KR20010072597A

KR20010072597A - 윤활용 조성물을 포함하는 시추공 유체, 이 시추공 유체의윤활력 제어 방법 및 이것을 ｐＨ가 높은 유체에 사용하는방법

Info

Publication number: KR20010072597A
Application number: KR1020007013989A
Authority: KR
Inventors: 아르질리예쟝-프랑스와; 데무렝앙드레; 오디베르-따예아니; 얀센미첼
Original assignee: 추후제출; 피나 리서치 소시에떼아노님
Priority date: 1998-06-12
Filing date: 1999-06-09
Publication date: 2001-07-31
Also published as: ID27050A; FR2779733A1; NZ509275A; WO1999066006A1; AU756939B2; FR2779733B1; DE69916607T2; US6750180B1; CA2334992C; CN1305517A; DK1092003T3; MXPA00012083A; DE69916607D1; AU4047999A; EP1092003A1; BR9911120A; NO20006266L; NO20006266D0; CA2334992A1; EP1092003B1

Abstract

본 발명은 1종 이상의 식물성유 또는 지방산을 그대로 또는 중합 상태로 1종 이상의 아미노알콜에 반응시킴으로써 얻어지는 1종 이상의 비이온계 친양매성 화합물을 함유하는 윤활용 화합물을 포함하는 시추공 유체에 관한 것이다. 또한, 상기 화합물은 용매와 혼합 가능하다. 본 발명은 또한 수성 유체의 윤활력을 제어하는 방법에 관한 것이다. 또한, 본 발명은 상기 방법을 pH가 높은 시추공 유체에 사용하는 방법에 관한 것이다.

Description

윤활용 조성물을 포함하는 시추공 유체, 이 시추공 유체의 윤활력 제어 방법 및 이것을 ｐＨ가 높은 유체에 사용하는 방법{BOREHOLE FLUID CONTAINING A LUBRICATING COMPOSITION-METHOD FOR VERIFYING THE LUBRICATION OF A BOREHOLE FLUID-APPLICATION WITH RESPECT TO FLUIDS WITH A HIGH PH}

유전 웰이든 아니든 간에 웰을 뚫는 종래 방법은, 일반적으로 지표 시설에 의해 회전 구동되는 드릴파이프의 줄 끝에 고정된 톱니날을 호전 구동시키는 것이다. 유체(드릴링 유체 또는 머드로 일컬음)는 톱니날 근처에서 주입되어 드릴파이프 내부로 들어가게 된다. 이 유체의 주요한 기능은 잔해를 표면쪽으로 밀어냄으로써 톱니날과 웰을 청소하고, 웰 벽을 안정화시키고, 유체와 접촉하는 지질층의 반응을 억제하는 것 등이다.

본 발명은 드릴링 유체라고 하는 유체뿐만 아니라 완비 유체와 개수 유체라고 하는 유체들에 관한 것이다. 완비란 웰이 생산 지층에 도달할 때 드릴링 작동을 계속하는 조작이다. 완비는 특히 저장 암반을 뚫어 지질층을 테스트하고 생산용 웰을 설치하여 웰로 가져오는 것으로 이루어진다. 이러한 조작들을 위해, 완비 유체는 특히 저장 암반과 산출되는 유출물에 특이적일 수 있다. 개수 조작은 뚫기, 재뚫기, 웰 청소 또는 웰 장비 교환을 위해 생산중인 웰에서 작업하는 것으로 이루어진다.

웰 유체는 다양한 용도에 의한 특징들, 특히 점도, 밀도 또는 여과액 제어 용량을 조절해야 한다. 심하게 편향된 웰(예를 들면, 가로식 웰 구멍) 또는 보다 일반적으로 웰에 내려가는 관들의 마찰을 증가시키는 웰의 경우, 유체의 윤활 용량이 중요한 특성이 된다.

pH가 높은 유체(즉, pH 9 이상 및 일반적으로 pH 10 이상인 유체)가 종종 사용되는데, 예컨대 문헌[International Symposium on Oilfield Chemistry, 18-21, 1997년 2월, 미국 텍사스주 휴스톤]에 발표된 SPE 37,266 공개물에 기술된 바와 같이 실리케이트계 드릴링 머드를 들 수 있다. 최근에 특히, 이 머드는 구멍이 뚫린 점토의 팽윤을 억제하는 특성 때문에 사용된다.

본 발명은 웰 드릴링, 웰 완비 또는 웰 개수(改修)에 사용되는 유체에 관한 것이다. 보다 구체적으로, 본 발명은 윤활용 화합물을 포함하는 수성 유체 및 시추공에 넣는 수성 유체의 윤활력 제어 방법을 기술한다. 본 발명에서, 수성 웰 유체는 pH가 9 이상이다.

발명의 개요

본 발명은 1종 이상의 식물성유 또는 지방산을 1종 이상의 아미노알콜에 반응시킴으로써 얻어지는 1종 이상의 비이온계 친양매(親兩媒)성 화합물을 함유하는 윤활용 화합물을 포함하는 수성 웰 유체에 관한 것이다.

모든 식물성유 또는 식물성 지방산이 적당하다. 식물성유 또는 지방산은 아마인유, 홍화유, 포도씨유, 동유(桐油), 해바라기유, 평지씨유, 이들의 혼합물 또는 식물에서 유도된 지방산으로 이루어진 군 중에서 선택될 수 있다.

한 변형체로서, 식물성유 또는 지방산은 중합되어 중합 후 20 ℃에서 5 Pa.s 내지 60 Pa.s의 점도를 가질 수 있다.

사용된 아미노알콜은 디에탄올아민일 수 있다.

윤활용 화합물은 1종 이상의 용매와 임의의 다른 화합물들을 함유하는 혼합물 형태로 상태 조절될 수 있다.

혼합물의 용매는 식물성유의 유도체일 수 있다.

혼합물(윤활용 화합물과 용매)은 0 중량% 내지 80 중량%, 바람직하게는 20 중량% 내지 40 중량%의 용매를 포함할 수 있다.

웰 유체는 윤활용 화합물을 0.1 중량% 내지 5 중량%, 바람직하게는 0.5 중량% 내지 2 중량%의 농도로 포함할 수 있다.

본 발명의 유체는 pH가 9 이상, 바람직하게는 pH가 10 이상이다.

본 발명은 또한 앞에서 정의한 바와 같이 윤활용 화합물을 유체에 도입하는 것으로 이루어지는 수성 웰 유체의 윤활력을 제어하는 방법에 관한 것이다.

본 발명은 전술한 방법을 pH가 9 이상, 바람직하게는 pH가 10 이상인 웰 유체에 사용하는 것을 포함한다.

모든 식물성유가 적당할 수 있지만, 불포화도가 큰 기름인 아마인유, 홍화유, 포도씨유, 동유(桐油), 해바라기유 또는 이들의 혼합물을 사용하는 것이 바람직하다. 이 식물성유들은 그 자체로 또는 중합되어 사용된다. 중합 식물성유(스탠드유)는, 산화가 일어나지 않는 조건하에서 불포화도가 큰 전술한 식물성유를 열처리함으로써 얻어진다. 아마인유(바람직하게는 정제 아마인유)가 일반적으로 사용되지만, 홍화유, 포도씨유, 동유, 해바라기유 또는 이들의 혼합물을 사용하는 것 또한 가능하다. 본 발명의 변형체에 의한 윤활용 화합물을 제조하기 위해서는, 20℃에서 5 Pa.s 내지 60 Pa.s의 점도를 갖는 중합 식물성유를 사용할 수 있다. 일례로, 290∼300℃ 온도에서 정제 아마인유를 열처리하면 6시간 내지 12시간 후에 25℃에서 점도가 10 Pa.s인 생성물이 얻어진다.

본 발명 화합물 제조에 사용되는 아미노알콜류는 1종 이상의 알콜기와 1종 이상의 임의의 에테르기를 포함하는 아민류 또는 폴리아민류이다.

예를 들면, 아미노알콜은 다음과 같다:

HO-C_mH_2m-NH₂

HO-C_mH_2m-NH-C_kH_(2k+1)

(HO-C_mH_2m)₂-NH

(HO-C_mH_2m)_p-CH_(3-p)-NH₂

여기서, m= 2 내지 6, k=1 내지 6, p=2 또는 3이다.

구체적으로, 다음과 같은 것들이 있다.

모노에탄올아민: OH-(CH₂)₂-NH₂,

모노프로판올아민: OH-(CH₂)₃-NH₂,

모노이소프로판올아민: CH₃-CH(OH)-CH₂-NH₂,

2-아미노-1-부탄올: CH₃-CH₂-CH(NH₂)-CH₂-OH,

1-아미노-2-부탄올: CH₃-CH₂-CH(OH)-CH₂-NH₂,

N-메틸-에탄올아민: CH₃-NH-(CH₂)₂-OH,

N-부틸-에탄올아민: CH₃-(CH₂)₃-NH-(CH₂)₂-OH,

펜탄올아민, 헥산올아민, 시클로헥산올아민, 폴리알칸올아민류 또는 식 OH-(CH₂-CH₂-O)_n-CH₂-CH₂-NH₂(n은 1 내지 30임)의 폴리알콕시글리콜아민류,

디에탄올아민: (OH-CH₂-CH₂)₂-NH,

디이소프로판올아민: (CH₃-CH(OH)-CH₂)₂-NH 또는

트리히드록시메틸아미노메탄: ((OH)H₂C-)₃C-NH₂

과 같은 아미노폴리올류.

본 발명의 화합물은 과량의 아미노알콜, 바람직하게는 디에탄올아민을 식물성유 그 자체 또는 중합된 식물성유, 바람직하게는 아마인유 상에서 반응시킴으로써 합성될 수 있다.

반응은 용매 없이, 일반적으로 약 100℃ 이상, 바람직하게는 100℃ 내지 200℃ 온도에서 수행되는 것이 바람직하다.

그러나, 반응 매질의 점도가 너무 높은 경우, 반응은 용매 존재하에서 수행될 수 있다.

본 발명에 의한 유체내 포함되는 윤활용 화합물은 반응 종료 시점에 얻어진다.

이 화합물은 그대로 또는 1종의 용매 또는 몇 종의 용매 및 임의의 다른 화합물을 포함하는 혼합물 형태로 pH가 높은 수성 웰 유체에 도입될 수 있다.

실제 용도를 고려하여 수용 가능한 점도의 혼합물을 얻기 위해 용매가 첨가될 수 있다. 다양한 용매, 특히 방향족 분급물이 사용될 수 있으나, 생분해성이고 비오염성인 첨가제 용액을 얻기 위해서는, 천연유에서 유도되는 모든 용매(예, C6 내지 C18 지방산 에스테르 및 C2 또는 C18 직쇄 또는 분지쇄 알콜 에스테르)를 사용하는 것이 바람직하다.

웰 유체용 윤활 첨가제로 사용되는 경우, 이 화합물들은 0.1 중량% 내지 5 중량%, 바람직하게는 0.5 중량% 내지 2 중량% 농도로 웰 유체에 첨가된다.

환경 보호에 대한 규제가 웰 유체 제형에 비독성 및 비오염성 첨가제 사용을 점차 요구한다.

윤활 조성물을 함유하는 본 발명의 웰 유체는 환경 보호에 대한 현재 기준을 충족시킨다는 주목할만한 장점을 갖는다.

또한, 본 조성물은 pH가 높은 모든 수성 웰 유체(예, 중량이 있든 없든 간에 실리케이트계 유체, 특정 고압/고온(HP/HT) 유체 등)에 사용될 수 있다.

pH 수치가 높다는 것은 윤활용 제품, 특히 높은 pH 수치 및 온도 영향하에서 가수분해하는 종래의 에스테르계 제품의 안정성에 있어서 꽤 까다로운 조건이다.

본 발명의 다른 특징과 장점은 다음 실시예를 통해 제한하지 않는 설명에서명백해질 수 있으나, 이 실시예에 의해 본 발명을 제한하는 것은 아니다.

본 발명의 웰 유체에 첨가된 윤활 조성물의 윤활력은 NL 바로이드 페트롤륨 서비시즈 컴퍼니(NL Baroid Petroleum Services company)에 의해 제조된 "윤활성 시험기-모델 212"의 방법(지침 매뉴얼 파트 No.211210001EA)으로 테스트되었다. 테스트("윤활성 표면 대 표면")는 아메리칸 페트롤륨 인스티튜트(API)의 RP 13B 표준(60 rpm에 100 psi (689 kPa)) 추천 방법에 따라 수행되었다. 여러 조성물들의 윤활 용량을 비교하기 위해, 전술한 테스트 장치로 얻은 눈금을 읽었다. 이 눈금들은 마찰 토크의 상대값에 해당한다. 이 수치가 더 낮을수록, 테스트된 조성물의 윤활력은 더 높아진다.

하기 실시예의 원리는 소정의 윤활 조성물의 특정량을 기본 유체와 혼합해서 그 혼합물을 장치에서 테스트하는 것이다. 특별한 지시가 없는한, 테스트는 상온(약 25℃)에서 수행된다.

일례로 주어지는 기본 웰 유체에 첨가되는 제1 윤활 조성물을 NTL이라 한다.

NTL은 100 L 반응기에서 점도가 10 Pa.s인 중합 아마인유 52 kg와 디에틸아민 28 kg을 160℃에서 1시간 가열하여 반응한 결과물이다. 이것의 점도는 40℃에서 대략 2700 mPa.s였다.

XTL로 일컫는 제2 윤활용 조성물은 전술한 것과 동일한 반응기, 동일한 조건하에서 아마인유 52 kg과 디에탄올아민 28 kg을 반응시킨 생성물이다.

실시예 1: 숙성 전의 실리케이트 머드

기본 유체 조성:

- 깨끗한 물

- 점성체(크산탄) 5.2 g/ℓ

- 여과액 점도 감력제(Aquapac-Regular) 0.14 g/ℓ

- 여과액 점도 감력제(Aquapac-LV) 2.51 g/ℓ

- 충진 점토 20 g/ℓ

- 실리케이트 나트륨 84.7 g/ℓ

- 염화나트륨 50 g/ℓ

- 중정석(重晶石) 93 g/ℓ

- NaOH pH=11을 얻기 위한 분량

모든 테스트에 사용된 크산탄은 도웰 드릴링 플루이즈 컴퍼니(Dowell Drilling Fluids company)에서 시판하는 IDVIS이다.

CMC AQUAPAC Regular와 LV 형 제품들은 아쿠알론 컴퍼니(Aqualon company)에서 시판한다.

이 테스트는 중량 농도에 따라, pH가 높은 기본 유체에 첨가되는 윤활제 NTL의 윤활력을 나타낸다.

윤활제 NTL	토크 눈금
(%)	(lbs.in)	N.m
0	42	4.75
0.5	25	2.8
1	23	2.6
1.5	21	2.4
2	17	1.9
3	17	1.9
4	17	1.9
5	17	1.9

토크 수치는 윤활제 농도가 증가함에 따라 감소됨을 관찰할 수 있다. 이 결과들은 pH가 높은 제형을 갖는 NTL계의 우수한 성능을 보여준다. 약 2%의 윤활 첨가제 농도가 최적값이었다.

실시예 2: 숙성 후의 실리케이트 머드

전술한 기본 유체 제형과 2% NTL을 혼합시켜 80℃의 "가온 롤링" 테스트 셀에서 16시간 숙성한 후 상온으로 복귀시켰다. 다음 결과들은 온도 숙성이 pH가 높은 머드에서 NTL 첨가제의 윤활 성질을 저하시키지 않음을 보여준다.

	토크 눈금
	(lbs.in)	(N.m)
숙성 전	17	1.9
숙성 후	18	2.03

실시예 3: 머드의 유동학적 성질 및 여과 성질에 미치는 윤활제의 영향

머드의 유동학적 성질은, 80℃에서 NTL의 존재 또는 부재하에 16시간 숙성 전(AV)과 숙성 후(AP)의 VA(겉보기 점도, 센티포이즈(cP) 단위), VP(가소 점도, 센티포이즈(cP) 단위), YV(수율 수치, ℓb/100 ft²단위) 및 겔 0 내지 겔 10(측정값은 API RP 13B1 표준에 따라 부록 I의 SI 단위로 주어짐)뿐만 아니라 30분 여과 후에 얻어지는 보정 여과액량(cm³)으로 표시되는 여과 성질로 나타낸다.

기본 유체 형성 방법은 실시예 1의 실리케이트 머드와 동일하다.

	NTL 없음(AV)	2% NTL(AV)	NTL 없음(AP)	2% NTL(AP)
VA	34	41	32	43
VP	11	20	17	22
YV	46	42	30	42
겔 0/겔 10	11/15	5/8	8/10	8/15
여과액 (ml)	2.6	2.0	4.6	3.9

이 결과들은 최적 NTL의 분량(%)의 첨가가 숙성 전이든 후이든 간에 머드의 유동학적 및 여과 성질을 크게 변화시키지 않음을 보여준다.

실시예 4: 용매에 의한 NTL 희석

본 발명의 대표적인 여러 윤활용 화합물들(L1, L2, L3, L4, L5, L6)을 테스트하였다. %는 중량 %를 나타낸다. 40℃에서 측정된 점도를 하기 표에 나타내었다.

혼합물	점도(mPa.s)
L1: NTL-100%	2670
L2: NTL-80% + 메틸올레이트-20%	790
L3: NTL-70% + 메틸올레이트-30%	410
L4: NTL-80% + 2-부틸 C12-C14-20%	710
L5: NTL-70% + 2-부틸 C12-C14-30%	385
L6: NTL-70% + 2-부틸 C12-C14-30% + 2-옥탄올(2-부틸 C12-C14에 대해 5%)	350

여러 혼합물들의 윤활 성능과 특징을 하기에 나타내었다. 혼합물을 1 중량% 또는 2 중량% 비율로 실시예 1의 실리케이트 머드 제형에 첨가하였다.

숙성 전

	농도	토크 눈금	VA	VP	YV
	%	(lbs.in) (N.m)	mPa.s	mPa.s	lbs/100 ft²
L1	2	17 1.9	41	20	42
L2	2	18 2.03	42	19	46
L3	1	24 2.7	34	13	42
L4	1	24 2.7	31	14	34
L4	2	18 2.03	33	15	36
L5	2	20 2.3	40	19	42
L6	2	18 2.03	39	18	42

80℃에서 16시간 숙성 후

	농도	토크 눈금	VA	VP	YV
	%	(lbs.in) (N.m)	mPa.s	mPa.s	lbs/100 ft²
L1	2	18 2.03	43	22	42
L4	2	19 2.15	34	15	38
L6	2	18 -	39	18	42

이 결과들은 윤활능에 있어서 상기 연구계가 아주 우수한 성능을 갖는 것으로 나타났다. 희석제를 사용하는 주요 이점은 첨가제 NTL의 점도를 감소시켜 수성 유체로의 도입을 용이하게 하는 것이다.

실시예 5: 실리케이트 머드와 화합물 XTL

실시예 2에 기술된 바와 같이 숙성 전과 후의 실시예 1의 실리케이트 머드 제형을 사용하였다.

숙성 전

윤활제 XTL	토크 눈금
%	lbs.in	N.m
0	42	4.75
0.5	26	2.9
1	24	2.7
1.5	22	2.5
2	22	2.5
3	22	2.5

숙성 후

윤활제 XTL	토크 눈금
%	lbs.in	N.m
2	22	2.5

이 결과들은 윤활용 화합물 XTL이 마찰을 상당히 감소시키는 것을 보여준다. 이러한 특징은 숙성 후에도 변화되지 않았다.

실시예 6: 해수 벤토나이트 머드

기본 유체 조성:

- 해수

- 벤토나이트 30 g/ℓ

- 점성체(크산탄) 2 g/ℓ

- 여과액 점도 감력제(Aquapac-LV ) 1 g/ℓ

- 분산제 3 g/ℓ

- 중정석 밀도 SG = 1.2 kg/ℓ이 되도록 하는 분량

사용된 분산제는 프랑스의 COATEX 컴퍼니에서 시판하는 폴리아크릴레이트 FP30S이다.

제형의 pH는 NaOH로 pH = 9 또는 pH = 12이 되도록 조절한다.

이 테스트는 첨가된 윤활제 NTL 농도에 따른, pH가 높은 유체의 윤활력을 보여준다.

윤활제 NTL	토크 눈금
	pH 9	pH 12
%	lbs.in N.m	lbs.in N.m
0	36 4.07	36 4.07
0.5	34 3.84	32 3.62
1	31 3.5	21 2.37
2	31 3.5	18 2.04
3	25 2.8	18 2.04
4	21 2.37	18 2.04
5	19 2.15	16 1.81

이 결과들은 특히 높은 pH값에서 NTL의 아주 우수한 윤활 성능을 나타낸다.

실시예 7: 포름산 세슘 머드

기본 유체의 조성:

- 해수

- 점성체(크산탄) 2 g/ℓ

- 여과액 점도 감력제 2 g/ℓ

- 충진 점토 10 g/ℓ

- KCl 50 g/ℓ

- CsCOOH, H₂O(수화된 포름산 세슘) 300 g/ℓ

(밀도 SG = 1.2 kg/ℓ가 되게 하는 분량)

제형의 pH는 NaOH로 pH = 9 또는 pH = 12가 되도록 조절한다.

이 테스트는 첨가된 윤활제 NTL 농도에 따른 윤활 결과를 보여준다.

윤활제 NTL	토크 눈금
	pH 9	pH 12
%	lbs.in N.m	lbs.in N.m
0	36 4.07	40 4.52
0.5	16 1.81	18 2.04
1	4 0.45	6 0.68
2	2 0.23	2 0.23
3	2 0.23	2 0.23

이 측정 결과들은 매우 높은 pH 유체 형태에서 NTL의 윤활능이 매우 우수함을 보여준다.

Claims

1종 이상의 식물성유 또는 지방산을 1종 이상의 아미노알콜에 반응시킴으로써 얻어지는 1종 이상의 비이온계 친양매성 화합물을 함유하는 윤활용 화합물을 포함하는 것을 특징으로 하는 수성 웰 유체.

제1항에 있어서, 상기 식물성유 또는 지방산은 아마인유, 홍화유, 포도씨유, 동유, 해바라기유, 평지씨유, 이들의 혼합물 또는 식물성유에서 유도된 지방산으로 이루어진 군 중에서 선택되는 것을 특징으로 하는 유체.

제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 식물성유가 중합되어 20에서 5 Pa.s 내지 60 Pa.s의 점도를 갖는 것을 특징으로 하는 유체.

제1항 내지 제3항 중 어느 하나의 항에 있어서, 상기 아미노알콜은 디에탄올아민인 것을 특징으로 하는 유체.

제1항 내지 제4항 중 어느 하나의 항에 있어서, 상기 윤활용 화합물은 1종 이상의 용매와 임의의 기타 화합물을 포함하는 혼합물의 형태로 상태 조절되는 것을 특징으로 하는 유체.

제5항에 있어서, 상기 용매는 식물성유의 유도체인 것을 특징으로 하는 유체.

제5항 또는 제6항에 있어서, 상기 혼합물은 0 중량% 내지 80 중량%, 바람직하게는 20 중량% 내지 40 중량%의 용매를 포함하는 것을 특징으로 하는 유체.

제1항 내지 제7항 중 어느 하나의 항에 있어서, 상기 윤활용 화합물을 0.1 중량% 내지 5 중량% 농도로 포함하는 것을 특징으로 하는 유체.

제8항에 있어서, 상기 농도가 0.5 중량% 내지 2 중량% 범위인 것을 특징으로 하는 유체.

제1항 내지 제9항 중 어느 하나의 항에 있어서, pH가 9 이상, 바람직하게는 pH가 10 이상인 것을 특징으로 하는 유체.

제1항 내지 제9항 중 어느 하나의 항에 기재된 윤활용 화합물을 수성 웰 유체에 첨가하는 것을 특징으로 하는 수성 웰 유체의 윤활력 제어 방법.

제11항에 의한 방법을 pH가 9 이상, 바람직하게는 pH가 10 이상인 웰 유체에 사용하는 방법.