DE60116988T2

DE60116988T2 - Organophile Tonadditive und sie enthaltende Bohrflüssigkeiten mit rheologischen Eigenschaften , die eine geringere Temperaturabhängigkeit aufweisen

Info

Publication number: DE60116988T2
Application number: DE60116988T
Authority: DE
Inventors: David Cranbury Dino; Jeffrey Highstown Thompson
Original assignee: Elementis Specialties Inc
Current assignee: Elementis Specialties Inc
Priority date: 2000-03-27
Filing date: 2001-03-26
Publication date: 2006-10-05
Anticipated expiration: 2021-03-27
Also published as: US6462096B1; ATE316998T1; EP1138740B1; EP1138740A1; JP2002003832A; CA2340267C; DE60116988D1; MXPA01003174A; CA2340267A1

Description

Gegenstand der vorliegenden Erfindung sind verbesserte, auf Öl basierende Bohrungsflüssigkeiten, in der Ölindustrie als Bohrflüssigkeiten bekannt, und insbesondere auf Öl basierende Invertemulsionstypen von Bohrflüssigkeiten, in denen Wasser in einem auf Öl basierenden Medium dispergiert ist, wobei die Flüssigkeiten definierte Organotone enthalten. Organotone werden auch oft als organophile Ton-Geliermittel bezeichnet
In einem wichtigen Aspekt ist der Gegenstand der Erfindung neue organophile Ton-Geliermittel und verbesserte, auf Öl basierende Bohrflüssigkeiten, die derartige Organotone enthalten; in einem noch anderen Aspekt ist der Gegenstand der Erfindung Prozesse zur Bereitstellung von weniger Temperatur-abhängiger Viskosität und anderer rheologischer Eigenschaften für derartige Flüssigkeiten über die weiten, und oft sehr hohen Temperaturbereiche, die bei moderneren Bohrarbeiten vorliegen.
Beschreibungg des Stands der Technik
Ölbohrflüssigkeiten
Die amerikanische Öl-produzierende Industrie hat von Anfang an bei Ölbohrarbeiten in den Vereinigten Staaten Bohrflüssigkeiten eingesetzt. Bohrflüssigkeiten und ihre Chemie sind ein wichtiges Gebiet für wissenschaftlichen Untersuchung und haben vom Anfang bis zum heutigen Tag Innovation umfasst.
Derartige Bohrflüssigkeiten werden in der modernen Praxis unter großem Druck durch einen langen „Strang" einer zuvor nach dem Bohren in den Boden verlegten Leitung gepumpt, dann (direkt am Boden des Bohrlochs) durch das Zentrum des Bohrmeißels gepumpt, wo sie dann durch einen kleinen Zwischenraum zwischen der Außenseite der Bohrgestänge und der Bohrlochwand selbst nach oben zurückgeführt werden. Grundbohrflüssigkeiten, die flüssigen Träger des Systems, umfassen oft Öle (Diesel-, Mineral- und Polyalpha-Olefin)-), Propylenglycol, Methylglucosid, modifizierte Ester und Ether, Wasser und Emulsionen aus Öl und Wasser in variierenden Verhältnissen.
Eine Bohrflüssigkeit ist ein thixotropes System; das heißt, es weist bei Scherung eine niedrige Viskosität auf, wie zum Beispiel beim Rühren oder Umlauf (wie beim Pumpen), doch wenn solch eine Scherwirkung gestoppt wird, wird die Flüssigkeit dick, um die Schnitte in Position zu halten. Die Flüssigkeit muss schnell dick werden und eine ausreichende Gelfestigkeit erreichen, bevor die suspendierten Stoffe erheblich absinken – und dieses Verhalten muss bei allen anzutreffenden Temperaturen vollständig reversibel sein. Außerdem muss die Flüssigkeit bei einer frei fließenden Flüssigkeit eine ausreichend hohe Viskosität beibehalten, um alle unerwünschten Feststoffe vom Boden des Loches zurück an die Oberfläche zu befördern.
Eine Bohrflüssigkeit muss eine Anzahl dieser zusammenhängenden Funktionen über einen weiten Temperaturbereich erfüllen, um den Anforderungen, eine handelsübliche Bohrflüssigkeit zu sein, zu genügen. Die Aufrechterhaltung dieser Funktionen unter sehr hohen Temperaturen, die beim modernen Bohren angetroffen werden, hat sich bei der Verwendung von handelsüblichen rheologischen Bohrflüssigkeitsadditiven, die derzeit auf dem Markt erhältlich sind, als extrem schwierig erwiesen. Diese Funktionen können folgendermaßen eingeteilt werden:

(1) Die Flüssigkeit muss den Bohrmeißel ständig schmieren, um die Bohrleistung zu begünstigen und die Abnutzung des Meißels zu verhindern,
(2) Die Flüssigkeit muss eine angemessene Dicke oder Viskosität aufweisen, um die vielen verschiedenen Kriterien, die vom Inhaber/Führer des Bohrers verlangt werden, zu erfüllen,
(3) Die Flüssigkeit muss Filtrationskontrolle bereitstellen,
(4) Die Flüssigkeit muss feste Partikel, wie zum Beispiel Beschwerungsmittel (um die spezifische Gravität des Schlamms zu erhöhen; im Allgemeinen Baryt; ein Bariumsulfat-Erz, das zu einer feinen Partikelgröße gemahlen ist), suspendieren und transportieren, wenn das Bohren unterbrochen wird, und
(5) Die Flüssigkeit muss den Formationsdruck regeln.

Die vorstehenden Funktionen müssen während der ganzen Zeit, in der sich die Flüssigkeit in der gesamten Bohrlochlänge befindet, zufriedenstellend bereitgestellt werden. Da das Bohrloch Zehntausende Fuß lang sein kann, werden variierende, extrem heiße und kalte Temperaturen angetroffen, wobei heiße Temperaturveränderungen die physikalischen Eigenschaften und das Verhalten der Flüssigkeit besonders beeinträchtigen können. Unterschiedliche Ausmaße an Kontrolle können während des Bohrens auftreten, auf Grund von hohen Bereichen a) der angetroffenen Temperatur (so hoch wie 250°C), b) der Zeitdauer, c) der Drücke (von nur wenigen Bar bis zu solchen, die von einer Flüssigkeitssäule, die sich über Tausende Fuß erstrecken kann, ausgeübt werden) und d) der Bohrrichtungen (von vertikal zu horizontal).
Schließlich sollte zur Kenntnis genommen werden, dass eine Bohrflüssigkeit ihre verschiedenen Funktionen nicht nur ausüben muss, wenn der Bohrmeißel aktiv auf den Boden des Bohrlochs trifft, sondern auch zu allen Zeiten und an allen Stellen im Bohrloch.
Eins der Hauptprobleme, auf das die Wissenschaftler der „Schlammchemie" stoßen, ist die Erzeugung von Verdickungsmitteln, Thixotropen und Bohrflüssigkeiten mit ausreichender Dispergierbarkeit, die die vorstehend diskutierten, notwendigen ergänzenden thixotropen Eigenschaften aufweisen, während sie zur gleichen Zeit entscheidend wichtige rheologische Eigenschaften über einen weiten Temperaturbereich besitzen. Während die Zusammensetzungen dieser verschiedenen Flüssigkeiten als „Schwarze Kunst" betrachtet wird, involvieren Flüssigkeiten und ihre Additive in der Realität eine hoch komplizierte chemische und rheologische Analyse unter Verwendung von komplexen chemischen und mathematischen Berechnungen, Modellierung und rheologischer Analyse.
Entsprechend werden seit vielen Jahren Nachforschungen für verbesserte Additive zur Modifizierung und Regulierung der Viskositätseigenschaften von Bohrflüssigkeiten betrieben, die leistungsfähig, leicht handhabbar und in einem breiten Bereich von Bohrschlämmen leicht dispergierbar wären und einsetzbar wären, wenn erwartet wird, dass hohe Temperaturen angetroffen werden.
Temperaturempfindlichkeit
In der Neuzeit wurde das Kohlenwasserstoff-Bohren für Forschungs- und Produktionsbohrlöcher zunehmend von Plattformen ausgeführt, die sich in Gewässern befinden, oft als Offshore-Bohren bezeichnet. Derartiges Bohren im Süß- und Salzwasser verwendet schwimmende Bargen und Bohranlagen, die in irgendeiner Weise auf der Erdoberfläche unter Wasser befestigt sind.
Wirtschaftliche und technische Fortschritte haben diese Bohrarbeiten kürzlich in eine rauhere Umgebung versetzt. Obgleich die Fortschritte bei der Ausrüstung und Technik eine Technologie hervorgebracht haben, die in der Lage ist, Bohrungen in Wassertiefen bis zu 10 000 Fuß oder mehr auszuführen, haben sich die in der Technologie für Bohrflüssigkeiten erforderlichen Fortschritte verzögert.
Ein bedeutender Anwendungsbereich für die neuen Bohrflüssigkeitssysteme besteht im geothermischen Bohren, insbesondere bei der Bohrung eines Bohrlochs in einem Winkel, der nicht vertikal ist. Das erfindungsgemäße Ziel ist insbesondere die Bereitstellung von industriell verwendbaren Bohrflüssigkeiten mit erweiterten Eigenschaften über einen großen und „heißen" Temperaturbereich. Die Systeme können sowohl für Bohrarbeiten an Land als auch für Offshore-Arbeiten zum Einsatz kommen.
Bohrflüssigkeiten mit erweiterten Temperatureigenschaften sind im letzten Jahrzehnt als ein Ergebnis der Veränderungen in der Technologie des gerichteten Bohrens sowohl wichtiger als auch komplizierter geworden. Derartige Bohrlöcher sind auch als abgewichene Bohrungen bekannt, das Ausmaß des Abweichungswinkels kann einige Grad betragen bis zu horizontal sein.
Die Verwendung eines Untertagemotors ermöglicht, dass das Loch durch die Einführung eines verankerten Knicks oder einer verankerten Biegung genau oberhalb des Bohrmeißels abgewichen werden kann. Dieser Knick oder diese Biegung kann durch moderne MWD-Systeme ausgerichtet werden, die in der Lage sind, den momentanen Lochwinkel von Meißel und Toolface, und Azimut (d.h die Ausrichtung in Bezug auf den oberen Teil des Lochs) genau anzuzeigen. Es ist entsprechend möglich, den Bohrstrang zu rotieren, bis das Toolface die gewünschte Richtung der Abweichung erreicht hat, und dann den Bohrstrang in Position zu verankern und die Abweichung durch Starten des Motors zur Ausweitung des Lochs in der gewünschten abgewichenen Richtung zu beginnen.
Die Verfahren zum Abweichen von Bohrlöchern haben sich während der letzten Jahre mit der Herstellung von leistungsfähigeren und zuverlässigeren Untertagemotoren und der Erfindung von präziseren Techniken unter Verwendung von Drahtleitungstechniken sowie von hochgradig computergesteuerter Untertage-, Tast- und Mikro-Verkleinerungsausrüstung, einschließlich Verbesserungen in der Lotanlage und Mikrowellentransmission, außerordentlich verändert.
Organotone
Es ist seit langem bekannt, dass Organotone zur Verdickung von organischen Zusammensetzungen und insbesondere Bohrflüssigkeiten verwendet werden können. Siehe J.W. Jordan, „Proceedings of the 10th National Conference on Clays and Clay Minerals" (1963), das weite Anwendungsbereiche von Organotonen von Flüssigkeiten mit hoher Polarität bis zu Flüssigkeiten mit niedriger Polarität diskutiert.
Die Leistungsfähigkeit einiger organophiler Tone in nicht-wässrigen Systemen kann weiter durch die Zugabe eines polaren organischen Stoffs mit einem niedrigen Molekulargewicht zur Zusammensetzung verbessert werden. Derartige polare organische Stoffe werden Dispergiermittel, Dispersionshilfsmittel, Solvatisierungsmittel und dergleichen genannt. Siehe zum Beispiel US-Patente Nr. 2,677,661; 2,704,276; 2,833,720; 2,879,229; und 3,294,683.
Darüber hinaus beschreiben US-Patente Nr. 3,977,894; 4,382,686; 4,464,274; und 4,664,820 die Herstellung von preaktivierten organophilen Ton-Geliermitteln, die zur Verdickung von organischen Zusammensetzungen eingesetzt werden, worin die Aktivatoren mit dem organophilen Ton vermischt sind.
Kürzlicher wurden organophile Ton-Geliermittel entwickelt, die die Reaktionsprodukte von Smectit-artigen Tonen sind, die eine Kationenaustauschkapazität mit bestimmten organischen Kationen oder organischen Kationen- und organischen Anionenkombinationen besitzen. Diese Geliermittel haben den Vorteil, dass sie gewissermaßen in bestimmten organischen Zusammensetzungen dispergierbar sind, ohne unter normalen Scherbedingungen ein Dispersionshilfsmittel zu benötigen. Erläuternde Patente, die derartige verbesserte organophile Ton-Geliermittel beschreiben, sind US-Patente Nr. 4,105,578; 4,208,218; 4,287,086; 4,391,637; 4,410,364; 4,412,018; 4,434, 075; 4,434,076; 4,450,095; und 4,517,112.
Die französischsprachige Europäische Patentanmeldung 0,133,071 beschreibt dispergierbarere, modifizierte organophile Tone, die als rheologische Additive für nicht-wässrige Systeme nützlich sind und aus der Reaktion eines Smectit-Tons, einschließlich Bentonit und Hectorit, und zweier stickstoffhaltiger, oberflächenaktiver Mittel resultieren. Das erste oberflächenaktive Mittel kann ein quartäres Salz sein, wie zum Beispiel ein Dialkylbenzylmethylammoniumchlorid. Das zweite oberflächenaktive Mittel ist ein organisches, hydroxyliertes, stickstoffhaltiges oberflächenaktives Mittel und sind entweder ethoxylierte Amine und mono- oder polyhydroxylierte quartäre Ammoniumchlorid-Salze. Die zwei Salze werden im Überschuss der Kationenaustauschkapazität des Tons zugegeben, um die Dispersion zu verbessern und die Notwendigkeit für einen polaren Aktivator zur Aktivierung der Dispersion des resultierenden Organotons in nicht-wässrigen Formulierungen zu eliminieren. Das Patent lehrt, dass die zwei Salze in jeder Reihenfolge oder als eine Mischung zu einer wässrigen Suspension des Smectit-Tons gegeben werden können.
Das US-Patent Nr. 4,677,158 beschreibt ein Reaktionsprodukt eines Smectit-Tons (Beispiele zeigen Wyoming-Bentonit) und einer spezifischen quartären Ammoniumverbindung, die als ein Verdickungsmittel für wässrige Suspensionen verwendet wird, insbesondere auf Wasser basierende Latexfarben und Dichtungsmittel. Die offenbarte quartäre Ammoniumverbindung wird als aus einem Stickstoffatom bestehend beschrieben, das mit separaten Kohlenstoffketten verbunden ist, wobei eine Kette eine Methylgruppe oder Alkylgruppe, die 10 bis 20 Kohlenstoffatome enthält, sein kann, die zweite Kette eine Alkylgruppe sein kann, die von 10 bis 22 Kohlenstoffatome enthält, die dritte und vierte Kette Polyoxyethylenketten sind, wobei die Gesamtanzahl der Ethylenoxideinheiten von 5 bis 200 Mol beträgt. Das Patent lehrt weiter, dass die zweite Kette auch eine Polyoxyethylenkette sein kann.
Das US-Patent Nr. 5,336,647, erteilt an den Patentnehmer hiervon, offenbart organophile Tone, die durch Reaktion von Smectit-artigen Tonen, einschließlich Bentonit und Hectorit, mit einer Mischung von zwei organischen Kationen, von denen das eine ein polyalkoxyliertes quartäres Ammoniumsalz ist, hergestellt werden. Das Patent lehrt, dass das polyalkoxylierte quartäre Salz in einer Menge von ca. 0,01 Gew.-% bis ca. 20 Gew.-% des gesamten organischen Kationengehalts vorliegen sollte. Das Patent lehrt, dass die genannten Produkte als rheologische Additive für auf Öl basierende Bohrflüssigkeiten verwendbar sind.
Das US-Patent Nr. 5,728,764 offenbart Organoton-Zusammensetzungen, die unter Verwendung einer definierten alkoxylierten, quartären Ammoniumverbindung hergestellt werden, die zur Herstellung von wässrigen Systemen verwendbar ist.
Auf Öl basierende Bohrflüssigkeiten, insbesondere solche, die übliche rheologische organophile Ton-Additive enthalten, büßen beträchtlich an Viskosität ein, wenn die Bohrflüssigkeit beispielsweise von einer Temperatur von 120°C auf 175°C erhitzt wird. Eine Bohrflüssigkeit, die übliche organophile Tone zum Viskositätsaufbau verwendet, kann bei weit über 175°C so viel wie das Dreifache des Tongehalts zur Aufrechterhaltung einer geeigneten Viskosität einzig zum Transport der Schnitte verbrauchen. Alternativen zu Organotonen bei weit über 200°C, wie zum Beispiel Asphaltschlämme, wurden als notwendig erachtet, jedoch weisen derartige Schlämme sogar noch eine größere Vielfalt an Problemen auf.
EP-A-681990 offenbart ein organophiles Ton-Geliermittel, das einen Smectit-artigen Ton und eine synergistische Kombination von zwei oder mehreren organischen Kationen und einem oder mehreren organischen Anionen umfasst.
EP-A-627480 offenbart ein organophiles Ton-Verdickungsmittel, das einen Smectit-artigen Ton und ein organisches Kation umfasst, das vom natürlich vorkommendem Ölrückstand stammt, im Wesentlichen ähnlich dem natürlich vorkommenden, zu verdickenden Öl in einer Menge von ca. 75% bis ca. 150% der Kationenaustauschkapazität oder des Smectit-artigen Tons.
Zusammenfassend sind die Nachteile von existierenden Organoton-Zusammensetzungen für nicht-wässrige Systeme die, dass sie eine weniger leistungsfähige Rheologie bereitstellen, wenn sich die Temperaturen erhöhen, und oft bei Temperatur um 350 und 400°F völlig versagen.
Die Erfindung offenbart hierin neue, auf Öl basierende Bohrflüssigkeiten, unter Verwendung von spezifischen Organotonen, insbesondere Öl-Invert-Bohrschlämme, die sich durch verbesserte rheologische Eigenschaften bei erhöhten Temperaturen, große ökologische Akzeptanz und gleichzeitig gute Anwendungseigenschaften nach der Eingangszusammenstellung auszeichnen.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist die Entdeckung neuer Organotone und auf Öl basierender Bohrflüssigkeiten, die derartige Organotone enthalten, insbesondere auf Öl basierende Invertemulsionsbohrflüssigkeiten, die eine stabilere Bohrflüssigkeitsviskosität bei Temperaturen von mehr als 175°C bereitstellen, im Vergleich zu üblichen Flüssigkeiten, die spezifische Organotone als das rheologische Additiv enthalten. Erfindungsgemäß ist auch ein Verfahren zur Bereitstellung von Rheologie und Antiabsetzeigenschaften für auf Öl basierende Bohrflüssigkeiten durch die Zugabe von spezifischen Organotonen als rheologische Additive zu derartigen Flüssigkeitssystemen eingeschlossen. Erfindungsgemäß sind auch neue Bohrflüssigkeiten, die derartige rheologische Additive enthalten, eingeschlossen.
BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
Die erfindungsgemäßen Flüssigkeiten werden hauptsächlich als auf Öl basierende Bohrflüssigkeiten verwendet werden und am speziellsten für auf Öl basierende Invertemulsionsbohrflüssigkeiten, die bei Bohranwendungen mit hohen Temperaturen eingesetzt werden, obgleich sie auch Nutzen in einem weiten Bereich anderer auf Öl basierender Bohrflüssigkeiten finden könnten. Der Begriff auf Öl basierende Bohrflüssigkeit ist als eine Bohrflüssigkeit definiert, in der die kontinuierliche Phase auf Kohlenwasserstoffen basiert. Auf Öl basierende Flüssigkeiten, die mit über 5% Wasser formuliert sind, werden als auf Öl basierende Invertemulsionsbohrflüssigkeiten klassifiziert. Gewöhnlich werden auf Öl basierende Invertemulsionsbohrflüssigkeiten Wasser als die diskontinuierliche Phase in jedwedem Anteil bis zu ca. 50% enthalten.
Im Gegensatz zu spezifischen Organotonen, die hiervon erfindungsgemäß verwendbar sind, durchlaufen auf Öl basierende Invertschlämme, die mit üblichen organophilen Tonen verdickt sind, deutliche Viskositätsänderungen im Schlamm, wenn diese Schlämme auf weit über 175°C erhitzt werden, während Schlämme, die erfindungsgemäß hergestellt sind, über dieselben Temperaturbereiche extrem viskositätsstabiler sind. Als ein Ergebnis sind die erfindungsgemäßen Flüssigkeiten ideale Kandidaten für Anwendungen mit erhöhten Temperaturen, wie zum Beispiel geothermisches Bohren und gerichtetes Bohren.
Die bevorzugten erfindungsgemäßen Bohrungsflüssigkeiten sind auf Öl basierende Bohrflüssigkeiten, am bevorzugtesten auf Öl basierende Invertemulsionen. Der Begriff auf Öl basierende Bohrflüssigkeiten wird als auf Kohlenwasserstoffen basierende Bohrflüssigkeiten definiert. Auf Öl basierende Invertemulsionen haben eine „kontinuierliche" Ölphase und eine wässrige interne Phase. Der Begriff „Emulsion" wird gewöhnlich verwendet, um Systeme zu beschreiben, in denen Wasser die externe oder kontinuierliche Phase darstellt und Öl innerhalb der externen Phase dispergiert ist. Der Begriff „Invert-" bedeutet, dass die Kohlenwasserstoff-Öl-Substanz die kontinuierliche oder externe Phase darstellt und dass eine wässrige Flüssigkeit die interne Phase ist.
Es wird oft Wasser in Form von Salzlösung bei der Bildung der internen Phase dieser Flüssigkeitsarten verwendet. Wasser kann als eine wässrige Lösung definiert sein, die von ca. 10 bis 350 000 ppm (parts per million) an Metallionen enthalten kann, wie zum Beispiel Lithium-, Natrium-, Kalium-, Magnesium- oder Calciumionen. Die bevorzugten Salzlösungen, die zur Bildung der internen Phase der bevorzugten erfindungsgemäßen Flüssigkeit verwendet werden, enthalten von ca. 5 bis ca. 35 Gew.-% (gesättigt) Calciumchlorid und können verschiedene Mengen anderer gelöster Salze enthalten, wie zum Beispiel Natriumbicarbonat, Natriumsulfat, Natriumacetat, Natriumborat, Kaliumchlorid oder Natriumchlorid.
Das Verhältnis von Wasser (Salzlösung) zu Öl in den erfindungsgemäßen Emulsionen sollte im Allgemeinen einen Salzlösungsgehalt so hoch wie möglich bereitstellen, während eine stabile Emulsion noch aufrechterhalten wird, da eine Bohrflüssigkeit mit einem hohen Wassergehalt preiswerter und weniger unangenehm beim Arbeiten ist als eine Bohrflüssigkeit, die einen niedrigen Wassergehalt enthält. Es wurde gefunden, dass Öl/Salzlösungs-Verhältnisse im Bereich von ca. 95 zu 5 bis 50 zu 50, in Abhängigkeit von dem speziellen, ausgewählten Öl, zufriedenstellend funktionieren. Somit wird der Wassergehalt einer typischen Bohrflüssigkeit, die gemäß den Lehren der Erfindung hergestellt ist, einen wässrigen (Wasser-) Gehalt von ca. 0 bis 50 Vo.l-% aufweisen, wobei der bevorzugteste Bereich ca. 10 bis 30 Vol.-% beträgt, am stärksten bevorzugt ca. 20 Vol.-% der Bohrflüssigkeit.
Zur Bildung einer stabilen Emulsion kann auch ein oberflächenaktives Mittel oder Emulgierungsmittel zur externen, internen oder zu beiden Phasen gegeben werden. Das Emulgierungsmittel wird bevorzugt aus einer Anzahl von organischen Säuren ausgewählt, die dem Fachmann auf dem Gebiet von Bohrflüssigkeiten bekannt sind, einschließlich Monocarboxylalkan-, -alken- oder -alkinfettsäuren, die von 3 bis 20 Kohlenstoffatome enthalten, und Mischungen davon. Beispiele dieser Gruppe von Säuren schließen Stearin-, Öl-, Capron-, Caprin- und Buttersäure ein. Adipinsäure, ein Mitglied der aliphatischen Dicarbonsäuren, kann auch verwendet werden. Bevorzugtere oberflächenaktive Mittel oder Emulgierungsmittel schließen Kalk, Fettsäurecalciumsalze und Lecithin ein.
Es werden auch Beschwerungsstoffe verwendet, um die erfindungsgemäßen Bohrungsflüssigkeiten auf eine Dichte im bevorzugten Bereich von ca. 8 Pfund pro Gallone bis 18 Pfund pro Gallone und mehr zu beschweren. Im Stand der Technik gut bekannte Beschwerungsstoffe schließen Baryt, Ilmenit, Calciumcarbonat, Eisenoxid und Bleisulfid ein. Der bevorzugte Beschwerungsstoff ist gewerblich erhältliches Baryt.
Ein erfindungsgemäßer Aspekt ist die Bevorzugung von organophilem Ton, umfassend das Reaktionsprodukt von:

a) Hectorit-Ton mit einer Kationenaustauschkapazität von mindestens 75 Milliäquivalenten pro 100 Gramm Ton, 100% aktive Tonbasis; und
b) einem ersten organischen Kation, das durch ein alkoxyliertes quartäres Ammoniumsalz bereitgestellt wird; und
c) einem zweiten organischen Kation, worin solches zweite organische Kation kein alkoxyliertes quartäres Ammoniumsalz darstellt,

Ein wichtiger erfindungsgemäßer Aspekt bezieht sich daher auf ein Bohrflüssigkeitssystem, das folgendes umfasst:

a) eine auf Öl basierende Bohrflüssigkeitszusammensetzung; und
b) ein organophiles Ton-Geliermittel, umfassend das Reaktionsprodukt von:
i) Hectorit-Ton mit einer Kationenaustauschkapazität von mindestens 75 Milliäquivalenten pro 100 Gramm Ton, 100% aktive Tonbasis; und
ii) einem ersten organischen Kation, das durch ein alkoxyliertes quartäres Ammoniumsalz bereitgestellt wird; und
iii) einem zweiten organischen Kation, worin solches zweite organische Kation kein alkoxyliertes quartäres Ammoniumsalz darstellt,

Bevorzugte auf Öl basierende Bohrflüssigkeitszusammensetzungen sind auf Öl basierende Invertemulsionsflüssigkeiten.
Die erfindungsgemäß verwendbaren Organotone sind die Reaktionsprodukte von Hectorit-Tonen und definierten quartären Verbindungen. Hectorit-Ton ist im Stand der Technik gut bekannt und ist von verschiedenen Bezugsquellen, einschließlich Rheox, Inc., eine Elementis Specialities Firma, und IMV, eine Nevada Corporation, gewerblich erhältlich.
Die Tone, die erfindungsgemäß zur Herstellung der Organoton-Komponente der erfindungsgemäßen Bohrflüssigkeit verwendet werden können, sind Hectorit-Tone mit einer Kationenaustauschkapazität von mindestens 75 Milliäquivalenten pro 100 Gramm Ton, 100% aktive Tonbasis, wie durch die gut bekannten Ammoniumacetat- oder Methylenblau-Verfahren bestimmt wird.
Eine repräsentative Formel für Tone, die erfindungsgemäß verwendbar sind, ist die folgende:
Hectorit

[Mg_6-xLi_xSi₈O₂₀(OH)_4-fF_f]XR⁺ wobei 0,57 ≤ x ≤ 1,15, f ≤ 4 ist und R aus der Gruppe, die aus Na, Li, NH₄ und Mischungen davon besteht, ausgewählt ist;

Der bevorzugte Ton, der erfindungsgemäß zur Herstellung des erfindungsgemäß verwendeten Organotons verwendet wird, ist aufbereiteter Hectorit, obgleich synthetische und andere Formen von Hectoriten ebenfalls verwendet werden können. Eine Beschreibung von Hectorit kann in Clay Mineralogy von Ralph E. Grim, 2. Auflage (veröffentlich von McGraw Hill) gefunden werden.
Es wird zur Kenntnis genommen werden, dass beide Formen, geschert und ungeschert, der vorstehend aufgeführten Tone eingesetzt werden können. Außerdem kann der eingesetzte Hectorit-Ton entweder roh (Gangart oder Nicht-Ton-Stoff enthaltend) oder aufbereitet (Gangart entfernt) sein. Die Fähigkeit, rohen Ton als erfindungsgemäßen Ton zu verwenden, stellt eine beträchtliche Kosteneinsparung dar, da kein Ton-Aufbereitungsverfahren durchgeführt werden muss.
Die vorliegende Erfindung basiert auf der unerwarteten Entdeckung, dass Organotone, die mit spezifischen organischen Kationen hergestellt werden, eine verbesserte Stabilität der Viskosität bei erhöhten Temperaturen für auf Öl basierende Bohrsysteme sowie eine leichtere Dispergierbarkeit nach der Zusammenstellung bereitstellen.
Die erfindungsgemäß bedeutenden kationischen, organischen Salze können aus einer Vielfalt von Stoffen, die in der Lage sind, durch Austausch von Kationen mit dem Hectorit-Ton ein Organoton zu bilden, ausgewählt werden. Die organischen Kationen, die mit dem Hectorit-Ton eine Reaktion eingehen, müssen eine positive Ladung besitzten, die sich an einem einzigen Atom oder an einer kleinen Gruppe von Atomen innerhalb der Verbindung befindet. Das Kation kann durch Verbindungen bereitgestellt werden, die aus der Gruppe ausgewählt sind, die aus quartären Ammoniumsalzen, Phosphoniumsalzen, Sulfoniumsalzen und Mischungen davon besteht.
Das erste organische Kation ist ein alkoxyliertes quartäres Ammoniumsalz, dieses Salz kann bevorzugt von einer Verbindung bereitgestellt werden, die aus der Gruppe mit den folgenden Formeln ausgewählt ist:
worin R₁ = eine lineare C₁₂- bis C₁₈-Alkylgruppe darstellt, R₂ = R₁ oder Methyl darstellt, R₃ = Methyl oder R₄ darstellt und R₄ = (CH₂-CH₂O)_yH darstellt, worin y = 4 bis 12, bevorzugt 4 bis 8 darstellt, und X^– Chlorid darstellt.
Die Rohmaterialien, die zur Herstellung der ersten quartären Ammoniumverbindungen verwendet werden, können aus natürlichen Ölen, wie zum Beispiel Talg-, Soja-, Kokosnuss- und Palmöl, stammen.
Die Hydroxyalkylgruppen können aus einer großen Vielfalt von Ausgangsstoffen stammen, die Hydroxyl-substituierte aliphatische Radikale enthalten, worin das Hydroxyl nicht an dem Kohlenstoffatom lokalisiert ist, das dem positiv geladenen Atom benachbart ist; die Gruppe hat von 2 bis 6 aliphatische Kohlenstoffatome. Die Alkylgruppe kann mit einem aromatischen Ring unabhängig von den 2 bis 6 aliphatischen Kohlenstoffen substituiert sein. Repräsentative Beispiele schließen 2-Hydroxyethyl; 3-Hydroxypropyl; 4-Hydroxypentyl; 6-Hydroxyhexyl; 2-Hydroxypropyl; 2-Hydroxybutyl; 2-Hydroxypentyl; 2-Hydroxyhexyl; 2-Hydroxycyclohexyl; 3-Hydroxycyclohexyl; 4-Hydroxycyclohexyl; 2-Hydroxycyclopentyl; 3-Hydroxycyclopentyl, 2-Methyl-2-hydroxypropyl; 1,1,2-Trimethyl-2-hydroxypropyl; 2-Phenyl-2-hydroxyethyl; 3-Methyl-2-hydroxybutyl; und 5-Hydroxy-2-pentenyl ein.
Erläuternde Beispiele von geeigneten alkoxylierten quartären Ammoniumchloridverbindungen schließen solche ein, die unter dem Handelsnamen Ethoquad von Akzo Chemie America erhältlich sind, zum Beispiel Methylbis(2-hydroxyethyl)kokosalkylammoniumchlorid, quartäres Methylbis(polyoxyethylen [15])kokosalkylammoniumchlorid, Methylbis(2-hydroxyethyl)oleylammoniumchlorid, quartäres Methylbis(polyoxyethylen [15])oleylammoniumchlorid und quartäres Methylbis(polyoxyethylen [15])octadecylammoniumchlorid, worin die Zahlen in Klammern die Gesamtanzahl der Ethylenoxid-Einheiten angeben. Besonders nützlich ist Ethoquad 18/25.
Das zweite organische Kation stellt eine oder mehrere, ohne weiteres auf dem Markt erhältliche, quartäre Ammoniumverbindung(en) dar, die keine alkoxylierten quartären Ammoniumsalze sind.
Besonders nützlich als quartäre Ammoniumverbindungen sind solche mit der Formel:
worin R₅ eine Gruppe umfasst, die aus linearen oder verzweigten aliphatischen, Aralkyl- oder aromatischen Kohlenwasserstoffgruppen mit von 8 bis 30 Kohlenstoffatomen oder Alkylester-Gruppen mit 8 bis 30 Kohlenstoffatomen ausgewählt ist; R₆, R₇ und R₈ unabhängig aus der Gruppe ausgewählt sind, bestehend aus (a) linearem oder verzweigtem aliphatischem Kohlenwasserstoff, Fluorkohlenwasserstoff oder anderen Halogenkohlenwasserstoffgruppen mit von 1 bis ca. 30 Kohlenstoffatom(en); (b) Aralkyl- oder aromatischen Gruppen mit von 6 bis ca. 30 Kohlenstoffatomen, (c) Amidgruppen, (d) Oxazolidin-Gruppen, (e) Allyl-, Vinyl- oder anderen Alkenyl- oder Alkinylgruppen, die eine reaktive Ungesättigtheit besitzen und von 2 bis ca. 30 Kohlenstoffatome aufweisen, (f) Wasserstoff und (g) Estern; und X^– ein Anion umfasst, das aus der Gruppe ausgewählt ist, bestehend aus Chlorid, Methylsulfat, Acetat, Iodid und Bromid, bevorzugt Chlorid. Zu erfindungsgemäßen Zwecken sind auf quartärem Phosphonium und Sulfonium basierende Salze wie in der Definition der quartären Ammoniumverbindung definiert.
Die Rohmaterialen, die zur Herstellung dieser quartären Ammoniumverbindungen verwendet werden, können aus natürlichen Ölen stammen, wie zum Beispiel Talg-, Soja-, Kokosnuss- und Palmöl. Verwendbare aliphatische Gruppen in der vorstehenden Formel können aus anderen natürlich vorkommenden Ölen, einschließlich verschiedenen pflanzlichen Ölen, wie zum Beispiel Maiskeimöl, Kokusnussöl, Sojaöl, Baumwollsamenöl, Castoröl und dergleichen, sowie verschiedenen tierischen Ölen oder Fetten stammen. Die aliphatischen Gruppen können gleichermaßen aus der Petrochemie stammen, zum Beispiel aus Alpha-Olefinen. Repräsentative Beispiele von verwendbaren verzweigten, gesättigten Radikalen schlossen 12-Methylstearyl und 12-Ethylstearyl ein.
Beispiele von verwendbaren aromatischen Gruppen schließen folgende ein: Benzyl und Benzyl-artige Stoffe, die von Benzylhalogeniden, Benzhydrylhalogeniden, Tritylhalogeniden, Halogenphenylalkanen, worin die Alkylkette von 1 bis 30 Kohlenstoffatome aufweist, wie zum Beispiel 1-Halogen-1-phenyloctadecan, stammen; substituierte Benzyl-Einheiten, wie zum Beispiel jene, die von ortho-, meta- undpara-Chlorbenzylhalogeniden, para-Methoxybenzylhalogeniden, ortho-, meta- und para-Nitrilbenzylhalogeniden und ortho-, meta- und para-Alkylbenzylhalogeniden, worin die Alkylkette von 1 bis 30 Kohlenstoffatome) enthält, abstammen; und annelierte Benzyl-artige Ringeinheiten, wie zum Beispiel jene, die von 2-Halogenmethylnaphthalen, 9-Halogenmethylanthracen und 9-Halogenmethylphenanthren abstammen, worin die Halogengruppe Chlor, Brom oder eine jedwede andere derartige Gruppe umfasst, die als Abgangsgruppe bei einem nucleophilen Angriff der Benzyl-artigen Einheit durch ein Stickstoffatom zur Bildung eines substituierten Amins dient.
Beispiele von anderen aromatischen Gruppen schließen Aromaten-artige Substituenten ein, wie zum Beispiel Phenyl und substituiertes Phenyl; N-Alkyl- und N,N-Dialkylaniline, wobei die Alkylgruppen zwischen 1 und 30 Kohlenstoffatom(e) enthalten; ortho-, meta- und para-Nitrophenyl, ortho-, meta- und para-Alkylphenyl, worin die Alkylgruppe zwischen 1 und 30 Kohlenstoffatom(e) enthält; 2-, 3- und 4-Halogenphenyl, worin die Halogengruppe als Chlor, Brom oder Iod definiert ist; und 2-, 3- und 4-Carboxyphenyl und Ester davon, wobei der Alkohol des Esters von einem Alkylalkohol stammt, worin die Alkylgruppe zwischen 1 und 30 Kohlenstoffatom(e) enthält, Aryl, wie zum Beispiel Phenyl, oder Aralkyl, wie zum Beispiel Benzylalkoholen; und annelierte Aryl-Ringeinheiten, wie zum Beispiel Naphthalen, Anthracen und Phenanthren.
Bevorzugte quartäre Ammoniumverbindungen für erfindungsgemäße Zwecke umfassen ein quartäres Ammoniumsalz, das mindestens eine, bevorzugt zwei oder drei, Kohlenstoffkette(n) mit von ca. 8 bis ca. 30 Kohlenstoffatomen und entweder Methyl oder Benzyl enthält.
Einige Beispiele von besonders bevorzugten quartären Ammoniumverbindungen zur Herstellung der erfindungsgemäßen Zusammensetzungen sind: Dimethylbis-[hydrierter Talg]-ammoniumchlorid (2M2HT), Methylbenzylbis-[hydrierter Talg]-ammoniumchlorid (MB2HT) und Methyltris-[hydrierter Talg-alkyl]-chlorid (M3HT).
Für das zweite organische Kation verwendbare Verbindungen sind von Akzo Nobel, CECA (eine französische chemische Firma), Witco Corporation und KAO Chemical Company of Japan hergestellt.
Ebenfalls sehr nützlich sind handelsübliche Produkte, die vorgemischte Flüssigkeiten mit zwei organischen Kationen sind, die beide der zwei Arten der vorstehend beschriebenen, quartären Ammoniumverbindungen enthalten. Besonders nützlich ist Varisoft STD, hergestellt von Goldschmidt, eine Mischung von alkoxylierten und nicht-alkoxylierten quartären Ammoniumverbindungen der vorstehend beschriebenen Arten innerhalb des angegebenen Bereiches; der bestimmte Varisoft 5TD-Bereich ist ungefähr ein Teil nicht-alkoxylierte quartäre Ammoniumverbindung zu zwei Teilen alkoxylierte quartäre Ammoniumverbindung – es wurde gefunden, dass dieser Bereich besonders wirkungsvoll ist.
Die Herstellung der organischen Salze kann durch imStand der Technik gut bekannte Techniken erzielt werden. Die ersten erfindungsgemäßen quartären Verbindungen können typischerweise durch Reaktion von primären oder sekundären Aminen mit Alkylenoxiden, wie zum Beispiel Ethylen- und Propylenoxiden, gefolgt von Quaternisierung, hergestellt werden. Beispielsweise kann ein Fachmann bei der Herstellung eines quartären Ammoniumsalzes ein sekundäres Dialkylamin beispielsweise durch Hydrierung von Nitrilen herstellen, siehe US-Patent Nr. 2,355,356, und dann das tertiäre alkoxylierte Dialkylamin durch Reaktion mit Alkylenoxiden, wie zum Beispiel Ethylen- und Propylenoxiden, bilden.
Für die zahlreichen Patente, die im Allgemeinen organische kationische Salze, ihre Herstellungsweise und ihre Verwendung bei der Herstellung von organophilen Tonen beschreiben, sind allgemein übertragene US-Patente Nr. 2,966,506; 4,081,496, 4,105,578; 4,116,866; 4, 208, 218; 4,391,637; 4,410,364; 4,412,018; 4,434,075; 4,434,076; 4,450,095 und 4,517,112, deren Inhalte hierin unter Bezugnahme eingeschlossen sind, erläuternd.
Der Ton ist bevorzugt in Wasser bei einer Konzentration von ca. 0,5 bis 80 Gew.-%, am bevorzugtesten von ca. 2 bis 8 Gew.-%, dispergiert.
Um das Scheren des Hectorit-Tons zu erreichen, ist der Ton typischerweise in Wasser bei einer Konzentration von ca. 0,5 bis ca. 80 Gew.-% dispergiert. Der Schlamm kann wahlweise zuerst zentrifugiert werden, um Nicht-Ton-Verunreinigungen zu entfernen, die ca. 2% bis ca. 70% der Ausgangstonzusammensetzung ausmachen. Wenn der Ton zuvor behandelt wurde, zum Beispiel von dem Tonlieferanten, um Verunreinigungen zu entfernen, kann natürlich der behandelte Ton in einen Schlamm umgewandelt werden und den Scherbedingungen unterworfen werden. Scherung kann dem Hectorit-Ton-Schlamm mit Hilfe von gewerblich erhältlicher Ausrüstung, die dafür bekannt ist, dem Stoff ein hohe Scherung zu verleihen, verliehen werden. Für eine derartige Ausrüstung sind folgende erläuternd: Manton-Gaulon Homogenizer erhältlich von Manton-Gaulon Company, Tekmar SD-45 Homogenizer, erhältlich von Telanar Company, Sharples Super Centrifuge (Zentrifuge), erhältlich von Sharples Division of Pennwalt Corporation, Oakes Mühle, erhältlich von Oakes Machinery, Waring Blendor, erhältlich von Waring Products, Microfluidizer, erhältlich von Microfluidics Corporation, ein Unternehmensbereich von Biotechnology Corporatian, und ähnliche Geräte, die dem Ton-Schlamm hohe laminare und turbulente Scherung verleihen können. Beispielhafte Bedingungen unter Verwendung eines Manton-Gaulon Homogenisators ist ein Druck im Bereich von ca. 500 bis ca. 8000 psi bei einem Durchgang oder mehreren Durchgängen des Ton-Schlamms durch den Homogenisator. Repräsentative Verfahren zum Scheren von Ton-Schlämmen sind in den US-Patenten 4,695,402 und 4 743 098 beschrieben, die beide hierin unter Bezugnahme eingeschlossen sind.
Der Organoton kann durch Zusammenmischen eines Hectorit-Tons, der (zwei) quartären Ammoniumverbindung(en) und Wasser, bevorzugt bei Temperaturen im Bereich von 20°C bis 100°C, und am bevorzugtesten von 35°C bis 80°C, für eine Zeitdauer ausreichend für die Reaktion der organischen Verbindungen mit dem Ton. Nach der Reaktion folgt das Filtern, Waschen, Trocknen und Mahlen des Organo-Ton-Produktes.
Die erfindungsgemäß hergestellten organophilen Ton-Geliermittel werden als rheologische Additive in Bohrflüssigkeitszusammensetzungen, wie zum Beispiel auf Öl basierende Bohrflüssigkeiten oder Invertemulsionsbohrflüssigkeiten, verwendet. Diese Flüssigkeiten werden durch jedwedes konventionelle Bohrflüssigkeitsverfahren hergestellt, einschließlich Kolloidmühlen, Walzmühlen, Kugelmühlen, Disperger mit hoher und niedriger Geschwindigkeit. Folglich werden erfindungsgemäß auch Zusammensetzungen mit nicht-wässrigen Lösungsmitteln bereitgestellt, die mit dem vorstehend angegebenen organophilen Ton-Geliermittel verdickt werden.
Die erfindungsgemäß verwendbaren organophilen Tone werden zu den Bohrflüssigkeitszusammensetzungen in Mengen gegeben, die ausreichend sind, um die gewünschten rheologischen Eigenschaften zu erhalten. Die Mengen des zuzugebenden organophilen Ton-Geliermittels betragen von ca. 0,01 % bis 15%, bevorzugt von ca. 0,3% bis 5%, bezogen auf das Gesamtgewicht des Flüssigkeitssystems.
In einer erfindungsgemäßen Ausführungsform wird ein Verfahren zur Bereitstellung von weniger Temperatur-abhängigen rheologischen Eigenschaften für eine auf Öl basierende Bohrflüssigkeit der Art, die bei Bohrarbeiten mit hohen Temperaturen verwendet wird, bereitgestellt, umfassend:

(1) Herstellung einer auf Öl basierenden, einschließlich einer Invertemulsions-, Bohrflüssigkeitsgrundzusammensetzung; und
(2) Inkorporation in eine derartige auf Öl basierende Bohrflüssigkeitsgrund- oder Invertemulsionszusammensetzung; ein oder mehrere Organoton(e), die wie vorstehend beschrieben hergestellt sind. Das erfindungsgemäße Verfahren kann Nutzen bei der Herstellung anderer nicht-wässriger Flüssigkeitssysteme finden, bei denen eine verbesserte Stabilität der Viskosität über einen Temperaturbereich erforderlich ist. In einer bevorzugten erfindungsgemäßen Ausführungsform wird eine auf Öl basierende oder Invertemulsionsbohrflüssigkeit eingeschlossen, umfassend:
(3) eine auf Öl basierende Bohrflüssigkeitsgrundzusammensetzung; und
(4) ein oder mehrere Organoton(e), die wie hierin beschrieben hergestellt sind.

Komponente a), eine auf Öl basierende oder eine Invertemulsionsbohrflüssigkeitsgrundzusammensetzung, ist eine Bohrflüssigkeitszusammensetzung, in der die kontinuierliche Phase auf Kohlenwasserstoff basiert. Auf Öl basierende Flüssigkeiten, die mit über 5% Wasser formuliert sind, sind für den erfindungsgemäßen Zweck als auf Öl basierende Invertemulsionsbohrflüssigkeiten definiert.
Die bevorzugten erfindungsgemäßen Grundflüssigkeitszusammensetzungen sind auf Öl basierende Invertemulsionen. Derartige Flüssigkeiten haben eine „kontinuierliche" Ölphase und eine interne wässrige Phase.
Allgemein werden auf Öl basierende Invertemulsionsbohrflüssigkeiten Wasser als die diskontinuierliche Phase in jedwedem Anteil bis zu ca. 50% enthalten. Zur Hintergrundinformation: der Begriff „Emulsion" wird allgemein zur Beschreibung von Systemen verwendet, in denen Wasser die externe oder kontinuierliche Phase ist und Öl in der externen Phase dispergiert ist. Der Begriff „Invert-" bedeutet, dass die Kohlenwasserstoff-Öl-Substanz die kontinuierliche oder externe Phase ist und dass eine wässrige Flüssigkeit die interne Phase darstellt. Bei der Bildung der internen Phase dieser An von Grundflüssigkeiten wird oft Wasser in Form von Salzlösung verwendet.
Außer rheologischen Additiven, die Viskosität und Antiabsetzeigenschaften regulieren, kann eine Anzahl anderer Additive, die andere Eigenschaften bereitstellen, in der Flüssigkeit verwendet werden, um gewünschte Anwendungseigenschaften, wie zum Beispiel Emulgierungsmittel oder Emulgiersysteme, Beschwerungsmittel, Additive zur Vermeidung von Flüssigkeitsverlust und Benetzungsadditive zu erhalten.
Die erfindungsgemäßen Flüssigkeiten können durch einfaches Trockenmischen des organophilen Tons oder der organophilen Tone im richtigen Gewichtsverhältnis in die Bohrflüssigkeit hergestellt werden oder es können pulvrige Komponenten getrennt zu der Flüssigkeit gegeben werden.
Ein Verfahren zur Herstellung von Invertemulsionsbohrflüssigkeiten (Ölschlämme) schließt die Verwendung eines Mischungsgeräts ein, um die einzelnen Komponenten zur Zusammenstellung dieser Flüssigkeit einzuarbeiten. Primäre und sekundäre Emulgierungsmittel und Benetzungsmittel (Mischung von oberflächenaktiven Mitteln) werden unter moderatem Rühren zum Grundöl (kontinuierliche Phase) gegeben. Die Wasserphase, üblicherweise eine Salzlösung, wird, zusammen mit Alkalität kontrollierenden Mitteln und Fängern für saure Gase, zum Grundöl/zur Mischung von oberflächenaktiven Mitteln gegeben. Rheologische Additive sowie Stoffe zur Kontrolle von Flüssigkeitsverlust, Beschwerungsmittel und Chemikalien zum Korrosionsschutz werden auch eingeschlossen und das Rühren wird fortgesetzt, um die Dispersion von jedem Inhaltsstoff und das Homogenat der resultierenden verflüssigten Mischung zu gewährleisten.
Wie hierin diskutiert, ist die Verwendung des Begriffs auf Öl basierende oder Invertemulsionsbohrflüssigkeitsgrundzusammensetzung derart definiert, dass das Grundöl zuzüglich aller anderen Inhaltsstoffe zur Herstellung des Ölschlamms, mit Ausnahme des rheologischen Organoton-Mittels, gemeint sind. Es ist zu beachten, dass die Reihenfolge der Zugabe des rheologischen Additivs grundsätzlich zufällig sein kann, d.h. das rheologische Organoton-Additiv kann mit anderen Inhaltsstoffen vor der Inkorporation vorgemischt oder allein zugegeben werden. Derartige Produkte können unter Verwendung der großen Vielfalt an Mischungstechniken bei der Herstellung, die im Stand der Technik und dem Fachmann auf dem Gebiet bekannt sind, zur Grundbohrflüssigkeit gegeben werden.
Erfindungsgemäße Bohrflüssigkeiten zeigen verminderte Verluste an Viskosität, wenn die Bohrflüssigkeit über eine Temperatur von 175°C erhitzt wird.
Die folgenden Beispiele stellen Erläuterungen zur Unterstützung des Fachmanns für Bohrflüssigkeiten bei der erfindungsgemäßen Anwendung dar, doch sollen den großen erfindungsgemäßen Umfang nicht beschränken. Es können verschiedene Modifikationen und Veränderungen vorgenommen werden, ohne vom Wesentlichen und Sinn der Erfindung abzuweichen. Die verschiedenen Chemikalien, die in den Beispielen verwendet wurden, sind gewerbliche Stoffe, mit Ausnahme der erfindungsgemäßen Bohrflüssigkeiten.
Beispiel 1
Bohrflüssigkeiten wurden gemäß Standard-API-Methoden unter Verwendung von Formulierungen, die in den Tabellen 1 bis 3 beschrieben sind, hergestellt. Nachdem alle Stoffe eingearbeitet wurden, wurde jede Probe vor der Messung der Viskositäten bei 120°F für zusätzliche 20 Minuten geschert. Nachdem das rheologische Profil gemessen wurde, wurde jede Probe durch Hitzeeinwirkung bei Temperaturen im Bereich von 300°F bis 550°F (50-F-Intervalle) dynamisch gealtert. Nach dem Abkühlen und erneutem Mischen für 10 Minuten wurden die rheologischen Eigenschaften gemessen. Nach der Zugabe von 4 Pfund/Barrel Kalk zu jeder Probe wurden die Proben vor dem Warmwalzen für zusätzliche 5 Minuten geschert. Tabelle 1 zeigt die Ergebnisse unter Verwendung von normalem organophilen Ton. Tabellen 2 und 3 zeigen die Ergebnisse für erfindungsgemäße Zusammensetzungen.
Tabelle 1 Additiv: Bentone 38 Organoton (gewerbliches, auf Hectorit basierendes Produkt von Rheox, Inc., nur unter Verwendung des zweiten, vorstehend beschriebenen, organischen Kations hergestellt).
TESTERGEBNISSE
Diskussion der Ergebnisse: Tabelle 1 zeigt, dass der organophile Ton seine Fähigkeit verliert, über 350°F Schnitte und Baryte zu suspendieren und zu transportieren. Dies wird durch die niedrige Rheologie bei 6 und 3 rpm sowie die Ergebnisse des 10 Sek. Gels sichtbar.
Tabelle 2 Hochtemperatur-Rheologie-Modifizierer Additiv: Organoton, unter Verwendung von Hectorit und 75 Gew.-% 2M2HT:25 Gew.-% Ethoquad 18/25 (95 ME) hergestellt
TESTERGEBNISSE
Diskussion der Ergebnisse: Tabelle 2 zeigt, dass die erfindungsgemäßen Zusammensetzungen die rheologischen Eigenschaften bis 450°F aufrechterhalten. Wie aus den Ablesungen bei 6 und 3 rpm, sowie dem 10 Sek. Gel, ersichtlich ist, liegt bis 450°F keine Erniedrigung der Viskosität bei niedriger Schergeschwindigkeit vor. Diese gemessenen Werte sind für den Fachmann der Industrie als die Viskosität bei niedriger Schergeschwindigkeit ersichtlich, die zur Aufrechterhaltung des Suspendierens and Transportierens von Schnitten und Baryt notwendig ist.
Tabelle 3 Hochtemperatur-Rheologie-Modifizierer Organoton, unter Verwendung von Hectorit und Varisoft STD hergestellt
TESTERGEBNISSE
Diskussion der Ergebnisse: Tabelle 3 zeigt, dass die erfindungsgemäßen Zusammensetzungen die rheologischen Eigenschaften bis 500°F aufrechterhalten. Wie aus den Ablesungen bei 6 und 3 rpm, sowie dem 10 Sek. Gel, ersichtlich ist, liegt bis 500°F keine Erniedrigung der Viskosität bei niedriger Schergeschwindigkeit vor. Diese gemessenen Werte sind für den Fachmann der Industrie als die Viskosität bei niedriger Schergeschwindigkeit ersichtlich, die zur Aufrechterhaltung des Suspendierens and Transportierens von Schnitten und Baryt notwendig ist.
Beispiel 2
Eine Stufenserie von organischen Kationmischungen wurden zur Reaktion mit Hectorit zur Bildung von Organotonen in derselben Bohrflüssigkeitsformulierung, die in Tabelle 2 eingesetzt ist, verwendet und die erhaltenen Ergebnisse sind in Tabelle 4 gezeigt.
Tabelle 4 Hochtemperatur-Rheologie-Modifizierer

Ethoquad 18/25

= Octadecylmethyl-[ethoxyliert (15)]-ammoniumchlorid

Diskussion der Ergebnisse:
Tabelle 4 zeigt, dass die erfindungsgemäße Zusammensetzung die höchste Viskosität bereitstellt nachdem die Bohrflüssigkeit 450°F bei einem Verhältnis ausgesetzt wird, bei dem die ethoxylierte quartäre Ammoniumverbindung mindestens 25% der gesamten quartären Ammoniumverbindung beträgt. Es wird zwischen 20% und 25% ethoxylierter quartärer Ammoniumverbindung eine stabile Bohrflüssigkeit erhalten. Es wird zwischen 25% und 50% ethoxylierter quartärer Ammoniumverbindung der effektivste Viskositätsaufbau nach 450°F erzielt. Unterhalb von 20% ethoxylierter quartärer Ammoniumverbindung wird keine Stabilität bei hoher Temperatur erreicht. Die Viskosität der Schergeschwindigkeiten 6 und 3 rpm ist für den Fachmann der Industrie als die Viskosität bei niedrigen Schergeschwindigkeiten ersichtlich, die zur Aufrechterhaltung des Suspendierens and Transportierens von Schnitten und Baryt notwendig ist.
Beispiel 3
Es wurden eine Reihe von Tests durchgeführt, um den effektivsten Bereich der molaren Äquivalente zu zeigen. Es wurde Hectorit mit einer Kationenaustauschkapazität von ungefähr 95 (wie durch das Ammoniumacetat-Verfahren bestimmt wurde) verwendet. Die Ergebnisse sind in Tabelle 5 gezeigt.
Tabelle 5 Effekte von ME auf das Verhalten von Varisoft STD Organoton in einer Invertemulsionsbohrflüssigkeit 12 lbs/bbl Additiv 80:20; 12 ppg für 16 Stunden warmgewalzt

ME

= Gesamt-ME von beiden quartären Ammoniumverbindungen, ME-Verhältnis der ersten quartären Ammoniumverbindung betrug ungefähr 1/3 des Gesamt-ME.

Diskussion der Ergebnisse:
Tabelle 5 zeigt, dass die erfindungsgemäße Zusammensetzung eine effektivste, thermisch stabile Bohrflüssigkeit bereitstellt, wenn das Milliäquivalentverhältnis (ME) größer als 85 ME und kleiner als 105 ME beträgt. Bei 85 ME und darunter wird die Viskosität nach dynamischer Alterung durch Hitzeeinwirkung bei 450°F nicht so gut aufrechterhalten. Bei 105 ME und darüber wird die Viskosität nach dynamischer Alterung durch Hitzeeinwirkung bei 450°F nicht so gut aufrechterhalten. Bei einem ME von 95 wird eine thermisch stabile Bohrflüssigkeit erhalten. Die Viskosität der Schergeschwindigkeiten 6 und 3 rpm ist für den Fachmann der Industrie als die Viskosität bei niedrigen Schergeschwindigkeiten ersichtlich, die zur Aufrechterhaltung des Suspendierens and Transportierens von Schnitten und Baryt notwendig ist. Wir definieren „ungefähr gleich der Kationenaustauschkapazität" mit der Bedeutung von 10 ME über bis 10 ME unter der Kationenaustauschkapazität des verwendeten Tons.
Beispiel 4
Es wurde eine Reihe von Tests zum Vergleich des Verhaltens von Bentonit mit Hectorit bei der Herstellung eines Organotons ausgeführt und die erhaltenen Ergebnisse sind in Tabelle 6 gezeigt.
Diskussion der Ergebnisse:
Tabelle 6 zeigt, dass die erfindungsgemäße Zusammensetzung eine thermisch stabile Bohrflüssigkeit bereitstellt, wenn der verwendete Ton Hectorit ist. Bei der Verwendung von Bentonit wird die Viskosität nach dynamischer Alterung durch Hitzeeinwirkung bei 350°F und darüber nicht aufrechterhalten. Bei der Verwendung von Hectorit wird eine thermisch stabile Bohrflüssigkeit, stabil bis 450°F, erhalten. Die Viskosität der Schergeschwindigkeiten 6 und 3 rpm ist für den Fachmann der Industrie als die Schergeschwindigkeiten ersichtlich, die zur Aufrechterhaltung des Suspendierens and Transportierens von Schnitten und Baryt entscheidend sind.
Die vorangegangene Hintergrundinformation, Beschreibung und Beispiele sind lediglich zur Erläuterung der Erfindung dargelegt und sollen keine Einschränkung darstellen.

Claims

Organophiles Ton-Additiv für auf Öl basierende Bohrflüssigkeiten, wobei solche Flüssigkeiten mit verbesserten temperaturstabilen rheologischen Eigenschaften bereitgestellt werden, umfassend das Reaktionsprodukt von: a) Hectorit-Ton mit einer Kationenaustauschkapazität von mindestens 75 Miniäquivalenten pro 100 Gramm Ton, 100 aktive Tonbasis; und b) einem ersten organischen Kation, das durch ein alkoxyliertes quartäres Ammoniumsalz bereitgestellt wird; und c) einem zweiten organischen Kation, worin solches zweite organische Kation nicht durch ein alkoxyliertes quartäres Ammoniumsalz bereitgestellt wird; worin das zweite organische Kation in einer Menge von ca. 25 Gew.-% bis ca. 75 Gew.-% bezogen auf den organischen Gesamtkationengehalt vorliegt, und die Gesamtmenge von organischen Kationen b) und c) ungefähr gleich der Kationenaustauschkapazität des Hectorit-Tons ist.
Additiv nach Anspruch 1, worin das genannte erste organische Kation durch eine Verbindung bereitgestellt wird, die aus der Gruppe mit der folgenden Formel ausgewählt ist:
worin N Stickstoff darstellt, X Chlorid darstellt, R₁ = eine lineare C₁₂- bis C₁₈-Alkylgruppe darstellt, R₂ = R₁ oder Methyl darstellt; R₃ = Methyl oder R₄ darstellt und R₄ = (CH₂-CH₂O)_yH darstellt, worin y = 4 bis 12, bevorzugt 4 bis 8 darstellt.
Additiv nach Anspruch 2, worin R₁ und R₂ jeweils unabhängig eine lineare C₁₂- bis C₁₈-Alkylgruppe darstellen.
Additiv nach einem der Ansprüche 1 bis 3, worin das zweite organische Kation mehr als 50 % der Gewichtsmenge des organischen Gesamtkationengehalts beträgt.
Additiv nach einem der Ansprüche 1 bis 4, worin das genannte zweite organische Kation eine Verbindung der Formel
darstellt, worin R₅ eine Gruppe umfasst, die aus linearen oder verzweigten aliphatischen, Aralkyl- oder aromatischen Kohlenwasserstoffgruppen mit von 8 bis 30 Kohlenstoffatomen oder Alkylester-Gruppen mit 8 bis 30 Kohlenstoffatomen ausgewählt ist; R₆, R₇ und R₈ unabhängig aus der Gruppe ausgewählt sind, bestehend aus (a) linearem oder verzweigtem aliphatischem Kohlenwasserstoff, Fluorkohlenwasserstoff oder anderen Halogenkohlenwasserstoffgruppen mit von 1 bis ca. 30 Kohlenstoffatom(en); (b) Aralkyl- oder aromatischen Gruppen mit von 6 bis ca. 30 Kohlenstoffatomen, (c) Amidgruppen, (d) Oxazolidin-Gruppen, (e) Allyl-, Vinyl- oder anderen Alkenyl- oder Alkinylgruppen, die eine reaktive Ungesättigtheit besitzen und von 2 bis ca. 30 Kohlenstoffatomen aufweisen, (f) Wasserstoff und (g) Estern; und X' ein Anion umfasst, das aus der Gruppe ausgewählt ist, bestehend aus Chlorid, Methylsulfat, Acetat, Iodid und Bromid, bevorzugt Chlorid.
Additiv nach Anspruch 5, worin das genannte zweite organische Kation aus Dimethylbis-[hydriertem Talg]-ammoniumchlorid (2M2HT), Methylbenzylbis-[hydriertem Talg]-ammoniumchlorid (MB2HT) und Methyltris-[hydriertem Talgalkyl]-chlorid (M3HT) ausgewählt ist.
Additiv nach einem der Ansprüche 1 bis 6, worin der Hectorit-Ton aus Rohhectorit, natürlichem Hectorit, aufbereitetem Hectorit, synthetischem Hectorit, sprühgetrocknetem Hectorit und Gemischen davon ausgewählt ist.
Additiv nach Anspruch 7, worin genannter Hectorit-Ton aufbereiteten Hectorit-Ton darstellt.
Auf Öl basierende Bohrflüssigkeit mit verbesserten temperaturstabilen rheologischen Eigenschaften, welche eine auf Öl basierende Bohrflüssigkeitszusammensetzung und ein organophiles Ton-Additiv nach einem der Ansprüche 1–8 umfasst.
Bohrflüssigkeit nach Anspruch 9 in der Form einer auf Öl basierenden Invertemulsion.
Bohrflüssigkeit nach Anspruch 9 oder 10, worin das genannte organophile Ton-Additiv in einer Menge von ca. 0,01 % bis ca. 15 % bezogen auf das Gesamtgewicht des genannten Flüssigkeitssystems vorliegt.
Flüssigkeit nach einem der Ansprüche 9 bis 11, worin das organophile Ton-Additiv von 0,3 % bis 5 % bezogen auf das Gesamtgewicht der Flüssigkeit umfasst.
Flüssigkeit nach einem der Ansprüche 9 bis 12, die eine stabilere Viskosität der Bohrflüssigkeit bei Temperaturen von über 175 °C hinausgehend als Bohrflüssigkeiten aufweist, die übliche Organotone enthalten, worin die Viskosität der Flüssigkeit anhand eines Tests gemessen wird, der aus der scheinbaren Viskosität, der plastischen Viskosität und der Fließgrenze ausgewählt ist.
Verfahren zur Bereitstellung verbesserter temperaturstabiler rheologischer Eigenschaften an eine auf Öl basierende Bohrflüssigkeit, insbesondere eine auf Öl basierende Invertemulsion, umfassend: (1) Herstellung einer auf Öl basierenden Bohrflüssigkeitsgrundzusammensetzung; und (2) Inkorporation in eine derartige Bohrflüssigkeitsgrundzusammensetzung von einem oder mehr Additiven) nach einem der Ansprüche 1 bis 8.