植物油(所述植物油可以例如由食品行业得到)来制备环保乳化剂。植物油是从植物提取的甘油三酯。甘油三酯是甘油和三个脂肪酸的酯。根据来源，植物油含有不同类型的脂肪酸的混合物，例如，饱和的、单不饱和的、多不饱和的、Ω3、Ω6或Ω9脂肪酸的混合物。大部分常用于烹饪的植物油(例如，橄榄油、棕榈油、葵花油、玉米油、花生油或类似的常用于烹饪食物的植物油)含有这些脂肪酸中的一种或多种或全部。这些不同类型的脂肪酸的存在使植物油成为用于钻井液的乳化剂的有前景的来源。已经用于烹饪并且作为废物处置的植物油可以用作乳化剂合成的可持续来源。未用过的或未加工过的植物油也可以用于此处描述的乳化剂合成。

图1是一种钻井液循环系统10的示意图。图2是示出钻井液流过钻柱12以及在钻柱12和井眼50之间的环空40的示意图。在使用钻机的钻井情形中，钻井液循环系统10使用一个或多个泥浆泵将钻井液(例如，钻井泥浆)循环(或泵送)。钻井液循环系统10使钻井液(泥浆，F)通过钻柱12和与钻柱12相连的钻铤向下移动到井眼50中。钻井液通过钻头中的端口(喷嘴)离开，获取岩屑C并且携带井眼50的环空40的岩屑。泥浆泵30从泥浆罐22进行抽吸，并且将钻井液F泵送出排放管24，通过立管26向上，穿过水龙带28，穿过方钻杆(Kelly)或顶部驱动单元31，并进入到钻柱12、钻铤和钻头的中央孔中。钻井液F和岩屑C返回到环空40的地表。在地表处，钻井液和岩屑通过出口(未示出)离开井眼50，并且经由泥浆返回管线60被送到岩屑移除系统。在返回管线的末端，钻井液F和岩屑C流动到振动筛例如泥浆震动筛62上。更细小的固体可以使用捕砂器(sand trap)64移除。可以用储存在化学品罐66中的化学品处理钻井液，然后将其提供到泥浆罐22中，其中该过程可以重复。

钻井液循环系统10在压力下输送大体积的钻井液以用于钻机操作。循环系统10将钻井液输送到钻杆(drill stem)，沿着钻柱12向下流动并且通过附加到钻杆下端的钻头流出。除了冷却钻头以外，钻井液还水力洗去随着钻头前进到井眼50中产生的碎屑、岩石碎片和岩屑。因此，钻井液是部件钻井操作的重要部分，其在不同的钻井操作中可以流过钻井系统部件，例如，旋转的连续油管、套管或类似的部件，例如，在平衡钻井、超平衡钻井或类似的钻井操作下，以进行多种功能性任务并且有利于安全、没有问题且经济的钻井。

图3是一种使用酯化的废植物油制备乳化剂的示例方法300的流程图。在一些实施方式中，乳化剂可以用于其他井眼流体，例如，压裂液、完井液、增产液、它们的组合或类似的井眼流体。在302，得到酯化的废植物油。在一些实施方式中，得到废植物油的甲酯。例如，将废植物油(即已经用于烹饪的植物油)酯化以制备甲酯。

在304，将苛性钠溶液加入到废植物油的甲酯中。在一些实施方式中，可以通过将一定量的氢氧化钠溶解在水中来制备苛性钠溶液。在一些实施方式中，可以在足以将苛性钠溶液和甲酯混合的时间段内将苛性钠溶液加入到废植物油的甲酯中。可以以延迟悬浮液形成的最佳速率加入苛性钠溶液，因为悬浮液的加快形成将会阻碍与甲酯的苛性钠反应。加入苛性钠溶液将反应混合物变为悬浮液。

在306，热处理混合物。在一些实施方式中，可以将混合物在高于室温的温度搅拌(或搅动)一定持续时间。搅拌促进并且增加苛性钠与甲酯之间的接触。在该温度加热产生反应混合物的布朗运动，并且加快反应动力学。

在308，保持经热处理的混合物处于静态条件。在一些实施方式中，可以停止经热处理的混合物的搅动以及加热，使混合物冷却至室温。然后不需要对混合物进行其他热处理。保持混合物处于静态条件可以使甲基裂解，得到乳化剂。

在310，将水加入到反应混合物中以分离油相和水相，从而分离出乳化剂。水体积可以是最初获取用于反应的油体积的15％至30％。

在312，调节混合物的pH。在一些实施方式中，通过将酸加入到反应混合物中来调节pH，直到混合物pH达到油相从反应混合物中分离出的水平。

在314，分离非水相和水相。在一些实施方式中，通过以下方式分离两相：首先将反应混合物转移到分离烧瓶中，将水相从所述分离烧瓶移除。在一些实施方式中，可以将额外的水加入到分离烧瓶中以洗涤和移除非水相中任何残留的无机盐。将剩余的非水相连同乳液一起置于静态条件以使乳液消泡。消泡可能进一步释放水，所述水可以如先前所述移除。已经移除泡沫的非水相可用作如在本公开中所描述使用的乳化剂。

图4是一种制备酯化的废植物油的示例方法400的流程图。例如，通过实施方法400制备的酯化的废植物油可以用于通过实施方法300来制备乳化剂。在一些实施方式中，可以在井眼流体，例如，钻井液(具体地，油基钻井液)、压裂液、完井液、增产液、它们的组合或类似的井眼流体中使用该添加剂。

在402，得到包含脂肪酸的废植物油。在一些实施方式中，废植物油可以是作为食品行业的副产物产生的经加工的植物油。

废植物油可以具有大于大致50厘泊(cP)或60.8cP的塑性粘度(使用多速旋转粘度计测量)。废植物油可以具有大于大致10(例如，大致11.18)的废植物油与矿物油的塑性粘度比。如在本公开中使用的，术语“大致”允许与任何提到的数值的至多5％的变化。相对于由Safra(吉达，沙特阿拉伯)生产且用于海上钻井的精制油的塑性粘度，废植物油可以具有大于大致20的塑性粘度比。相对于由Safra生产且用于海上钻井的精制油，废植物油可以具有大致24.12的塑性粘度比。相对于用于油基钻井液制剂的矿物油的塑性粘度，废植物油可以具有大于大致10的塑性粘度比。

废植物油可以包含脂肪酸与短链醇。短链醇可以包括甲醇、乙醇、丙醇、丁醇或它们的组合中的至少一种或多种。脂肪酸可以包括平均为大致16个碳原子至少于20个碳原子的分子。

在404，从废植物油移除杂质。杂质例如食品残留物可能降低废植物油的功能性能力。在一些实施方式中，可以将废植物油在低压(例如，大致5磅/平方英寸(psi)至大致10psi)下过滤，例如快速过滤。可以使用备选的或另外的方法从废植物油移除杂质。

在406，将原料废油酯化。在一些实施方式中，在催化剂的存在下将原料废油酯化以制备烷基酯产物和甘油三酯。催化剂可以包括氢氧化钠、氢氧化钾、醇钠、醇钾或它们的组合中的至少一种。例如，可以在氢氧化钠的存在下用甲醇将废植物油酯化。在408，将烷基酯产物和甘油三酯分离。之后描述用于实施方法400的各部分以制备酯化的废植物油的示例技术。可以实施备选的技术来制备酯化的废植物油。

杂质和过量水的移除

可以使用低压过滤单元来移除废植物油中存在的杂质，例如，燃烧过的和未燃烧过的食品残留物。低压过滤单元可以包括孔径小于5μm的滤纸以移除大于5μm的杂质。可以在低压单元上使用5至10psi的恒压用于一定体积的废植物油的快速过滤。作为低压过滤单元的替代或者除了低压过滤单元以外，还可以使用能够从废植物油移除所有杂质和过量水的其他过滤介质或吸附剂。例如，可以使用多单元过滤装置用于移除杂质。

催化剂的量的确定

可以通过滴定法来确定加工废植物油所需的催化剂的量。为了这样做，例如，可以将1毫升(mL)废植物油与10mL的99.2％纯度的异丙醇混合。可以向该混合物中加入2至3滴指示液(例如，酚酞或类似的指示液)。可以将指示液逐滴加入到搅动的废植物油中，直到颜色变为粉色。在终点后，可以将混合物搅拌一会以检查粉色的永久性。可以将滴定试验重复三次以计算达到终点所需的催化剂的平均量。在基于滴定试验结果确定氢氧化钠(NaOH)的平均值后，可以加入恒定值(例如，3.5克(g))以确定1升(L)废植物油所需的催化剂的总量(例如，4.18g至4.22g)。

用于移除甘油三酯的酯化

可以通过使用甲醇将基础油酯化来降低废植物油的粘度，从而匹配矿物油粘度。为了这样做，可以在干燥条件下使用磁搅拌器将一定体积的甲醇(例如，20％原始废植物油体积)和一定质量的NaOH(例如，4.22g NaOH/升废植物油)混合，然后加入到在容器中的废植物油中。然后可以使用磁搅拌器将混合物搅拌六小时以完成相互作用。

沉降

可以使总反应产物保持处于静态条件过夜以完成甘油和污泥在容器底部的沉降。在初始沉降阶段，通过在大致80℃加热经加工的块或加入大致10mL乙酸/升废植物油来破坏和防止乳液形成，可以破坏所形成的乳液，例如，由于一些乳液形成副产物在酯层中的存在而形成的乳液。

酯化油的分离和洗涤

在完全沉降后，将上部清亮的酯化油缓慢地倾析并使用水洗涤数小时，同时用磁搅拌器搅拌。然后，将酯化油和洗涤水保持处于静态条件过夜，用于有效分离油相和水相。将分离出的油相缓慢倾析以从水相将其移出。重复洗涤过程，例如，重复两次。

图5是一种用于在油基钻井液中使用通过图3的示例方法制备的乳化剂的示例方法500的流程图。可以部分地例如在井眼的地表处并且部分地例如在井眼内实施该方法500。另外，可以部分地例如在实验室中并且部分地例如在现场实施方法500。此外，可以部分地由实验室技术员并且部分地由现场技术员例如井眼操作人员实施方法500。

在502，由废植物油的烷基酯制备乳化剂。例如，通过实施先前参照图3描述的示例方法300来制备乳化剂。在一些实施方式中，废植物油可以是已经用于在制备乳化剂之前的过程的植物油。

在504，将一定量的乳化剂加入到已经加入了乳化剂的油基钻井液中。乳化剂的量与油基钻井液的量的比率可以在4磅(lbs)至12lbs乳化剂/桶油基钻井液的范围内。一桶油基钻井液含有大致159升钻井液。

在506，将一定量的石灰加入到已经加入了先前提到的组分的油基钻井液中。石灰的量与油基钻井液的量的比率可以是大致6g石灰/桶油基钻井液。石灰活化乳化剂，其然后使乳液稳定。石灰的量与乳化剂的量有关。例如，石灰与乳化剂的比率可以在1:1至1:2的范围内。

在508，将一定量的增粘剂加入到已经加入了先前提到的组分的油基钻井液中。增粘剂的量与油基钻井液的量的比率可以是大致4g增粘剂/桶油基钻井液。增粘剂可以是亲有机物质的粘土。例如，增粘剂的量可以在2g至6g的范围内。

在510，将一定量的盐水加入到已经加入了先前提到的组分的油基钻井液中。盐水的量与油基钻井液的量的比率可以是大致85毫升(ml)盐水/桶油基钻井液。盐水中的氯化钙在OBM中用于从页岩地层捕获水并且使页岩段稳定。在一些实施方式中，盐水可以包含与水(例如，大致85立方厘米)混合的一定量的氯化钙(例如，大致61g)。

在512，将一定量的增重材料加入到已经加入了先前提到的组分的油基钻井液中。增重材料的量与油基钻井液的量的比率可以是大致161g增重材料/桶油基钻井液。增重材料可以是加入到钻井液中以将OBM的密度调节至所需水平的惰性材料。增重材料的量取决于所需的泥浆密度。

在514，在钻井操作中使用与先前提到的组分混合的油基钻井液以在地下区域中钻出井眼。例如，制备多桶油基钻井液，每桶都与先前提到的组分混合。在地下地层中钻井的同时，使多桶流过地下区域。

用于制备乳化剂的示例方法

如此处所述实施方法300以制备乳化剂。在此处所述的实例以及本公开的全文中，术语“大致”表示可允许的与所公开量的5％的偏差。取大致300毫升(mL)的废植物油的甲酯置于具有磁性搅拌棒的烧杯中，并且将其置于热板搅拌器上。以大致500转/分钟(rpm)搅拌甲酯。通过将大致15克(g)氢氧化钠溶解于50mL水中来制备苛性钠溶液。在大致两分钟的时间内将苛性钠溶液加入到甲酯中，这使反应混合物变为悬浮液。将反应混合物在大致60℃搅拌大致6小时，然后将其静置大致16小时，这得到变稠且具有半固体稠度的反应混合物。将大致50mL水加入到混合物中。将盐酸(大致31％)逐滴加入到反应混合物中，直到反应混合物的pH为大约4至5，之后油相从反应混合物中分离出来。将反应混合物转移到分离烧瓶中。将通过乳化层与非水相分离的水相从分离烧瓶移除。将大致50mL水加入到在分离烧瓶中的剩余非水相中，用于洗涤和移除残留在非水相中的任何无机盐。将再次形成的水相从分离烧瓶移除，并且重复此步骤。使剩余的非水相连同乳液一起置于静态条件以实现乳液的消泡。不时地移除在消泡时释放的水。最后，收集为无色液体的非水相。

用于制备反向乳化OBM的示例方法

在一个实例中，使用218ml的Safra油作为基础OBM制备总计350ml的反向乳化OBM。向Safra油中加入12ml的通过实施先前描述的方法300制备的乳化剂。向该混合物中加入4ml的EZ-mul。EZ-Mul为作为用于固体的润湿剂使用的第二乳化剂。向该混合物中加入6g的活化剂、4g的增粘剂、6g的乳化剂、85ml的盐水和161g的增重材料。盐水为61g氯化钙在85立方厘米(cc)水中的溶液。将混合物在300华氏度(°F)和500磅/平方英寸(psi)下热轧16小时。所得反向乳化OBM具有24.2cP的塑性粘度、11.2°F的屈服点、0ml的美国石油协会(API)初滤失量、0ml的API滤失量、0ml的HPHT初滤失量(在300°F和500psi下)和3.4ml的HPHT滤失量(在300°F和500psi下)。

在另一个实例中，如在前一段落中描述制备反向乳化OBM的样品，不同之处在于乳化剂的浓度变为6ml、4ml和0ml。对于这样的样品，塑性粘度分别为35cP、34cP和30cP。屈服点分别为12°F、17°F和30°F。API初滤失量分别为0ml、0ml和0.2ml。API滤失量分别为1ml、2ml和9.3ml。HPHT初滤失量分别为2ml、6ml和8ml(在300°F和500psi下)。HPHT滤失量分别为7ml、18ml和68ml(在300°F和500psi下)。总而言之，对于在4ml至12ml的乳化剂/218ml的Safra油的范围内的浓度，反向乳化OBM显示出非常好的流变性能和作为油基钻井液的适用性。

如此，已经描述了所述主题的具体实施方式。其他实施方式在所附权利要求的范围内。