JPS6352076B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

本発明は井戸の掘穿に有用な流体すなわち泥水
に関する。さらに詳細には、本発明はビニルトル
エンと無水マレイン酸のスルホン化された低分子
量の共重合体を含む改良された水性掘穿泥水添加
物に関し、この添加物は分散剤として有用であ
り、泥水に高温および／または高圧条件において
改良されたコロイド安定性を付与するものであ
る。 井戸を掘穿する際に、特にロータリー法を使用
する場合、掘穿泥水は掘穿の速度、コスト、効率
および操作の安全性のようなフアクターに影響を
与えるさまざまな機能を果たしている。掘穿泥水
はドリルシヤフトを通過し、ドリルピツトの底を
でて、ドリルパイプと形成された井戸との間の環
状の空間を上昇して地表に達し、そこで機械的に
あるいは化学的に処理されて再循環される。この
掘穿泥水はドリルビツトが地層を掘穿していくそ
の先端に潤滑を与え、またロータリードリルパイ
プの全長にわたつて潤滑を与える。掘穿泥水がこ
の系に潤滑を与える際、掘穿泥水はドリルビツト
の掘穿作用によつて生じる熱を除去する。掘穿泥
水はさらにこの系によつてつくられた掘穿物を地
表まで輸送して除去する、という重要な役割を果
たしている。掘穿泥水として許容されるためには
ボデー（body）をもたねばならず、また容易に
ポンプ輸送されるように適度な比較的低い粘度を
もち自由に流動するものでなければならない。さ
れに掘穿泥水は循環が妨害された場合に固体物質
を懸濁させ、ドリルビツトにおいて固体が蓄積し
て機械的な詰まりが生じるのを防止するために許
容できるゲル強度をもたなければならない。掘穿
泥水はまた掘穿によつて貫通された自然の形成物
中で遭遇する液体成分や気体成分を含むのに十分
な平衡化圧力を与えるものでなければならない。
適切な泥水処方を使用することによつて掘穿の際
の流体の制御不能な流入によつて生じる崩壊や噴
出を防止することができなければならない。ベン
トナイトクレーのような無機コロイド物質は一般
に泥水処方に加えられ、この系に所望のチクソト
ロピー性すなわちゲル構造を付与する。 生成流体が穴に流入するのを防止することの他
に掘穿泥水はまた形成物中に液体の流れが出て行
くのを最少限にしなければならない。この２つの
機能は露出された透過性の形成物に対して、薄い
が実質的に不浸透性のフイルターケーキを形成す
る泥水の能力によつて達成される。形成物中に液
体が過剰に失われると泥水の粘度が上昇し、これ
によつて掘穿物の除去や潤滑が不十分となること
に加えて掘穿時間の減少をもたらす。米国特許第
2650905号（1953年９月１日発行、フオーダイス
ら）は掘穿泥水添加物としてスルホン化ポリスチ
レンポリマーの使用を開示している。これらは周
囲の地層形成物中に泥水から流体が失われるのを
少くするために掘穿された穴の壁の周囲に実質的
に不浸透性の膜を形成するのに役立ち、同時に泥
水の粘度には影響を与えないことが示されてい
る。 掘穿プロセスの効率は泥水が環状の形成物中を
上昇する速度に関連している。このことはさらに
その粘度ならびに流動性および密度に関連してい
る。掘穿泥水の粘度は掘穿泥水のコロイド状固形
物の懸濁液の品質、濃度および状態に依存するこ
とが知られている。掘穿操作が進行するにつれて
泥水のチクソトロピーは掘穿される地層の性質、
泥水に対する水の出入り、泥水を凝集させる恐れ
のある化学的に活性な汚染物質、泥水のPHおよび
特に掘穿深度が深くなるにつれて上昇する温度お
よび圧力などのフアクターによつて有害な影響を
受ける。作業可能な粘度を維持するために泥水は
その使用中に遭遇する状況や条件の変化に動的に
応答するように処方されなければならない。泥水
の粘度および密度が上昇するに連れて効率が改良
されるという事実のために、与えられた深度にお
いて与えられた形成物に作業的に適した最も高い
粘度および密度を有するように掘穿泥水の処方を
最適化することが望ましい。コロイド安定化物質
がしばしば使用されている。 採掘されたリグニン、タンニン、ポリリン酸塩
およびリグノスルホン酸塩のような天然に見出さ
れるさまざまなアニオンポリマーやその誘導体が
約3657ｍ（12000フイート）以下の深さの掘穿操
作における希釈剤すなわち分散剤として使用され
てきている。残念なことにこのような物質は掘穿
操作がより深くなるに連れて遭遇するような232
℃（450〓）および34475×10³Pa（5000psi）を超
えるような高温および高圧の元で不安定である。
このような不都合な条件にさらされると過剰なゲ
ル強度および凝固に基づく分散剤の崩壊によつて
この掘削泥水の流動抵抗が上昇する。そうすると
この掘穿泥水をポンプ輸送するのにより多くのエ
ネルギーとより高い圧力が必要となる。さらにこ
のような添加物の安定性は一般に掘穿穴の中に再
循環する前の泥水の再調整の際にこれを完全に置
き換えることを必要とする。このために大幅に掘
穿時間が失われ、その結果、掘穿操作のコストが
増大することになる。このような理由のために高
温や高圧に繰返してさらされるような分野にはさ
らにコストの高いオイルをベースとする泥水が時
に選択され使用されている。 米国特許第3730900号（1973年５月１日発行ペ
リコーンら）はコロイド安定化剤として有用な掘
穿泥水添加物として低分子量のスチレンスルホン
酸−無水マレイン酸共重合体の使用を開示してい
る。この共重合体は高温高圧環境における掘穿の
際に特に有効である、と記載されている。 井戸掘穿業界は高温や高圧に長時間かつ繰返し
さらされた後も安定な改良された水性握穿泥水を
与える手段を依然として求めている。例えば260
℃（500〓）の温度にさらされる掘穿泥水の安定
性を0.5〜1.0時間という短時間だけ引き延ばすこ
とができる能力は、この分野において重大な改良
であると認められるであろう。さらに塩および／
または高アルカリ性PH環境に対する許容度が増大
した掘穿泥水添加物に対する必要性がこの技術分
野において存在している。 本発明は改良された水性地下掘穿泥水組成物を
提供するものである。この組成物は水性媒体中に
分散されたコロイド物質とその分散剤とを含んで
いる。この組成物は分散剤としてスルホン化され
たビニルトルエン−無水マレイン酸共重合体また
はその塩を0.05〜11.34Kg／159（0.1〜25ポン
ド／42ガロン）含んでおり、この共重合体はビニ
ルトルエン対無水マレイン酸のモル比が１：１〜
1.5：１未満であり、その分子量が1000〜25000で
あり、ビニルトルエン一単位当たり0.7個のスル
ホン酸基を含んでいる。この掘穿泥水は改良され
た高温高圧安定性によつて特徴付けられる。最も
好ましくは１：１である。好ましい分子量は4000
〜17000である。スルホン酸対ビニルトルエン単
位のほぼ化学量論量を含む共重合体が望ましい。
またこの共重合体を含む流体を用いて井戸を掘穿
する方法も提供される。 本発明の掘穿泥水添加物はスチレン−スルホン
酸−無水マレイン酸共重合体分散剤の高温高圧安
定性よりも改良された高温高圧安定性を有してい
る。本発明の添加剤を掘穿泥水処方に使用するこ
とにより掘穿操作の作用および効率を優れたもの
とすることができる。これは運転停止の回数が少
なくなることにより立て管の数が少なくなるこ
と、泥水をポンプ輸送するのに必要なエネルギー
が少なくなること、ならびに高温高圧条件に繰返
しさらされた後にこの添加物をさらに効率よく再
使用することができるということによるものであ
る。この添加剤はまた改良された塩許容度および
高アルカリ性PH許容度を備えている。 本発明の低分子量掘穿流体添加物は任意の通常
の方法に従つて製造することができる。例えばこ
のビニルトルエン−無水マレイン酸共重合体は塊
状重合、乳化重合、懸濁重合、沈殿重合あるいは
溶液重合のような方法を用いるフリーラジカル重
合により製造することができる。適切なプロセス
としては米国特許第2606891号（1952年８月12日
発行、ローランドら）；第2640819号（1953年６月
２日発行、バーレツト）；第3085994号（1983年４
月16日発行、マスカツト）；および第3960824号
（1976年６月１日発行、ヒツクス）に記載された
プロセスが挙げられる。次にこの共重合体をこれ
を水溶性にするのに必要な程度まで三酸化硫黄ま
たはその他の硫黄含有試薬を用いる既知の方法に
よつてスルホン化する。この共重合体は、該共重
合を水溶性とするのに必要なスルホン化度に相当
するビニルトルエン一単位当たり少なくとも約
0.7個のスルホン酸基をもつことが必要であり、
化学量論量が好ましい。例えば米国特許第
3072618号および3072619号（両者とも1963年１月
８日発行、ツアーバツク）の記載を参照された
い。分子量が1000〜25000の範囲にあり、ビニル
トルエン対無水マレイン酸のモル比が約１：１〜
1.5：１であり、許容できる純度の生成物を満足
な収率で与えるようなスルホン化共重合体のいか
なる製造方法も満足なものであることが理解され
るべきである。 任意のビニルトルエンモノマーを無水マレイン
酸と共重合させて本発明に有用な共重合体を製造
することができる。パラビニルトルエンまたはパ
ラ異性体とメタ異性体の混合物を使用することが
望ましい。もちろんその他の重合可能なモノマー
の少量を使用してもよい。しかしビニルトルエン
と無水マレイン酸から製造された共重合体よりも
改良されるということは期待されない。少量使用
する典型的なモノマーの例としてはスチレン、α
−アルキルスチレン、ジエンおよびα−βエチレ
ン性不飽和ジカルボン酸、またはそのエステルが
挙げられよう。 使用されるスルホン化されたビニルトルエン−
無水マレイン酸共重合体の量は、処理される掘穿
流体の重量および性質、遭遇する地層のタイプ、
掘穿深度、汚染物質および遭遇する温度ならびに
圧力のようなフアクターに従い状況によつて変化
する。一般にこの共重合体を掘穿泥水159（42
ガロン）当たり約0.05〜11.3Kg（0.1〜25ポンド）
の量で使用するときに改良された粘度コントロー
ルが実現される。好ましくはこの共重合体は0.45
〜1.36Kg／159（１〜３ポンド／42ガロン）の
処理濃度で添加される。添加される実際の量は、
その添加が行われる際に、当業者が知つている簡
単な日常試験によつて決定することができる。 本発明の共重合体の他にこの泥水にはさまざま
な粘土や重量物質その他の添加剤を導入すること
ができることが意図されている。例えば苛性アル
カリ、石灰、澱粉、カルボキシメチルセルロー
ス、ケブラチヨ、亜炭、リグノスルホネートおよ
びその他の普通に使用される添加剤ならびに流体
損失剤（fluid loss agents）をこの掘穿組成物に
加えることができる。 以下の実施例において他に明記しない限り、す
べての部および百分率は重量で与えられており、
すべての温度は摂氏で示されている。 実施例 １ この実施例はスルホン化されたビニルトルエン
−無水マレイン酸（VT−MA）共重合体が高温
高圧下において濃厚な泥水処方を有効に安定化す
る能力を例示するものである。泥水を評価するの
に使用した装置はフアンモデル5S−TDLコンシ
ストメーターであり、この装置は1963年１月15日
に発行されたフアンの米国特許第3073150号に記
載されている。このコンシストメータを用いると
泥水のレオロジーを相対コンシステンシー単位で
測定することができる。１に近いあるいは等しい
コンシステンシー単位の値は熱不安定性によつて
もたらされた高度に粘度の好ましくない泥水の状
態を示している。 高温高圧試験における標準と考えられる相対密
度が7.3Kg／3.8（16ポンド／ガロン）の合成掘
穿泥水を調製した。この基本となる泥水の処方は
475ｇのバライト、20ｇのカオリナイトクレー、
20ｇのベントナイトクレー、0.75ｇのカルボキシ
メチルセルロースおよび350ｇの井戸水（硬度
220ppm）で構成されている。1.36Kg／159（３
ポンド／42ガロン）の処理濃度に相当するこの基
本となる泥水処方に３ｇの種々の重合体（すべて
ナトリウム塩）を加えた。この泥水の最初の粘度
を測定した。データを表に示す。

【表】

【表】 次にこの泥水サンプルを55160×10³Pa（8000ポ
ンド／平方インチ）の圧力において1.25時間かけ
て260℃（500〓）まで加熱した。この泥水の相対
コンシステンシーを15分ごとに記録した。その
後、一定の高温高圧における相対コンシステンシ
ーを10分ごとに記録した。表に示したデーター
からわかるように、スルホン化VT−MA共重合
体を含む泥水は、スルホン化スチレン−無水マレ
イン酸共重合体を含む泥水より著しく長時間安定
化されている。マレイン酸ポリナトリウムおよび
スルホン化α−メチルスチレン−無水マレイン酸
は高温高圧において、基本となる泥水に対して殆
どあるいは全く安定化を示さなかつた。

【表】 実施例 ２ この実施例は高温高圧条件において濃厚な泥水
処方中で試験した場合のスルホン化共重合体のビ
ニルトルエン対無水マレイン酸モノマーのモル比
の臨界性を示すものである。 ビニルトルエン対無水マレイン酸のモル比を
１：１〜６：１まで変えてVT−MA共重合体を
製造した。パラビニルトルエンとメタビニルトル
エンの60：40の混合物を使用した。次にこの共重
合体をそれぞれの共重合体の芳香族成分に対して
化学量論量の三酸化硫黄を用いてスルホン化し
た。 濃厚な泥水処方（5.9Kg／3.8−13ポンド／ガ
ロンの密度）を350ｇのバライト、20ｇのカオリ
ナイトクレー、20ｇのベンナイトクレー、0.75ｇ
のカルボキシメチルセルロースおよび350mlの井
戸水を用いて製造した。スルホン化VT−MA共
重合体のナトリウム塩のサンプルはこの泥水に
1.36Kg／159（３ポンド／42ガロン）の添加濃
度で添加される。次いで実施例１の操作に従い試
験された。スルホン化された１：１スチレン−無
水マレイン酸共重合体とスルホン化された１：
1α−メチル−スチレン−無水マレイン酸共重合
体のナトリウム塩（表のそれぞれ共重合体Ｆお
よびＨ）を比較例として試験した。 表に示した結果から、同じ高温高圧条件にお
かれた場合VT−MA共重合体のVT対MAの比が
１：１、２：１およびそれ以上の場合の間には安
定性に有意差があることがわかる。１：1VT−
MAと１：１スチレン−MA共重合体を含む泥水
はいずれも同様の時間および温度でゲル化を始め
ることがわかる。しかしスチレン−MA共重合体
を含む泥水はVT−MA分散剤を含む泥水より95
分前に完全なゲルを形成した。

【表】 実施例 ３ 掘穿泥水はそれが使用されている際、動いてお
り、従つてその流動挙動およびその運動に対する
抵抗を記述するパラメーターは極めて重要であ
る。この実施例はここに示した共重合体が繰返し
高温エージングサイクルの後に実施例１の濃厚な
泥水処方を安定化する能力を示している。 共重合体ＡとＦ（表に記載されたもの）はこ
の基本となる泥水に0.45Kg／159（１ポンド／
42ガロン）の添加濃度で添加された。泥水は20分
間撹拌して調整した後、232℃（450〓）の高圧ス
チールセルの中に16時間静止した状態で放置され
た。このサンプルを室温まで冷却した後、ハミル
トンビーチマルチミキサーを用いて５分間混合
し、次いでフアンモデル35Aビスコメーターを用
いて流動特性を測定した。高温のエージングを全
体で３回繰返した。初期の観察の際共重合体Ａお
よびＦを含む泥水はいずれも各エージングの後、
滑らかな非流動性のペーストであつたが、再混合
した後、流動性となつた。分散剤を含まない基本
となる泥水ははじめの２回エージングの後まで再
混合したときでも非流動性のペーストの状態を保
つた。３回目のエージングを行い再混合するとは
じめて、この基本となる泥水は滑らかで流動性の
ものとなつた。このことは高温も泥水のクレー構
造に影響を及ぼすものであることを示している。 表に示した結果はスルホン化されたVT−
MA共重合体が繰返しエージングの際の有効な分
散剤安定剤であることを示している。スルホン化
VT−MA(A)を含む泥水の見かけ粘度は３回のエ
ージングの後にわずかに上昇しただけであつた。
しかしスルホン化スチレン−MA共重合体を含む
泥水の見かけ粘度は最初のエージングの後の粘度
と比べて劇的に上昇し、これはこの添加剤の不安
定性を示している。 泥水の降伏点、また分散剤の安定性を決定する
ための厳密な測定は、低剪断力の下における泥水
の固体粒子の引力の定量的な尺度である。この引
力はその固有の電荷の関数であると共に粒子が分
散している液相の濃度および性質である。流動抵
抗の小さい低い降伏点をもつた安定化された泥水
系をもつことが望ましい。共重合体Ａを含む泥水
は共重合体Ｆを用いた泥水より低い降伏点をもつ
ていることがわかる。 泥水のゲル強度は泥水のチクソトロピー性を測
定するものである。これは静止した泥水の柱
（column）をポンプ輸送することができる難易の
尺度を示すものである。表は低い見かけ粘度と
降伏点をもつことの他にスルホン化VT−MA(A)
を含む泥水が許容できる低いゲル強度をもつてい
ることを示している。

【表】 実施例 ４ この実施例は水和性クレーと半水和性クレーの
水性混合系中における本発明のスルホン化VT−
MA共重合体を用いた泥水の熱安定性を示すもの
である。 それぞれ25ｇの水和性モンモリロナイトナトリ
ウム（ベントナイト）、55ｇの半水和性モンモリ
ナイトカルシウムおよび350mlの水（硬度
220ppm）を含む泥水処方を調製した。この基本
泥水を20分間混合し、室温で16時間エージングし
た。共重合体Ａ、Ｄ、ＥおよびＦを0.45Kg／159
（１ポンド／42ガロン）に相当する処理濃度で
加えた。それぞれのサンプルを５分間混合し初期
流動特性を測定した。これらのサンプルを66℃
（150〓）で16時間タンブラーの上に載せ、次いで
室温まで冷却し５分間混合した後、流動特性およ
びA.P.I.濾過を測定した。次にこのサンプルをエ
ージングセル中に密封し、232℃（450〓）におい
て16時間静止エージングを行つた。冷却し再び混
合した後、サンプルを再び評価した。濾過試験は
1982年５月のAPI推薦プラクテイス13Bに記載さ
れた標準操作を用いた。データーについては表
を参照されたい。 結果は本発明の共重合体で処理した泥水は66℃
（150〓）のタンブル、または232℃（450〓）の静
止エージングの後にゲル強度および降伏点のよう
な特性に殆ど変化がないことを示している。一方
共重合体Ｆを含む泥水については232℃（450〓）
の静止エージングが著しい悪影響を及ぼしてい
る。

【表】 実施例 ５ この実施例はスルホン化VT−MA共重合体が
塩化ナトリウムと石膏で汚染されたベントナイト
分散液を有効に安定化する能力を示すものであ
る。 それぞれ45ｇのベントナイト、7.5ｇのNaCl、
５ｇの石膏および350mlの蒸留水を含む泥水を調
製した。この基本となる泥水を20分間混合し、次
に室温で16時間エージングした。１ｇの共重合体
ＡおよびＦを0.45Kg／159（１ポンド／42ガロ
ン）の処理濃度に相当する泥水に添加した。この
泥水を実施例３に記載したものと同じ操作に従つ
て評価した。データーは表を参照されたい。

【表】

【表】 見かけ 塑
性

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 水性媒体中に懸濁されたコロイド物質とその
   分散剤とを含む改良された水性地下掘穿泥水組成
   物において、分散剤として0.05〜11.34Kg／159
   （0.1〜25ポンド／42ガロン）の水溶性スルホン化
   ビニルトルエン−無水マレイン酸共重合体または
   その塩を含み、該共重合体はビニルトルエン対無
   水マレイン酸のモル比が１：１〜1.5：１であり、
   その分子量は1000〜25000であり、かつ一単位の
   ビニルトルエン当たり少なくとも約0.7個のスル
   ホン酸基を含んでおり、改良された高温及び高圧
   安定性を有する掘穿泥水組成物。 ２ 共重合体が塩の形態である特許請求の範囲第
   １項記載の掘穿泥水組成物。 ３ ビニルトルエン対無水マレイン酸のモル比が
   約１：１であり、分子量が4000〜17000であり、
   掘穿泥水が5.9〜7.3Kg／3.8（13〜16ポンド／42
   ガロン）の密度をもつている特許請求の範囲第２
   項記載の掘穿泥水組成物。 ４ ビニルトルエンが主としてパラビニルトルエ
   ンである特許請求の範囲第１項記載の掘穿泥水組
   成物。 ５ ビニルトルエンが50〜60部のパラビニルトル
   エンと40〜50部のメタビニルトルエンとの混合物
   である特許請求の範囲第１項記載の掘穿泥水組成
   物。 ６ 0.5〜1.4Kg／159（１〜３ポンド／42ガロ
   ン）の共重合体が存在している特許請求の範囲第
   １項記載の掘穿泥水組成物。 ７ 共重合体が水溶性塩の形態にある特許請求の
   範囲第１項記載の掘穿泥水組成物。 ８ 高いアルカリ性PH許容度をもつことによつて
   さらに特徴づけられる特許請求の範囲第１項記載
   の掘穿泥水組成物。 ９ 塩許容度をもつことによつてさらに特徴づけ
   られる特許請求の範囲第１項記載の掘穿泥水組成
   物。