СПОСОБЫ РЕГУЛИРОВАНИЯ СВОЙСТВ ПОТЕРИ ТЕКУЧЕЙ СРЕДЫ ИЗ ТЕКУЧИХ СРЕД НА ОСНОВЕ ВЯЗКОУПРУГИХ ПОВЕРХНОСТНО-АКТИВНЫХ ВЕЩЕСТВ Российский патент 2009 года по МПК E21B43/22 E21B43/26 

Техническая область изобретения

Данное изобретение относится к композициям и способам снижения потери текучей среды из текучих сред вязкоупругих поверхностно-активных веществ (VES) во время обработок, таких как операции гидравлического разрыва пласта или чистки скважины подземных формаций.

Предпосылки создания изобретения

Текучие среды вязкоупругих поверхностно-активных веществ обычно получают смешиванием в подходящих количествах подходящих поверхностно-активных веществ, таких как анионогенные, катионогенные, неионогенные и цвиттерионные поверхностно-активные вещества, в водной среде. Реология жидкостей вязкоупругих поверхностно-активных веществ, в частности повышение вязкости раствора, относится к трехмерной структуре, образованной компонентами в жидкостях. Когда концентрация поверхностно-активного вещества значительно превышает критический уровень и поверхностно-активные вещества часто подвергаются влиянию присутствующего электролита, молекулы поверхностно-активного вещества агрегируют и образуют структуры, такие как мицеллы, которые могут взаимодействовать с образованием сетки, проявляющей вязкоупругое поведение. В оставшейся части данного описания термин «мицелла» будет использован как родовой термин для организованных взаимодействующих разновидностей.

Растворы вязкоупругих поверхностно-активных веществ обычно получают добавлением определенных реагентов к концентрированным растворам поверхностно-активных веществ, часто состоящих из четвертичных аммониевых солей с длинной цепью, таких как бромид цетилтриметиламмония (СТАВ). Обычно реагентами, которые генерируют вязкоупругие свойства в растворах поверхностно-активных веществ, являются соли, такие как хлорид аммония, хлорид калия, салицилат натрия и изоцианат натрия, и неионные органические молекулы, такие как хлороформ. Содержание электролита в растворах поверхностно-активных веществ также является важным регулятором их вязкоупругого поведения.

Значительный интерес имеется в использовании таких вязкоупругих поверхностно-активных веществ при эксплуатации ствола скважины. Ссылка сделана, например, на патенты США №№4695389; 4725372; 5551516, 5964295 и 5979557.

При обработках подземных формаций, в частности при обработках гидравлических разрывов пластов, на общий объем текучих сред, который необходимо закачивать для завершения обработки, значительно влияет количество текучей среды, потерянной в окружающую материнскую породу. В общепринятых текучих средах, имеющих полимеры в качестве придающих вязкость агентов, во время начальной фазы обработки полимеры фильтруются у передней стороны горной породы с образованием фильтровального слоя, который затем ингибирует дальнейшие потери. Однако текучие среды на основе VES являются текучими средами без полимеров, которые сами обеспечивают основное преимущество, так как полимеры, оставшиеся в материнской породе после того, как обработка завершена, являются основной причиной повреждения формации и в результате процесс потери текучей среды не регулируется посредством образования полимерного фильтровального слоя. Действительно, скорость течения текучей среды через горную породу регулируется сложным сочетанием реологии текучей среды и прохождения текучей среды через горную породу.

Для преодоления тенденции высокой потери текучей среды в полимерных и основанных на VES текучих средах (в частности, в текучих средах гидравлического разрыва пласта и текучих средах гравия-носителя) предложены различные добавки для регулирования потери текучей среды. Известно, что диоксид кремния, слюда и кальцит в отдельности или в комбинации друг с другом или в комбинации в крахмалом снижают потерю текучей среды в текучей среде разрыва на основе полимера образованием фильтровального слоя у передней стороны горной породы, которая является относительно непроницаемой для воды, как описано в патенте США №5948733. Однако было замечено, что использование только этих добавок для регулирования потери текучей среды в текучей среде на основе VES приводит только к умеренному снижению в потери текучей среды, как описано в патенте США №5929002. Слабая эффективность этих общепринятых добавок регулирования потери текучей среды обычно относится к периоду высокой пропускной способности (сильной струи) перед образованием фильтровального слоя и образованию фильтровального слоя, проницаемого для текучей среды на основе VES.

В патенте Великобритании №2332224 описано использование для операций регулирования потери воды текучей среды при обслуживании за стволом скважины, содержащей вязкоупругое ПАВ и очень высокие концентрации сшиваемого водорастворимого полимера и сшивающего агента. В качестве сшивающих агентов могут быть использованы неорганические ионы или полярные органические молекулы. Задачей указанного патента являлось повышение прочности геля текучей среды при обслуживании за стволом скважины на основе вязкоупругого поверхностно-активного вещества (VES). Но в этом патенте не обсуждалось использование таких текучих сред для минимизации потери текучей среды во время бурения, вскрытия нефтяного пласта, заканчивания скважины или интенсификации.

В заявке на патент США №2002-0169085-А1 раскрыто, что добавление небольших количеств сшивающего агента (обычно в концентрации меньшей, чем приблизительно 15 фунтов на тысячу галлонов) и сшиваемого полимера к текучим средам без полимеров приводит к эффективному регулированию потери текучей среды.

Хотя указанные выше ссылки раскрывают возможность регулирования потери текучей среды путем добавления полимеров или частиц твердых веществ к VES-текучей среде, такие растворы, по существу, повреждают проницаемость набивки расклинивающего агента в конце обработки. Частицы твердого вещества также трудно измерить и добавлять непрерывным образом в промысловых операциях и, следовательно, они получили одобрение в небольшой области применения.

В среде с низкой проницаемостью (обычно меньшей, чем приблизительно 2 мД) вязкость текучей среды обработки и сжимаемость текучих сред нефтеносного или газоносного пласта регулируют проницаемость VES-текучей среды. В среде для формаций с высокой проницаемостью повышение только вязкости текучей среды при обслуживании ствола скважины может быть недостаточным для снижения потери текучей среды до практических уровней. Хотя материалы на основе VES могут быть использованы сами по себе, часто лучшим может быть повышение свойств регулирования потери текучей среды. Таким образом, было бы желательно иметь текучую среду для обработки на основе VES, содержащей добавки для регуляции потери текучей среды без твердых частиц, которые снижают потерю текучей среды, особенно при неожиданном скачке в процессе обработки.

Краткое изложение сущности изобретения

Было обнаружено, что добавление водной суспензии коллоидных частиц к базовой текучей среде, содержащей вязкоупругое поверхностно-активное вещество, способствует значительному снижению потери текучей среды в формацию.

В соответствии с другим аспектом изобретение включает также способ обработки подземной формации, включающий стадию закачивания коллоидной суспензии небольших частиц и водного раствора, содержащего вязкоупругое поверхностно-активное вещество, причем коллоидная суспензия и вязкоупругое поверхностно-активное вещество способны взаимодействовать с образованием структур, которые эффективно закупоривают и блокируют проходы пор. Регулированием количества текучей среды, потерянного в пористую среду, частицы не только делают обработку более эффективной, но также снижают количество поверхностно-активного вещества, уловленного в горной породе. При снижении глубины просачивания и снижении количества поверхностно-активного вещества, уловленного в горной породе, происходит меньшее повреждение нефтеносного или газоносного пласта и возрастает добыча.

Еще в одном аспекте настоящее изобретение включает способ обработки подземной формации, включающий стадию закачивания коллоидной суспензии небольших частиц и водного раствора, содержащего вязкоупругое поверхностно-активное вещество и гидрофобно-модифицированный полимер, причем гидрофобно-модифицированный полимер присутствует при концентрации между приблизительно его концентрацией перекрывания с^* и приблизительно его концентрацией затруднения С_е, причем коллоидная суспензия и вязкоупругое поверхностно-активное вещество способны взаимодействовать с образованием структур, которые эффективно закупоривают и блокируют проходы пор. В этом аспекте изобретение является усовершенствованием изобретения, известного из WO 03/056130, в котором описаны текучие среды для ствола скважины, восприимчивые к углеводородам и включающие ограниченные количества поверхностно-активного вещества и полимера, посредством чего снижаются затраты при использовании жидкости.

Краткое описание чертежей

Изобретение может быть лучше понято из нижеследующего описания неограничивающих и иллюстративных вариантов осуществления, приведенных со ссылкой на прилагаемые чертежи, на которых

на фиг.1 изображен график общей потери текучей среды спустя 60 минут на протяжении диапазона проницаемости для вязкоупругих текучих сред без добавки для регулирования потери текучей среды изобретения;

на фиг.2 изображен график общей потери текучей среды спустя 30 минут на протяжении диапазона проницаемости для другой вязкоупругой текучей среды с добавкой или без добавки для регулирования потери текучей среды изобретения;

на фиг.3 изображен график общей потери текучей среды спустя 30 минут на протяжении диапазона проницаемости для вязкоупругой текучей среды с различными типами коллоидных частиц;

на фиг.4 изображен график общей потери текучей среды спустя 30 минут на протяжении времени для текучей среды, содержащей линейный кизельгур и коллоидные частицы, но при отсутствии поверхностно-активного вещества;

на фиг.5 изображен график объемной потери текучей среды как функция концентрации добавки для снижения потери текучей среды спустя 30 минут либо для чистой текучей среды VES либо смесей, содержащих VES и гидрофобно-модифицированный полимер;

на фиг.6 изображен график массовой потери текучей среды - статический и динамический - как функция времени для смеси, содержащей VES, гидрофобно-модифицированный полимер и добавку для снижения потери текучей среды по изобретению;

на фиг.7 изображен график вязкости текучей среды как функция скорости сдвига смеси, содержащей VES, гидрофобно-модифицированный полимер с добавкой или без добавки для снижения потери текучей среды.

Подробное описание

Настоящее изобретение относится к водной текучей среде для использования в подземных формациях, особенно в таких операциях как бурение, заканчивание скважины, чистка скважины, гидравлический разрыв пласта, обработка материнской породы и гравийная набивка. Текучая среда по изобретению содержит вязкоупругое поверхностно-активное вещество и коллоидную суспензию.

Коллоидные суспензии обычно являются дисперсиями дискретных, очень мелких частиц, сферических или удлиненных по форме, заряженных так, что отталкивание между одинаково заряженными частицами стабилизирует дисперсию. Нарушение баланса зарядов вследствие, например, удаления воды, изменения рН или добавления соли или смешиваемого с водой органического растворителя заставляет коллоидные частицы агрегировать, что приводит к образованию геля.

Частицы имеют размер меньше, чем 1 микрон, и обычно размер их находится в диапазоне приблизительно от 10 до приблизительно 100 нанометров. Дисперсию предварительно упаковывают в виде жидкости, прозрачной в случае относительно низких концентраций частиц, которая становится опалесцентной или мутной при более высоких концентрациях. В любом случае с дисперсией можно оперировать как с жидкостью, которая очень упрощает дозировку.

Коммерческие растворы коллоидных частиц обычно включают диоксид кремния (известен так же как золь диоксида кремния) и оксиды алюминия, сурьмы, олова, церия, иттрия и циркония. Частицы в основном являются сферическими с размером частиц, обычно составляющим приблизительно от 8 нм до приблизительно 250 нм, но удлиненные частицы с длиной до 300 нм также являются пригодными и, как было обнаружено, являются подходящими для изобретения. Частицы могут иметь отрицательный или положительный заряд. Чтобы быть эффективным в качестве агента для регулирования потери текучей среды, раствор коллоидных частиц обычно добавляют при концентрации между приблизительно 0,1 и 0,5% (отношение объема коллоидного раствора к общему объему).

Поверхностно-активное вещество называют вязкоупругим, поскольку подобно многочисленным другим поверхностно-активным веществам, которые образуют раствор Ньютона с вязкостью, незначительно более высокой, чем у воды, даже при высоких концентрациях, оно способно образовывать вязкоупругие текучие среды при низкой концентрации. Это специфическое реологическое поведение обусловлено в основном типами агрегатов поверхностно-активных веществ, которые присутствуют в текучих средах. В текучих средах с низкой вязкостью молекулы поверхностно-активного вещества агрегируют в сферические мицеллы, тогда как в вязкоупругих текучих средах присутствуют и переплетаются длинные мицеллы, которые могут быть описаны как подобные червяку, подобные нити или подобные стержню мицеллы.

Вязкоупругое поверхностно-активное вещество по изобретению обычно является ионным. Оно может быть катионогенным, анионогенным или цвиттерионным в зависимости от заряда его головной группы. Когда поверхностно-активное вещество является катионогенным, оно ассоциируется с отрицательным противоионом, который может быть неорганическим анионом, таким как сульфат, нитрат, перхлорат или галогенид, такой как хлорид или бромид, или с ароматическим органическим анионом, таким как салицилат, нафталинсульфонат, п- или м-хлорбензоаты, 3,5-, 3,4- и 2,4-дихлорбензоаты, трет-бутил- и этилфеноляты, 2,6- и 2,5-дихлорфеноляты, 2,4,5-трихлорфенолят, 2,3,5,6-тетрахлорфенолят, п-метилфенолят, м-хлорфенолят, 3,5,6-трихлорпиколинат, 4-амино-3,5,6-трихлорпиколинат, 4-амино-3,5,6-трихлорпиколинат или 2,4-дихлорфеноксиацетат. Когда поверхностно-активное вещество является анионогенным, оно ассоциируется с положительным противоионом, например Na+ или К+. Когда оно является цвиттерионным, оно ассоциируется как с отрицательными, так и положительными противоионами, например Cl- и Na+ или К+.

Вязкоупругое поверхностно-активное вещество может быть, например, следующей формулы: R-Z, где Z представляет собой хвостовую часть поверхностно-активного вещества, которая является полностью или частично насыщенной, неразветвленной или разветвленной углеводородной цепью, содержащей, по меньшей мере, 18 атомов углерода, и Z представляет собой головную группу поверхностно-активного вещества, которой может быть -MR1R2R3+, -SO₃-, COO-, или в случае, когда поверхностно-активное вещество является цвиттерионным, -N+(R1)(R2)(R3)-COO-, где R1, R2 и R3 представляет собой, каждый независимо, водород или полностью или частично насыщенную, неразветвленную или разветвленную алифатическую цепь, содержащую, по меньшей мере, один атом углерода; и где R1 или R2 может содержать 5 гидроксильных концевых групп.

Вязкоупругое поверхностно-активное вещество может быть в качестве другого примера расщепляемым вязкоупругим поверхностно-активным веществом нижеследующей группы, которая описана в Международной заявке на патент WO 02/064945: R-X-Y-Z, где R представляет собой гидрофобную хвостовую часть поверхностно-активного вещества, которая является полностью или частично насыщенной, неразветвленной или разветвленной углеводородной цепью, содержащей, по меньшей мере, 13 атомов углерода, Х представляет собой расщепляемую или деградируемую группу поверхностно-активного вещества, которая является ацетальной, амидной, простой эфирной или сложной эфирной группой, Y представляет собой спейсерную (связывающую) группу, которая состоит из короткой насыщенной или частично насыщенной углеводородной цепи с n атомами углерода, где n, по меньшей мере, равно 1, предпочтительно 2 и, когда n больше, чем 3, Y может быть неразветвленной или разветвленной алкильной цепью, и Z представляет собой головную группу поверхностно-активного вещества, которая может быть -NR1R2R3+, -SO₃-, -COO-, или в случае, когда поверхностно-активное вещество является цвиттерионным, -N+(R1)(R2)(R3)-COO-, где R1, R2 и R3 представляют собой, каждый независимо, водород или полностью или частично насыщенную, неразветвленную или разветвленную алифатическую цепь, содержащую, по меньшей мере, один атом углерода, необязательно содержащую гидроксильную концевую группу. Вследствие присутствия отщепляемой или деградируемой группы расщепляемые поверхностно-активные вещества способны деградировать в условиях скважины.

Катионогенным вязкоупругим поверхностно-активным веществом, подходящим для осуществления изобретения, является хлорид N-эрукил-N,N-бис-(2-гидроксиэтил)-N-аммония. В водном растворе, содержащем 4 масс.% NaCl или 3 масс.% хлорида аммония, это вязкоупругое поверхностно-активное вещество образует гель, содержащий подобные червякам мицеллы, которые переплетаются при концентрациях между 1,5 и 4,5 масс.%. Эти подобные червякам мицеллы деградируют в сферические мицеллы, когда гель разрушается углеводородом.

Анионогенные вязкоупругие поверхностно-активные вещества, подходящие для осуществления изобретения, являются монокарбоксилатами RCOO-, такими как олеат, где R представляет собой С17Н33 или ди- или олигомерные карбоксилаты, такие как описаны в Международной заявке на патент WO 02/11874. Эти моно-, ди- или олигомерные карбоксилаты образуют вязкоупругие гели, когда их вводят в щелочной раствор в присутствии добавленных солей, таких как хлорид калия (KCl) или хлорид натрия (NaCl). Подобные червякам мицеллы такого геля деградируют в сферические мицеллы, когда гель разрушается углеводородом.

Цвиттерионные поверхностно-активные вещества, подходящие для осуществления изобретения, могут быть бетаиновыми поверхностно-активными веществами, имеющими общую формулу R-N(R1R2R3)-Z, где Z представляет собой анионную группу. Гидрофобная группа R может быть алифатической или ароматической, неразветвленной или разветвленной, насыщенной или ненасыщенной. Анионной группой Z поверхностно-активного вещества может быть -R'-SO₃-, -R'-COO-, где R' представляет собой насыщенную алифатическую цепь. R1, R2 и R3 представляют собой, каждый независимо, водород или алифатическую цепь, содержащую, по меньшей мере, один атом углерода.

Гидрофобным образом модифицированный полимер является растворимым в воде. Он имеет среднюю молекулярную массу между 10000 и 10000000 г/моль и, что предпочтительно, между приблизительно 100000 и приблизительно 2000000 г/моль. При молекулярной массе приблизительно выше 2000000 и определенно выше 10000000 г/моль полимер может образовывать структуры, которые трудно удалить из трещины во время последующего противотока текучих сред формации. При молекулярной массе приблизительно 100000 и определенно 10000 г/моль концентрация полимера, которая может быть необходима для получения текучей среды по изобретению, возможно будет слишком высокой, что значительно повысит связанные с текучей средой затраты.

Гидрофобным образом модифицированный полимер имеет главную цепь и привитые на эту главную цепь боковые гидрофобные цепи при степени замещения в диапазоне между 0,01 и 10 и предпочтительно между приблизительно 0,03 и приблизительно 5 массовых процентов, причем цепи привиты неупорядоченным или упорядоченным образом. Полимер может быть заряженным или незаряженным, причем заряды являются положительными или отрицательными и расположены на основной цепи или боковых гидрофобных цепях. Если гидрофобная степень замещения гидрофобным образом модифицированного полимера является слишком высокой, ее растворимость в воде снижается. Если она является слишком низкой, становится трудно получить стабильную текучую среду с достаточной вязкостью. Фактически степень замещения гидрофобно-модифицированного полимера регулируют с точки зрения получения удовлетворительной вязкости текучей среды с достаточной растворимостью полимера в воде.

Основная цепь полимера может иметь биологическую природу. В частности, полимер может быть полисахаридом. Подходящими полисахаридами для осуществления изобретения являются крахмал или производные крахмала, такие как фосфат крахмала, сукцинат крахмала, аминоалкилкрахмал или гидроксипропилкрахмал; целлюлоза или производные целлюлозы, такие как карбоксиметилцеллюлоза, метилцеллюлоза, этилцеллюлоза или гидроксиметилцеллюлоза; хитин или производные хитина, такие как хитозан или производные хитозана, такие как N-карбоксибутилхитозан или N-карбоксиметилхитозан; галактоманнаны, в частности кизельгур или производные кизельгура, как карбоксиметилкизельгур или карбоксиметилгидроксипропилпроизводные кизельгура. Он может быть также синтетическим полимером, таким как полиангидрид, например чередующийся сополимер поли(изобутиленмалеиновый ангидрид), чередующийся сополимер поли(этиленмалеиновый ангидрид или привитой сополимер поли(этиленмалеиновый ангидрид), полиариламид, полиакрилат, сополимер полиакрилат/полиакриламид, простой полиэфир, сложный полиэфир, полиамид или поливиниловый спирт.

Боковые гидрофобные цепи являются предпочтительно полностью или частично насыщенными, неразветвленными или разветвленными углеводородными цепями, содержащими предпочтительно 12-24 атома углерода и включающими преимущественно отщепляемую или деградируемую группу, такую как ацетальная, амидная, простая эфирная или сложная эфирная группа.

Примером незаряженного гидрофобно-модифицированного полимера, который является подходящим для осуществления изобретения, является кизельгур, гидрофобно-модифицированный незаряженными алкильными цепями.

Примером положительно заряженного, гидрофобно-модифицированного полимера, где заряды расположены на полимерной основной цепи, причем пример является также подходящим для осуществления изобретения, является гидрофобно-модифицированный хитозан. Этот полимер может быть синтезирован с различными степенями гидрофобного замещения по способу, описанному Yalpani, M. and Hall, L.D., Macromolecules, 1984, vol.17, p.272, который позволяет получить N-алкилированный хитозан восстановительным аминированием свободных аминогрупп хитозана, или по способу, описанному в D. Plusquellec et al., ENSCR, Department de Chimie Organique, An Efficient Acylation of Free Glycosylamines for the Synthesis N-Glycosyl Amino Acids and N-Glycosidic Surfactants for Membrane Studies, J. Carbohydrate Chemistry, 1994, 13(5), 737-751, который в таком случае позволяет получить N-ацилированный хитозан с отщепляемыми гидрофобными цепями. Следующими примерами гидрофобно-модифицированных полимеров, подходящих для осуществления изобретения, являются гидрофобно-модифицированные полиангидриды, которые могут быть получены реакцией амидирования или эстерификации полиангидрида, такого как чередующийся сополимер поли(изобутиленмалеиновый ангидрид), чередующийся сополимер поли(этиленмалеиновый ангидрид или привитой сополимер поли(этиленмалеиновый ангидрид), соответственно с аминной или спиртовой цепью, содержащей между приблизительно 12 и приблизительно 24 атомами углерода.

Эти гидрофобно-модифицированные полиангидриды содержат карбоксильные группы, присоединенные к их основной цепи, причем каждая карбоксильная группа ассоциирована с одной боковой гидрофобной цепью. В результате гидрофобно-модифицированные полиангидриды являются не только гидрофобными, но также гидрофильными. Химическая структура боковых гидрофобных цепей предпочтительно соответствует гидрофобной хвостовой части и что более предпочтительно подходит для такой части молекул поверхностно-активного вещества жидкости. В таком случае вся химическая структура боковой гидрофобной цепи и ассоциированная с ней карбоксильная группа образуют амфифильную структуру, соответствующую структуре молекулы поверхностно-активного вещества или подходящую для такой структуры, причем эта карбоксильная группа является аналогичной заряженной гидрофильной головной части молекулы поверхностно-активного вещества.

Концентрация вязкоупругого поверхностно-активного вещества преимущественно является ниже 10 масс.%, предпочтительно ниже 5 масс.% и ниже 20×с*, где с* представляет собой концентрацию перекрывания указанного вязкоупругого поверхностно-активного вещества. Более предпочтительно она находится между 0,2 с* и 5×с*. Это соответствует концентрациям вязкоупругих поверхностно-активных веществ, которые значительно ниже концентрации вязкоупругого поверхностно-активного вещества, используемого в текучих средах поверхностно-активного вещества гидравлического разрыва пласта известного уровня техники, которая находится в диапазоне порядка 30-40×с*.

Текучая среда по изобретению является восприимчивой к углеводородам, так что структура геля разрушается при контактировании или смешивании с углеводородами. Длинные вязкоупругие мицеллы поверхностно-активного вещества, которые образуют вместе с гидрофобно-модифицированным полимером сетчатую структуру геля, разрушаются при контактировании с углеводородами с образованием сферических мицелл. Концентрация гидрофобно-модифицированного полимера, которая ниже с_е, является недостаточной для образования удлиненной сетчатой структуры. Затем вязкость геля снижается до величины приблизительно 100 сП или ниже, предпочтительно 20 сП, при высокой скорости сдвига.

Текучая среда по изобретению предпочтительно имеет скорость просачивания, которая ниже скорости просачивания чистых текучих сред вязкоупругих поверхностно-активных веществ эквивалентной реологии. Этот факт обуславливает значительное преимущество: в результате этого восприимчивая текучая среда по изобретению может быть использована для разлома формаций с более высокой проницаемостью по сравнению с чистыми текучими средами вязкоупругих поверхностно-активных веществ. Вероятно, что после деградации геля посредством взаимодействия с углеводородами полимерный компонент может препятствовать откачке из разлома по сравнению с чистой текучей средой вязкоупругих поверхностно-активных веществ. Однако следует также отметить, что эффективность откачки текучей среды по изобретению возможно является сходной или лучше, чем эффективность откачки, наблюдаемой для текучей среды разлома с низкой концентрацией линейного полимера, т.е. откачка должна быть приемлемой и должна превосходить откачку текучей среды с более высокой концентрацией линейного полимера или ковалентно сшитых полимерных текучих сред.

На практике все соединения текучей среды по изобретению смешивают у поверхности вместе с расклинивающим агентом, которым может быть, например, песок 20-40 меш, боксит или стеклянные шарики. Когда эту текучую среду подвергают сдвигу с очень высокой скоростью, вязкость ее является достаточно низкой для того, чтобы позволить закачивать ее в скважину.

Здесь закачиваемую текучую среду, несущую расклинивающий агент, нагнетают в горные породы формации, чтобы образовывать трещины при высоком давлении. В это время текучая среда по изобретению является достаточно вязкой, чтобы пронести расклинивающий агент через трещину. Текучая среда затем деградирует в результате контактирования с углеводородами, проходящими через трещину.

Примеры

На фиг.1 представлен результат сравнения общей потери текучей среды за 60 минут (в мл) на протяжении диапазона проницаемостей. Нижнюю кривую (с закрашенными ромбами) получали с кернами, насыщенными рассолом, и водным раствором с 3 масс.% хлорида калия и 3 масс.% хлорида N-эрукил-N,N-бис-(2-гидроксиэтил)-N-метиламмония. Незакрашенный ромб соответствует испытанию, проведенному с 3 масс.% текучей среды на насыщенном нефтью керне. Значительное повышение в просачивании наблюдалось, когда проницаемость керна была выше, чем 5 мД.

Когда использовали более низкие концентрации поверхностно-активного вещества (1 масс.%, незакрашенные и закрашенные кружочки), наблюдалась просачиваемость выше, чем 20 мл для проницаемостей формации приблизительно 2 мД. При проницаемости приблизительно 10 мД наблюдалось просачивание больше, чем 100 мл в час с раствором 1 масс.% поверхностно-активного вещества.

Похожие результаты были получены с водным раствором, содержащим бетаиновое поверхностно-активное вещество, содержащее амидную группу эруковой кислоты (включающее С₂₁Н₄₁-алкеновую хвостовую группу), как показано на фиг.2, где данные базовой линии показывают просачивание (объем в мл за 30 мин) как функцию проницаемости для испытаний на потерю текучей среды через однодюймовые керны для суспензий с 6% бетаина при 65°С. При добавлении 0,5 масс.% частиц Ludox просачивание с керном, имеющим проницаемость 20 мД, является эквивалентным просачиванию с проницаемостью приблизительно 10 мД и остается почти приемлемой для керна, имеющего проницаемость приблизительно до 40 мД. Ludox CL представляет собой коллоидную суспензию диоксида кремния, покрытого оксидом алюминия, получен из W.R.Grade and Co., Columbia, Maryland, USA и имеет размер частиц с модифицированной поверхностью приблизительно 12 нм в диаметре.

Испытания повторялись с другими типами коллоидных частиц, как показано на фиг.3. Коллоиды оксида алюминия Sol являются частицами большего размера с покрытиями оксида алюминия. Оксид алюминия Sol 100 имеет диаметр частицы приблизительно 100 нм и оксид алюминия Sol 200 имеет диаметр частицы приблизительно 200 нм. Каждая из этих систем заряжена положительно благодаря покрытию оксидом алюминия. Частицы SnowTEX, используемые для некоторых из результатов на фиг.3, являются частицами диоксида кремния без покрытия. В этих продуктах образуются цепи частиц коллоидального диоксида кремния с получением объектов с длиной до 300 нм.

На фиг.4 показано, что снижение просачивания является эффективным вследствие взаимодействия между поверхностно-активным веществом и коллоидными частицами. В этом испытании водный раствор, содержащий 0,36% линейного кизельгура и 1,0% Ludox CL, испытывали на керне без любого подходящего поверхностно-активного вещества. Потеря текучей среды была очень высокой (>100 мл за 15 мин). Следует отметить, что данное испытание проводилось при 22 мД, при условии, когда коллоид плюс система VES действуют очень эффективно.

В соответствии со следующим вариантом осуществления настоящего изобретения коллоидную суспензию добавляют к водному раствору, содержащему вязкоупругое поверхностно-активное вещество и гидрофобно-модифицированный полимер, причем гидрофобно-модифицированный полимер присутствует в концентрации между приблизительно его концентрацией перекрывания с* и приблизительно его концентрацией образования переплетений С_е, причем коллоидная суспензия, вязкоупругое поверхностно-активное вещество способны взаимодействовать с образованием структур, которые эффективно закупоривают и блокируют проходы пор. Были испытаны две смеси.

Система 1 была водной текучей средой, содержащей 1 масс.% катионогенного поверхностно-активного вещества, хлорида N-эрукил-N,N-бис-(2-гидроксиэтил)-N-метиламмония, 0,2 масс.% гидрофобно-модифицированного гидроксипропилкизельгура и 2-4 масс.% хлорида калия. Гидрофобно-модифицированный гидроксипропилкизельгур имел молекулярную массу около 0,5×10⁶ г/моль и содержал между 0,3 и 1,7 масс.% боковых линейных углеводородных цепей с 22 атомами углерода.

Система 2 была водной текучей средой, содержащей 0,1 масс.% катионогенного поверхностно-активного вещества, хлорида N-эрукил-N,N-бис-(2-гидроксиэтил)-N-метиламмония и 0,3 масс.% гидрофобно-модифицированного гидроксипропилкизельгура и 2-4 масс.% хлорида калия. Гидрофобно-модифицированный гидроксипропилкизельгур имел молекулярную массу около 0,5×10⁶ г/моль и содержал между 0,3 и 1,7 масс.% боковых линейных углеводородных цепей с 22 атомами углерода.

К двум смесям, например Ludox CL и Ludox HS-40, добавляли разные добавки для регулирования потери текучей среды по настоящему изобретению. Ludox HS-40 представляет собой золь коллоидного диоксида кремния, содержащий 40 масс.% диоксида кремния. Заряд частицы является отрицательным и средний размер частиц составляет 12 нм.

На фиг.5 изображен график объемной потери жидкости как функция концентрации добавки для регулирования потери текучей среды спустя 30 минут для любой из водной текучей среды, содержащей 1 масс.% хлорида N-эрукил-N,N-бис-(2-гидроксиэтил)-N-метиламмония (только VES) и Ludox CL в качестве добавки для регулирования потери текучей среды, система 1 с Ludox CL, и система 2 либо с Ludox CL либо с Ludox HS-40 в качестве добавки регулирования потери текучей среды. Все испытания проводились при 60°С на кернах, имеющих проницаемость в диапазоне 7-13 мД. Керн насыщали нефтью перед испытанием на просачивание при постоянном избыточном давлении 1000 фунт/кв. дюйм (6,89 МПа). При сравнении с системой без гидрофобно-модифицированного гидроксипропилкизельгура для обеих смесей были получены пониженные просачивания. Не обнаружено различия между двумя типами Ludox. Лучшие результаты были получены с системой 2.

На фиг.6 изображен график массовой потери текучей среды (в граммах) как функция времени (в секундах) для системы 2 с добавлением или без добавления 0,36% Ludox CL. Испытания проводились на кернах, имеющих проницаемость между 6,36 мД и 8,41 мД. Измеряли как статическое, так и динамическое просачивание. Приблизительно через один час просачиваемость систем с коллоидальными частицами по настоящему изобретению составляла приблизительно половину просачивания контрольных систем.

Следующим преимуществом добавления коллоидных частиц к смесям вязкоупругих поверхностно-активных веществ и гидрофобно-модифицированного полимера является повышение реологии низкого сдвига. Это показано на фиг.7, где вязкость жидкости (в Паскаль-секундах (Пас)) изображена графически как функция скорости сдвига любой из системы 1 (взятой отдельно или с 0,36 масс.% Ludox CL или Ludox HS-40) или системы 2 (взятой отдельно или с 0,36 масс.% Ludox CL или Ludox HS-40).

Приведенное описание конкретных вариантов осуществления настоящего изобретения не предназначено для предоставления полного перечня всех возможных вариантов осуществления изобретения. Специалистам в данной области должно быть очевидно, что к определенным вариантам осуществления, описанным здесь, могут быть сделаны модификации, которые должны быть в пределах объема настоящего изобретения. В частности, хотя различные варианты осуществления настоящего изобретения были оптимизированы для применения для гидравлического разрыва пласта, изобретение является также пригодным для различных других применений в области нефтяных месторождений, использующих сложные смеси на основе поверхностно-активных веществ, таких как кислотная обработка, гравийная набивка, очистка спирально свернутых труб и другие новые химические обработки.

Изобретение относится к композициям и способам снижения потери текучей среды из текучих сред вязкоупругих поверхностно-активных веществ ПАВ во время обработок, таких как операции гидравлического разрыва пласта или чистки скважины. Технический результат - регуляция потери текучей среды добавками без твердых частиц. Способ обработки подземной формации включает стадии: (а) обеспечение водной текучей среды, содержащей суспензию коллоидных частиц и загущающее количество вязкоупругого ПАВ, причем коллоидные частицы являются материалом, выбранным из группы, состоящей из оксида алюминия, оксида сурьмы, оксида олова, оксида церия, оксида иттрия и оксида циркония, (b) закачивание указанной текучей среды в скважину, проходящую в подземную формацию с проницаемостью между приблизительно 5 и приблизительно 100 мД. Способ обработки подземной формации включает стадии: (а) обеспечение водной текучей среды, содержащей суспензию коллоидных частиц, вязкоупругое ПАВ и гидрофобно-модифицированный полимер, причем гидрофобно-модифицированный полимер присутствует при концентрации между приблизительно его концентрацией перекрывания с* и приблизительно его концентрацией затруднения С_е, коллоидные частицы являются материалом, выбранным из группы, состоящей из оксида алюминия, оксида сурьмы, оксида олова, оксида церия, оксида иттрия и оксида циркония, (b) закачивание указанной текучей среды в скважину, проходящую в подземную формацию с проницаемостью между приблизительно 5 и приблизительно 100 мД. 2 н. и 9 з.п. ф-лы, 7 ил.

1. Способ обработки подземной формации, включающий стадии:
(а) обеспечение водной текучей среды, содержащей суспензию коллоидных частиц и загущающее количество вязкоупругого поверхностно-активного вещества (ПАВ), причем коллоидные частицы являются материалом, выбранным из группы, состоящей из оксида алюминия, оксида сурьмы, оксида олова, оксида церия, оксида иттрия и оксида циркония,
(b) закачивание указанной текучей среды в скважину, проходящую в подземную формацию с проницаемостью между приблизительно 5 и приблизительно 100 мД.

2. Способ обработки подземной формации, включающий стадии:
(а) обеспечение водной текучей среды, содержащей суспензию коллоидных частиц, вязкоупругое ПАВ и гидрофобно-модифицированный полимер, причем гидрофобно-модифицированный полимер присутствует при концентрации между приблизительно его концентрацией перекрывания с* и приблизительно его концентрацией затруднения С_е, коллоидные частицы являются материалом, выбранным из группы, состоящей из оксида алюминия, оксида сурьмы, оксида олова, оксида церия, оксида иттрия и оксида циркония,
(b) закачивание указанной текучей среды в скважину, проходящую в подземную формацию с проницаемостью между приблизительно 5 и приблизительно 100 мД.

3. Способ по п.1 или 2, при котором проницаемость подземной формации находится между приблизительно 10 и приблизительно 50 мД.

4. Способ по п.1 или 2, при котором коллоидные частицы являются сферическими.

5. Способ по п.4, при котором коллоидные частицы имеют диаметр приблизительно от 8 до приблизительно 250 нм.

6. Способ по п.1 или 2, при котором коллоидные частицы являются удлиненными.

7. Способ по п.6, при котором коллоидные частицы имеют длину между приблизительно 100 и приблизительно 300 нм.

8. Способ по п.1 или 2, при котором вязкоупругим ПАВ является анионогенное ПАВ.

9. Способ по п.1 или 2, при котором вязкоупругим ПАВ является катионогенное ПАВ.

10. Способ по п.1 или 2, при котором вязкоупругим ПАВ является цвиттерионное ПАВ.

11. Способ по п.1 или 2, при котором коллоидные частицы добавляют при концентрации между приблизительно 0,1 и 0,5 мас.%.