КОМПОЗИЦИЯ И СПОСОБ ДЛЯ ЗАГУЩЕНИЯ КРЕПКИХ ВОДНЫХ РАССОЛОВ
COMPOSITION AND PROCEDURE FOR THICKENING STRONG SALT WATER

Область изобретения
Настоящее изобретение относится к композициям для применения в качестве средств для загущения в концентрированных солевых системах и к изготовленным на их основе водным жидкостям для обслуживания скважины. Более точно изобретение относится к загущению концентрированных солевых композиций катионными полисахаридами.
Описание уровня техники
Загущенные водные среды, особенно те, которые содержат нефтепромысловые рассолы, широко используются в качестве жидкостей для обслуживания скважины (таких как буровые растворы, жидкости для ремонта скважины, растворы для заканчивания скважины, пакерные жидкости, растворы для обработки скважины, растворы для обработки пласта, жидкости для гидроразрыва, буферные жидкости, растворы для ликвидации скважины) и иных водных жидкостей, в которых желательно увеличение вязкости. Жидкости для ремонта скважины - это те жидкости, которые используются в ходе ремонтных работ в пробуренной скважине. Такие ремонтные работы включают замену системы труб, насоса, очистку от песка и иных осаждений, каротаж (геофизические исследования в скважине) и так далее. Капитальный ремонт также, в общем, включает стадии, применяемые в подготовке существующей скважины ко вторичному или третичному извлечению, такие как добавление полимера, нагнетение в пласт микроэмульсий, впрыскивание пара и так далее. Жидкости для гидроразрыва используются в операциях по добыче нефти, при которых пласт обрабатывается с целью создания каналов для извлечения пластовых вод.
Жидкостями для заканчивания скважины являются те жидкости, которые применяются в ходе бурения, заканчивания или переоборудования скважины. Операция по заканчиванию обычно включает перфорацию обсадных труб, установку системы труб и насосов в операциях по добыче нефти. Жидкости и для ремонта, и для заканчивания скважины отчасти используются для поддержания давления в скважине, для предупреждения прорыва скважины во время работ по ее завершению или капитальному ремонту или для предотвращения смятия обсадных труб в скважине из-за избыточного нагнетенного давления.
Полимеры и химреагенты добавляют в рассолы, использующиеся в жидкостях для обслуживания скважины, по различным причинам, которые включают, но не ограничиваются перечисленным, повышение вязкости и повышение плотности рассола. Например, для получения рассола, обладающего минерализацией примерно от 11,5 до 19,5 фунтов на галлон (ф/г), в рассол часто добавляют ионные соли кальция, магния и цинка. Загущающие воду полимеры служат для повышения вязкости рассола, и это замедляет миграцию рассолов в пласт и поднимает выбуренные твердые породы из отверстия скважины. Другим достоинством применения крепких рассолов является возможность более глубокого проникновения в нефтяные пласты.
Для повышения вязкости рассолов широко используются полисахариды, такие как гидроксиэтилцеллюлоза (ГЭЦ), карбоксилметилгидроксиэтилцеллюлоза, карбоксиметилцеллюлоза (КМЦ) и синтетические полимеры, такие как полиакриламиды (ПАМ). Эти полимеры не способны к гидратированию и повышению вязкости крепких рассолов, в частности, с соленостью более 11,5 ф/г. Кроме того, загущение крепких рассолов составляет проблемы в силу несовместимости и/или осаждения полисахаридов в присутствии растворенных многовалентных солей. Применение высокомолекулярных синтетических полимеров, таких как ПАМ, обеспечивает относительно низкие вязкости. Кроме того, при использовании эмульсий ПАМ требуются обращающие поверхностно-активные вещества (ПАВ), и их обычно добавляют отдельно в ходе операции, включающей дополнительные производственные стадии. Далее, эти полимеры при использовании для загущения рассолов, содержащих ионы цинка в диапазоне от 0,1 до 7% (вес.), не работают эффективно без применения добавок. Поскольку крепкие рассолы с высоким содержанием солей цинка широко используются в качестве жидкостей для ремонта скважины, буровых растворов, жидкостей для гидроразрыва и жидкостей для заканчивания скважины в нефтепромысловых работах, разработка способа загущения крепких рассолов является в высшей степени желательной.
Среди проблем в применении полисахаридов, таких как ГЭЦ, в загущении, существует такая, как образование из-за недостаточной гидратации комков, называемое также «рыбий глаз», которые могут вызвать засорение и повреждение пласта. ГЭЦ и иные полисахариды слишком быстро и неравномерно гидратируются на поверхности, что приводит к образованию комков. Многие из этих полисахаридов гидратируются только после повышения температуры рассола, и когда они являются традиционно поставляемыми сухими порошками, при добавлении к рассолам требуются специальные предварительные действия и/или смешивающее и диспергирующее оборудование. Далее, воздействие повышенных глубинных температур, растворяющих комки, вызывает случайные колебания вязкости рассола, что приводит к непредсказуемым и нежелательным неизвестным значениям вязкости. Кроме того, многие из полисахаридов также склонны образовывать отдельные вязкие слои полимеров в крепких рассолах, в частности, в диапазоне плотностей от 11,5 до 19,5 ф/г.
Для преодоления описанных выше проблем растворения были предприняты разнообразные подходы, вовлекающие дополнительную трату времени и расходы. Они включают дополнительные стадии, в том числе обработку полисахаридов присадками в среде растворителя, что повышает связанные с воспламеняемостью риски. Например, в патенте США № 4392964, выданном R. House и др., полимерная композиция с органическими растворителями, полученная смешением 5-30 частей ГЭЦ с по меньшей мере 40 частями изопропанола, смешивают с 3-40 частями воды для обеспечения полного смачивания ГЭЦ перед добавлением в рассол. В патенте США № 4415463, выданном B. Moiser и др., природные полисахаридные камеди, такие как каррагинан и из бобов рожкового дерева, обрабатывают основным азотистым реагентом для смачивания полимера перед добавлением в рассол. Такого рода обработки требуют для обеспечения смачиваемости обработанного продукта сухих порошков полисахаридных камедей или растворов в изопропаноле-воде перед взаимодействием со спиртом и основным азотистым реагентом. В патентах США №№ 4435564 и 4439333, выданных R. House, ГЭЦ первоначально активируется таким образом, что ГЭЦ диспергируется и гидратируется в крепких соляных растворах. Процесс активации включает добавление ГЭЦ к раствору амино- или фенольного соединения и водорастворимой органической жидкости перед добавлением рассола. Некоторые из этих присадок также оказываются неэффективными при добавлении к рассолам с плотностью более примерно 12 ф/г. В патенте США № 4420406, выданном R. House и др., было обнаружено, что крепкие рассолы, обладающие узким диапазоном плотностей от 14,2 до 15,6 ф/г, могут быть, в зависимости от присутствия или отсутствия хлорида кальция и конкретного содержания бромида цинка в рассоле, успешно загущены ГЭЦ.
Искусственные полимеры, описанные в патенте США № 4619773, являются загущенными рассолами, содержащими AMPS/виниламид и, факультативно, акриламид. Патент США № 6346588, выданный Franchel и др., описывает терполимеры на основе (мет)акриламид-, гидроксиалкил(мет)акрилат- и сульфобетаин-мономеров и их применения в качестве загустителей для водных рассолов, содержащих хлорид кальция и/или бромид кальция и/или бромид цинка.
С учетом вышеприведенного представляется желательным иметь в распоряжении природный полимер, такой как полисахарид, который загущает крепкие рассолы, содержащие соли кальция, магния и цинка, в жидкостях для обслуживания скважин без применения присадок и/или дополнительных технологических стадий перед смешением с крепким рассолом. Представляется особенно желательным получить полисахарид, который загущает крепкие рассолы в диапазоне плотностей, в частности, от 11,5 ф/г до 19,5 ф/г. В соответствии с настоящим изобретением разработана композиция жидкости для обслуживания скважины и способ ее получения, включающая композиции крепких рассолов, содержащих соли кальция и цинка, и катионный полисахарид для загущения рассола.
Сущность изобретения
Задачей настоящего изобретения является разработка способа получения жидкости для обслуживания скважины, включающего загущение рассола катионным полисахаридом.
Другой задачей является разработка жидкой композиции для обслуживания скважины, включающей рассол, содержащий соль цинка, соли кальция и катионный полисахарид для загущения рассола.
Неожиданно было обнаружено, что катионные полисахариды загущают рассолы, содержащие соли цинка, кальция, и, особенно, крепкие рассолы, обладающие плотностями от приблизительно 11,5 до приблизительно 19,5 ф/г.
Другой задачей настоящего изобретения является разработка композиции рассола, пригодной в жидкостях для (капитального) ремонта скважины, буровых растворах и жидкостях для заканчивания скважины. Другие задачи, особенности и достоинства будут более ясны после более полного описания изобретения ниже.
Подробное описание изобретения
Настоящее изобретение относится к увеличению вязкости рассолов, содержащих соединения цинка, путем взаимодействия катионного полисахарида с рассолом так, что таким образом загущаемый рассол может быть использован в капитальном ремонте, бурении, гидроразрыве и завершении скважины.
Крепкие рассолы, используемые при разработке нефтяных месторождений, обладают плотностями в диапазоне от 11,5 до 19,5 ф/г. Предпочтительные крепкие рассолы имеют плотности в диапазоне от примерно 14 ф/г до 19,5 ф/г. Более предпочтительно, чтобы крепкие рассолы обладали плотностью от 16 ф/г до примерно 19,5 ф/г.
Соли цинка добавляют в рассолы для увеличения плотности и для получения крепкого рассола, имеющего по меньшей мере одну водорастворимую соль многовалентного металла. Из таких солей цинка, используемых в качестве добавки, без ограничения перечисленного, можно привести как пример хлорид цинка, бромид цинка, иодид цинка, сульфат цинка и смесь таковых. Солями цинка, предпочтительными в настоящий момент, по причине низкой стоимости и легкодоступности являются хлорид цинка и бромид цинка.
Согласно настоящему изобретению, весовое процентное содержание (вес.%) солей цинка в крепких рассолах может варьироваться в широких пределах от примерно 1 вес.% до примерно 55 вес.% в расчете на вес рассола, предпочтительно содержание может варьироваться от примерно 10 вес.% до примерно 50 вес.%, более предпочтительно от примерно 30 вес.% до примерно 50 вес.%. Рассол может также содержать целый ряд одно-, двух- и многовалентных солей и их смесь. Примерами одно- и двухвалентных солей являются, без ограничения общности перечисленного, хлорид натрия, бромид натрия, хлорид калия, бромид калия, хлорид магния и смесь таковых. Предпочтительно содержание солей кальция варьируется от примерно 1 вес.% до примерно 55 вес.% в расчете на вес рассола, более предпочтительно от 10 вес.% до примерно 55 вес.%. Предпочтительно весовое процентное содержание всех растворенных твердых компонентов в рассоле находится в диапазоне от примерно 10 вес.% до примерно 80 вес.%, более предпочтительно от примерно 75 вес.% до примерно 80 вес.%.
Катионные полисахариды для применения в рамках изобретения включают любой встречающийся в природе катионный полисахарид, а также полисахариды и производные полисахаридов, которые катионизированы химическими средствами, например кватернизацией различными четвертичными аминными соединениями, содержащими реакционноспособный хлорид или эпоксидный фрагмент. Способы получения катионных полисахаридов раскрыты в патентах США №№ 4663159; 5037930; 5473059; 5387675; 3472840 и 4031307, которые все включены здесь ссылкой. Катионные производные получают реакцией между гидроксильными группами полисахарида и реакционноспособным хлоридом или эпоксидным фрагментом. Степень замещения катионных групп на структуре гуаровой смолы должна быть достаточной для обеспечения требуемой плотности катионного заряда. Примеры таких катионизированных полисахаридов включают, но не ограничиваются перечисленным, полисахариды и производные полисахаридов, выбранные из группы, состоящей из гуаровой смолы, гидроксиалкилгуаровой смолы, карбоксиалкилгуаровой смолы, карбоксиалкилгидроксиалкилгуаровой смолы, гидрофобно модифицированной гуаровой смолы, гидрофобно модифицированной гидроксиалкилгуаровой смолы, гидрофобно модифицированной карбоксиалкилгуаровой смолы, гидрофобно модифицированной карбоксиалкилгидроксиалкилгуаровой смолы, пектина, альгинатов, смолы из бобов рожкового дерева, гуммиарабика, камеди гхатти, сенегальской камеди, каррагинана, гидроксиалкилцеллюлозы, карбоксиалкилгидроксиалкилцеллюлозы, карбоксиалкилцеллюлозы, простых алкиловых эфиров целлюлозы, гидроксиалкилметилцеллюлозы, гидрофобно модифицированной гидроксиалкилцеллюлозы, гидрофобно модифицированной карбоксиалкилгидроксиалкилцеллюлозы, гидрофобно модифицированной карбоксиалкилцеллюлозы, гидрофобно модифицированных простых алкиловых эфиров целлюлозы, гидрофобно модифицированной гидроксиалкилметилцеллюлозы, крахмала, трагакантовой камеди, камеди карайя, камеди таро, тамариндовой камеди, ксантановой камеди, велановой камеди, сукциноглюканов и смесей таковых.
Предпочтительными катионными полисахаридами являются катионные камеди и катионная гидроксиалкилгуаровая смола, такие как катионная гидроксипропилгуаровая смола камедь и катионная гидроксиэтилгуаровая смола, которые производят из природного возобновляемого сырья и которые по сравнению с искусственными полимерами являются экологически приемлемыми. Примером катионной гуаровой смолы является гидроксипропилтриметиламмонийхлоридное производное гуаровой смолы, полученное по реакции гуаровой смолы с N-(3-хлоро-2-гидроксипропил)триметиламмония хлоридом. Содержание гидроксипропилтриметиламмонийхлоридного фрагмента на один сахаридный остаток гуаровой смолы может быть от 0,03 до 0,3, но предпочтительно от 0,07 до 0,15. Более предпочтительно катионный гауровый полимер является гуар-гидроксипропилтриметиламмония хлоридом. Отдельные не исчерпывающие примеры катионных гуаровых полимеров включают Jaguar RTM.C 13S, имеющий плотность катионных зарядов около 0,8 мэкв/г (доступен от Rhodia Company) и Jaguar RTM.C 17, имеющий плотность катионных зарядов около 1,6 мэкв/г (доступен от Rhodia Company).
Далее, в жидкостях для обслуживания скважин предпочтительными являются катионные гуаровые смолы, которые способствуют более легкой по сравнению с ПАМ регенерации полимеров по завершению технологической операции. Наиболее предпочтительными являются катионные гуаровые смолы, обладающие меньшей склонностью адсорбироваться или осаждаться в подземных пластах, минимизируя долгосрочное повреждение в пластах. Средний молекулярный вес катионной гуаровой смолы, подходящей для применения, как здесь описано, составляет предпочтительно от примерно 100000 до примерно 2000000, более предпочтительно от примерно 100000 до примерно 1000000 и наиболее предпочтительно от примерно 300000 до примерно 1000000.
Дальнейшее улучшение вязкости рассола и улучшение жидкостей для обслуживания скважины может быть достигнуто обработкой содержащего катионный полисахарид раствора полимера кросс-сшивающими реагентами (кросс-линкерами), типично выбираемыми из соединений на основе титана, алюминия, бора и циркония или смесей таковых. Наиболее типично используются присадки на основе бора и циркония. Борные кросс-линкеры типично используются с катионными полисахаридами, полученными из полисахаридов, таких как гуаровая смола и ее производные, включая гидроксипропилгуаровую смолу (ГПГ), карбоксиметилгуаровую смолу (КМГ) и карбоксиметилгидроксипропилгуаровую смолу (КМГПГ). Наиболее типично с катионной гуаровой смолой используются борные кросс-линкеры, поскольку они обеспечивают подходящую эффективность при низкой стоимости. Для образования стабильных гелей с катионномодифицированными карбоксиметилированными гуаровыми производными, такими как КМГ или КМГПГ, могут быть смешаны присадки на основе циркония. Другие подходящие катионные гуаровые производные включают катионномодифицированные алкилированные карбоксилированные полимеры, такие как метил- и этилкарбоксиметилгуаровая смола и катионная гидроксипропилгуаровая смола.
В сочетании с катионными гуаровыми смолами могут быть применены любые анионные противоионы при условии, что катионная гуаровая смола остается растворимой в рассоле, и при условии, что противоионы физически и химически совместимы с соединениями цинка и не ухудшают чрезмерно производительность и стабильность иным образом. Неисчерпывающие примеры таких противоионов включают: галогенид (например, хлорид, фторид, бромид, иодид), сульфат, метилсульфат и смесь таковых.
Согласно настоящему изобретению, любые подходящие способы и средства, как например перемешивание типичным нефтепромысловым оборудованием для перемешивания бурового раствора, могут быть применены для внесения катионного полисахарида с целью загущения рассола. Такое внесение катионного полисахарида может быть осуществлено в присутствии или в отсутствие ПАВ. Загущенные рассолы, теперь обладающие желаемой вязкостью, могут быть применены в качестве жидкостей для обслуживания скважины в нефтепромысловых работах специалистом в данной области техники. Вообще, жидкости для обслуживания скважины, содержащие загущенный рассол, могут быть применены в любой пробуренной скважине, имеющей температуру в диапазоне от примерно 80°F до примерно 300°F. Такие жидкости для обслуживания скважины имеют вязкости предпочтительно от примерно 200 сП до примерно 15000 сП, более предпочтительно от примерно 200 сП до примерно 5000 сП.
Пример, описанный здесь ниже, предназначен для дальнейшего иллюстрирования настоящего изобретения и не должен быть истолкован как ограничивающий более, чем приложенная формула изобретения.
Пример
Этот пример иллюстрирует, что катионный полисахарид, такой как катионная гуаровая смола, применяется для увеличения вязкости рассолов, содержащих соли кальция и цинка.
Катионные гуаровые смолы, приведенные в таблицах 1, 2 и 3, добавляют к 200 г рассола до достижения конечной концентрации полимера. Тестируемыми рассолами являются рассол бромида кальция с плотностью 14,2 ф/г, рассол бромида кальция/бромида цинка с плотностью 16,5 ф/г и рассол бромида кальция/бромида цинка с плотностью 19,2 ф/г. Тестируемыми катионными гуаровыми смолами являются Jaguar CP-14 и Jaguar C-17, обе доступны от Rhodia Inc., Cranbury, Нью-Джерси. Также в качестве сравнительного примера неионная гуаровая смола Jaguar HP-96, также доступная от Rhodia Inc., Cranbury, Нью-Джерси, испытана на способность увеличивать вязкость. Для получения жидкости для обслуживания скважины гуаровые смолы были полностью диспергированы в рассоле перемешиванием на Waring Blender в течение 2 минут при 2500 об/мин. Как показано в таблице 1, от 0,1 до 0,3 мл 25% уксусной кислоты добавляют в смесь рассола и полимера. Вязкость каждой смеси рассола и полимера измеряют на вискозиметре Брукфилда после выдерживания текучей смеси при 25°С от 1 ч до 96 ч; результаты приведены в таблицах 1, 2, 3.
Таблица 1Вязкости рассолов, содержащих бромид кальция (52%), с плотностью 14,2 ф/г
Время выдержи-вания, ч
Вязкости 0,5% (вес.) Jaguar HP-96 (cП)Содержит 0,1 мл уксусной кислоты в 200 г рассола
Вязкости 4% (вес.) Jaguar CP-14(низкий молекулярный вес) (сП)Содержит 0,3 мл уксусной кислоты в 200 г рассола
0,5% (вес.) Jaguar С-17Содержит 0,1 мл уксусной кислоты в 200 г рассола
1
25
450
990
18
85
4600
1850
26
100
50
180
Таблица 2Вязкости рассолов, содержащих бромид кальция (35%)/бромид цинка (21%), с плотностью 16,5 ф/г
Время выдержи-вания, ч
Вязкости 1% (вес.) Jaguar HP-96 (сП)
Вязкости 1% (вес.) Jaguar С-17 (сП)
2
35
20
20
730
24
35
28
1200
36
35
50
180
Таблица 3Вязкости рассолов, содержащих бромид кальция (22,8%)/бромид цинка (52,8%), с плотностью 19,2 ф/г
Время выдержи-вания, ч
4% (вес.) Jaguar CP-14 низкого молекулярного веса
1% Jaguar С-17
4% Jaguar С-17низкого молекулярного веса
2
45
40
65
8
60
70
175
24
90
280
1150
96
230
600
3800
Jaguar HP-96: неионная гуаровая смола, молекулярный вес около 2000000
Jaguar CP-14 низкого молекулярного веса: катионная гуаровая смола, молекулярный вес около 300000
Jaguar C-17: катионная гуаровая смола, молекулярный вес около 2000000
Jaguar C-17 низкого молекулярного веса: катионная гуаровая смола, молекулярный вес около 300000.