ПОВЕРХНОСТНО-АКТИВНЫЕ ВЕЩЕСТВА НА ОСНОВЕ ОРТОЭФИРОВ И СОПРЯЖЕННЫЕ МЕТОДЫ
ORTHO-ESTER BASED SURFACTANTS AND CONJUGATED METHODS

Уровень техники данного изобретения
Настоящее изобретение относится к поверхностно-активным веществам (ПАВы) на основе ортоэфиров. В частности, настоящее изобретение относится к обрабатывающим жидкостям, содержащим ПАВы на основе ортоэфиров, и сопряженным методам.
ПАВы могут быть использованы для разнообразных применений. Такие применения могут быть выше или ниже уровня земли, например, в подземном пласте, достигнутом путем скважины. При использовании в надземных применениях ПАВы могут быть применены, например, для эмульгирования масляной жидкости (например, тяжелая нефть) для облегчения транспорта в нефтепроводе. ПАВы также могут использоваться в подземных применениях, например, в процессах бурения, интенсифицирующих обработках (например, обработки с разрывом пласта), очистке скважины, вязких качаниях и в операциях по закачиванию скважины (например, контроль за проскоком песка, гравийная набивка). В этих применениях ПАВы могут использоваться для ряда целей, включая применение в качестве эмульгирующих агентов, неэмульгирующих агентов, пенообразующих агентов, пеногасящих агентов, диспергирующих агентов, смачивающих агентов и подобных.
Если разнообразные ПАВы используются в подземных применениях, с их применением связаны некоторые проблемы. Например, определенные ПАВы, применявшиеся ранее, могут иметь нежелательные свойства в отношении окружающей среды и/или могут ограничиваться строгим природоохранным законодательством в некоторых районах мира. Так, разлагаемые ПАВы применяются для уменьшения потенциала биоаккумуляции и/или устойчивости таких ПАВов в окружающей среде. В настоящее время доступные разлагаемые ПАВы, такие как сложные эфиры, амиды и ацетали, имеют характеристики, которые могут ограничить их использование в подземных применениях. Например, сложные эфиры и амиды могут не разлагаться, как это желательно, в условиях, которые могут встречаться в скважине. Далее, разложение сложных эфиров и амидов наиболее медленно протекает при значениях рН, встречающихся в подземных средах, и это может приводить к неприемлемо долгому времени устойчивости. Подобным образом, проблемы также могут встречаться в случае применения ацеталей в подземных применениях. В то время как ацетали обычно стабильны при высоких значениях рН (например, > около 6), низкие значения рН (например, около 1-4) могут требоваться для их разложения с желаемыми скоростями. Это обычно требует взаимодействия ПАВа с кислотой для облегчения его разложения после введения в подземный пласт, что может добавлять нежелательные расходы и сложность для подземного применения.
Сущность изобретения
Настоящее изобретение относится к ПАВам на основе ортоэфиров. В частности, настоящее изобретение относится к обрабатывающим жидкостям, содержащим ПАВы на основе ортоэфиров, и сопряженным методам. Применяемый здесь термин «поверхностно-активное вещество (ПАВ) на основе ортоэфира» обозначает амфифильные соединения, которые содержат одну или более ортоэфирную функциональную группу.
В одном из вариантов осуществления настоящее изобретение представляет способ, который включает в себя: приготовление обрабатывающей жидкости, содержащей жидкую основу и ПАВ на основе ортоэфира, и введение обрабатывающей жидкости в подземный пласт.
Другой вариант осуществления настоящего изобретения представляет способ, включающий приготовление эмульгированной обрабатывающей жидкости, содержащей масляную фазу, водную фазу, имеющую рН около 8,5 или более, и ПАВ на основе ортоэфира, и введение эмульгированной обрабатывающей жидкости в подземный пласт.
Другой вариант осуществления настоящего изобретения представляет способ облегчения течения через трубопровод, включающий в себя: приготовление эмульгированной обрабатывающей жидкости, содержащую ПАВ на основе ортоэфира, масляную фазу и водную фазу, имеющую рН около 8,5 или более, протекание эмульгированной обрабатывающей жидкости через трубопровод и уменьшение рН водной фазы для облегчения разложения по крайней мере части ПАВ на основе ортоэфира для облегчения, таким образом, разделения масляной фазы и водной фазы.
Следующий вариант осуществления настоящего изобретения представляет способ синтеза ПАВ на основе ортоэфира, включающий: получение ацеталя дикетена или ацеталя мультикетена и взаимодействия ацеталя дикетена или ацеталя мультикетена с одним или более гидрофобным спиртом и одним или более гидрофильным спиртом.
В другом варианте осуществления настоящее изобретение представляет подземную обрабатывающую жидкость, содержащую жидкую основу и ПАВ на основе ортоэфира.
Другой вариант осуществления настоящего изобретения представляет эмульгированную подземную обрабатывающую жидкость, содержащую масляную фазу, водную фазу, имеющую рН около 8,5 или более, и ПАВ на основе ортоэфира.
Следующий вариант осуществления настоящего изобретения представляет композицию, содержащую ПАВ на основе ортоэфира, синтезированное из ацеталя дикетена или ацеталя мультикетена путем добавления одного или более гидрофобного спирта и одного или более гидрофильного спирта.
Свойства и преимущества настоящего изобретения будут легко очевидны для специалистов в данной области после чтения описания нижеследующих предпочтительных вариантов осуществления.
Описание предпочтительных вариантов осуществления
Настоящее изобретение относится к ПАВам на основе ортоэфиров. В частности, настоящее изобретение относится к обрабатывающим жидкостям, содержащим ПАВы на основе ортоэфиров, и сопряженным методам. Эти обрабатывающие жидкости могут подходить для применения в разнообразных подземных применениях, включая процессы бурения, интенсифицирующие обработки (например, обработки с разрывом пласта), очистку скважины, вязкие качания и операции по закачиванию (например, контроль за проскоком песка, гравийная набивка), но не ограничены ими. Эти обрабатывающие жидкости также могут применяться выше уровня земли, например, для облегчения транспорта масляной жидкости. Применяемый здесь термин «обработка» обозначает любую из операций, которая использует жидкость в связи с желательной функцией и/или для желательной цели. Термин «обработка» не предполагает какое-то особое действие посредством жидкости.
I. Обрабатывающие жидкости настоящего изобретения
Обрабатывающие жидкости настоящего изобретения в большинстве случаев включают в себя жидкую основу и ПАВ на основе ортоэфира. Эти обрабатывающие жидкости могут содержать водные жидкости, водные гели, вязкоэластичные гелевые ПАВы, масляные гели, вспененные гели и эмульсии (например, вода-в-масле или масло-в-воде). ПАВы на основе ортоэфиров, включенные в эти обрабатывающие жидкости, являются в большинстве случаев разлагаемыми, где разложение ортоэфирных связей в большинстве случаев должно приводить к распаду или понижению поверхностной активности ПАВа. Скорости разложения ПАВ на основе ортоэфира должны увеличиваться с уменьшением рН и увеличением температуры. Однако эти ПАВы на основе ортоэфиров в большинстве случаев стабильны при рН около 8,5 или более. Среди прочего, ПАВы на основе ортоэфиров могут включаться в обрабатывающие жидкости настоящего изобретения для любой из ряда целей, включая применение в качестве эмульгирующих агентов, неэмульгирующих агентов, пенообразующих агентов, пеногасящих агентов, диспергирующих агентов, смачивающих агентов, их комбинации и подобное.
Жидкие основы, включенные в обрабатывающие жидкости настоящего изобретения, могут содержать любую из жидкостей, которая может быть использована для получения подходящей обрабатывающей жидкости. Примеры подходящих жидких основ включают, но не ограничиваются указанными, водные жидкости, масляные жидкости и их комбинации. Примеры подходящих масляных жидкостей включают, но не ограничиваются указанными, олефины, внутренние олефины, алканы, ароматические растворители, циклоалканы, сжиженный природный газ, керосин, дизельные масла, сырую нефть, тяжелые нефти, газойль, горючее, нефти парафинового основания, минеральные масла, минеральные масла низкой токсичности, олефины, эфиры, амиды, синтетический масла (например, полиолефины), полидиорганосилоксаны, силоксаны, органосилоксаны, простые эфиры, ацетали, диалкилкарбонаты, углеводороды, дизельное топливо, сырую нефть, органические растворители, масло и их комбинации. Поскольку ПАВы на основе ортоэфиров в большинстве случаев разлагаются при пониженных значениях рН, при обработке водной жидкой основой, в наиболее предпочтительных вариантах осуществления, необходимо иметь рН около 8,5 или более. Подходящие водные жидкости могут включать, но не ограничиваются указанными, пресную воду, морскую воду, соленую воду, рассолы (например, природные или искусственные рассолы) и их комбинации. Водная жидкость может быть из любого источника при условии, что она не содержит избытка соединений, которые могут наносить ущерб эмульгированной обрабатывающей жидкости. В некоторых вариантах осуществления неводные жидкости также могут применены как жидкая основа. В определенных вариантах осуществления водная жидкость может включать в себя гелеобразующие агенты (например, вязкоупругие ПАВы, природные или синтетические полимеры и т.д.) для гелеобразования водной жидкости и увеличения ее вязкости и при желании сшивающий агент для сшивания гелеобразующего агента и, далее, увеличения вязкости жидкости.
ПАВы на основе ортоэфиров, применяемые в настоящем изобретении, в большинстве случаев могут быть любым подходящим ПАВ на основе ортоэфира. В определенных вариантах осуществления по меньшей мере часть ПАВов на основе ортоэфиров описываются формулой I:
1
2
3
3
3
2
5
3
7
4
9
3
2
5
где R является водородом или алкильной группой, имеющей от 1 до 4 атомов углерода, R является гидрофобной группой, R является гидрофильной группой, R является СН, СН, СН или СН, x равен 1 или 2, у является целым числом от 0 до 2, и z является целым числом от 0 до 2, и где сумма x, у и z равна 3. Предпочтительно R является СН или СН.
В определенных вариантах осуществления подходящие ПАВы на основе сложных ортоэфиров могут быть синтезированы из ацеталей дикетенов или ацеталей мультикетенов. В определенных вариантах осуществления подходящие неионные или катионный ПАВы на основе ортоэфиров, содержащие амины, могут быть синтезированы путем трансэтерификации алканоламина и гидрофобного спирта со сложным ортоэфиром низкого молекулярного веса или путем реакции алканоламина и гидрофобного спирта с ацеталем дикетена или ацеталем мультикетена. Подходящие ПАВы на основе ортоэфиров и способы синтеза описаны в патенте США №6653395, который включен в данное описание в качестве ссылки. Другие подходящие ПАВы на основе ортоэфиров и способы синтеза описаны в WO 03/018534 и Публикации заявки на патент США №2004/0039235, которые включены в настоящее описание в качестве ссылки.
Гидрофобные группы, содержащиеся в ПАВах на основе ортоэфиров, могут быть любыми из гидрофобных групп, полученных из гидрофобных спиртов, которые способны вступать в реакцию трансэтерификации с ортоэфирами. В определенных вариантах осуществления гидрофобные группы могут включать в себя моноспирты, полученные из жирных спиртов, этоксилированные жирные спирты, гидрофобные полиалкиленоксиды с блокированной концевой группой, политетрагидрофуран и полибутадиен с концевым гидроксилом. Примеры подходящих гидрофобных полиалкиленоксидов включают в себя, например, полибутиленоксид с блокированной концевой группой и полипропиленоксид с блокированной концевой группой. Подходящие гидрофобные группы включают в себя, например, алкильные группы с 8 или более атомами углерода. Подходящие примеры алкильных групп с 8 или более атомами углерода включают в себя, но не ограничиваются указанными, 2-этилгексил, октил, децил, пальмитиноалкил, лаурил, олеил, алкил рапса и талловый алкил. Специалисты в данной области с преимуществом этого изобретения будут способны определить подходящие гидрофобные группы, основываясь на среди прочего гидрофильно-липофильном балансе и той конкретной функции, которую будет осуществлять ПАВ.
Гидрофильные группы, содержащиеся в ПАВах на основе сложных ортоэфиров, могут быть получены из гидрофильных спиртов. Подходящие гидрофильные спирты включают, например, полиэтиленоксид с блокированной концевой группой и алканоламины. Примеры подходящих алканоламинов включают, но не ограничиваются указанными, N,N-диметилэтаноламины, N,N-диэтилэтаноламины, N-метилдиэтаноламины, N-метилгидроксиэтилпиперазин, 1,4-бис(2-гидроксиэтил)пиперазин, N,N-диметил-N',N'-бис-(2-гидроксиэтил)пропилендиамины, N,N-диэтил-N',N'-бис-(2-гидроксиэтил)пропилендиамины, 3-диметиламино-1-пропанол, 3-диэтиламино-1-пропанол и триэтаноламин. В определенных вариантах осуществления гидрофильные группы могут быть получены из третичных аминов. Гидрофильные группы, полученные из третичных аминов, могут являться подходящими в определенных вариантах осуществления, поскольку третичные амины, вероятно, могут вызывать меньшее количество нежелательных побочных реакций в синтезе ПАВ на основе ортоэфира. В некоторых вариантах осуществления ПАВы на основе ортоэфира, содержащие третичные амины, могут быть кватернизованы путем алкилирования с образованием четвертичного аммониевого соединения как катионного ПАВ на основе ортоэфира.
В определенных вариантах осуществления подходящие ПАВы на основе ортоэфиров формулы I могут быть синтезированы путем взаимодействия в одну или более стадию ортоэфира низкого молекулярного веса формулы II, как проиллюстрировано ниже, с гидрофильными спиртами и гидрофобными спиртами в присутствии кислотного катализатора:
4
где R имеет то же самое значение, как в формуле I, a R является алкильной группой, имеющей от 1 до 6 атомов углерода. Примеры подходящих кислотных катализаторов включают метансульфоновую кислоту, p-толуолсульфоновую кислоту и лимонную кислоту. Примеры подходящих ортоэфиров низкого молекулярного веса формулы II включают триметил ортоформиат, триметил ортоацетат, триэтил ортоформиат, триэтил ортоацетат, трипропил ортоформиат и трипропил ортоацетат. Ортоэфиры низкого молекулярного веса могут быть применены благодаря легкости трансэтерификации этих молекул со спиртами высокого молекулярного веса. Примеры подходящих гидрофобных спиртов и гидрофильных спиртов описаны выше. В одном из вариантов осуществления подходящие ПАВы на основе ортоэфира формулы I могут быть синтезированы путем взаимодействия триметил ортоформиата со смесью гидрофильных и гидрофобных спиртов в присутствии кислотного катализатора, как это проиллюстрировано на схеме реакции I:
5
6
где R точно такой же, как для формулы I, R является гидрофобной группой, R является гидрофильной группой, r равен 1 или 2 p является целым числом от 0 до 2, и q является целым числом от 0 до 2, и где сумма r, p и q равна 3. Поскольку молекула триметил ортоформиата имеет три позиции, которые могут быть замещены реагентами, продукт реакции, обозначенный на схеме реакции I, является смесью нескольких различных реакционных продуктов. Некоторые молекулы будут иметь один гидрофобный заместитель и один гидрофильный заместитель. Некоторые молекулы будут иметь два гидрофобных заместителя. И некоторые молекулы будут иметь два гидрофильных заместителя. Поверхностная активность реакционных продуктов будет зависеть среди прочего от заместителей, например, молекулы, содержащие одну гидрофобную группу и одну гидрофильную группу в той же самой молекуле, должны проявлять поверхностную активность. В большинстве случаев реакционные продукты, содержащие только гидрофильные или гидрофобные группы, будут проявлять незначительную поверхностную активность или не проявлять вообще.
В определенных вариантах осуществления подходящие ПАВы на основе сложных ортоэфиров могут быть синтезированы путем взаимодействия, в одну или более стадию, ацеталя дикетена или мультикетена с одним или более гидрофобным спиртом и одним или более гидрофильным спиртом. Примеры подходящих гидрофобных спиртов и гидрофильных спиртов, которые могут быть применены в синтезе ПАВ на основе ортоэфира из ацеталя дикетена или мультикетена, описаны ранее. Примеры подходящих ацеталей дикетена или мультикетена могут быть синтезированы, как это описано в патенте США №4304767, который включен в данное описание в качестве ссылки. В одном из вариантов осуществления, как проиллюстрировано ниже на схеме реакции II, ацеталь дикетена может быть синтезирован путем взаимодействия пентаэритрита и диметил ацеталя хлороацетальдегида в присутствии п-толуолсульфоновой кислоты (п-ТСК) или метансульфоновой кислоты с образованием 2, который при дегидрогалогенировании в присутствии t-бутоксида в t-бутаноле дает ацеталь дикетена 3, и подходящие ПАВы на основе сложного ортоэфира 4 могут быть синтезированы путем взаимодействия полученного ацеталя дикетена с одним молярным эквивалентом каждого из гидрофобных и гидрофильных спиртов в присутствии небольшого количества иода, растворенного в пиридине. В некоторых вариантах осуществления ПАВы на основе сложного ортоэфира могут быть синтезированы смешением гидрофобного и гидрофильного спиртов с ацеталем дикетена без добавления иод-пиридинового катализатора, если спирты и ацетали дикетена являются исключительно чистыми.
7
8
где R является гидрофобной группой и R является гидрофильной группой. Как будет очевидно для специалистов в данной области, продукт реакции, обозначенный на схеме реакции II, является смесью нескольких различных реакционных продуктов. Некоторые молекулы будут иметь один гидрофобный заместитель и один гидрофильный заместитель. Некоторые молекулы будут иметь два гидрофобных заместителя. И некоторые молекулы будут иметь два гидрофильных заместителя. Поверхностная активность реакционных продуктов будет зависеть среди прочего от заместителей, например, молекулы, содержащие одну гидрофобную группу и одну гидрофильную группу в той же самой молекуле, должны проявлять поверхностную активность. В большинстве случаев реакционные продукты, содержащие только гидрофильные или гидрофобные группы, будут проявлять незначительную поверхностную активность или не проявлять вообще.
В определенных вариантах осуществления подходящие ПАВы на основе ортоэфира, содержащие амины, могут быть синтезированы путем реакции трансэтерификации алканоламина и гидрофобного спирта со сложным ортоэфиром низкого молекулярного веса, ранее перечисленном для формулы II, или путем реакции алканоламина и гидрофобного спирта с ацеталем дикетена или ацеталем мультикетена. В определенных вариантах осуществления ПАВы на основе ортоэфира, содержащие амины, могут быть синтезированы из третичных аминов. В некоторых вариантах осуществления ПАВ на основе ортоэфира, содержащее третичные амины, может быть кватернизовано путем алкилирования с образованием четвертичного аммониевого соединения, например, катионного ПАВ на основе ортоэфира.
В некоторых вариантах осуществления амины могут являться третичным амином или четвертичной аммониевой солью. Например, третичный амин может быть кватернизован путем реагирования ПАВ на основе сложного ортоэфира, содержащего третичный амин, с алкилирующим агентом (например, метил хлоридом или диметил сульфатом) с образованием катионного ПАВ на основе ортоэфира. Подходящие алканоламины, ортоэфиры низкого молекулярного веса и ацетали дикетена описаны ранее.
Специальная функция, которую ПАВы на основе сложных ортоэфиров выполняют в настоящем изобретении, будет зависеть от разнообразных факторов. Эти факторы могут включать, но не ограничиваются указанными, выбор гидрофобных и гидрофильных групп, относительные количества гидрофобных и гидрофильных групп и температуру. Например, образуется ли эмульсия масло-в-воде («м/в») или вода-в-масле («в/м»), может быть определено по относительной гидрофобности ПАВ-части и гидрофильности головной группы. Гидрофильно-липофильный баланс («ГЛБ») ПАВов может представить количественное предсказание того, будет ли ПАВ облегчать образование м/в- или в/м-эмульсии. ГЛБ может быть определен из химической формулы ПАВ с применением эмпирически определенных чисел групп. Даже ГЛБ-способ является только полуэмпирическим, и другие факторы (такие как относительные объемы фаз масла и воды) могут иметь значительное влияние на тип образующейся эмульсии.
Путем варьирования выше перечисленных факторов специфические свойства ПАВ на основе ортоэфира, такие как растворимость, смачивающая способность, эмульгирование, пенообразование, пеногашение, температура помутнения, гелеобразование, моющая способность и подобные, могут варьироваться. Например, при применении как эмульгирующего агента ПАВ на основе ортоэфира, имеющее ГЛБ от около 3 до около 6, может являться подходящим для стабилизации в/м-эмульсия. В других вариантах осуществления для стабилизирования м/в-эмульсии может подходить ПАВ на основе ортоэфира, имеющее ГЛБ от около 8 до около 18. Специалисты в данной области с преимуществом этого изобретения будут способны определить соответствующий ПАВ на основе сложного ортоэфира для применения в специальном назначении.
Количество ПАВов на основе ортоэфиров, применяемых в настоящем изобретении для включения в обрабатывающие жидкости настоящего изобретения, будет зависеть от среди прочего специфики назначения. В определенных вариантах осуществления ПАВы на основе ортоэфиров должны присутствовать в количестве, находящемся в диапазоне от около 0,01% до около 5% по весу жидкости. В определенных вариантах осуществления ПАВы на основе ортоэфиров должны присутствовать в количестве, находящемся в диапазоне от около 0,05% до около 2% от веса жидкости.
В некоторых вариантах осуществления, где применяется водная-жидкая основа, рН обрабатывающих жидкостей настоящего изобретения может среди прочего влиять на разложение ПАВов на основе ортоэфиров. ПАВы на основе ортоэфиров, применяемые в настоящем изобретении, являются в большинстве случаев стабильными при рН около 8,5 или более. Однако разложение ортоэфирной связи в большинстве случаев должно приводить к разрушению поверхностной активности ПАВов. При рН около 8 или менее ПАВы на основе ортоэфиров должны разлагаться с приемлемыми скоростями. В большинстве случаев уменьшение при рН нейтральной среды (около рН 7) должно позволять ПАВу на основе ортоэфира разлагаться относительно быстро. Скорости разложения должны расти с уменьшением рН и увеличением температуры. В подземном применении буферирующее действие пласта совместно с температурой может в некоторых вариантах осуществления обеспечивать желательное разложение ПАВа на основе сложного ортоэфира. В большинстве случаев рН специальной обрабатывающей жидкости настоящего изобретения может быть сохранен при около 8,5 или более. В вариантах осуществления, когда применяется неводная жидкая основа, ПАВ на основе ортоэфира, присутствующий в обрабатывающей жидкости, должен начинать разлагаться при взаимодействии с жидкостью формации (например, соляным раствором формации).
Если необходимо, для сохранения рН обрабатывающих жидкостей настоящего изобретения в желательном диапазоне, жидкости при желании могут включать рН-буфер и/или сильное основание. рН-буфер и/или сильное основание могут включаться в обрабатывающие жидкости для корректировки рН и/или сохранить рН в желательном диапазоне для среди прочего стабильности разлагаемых ПАВов на основе ортоэфиров. В некоторых вариантах осуществления рН-буфер может быть использован, например, если кислота применяется для уменьшения рН обрабатывающей жидкости в желательный момент времени.
Примеры подходящих рН буферов включают, но не ограничиваются указанными, натрий карбонат, калий карбонат, диацетат натрия или калия, фосфат натрия или калия, гидрофосфат натрия или калия и их комбинации. В некоторых вариантах осуществления могут применяться сильные основания, например, когда буферирующий эффект пласта используется для уменьшения рН обрабатывающей жидкости. Примеры подходящих сильных оснований включают, но не ограничиваются указанными, натрий гидроксид, калий гидроксид и их комбинации. рН-буфер и/или сильное основание могут присутствовать в обрабатывающей жидкости настоящего изобретения в количестве, достаточном для удержания рН обрабатывающей жидкости около 8,5 или выше, как это желательно. Специалист в данной области с преимуществом этого изобретения может предложить соответствующий рН-буфер и/или сильное основание и их количество для применения в выбранном назначении.
В то время как ПАВы на основе сложных ортоэфиров, включаемые в обрабатывающие жидкости настоящего изобретения, являются в большинстве случаев разлагаемыми или расщепляемыми, это может быть желательно в некоторых вариантах осуществления для быстрого разложения. Следовательно, в некоторых вариантах осуществления для облегчения разложения ПАВов на основе ортоэфиров и таким образом в большинстве случаев разрушая или уменьшая их поверхностную активность рН обрабатывающей жидкости может быть уменьшен в желательный момент времени. В большинстве случаев при рН около 8 или менее ПАВы на основе ортоэфиров должны разлагаться с приемлемыми скоростями. В подземных применениях буферирующее действие пласта совместно с температурой может в некоторых вариантах осуществления обеспечить желательное разложение. В некоторых вариантах осуществления ПАВы на основе ортоэфиров могут включаться в обрабатывающую жидкость для облегчения образования эмульсии. В желательный момент времени эмульсия может быть разрушена путем уменьшения рН водной фазы обрабатывающей жидкости в достаточной степени, чтобы позволить разложение ПАВ на основе ортоэфира. После разложения сложных ортоэфирных связей уменьшение поверхностной активности ПАВа на основе ортоэфира будет облегчать разрушение эмульсии. Разделение двух фаз эмульсии обычно описывается как «разрушение» эмульсии.
Для уменьшения рН обрабатывающей жидкости в желательный момент времени может быть использован ряд способов. В некоторых вариантах осуществления обрабатывающая жидкость может контактировать с кислотой после введения обрабатывающей жидкости в подземный пласт. Примеры подходящих кислот включают, но не ограничиваются указанными, соляную кислоту, плавиковую кислоту, муравьиную кислоту, фосфорную кислоту, сульфаминовую кислоту, уксусную кислоту их производные и их смеси.
В других вариантах осуществления кислота с замедленным выделением, такая как высвобождающий кислоту разлагаемый материал или инкапсулированная кислота, может быть включена в обрабатывающую жидкость для уменьшения рН обрабатывающей жидкости в желательный момент времени, например, после введения обрабатывающей жидкости в подземный пласт. Подходящие инкапсулированные кислоты, которые могут быть включены в обрабатывающие жидкости настоящего изобретения, включают, но не ограничиваются указанными, фумаровую кислоту, муравьиную кислоту, уксусную кислоту, уксусный ангидрид, ангидриды, соляную кислоту, плавиковую кислоту, борфтороводородную кислоту их комбинации и подобные. Пример методологии инкапсуляции описан в патентах США №5373901, 6444316, 6527051 и 6554071, которые включены в данное описание в качестве ссылки. Высвобождающие кислоту разлагаемые материалы также могут включаться в обрабатывающие жидкости настоящего изобретения для уменьшения рН жидкости. Подходящие высвобождающие кислоту разлагаемые материалы, которые могут быть применены в связи с настоящим изобретением, являются теми материалами, которые по существу нерастворимы в воде так, что они разлагаются по прошествии времени, а не мгновенно, в водной среде с образованием кислоты. Примеры подходящих высвобождающих кислоту разлагаемых материалов включают в себя сложные эфиры, сложные полиэфиры, сложные ортоэфиры, сложные полиортоэфиры, лактиды, полилактиды, гликозиды, полигликозиды, замещенные лактиды, где замещающая группа выбрана из: водорода, алкила, арила, алкиларила, ацетильной группы, гетероатома и их смесей, существенным образом водонерастворимые ангидриды, полиангидриды и их смеси и сополимеры. Материалы, подходящие для применения в качестве высвобождающего кислоту разлагаемого материала настоящего изобретения, могут считаться разлагаемыми, если разложение имеет место, между прочим, в химических процессах, таких как гидролиз, окисление или ферментативное разложение. Соответствующий рН-регулирующий агент или высвобождающий кислоту материал и их количество могут зависеть от характеристик и условий в формации, выбранного специального ПАВ на основе сложного ортоэфира и других факторов, известным для специалистов в данной области, при условии наличия преимущества данного изобретения.
В зависимости от специального назначения обрабатывающие жидкости настоящего изобретения могут далее включать любую из разнообразных дополнительных добавок. Примеры подходящих добавок включают, но не ограничиваются указанными, расклинивающие наполнители, частицы гравия, утяжелители бурового раствора, органофильные глины, реагенты для закупоривания трещин, агенты ранжирования потери текучести, смачивающие агенты, ингибиторы коррозии, ингибиторы образования отложений, понизитель фильтрации, газ, ингибиторы парафиновых отложений, ингибиторы асфальтеновых отложений, катализаторы, ингибиторы гидратообразования, реагенты для борьбы с поступлением железа, реагенты для борьбы с поступлением глины, биоциды, уменьшители трения, их комбинации и подобные. Специальные добавки, включенные в обрабатывающие жидкости, не должны наносить ущерб другим компонентам обрабатывающей жидкости или ПАВ на основе ортоэфира. Специалисты в данной области с преимуществом данного изобретения легко осознают типы добавок для включения при специальном назначении.
Обрабатывающие жидкости настоящего изобретения могут быть применены в любом из подходящих подземных применений. Такие применения могут включать, но не ограничиваются указанными, процессы бурения, интенсифицирующие обработки (например, обработки с разрывом пласта) и операции по закачиванию (например, контроль за проскоком песка, гравийная набивка). Пример способа настоящего изобретения включает: приготовление обрабатывающей жидкости настоящего изобретения, которая содержит жидкую основу и ПАВ на основе ортоэфира, введение обрабатывающей жидкости в подземный пласт. Введение обрабатывающей жидкости в подземную жидкость может состоять во введении обрабатывающей жидкости в скважину, которая проникает в подземный пласт. В некоторых вариантах осуществления способ может далее включать разложение по меньшей мере части ПАВ на основе ортоэфира. Как обсуждалось ранее, в желательный момент времени рН обрабатывающей жидкости может быть уменьшено для облегчения разложения ПАВ на основе ортоэфира, таким образом разлагая или уменьшая поверхностную активность ПАВ.
В вариантах осуществления бурения обрабатывающие жидкости могут быть применены при бурении по меньшей мере части скважины, которая проникает в подземный пласт. Например, обрабатывающие жидкости могут быть применены как жидкость для бурения или жидкость для вскрытия пласта. В другом варианте осуществления обрабатывающие жидкости настоящего изобретения могут быть применены в обработке для контроля за проскоком песка (например, как жидкая среда гравийной набивки). В вариантах осуществления обработки для контроля за проскоком песка обрабатывающие жидкости могут далее включать частицы гравия, где по меньшей мере часть частиц гравия может быть помещена в или близко к части подземного пласта с образованием гравийной набивки. Применяемый здесь термин «гравийная набивка» обозначает частицы гравия, которые помещены в скважину для обеспечения по меньшей мере некоторой степени защиты от проскока песка, такого как путем набивки кольца между скважиной и экраном, расположенным в скважине, с частицами гравия определенного размера, предназначенными предотвращать прохождение песка из пласта. В некоторых вариантах осуществления также могут быть использованы бесситовые гравийные набивки. В вариантах осуществления разрыва пласта обрабатывающая жидкость может вводиться в подземный пласт при достаточном или более высоком давлении для создания или увеличения одного или более разрыва в подземном пласте.
II. Варианты осуществления эмульгированных обрабатывающих жидкостей настоящего изобретения
В вариантах осуществления эмульсий обрабатывающие жидкости настоящего изобретения могут являться эмульгированной обрабатывающей жидкостью, которая включает в себя масляную фазу, водную фазу, имеющую рН около 8,5 или более, и ПАВ на основе ортоэфира. Применяемый здесь термин «эмульгированная обрабатывающая жидкость» обозначает любую эмульгированную жидкость, которая имеет дисперсионную среду и дисперсную фазу или в/м-эмульсию или м/в-эмульсию. В м/в-эмульсии водная фаза является дисперсионной (или внешней) средой, а масляная фаза является дисперсной (или внутренней) фазой. В в/м-эмульсии (или обратной эмульсии) водная фаза является дисперсной фазой, а масляная фаза является дисперсионной средой.
В большинстве случаев эмульгированные обрабатывающие жидкости настоящего изобретения подходят для применения в разнообразных применениях, в которых являются пригодными м/в-эмульсия или в/м-эмульсия. Например, ПАВы на основе сложных ортоэфиров могут применяться для облегчения образования в/м-эмульсий, которые могут быть применены в разнообразных подземных операциях, включая процессы бурения (например, как жидкость для бурения или жидкость для вскрытия пласта), обработку с разрывом пласта (например, как жидкость для гидроразрыва), очистку скважины, вязкие качания и обработки для контроля за проскоком песка (например, как жидкость для формирования гравийной набивки). Жидкость для вскрытия пласта является жидкостью для бурения, составленная для бурения резервуарной части подземного пласта. Также, ПАВы на основе ортоэфиров могут применяться для облегчения образования м/в-эмульсии, которая может быть применена в разнообразных подземных применениях, включая очистку скважины, такую как удаления парафиновых, асфальтеновых и/или окалинных отложений. В другом варианте осуществления ПАВы на основе ортоэфира могут быть использованы для образования эмульгированной обрабатывающей жидкости, которая может быть полезна для облегчения транспорта масляной фазы, например, для облегчения течения тяжелой нефти через нефтепровод. Применяемый здесь термин «тяжелая нефть» обозначает любую нефть с плотностью по API менее чем 28 градусов или высокой специфический плотностью.
Масляная фаза эмульгированных обрабатывающих жидкостей настоящего изобретения может включать любую масляную жидкость, подходящую для применения в эмульсиях, используемых в подземный применениях. Масляная жидкость может быть из природного или синтетического источника. Примеры подходящих масляных жидкостей включают, но не ограничиваются указанными, α-олефины, внутренние олефины, алканы, ароматические растворители, циклоалканы, сжиженный природный газ, керосин, дизельные масла, сырую нефть, тяжелые нефти, газойль, горючее, нефти парафинового основания, нефтепродукты, нефтепродукты низкой токсичности, олефины, сложные эфиры, амиды, синтетические масла (например, полиолефины), полидиорганосилоксаны, силоксаны, органосилоксаны, простые эфиры, ацетали, диалкилкарбонаты, углеводороды и их комбинации.
Количество масляной фазы, включенной в эмульгированную обрабатывающую жидкость, зависит от ряда факторов, включая конкретное ПАВ на основе применяемого ортоэфира, типа эмульсии (например, м/в или в/м), желательного назначения и реологии. Например, в определенных вариантах осуществления, таком как интенсификация, эмульгированная обрабатывающая жидкость должна иметь достаточную вязкость для транспорта расклинивающего наполнителя. В некоторых вариантах осуществления для м/в-эмульсии масляная фаза может присутствовать в количестве, находящемся в диапазоне от около 10% до около 65% по объему от эмульгированной обрабатывающей жидкости. В некоторых вариантах осуществления для в/м-эмульсии масляная фаза может присутствовать в количестве, находящемся в диапазоне от около 20% до около 90% по объему от эмульгированной обрабатывающей жидкости.
В вариантах осуществления эмульсий эмульгированные обрабатывающие жидкости настоящего изобретения могут также содержать водную фазу. В большинстве случаев водная фаза может содержать водную жидкость. Подходящие водные жидкости могут содержать, но не ограничены ими, пресную воду, морскую воду, соленую воду, рассолы (например, природные или искусственные рассолы) и их комбинации. Водная жидкость может быть из любого источника при условии, что она не содержит избытка соединений, которые могут наносить ущерб эмульгированной обрабатывающей жидкости.
Количество водной фазы, включенной в эмульгированную обрабатывающую жидкость, зависит от ряд факторов, включая конкретное ПАВ на основе применяемого ортоэфира, типа эмульсии (например, м/в или в/м), желательного назначения и реологии. В некоторых вариантах осуществления для м/в-эмульсии водная фаза может присутствовать в количестве, находящемся в диапазоне от около 35% до около 90% по объему от эмульгированной обрабатывающей жидкости. В некоторых вариантах осуществления для в/м-эмульсии водная фаза в большинстве случаев может присутствовать в количестве, находящемся в диапазоне от около 10% до около 80% по объему от эмульгированной обрабатывающей жидкости.
В большинстве случаев ПАВы на основе ортоэфира должны быть включены в эмульгированные обрабатывающие жидкости настоящего изобретения для уменьшения поверхностного натяжения между масляной фазой и водной фазой для облегчения образования и стабилизации эмульгированных обрабатывающих жидкостей настоящего изобретения. Как обсуждалось ранее, ПАВ на основе ортоэфира могут быть сделаны на заказ для облегчения образования м/в- или в/м-эмульсий. ПАВы на основе сложного ортоэфира могут присутствовать в эмульгированных обрабатывающих жидкостях настоящего изобретения в количестве, находящемся в диапазоне от около 0,01% до около 5% по весу эмульгированных обрабатывающих жидкостей. В другом варианте осуществления ПАВы на основе ортоэфира могут присутствовать в эмульгированных обрабатывающих жидкостях настоящего изобретения в количестве, находящемся в диапазоне от около 1% до около 3% по весу эмульгированных обрабатывающих жидкостей.
Как обсуждалось ранее, ПАВы на основе ортоэфиров, включенные в эмульгированные обрабатывающие жидкости настоящего изобретения, в большинстве случаев являются стабильными при рН около 8,5 или более. В результате для стабилизации ПАВов на основе ортоэфиров водная фаза эмульгированных обрабатывающих жидкостей настоящего изобретения должна иметь рН около 8,5 или более. Для удержания рН обрабатывающей жидкости настоящего изобретения в желательном диапазоне водная фаза при желании может включать в себя рН-буфер и/или сильное основание. рН-буфер и/или сильное основание могут включаться в водную фазу для нормализации рН и/или сохранения рН в желательном диапазоне, среди прочего, для стабильности разлагаемых ПАВов на основе сложных ортоэфиров. В некоторых вариантах осуществления может быть применен рН-буфер, например, когда кислота применяется для уменьшения рН обрабатывающей жидкости в желательный момент времени. В некоторых вариантах осуществления может быть применено сильное основание, например, когда буферирующий эффект пласта применяется для уменьшения рН обрабатывающей жидкости. Подходящие рН-буферы и сильные основания могут включать в себя те, что описаны ранее. рН-буфер и/или сильное основание могут присутствовать в водной фазе настоящего изобретения в количестве, достаточном для поддержания рН обрабатывающей жидкости около 8,5 или выше, как это желательно. Специалист в данной области с преимуществом данного изобретения легко предложит соответствующий рН буфер и/или сильное основание и количество буфера для применения для выбранного назначения.
Поскольку ПАВы на основе ортоэфиров действуют как стабилизаторы эмульгированных обрабатывающих жидкостей настоящего изобретения, эмульгированные обрабатывающие жидкости должны обладать замедленным разложением благодаря разложению ПАВов в них, без необходимости включения туда традиционных разрушителей эмульсий, (например, предшественников кислоты). В подземных применениях буферирующее действие пласта совместно с температурой может в некоторых вариантах осуществления обеспечивать желательное разложение. Однако в некоторых вариантах осуществления более быстрый распад может быть желателен, так что кислота с замедленным выделением, такая как высвобождающий кислоту разлагаемый материал или инкапсулированная кислота могут быть включены в эмульгированные обрабатывающие жидкости. Подходящие кислоты с замедленным выделением могут включать те, что описаны ранее. В некоторых вариантах осуществления эмульгированные обрабатывающие жидкости настоящего изобретения могут приводиться в контакт с кислотой после введения эмульгированной обрабатывающей жидкости в скважину. Примеры подходящих кислот включают, но не ограничиваются указанными, соляную кислоту, плавиковую кислоту, муравьиную кислоту, фосфорную кислоту, сульфаминовую кислоту, уксусную кислоту, их производные и их смеси.
В зависимости от специального назначения эмульгированные обрабатывающие жидкости настоящего изобретения могут далее включать любую из разнообразных дополнительных добавок. Примеры подходящих добавок включают, но не ограничиваются указанными, частицы расклинивающего наполнителя, частицы гравия, утяжелители бурового раствора, органофильные глины, реагенты для закупоривания трещин, контроля за потерей текучести, смачивающие агенты, ингибиторы коррозии, ингибиторы образования отложений, понизитель фильтрации, газ, ингибиторы парафиновых отложений, ингибиторы асфальтеновых отложений, катализаторы, ингибиторы гидратообразования, реагенты для борьбы с поступлением железа, реагенты для борьбы с поступлением глины, биоциды, агенты, понижающие трение, их комбинации и подобные. Специальные добавки, включаемые в обрабатывающие жидкости, не должны наносить ущерб другим компонентам эмульгированной обрабатывающей жидкости. Специалисты в данной области с преимуществом данного изобретения легко предложат типы добавок для включения при специальном назначении.
Эмульгированные обрабатывающие жидкости настоящего изобретения могут быть применены в любом подходящем подземном назначении, где эмульсия может применяться для процессов, включая, но не ограничивая указанными, процессы бурения (например, как жидкость для бурения или жидкость для вскрытия пласта), обработку с разрывом пласта (например, как жидкость для гидроразрыва), очистку скважины, вязкие качания и обработку для контроля за проскоком песка (например, жидкость для формирования гравийной набивки). Пример способа настоящего изобретения включает: получение эмульгированных обрабатывающих жидкостей настоящего изобретения, которые включают ПАВ на основе сложного ортоэфира масляную фазу и водную фазу, имеющую рН около 8,5 или более, и введение эмульгированной обрабатывающей жидкости в подземный пласт. Введение эмульгированной обрабатывающей жидкости в подземный пласт предполагает введение эмульгированной обрабатывающей жидкости в скважину, которая проникает в подземный пласт. Как ранее обсуждалось, эмульгированная обрабатывающая жидкость может являться м/в- или в/м-эмульсией.
В вариантах осуществления бурения эмульгированные обрабатывающие жидкости могут быть применены при бурении по меньшей мере части скважины, которая проникает в подземный пласт. Например, эмульгированные обрабатывающие жидкости могут быть применены как жидкость для бурения или жидкость для вскрытия пласта. В другом варианте осуществления, эмульгированные обрабатывающие жидкости настоящего изобретения могут быть применены в обработке для контроля за уносом песка (например, как жидкость для гравийной набивки). В вариантах осуществления контроля за проскоком песка, эмульгированные обрабатывающие жидкости могут дополнительно включать частицы гравия, где по меньшей мере часть частиц гравия может быть помещена внутри или вблизи к части подземного пласта для образования гравийной набивки. В вариантах осуществления разрыва пласта эмульгированная обрабатывающая жидкость может быть введена в подземный пласт при достаточном или более высоком давлении для создания или увеличения одного или более разрывов в подземном пласте.
Другой пример способа настоящего изобретения включает использование эмульгированных обрабатывающих жидкостей настоящего изобретения для облегчения течения масляной фазы через трубопровод, например, для облегчения течения тяжелой нефти через нефтепровод.
Пример такого способа может включать: получение эмульгированной обрабатывающей жидкости настоящего изобретения, которая включает ПАВ на основе ортоэфира масляную фазу и водную фазу, имеющую рН около 8,5 или более, протекание эмульгированной обрабатывающей жидкости через трубопровод, уменьшение рН водной фазы для облегчения разложения по крайней мере части ПАВ на основе сложного ортоэфира и, таким образом, облегчения разделения масляной фазы и водной фазы. Так как эмульгированная обрабатывающая жидкость может быть разрушена путем разложения ПАВа на основе ортоэфира, когда рН водной фазы уменьшается, масляная фаза и водная фаза должны разделяться. Среди прочего это делает возможным возвращение масляной жидкости в желаемое место. В наиболее предпочтительных вариантах осуществления рН водной фазы может быть уменьшен при достижении конца нефтепровода, где желательно извлечь масляную жидкость. В определенных вариантах осуществления масляная фаза может являться тяжелой нефтью. Когда используется тяжелая нефть, эмульгированная обрабатывающая жидкость может применяться для облегчения течения тяжелой нефти через трубопровод, такой как нефтепровод.
Для облегчения лучшего понимания настоящего изобретения даны следующие примеры предпочтительных вариантов осуществления. Следующие примеры не должны носить ограничительного характера.
Пример 1
1
2
3
2
3
Эмульсию масло-в-воде с соотношением 75:25 получали по следующей методике. 2 грамма (г) ПАВа на основе ортоэфира формулы I (R=октадецил, R=MPEG-350 и R=СН) растворяли в 50 миллилитрах (мл) раствора, содержащего 0,05% натрий гидроксида по весу от раствора. К полученному раствору добавляли 150 мл минерального масла (HDF-2000) при встряхивании в блендере с образованием эмульсии масло/вода. Реология масляно-водной эмульсии, полученной в соответствии с вышеописанной методикой, была измерена в вискозиметре FANN 35, снабженный адаптером предела текучести. Адаптеры предела текучести описаны в патенте США №6874353, который включен в данное описание в качестве ссылки. Анализ данных был выполнен на Casson модели, было установлено, что: предел текучести = 13 Паскалей, вязкость скорости бесконечного сдвига = 97 сантипуаз и r=0,99, где r является коэффициентом корреляции.
Пример 2
1
2
3
2
3
Эмульсию вода-в-масле с соотношением 75:25 была получена по следующей методике. 4 г ПАВ на основе ортоэфира формулы I (R - бутил, блокированный РРО-2500, R=MPEG-350 и R=СН) растворяли в 50 мл минерального масла (HDF-2000), содержащего 10% по объему основообразующего масла жидкости для бурения ACCOLADE™. Основообразующее масло жидкости для бурения ACCOLADE™ коммерчески доступно от Halliburton Energy Services, Inc.(Duncan, Okalahoma). К полученному раствору добавляли 150 мл воды при встряхивании в блендере с образованием эмульсии вода-в-масле. Реология эмульсии вода-в-масле, полученной в соответствии с вышеописанной методикой, была измерена в вискозиметре FANN 35, снабженном адаптером предела текучести. Адаптеры предела текучести описаны в патенте США №6874353, включенном в данное описание в качестве ссылки. Анализ данных был выполнен на Casson модели, было установлено, что: предел текучести = 40 Паскалей, вязкость скорости бесконечного сдвига = 153 сантипуаз и r=0,99, где r является коэффициентом корреляции.
Таким образом, настоящее изобретение хорошо приспособлено для достижения упомянутых задач и преимуществ, подобных тем, что являются неотъемлемыми для данного изобретения. Специальные варианты осуществления, впервые описанные выше, являются только иллюстративными, таким образом, настоящее изобретение может быть модифицировано и приспособлено к практике в отличных, но эквивалентных способах, очевидных для специалистов в данной области, имеющих преимущество данной методологии. Далее, отсутствуют ограничения, относящиеся к деталям здесь показанных конструкций или моделей, иных, чем описаны в формуле изобретения ниже. Таким образом, очевидно, что специальные иллюстративные варианты осуществления, впервые описанные выше, могут быть изменены или модифицированы, и все такие вариации обсуждаются как принадлежащие области и духу настоящего изобретения. В особенности, каждые диапазоны величин (формы «от около а до около b» или то же самое «от приблизительно а до b», или то же самое «от приблизительно а-b»), впервые описанные здесь, должны пониматься как ссылка на множество (совокупность всех подмножеств) соответствующего диапазона значений, и формулирует каждый диапазон, охватывающий расширенный диапазон значений. Также термины в формуле изобретения обыкновенно имеют их значения до тех пор, пока противоположное однозначно и явно не определено авторами.