專利名稱：基于多胺和脂肪酸/馬來酸酐的乳化劑的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種基于通過多胺和脂肪酸/馬來酸酐的用于油基鉆井液的乳化劑。本發明還涉及含有本發明乳化劑的油基或合成基鉆井液以及使用該鉆井液的鉆井方法。
背景技術：
鉆井液是一種特別設計的流體，在井筒被鉆孔時循環流過井筒以促進鉆孔操作。鉆井液促進了從井筒除去鉆孔碎屑、冷卻和潤滑鉆頭，幫助支撐鉆桿和鉆頭，并提供靜水壓力以保持井筒壁的完整性，從而使井破裂的趨勢最小化。根據特定地質組成的特征選擇特定的鉆井液體系，從而使鉆井操作最優化。油基或合成基鉆井液，或反相乳液，通常用于鉆孔溶脹或膨脹性頁巖、鹽、石膏、硬石膏或其它蒸發巖地層，含硫化氫的地層，以及熱(高于約300° F)洞，但是可以用于其它能穿透地層的洞中。這種鉆井液通常含有油或合成油或其它合成材料或合成流體(“合成”)作為連續相，還可以含有通過乳化分散在水中的水，從而在流體中沒有明顯的水層。術語“油基鉆井液”或“油基或合成基鉆井液” 一般表示反相油基鉆井乳液或反相乳液。所有油基鉆井液簡單地含有100體積％油作為液相；也就是說，沒有含水的內相。反相乳液鉆井液可以一般含有約50 50至95 5體積的油相/水相比率。用于轉井的反相乳液一般含有用于外相的基礎油或合成流體；用于內相的鹽水溶液(通常是含有約30%氯化鈣的溶液)；和其它用于懸浮、降濾失、密度、油潤濕、乳化、過濾和流變控制的試劑或添加劑。美國專利6006831公開了電子測井液和其使用方法。在第2欄第40行起，此專利描述了通過多胺與脂肪酸和基礎酸例如馬來酸和富馬酸反應獲得的乳化劑。但是，沒有公開本發明中的從馬來化松漿油脂肪酸和高級多胺衍生的特殊乳化劑或它們在高溫/高壓應用中作為乳化劑的有效性。美國專利4，508，628公開了快速鉆井反相乳液鉆井液。優選的聚酰胺乳化劑如下制備先使多胺與脂肪酸反應形成酰氨基胺，然后使酰氨基胺中間體與二羧酸、優選馬來酸或富馬酸反應。但是，從此專利的公開內容可見，多胺限制為非常短鏈的多胺(第5欄第30行)。另外，此專利的乳化劑必須溶解在溶劑中以在室溫下是液體。美國專利3，169，113公開了用于油包水型酸性壓裂液的乳化劑。公開的乳化劑具有兩種組分 (a)具有C2_6亞烷基和3-5個氨基氮的多亞烷基多胺的偏酰胺的C9_18單脂肪羧酸鹽，其中至少兩個氨基被C9_18單脂肪羧酸酰胺化，并且其中有至少一個與酸形成鹽的未被酰胺化的氨基，和(b)具有C2_6亞烷基和2-5個氨基氮的多亞烷基多胺與C9_18單脂肪羧酸形成的聚酰胺。
美國專利4，501，672公開了用于油基操作液的降濾失添加劑。此添加劑通過使Imol 二亞烷基三胺與2mol脂肪酸反應獲得。實施例I具體公開了二亞乙基三胺二油基酰胺與馬來酸酐的橋接。WO 89/11516公開了用于鉆井液的油基乳化劑，其是I或2摩爾酰胺-胺或羥基烷基酰胺與1-5摩爾二羧酸或酸酐的反應產物。此專利的第5頁起說明了考慮使用非常短鏈的多胺。美國專利4，658，036公開了反相乳液及其制備方法。乳化劑是通過至少一種松漿油脂肪酸與丙烯酸、馬來酸酐或富馬酸反應、然后與二亞乙基三胺和至少一種松漿脂肪酸反應制備，得到反相乳化劑。 隨著在一些鉆井地點的空間受到限制，例如在海外平臺上，以及隨著將材料運輸到鉆井地點的成本增加，在工業上十分關注和需要更有效的濃縮的鉆井液添加劑，并且與現有技術的常規鉆井液相比能以較少量的添加劑配制并保持的鉆井液。發明概述本發明總體涉及基于多胺和脂肪酸/馬來酸酐的用于油基鉆井液的乳化劑，表示該乳化劑含有至少一種由脂肪酸衍生的結構部分、至少一種由多胺衍生的結構部分和至少一種由酸酐衍生的結構部分。優選，本發明的乳化劑基本由這些結構部分的任何組合組成。本發明的乳化劑可以通過使多胺與脂肪酸(或脂肪酸的混合物)和酸酐反應制備，酸酐特別是馬來酸酐。本發明還涉及含有本發明乳化劑的油基或合成基鉆井液，以及使用此鉆井液的鉆井方法。
圖I顯示了基于柴油的且含有不同含量乳化劑I的鉆井液在300° F老化16小時后的HTHP降濾失性能。本發明的詳細描述本發明的聚酰胺是衍生自脂肪酸/馬來酸酐以及與二亞乙基三胺(“DETA”)不同的高級多胺。它們提供了乳化作用，并允許得到濃縮的產品，是固體或液體的，并具有優異的性能。用于油基鉆井液的常規乳化劑一般在高溫和高壓條件下降解，這導致油基鉆井液的性能變差。這要求向鉆井液體系中加入更多的乳化劑以保持所需的性能，這顯著增加了體系的成本。本發明的乳化劑在高溫和高壓條件下更有效，以減少乳化此體系所需要的額外乳化劑的量，從而改進體系的性能和成本。另外，本發明的聚酰胺乳化劑在室溫下是液體，不需要添加溶劑。本發明的聚酰胺乳化劑由下式表示R3O-C (0) -R4-C (0) -N (R1) - (CH2) n_NH_C (0) -R2其中R1和R2獨立地選自Cltl-C24亞烷基，R3是氫或C1-C5烷基，R4是C1-C5烷基/烯基，在另一個實施方案中是C2-C4烷基/亞烷基，n是2-5的整數，在另一個實施方案中是3-4。在另一個實施方案中，R1和R2選自C12-C22亞烷基；在另一個實施方案中，R1和R2選自C14-C18亞烷基。有利的是，R1和R2衍生自脂肪酸源。優選的脂肪酸源包括但不限于椰子、棕櫚、棕櫚殼、大豆、牛油、松漿油以及它們的混合物。理想的來源包括但不限于松漿油和牛油。
本發明優選的聚酰胺乳化劑由下式表示HO-C (0) -CH = CH-C (0) -N (R1) - (CH2) 3_NH_C (0) -R2其中R1和R2獨立地選自Cltl-C24亞烷基。優選，R1和R2衍生自松漿油。本發明的乳化劑在以低劑量使用時是非常有效的，并且當用于常規油基鉆井液配劑中時，得到具有高電子穩定性的鉆井液。另外，本發明的乳化劑是高度濃縮的，即達到100%的活性成分，并且是不含石灰的，即不需要向鉆井液體系中加入石灰以活化乳化劑。本發明的乳化劑也在高溫和高壓下在使用較低劑量時具有低的濾失(過濾性能)，不需要使用其它降濾失或過濾添加劑。 本發明的聚酰胺乳化劑通常從脂肪酸(I)和多胺(II)的縮合反應制備。脂肪酸和多胺反應的比例使得形成酰氨基胺中間產物(III)，其具有反應性酸位與反應性胺位(例如氮結合的氫)之間的摩爾比在約0. 25 I至約0.75 I的范圍內，最優選是約0. 5 I。這種酰氨基胺中間體(III)然后進一步與馬來酸酐(IV)按照0. 75 I. 25的摩爾比率反應，得到本發明的聚酰胺乳化劑(V)。R-NH (CH2) nNH2+R，-CO2H — R-NH (CH2) nNHC0_R，(I)(II)(III)R-NH (CH2) nNHC0-R’ + 馬來酸酐(III)(IV)—HO-CO-CH = CH-CO-N (R)-(CH2) n-NH-C0-R’ (V)用于制備反應中的脂肪酸⑴一般選自下式的脂肪酸R’-C02H，其中R’是飽和或不飽和的、支鏈或直鏈的、取代或未取代的具有6-22個碳原子的烷基。松漿油脂肪酸和/或牛油特別優選用于本發明乳化劑制備方法中的脂肪酸源化合物。松漿油是常規的產品，通過對來自木漿生產的堿液進行酸處理得到，松漿油及其衍生物已經用于油井鉆井液中。用于上述方法中的多胺一般具有下式R-NH(CH2)nNH2其中R是飽和或不飽和的、支鏈或直鏈的、取代或未取代的具有6-22個碳原子的烷基，n = 2-5。特別優選的是多胺，脂肪多胺，二胺，包括單烷基或二烷基對稱或不對稱的乙二胺、丙二胺和它們的多胺類似物。合適的工業脂肪多胺是Duomeen C(N_椰油_1，3_ 二氛基丙燒)、Duomeen S (N-大-I, 3-二氛基丙燒)、Duomeen T (N-牛油-I, 3-二氛基丙燒)和 / 或 Duomeen 0(N_ 油基-I, 3_ 二氨基丙燒)。Duomeen 產品可以從 Akzo Nobel SurfaceChemistry LLC, Chicago, Illinois 獲得。馬來酸酐(酸酐)是優選用于本發明反應的酸酐。但是，本領域技術人員將認識到可以使用其它酸酐，包括但不限于戊二酸酐等，以及它們的混合物。反應一般在化學計量條件下進行，即I摩爾的Duomeen T在第一步中與0. 5-1. 5摩爾、優選I摩爾的松漿油脂肪酸(TOFA)反應，并在第二步中I摩爾的中間體與0. 75-1. 25摩爾、優選I摩爾馬來酸酐反應。第一步的反應溫度一般是150-175°C，優選約165°C，一般進行約10-17小時，直到酸減少到小于約0. 2meq/g。第二步一般在80-100°C的溫度進行2_3小時(反應是放熱的)，直到胺值降低到低于約0. 5meq/g且酸值降低到低于約I. 5meq/g。在反應的任何步驟中都不需要使用催化劑。本發明的乳化劑是用于油基或合成基鉆井液的優異添加劑，提供了改進的乳化作用，并改進了電子穩定性和降濾失控制，且與現有技術的鉆井流體添加劑相比顯著減少了添加劑的體積。本發明的乳化劑以通常用現有技術乳化劑乳化油基或合成基鉆井液所需常規量的約1/3的添加率就達到了滿意的乳化效果。通常，約3-5磅本發明乳化劑/每桶鉆井液對于乳化是有效的。甚至更低的量也能改進鉆井液的電子穩定性和濾失控制，即使已經用其它乳化劑乳化時也是如此。—般,0. 1-10重量％、優選約0. 5-1. 5重量％的本發明乳化劑用于鉆井液組合物中。在另一個實施方案中，使用約0.75-1. 25重量％。典型的含有本發明乳化劑的油基鉆井液是基于油(柴油或聚烯烴)，也可以含有組分例如有機 粘土、鹽水、增重劑、分散劑、穩定劑和重晶石。額外的組分也是本領域技術人員公知的。本發明的乳化劑不需要載體，是高活性的，并且能用于所有或基本所有的公知用于鉆井液的合成基和油基體系。本發明的乳化劑也可以向鉆井液賦予更高的粘度，因此優選在加入任何增重劑之前加入基礎鉆井液中。本發明的乳化劑有效地在高溫和高壓下操作，并且在不需要過濾添加劑的情況下即使在達到約150°C (300° F)的溫度也是穩定的，在使用過濾添加劑時在達到約180°C (350° F)的溫度也是穩定的。在乳化劑包中一起加入潤濕劑和本發明產品可以提高鉆井液在一些基礎油中的油潤濕性質，但不需要其它油。潤濕劑也可以改進在達到約300° F的溫度下的流變穩定性，并進一步提高一些流體體系的性能。本發明的鉆井液組合物優選含有至少一種油或合成基鉆井油。這些鉆井油稱為油泥，是本領域技術人員公知的。本發明的鉆井液組合物也優選包括鹽水。在大多數情況下，使用鈉、鈣和/或鎂的鹽水。本發明的方法包括在地層中鉆井眼時，將本發明的聚酰胺乳化劑加入油基或合成基鉆井液中，或使用包含本發明聚酰胺乳化劑的鉆井液。在另一個方案中，本發明方法包括向油基或合成基鉆井液中加入本發明的聚酰胺乳化劑以促進鉆井液的乳化或反相乳液的形成。最后，本發明涉及一種在鉆井的同時改進穿透速率的方法，包括在含有下端與井眼底部接觸的旋轉鉆頭的一串鉆桿進行旋轉的同時，使本發明的鉆井液組合物循環通過井眼，從而促進從井眼除去由所述鉆頭形成的鉆孔碎屑。本發明的油基或合成基鉆井液也可以包含各種本領域技術人員已知的任選組分。這些任選組分包括但不限于濾失控制劑、流變改性劑、濕潤劑等。本發明將由以下非限制性實施例說明。實施例I制備鉆井液用于以下非限定性實施例的基于柴油的鉆井液如下制備在常規實驗室鉆井液混合器中將20-30重量％的#2柴油、0. 25-1. 5重量％的乳化劑、0. 3-1重量％的有機粘土、5-15重量％的CaCl2溶液(25重量％活性)和50-70重量％的重晶石(頂部尺寸= 200微米(U m))在 7000-12000rpm 混合 30-90 分鐘。 實施例2.檢測鉆井液的件能鉆井液流變性能的檢測使用具有Rl-Bl同心圓柱幾何形狀的Fann35A粘度計在120° F(500C )進行。在檢測粘度 @600rpm(DRl)、然后檢測 @300(DR2)、200、100、6 和 3rpms之后，根據下式計算塑性粘度和屈服點塑性粘度(PV) = DR1-DR2屈服點(YP) = 2DR2-DR1.
鉆井液濾失性能的檢測根據American Petroleum Institute (API) RecommendedPractice 13B (RP 13B)，第 12 版(09/01/1988)，11-13 頁，3. 4 節“高溫 / 高壓過濾實驗”所述進行。鉆井液乳液穩定性的檢測使用OFI檢測設備(Houston, TX)乳液穩定計按照標準程序進行。實施例3表I乳化劑I和2的制備和分析結果
權利要求
1.具有下式的化合物 R3O-C (0) -R4-C (0) -N (R1) - (CH2) n_NH_C (0) -R2 其中R1和R2獨立地選自Cltl-C24亞烷基，R3是氫或C1-C5烷基，R4是C1-C5烷基/烯基，n是2-5的整數。
2.權利要求I的化合物，其中R1和R2選自C12-C22亞烷基。
3.權利要求I的化合物，其中R1和R2選自C14-C18亞烷基。
4.權利要求1-3中任一項的化合物，其中R1和R2衍生自選自以下的脂肪酸源椰子、棕櫚、棕櫚殼、大豆、牛油、松漿油以及它們的混合物。
5.權利要求4的化合物，其中脂肪酸源是松漿油脂肪酸。
6.權利要求I的化合物，其具有下式 HO-C (0) -CH = CH-C (0) -N (R1) - (CH2) 3_NH_C (0) -R2 其中R1和R2獨立地選自Cltl-C24亞烷基。
7.一種乳化劑，其含有乳化有效量的至少一種權利要求1-6中任一項的化合物。
8.權利要求7的乳化劑，其含有乳化有效量的至少一種權利要求6的化合物。
9.一種鉆井液組合物，其含有油或合成基料和至少一種權利要求1-6中任一項定義的聚酰胺乳化劑。
10.權利要求9的組合物，其中所述至少一種乳化劑的存在量是約0.5-1. 5重量％，基于鉆井液組合物的總重量計。
11.權利要求10的組合物，其中所述至少一種乳化劑的存在量是約0.75-1. 25重量％，基于鉆井液組合物的總重量計。
12.權利要求9的鉆井液組合物，其進一步含有至少一種濕潤劑、鹽水、有機粘土、重晶石以及它們的混合物。
13.—種在地層中鉆井眼的方法，所述方法包括在鉆所述井眼的同時使用油基或合成基鉆井液組合物，其中所述鉆井液組合物含有至少一種油或合成基料和至少一種權利要求1-6中任一項的聚酰胺乳化劑。
14.一種在地層中鉆井眼的同時提高穿透速率的方法，包括在含有下端與井眼底部接觸的旋轉鉆頭的一串鉆桿進行旋轉的同時，使鉆井液組合物循環通過所述井眼，從而促進從井眼除去由所述鉆頭產生的鉆孔碎屑，其中所述鉆井液組合物含有至少一種權利要求7所述的聚酰胺乳化劑。
15.權利要求7的乳化劑，其在室溫下是液體且不需要添加溶劑。
全文摘要
本發明總體涉及一種通過多胺和脂肪酸和酸酐、優選馬來酸酐反應獲得的聚酰胺乳化劑，還涉及含有所述乳化劑的鉆井液以及使用該鉆井液組合物在地層中鉆井眼的方法。
文檔編號C07C233/38GK102627577SQ201210037720
公開日2012年8月8日 申請日期2006年10月12日 優先權日2005年10月20日
發明者M·A·拉曼, R·C·納瓦萊特, 侯望奇, 俞鏵 申請人:阿克佐諾貝爾股份有限公司