СПОСОБ ОБРАБОТКИ ПОДЗЕМНОГО ПЛАСТА С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ РЕОЛОГИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ ДЛЯ ОПТИМИЗАЦИИ ТЕКУЧЕЙ СРЕДЫ
PROCEDURE FOR TREATMENT OF UNDERGROUND RESERVOIR USING RHEOLOGICAL MODEL FOR OPTIMISATION OF FLUID MEDIUM

Уровень техники изобретения
Положения в этом разделе просто дают информацию, связанную с настоящим описанием, и могут не представлять собой уровень техники.
Изобретение относится к методике, используемой для интенсификации притока из пластов, содержащих углеводороды, то есть увеличения добычи нефти/газа из пластов, более конкретно к способу оптимизации текучей среды и осуществления мониторинга реологических показателей текучей среды во время обработки пласта гидроразрывом для интенсификации притока.
Углеводороды (нефть, газ и т.п.) получают из подземных геологических пластов (так называемых «коллекторов») посредством бурения скважины, которая проходит через углеводородосодержащий пласт и, таким образом, создает градиент давления, который заставляет поток текучей среды течь из коллектора в скважину. Часто добыча из скважины ограничивается низкой проницаемостью, как вследствие природной плотности пластов, так и повреждений пластов, обычно возникающих от предшествующей обработки скважин, такой как бурение, очистка и т.п.
Для увеличения фактической проницаемости коллектора, обычно выполняют обработку пласта для интенсификации притока в скважине. Обычной технологией обработки пласта для интенсификации притока является гидроразрыв пласта, пройденного стволом скважины. Гидроразрыв пласта обычно представляет собой закачку вязкой текучей среды без расклинивающего агента или жидкости, используемой для гидроразрыва пласта без проппанта, обычно воды с некоторыми добавками жидкости для генерирования высокой вязкости, в скважину со скоростью большей, чем скорость ухода текучей среды в пласт, так чтобы давление поднималось и порода разрушалась, создавая искусственные трещины и/или увеличивая существующие трещины. Затем в текучую среду добавляют частицы расклинивающего агента для формирования суспензии, которую закачивают в трещины для предотвращения их закрытия при сбрасывании давления закачки. Возможности образования суспензии расклинивающего агента и его транспортировки базовой текучей средой обработки традиционно зависят от типа и концентрации добавляемого увеличителя вязкости.
Современные технологии гидроразрыва пласта основываются на жидкостях, которые демонстрируют режим потока, меняющийся в процессе обработки пласта гидроразрывом. Жидкость для гидроразрыва должна быть достаточно вязкой, чтобы переносить расклинивающий агент через перфорационные каналы и трещины и минимизировать потери жидкости в пласт. С другой стороны эта жидкость должна быть более жидкой в насосно-компрессорной трубе, чтобы ограничить требуемую мощность насоса и минимизировать разрушение от сдвига. Чтобы способствовать эффективной очистке, ее вязкость должна быть уменьшена до абсолютного минимума после завершения обработки, тем самым обеспечивая оптимальную проходимость трещин и продуктивность скважины. При современных технологиях гидроразрыва пласта, единая жидкость может удовлетворять всем этим требованиям, но успешная обработка гидроразрыва требует тщательного подбора состава жидкости, то есть состав жидкости должен выбираться на основании пластовых температуры и давления, скорости закачки, времени закачки, возможностей заканчивания, качеств воды и т.п. Подбор жидкости для обработки гидроразрыва пласта традиционно определяется опытным путем и лабораторными испытаниями, при этом моделирование ранее играло второстепенную роль или вообще не играло роли.
Как указано выше, для подбора состава жидкости для гидроразрыва пласта, составы жидкости и графики работы разжижителя геля гидроразрыва для работы гидроразрыва пласта чаще всего определяются лабораторными реологическими измерениями и/или опытом применения. Модели исключительно не используются для определения загрузки геля, концентрации сшивателя, графика работы разжижителя геля гидроразрыва и т.п. В некоторых случаях, используются имитаторы гидроразрыва пласта, применяющие простые модели, такие как степенная модель и модель Кросса для представления реологических свойств текучей среды. Эти модели возвращаются назад к реологическим данным фактической закачиваемой текучей среды, поэтому им необходимы экспериментальные данные. Ни одна из этих моделей не учитывает изменяющийся во времени химический состав жидкостей для гидроразрыва пласта, то есть тот факт что сшивки динамично формируются и разрушаются, также, как полимерные связи, которые рвутся в результате температурного разрушения или разрушения окислителями.
Дополнительно, технологии обеспечения качества и контроля качества (QA/QC) жидкости для гидроразрыва в режиме реального времени на сегодня неизвестны и не используются. Обеспечение и контроль качества жидкостей обычно проводится на основе отбора проб-испытаний с задержкой по времени.
Поэтому существует необходимость в способе, который мог бы уменьшить число необходимых лабораторных экспериментов, а также в технологиях обеспечения и контроля качества жидкостей для гидроразрыва пласта в режиме реального времени, чтобы в случае необходимости обработка могла корректироваться. Технологии, с помощью которых достигается упомянутое выше, должны быть весьма востребованными, и таким требованиям, по меньшей мере, частично удовлетворяет предложенное изобретение.
Сущность изобретения
В одном аспекте изобретение относится к технологиям, используемым для обработки углеводородосодержащих пластов с тем, чтобы повысить добычу нефти/газа из пласта, в частности к способу обработки подземного пласта оптимизированными текучими средами для осуществления мониторинга размещения текучей среды во время обработки.
Согласно изобретению в способе обработки используется реологическая модель, обеспечивающая прогнозирование реологических свойств текучей среды во время работ по обработке, такой как обработка гидроразрыва пласта. Основанием модели является точное описание химии реакции, которая описывает то, как развивается во времени число сшивок и разорванных полимерных связей под влиянием сшивателей, разжижителей геля гидроразрыва, и/или термически наведенных эффектов и эффектов давления. В одном аспекте, при использовании в качестве инструмента для имитации вязкости текучей среды, модель может помочь в оптимизации подбора текучей среды и возможного графика работы разжижителя геля гидроразрыва для обработки гидроразрыва пласта.
В некоторых вариантах осуществления, способы обработки подземного пласта, пройденного стволом скважины, включают в себя то, что прогнозируют множество сценариев обработки пласта (рецептуры текучей среды и графика подачи текучей среды) для текучей среды, содержащей полимер и сшиватель. Модель включает в себя ввод данных концентрации полимера и концентрации сшивателя, ввод данных температуры и давления и профиля скорости сдвига в процессе обработки, определение концентрации сшивок в процессе обработки, основанные на введенных данных значений концентрации полимера, концентрации сшивателя, профиля температуры за период времени процесса обработки, профиля давления за период времени процесса обработки, и профиля скорости сдвига за период времени процесса обработки. Затем рассчитывают реологию текучей среды за период времени процесса обработки, основанную на концентрации сшивок в процессе обработки. Затем могут выбирать сценарий обработки, обеспечивающий оптимальные реологические свойства текучей среды в период времени процесса обработки и минимальную вязкость текучей среды после обработки, текучую среду готовят и закачивают в ствол скважины для обработки подземного пласта. Для любого варианта осуществления изобретения, концентрацию разжижителя геля гидроразрыва могут дополнительно по возможности рассматривать в модели, так же как другие факторы, например профили pH, изменения минерализации воды или любые другие факторы, которые могут влиять на реологию текучей среды, или текучих сред, в процессе обработки.
В некоторых других вариантах осуществления способы содержат то, что прогнозируют ряд сценариев обработок пласта для текучей среды, содержащей полимер и сшиватель, посредством ввода данных концентрации полимера и концентрации сшивателя, ввода данных температуры и давления и профилей скорости сдвига в процессе обработки, определяют концентрации сшивок в процессе обработки и затем рассчитывают реологию текучей среды в процессе обработки на основании концентрации сшивок. После чего выбирают сценарий обработки, который обеспечивает оптимальные реологические свойства текучей среды после завершения обработки.
В других вариантах осуществления способы содержат то, что прогнозируют ряд сценариев обработок пласта для линейной текучей среды, содержащих ввод данных концентрации полимера, ввод данных температуры и давления и профилей скорости сдвига в процессе обработки, определяют реологию текучей среды в процессе обработки посредством рассмотрения концентрации полимера, температуры и давления и профилей скорости сдвига в процессе обработки. После чего могут выбирать сценарий обработки, обеспечивающий оптимальные реологические свойства текучей среды во время процесса обработки, текучую среду подготавливают и закачивают в ствол скважины для обработки подземного пласта.
В некоторых вариантах осуществления способа изобретения реологию текучей среды определяют соединением необратимых реакций сшивателя и полимера равновесными реакциями сшивателя и полимера как функцию времени, температуры, давления и концентрации полимера и концентрации сшивателя.
Способы изобретения могут использоваться для любой обработки подземного пласта, включающей в себя, но не ограниченной: обработкой для гидроразрыва пласта, кислотной обработкой, работами по очистке скважин, работами по установке гравийных фильтров, селективной кислотной обработкой пласта и работами по контролю потери текучей среды. Некоторые способы могут использоваться в имитаторе гидроразрыва пласта, при этом реологию текучей среды рассчитывают для имитации размещения гидроразрыва пласта и определяют последовательность закачки.
Выбор сценария обработки может основываться на желаемых факторах, но не ограниченных этим, таких как внедрение минимального количества полимера, максимизирование реологии, оптимизированная остаточная проводимость, оптимизированная очистка, минимизирование реологии или разделение и тому подобное.
В некоторых вариантах осуществления способы могут дополнительно включать в себя то, что осуществляют мониторинг обработки пласта для интенсификации притока и оценивают показатели текучей среды на основании мониторинга в режиме реального времени. В некоторых из этих вариантов осуществления величины, такие как скорость закачки текучей среды и время прохождения текучей среды к зоне обработки, вводятся как данные в модель.
Любые подходящие полимеры могут использоваться в текучих средах согласно изобретению, включающие в себя гуар, гидропропил гуар (HPG), карбоксиметил гуар (CMG), карбоксиметилгидроксипропил гуар, целлюлозу, гидроксиэтилцеллюлозу (HEC), гидроксипропилцеллюлозу (HPC), карбоксиметилгидроксиэтилцеллюлозу (CMHEC), ксантан, диутан, велановую смолу, полиакриламид, полиакрилатные полимеры. Предпочтительными сшивателями, при использовании, являются сшиватели на основе циркония, титана или бората. В некоторых предпочтительных случаях концентрация полимера составляет в пределах от около 15 до около 40 фунтов на тысячу галлонов текучей среды обработки, в то время как в некоторых других предпочтительных вариантах осуществления полимер вводят в количестве от около 15 до около 40 фунтов на тысячу галлонов.
Краткое описание чертежей
Настоящее изобретение можно понять из следующего описания, рассмотренного вместе с прилагаемыми фигурами: на фигуре 1 показана вязкость, уменьшенная на вязкость при полной сшивке как функции концентрации сшитого полимера.
На фигуре 1 показано отношение вязкости частично сшитой текучей среды к вязкости полностью сшитой текучей среды как функции концентрации сшивок.
На фигуре 2 показано безразмерное приращение вязкости сшивания как функции обобщенной скорости сдвига, где переход между ньютоновским режимом и режимом по степенному закону происходит при обобщенной скорости сдвига, равной 1.
На фигуре 3 показаны экспериментальные и сымитированные данные реологии текучей среды, содержащей 20 частей на тысячу гуарового полимера и 3,1 г/т раствора боратного сшивателя без разжижителя геля гидроразрыва.
На фигуре 4 показаны экспериментальные и сымитированные данные реологии текучей среды, содержащей 30 частей на тысячу гуарового полимера и 4,4 г/т раствора боратного сшивателя, и 2,2 частей на тысячу персульфата аммония.
На фигуре 5 показан график экспериментальных и сымитированных данных реологии текучей среды, содержащей 24,9 частей на тысячу гуарового полимера и 2,2 г/т раствора боратного сшивателя, 1,1 частей на тысячу персульфата аммония и 0,5 г/т раствора триэтаноламина.
-1
-1
На фигуре 6 показаны расчетные вязкости относительно экспериментальных вязкостей для экспериментов по вискозиметру Фэнна 50, где пики соответствуют наклонным площадкам сдвига, где скорость сдвига снижается по наклонной площадке со 100 с (основная) до 25 с и обратно вверх к основной скорости сдвига.
На фигуре 7 показаны профили экспериментальной и расчетной вязкости для экспериментов с вискозиметром Фэнна 50, показанных на Фигуре 6.
На фигуре 8 показан график расчетных и экспериментальных вязкостей эксперимента с реологией с малым сдвигом для геля, содержащего 30 частей на тысячу гуарового полимера и 3,6 г/т раствора боратного сшивателя при 125°F.
На фигуре 9 показан график профилей расчетных и экспериментальных вязкостей для геля, содержащего 30 частей на тысячу гуарового полимера, 3,6 г/т раствора борнокислого сшивателя при 125°F.
Подробное описание изобретения
Вначале следует заметить, что при разработке любого такого фактического варианта осуществления должны приниматься конкретные решения для достижения разработчиком конкретных целей, таких как соответствие системным и деловым ограничениям, которые изменяются от одного варианта реализации к другому. Более того, должно быть ясно, что такие усилия в разработке могут быть комплексными и затратными по времени, но, тем не менее, могут быть обычно выполняемыми средним специалистом в данной области техники, извлекающим пользу из этого изобретения.
Описание и примеры предназначаются исключительно для иллюстрирования предпочтительных вариантов осуществления изобретения и не должны рассматриваться как ограничение объема и применимости изобретения. Хотя составы, используемые в способах изобретения, могут описываться в этом документе содержащими определенные материалы, следует понимать, что по возможности составы могут содержать два или больше химически различных материалов. Кроме того, состав может также содержать некоторые материалы, отличающиеся от указанных. В разделе сущность изобретения и в этом подробном описании изобретения каждую численную величину следует читать с добавлением термина «около» (если она уже не написана так) и затем читать опять без этого добавления, если другое не указано в контексте. Также для раздела сущность изобретения и этого подробного описания следует понимать, что область значений концентрации, приведенная или описанная как эффективная, подходящая и тому подобная, предполагает, что любая и каждая концентрация в области значений, включая крайние значения, рассматривается как заявленная. Например, «область значений от 1 до 10» надлежит читать как указывающую на любое из возможных чисел множества между около 1 и около 10. Таким образом, даже если конкретные точки данных в области значений четко идентифицируются или именуются только несколькими специфичными или даже никакие точки данных в области значений точно не идентифицируются или не именуются несколькими специфичными, надлежит понимать, что изобретателям ясно и понятно, что любая и все точки данных в области значений надлежит рассматривать указанными и что изобретателям принадлежит вся область значений и все точки в области значений.
При использовании в этом документе фразы «полностью сшитый» и «совершенно сшитый» означают систему полимер/сшиватель, эффективно набравшую максимальную практическую вязкость при конкретных условиях использования, если не указано другого или ясно из контекста применения термина. Если другого не указано, термин «сценарий обработки» означает рецептуру текучей среды и график обработки для текучей среды, используемой для обработки подземного пласта. Термин «реология» в самом широком смысле термина означает часть механики, занимающейся отношением между силой и деформацией в материальных телах. Природа этого отношения зависит от материала, из которого состоит тело. Обычно деформационный режим текучей среды представляют моделью линейно вязкой или ньютоновской текучей среды (отображающей свойство, известное как вязкость). Эти классические модели, однако, являются неадекватными для описания некоторых нелинейных и зависимых от времени деформационных режимов, которые в некоторых случаях наблюдаются. Именно эти не классические режимы именуются реологическими режимами, или реологией. Реологический режим, в частности, легко наблюдать в материалах, содержащих молекулы полимера, которые обычно содержат тысячи атомов в каждой молекуле.
Это изобретение относится к технологиям, используемым для обработки углеводородосодержащих пластов, для того чтобы увеличить добычу нефти/газа из пласта, и более конкретно к технологическому процессу обработки подземного пласта оптимизацией текучих сред и осуществлением мониторинга размещения текучей среды во время обработки. Обработка подземного пласта включает в себя, но не ограничиваясь этим, гидроразрыв пласта, кислотную обработку, очистку ствола скважины, установку гравийного фильтра, селективную кислотную обработку пласта, регулирование потери текучей среды и тому подобное. Способы изобретения задействуют реологическую модель, которая напрямую описывает химические реакции, проходящие в текучей среде обработки на основе сшитого увеличителя вязкости. Одним примером такой текучей среды является жидкость для гидроразрыва пласта на основе гуара, сшитая боратом.
Способы изобретения являются эффективными для обработки подземного пласта, которая также включает проходку пласта стволом скважины и включает в себя такие способы, как подбор состава текучей среды обработки, разработку графика работы разжижителя геля гидроразрыва, представление реологии в имитаторах обработки, и даже обеспечения и контроля качества реологии текучей среды обработки в режиме реального времени. Предпочтительными вариантами осуществления изобретения являются способы гидроразрыва пласта, которые включают в себя подбор состава текучей среды гидроразрыва пласта, подбор обработки гидроразрыва пласта, закачку текучей среды гидроразрыва в ствол скважины, обработку пласта для интенсификации притока и осуществление мониторинга/оптимизация текучей среды/обработки на основе мониторинга в режиме реального времени.
y
x
y=c
(l-sec(c
x))
1
2
Способы изобретения внедряют модели для таких задач, как подбор состава текучей среды, разработка графика работы разжижителя геля гидроразрыва, представление реологии в имитаторах обработки, таких как имитаторы гидроразрыва пласта и тому подобного. Новизной моделей является их прямая стыковка с химией и реологией жидкости для гидроразрыва пласта в режиме реального времени. Одним аспектом модели является перевод концентрации сшивок, которая выдается химической частью модели, в вязкость. Вязкость по () относится к концентрации [GxB-Gx] сшивок, моль/л по () посредством s-образной функции , отличающейся тремя областями. Когда концентрация сшивок постепенно увеличивается, текучая среда проходит через три отличающихся реологических режима, как показано на Фиг.1 и как объясняется ниже.
Ниже описываются характеристики трех режимов, вместе с молекулярным и электростатическим объяснением режима вязкости:
- Режим 1: Слабо сшитый режим. Ограниченное притяжение, обусловленное малой плотностью межмолекулярных сшивок легко преодолевается напряжением сдвига, то есть молекулы разделены прохождением потока текучей среды, и увеличение вязкости поэтому остается незначительным.
- Режим 2: Переходная область. Количество межмолекулярных сшивок увеличивается и увеличивается количество перекрываний, которое имеет достаточно высокую энергию притяжения, для противостояния напряжению сдвига, прилагаемому прохождением потока. Сопротивление потоку, или вязкость, поэтому быстро увеличивается с плотностью сшивки.
- Режим 3: Большинство перекрываний имеют достаточно высокую плотность межмолекулярных сшивок для сопротивления напряжению сдвига, прилагаемому прохождением потока. Дополнительное увеличение плотности сшивки имеет только ограниченный эффект на вязкость текучей среды.
Целевым режимом для типичных жидкостей для гидроразрыва пласта на основе гуара, сшитых боратом, является режим 3, где вязкость полностью развита и текучая среда является стойкой, то есть вязкость является сравнительно нечувствительной к изменениям в концентрации сшивок.
Хотя некоторые текучие среды, используемые в способах обработки изобретения, являются жидкостями для гидроразрыва пласта на основе гуара, сшитыми боратом, жидкости могут быть любыми жидкостями на основе сшитого полимера или жидкостями на основе линейного полимера, используемыми для обработки подземного пласта. Жидкости обычно включают в себя полимерный увеличитель вязкости и сшиватель. Не ограничивающие примеры полимерного загустителя включают в себя гуаровые смолы, полисахариды высокого молекулярного веса, состоящие из сахаров маннозы и галактозы, или производные гуара, такие как гидропропил гуар (HPG), карбоксиметил гуар (CMG) и карбоксиметил гидроксипропил гуар (CMHPG). Производные целлюлозы, такие как гидроксиэтилцеллюлоза (HEC) или гидроксипропилцеллюлоза (HPC) и карбоксиметилгидроксиэтил целлюлоза (CMHEC) также могут использоваться. Любой эффективный полимер может использоваться как в сшитой форме, так и без сшивателя в линейной форме. Ксантан, диутан и склероглюкан, три биополимера, оказываются эффективными в качестве увеличителей вязкости. Синтетические полимеры, такие как, но не ограниченные этими, полимеры и сополимеры полиакриламида и полиакрилата, используются обычно для практического применения при высоких температурах. Также могут использоваться ассоциированные полимеры, вязкие свойства которых улучшаются подходящими поверхностно-активными добавками, и гидрофобно модифицированные полимеры в случаях, где заряженный полимер в присутствии поверхностно-активной добавки с зарядом, противоположным заряженному полимеру, при этом поверхностно-активная добавка имеет возможность формирования ионных пар, ассоциированных с полимером, результатом чего является гидрофобно модифицированный полимер, имеющий множество гидрофобных групп, как описано в патентной публикации США № 2004209780, Harris et.al.
-1
-1
При введении полимерный загуститель может быть представлен в любой подходящей концентрации. Отсюда, в различных вариантах осуществления увеличитель вязкости может быть представлен в количестве до менее чем около 60 фунтов на тысячу галлонов жидкой фазы, или от около 15 фунтов на тысячу галлонов до менее чем около 40 фунтов на тысячу галлонов, от около 15 фунтов на тысячу галлонов до около 35 фунтов на тысячу галлонов, 15 до около 25 фунтов на тысячу галлонов и даже от около 17 до около 22 фунтов на тысячу галлонов. В общем, увеличитель вязкости может быть представлен в количестве от около 1 до менее чем около 50 фунтов на тысячу галлонов жидкой фазы, с нижним пределом для полимера не менее чем около 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18 или 19 фунтов на тысячу галлонов жидкой фазы, и верхним пределом менее чем около 50 фунтов на тысячу галлонов, не более чем 59, 54, 49, 44, 39, 34, 30, 29, 28, 27, 26, 25, 24, 23, 22, 21 или 20 фунтов на тысячу галлонов жидкой фазы. В некоторых вариантах осуществления, полимеры могут присутствовать в количестве 20 фунтов на тысячу галлонов. Гидроксипропил гуар, карбоксиметил гидроксипропил гуар, карбоксиметил гуар, катионный функциональный гуар, гуар или его смеси являются предпочтительными полимерами для использования в качестве гелеобразующего агента. Текучие среды с внедренными полимерными загустителями могут иметь любую подходящую вязкость в зависимости от конкретной необходимости для данной работы. Для многих работ, текучие среды предпочтительно имеют значение вязкости около 50 мПа·с или больше при скорости сдвига около 100 с при температуре обработки, более предпочтительно около 75 мПа·с или больше при скорости сдвига около 100 с и еще более предпочтительно около 100 мПа·с или больше. В случае гидроразрыва пласта водой с небольшой добавкой несшитого полимера, также обычно именуемого водным гидроразрывом, текучая среда может иметь подходящие низкие, но эффективные значения вязкости и малую загрузку полимера, предпочтительно менее чем около 15 фунтов на тысячу галлонов, более предпочтительно от около 1 до около 10 фунтов на тысячу галлонов.
Введение сшивателей в текучие среды дополнительно увеличивает вязкость текучей среды обработки. Сшивание заключается в прикреплении двух полимерных цепей через химическую ассоциацию таких цепей к общему элементу или химической группе, при этом такой элемент или группа именуется сшивателем. Типичными сшивателями являются ионы поливалентных металлов, более часто ионы циркония или титана, или ионы бората. Загущение сшитым полимером является очень чувствительным к преобладающему pH. Например, сшивание ионами бората может выполняться только в щелочной среде (pH>8). Часто требуются системы регулирования pH («буферы») для достижения эффективного сшивания посредством ионов металла.
Текучие среды, используемые в изобретении, могут быть основаны на водной или безводной среде, или даже гелизированной нефти. Когда текучая среда основана на водной среде, среда может быть водой или рассолом. В таких вариантах осуществления изобретения, где водной средой является рассол, рассол является водой, содержащей неорганические соли и/или органические соли. Предпочтительные неорганические соли включают в себя галиды щелочных металлов, более предпочтительно хлорид калия. Фаза несущего рассола может также содержать органическую соль, более предпочтительно формата натрия или калия. Предпочтительные неорганические двухатомные соли включают в себя хлорид кальция или бромид кальция. Бромид натрия, бромид калия или бромид цезия также могут использоваться. Соль выбирается по условию совместимости, то есть, где в текучей среде бурения коллектора используется определенная фаза рассола, аналогичная фаза рассола выбирается для текучей среды заканчивания/очистки.
Волоконный компонент может включаться в состав текучих сред изобретения для получения различных свойств, включающих улучшение суспендирования частиц и возможности транспортировки частиц, и устойчивости газовой фазы. Используемые волокна могут быть по природе гидрофильными или гидрофобными, но предпочтительны гидрофильные волокна. Волокна могут представлять собой любой волокнистый материал, такой как, но без необходимости ограничения этим, природные органические волокна, измельченные растительные материалы, синтетические полимерные волокна (в качестве неограничительного примера полиэстер, полиарамид, полиамид, новолоид или полимер типа новолоида), фибриллированные синтетические органические волокна, керамические волокна, неорганические волокна, металлические волокна, металлические нити, углеродные волокна, стеклянные волокна, природные полимерные волокна и любые их смеси. Особенно эффективны волокна полиэстера, с покрытием для придания высокой гидрофильности, такие как, но без ограничения этим, DACRON волокна полиэтилен терефталат (ПЭТ), выпускаемые Invista Corp. Wichita, KS, USA, 67220. Другие примеры эффективных волокон включают в себя, но без ограничения этим, волокна полиэстера полимолочной кислоты, волокна полиэстера полигликолевой кислоты, волокна поливинилового спирта и тому подобные. При использовании в текучих средах изобретения волоконный компонент может включаться в состав в концентрациях от около 1 до около 15 г/л жидкой фазы текучей среды, предпочтительно с концентрацией волокон от около 2 до около 12 г/л жидкости и более предпочтительно от около 2 до около 10 г/л жидкости.
Текучие среды, используемые согласно изобретению, могут также содержать разжижитель геля гидроразрыва. Предназначением этого компонента является «разжижение» или уменьшение вязкости текучей среды так, чтобы эта текучая среда проще извлекалась из пласта во время очистки. Что касается разжижения вязкости, для этого могут использоваться окислители, энзимы или кислоты. Разжижители геля гидроразрыва уменьшают молекулярный вес полимера посредством действия кислоты, окислителя, энзима или их комбинаций на сам полимер. В случае гелей, сшитых боратом, увеличение pH и, таким образом, увеличение концентрации эффективного сшивателя, аниона бората, реверсивно создает сшивки бората. Уменьшение pH может просто удалить связи борат/полимер. При высоких pH выше 8, ион бората существует и имеется в наличии для сшивки и обуславливания гелеобразования. При меньших pH, борат связан водородом и его нет в наличии для сшивания, таким образом, гелеобразование, обусловленное ионом бората, является реверсивным.
Текучие среды, используемые в способах изобретения, могут дополнительно содержать другие добавки и химикаты, которые известны по широкому практическому применению на нефтяных месторождениях специалистам в области техники. Они включают в себя, но не обязательно ограничиваются этим, материалы, такие как поверхностно-активные вещества, пенообразующие агенты, замедлители сшивки, замедлители разжижения, частицы, расклинивающие агенты, газовый компонент, ускорители разжижения, кислородные раскислители, спирты, ингибиторы образования отложений, ингибиторы коррозии, добавки, препятствующие потере текучей среды, бактерициды, уменьшители трения, латексы, эмульсии, эмульгаторы и тому подобное.
-9
-8
-8
На Фиг.1 показано отношение вязкости частично сшитой текучей среды к вязкости полностью сшитой текучей среды как функция концентрации сшивок. Способ получения плотности сшивок описывается ниже в этом документе. Переход между низкой и высокой вязкостью происходит в области концентрации сшивок от около 5×10 до около 5×10 моль/л, так что подбор состава жидкости для гидроразрыва пласта, например, может выполняться так, чтобы иметь концентрацию, равную или большую около 5×10 моль/л, чтобы иметь полностью развитую вязкость при данных условиях в забое и режиме закачки. Разброс данных на площадке обуславливается экспериментальной неопределенностью и, частично, использованием упрощенного способа для расчета вязкости при полной сшивке.
Харрис (P.C.Harris. Chemistry and rheology of borate-crosslinked fluids at temperatures to 300°F Society of Petroleum Engineers, SPE 24339:285-293, 1992, and P. C. Harris. Chemistry and rheology of borate-crosslinked fluids at temperatures 300°F Journal of Petroleum Technology, March:264-269, 1993) провел качественное исследование того, как равновесие бората действует на химию сшивания. Месмер и другие (R. E. Mesmer, C. F. Baes, and F. H. Sweeton. Acidity measurements at elevated temperatures. VI. Boric acid equilibria. Inorganic chemistry, 11(3):537-543, 1971) изучали равновесие борной кислоты, создали и соотнесли отношение диссоциации к прочности ионов и температуре. Совсем недавно Пецрон и другие (E. Pezron, A. Ricard, F. Lafuma, and R. Audebert. Reversible gel formation induced by ion complexation. 1. borax-galactomannan interactions. Macromolecules, 21 :1121-1125, 1988) и Бишоп и другие (M. Bishop, N. Shahid, J. Yang, and A. R. Barron. Determination of the mode and efficacy of the cross-linking of guar by borate using MAS HB NMR of borate cross-linked guar in combination with solution HB NMR of model systems. Dalton Trans., pages 2621-2634, 2004) изучили реакции гуар-борат спектроскопией ядерно-магнитного резонанса и количественно определили отношение равновесия реакции сшивания. Эти отношения равновесия могут соединяться для обеспечения оценки плотности сшивки, которая находится среди главных определителей реологии текучей среды. Результатом этого является модель, которая обеспечивает прогнозирование того, как может зависеть вязкость от общего состава геля и статистики внешнего воздействия на него. Ниже показана модель, а также характеристики модели.
Один вариант осуществления модели, используемой в изобретении, разделяет вязкость на вклады от растворителя (s), линейного гуара (lg) и сшивания (xl):
<img file="00000001.tif" he="6" wi="28" img-content="undefined" img-format="tif" />
(1)
Такая функциональная зависимость обеспечивает то, что модель уменьшается до корректных пределов, когда исчезает сшивание и/или концентрация геля.
Вязкость растворителя рассчитывается из соотношения, которое подходит к данным вязкости воды из справочника CRC (Lide, 2005):
<img file="00000002.tif" he="10" wi="37" img-content="undefined" img-format="tif" />
(2)
где T является абсолютной температурой по Кельвину и ηs является вязкостью растворителя в cП. Зависимость вязкости растворителя (то есть воды) от давления незначительна по сравнению со сшитым гелем и здесь не рассматривается.
Вязкость линейного геля рассчитывается по модели типа Эллиса:
<img file="00000003.tif" he="11" wi="32" img-content="undefined" img-format="tif" />
(3)
0
lg
где η  является вязкостью нулевого сдвига линейного гуара, β является так называемой обобщенной скоростью сдвига:
<img file="00000004.tif" he="10" wi="33" img-content="undefined" img-format="tif" />
(4)
M
c
R
где, в свою очередь,  является скоростью сдвига,  является молекулярным весом полимера,  является концентрацией геля (масса/объем) и  является универсальной газовой постоянной. Вязкость нулевого сдвига рассчитывается способом, который связывает удельную вязкость с произведением гидродинамического объема (истинная вязкость) и концентрации геля через:
<img file="00000006.tif" he="11" wi="87" img-content="undefined" img-format="tif" />
(5)
Эта функция является непрерывной, но не плавной. Физическое объяснение этого состоит в том, что зависимость от концентрации является более сильной над концентрацией перекрывания, чем под концентрацией перекрывания. Истинная вязкость рассчитывается по уравнению Марка-Хоуинка:
<img file="00000007.tif" he="6" wi="17" img-content="undefined" img-format="tif" />
(6)
со следующими параметрами, зависящими от температуры:
<img file="00000008.tif" he="10" wi="39" img-content="undefined" img-format="tif" />
(7)
<img file="00000009.tif" he="10" wi="32" img-content="undefined" img-format="tif" />
(8)
где температура выражается в градусах по Кельвину и истинная вязкость в дл/г. Зависимость вязкости линейного гуара от давления незначительна по сравнению со сшитым гелем и здесь не рассматривается.
-1
Вязкость текучей среды по отношению к сшиванию устанавливается сначала расчетом вклада химреагента по справочной скорости сдвига, за которой следует корректировка скорости сдвига посредством реологической модели типа Эллиса. Величина 100 с взята здесь как справочная скорость сдвига. Вклад химреагента при справочной скорости сдвига дается формулой:
<img file="00000010.tif" he="11" wi="61" img-content="undefined" img-format="tif" />
(9)
Q
l
где  является эмпирическим параметром и [XL]trans является концентрацией сшивки, при которой вязкость составляет половину от полного сшивания. Параметры были возвращены назад к экспериментальным данным вязкости и представлены в таблице 1.
Таблица 1Параметры в реологической модели
Параметр
Величина
Ед.изм
Относится к
<i>Q</i><sub>l</sub>[XL]<sub>trans</sub>
1,173E+021,539E-08
cPмоль/л
Расчет вязкости, уравнение 10
<i>Н</i><sup>II</sup><i>S</i><sup>II</sup>
-2,080E+04-6,050E+01
Дж/мольДж/моль/K
Первая реакция комплексообразования. Константа равновесия согласно уравнению 23
<i>Н</i><sup>III</sup><i>S</i><sup>III</sup>
-2,060E+04-6,800E+01
Дж/мольДж/моль/K
Сшивание. Константа равновесия согласно уравнению 24
<i>k</i><sub>0</sub> <sup>IV</sup><i>Е</i><sub>а</sub> <sup>IV</sup><i>k</i><sub>1</sub> <sup>IV</sup>
4,652E+026,372E+046,015E+12
мин<sup>-1</sup>Дж/мольДж/моль
Tермическая деградация полимерных cтыков.Скорость реакции согласно уравнению 26
<i>k</i><sub>0</sub> <sup>V</sup><i>Е</i><sub>а</sub> <sup>V</sup><i>с</i><sub>НАс</sub>
5,587E+052,038E+041,173E-04
мин<sup>-1</sup>Дж/мольмоль/г
Постепенное уменьшение pH, смоделированное, как высвобождение кислоты со скоростью согласно уравнению 27
<i>k</i><sub>0</sub> <sup>VII</sup><i>Е</i><sub>а</sub> <sup>VII</sup>
4,297E+161,249E+05
мин<sup>-1</sup>Дж/моль
Tермическое разложение персульфата. Скорость реакции согласно уравнению 28
<i>k</i><sub>0</sub> <sup>VIII</sup><i>Е</i><sub>а</sub> <sup>VIII</sup>
8,142E+041,325E+04
л/моль/минДж/моль
Каталитическое разложение персульфата катализатором триэтиламином. Скорость реакции согласно уравнению 29
<i>k</i><sub>0</sub> <sup>IХ</sup><i>Е</i><sub>а</sub> <sup>IХ</sup>
3,253E+453,003E+05
л/моль/минДж/моль
Обрыв полимерных стыков, вызванный радикалами персульфата. Скорость реакции согласно уравнению 30
f
η
Q
c[η],
xl
ref
1
Хотя функциональная зависимость уравнения 9 является эмпирической, имеется явное свидетельство того, что вязкость геля сначала резко увеличивается, затем стабилизируется, при этом постепенно увеличивая концентрацию сшивок. Это хорошо описывается функциональной зависимостью 1-sech(/([XL])), но дополнительное улучшенное масштабирование по температуре и загрузке геля достигается при введении произведения c[η] в уравнение 9. Из уравнения 9 видно, что   асимптотически приближается к  когда концентрация сшивок превосходит переходную концентрацию сшивок. Фактический состав, а, таким образом, также концентрация сшивок, является комплексной функцией общего состава (загрузки геля, концентрации сшивателя, концентрации разжижителя геля гидроразрыва, и т.п.), температуры и времени и управляется набором химических реакций.
+
-
-
-
3
4
x
x
x
В одном варианте осуществления химия текучей среды на основе гуара, сшитой боратом, представлена простой моделью, в которой реакции, относящиеся к сшиванию, рассматриваются находящимися в равновесии. Основными составляющими принимаются H, OH, борная кислота B(OH), борат B(OH) , площадки сшивок, расположенные на группах галлактозы полимера G, соединения между площадками сшивок, сформированными боратом (сшивками) GBG. Распределение равновесия между этими компонентами может быть рассчитано посредством минимизации энергии Гиббса, описанной в Smith and Missen, Chemical Reaction Equilibrium Analysis: Theory and Algorithms. Krieger, 1982, или решением системы уравнений фактора равновесия, объединенных с балансом элементов. Независимым набором химических реакций, уравновешивающим принятые находящимися в мгновенном равновесии радикалы, является:
Реакция I:
<img file="00000011.tif" he="22" wi="73" img-content="undefined" img-format="tif" />
(10)
Реакция II:
(11)
Реакция III:
(12)
С другой стороны, реакция разрушения геля происходит сравнительно медленно и поэтому моделируется кинетическими реакциями. Разрушение геля происходит быстро в присутствии разжижителей геля гидроразрыва, но гель также разрушается наведенным температурой гидролизом, который разрывает ацетальные связи между маннозными блоками (основная цепь) и между маннозными и галактозными боковыми цепями. Обозначив ацетальную связь LL, мы описываем этот эффект реакцией:
Реакция IV:
<img file="00000012.tif" he="4" wi="15" img-content="undefined" img-format="tif" />
(13)
В дополнение к реакции (4), некоторая потеря вязкости может быть отнесена на счет постепенного уменьшения pH. В каркасе модели это описывается посредством рассмотрения гуара, как содержащего органическую кислоту, которая постепенно высвобождается в раствор:
Реакция V:
<img file="00000013.tif" he="4" wi="30" img-content="undefined" img-format="tif" />
(14)
Органическая кислота может затем смещать равновесие бората, уравнение 10, к борной кислоте посредством поглощения ионов гидроксила:
Реакция VI:
<img file="00000014.tif" he="8" wi="52" img-content="undefined" img-format="tif" />
(15)
Наконец, разрушение геля, обусловленное персульфатными разжижителями геля гидроразрыва, происходит в два этапа, сначала персульфатным разложением, затем атакой персульфатных радикалов на полимерные связи. При высоких температурах персульфат разлагается на два сульфатных радикала:
Реакция VII:
<img file="00000015.tif" he="5" wi="19" img-content="undefined" img-format="tif" />
(16)
При низких температурах эта реакция является медленной, и может быть добавлено вспомогательное вещество разжижения геля гидроразрыва. Вспомогательным веществом разжижения геля гидроразрыва является раствор триэтаноламина (TЭA), который действует как катализатор разложения:
Реакция VIII:
<img file="00000016.tif" he="8" wi="50" img-content="undefined" img-format="tif" />
(17)
Сульфатные радикалы, образованные в реакциях VII и VIII, затем атакуют ацетальные связи между блоками сахаров в полимере:
Реакция IX:
<img file="00000017.tif" he="7" wi="38" img-content="undefined" img-format="tif" />
(18)
В этой реакции как SL, так и L может быть радикалом, в реальных условиях способным атаковать другой LL, создавая другой радикал, и так далее. Эта цепная реакция будет проходить до завершения, которое происходит, когда встречаются и вступают в реакцию два радикала. Прохождение и завершение цепной реакции опускается в настоящих версиях модели, тем самым, эффект разжижителя геля гидроразрыва сосредотачивается в целом в реакциях (VII), (VIII) и (IX). Во время разрушения геля среднечисленная молекулярная масса может рассчитываться как общая масса, разделенная на общее число молекул, что дает:
<img file="00000018.tif" he="18" wi="94" img-content="undefined" img-format="tif" />
(19)
n
c
η
η
xl
ref
где  является мольным номером,  является мольной номинальной концентрацией и нижний индекс 0 указывает, что количество относится к линейному, не разорванному полимеру. Эта формула предполагает, что все сшивки являются межмолекулярными. Общее число молекул в знаменателе появляется посредством реализации того, что каждая (межмолекулярная) сшивка уменьшает число сегментов полимера на один и что каждая разорванная ацетальная связь LL увеличивает число сегментов полимера на один. Изменение в молекулярной массе, обусловленное сшиванием и разрушением геля, таким образом, оказывает воздействие на   через [XL] и [] (смотри уравнение 9). Фактический состав, включающий в себя концентрацию сшивки, затем становится функционально зависимым от времени, управляемым рядом химических потенциалов компонентов и скоростей реакций от I до IX. Факторы равновесия даются следующим:
K
K
а,HAc
а,H2O
где  и  являются постоянными диссоциации для НАс и воды соответственно. Константы равновесия относятся к энтропии и энтальпии реакций через термодинамическое соотношение:
G
H
S
где  является свободной энергией реакции,  является энтальпией реакции и  является энтропией реакции.
Химический потенциал для комплекса сшивки был рассчитан по результатам измерений по факторам равновесия, данным в работе M. Bishop, N. Shahid, J. Yang, and A. R. Barron. Determination of the mode and efficacy of the cross-linking of guar by borate using MAS HB NMR of borate cross-linked guar in combination with solution HB NMR of model systems, Dalton Trans., страницы 2621-2634, 2004., для энтальпии и энтропии реакций. Использованные значения обобщены в таблице 1.
Скорости реакций, относящиеся к разрушению геля, предполагаются первого порядка в каждом из реагентов и описываются выражениями по типу Аррениуса:
k
E
0
а
где  является пре-экспоненциальным (частотным) коэффициентом и  является энергией активации для каждой из реакций. Реакция IV модифицирована для учета стабилизирующего эффекта воздействия TЭA на гель. Зависимость состава по времени при постоянном объеме (несжимаемая текучая среда) затем дается следующим:
Интеграция необратимых реакций соединяется с реакциями равновесия для создания фактического состава текучей среды, включающего в себя концентрацию сшивок как функцию времени, температуры и давления, которая впоследствии используется для расчета вязкости сшитого геля.
Зависимость вклада сшивания в вязкость от сдвига описывается молекулярной версией модели Эйринга:
τ
A
B
где  является скоростью сдвига и  является напряжением сдвига.  и  относятся к молекулярным параметрам следующим образом:
E
a
k
h
att
где  является энергией притяжения между двумя витками полимера,  является расстоянием между центрами двух витков полимера,  является постоянной Больцмана, а  является постоянной Планка. В притяжении доминируют переплетения и сшивки, которые формируются в перекрывающих областях между различными цепями полимеров. Фиксированные точки вязкости при справочной скорости сдвига из уравнения 9 согласовываются со следующей зависимостью
а
Расстояние  между центрами двух витков полимера рассчитывается из концентрации геля, то есть модель сдвига не содержит настраиваемых параметров.
В безразмерной форме модель Эйринга может выражаться следующей формулой:
-1
Согласно этой модели вязкость текучей среды является ньютоновской при малых скоростях сдвига и наклон кривой медленно приближается к -1 при высоких скоростях сдвига. Параметры модели, полученные для модели, которая использует справочное значение скорости сдвига 100 с , показаны в таблице 1.
3
2
3
2
3
2
Пластовое и забойное давление и температура могут оказывать воздействие на реологию текучей среды. В случае давления, когда адекватное давление присутствует при обработке или в окружающей среде подачи, эффективная функциональная зависимость сшивания сшивающего агента, такого как борат, может быть существенно уменьшена. Такие давления имеют величину порядка 10 фунтов/дюйм или более, такие как 4 × 10 фунтов/дюйм или более. При 4 × 10 фунтов/дюйм было неожиданно обнаружено, что измеренная вязкость составляет около половины вязкости для сшивателя бората при атмосферном давлении на поверхности. Следовательно, воздействие давления на боратный сшиватель может приниматься во внимание в некоторых вариантах осуществления изобретения.
Способы изобретения могут также использоваться для обеспечения качества/контроля качества текучих сред в режиме реального времени, таким образом, делая возможным регулирование компонентов текучей среды в процессе работы для получения дополнительно оптимизированного подбора текучей среды и графика обработки. Реологическая модель может использоваться для дополнительного экстраполирования отслеживаемых на поверхности характеристик, таких как вязкость, скорость нагнетания, температура, концентрация полимера, концентрация сшивателя, концентрация разжижителя геля гидроразрыва к условиям в забое.
Следующий пример представлен, чтобы показать подготовку и свойства газированных текучих сред на водной основе, содержащих гетерополисахариды и поверхностно-активное вещество, и их не следует воспринимать ограничивающими объем изобретения, если обратное не указано в прилагаемой формуле изобретения. Все процентные отношения, концентрации, отношения, части и тому подобное даны по весу, если не указано другого или если это не следует из контекста по их использованию.
ПРИМЕР
Следующий пример иллюстрирует способы изобретения, описанные в предпочтительных вариантах осуществления.
-1
Выполняют прогнозирование вязкости при справочной скорости сдвига (100 с). Для систем, не содержащих разжижителей геля гидроразрыва, модель тестировали для 68 экспериментов на вискозиметре Фэнна 50 для гелей, содержащих 15-40 частей на тысячу гуара, 0,5-10,5 г/т 20% по массе водного раствора тетраборнокислого натрия, и в отсутствие разжижителей геля гидроразрыва, 51 из них (84%) были успешно представлены посредством модели. Для этих анализов, критерий успеха требовал, что при вязкостях ниже 250 мПа·с прогнозирование должно находиться в пределах 50 мПа·с от экспериментальных данных, в то время как при больших вязкостях прогнозирование должно находиться в пределах 20% от экспериментальных данных. Критерий успешности является менее жестким при низких вязкостях по причине большей неопределенности испытаний вискозиметром Фанна 50. Пример характеристик показан на Фиг.3.
Для систем, содержащих разжижитель геля гидроразрыва, модель тестировалась для 42 экспериментов на вискозиметре Фанна 50 для гелей, содержащих 15-40 частей на тысячу полимера гуара, 1,1-4,4 г/т 20% по массе водного раствора тетраборнокислого натрия, 0,6-2,2 частей на тысячу разжижителей геля гидроразрыва персульфата аммония и 0,3-1,0 г/т триэтаноламина, 35 из них (83%) были успешно представлены посредством модели. Примеры характеристик при высокой и низкой температурах показаны на Фиг.4 и 5.
-1
-1
а
Для трендов соотношения зависимости от сдвига, модель испытывалась для 188 наклонных площадок сдвига на вискозиметре Фэнна 50 для неразрушенных гелей. Эти наклонные площадки измеряются в процессе стандартного эксперимента на вискозиметре Фэнна 50, когда скорость сдвига проходит по наклонной площадке от базовой скорости сдвига 100 с вниз до 25 с и обратно к базовой скорости сдвига. Эту технологию можно найти в API Recommended Practice 39, под названием "Recommended Practices on Measuring the Viscous Properties of a Cross-linked Water-based Fracturing Fluid", датированным маем 1998г. Модель Эйринга не может прогнозировать утолщение сдвига, поэтому наклонные площадки, указывающие на утолщение сдвига, исключены из этого исследования. Среднее отклонение расчетных вязкостей от экспериментальных составляло 80 мПа·с. Пример характеристик показан на Фиг.6 и 7. При более низких скоростях сдвига модель избыточно прогнозирует вязкости, но это можно скорректировать внесением эмпирической поправки параметра  шага полимера, как показано на Фиг.8 и 9.
-1
Эти примеры показывают, что обеспечена реологическая модель для сшитых боратом жидкостей для гидроразрыва пласта на основе гуара. Модель обеспечивает прогнозирование вязкости во время проведения работ по гидроразрыву пласта. Основанием модели является точное описание химии реакций, которая описывает, как ряд сшивок и разорванных полимерных связей развиваются во времени под воздействием сшивателей, разжижителей геля гидроразрыва и эффектов от температурных воздействий. Прогнозы вязкости были успешными, по меньшей мере, для 84% от ряда исследованных при этом данных. Среднее отклонение между расчетной и экспериментально полученной вязкостями составляло 80 мПа·с для 188 наклонных площадок сдвига между 100 и 25 с. При использовании в качестве инструмента для имитации вязкости текучей среды, модель может помочь оптимизировать подбор состава текучей среды и график работы разжижителя геля гидроразрыва для обработки пласта гидроразрывом.
Конкретные варианты осуществления, раскрытые выше, являются только иллюстративными, поскольку изобретение может изменяться и практически применяться другими эквивалентными способами, ясными специалисту области техники, извлекающему пользу из представленных в этом документе знаний. В дополнение к этому, показанное в этом описании не налагает ограничений на детали конструкции или разработки помимо тех, которые описаны в следующей ниже формуле изобретения. Поэтому очевидно, что конкретные варианты осуществления, раскрытые выше, могут изменяться или модифицироваться, и все такие изменения могут рассматриваться в объеме и сущности изобретения. Соответственно, защита этого документа предлагается в формуле изобретения, приведенной ниже.