(57)【要約】  本出願は、水性掘削流体系の組成物および水性掘削流体系を作製するための方法を開示する。一実施形態によれば、掘削流体系は、掘削流体および潤滑剤を含み得る。潤滑剤は、植物ベースの原料油から合成され得る。【特許請求の範囲】
【請求項１】
水性掘削流体系用の合成潤滑剤を生成する方法であって、
植物ベースの原料油を塩基と接触させて、遊離脂肪酸とグリセロールを含む混合物を生成することと、
前記混合物をブラインで処理して前記グリセロールを単離することと、
前記グリセロールを除去して、遊離脂肪酸を含む合成潤滑剤を生成することと、を含む、方法。
【請求項２】
前記塩基が水酸化ナトリウムを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記植物ベースの原料油が、約５０℃〜約７５℃の温度で前記塩基と接触させられる、請求項１または２に記載の方法。
【請求項４】
前記植物ベースの原料油が廃植物油である、請求項１〜３に記載の方法。
【請求項５】
水性掘削流体系を生成する方法であって、
植物ベースの原料油を塩基で処理して、遊離脂肪酸を含む合成潤滑剤を生成することと、
前記合成潤滑剤を塩基掘削流体と合わせて、水性掘削流体系を生成することと、を含み
前記水性掘削流体系は均質である、方法。
【請求項６】
前記塩基が水酸化ナトリウムを含む、請求項５に記載の方法。
【請求項７】
前記植物ベースの原料油を処理することが、前記植物ベースの原料油および前記塩基を約５０℃〜約７５℃の温度で加熱することをさらに含む、請求項５または６に記載の方法。
【請求項８】
前記植物ベースの原料油が約４時間〜約８時間の期間処理される、請求項５〜７に記載の方法。
【請求項９】
前記塩基掘削流体が、ＣａＣｌ2、ＫＣｌポリマー、ＬＳＮＤ流体、またはベントナイトを含む、請求項５〜８に記載の方法。
【請求項１０】
前記植物ベースの原料油が廃植物油である、請求項５〜９に記載の方法。
【請求項１１】
前記水性掘削流体系が、前記水性掘削流体系の総重量に基づいて、０．１重量％〜５重量％の合成潤滑剤を含む、請求項５〜１０に記載の方法。
【請求項１２】
前記水性掘削流体系が、前記水性掘削流体系の総重量に基づいて、約１重量％の合成潤滑剤を含む、請求項５〜１１に記載の方法。
【請求項１３】
坑井を掘削するための方法であって、
均質な水性掘削流体系を前記坑井に送達することを含み、前記水性掘削流体系は
合成潤滑剤、および
塩基掘削流体を含み、
前記合成潤滑剤は、水酸化ナトリウムで処理された植物ベースの原料油から得られる、方法。
【請求項１４】
前記塩基掘削流体が、ＣａＣｌ2、ＫＣｌポリマー、ＬＳＮＤ流体、またはベントナイトを含む、請求項１３に記載の方法。
【請求項１５】
前記水性掘削流体系が、前記水性掘削流体系の総重量に基づいて、約１重量％の合成潤滑剤を含む、請求項１３または１４に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
関連出願の相互参照
本出願は、２０１８年７月１７日に出願された米国特許出願第１６／０３７，５９３号の優先権を主張し、その全開示は、参照により本明細書に組み込まれる。
【０００２】
本開示の実施形態は、概して、天然資源井で利用される材料および方法に関し、より具体的には、掘削作業で使用するための水性掘削流体に関する。
【背景技術】
【０００３】
掘削作業、例えば、炭化水素採収のための新しい坑井の掘削は、作業中に坑井を通して掘削流体（または、掘削泥として知られる）を連続的に循環させる一般的な手法が含まれる。掘削流体は、掘削坑の底に至る掘削パイプ内に圧送され、次いで、この底で、掘削流体が坑井壁と掘削パイプとの間の環状空間を通って上向きに流れる。そして、最終的に地表に戻り坑井から流れて出て、地表で流体が二次処理のために回収される。掘削中、掘削された地層の部分などの掘削固形物は、掘削流体によって坑井の底またはその近くから地表に運搬することができる。地表に戻った後、掘削流体は、坑井を通して再循環に戻す前に、捕捉した固形物および掘削ざくを掘削流体から除去するために機械的または化学的に処理され得る。
【発明の概要】
【０００４】
掘削流体は、回転掘削やコイルドチュービング掘削用途などの様々な掘削用途で使用され、機能的なタスクを完了し、掘削操作が安全でトラブルがなく、経済的であることを保証する。掘削流体の１つの目的は、掘削中に金属−金属界面と金属−泥ケーキ界面との間の潤滑媒体として作用することにより、ドリルストリングとケーシングまたは掘削坑壁との間の摩擦を低減することである。
【０００５】
従来の水性掘削流体、または「泥」は、潤滑特性が低く、したがって、油ベースの掘削流体系と比較して、な摩擦係数（ＣＯＦ）がはるかに大きい。これは、油ベースの掘削流体系と比較して、水性掘削流体系の主要な技術的制限の１つである。
【０００６】
ＣＯＦを低減し、トルクと抗力の問題を軽減するために、様々なタイプの潤滑添加剤が水性掘削流体系に追加される。水性掘削流体系は、水平坑井または大偏距坑井のいずれかで使用することができる。水平坑井の傾斜角は、通常、真の垂直から８５°を超える。貯留層内に長い坑井セクションを配置することにより、貯留層の性能を向上させるために、水平坑井が掘削される。大偏距坑井とは、測定された深度と真の垂直深度の比率が少なくとも２：１である坑井である。
【０００７】
水平坑井および大偏距坑井の場合、ＣＯＦが大きくなると、掘削効率が低下し、機器の摩耗とパイプのねじれが増加し、浸透率が低下し、トルクと抗力が増加する可能性があり、それは他の様々な掘削問題につながる可能性がある。ＣＯＦが大きくなると、水平坑井および大偏距坑井の偏距も制限される可能性があり、これは大偏距掘削作業の障壁になる可能性がある。したがって、ＣＯＦ値がより低い掘削流体は、水平および大偏距掘削作業に望ましい。
【０００８】
水性掘削流体の摩擦抵抗またはＣＯＦ値を最小限に抑えるために、潤滑添加剤が掘削流体系に取り入れられる。しかしながら、これらの材料の多くには、その用途に制限がある。従来の潤滑剤の中には、掘削流体のＣＯＦを減らして流体の性能を向上させる能力が限られているものがある。一部の潤滑材料は、熱的および化学的安定性が劣っている。これらの従来の潤滑材料のいくつかは毒性があり、生分解性が低い。したがって、これらの材料は、生態学的に敏感な環境への適用が制限されていた。
【０００９】
そのため、掘削流体のＣＯＦを低減する環境に優しい潤滑添加剤を含む水性掘削流体系に対する継続的な需要がある。本開示の実施形態は、遊離脂肪酸を含む合成潤滑剤を含む水性掘削流体系を含む。合成潤滑剤を含む開示された水性掘削流体系は、潤滑剤を含まない水性掘削流体および従来の潤滑剤を使用する水性掘削流体系と比較したとき、改善された潤滑特性および環境に優しい品質を有する。
【００１０】
１つ以上の実施形態によれば、水性掘削流体系用の合成潤滑剤を生成する方法が開示される。この方法は、植物ベースの原料油を塩基と接触させることを含み、これは、遊離脂肪酸とグリセロールを含む混合物を生成する。また、この方法は、混合物をブラインで処理することを含み、これによりグリセロールを単離する。さらに、この方法は、遊離脂肪酸を含む合成潤滑剤を生成するグリセロールを除去することを含む。
【００１１】
１つ以上の実施形態によれば、均質な水性掘削流体系を生成する方法が開示され、これは、植物ベースの原料油を塩基で処理して遊離脂肪酸を含む合成潤滑剤を生成することにより、植物ベースの原料油から遊離脂肪酸を得ることを含む。さらに、この方法は、合成潤滑剤を塩基掘削流体と合わせて、水性掘削流体系を生成することを含む。
【００１２】
さらに、１つ以上の実施形態によれば、坑井を掘削するための方法が開示される。この方法は、均質な水性掘削流体系を坑井に送達することを含む。水性掘削流体系には、合成潤滑剤と塩基掘削流体が含む。合成潤滑剤は、植物ベースの原料油から遊離脂肪酸を得、植物ベースの原料油を水酸化ナトリウムで処理することによって合成された。
【００１３】
記載の実施形態の追加の特色および利点は、次の発明を実施するための形態に記載され、一部は、その説明から当業者に容易に明白であるか、あるいは次の発明を実施するための形態、および特許請求の範囲を含む、記載の実施形態を実施することによって認識されるであろう。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
本出願の特定の実施形態をここで説明する。しかしながら、本開示は、異なる形態で具体化されてもよく、本開示に記載される実施形態に限定されると解釈されるべきではない。むしろ、これらの実施形態は、本開示が主題の範囲を当業者に十分に伝えるように提供される。
【００１５】
前述のように、従来の潤滑剤を使用して、掘削流体などの材料のＣＯＦを低減し、流体の性能を向上させることができる。しかし、従来の潤滑材料は生分解性が低く、環境に優しくなく、時には毒性がある。したがって、従来の潤滑剤は通常、生態学的に敏感な環境への適用が制限される。
【００１６】
ここで、合成潤滑剤の実施形態を詳細に言及する。合成潤滑剤の実施形態は、植物ベースの原料油から得られ得る植物ベースの遊離脂肪酸を含む。植物ベースの脂肪酸とは、植物ベースの原料油から得られ、グリセロールエステル（グリセリド）形態ではない、エステル化されていない遊離脂肪酸を意味する。開示された方法によって生成され得る遊離脂肪酸のタイプには、飽和遊離脂肪酸、一価不飽和遊離脂肪酸、および多価不飽和遊離脂肪酸が含まれ得る。飽和脂肪酸にはパルミチン酸（Ｃ16）が含まれ得る。飽和脂肪酸には、ステアリン酸（Ｃ18）およびアラキジン酸（Ｃ20）も含まれ得る。一価不飽和脂肪酸には、オレイン酸（Ｃ18）が含まれ得る。多価不飽和脂肪酸には、リノール酸（Ｃ18）が含まれ得る。
【００１７】
植物ベースの原料油には、植物油が含まれる。植物油は、植物や種子から抽出されたトリグリセリドである。トリグリセリドは、グリセロールと３つの遊離脂肪酸のエステルである。植物油の生成に使用される植物または種子の供給源に応じて、植物油には、飽和、一価不飽和、多価不飽和、オメガ３、オメガ６、またはオメガ９遊離脂肪酸などの様々なタイプの遊離脂肪酸の混合物が含まれる場合がある。植物油は、一般的に食品調製に使用される。食品調製に使用され得る一般的に使用される植物油には、オリーブ油、パーム油、ひまわり油、コーン油、落花生油が含まれるが、これらに限定されない。植物油は「新鮮」または「廃棄物」である場合がある。「純粋な植物油」とも呼ばれる新鮮な植物油は、加工されておらず、食品調製にも使用されていない。「使用済み」植物油と呼ばれることもある廃植物油には、何らかの方法で処理された、または食品調製に使用された新鮮な植物油が含まれる。廃植物油が次いでさらに処理されるか、何らかの方法で使用される場合、廃植物油は「リサイクル」植物油と呼ばれることもある。
【００１８】
遊離脂肪酸は植物油から得られ得るが、植物油から得られるそのような遊離脂肪酸は様々な用途を有する。そのような用途には、現在開示されている合成潤滑剤を含む乳化剤および潤滑剤が含まれる。しかしながら、遊離脂肪酸を得るための原料油として新鮮な植物油を使用することは費用がかかる可能性がある。さらに、新鮮な植物油の供給が限られている場合がある。そのうえ、遊離脂肪酸の生成に新鮮な植物油を使用すると、市場で植物油の持続不可能な需要が生じる可能性がある。したがって、本開示の実施形態では、合成潤滑剤は廃植物油にから得られる遊離脂肪酸を含み得る。
【００１９】
廃植物油は、植物を必要とする用途のための持続可能な植物ベースの原料油として使用することができる廃植物油は、乳化剤および潤滑剤として使用することができる。本開示のいくつかの実施形態において、廃植物油は、合成潤滑剤に含まれる遊離脂肪酸を得るための植物ベースの原料油として使用される。したがって、廃植物油から得られる遊離脂肪酸を使用して、水性掘削流体系で使用するための合成潤滑剤を生成し得る。このように使用される場合、合成潤滑剤を含む水性掘削流体系は、従来の水性掘削流体系と比較してＣＯＦが低減され得る。同時に、合成潤滑剤を含む水性掘削流体系も環境に優しい可能性がある。
【００２０】
ここで、植物ベースの遊離脂肪酸を含む合成潤滑剤を生成する実施形態を詳細に参照する。
【００２１】
合成潤滑剤を生成する実施形態は、植物ベースの原料油を塩基と接触させて、植物ベースの原料油のトリグリセリドを反応させ、遊離脂肪酸とグリセロールの混合物を生成することを含む。いくつかの実施形態において、植物ベースの原料油は、植物油であり得る。さらなる実施形態において、植物ベースの原料油は、具体的には廃植物油であり得る。塩基は、水酸化ナトリウム（ＮａＯＨ）、水酸化カリウム（ＫＯＨ）、ナトリウムアルコキシド、カリウムアルコキシド、またはそれらの組み合わせを含み得る。さらなる実施形態において、塩基は、溶液の総重量に基づいて１０重量％の濃度を有し得る。他の実施形態では、塩基は、約５重量％〜約２０重量％、約５重量％〜約１５重量、約８重量％〜約２０重量％、約８重量％〜約１５重量％、約９重量％〜約１１重量％であり得る。
【００２２】
植物ベースの原料油を処理するために必要な塩基の量は、滴定法によって決定することができる。典型的な滴定法では、植物ベースの原料油を塩基性溶液および指示液と混合し得る。いくつかの実施形態において、塩基性溶液は、９９．２体積％の純度のイソプロピルアルコールであり得る。指示液は、フェノールフタレインまたは滴定法で通常使用される任意の他の既知の指薬液であり得る。指薬液は、色の変化が観察されるまで、植物ベースの原料油と塩基性溶液の混合物に滴下することができる。次に、混合物を撹拌して、ピンク色の永続性を確認し得る。いくつかの実施形態において、滴定法は、滴定法を複数回繰り返して、植物ベースの原料油を処理するために必要な塩基の平均量を計算することによって検証され得る。いくつかの実施形態では、１リットル（Ｌ）の植物ベースの原料油を処理するために必要な塩基の量は、約４．０グラム（ｇ）〜約４．５ｇであり得る。他の実施形態において、１Ｌの植物ベースの原料油を処理するために必要とされる塩基の約は、約４．０ｇ〜約４．４ｇ、約４．０ｇ〜約４．３ｇ、約４．０ｇ〜約４．２５ｇ、約４．１ｇ〜約４．５ｇ、約４．１ｇ〜約４．４ｇ、約４．１〜約４．３ｇ、または約４．１〜約４．２５ｇであり得る。
【００２３】
植物ベースの原料油を塩基と接触させる方法は、植物ベースの原料油および塩基を容器に加えることを含み得る。いくつかの実施形態では、植物ベースの原料油が添加された後、塩基を容器に添加することができる。いくつかの実施形態では、この方法は、植物ベースの原料油および塩基を含む容器を撹拌することをさらに含み得る。さらなる実施形態において、植物ベースの原料油を含む容器は、塩基を加える前にすでに撹拌されていてもよい。さらに別の実施形態では、この方法は、植物ベースの原料油および塩基を含む容器を加熱することを含み得る。
【００２４】
容器が加熱されるさらなる実施形態では、容器は、約５０℃〜約７５℃の温度で加熱され得る。他の実施形態では、温度は約５５℃〜約７５℃、約６０℃〜約７５℃、約６５〜℃約７５℃、約７０℃〜約７５℃、約５０℃〜約７０℃、または約５５℃〜約６５℃であり得る。
【００２５】
さらに、この方法は、植物ベースの原料油を、約４時間〜約８時間の期間、塩基と接触させることを含み得る。他の実施形態では、期間は、約５時間〜約８時間、約６時間〜約８時間、約７時間〜約８時間、約４時間〜約７時間、約４時間〜約６時間、約４時間〜約５時間、約４時間〜約６時間、または約６時間〜約８時間であり得る。
【００２６】
前に述べたように、植物ベースの原料油と塩基との反応によって生成される遊離脂肪酸のタイプは、遊離脂肪酸とグリセロールの混合物を生成する。また、前述のように、遊離脂肪酸には、飽和遊離脂肪酸、一価不飽和遊離脂肪酸、および多価不飽和遊離脂肪酸が含まれ得る。トリグリセリドを反応または切断してそれに対応する脂肪酸およびグリセロールを作製する処理は、不飽和度、脂肪酸のタイプ、または脂肪酸鎖の長さによって妨げられたり、影響を受けたりすることはない。加えて、塩基も反応媒体の水も、脂肪酸に存在する可能性のある他の官能基を妨害すべきではない。したがって、混合物中の植物ベースの原料油のタイプと比率に関係なく、混合物に存在する実質的にすべてのトリグリセリドは、対応する遊離脂肪酸とグリセロールに変換される。
【００２７】
さらに、植物ベースの原料油のトリグリセリドを脂肪酸およびグリセロールに変換する処理中に、薄茶色の半固体、および茶色の液体を含む反応混合物が生じる。薄茶色の半固体はナトリウム塩であり、これは過剰な水酸化ナトリウムから生じる。次に、全反応生成物を一定期間静的条件保ち、容器の底への固形物の沈降を完了させることができる。期間は一晩または１６時間であり得る。次に、固体は液体から分離され、その後の処置のために収集される。
【００２８】
合成潤滑剤を生成する実施形態はまた、混合物をブラインで処置してグリセロールを単離することを含む。「ブライン」とは、塩を飽和または強く含浸させた水を意味する。塩は、塩化ナトリウムまたは塩化カルシウムを含み得る。この処置ステップを実行するために、固形物をブラインですすぎ得る。固形物をブラインで洗浄すると、固形物に存在する可能性のある任意のグリセロールを除去するのに役立つ。
【００２９】
いくつかの実施形態では、グリセロールから分離された収集された固形物は、次に水に懸濁される。いくつかの実施形態では、ｐＨが約４〜約５になるように懸濁液のｐＨを調整する必要があり得る。いくつかの実施形態では、懸濁液のｐＨを調整することは、固形物に酸を加えることを含む。さらなる実施形態では、酸を滴下し得る。酸は、任意の強酸を含み得る。強酸はＨＣｌであり得る。酸を固体に加えると、遊離脂肪酸のナトリウム塩が遊離脂肪酸に再変換され得る。遊離脂肪酸が遊離脂肪酸に再変換されると、水相の上部で油性層として分離され得る。水から分離されて茶色の液体として集められる油相は、合成潤滑剤である。
【００３０】
合成潤滑剤を生成するいくつかの実施形態はまた、植物ベースの原料油および塩基を接触させる前に第１の濾過工程を含み得る。植物ベースの原料油が廃植物油であるいくつかの実施形態では、植物ベースの原料油を濾過して、廃植物油に存在する不純物を除去し得る。前に述べたように、廃植物油には、食品調製に使用された植物油を含み得、したがって、廃植物油には不純物を含み得る。そのような不純物には、焦げたおよび未燃の食品残留物が含まれ得る。いくつかの実施形態では、廃植物油は、食品産業、具体的にはレストランから入手することができる。濾過工程を含むそのような実施形態では、濾過セルを使用して不純物を除去し、植物ベースの原料油を生成することができる。いくつかの実施形態では、濾過セルは、５μｍより大きい不純物を除去するために、サイズ５マイクロメートル（μｍ）の濾紙または５μｍ未満のサイズの濾紙を含み得る。濾過中、濾過セルに一定の圧力をかけ得る。約５ｐｓｉ〜約２０ポンド／平方インチ（ｐｓｉ）を濾過セルに印加することができる。他の実施形態では、約５ｐｓｉ〜約１０ｐｓｉを濾過セルに印加し得る。他の実施形態では、他の濾過媒体および吸着剤を使用し得る。他の濾過媒体および吸収剤には、廃植物油から不純物および過剰な水を除去することができる任意の濾過媒体または吸収剤が含まれる。いくつかの実施形態では、マルチセル濾過装置を使用して、不純物を除去し、植物ベースの原料油を生成することができる。
【００３１】
ここで、合成潤滑剤を含む水性掘削流体系を生成する実施形態を詳細に参照する。
【００３２】
前に述べたように、従来の潤滑材料は、水性掘削流体系で使用され、水性掘削流体のＣＯＦ値を軽減する。しかしながら、厳しい環境法規制の増加により、これらの材料は限られた数の用途でしか使用することができない。これは、ディーゼル油や鉱油、およびそれらの誘導体などの従来の潤滑材料が、環境に優しい水性流体を環境に優しくない掘削流体系に変換するためである。これは、沖合や深海の掘削作業など、非常に敏感な環境で特に当てはまる。したがって、業界では、一般的に使用されている水性掘削流体の潤滑特性を向上させる環境に優しい潤滑剤が必要とされている。
【００３３】
地下井を掘削するために、ドリルビットおよびドリルビットを加重するためのドリルカラーを含むドリルストリングを、予め掘削した穴に挿入して回転させて、ドリルビットに穴の底で岩石に破砕させる。掘削作業により岩石破片が生成される。坑井の底から岩石破片を除去するために、掘削流体（または掘削流体系）は、ドリルストリングを通ってドリルビットへ向けて下方へ圧送される。掘削流体はドリルビットを冷却し、潤滑性を提供し、ざくとして知られる岩石破片をドリルビットから遠ざけるように持ち上げる。掘削流体は、掘削流体が再循環され地表に戻る際に、ざくを上方に運搬する。地表では、二次作業を通じてざくが掘削流体から除去され、掘削流体は、さらなるざくの収集のために、ドリルストリングを下がり坑井底まで再循環され戻され得る。当業者によく知られている多数の用語を使用して、同じ項目を説明することができることが当業者には理解されるであろう。地下井は、代替的に井戸または坑井と呼ばれることもある。また、掘削流体は、特に、本開示で後述する潤滑剤または添加剤のいずれかを含む場合は特に、代替的に掘削流体系と呼ばれることもある。単一の用語の使用は、関連する各用語も包含することを意味する。
【００３４】
掘削流体は、掘削泥、パッカー流体、懸濁流体、および仕上げ流体を含む。一般に、掘削流体は、多くの機能を提供し、異なるタイプは特定の機能に特化する。１つ以上の実施形態では、水性掘削流体系は、坑井内のざくおよび加重材料を混濁させる。加えて、油系掘削流体組成物は、二酸化炭素（ＣＯ2）、硫化水素（Ｈ2Ｓ）、およびメタン（ＣＨ4）などの坑井内のガスを吸収し、坑井表面にそれらを輸送して放出、隔離、または燃焼させ得る。水性掘削流体系は、加えて、坑井の長さが増加するにつれて、ドリルストリングに浮力を提供し、ドリルストリングにかかる張力を緩和し得る。１つ以上の実施形態では、水性掘削流体系は、ボーリング作業で利用されるビットおよびドリルストリングの冷却および潤滑のための冷却および潤滑機能も提供する。他の実施形態では、水性掘削流体系はまた、地下圧力を制御する。具体的には、水性掘削流体系は、坑井内に静水圧を提供して、坑井の側壁に支持を提供し、側壁の崩壊およびドリルストリングへの陥没を防ぐことができる。加えて、水性掘削流体系は、坑内に静水圧を提供して、掘削作業中にダウンホール層内の流体が坑井内に流入するのを防ぐことができる。
【００３５】
このように、合成潤滑剤を含む水性掘削流体系の実施形態は、水性掘削流体系の改善された潤滑特性および環境に優しい品質のために提供される。具体的には、合成潤滑剤を含む開示された水性掘削流体系は、潤滑剤を含まない水性掘削流体および従来の潤滑剤を使用する水性掘削流体系と比較して、ＣＯＦが低減されるように配合することができる。さらに、合成潤滑剤を含む水性掘削流体系は、従来の潤滑剤を使用した水性掘削流体とは異なり、環境に優しいように配合される。
【００３６】
水性掘削流体系の実施形態は、前述の合成潤滑剤を含む。いくつかの実施形態では、水性掘削流体系は、水性掘削流体系の総重量に基づいて、５重量パーセント（重量％）未満の合成潤滑剤を含む。他の実施形態では、水性掘削油系は、水性掘削流体系の総重量に基づいて、約０．５重量％〜約５重量％の合成潤滑剤を含む。さらなる実施形態では、水性掘削油系は、水性掘削流体系の総重量に基づいて、約２重量％〜約５重量％、約３重量％〜約５重量％、約２重量％〜約４重量％、または約３重量％の合成潤滑油を含む。
【００３７】
さらに、水性掘削流体系の実施形態は、水性掘削流体を含む。水性掘削流体の実施形態は、非分散掘削流体、分散掘削流体、塩水掘削流体、またはポリマー掘削流体を含み得る。非分散掘削流体は、単純なゲルと水の掘削流体を含み得、これは通常、トップホール掘削に使用され得る。非分散掘削流体は、塩化カリウムとベントナイトを含み得る。いくつかの実施形態では、水性掘削流体はまた、低固体非分散（ＬＳＮＤ）掘削流体であり得る。ＬＳＮＤ掘削流体の基本的な成分には、通常、淡水、ベントナイトなどのゲル化物質、苛性ソーダ、ソーダ灰、および凝集剤が含まれる。分散掘削流体は、粘土粒子を解膠するように設計された化学分散剤で処理され、改善された密度の高い泥のレオロジー制御を可能にする。水性掘削流体は、塩化カリウム（ＫＣｌ）、塩化ナトリウム（ＣａＣｌ2）、またはそれらの組み合わせを含み得る。
【００３８】
水性掘削流体には水が含まれる。水は、淡水、濾過水、蒸留水、海水、塩水、生成水、地層ブライン、合成ブライン、または他のタイプの水、あるいはそれらの組み合わせのうちの１つ以上を含み得る。１つ以上の実施形態では、水性掘削流体は、水性掘削流体の総重量に基づいて、７０重量％〜９８重量％の水を含む。様々な実施形態において、水性掘削流体は、水性掘削流体の総重量に基づいて、７０重量％〜９５重量％の水、７５重量％〜９８重量％の水、７５重量％〜９５重量％の水、８０重量％〜９８重量％の水、水８０重量％〜９５重量％の水、８５重量％〜９８重量％の水、または水８５重量％〜９５重量％の水を含む。
【００３９】
水性掘削流体系は、少なくとも１つの固相成分を含み得る。水性掘削流体系の固相成分には、加重材料、デンプン、ソーダ灰、ベントナイト、石灰、亜硫酸ナトリウム、他の固相成分、またはこれらの固相成分の組み合わせが含まれ得るが、これらに限定されない。すべての固相成分が一緒になって、水性掘削流体系の総固形分を構成する。いくつかの実施形態では、水性掘削流体系は、水性掘削流体組成物の総重量に基づいて、５０重量％以下の総固形分を有し得る。あるいは、他の実施形態では、水性掘削流体系は、水性掘削流体系の総重量に基づいて、２５重量％以下または１０重量％以下の固形分を有し得る。
【００４０】
水性削流体系は、水性掘削流体系の特性および特性を強化するために、任意選択で１つまたは複数の添加剤を含み得る。添加剤には、乳化剤、流体損失制御添加剤、増粘剤（粘度制御剤）、アルカリ化合物、摩擦低減剤、またはそれらの組み合わせが含まれるが、これらに限定されない。水性掘削流体系はまた、任意選択で、ｐＨ緩衝剤、電解質、グリコール、グリセロール、分散助剤、腐食防止剤、消泡剤、および他の添加剤またはそれらの組み合わせを含み得る。実施形態では、水性掘削流体系は、任意選択で、非ニュートン流体レオロジーを水性掘削流体系に与えて、岩石ざくを持ち上げて坑井の表面に運ぶのを容易にする増粘剤を含み得る。増粘剤には、キサンタンガムポリマー（ＸＣポリマー）、ベントナイト、ポリアクリルアミド、ポリアニオン性セルロース、またはそれらの組み合わせが含まれ得るが、これらに限定されない。さらなる実施形態では、水性掘削流体系は、任意選択で、「ｒｅｖ  ｄｕｓｔ」として一般に知られている、細かく粉砕された変質カルシウムモンモリロナイト粘土などの摩擦低減材料を含み得る。さらなる実施形態では、水性掘削流体系は、任意選択で、一般に「ｓｏｌｔｅｘ」として知られているアスファルトスルホン酸ナトリウムを含み得る。他の実施形態では、水性掘削流体系は、０．５重量％〜２重量％、０．５重量％〜１．５重量％、０．５重量％〜１重量％、１重量％〜２重量％、１重量％〜１．５重量％、または１．５重量％〜２重量％の添加剤を含み得る。
【００４１】
水性掘削流体系は、任意選択で、少なくとも１つのｐＨ調整剤を含み得る。実施形態では、水性掘削流体系は、任意選択で、少なくとも１つのアルカリ化合物を含み得る。アルカリ化合物としては、限定されないが、石灰（水酸化カルシウムまたは酸化カルシウム）、ソーダ灰（炭酸ナトリウム）、水酸化ナトリウム、水酸化カリウム、他の強塩基、またはこれらのアルカリ化合物の組み合わせを挙げることができる。アルカリ化合物は、掘削作業中に水性掘削流体系が遭遇する、例えばＣＯ2またはＨ2Ｓなどのガスと反応して、ガスが水系掘削流体組成物の成分を加水分解するのを防ぐことができる。他の実施形態では、水性掘削流体系は、０．１重量％〜１重量％、０．１重量％〜０．８重量％、０．１重量％〜０．６重量％、０．１重量％〜０．４重量％。０．１重量％〜０．２重量％、０．２重量％〜１重量％、０．２重量％〜０．８重量％％、０．２重量％〜０．６重量％、０．２重量％〜０．４重量％、０．４重量％〜１重量％、０．４重量％〜０．８重量％、０．４重量％〜０．６重量％、０．６重量％〜１重量％、０．６重量％〜０．８重量％、または０．８重量％〜１重量％のｐＨ調整剤を含み得る。
【００４２】
実施形態では、合成潤滑剤を含む水系掘削流体系は、７〜１２、７〜１０．５、７〜１０、９〜１２、９〜１０．５、９〜１０、９．５〜１２、９．５〜１０．５、９．５〜１０、７．５〜９、７．５〜９．５または１０〜１２のｐＨを有し得る。いくつかの実施形態では、合成潤滑剤を含む水性掘削流体系は、９〜１０．５のｐＨを有し得る。
【００４３】
いくつかの実施形態では、合成潤滑剤を含む水性掘削流体系は、加重材料を含み得る。いくつかの実施形態では、加重材料は、掘削流体組成物が坑井を通って循環することができないような過剰な加重材料を添加することなく、ある特定の量で、掘削流体組成物の密度を増加させるのに十分な比重（ＳＧ）を有する粒子状固形物であってもよい。加重材料は、２〜６の比重（ＳＧ）を有し得る。加重材料には、重晶石（最小ＳＧが４．２０）、赤鉄鉱（最小ＳＧが５．０５）、炭酸カルシウム（最小ＳＧが２．７〜２．８）、菱鉄鉱（最小ＳＧが３．８）、イルメナイト（最小ＳＧが４．６）、他の加重材料、またはこれらの加重材料の任意の組み合わせが含まれるが、これらに限定されない。合成潤滑剤を含む水性掘削流体系の実施形態は、掘削流体系の密度を増加させて掘削流体系が坑井を支持し、ダウンホール地層内で流体が坑井に流入するのを防ぐことを可能にするのに十分な量の加重添加剤を含み得る。水性掘削流体系に存在する加重剤の量は、系の必要な密度によって異なる。水性掘削流体系の必要な密度が高いほど、系内の加重剤の量が多くなる。他の実施形態では、水性掘削流体系は、１重量％〜５０重量％、１重量％〜４０重量％、１重量％〜３０重量％、１重量％〜２０重量％。１重量％〜１０重量％、１重量％〜５重量％、５重量％〜５０重量％、５重量％〜４０重量％、５重量％〜３０重量％、５重量％〜２０重量％、５重量％〜１０重量％、１０重量％〜５０重量％、１０重量％〜４０重量％、１０重量％〜３０重量％、１０重量％〜２０重量％、２０重量％〜５０重量％、２０重量％〜４０重量％、２０重量％〜３０重量％、３０重量％〜５０重量％、３０重量％〜４０重量％、または４０重量％〜５０重量％の加重剤を含み得る。
【００４４】
合成潤滑剤を含む水性掘削流体系は、掘削作業での使用に好適である可能性がある。実施形態では、合成潤滑剤を含む水性掘削流体系は、ボーリング操作でビットおよびドリルストリングを冷却および潤滑するための潤滑機能を提供する。合成潤滑剤は、水性掘削流体系に強化された潤滑性を与え、それによって、掘削作業中のドリルストリング、パイプ、および坑井間の潤滑性を高め、摩擦を低減する。坑井を掘削する方法は、合成潤滑剤を含む水性掘削流体系の存在下で坑井内でドリルを操作することを含む。
【００４５】
試験方法
摩擦係数は、室温（０℃）および大気圧（約１４．６９６ｐｓｉ）での標準的な潤滑係数試験に従って測定することができる。具体的には、掘削流体業界で一般的に使用される潤滑性試験デバイス（ＯＦＩ  Ｔｅｓｔｉｎｇ  Ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ，Ｉｎｃ．（ＯＦＩＴＥ）、テキサス州ヒューストン）の潤滑性試験機器を利用することができる。試験では、潤滑剤パッケージは硬化鋼ブロックと回転リングの間に配置される。硬化鋼ブロックと回転リングの間に１５０インチポンド（ｉｎ−ｌｂ）の力が加えられ、回転リングは毎分６０回転（ｒｐｍ）で回転する。１５０ｉｎ−ｌｂの力は、潤滑剤パッケージに対する５，０００〜１０，０００ＰＳＩの圧力に相当する。次に、潤滑性試験デバイスは、潤滑性試験デバイスの内部計算に基づいて、潤滑剤パッケージの摩擦係数の値を提供する。
【実施例】
【００４６】
以下の実施例は、本開示の１つ以上の追加の特色を例示する。これらの実施例は、決して本開示の範囲または添付の特許請求の範囲を限定することを意図するものではないことを理解されたい。
【００４７】
合成潤滑剤
合成潤滑剤を調製するために、最初に、廃植物油から遊離脂肪酸を得た。廃野菜の出所は、食品調製（食用油）やレストランで使用されていた野菜であった。廃植物油は、コーン油、ヒマワリ油、パーム油、カノーラ油、および落花生油を含むがこれらに限定されない使用済み植物油の混合物であった。
【００４８】
次に、食品や廃植物油に存在する他の不純物を濾過して、植物ベースの原料油を生成した。この濾過除去ステップを実行するために、濾紙とバックナー漏斗を含む濾過セルを使用して、廃植物油に存在した、焦げたおよび未燃焼の食品残留物を含む不純物を除去した。濾過セルには、５μｍを超える不純物を除去するためにサイズ５μｍ以下の濾紙が含まれていた。大量の廃植物油を濾過するために、濾過セルに約５〜約１０ｐｓｉの一定圧力を維持した。
【００４９】
遊離脂肪酸を処理するために、２００ミリリットル（ｍＬ）の植物ベースの原料油をビーカーに入れた。マグネチックスターラーバーをビーカー内に配置し、ビーカーをホットプレートスターラー上に配置した。ホットプレートスターラーのマグネチックスターラーバーを２５０ｒｐｍに設定した。次に、水酸化ナトリウム（２ｇ）を小さなビーカーに量り取り、水（２０ｍＬ）に溶解した。次に、調製した１０％水酸化ナトリウム溶液を、植物ベースの原料油を含むビーカーに撹拌しながら加えた。水酸化ナトリウム溶液を加えると、即時の相変化が観察され得た。次に、ホットプレートスターラーの電源を入れ、７０℃に設定した。反応混合物の温度は、ビーカー内に配置された温度計を使用して監視された。反応混合物を７０℃で８時間撹拌し、約１６時間静置した。このプロセス中、トリグリセリドは脂肪酸とグリセロールに変換され、その結果、薄茶色の半固体、および茶色の液体を含む反応混合物が得られた。
【００５０】
次に、反応混合物の固体を反応混合物の液体から分離した。固体を塩化ナトリウムブラインで洗浄して、存在するあらゆるグリセロールを除去した。集めた固形物を水に懸濁させた。懸濁液のｐＨ値は１０を超えていた。次に、塩酸（３１重量％）を懸濁液に滴下し、ｐＨを４〜５の値に調整した。これにより、遊離脂肪酸のナトリウム塩が遊離脂肪酸に再変換され、水相の上部で油性層として分離された。次に、油相を水から分離し、褐色の液体として収集した。この茶色の液体は合成潤滑剤である。
【００５１】
比較例の潤滑剤
合成潤滑剤を含む掘削流体のレオロジー特性を比較するために、従来の市販の潤滑剤が使用された。ここで使用した比較例の潤滑剤（比較例Ａ−３、Ｂ−３、Ｃ−３、およびＤ−３）は、Ｂｒｉ−Ｃｈｅｍ  Ｓｕｐｐｌｙ、Ｌｔｄから提供されたＲａｄｉａｇｒｅｅｎ  ＥＭＥ塩であった。
【００５２】
水性掘削流体サンプルの調製
合成潤滑剤の潤滑効果を比較するために、４つの水性掘削流体配合物を調製した。選択された４つの掘削流体、すなわちＣａＣｌ2掘削流体（比較例Ａ）、低固体非分散（ＬＳＮＤ）掘削流体（比較例Ｂ）、ＫＣｌポリマー掘削流体（比較例Ｃ）、およびベントナイト掘削流体（比較例Ｄ）が現場で日常的に使用される。各実施例の配合を表１に示す。使用した市販の成分は、ＨａｌｌｉｂｕｒｔｏｎのＰＡＣ−Ｒ（ポリアニオン性セルロース）、ＨａｌｌｉｂｕｒｔｏｎのＢａｒａｚａｎ（ＸＣポリマー）、およびＢａｋｅｒ  ＨｕｇｈｅｓのＲｅｖ  Ｄｕｓｔであった。
【００５３】
【表１】
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【００５４】
潤滑性掘削流体の比較
潤滑剤を含む掘削流体の摩擦係数を従来の潤滑剤を含む掘削流体の摩擦係数と比較するために、表１に示す配合に従って１２の掘削流体系を調製した。比較例Ａ−１、Ｂ−１、Ｃ−１、およびＤ−１は、どの潤滑剤も使用せずに調製した。例えばＡ−２、Ｂ−２、Ｃ−２、およびＤ−２の場合、掘削系の総重量に基づいて、１重量（ｗｔ．）％の合成潤滑剤が系に追加された。比較例Ａ−３、Ｂ−３、Ｃ−３、およびＤ−３の場合、掘削系の総重量に基づいて３重量％の比較例の潤滑剤が系に追加された。
【００５５】
１２の掘削流体系のそれぞれの摩擦係数（ＣＯＦ）値は、Ｏｆｉｔｅ潤滑性メーターを使用し、標準として脱イオン水を使用して測定された。測定されたＣＯＦ値を表２に示す。これらの値は、合成潤滑剤と比較例の潤滑剤の効果を比較するために使用された。
【００５６】
【表２】
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【００５７】
表２に示すように、潤滑剤を使用しない掘削流体系と比較して、合成潤滑剤を含む掘削流体系では、使用する塩基掘削流体に関係なく、各タイプの掘削流体系のＣＯＦ値が低くなる。たとえば、比較例Ａ−１（潤滑剤なし）のＣＯＦ値は０．３９であるが、実施例Ａ−２（合成潤滑剤あり）のＣＯＦ値は０．２１である。比較例Ｂ−１（潤滑剤なし）のＣＯＦ値は０．２０であるが、実施例Ｂ−２（合成潤滑剤あり）のＣＯＦ値は０．１１である。比較例Ｃ−１（潤滑剤なし）のＣＯＦ値は０．３７であるが、実施例Ｃ−２（合成潤滑剤あり）のＣＯＦ値は０．０５である。比較例Ｄ−１（潤滑剤なし）のＣＯＦ値は０．４９であるが、実施例Ｄ−２（合成潤滑剤あり）のＣＯＦ値は０．０９である。（表２を参照）。
【００５８】
また、合成潤滑剤のＣＯＦ値は、比較例の潤滑剤で得られたＣＯＦ値以下であった。例えば、比較例Ｂ−３（比較例の潤滑剤）は０．１１のＣＯＦ値を有し、実施例Ｂ−２（合成潤滑剤を含む）は０．１１のＣＯＦ値を有する。比較例Ｃ−３（比較例の潤滑剤）のＣＯＦ値は０．１１を有したが、実施例Ｃ−２（合成潤滑剤を含む）のＣＯＦ値は０．０５である。また比較例Ｄ−３（比較例の潤滑剤）のＣＯＦ値は０．１７であったが、実施例Ｄ−２（合成潤滑剤を含む）のＣＯＦ値は０．０９である。（表２を参照）。
【００５９】
比較例の潤滑剤（３重量％）と比較して、これらのＣＯＦ値以下を達成するために、より少ない量（１重量％）の合成潤滑剤が必要であったことに留意されたい。したがって、合成潤滑剤を用いた掘削系は、比較例の潤滑剤を用いた掘削流体系よりも環境に優しい可能性があると考えられる。ＣＯＦ値が０．２１であった実施例Ａ−２（合成潤滑剤）の場合、掘削流体系における合成潤滑剤の量を増やすことにより、ＣａＣｌ2および合成潤滑剤を含む掘削流体系が比較例の潤滑剤以下のＣＯＦ値を有することが企図される。しかし、結果は、実施例Ａ−２が環境に優しい潤滑剤であり、水性掘削流体系のＣＯＦを低減する可能性があることを示す。
【００６０】
したがって、これらの結果に基づいて、合成潤滑剤は、市販の無公害潤滑剤に取って代わる可能性がある。
【００６１】
ある特性に割り当てられた任意の２つの定量値は、その特性の範囲を構成することができ、所与の特性のすべての述べられる定量値から形成される範囲のすべての組み合わせが、本開示において企図されることを理解されたい。組成物または配合物中の化学成分の組成範囲は、いくつかの実施形態では、その成分の異性体の混合物を含むと理解されるべきである。実施例は、様々な組成物の組成範囲を提供し、特定の化学組成物の異性体の総量が範囲を構成し得ることが理解されるべきである。
【００６２】
以下の特許請求の範囲のうちの１つ以上は、「ここにおいて（ｗｈｅｒｅ）」という用語を移行句として利用することに留意されたい。本技術を定義する目的のために、この用語は、構造の一連の特性の列挙を導入するために使用されるオープンエンドな移行句として特許請求の範囲に導入され、より一般的に使用されるオープンエンドなプレアンブル用語「備える（ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ）」と同様に解釈されるべきであることに留意されたい。
【００６３】
本開示の主題を詳細に、かつ特定の実施形態を参照して説明してきたが、本開示に記載された様々な詳細は、本明細書に付随する図面の各々に特定の要素が示されている場合であっても、これらの詳細が本開示に記載された様々な実施形態の必須構成要素に関する暗示するものととられるべきではないことに留意されたい。むしろ、添付された特許請求の範囲は、本開示の幅および本開示に記載の様々な実施形態の対応する範囲の単なる表現として解釈されるべきである。さらに、特許請求される主題の趣旨および範疇から逸脱することなく、記載の実施形態に様々な変更および変形がなされ得ることは、当業者に明らかであるはずである。したがって、本明細書は、そのような変更および変形が添付の特許請求の範囲およびそれらの等価物の範囲に入る、様々な記載された実施形態の変更および変形を網羅することを意図する。
【００６４】
本開示は、１つ以上の非限定的な態様を含む。第１の態様は、植物ベースの原料油を塩基と接触させて、遊離脂肪酸およびグリセロールを含む混合物を生成することと、混合物をブラインで処理してグリセロールを単離することと、グリセロールを除去して、遊離脂肪酸を含む合成潤滑剤を生成することを含む、水性掘削流体系用の合成潤滑剤を生成する方法を含み得る。
【００６５】
第２の態様は、塩基が水酸化ナトリウムを含む第１の態様を含み得る。
【００６６】
第３の態様は、植物ベースの原料油が約５０℃〜約７５℃の温度で塩基と接触させる、第１または第２の態様を含み得る。
【００６７】
第４の態様は、植物ベースの原料油が廃植物油である、第１〜第３の態様のいずれかを含み得る。
【００６８】
第５の態様は、植物ベースの原料油を塩基で処理して、遊離脂肪酸を含む合成潤滑剤を生成することと、合成潤滑剤を塩基掘削流体と合わせて、水性掘削流体系を生成すること、を含み、ここにおいて水性掘削流体系は均質である、水性掘削流体系を生成する方法を含み得る。
【００６９】
第６の態様は、塩基が水酸化ナトリウムを含む第５の態様を含み得る。
【００７０】
第７の態様は、植物ベースの原料油を処理することが、植物ベースの原料油および塩基を約５０℃〜約７５℃の温度で加熱することをさらに含む。第５または第６の態様のいずれかを含み得る。
【００７１】
第８の態様は、植物ベースの原料油が約４時間〜約８時間の期間処理される、第５〜第７の態様のいずれかを含み得る。
【００７２】
第９の態様は、塩基掘削流体は、ＣａＣｌ２、ＫＣｌポリマー、ＬＳＮＤ流体、またはベントナイトを含む、第５〜第８の態様のいずれかを含み得る。
【００７３】
第１０の態様は、植物ベースの原料油は廃植物油である、第５〜第９の態様のいずれかを含み得る。
【００７４】
第１１の態様は、水性掘削流体系は、水性掘削流体系の総重量に基づいて、０．１重量％〜５重量％の合成潤滑剤を含む、第５〜第１０の態様のいずれかを含み得る。
【００７５】
第１２の態様は、水性掘削流体系は、水性掘削流体系の総重量に基づいて約１重量％の合成潤滑剤を含む、第５〜第１１の態様のいずれかを含み得る。
【００７６】
第１３の態様は、均質な水性掘削流体系を坑井に送達し、水性掘削流体系は、合成潤滑剤および塩基掘削流体を含み、合成潤滑剤は、水酸化ナトリウムで処理された植物ベースの原料油から得られた合成潤滑剤を含む、坑井を掘削するための方法を含み得る。
【００７７】
第１４の態様は、塩基掘削流体が、ＣａＣｌ２、ＫＣｌポリマー、ＬＳＮＤ流体、またはベントナイトを含む第１３の態様を含み得る。
【００７８】
第１５の態様は、水性掘削流体系が、水性掘削流体系の総重量に基づいて約１重量％の合成潤滑剤を含む、第１３または第１４の態様のいずれかを含み得る。
【国際調査報告】
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