[发明专利]页岩水合抑制剂

说明书

用于控制钻孔地层中的粘土膨胀而不会不利地影响钻井液性质的添加剂包括双‑3‑氨基丙基醚胺官能团，其衍生物或其混合物。所述胺通过末端羟基官能团的双氰乙基化和随后的腈端基氢化成双‑3‑氨基丙基伯胺而得到。所述骨架包含基于环氧乙烷(EO)、环氧丙烷(PO)和丁基二醚或聚醚的所有潜在异构体的二醚或聚醚。这种双‑3‑氨基丙基醚胺可包括但不限于具有下式的胺：H₂N‑R’‑O‑(RO)x‑R’‑NH₂及其混合物，其中R’是(CH2)3和R是：1)C₂H₄，其中x是2‑10，或2)支化C₃H₆，其中x是1‑17，或3)支化或线性C₄H₈，其中x是1‑15，或4)线性C₆H₁₂，其中x是1，或5)环己基‑1,4‑二甲基，其中x是1，包括但不限于，Jeffamines(D、M或XTJ系列聚醚胺)，氯化钾，氯化胆碱和包括胺的偏酸盐的衍生物，如无机酸或具有1‑6个碳的羧酸的盐。

发明背景

在地下井的旋转钻探中使用的钻井液预期要执行许多功能。例如，钻井液需要从钻头下方沿着环形空间运送切屑，从而允许它们在表面处分离。同时，钻井液也要冷却和清洁钻头，减少钻柱与孔侧壁之间的摩擦，并保持钻孔无套管部分的稳定性。钻井液还要形成过滤器，其密封钻头穿透地层所形成的开口，以减少来自可渗透岩石的不希望的地层流体的流入。此外，在钻探地下井时，地层固体通常分散在钻井液中。这些地层固体通常包括钻头作用下产生的钻屑及钻孔不稳定性产生的固体。在钻井液中存在任何一种所述地层固体都会大大增加钻探时间和成本，特别是当所述地层固体是膨胀的粘土矿物时。伴随粘土膨胀的体积的总体增加阻碍了钻头下方的钻屑的移除，增加了钻柱与钻孔侧壁之间的摩擦，抑制了形成密封地层的薄过滤器，并导致循环损失或管堵塞。因此，钻井液的另一个功能是减少地层固体，特别是膨胀的粘土矿物的不利影响。

在地下井的钻探中遇到的粘土矿物通常是本质上结晶的，具有薄片状云母型结构。所述粘土的“薄片”由许多面对面堆叠的晶体片晶组成。每个片晶被称为一个单位层，所述单位层的表面被称为基表面。一个单位层由多个片组成。一种类型的片，即八面体片，由与羟基的氧原子八面体配位的铝或镁原子组成。另一种类型的片，即四面体片，由与氧原子四面体配位的硅原子组成。单位层内的片通过共享氧原子连接在一起。当这种连接发生在一个八面体和一个四面体片之间时，一个基表面由暴露的氧原子组成，而另一个基面具有暴露的羟基。或者，两个四面体片可以通过共享氧原子与一个八面体片结合。所得到的结构，称为霍夫曼结构，具有夹在两个四面体片之间的八面体片。结果，霍夫曼结构中的两个基表面都由暴露的氧原子组成。所述粘土的各个单元层面对面堆叠在一起，并通过弱吸引力保持在适当位置。相邻单元层中相应平面之间的距离称为c-间距。

在粘土矿物晶体中，具有不同价键的原子通常会位于所述结构的片内，以在晶体表面产生负的电位。当所述粘土晶体悬浮在水中时，阳离子可被吸附在表面上，并且这些被吸附的阳离子(通常称为可交换的阳离子)可以与其它阳离子在化学上交换位置。此外，离子也可以被吸附在所述粘土晶体边缘上并与水中的其它离子交换。

在粘土晶体结构中发生的取代类型和吸附在所述晶体表面上的可交换阳离子极大地影响粘土膨胀。粘土膨胀是水分子围绕粘土晶体结构并且自身定位以增加结构的c-间距的现象，其导致粘土体积的增加。可能发生两种类型的膨胀，表面水合或渗透。只有某些粘土(如钠蒙脱石)表现出渗透膨胀，而所有粘土都表现出表面水合膨胀。

表面水合膨胀涉及水分子与暴露在晶体表面上的氧原子的氢键结合，其导致水分子层对齐以在单元之间形成准晶体结构，从而增加所述c-间距。在渗透膨胀中，如果粘土矿物中单元层之间的阳离子浓度高于周围水中的阳离子浓度，则将在所述单元层之间渗透地吸水，从而增加c-间距。渗透膨胀导致的粘土膨胀通常大于表面水合所导致的膨胀。