(57)【要約】  石油を含有するダウンホール地層における水と石油のエマルジョンの形成を防止する方法であって、水と複数の非官能化ナノ粒子の分散液を調製する工程であって、複数のナノ粒子中の各ナノ粒子が少なくとも３００ナノメートルのサイズを有する工程と、混合液をダウンホールに注入して、ダウンホールで石油と接触させる工程と、を含む。複数のナノ粒子の存在が、注入された水と石油との間のエマルジョンの形成を防止する。2020536151.tif 000004
2020536151.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
石油を含有するダウンホール地層における水と石油のエマルジョンの形成を防止する方法であって、
水と複数の非官能化ナノ粒子との分散液を調製する工程であって、前記複数の非官能化ナノ粒子中の各ナノ粒子が、少なくとも３００ナノメートルのサイズを有する工程と、
混合液をダウンホールに注入して、ダウンホールで前記石油と接触させる工程と、
を含み、
前記複数の非官能化ナノ粒子の存在が、前記注入された水と前記石油との間のエマルジョンの形成を防止する、方法。
【請求項２】
前記複数の非官能化ナノ粒子がシリカを含み、いずれの表面改質もないそれぞれの表面を有する、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記複数の非官能化ナノ粒子の前記それぞれの表面に、前記シリカの前記それぞれの表面の特性を改質するいずれの化学基もない、請求項２に記載の方法。
【請求項４】
前記水が蒸留され、前記複数の非官能化ナノ粒子が約０．２重量パーセントの濃度で前記水に分散される、請求項１に記載の方法。
【請求項５】
前記水が塩を含有し、前記複数の非官能化ナノ粒子が約１．６重量パーセントの濃度で前記水に分散される、請求項１に記載の方法。
【請求項６】
前記水が、最大で約３．５重量パーセントまでの塩濃度を有する、請求項５に記載の方法。
【請求項７】
前記複数の非官能化ナノ粒子中のナノ粒子の各々が、３００〜５００ナノメートルの範囲のサイズを有する、請求項１〜６のいずれか一項に記載の方法。
【請求項８】
複数の非官能化ナノ粒子の分散液を含む水と石油のエマルジョンの形成を防止するために使用する組成物であって、ナノ粒子の各々が、水に分散した少なくとも３００ナノメートルのサイズを有する、組成物。
【請求項９】
前記複数の非官能化ナノ粒子が、シリカで構成される、請求項８に記載の組成物。
【請求項１０】
前記水が蒸留され、前記複数の非官能化ナノ粒子が約０．２重量パーセントの濃度で前記水に分散される、請求項８に記載の組成物。
【請求項１１】
前記水が塩をさらに含み、前記複数の非官能化ナノ粒子が約１．６重量パーセントの濃度で前記水に分散されている、請求項８に記載の組成物。
【請求項１２】
前記水が、約３．５重量パーセントの塩濃度を有する、請求項１１に記載の組成物。
【請求項１３】
前記複数の非官能化ナノ粒子中のナノ粒子の各々が、３００〜５００ナノメートルの範囲のサイズを有する、請求項８〜１２のいずれか一項に記載の組成物。
【請求項１４】
石油を含有するダウンホール地層における水と石油のエマルジョンの形成を防止する方法であって、
水と複数のナノ粒子との分散液を調製する工程であって、前記複数のナノ粒子中の各ナノ粒子が、少なくとも３００ナノメートルのサイズを有する工程と、
混合液をダウンホールに注入して、ダウンホールで前記石油と接触させる工程と、
を含み、
前記複数のナノ粒子の存在が、前記注入された水と前記石油との間のエマルジョンの形成を防止する、方法。
【請求項１５】
前記複数のナノ粒子が、シリカで構成される、請求項１４に記載の方法。
【請求項１６】
前記水が蒸留され、前記複数のナノ粒子が約０．２重量パーセントの濃度で前記水に分散される、請求項１４に記載の方法。
【請求項１７】
前記水が塩を含有し、前記複数のナノ粒子が約１．６重量パーセントの濃度で前記水に分散される、請求項１４に記載の方法。
【請求項１８】
前記水が、約３．５重量パーセントの塩濃度を有する、請求項１７に記載の方法。
【請求項１９】
前記複数のナノ粒子中のナノ粒子の各々が、３００〜５００ナノメートルの範囲のサイズを有する、請求項１４〜１８のいずれか一項に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、石油およびガス産業における石油回収を増強するために水−石油エマルジョンの形成を防止する課題に関する。特に、本発明は、石油生産プロセスの様々な段階で添加剤を使用して、水と石油のエマルジョンを分離するための方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
ダウンホールの石油抽出中、水は、圧力を印加するために注入され、貯留層の堅い地層から石油を押し出す際に役立つ。水を加えることによる不利な効果は、石油−水エマルジョンの生成であり、そこから石油部分を抽出することは困難である。また、水−石油エマルジョンは、掘削、生産、輸送、および加工中、炭化水素貯留層、坑井、地表施設、輸送システム、および精油所を含む他の段階および場所でも形成されることがある。現場での生産中、「ウォーターカット」として知られるエマルジョン中の水の割合は、全体の最大９０％に達することがある。
【０００３】
一般に、エマルジョンは、２つの不混和性液体からなる不均質液体系として定義され、１つの液体は第２の液体中に液滴として完全に分散する。エマルジョンは、油中水型（Ｗ／Ｏ）、水中油型（Ｏ／Ｗ）、および多層または複合エマルジョンの３つの大まかなグループに分類することができる。水−石油エマルジョンの形成および安定性は、広範にわたって調査されてきた。エマルジョン形成の安定性および強化は、水／石油比率、乳化剤／界面活性剤の比率、固形物の存在、表面張力、高沸点画分の存在（例えば、アスファルテン、樹脂、有機酸）、温度、塩分、ｐＨなどのいくつかのパラメータの影響を受けることがある。
【０００４】
現在、注水性能を強化して、石油貯留層の生産寿命中のウォーターカットを低減するための技法が開発されている。これらの技法は、流入制御デバイスを使用して、加えられる水を最小限に抑え、水を地表で処理して処分し、貯留層中、ダウンホールで石油から水を分離することを求めている。特定の技法およびメカニズムには、機械的閉塞デバイス（例えば、パッカーおよびプラグ）および水添加剤（例えば、高分子ゲル、ナノ粒子）などの補助的技術と合わせて、水から石油を分離するための液体サイクロン、重力分離機、および遠心分離機が含まれる。
【０００５】
過去１０年間の研究では、金属酸化物およびカーボンナノチューブを含むナノ粒子添加剤を使用して、石油回収を増強することができることが示された。湿潤性、界面張力の低減および粘度調整能力、ならびに注入した流体中の安定性を含む特性により、ナノ粒子は、水−石油エマルジョンからの石油回収を増加するために使用される潜在的な候補となる。
【０００６】
しかし、これまでに開示された技法は、粒子と化学添加剤との組み合わせを採用しており、化学添加剤との組み合わせに適した粒径範囲（＜５０ナノメートル）を利用している。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
したがって、必要なのは、石油生産プロセスの様々な段階で水−石油のエマルジョンを分離するまたは防止するための費用対効果が高く、実施しやすく、さらに効果的な技法である。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の実施形態は、ダウンホール地層における水と石油のエマルジョンの形成を防止する方法を提供する。この方法は、水と複数の非官能化ナノ粒子との分散液を調製する工程であって、複数のナノ粒子中の各ナノ粒子が、少なくとも３００ナノメートル（例えば、直径）のサイズを有する工程と、混合液をダウンホールに注入して、ダウンホールで石油と接触させる工程と、を含む。複数のナノ粒子の存在が、注入された水と石油との間のエマルジョンの形成を防止する。
【０００９】
特定の実施形態では、複数のナノ粒子はシリカを含んでいる。ナノ粒子がシリカであるかどうかに関わらず、特定の実施形態では、ナノ粒子は、いずれの表面改質もない表面を有する。そのような実施形態では、ナノ粒子は、以下で述べるように「純粋」であり、そのため、ナノ粒子の表面特性を改質するいずれの化学基もない。
【００１０】
いくつかの実施形態では、注入する水は蒸留され、複数のナノ粒子が、約０．２重量パーセントの濃度で水に分散される。水が塩を含有する他の実施形態では、複数のナノ粒子が、約１．６重量パーセントの濃度で水に分散される。塩水を採用する実施形態では、使用する塩水は、最大で約３．５重量パーセントの塩濃度を有することができる。
【００１１】
複数のナノ粒子中のナノ粒子の各々は、約３００ナノメートル〜約５００ナノメートルの範囲のサイズ（例えば、直径）を有することが好ましい。
【００１２】
また、本発明の実施形態は、水と複数の非官能化ナノ粒子との分散液を含む、水と石油のエマルジョンの形成を防止する際に使用するための組成物を含み、複数のナノ粒子中の各ナノ粒子は、少なくとも３００ナノメートルのサイズ（例えば、直径）を有する。好ましい実施形態では、複数のナノ粒子はシリカで構成され、各ナノ粒子は約３００ナノメートル〜約５００ナノメートルの範囲のサイズ（例えば、直径）を有する。
【００１３】
いくつかの実施形態では、水が蒸留され、複数のナノ粒子は、約０．２重量パーセントの濃度で水に分散される。他の実施形態では、水は塩をさらに含み、複数のナノ粒子は、約１．６重量パーセントの濃度で水に分散される。塩水を採用する実施形態では、使用する塩水は、約３．５重量パーセントの塩濃度を有することができる。
【００１４】
本明細書で開示される様々な実施形態および実施形態の任意の組み合わせを使用することができる。
【００１５】
これらおよび他の態様、特徴、および利点は、本発明の特定の実施形態の以下の説明ならびに添付の図面および特許請求の範囲から理解することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明による組成物を試験したＡＳＴＭ  Ｄ−１４０１規格を使用して、水と石油との分離を試験するための例示的な装置の概略図である。
【図２】本発明の実施形態によるナノ粒子を有する水を注入してエマルジョン形成を防止することができる石油生産掘削孔の概略断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
本明細書における開示は、ナノ粒子を加えることによってエマルジョン中の水から石油を分離する方法に関する。特に、発明者らは、約０．２％（Ｗ粒子／Ｗ水）以上の濃度で、サイズが３００ナノメートルを超えるナノ粒子を加えることにより、低塩濃度の水をエマルジョン中の石油から分離することができ、塩水は、約１．６％（Ｗｐｔ／Ｗｗｔ）以上の濃度で同様のサイズのナノ粒子を加えることによって、エマルジョン中の石油から分離することができる、と結論付けた。ナノ粒子を注水によって加え、ダウンホール位置でエマルジョンを分離することができる。
【００１８】
多くの場合、ナノ粒子は、官能基の導入などによってそれらの特性を改質するために官能化される。官能化とは、通常、有機分子またはポリマー分子でナノ粒子の表面を化学修飾することである。ナノ粒子の表面へのそのような化学基の追加は、親水性、疎水性、導電性、および耐腐食性などの表面特性を含む特性を改質するために使用される。ナノ粒子の官能化には、ナノ粒子上で作用してそれらの特性を改質するための１つまたは複数のステップが必要となる。非官能化ナノ粒子は、ナノ粒子の表面特性を含むその特性を改質するステップを受けておらず、この点において、「純粋な」ナノ粒子である。純粋なナノ粒子には、表面特性を改質するいずれの化学基もない。
【００１９】
様々な実施形態では、特性を改質するための官能化は除外されていないが、発明者らは、サイズが３００ナノメートルを超えるナノ粒子は、官能化せずに、より具体的には追加の化学種を有するいずれの表面改質もなしで（行わずに）、石油から水を解乳化するのに適していることを見出した。したがって、いくつかの実施形態では、解乳化に使用されるナノ粒子は、官能化されていないことを意図する。
【００２０】
ナノ粒子が球形である実施形態では、直径は、好ましくは３００ナノメートルを超え、より好ましくは約３００ナノメートル〜約５００ナノメートルの範囲である。
【実施例】
【００２１】
実験を実施して、アラビアンヘビー原油を含むエマルジョンの形成における様々な濃度およびサイズのシリカナノ粒子の分散液を有する水（蒸留水および塩水（３．５％）のどちらも）の挙動を調査した。実験で使用したシリカナノ粒子は、様々なサイズ（３０ｎｍ、１００ｎｍ、２００ｎｍ、および３５０ｎｍ）で合成され、均一なサイズのシリカ粒子を調製するために使用されるストーバプロセスを使用した。ナノ粒子は、ナノ粒子の官能化のさらなるステップなしで（すなわち、全く行わずに）、１時間の音波処理によって蒸留水および塩水に分散された。得られたスラリーは、水−石油エマルジョンを分離するための能力を試験するためにアラビアン原油を含む成分として使用した。この試験では、ＡＳＴＭ  Ｄ−１４０１規格（Ａｍｅｒｉｃａｎ  Ｓｏｃｉｅｔｙ  ｆｏｒ  Ｔｅｓｔｉｎｇ  ａｎｄ  Ｍａｔｅｒｉａｌｓ「Ｓｔａｎｄａｒｄ  Ｔｅｓｔ  Ｍｅｔｈｏｄ  ｆｏｒ  Ｗａｔｅｒ  Ｓｅｐａｒａｂｉｌｉｔｙ  ｏｆ  Ｐｅｔｒｏｌｅｕｍ  Ｏｉｌｓ  ａｎｄ  Ｓｙｎｔｈｅｔｉｃ  Ｆｌｕｉｄｓ」）を採用した。
【００２２】
図１は、ＡＳＴＭ  Ｄ−１４０１の試験方法で使用することができる例示的な試験装置１００の概略図である。この試験装置は、熱電対１１４を使用して制御可能な水槽１１２を含む第１の容器１１０を備える。第１の容器１１０内には、例えば容量１００ｍｌのメスシリンダー１２０が位置付けられる。この試験では、メスシリンダー１２０は、第１のレベル（例えば、４０ｍｌ）まで蒸留水または塩水１２５の層で満たされる。水層１２５の上部では、メスシリンダー１２０は、第２のレベル（例えば、８０ｍｌ）まで原油層１３０で満たされる。水層１２５を原油層１３０と混合するために、機械的撹拌機１４０がシリンダー１２０内に配置され、高速（例えば、１５００ｒｐｍ）で回転するように動作する。
【００２３】
実施された実験では、試験片の粘度または試料の仕様に応じて、水槽１１２を５４℃または８２℃のいずれかに維持した。機械的撹拌機１４０を動作させ、層１２５、１３０を１５００ｒｐｍで５分間十分撹拌し、水相と石油相とを単相のエマルジョンに完全に混合した。シリンダー１２０内の流体を注意深く観察し、エマルジョンの最終分離が生じるまで記録した。様々な粒子サイズ、濃度、および媒体での試験結果を、すぐ下の表１にまとめている。
【表１】
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【００２４】
上記の表１に示す結果で認め得るように、蒸留水では、３５０ｎｍサイズのシリカナノ粒子が、０．２％（Ｗ粒子／Ｗ水）の低濃度で非常に効果的な分離挙動を示した。３５０ｎｍでは、粒子から得られた３６ｍｌの分離した流体が、水相にまだ存在している。それに対して、粒子サイズが＜２００ｎｍのシリカナノ粒子は、０．４または１．６％（Ｗ粒子／Ｗ水）のより高濃度でも同等の分離挙動を示さなかった。その代わりに、単相の非分離エマルジョンが、異なる濃度および異なる粒子サイズ（３０ｎｍ、１００ｎｍ、および２００ｎｍ）で得られた。
【００２５】
蒸留水中の水−石油エマルジョンを分離する能力が示されたことにより、３５０ｎｍサイズのシリカナノ粒子も、塩水（３．５％の塩濃度）でのエマルジョン試験用でも選択された。塩水試験の結果は、ナノ粒子の濃度が分離効果に顕著な影響を与えることを示す。０．８％Ｍ粒子／Ｍ塩水（すなわち、０．２％および０．４％）未満では、エマルジョンは２４時間安定したままであるため、ナノ粒子は解乳化における有効性を示さなかった。より高い１．６％の濃度レベルでは、１０分後に３３ｍｌの分離が得られた。これらの結果は、塩水では、シリカナノ粒子の分離効果が蒸留水よりも遅く、効果が低い傾向にあることを示している。例えば、蒸留水では、５分以内に３６ｍｌの分離が得られたが、塩水では２倍長い１０分後でも３３ｍｌだけしか分離されなかった。しかし、ナノ粒子の濃度がさらに３％に上昇したとき、結果は、分離能力の改善を少しも示さなかった。したがって、塩水−石油の分離には、１．６％が最適なナノ粒子濃度（３５０ｎｍのナノ粒子を使用して）であることが分かる。したがって、ダウンホールの注水用として、粒子サイズが＞３００ｎｍであり、蒸留水中での濃度が０．２％、塩水（３．５％）中での濃度が１．６％のシリカナノ粒子の使用を試験結果が表している。このプロセスは、ダウンホールの貯留層中のウォーターカットを低減する助けとなり、次いで、石油回収を改善し、石油生産を促進させる。
【００２６】
さらに、シリカナノ粒子の効果を明白に示すために、シリカナノ粒子を含まずに、アラビアンヘビー原油を含む蒸留水および塩水を使用する空試験（制御）が含まれた。この場合、エマルジョンは、試験の２４時間後も安定したままだった。
【００２７】
図２は、石油生産掘削孔２００の概略断面図である。掘削孔の深さは、ダウンホールの石油貯留層に達している。水ポンプ２２０は、掘削孔２００内に位置し、掘削孔内のその後の水出口２２５を通って圧力で水を注入するように動作する。理想として、注入された水は、石油と混合することなく、上にある石油堆積物に圧力を加える。このようにして、注入された水は、油柱２４０から分離した水柱２３０を形成する。注入された水が油柱に加える圧力により、石油は、横方向の入口２５０を通って掘削孔に流れ込み、最終的に出口２５５を通って流れ出る。同様に、注入された水は、水の入口２６０を通って掘削孔に戻る。一連の弁、例えば２７０は、入口２５０を通って掘削孔２００に入る石油を、入口２６０を通って掘削孔に入る水から分離した状態に保つように動作する。
【００２８】
実際には、上記の「背景技術」の項で述べたように、特にこれらの相が圧力下にあるため、さらなる手段なしでダウンホールの石油相と水相とを互いから完全に分離することは困難である。水の塩分に適した濃度で３００ナノメートル以上のシリカナノ粒子を注入された水に加えることにより、ダウンホール地層における石油相と水相との分離を促進して維持することが可能である。相分離を保つことにより、掘削孔に流れ込む石油の含水量が低減する傾向がある。
【００２９】
水とサイズが３００〜５００ナノメートルのナノ粒子との組成物は、費用対効果が高く、豊富に利用可能であり、環境に優しく、低負荷で高い水−石油分離効率を有する。これらの利点により、この組成物は、この特性の組み合わせを有していない他の分離方法に対して魅力的な代替物となる。また、ナノ粒子の製造は、大規模な石油生産施設に適したレベルまで拡大することができる。大規模に使用するとき、本発明の技法は、ウォーターカットの低減および石油回収の効率の改善に対してかなりの効果を有し得ることが期待される。
【００３０】
本明細書に開示されたいずれの構造および機能の細目も、システムおよび方法を限定するものとして解釈されるべきではなく、むしろ、当業者に、方法を実施するための１つ以上の方式を教示するための代表的な実施形態および／または構成として提供されていることを理解されたい。
【００３１】
図面中の類似の数字が、いくつかの図を通して類似の要素を表し、図に関連して説明され、例示された構成要素および／またはステップの全てが、全ての実施形態または構成に必要とされるわけではないことをさらに理解されたい。
【００３２】
本明細書に使用されている専門用語は、特定の実施形態のみを説明する目的のものであり、本発明を限定することを意図しない。本明細書で使用される際、「ａ」、「ａｎ」、および「ｔｈｅ」という単数形は、文脈上、他の意味を示すことが明らかな場合を除き、複数形も含むことを意図する。「ｃｏｍｐｒｉｓｅｓ（備える）」および／または「ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ（備える）」という用語は、本明細書で使用される際、述べた特徴、整数、ステップ、動作、要素、および／または構成要素の存在を明示するが、１つ以上の他の特徴、整数、ステップ、動作、要素、構成要素、および／またはそれらの群の存在または追加を排除しないことがさらに理解されるであろう。
【００３３】
配向の用語は、本明細書では、単に慣例および参照の目的で使用され、限定するものとして解釈されるべきではない。しかしながら、これらの用語が見る人を基準にして使用されている可能性があることが分かる。したがって、限定が示唆されることもなく、推察されるべきでもない。
【００３４】
また、本明細書に使用されている表現および専門用語は、説明目的のものであり、限定するものと見なされるべきではない。本明細書における「ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ（含む）」、「ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ（備える）」、または「ｈａｖｉｎｇ（有する）」、「ｃｏｎｔａｉｎｉｎｇ（含有する）」、「ｉｎｖｏｌｖｉｎｇ（伴う）」、およびそれらの変形の使用は、それ以降に挙げられた項目、およびその同等物、ならびに追加項目を包含することを意図している。
【００３５】
例示的な実施形態に関連して本発明が説明されてきたが、本発明の範囲から逸脱しない限り、様々な変更が行われてもよく、その要素を均等物に置き換えてもよいことが、当業者には理解されるであろう。さらに、本発明の基本的な範囲から逸脱せずに、特定の計器、状況、または材料を本発明の教示に適合させるための多くの修正形態が当業者には理解されるであろう。したがって、本発明が、本発明を実施するために考えられた最良の形態として開示された特定の実施形態に限定されず、本発明が添付の特許請求の範囲内に含まれる全ての実施形態を含むであろうことが意図されている。
【図１】
2020536151.tif 000005
【図２】
2020536151.tif 000006
【国際調査報告】
2020536151.tif 000007
2020536151.tif 000008
2020536151.tif 000009