ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНОЕ ГЕЛИРУЮЩЕЕ СРЕДСТВО ДЛЯ МОДИФИКАЦИИ ВЯЗКОСТИ НИЗКО- И ВЫСОКОПЛОТНЫХ РАССОЛОВ
HIGH TEMPERATURE LUBRICATING AGENT FOR UPDATING VISCOSITY OF LOW- AND HIGH-DENSITY BRINES

Область изобретения
Настоящее изобретение относится к вязкоупругим составам и к способам и средствам для модификации реологического поведения водных флюидов, таких, как используются в бурении скважин, во флюидах для воздействия на пласт и подобных подземных операциях.
Уровень изобретения
Флюиды применяют в операциях бурения скважин, например, чтобы охлаждать и смазывать буровую коронку, отводить твердую выбуренную породу и другие обломки, суспендировать выбуренную породу и пустую породу, если столб флюида является статическим, регулировать подповерхностное давление, предотвращать сжатие или образование пустот, суспендировать расклинивающие средства и минимизировать повреждение до какой-либо потенциальной производственной зоны. В операциях воздействия (гидравлического) на пласт флюиды применяют для передачи давления от одного места к другому.
Буровые флюиды и флюиды для воздействия на пласт могут быть на водной или масляной основе. Как правило, буровые флюиды и флюиды для воздействия на пласт могут включать один или более загустителей, смазок и антикоррозийных добавок для водного флюида. Водный флюид может быть пресной водой или рассолом и может включать водные растворы кислот, щелочей, низших алканолов (метанола, этанола и пропанола), гликолей и тому подобное, при условии, что жидкость, смешивающаяся с водой, не воздействует неблагоприятно на вязкоупругие свойства водного флюида. Также включенными являются эмульсии несмешивающихся жидкостей в воде и водные суспензии твердых частиц, таких как глина.
Вязкоупругость является желательным реологическим признаком буровых флюидов, флюидов для ремонта скважин и для заканчивания скважин и флюидов для воздействия на пласт, которые могут быть обеспечены средствами модификации флюида, такими как полимерные средства и поверхностно-активные гелирующие средства.
Вязкоупругие флюиды представляют собой флюиды, которые показывают как упругое, так и вязкое поведение. Упругость определяют как мгновенный деформационный ответ материала на приложенное напряжение. Как только напряжение удаляют, материал возвращается к своему недеформированному равновесному состоянию. Этот тип поведения ассоциируется с твердыми телами. С другой стороны, вязкое поведение определяют как непрерывную деформацию, возникающую от приложенного напряжения. Через некоторое время скорость деформации (скорость сдвига или интенсивность деформации в целом) становится устойчивой. Как только напряжение удаляют, материал не возвращается в свое начальное недеформированное состояние. Этот тип поведения ассоциируется с жидкостями. Вязкоупругие флюиды могут вести себя как вязкая жидкость или упругое твердое тело, или их комбинация, в зависимости от примененного напряжения на систему и временных рамок наблюдения. Вязкоупругие флюиды показывают упругий ответ немедленно после того, как приложено напряжение. После начального упругого ответа ослабляется деформация, и флюид начинает течь в вязком режиме. Упругое поведение флюидов, как полагают, значительно помогает в транспорте твердых частиц. Вязкость вязкоупругого флюида может также меняться в зависимости от напряжения или интенсивности приложенной деформации. Однако в случае деформаций сдвига вязкость флюида падает с увеличивающейся скоростью сдвига или сдвигового напряжения. Это поведение обычно упоминается как "утончение сдвига". Вязкоупругость во флюидах, которая вызывается поверхностно-активными веществами, может проявлять поведение утончения сдвига. Например, когда такой флюид пропускают через насос или применяют вблизи вращающейся буровой коронки, флюид находится в условиях высокой скорости сдвига, и вязкость низка, что приводит к низким фрикционным давлениям и экономии энергии перекачки. Когда сдвиговое напряжение уменьшается, флюид возвращается к условию более высокой вязкости. Это происходит потому, что вязкоупругие свойства вызываются агрегациями поверхностно-активного вещества во флюиде. Эти агрегаты будут регулировать состояние флюида и будут образовывать различные агрегированные формы при различных сдвиговых напряжениях. Таким образом, можно иметь флюид, который ведет себя как высоковязкий флюид при низких скоростях сдвига и как низковязкий флюид при более высоких скоростях сдвига. Высоко-низкие сдвиго-скоростные вязкости хороши для транспорта твердых частиц.
Упругий компонент вязкоупругого флюида может также сказаться на значении предела текучести. Это позволяет вязкоупругому флюиду суспендировать нерастворимый материал, например песок или выбуренную породу, в течение большего интервала времени, чем вязкому флюиду той же самой кажущейся вязкости. Пределы текучести, которые слишком высоки, не являются хорошим качеством в бурении, поскольку могут сделать перезапуск буровой коронки очень трудным и вызвать состояние, называемое "прихваченной бурильной трубой".
Другой функцией модификаторов флюида в применении для бурения нефтяных скважин является модификация проницаемости. Вторичная регенерация нефти из резервуаров включает пополнение искусственными средствами естественной энергии, свойственной резервуару, чтобы извлечь нефть. Например, когда нефть находится в пористой породе, ее часто регенерируют, выталкивая флюидом, таким как рассол, подаваемым под давлением через одну или больше буровых скважин (скважину закачивания) в формации резервуара, чтобы заставить нефть идти в ствол скважины, из которой она может быть извлечена. Однако у породы часто есть области высокой и низкой проницаемости. Введенный рассол может найти свой путь через области высокой проницаемости, оставляя нерегенерированную нефть в областях низкой проницаемости.
Применялись разные способы, чтобы решить эту проблему. Например, патент США № 5101903 раскрывает способ для того, чтобы снизить проницаемость более проницаемой зоны подземной формации, имеющей неодинаковую проницаемость. Способ включает подачу в формацию смеси поверхностно-активного вещества и спирта, причем смесь подают в количестве, эффективном, чтобы снизить проницаемость более проницаемой зоны формации. Предпочтительное поверхностно-активное вещество представляет собой оксид амина, такой как оксид диметил(насыщенный алкил)амина, поставляемый в воде. Предложенный спирт представляет собой изопропиловый спирт (изопропанол). Способ может включать дальнейшую стадию подачи спиртовой порции, следующую за подачей смеси спирта и поверхностно-активного вещества.
Патент США № 4745976 раскрывает способ для частичного или полного блокирования областей высокой проницаемости резервуара. Способ основан на способности вызывать фазовые переходы в растворах поверхностно-активного вещества изменением противоионов или добавлением малых количеств различных поверхностно-активных веществ. Водный раствор ионного поверхностно-активного вещества может иметь вязкость, только немного отличающуюся от рассола, но увеличение концентрации соли или добавление многовалентного противоиона может заставить поверхностно-активное вещество образовать твердый осадок или образовать гелеподобную высоковязкую структуру. В способе по патенту США № 4745976 первый раствор поверхностно-активного вещества вводят в формацию вслед за водорастворимым вытеснительным флюидом, затем следует второй раствор поверхностно-активного вещества. На in situ смешивание двух растворов поверхностно-активного вещества влияет тенденция различных типов поверхностно-активного вещества двигаться с разными скоростями через резервуар. Составы первого и второго растворов поверхностно-активных веществ выбирают так, что после смешивания осажденная или гелеподобная структура будет формироваться, блокируя зону высокой проницаемости резервуара.
Сущность изобретения
8
24
В соответствии с настоящим изобретением реологию водного флюида изменяют способом, который включает добавление к указанному водному флюиду вязкоупругого состава в количестве, достаточном для формирования вязкоупругого флюида. Вязкоупругий состав по изобретению включает комбинацию i) по меньшей мере, одного четвертичного алкиламидоамина, и ii) по меньшей мере, одной совместно действующей добавки, включающей линейный С-С алкил- и (или) альфа-олефинсульфат и (или) -сульфонат.
Подробное описание изобретения
Настоящее изобретение, в целом, относится к вязкоупругому составу, который включает комбинацию i) по меньшей мере, одного четвертичного алкиламидоамина, и ii) по меньшей мере, одной совместно действующей добавки.
Четвертичный алкиламидоамин, применимый в вязкоупругом составе по изобретению, имеет общую формулу
1
2
3
4
5 -
1
6
3
4
5
в которой R - насыщенная или ненасыщенная, линейная или разветвленная углеводородная группа, содержащая от 16 до 22 атомов углерода, R - двухвалентная группа алкилена с 2-6 атомами углерода, которая может быть линейной или разветвленной, замещенной или незамещенной, R, R и R независимо выбранные из C-C замещенной или незамещенной, линейной или разветвленной цепи, насыщенной или ненасыщенной алкильной или гидроксиалкильной группы, которые могут быть необязательно алкоксилированными и X- представляет собой приемлемый противоион. Альтернативно, R, R и/или R вместе могут образовывать гетероциклическое ядро, содержащее до шести членов.
1
1
2
3
4
5
3
4
5
5
1
4
-
R предпочтительно получают из насыщенной алифатической цепи, полученной из естественных жиров или масел, имеющих йодное число от приблизительно 1 до приблизительно 140, предпочтительно от приблизительно 30 до приблизительно 90, и более предпочтительно от 40 до приблизительно 70. R может быть ограничен единственной длиной цепи или может быть смешанной длиной цепи, такой как цепи групп, полученные из естественных жиров и масел или нефтяного сырья. Предпочтительными являются алкил животного жира, отвержденный алкил животного жира, алкил рапсового масла, алкил отвержденного рапсового масла, эруковый алкил, алкил таллового масла, отвержденный алкил таллового масла, кокосовый алкил, олеил или соевый алкил; R представляет собой нормально-цепную или разветвленную, замещенную или незамещенную двухвалентную группу алкилена, содержащую от 2 до приблизительно 6 атомов углерода, предпочтительно 2-4 атома углерода и более предпочтительно 3 атома углерода. R, R и R, одинаковые или различные, выбирают из алкильной, арильной или гидроксиалкильной группы, содержащей от 1 до приблизительно 8 атомов углерода углеродистых атомов, и являются предпочтительно гидроксиэтилом или метилом. Альтернативно, R, R и R вместе с атомом азота, с которым эти группы связаны, образуют гетероциклическое ядро, содержащее до 6 атомов. R представляет собой водород или C-C алкильную или гидроксиалкильную группу, и X представляет собой приемлемый противоион, включая, но не ограничиваясь ими, галогениды, оксо-ионы фосфора, серы или хлорид, органические анионы, включая, но не ограничиваясь ими, хлориды, бромиды, йодиды, оксиды фосфора, гипохлориты, фосфаты, оксиды серы, сульфаты, сульфиты, сульфонаты, фосфаты, ацетаты, карбоксилаты, хлораты, перхлораты, салицилаты, фталаты, лактаты, малеаты, глицинаты, цитраты, лимонную кислоту, молочную кислоту, салициловую кислоту, фталевую кислоту, бензойную кислоту, нафтойную кислоту, аминокислоты и тому подобное.
Определенные примеры четвертичных алкиламидоаминов, применяемых в заявленном составе, включают, но не ограничиваются ими, эруциламидопропилтриметиламмонийхлорид, изостеариламидопропилморфолин, диметилалкилглицеринаммонийхлорид и тому подобное.
6
24
10
24
В качестве второго компонента вязкоупругий состав по изобретению использует, по меньшей мере, одну совместно действующую добавку (содобавку) и (или) одно совместно действующее поверхностно-активное вещество (со-ПАВ). Содобавка действует так, чтобы усилить вязкость вязкоупругого геля вышеупомянутого четвертичного алкиламидоамина, особенно при повышенных температурах. Она также снижает время созревания вязкоупругого геля, чтобы сократить стадию получения такого геля в этой области техники. Предпочтительные содобавки включают, но не ограничиваются ими, сульфонаты, сульфаты, минеральные и органические кислоты. Особенно эффективные содобавки представляют собой линейные алкилсульфаты/сульфонаты, линейные альфа-олефинсульфаты/сульфонаты, линейные сульфонаты жирной кислоты и (или) линейные сульфосукцинаты, необязательно включающие один или больше сложноэфирных фрагментов. Предпочтительно эти сульфаты и сульфонаты имеют одну или больше C-C групп, предпочтительно C-Cгрупп. Примерами являются продукты формулы, приведенной ниже
6
24
10
14
По различным причинам могут быть предпочтительными соли C-С, предпочтительно C-С альфа-олефинсульфоната натрия.
Вышеупомянутый вязкоупругий состав реологически устойчив при температурах до приблизительно 150°C (300°F) и преимущественно образует вязкоупругие гели в рассолах низкой или высокой плотности с сильной упругостью, которые являются подходящими для переноса твердых материалов в подземных операциях.
Настоящее изобретение также относится к способу воздействия на пласт и (или) модификации проницаемости подземной формации вязкоупругим составом по изобретению, и к буровым флюидам, флюидам заканчивания скважины, флюидам ремонтных работ, подкисляющим составам и тому подобное, включающим вязкоупругий состав по настоящему изобретению. Вязкоупругие составы по настоящему изобретению могут также применяться, чтобы гелировать большинство других водных систем, таких как системы, используемые в чистящих составах, покрытиях из водоразбавляемого лакокрасочного материала, моющих составах, составах личной гигиены, составах асфальта на водной основе и тому подобное. Отношение четвертичного алкиламидоамина к содобавке в вязкоупругом составе по изобретению, по весу, изменяется от приблизительно 1000 до 1; в другом варианте - от 100 до 2; и в еще другом варианте - от 20 до 5. Вообще, интервал составляет от приблизительно 10:1 до приблизительно 3:1, в другом варианте - от 6:1 до приблизительно 4:1.
12
Водный вязкоупругий состав, особенно применимый в подземных работах, может быть получен добавлением одного или больше катионных гелирующих средств, таких, как описано ниже. Концентрация гелирующего средства в водном вязкоупругом составе находится обычно в интервале от приблизительно 0,5% до приблизительно 10 вес.%, предпочтительно от приблизительно 2% до приблизительно 8 вес.%, и более предпочтительно приблизительно от 3% приблизительно до 5 вес.% в расчете на общий вес состава. Концентрация содобавки в водном вязкоупругом составе находится обычно в интервале от приблизительно 0,001% до приблизительно 10 вес.%, предпочтительно от приблизительно 0,01% до приблизительно 1 вес.% и более предпочтительно от приблизительно 0,1% до приблизительно 0,5 вес.% в расчете на общий вес состава. Водный состав по изобретению может включать неорганические соли и различные добавки, как описано здесь ниже. Такой состав преимущественно вводят, например, в подземную систему для применения в бурении, воздействии на пласт (таком как гидравлическое образование трещин), для модификации проницаемости подземных формаций и для такого применения, как заполнение скважинного фильтра гравием и цементирования. Предпочтительный вязкоупругий состав по изобретению включает эруциламидопропилтриметиламмонийхлорид, и Сальфа-олефинсульфонат, то есть, например, лаурилсульфат натрия.
В предпочтительном варианте способный литься концентрированный состав гелирующего средства по настоящему изобретению получают сначала синтезом компонента четвертичного алкиламидоамина реакцией соответствующей жирной кислоты с диметиламинопропиламином (ДМАПА) и затем кватернизацией хлористым метилом. Компонент четвертичного алкиламидоамина затем комбинируют с содобавкой при предпочтительном отношении 10:1.
Концентрация вязкоупругого состава предпочтительно изменяется от приблизительно 1% до приблизительно 10% в зависимости от желательной вязкости, более предпочтительно от приблизительно 2 до 8%, и наиболее предпочтительно от приблизительно 3% до приблизительно 5%.
Рассолы, гелированные такими средствами, преимущественно применяют в качестве водного средства закупорки, выталкивающего флюида, флюида для гидроразрыва, бурового раствора, флюида для заполнения скважинного фильтра гравием, флюида для ремонтных работ, флюида заканчивания скважины и тому подобное.
Вязкоупругие составы по настоящему изобретению могут также быть использованы, чтобы гелировать большинство других водных систем, включая, но не ограничиваясь ими, средства, используемые в чистящих и дезинфицирующих составах, покрытиях на водной основе (например, красках), моющих составах, составах личной гигиены, асфальтовые системы на водной основе, бетон, строительные изделия, (например, цементный раствор, штукатурка, герметик и тому подобное), сельскохозяйственные средства контроля за дрейфом и тому подобное.
Когда используется в приложениях воздействия на пласт, за исключением флюида для гидроразрыва и флюида для заполнения скважинного фильтра гравием, вязкоупругий флюид может необязательно включать смазки, ингибиторы коррозии и различные другие добавки.
Смазки могут включать металлические или аминные соли органических кислот серы, фосфора или бора или карбоновых кислот. Типичными такими солями являются карбоновые кислоты, содержащие 1-22 атомов углерода, включая как ароматические, так и алифатические кислоты; кислоты серы, такие как алкил- и арилсульфокислоты и тому подобное; кислоты фосфора, такие как фосфорная кислота, фосфористая кислота, фосфиновая кислота и фосфорнокислые сложные эфиры, и аналогичные серные гомологи серы, такие как тиофосфорная и дитиофосфорная кислоты и сложные эфиры таких кислот; меркаптобензотиазол; кислоты бора, включая борную кислоту, кислотные бораты и тому подобное; и аминные соли лауриновой кислоты.
Ингибиторы коррозии могут включать нитриты, нитраты, фосфаты, силикаты и бензоаты щелочного металла. Представители подходящих органических ингибиторов включают кислотные соединения, нейтрализованные гидрокарбиламином и гидрокси-замещенным гидрокарбиламином, такие как нейтрализованные фосфаты и гидрокарбилфосфатные эфиры, нейтрализованные жирные кислоты (например, кислоты, которые имеют от 8 до приблизительно 22 атомов углерода), нейтрализованные ароматические карбоновые кислоты (например, 4-(трет-бутил)бензойная кислота), нейтрализованные нафтеновые кислоты и нейтрализованные гидрокарбил-сульфонаты. Смешанные соли сложных эфиров алкилированных сукцинимидов также полезны. Антикоррозийные добавки могут также включать алканоламины, такие как этаноламин, диэтаноламин, триэтаноламин и соответствующие пропаноламины, так же, как морфолин, этилендиамин, N,N-диэтилэтаноламин, альфа- и гамма-пиколин, пиперазин и изопропиламиноэтанол.
Флюиды воздействия на пласт могут также включать добавки для специального применения, чтобы оптимизировать характеристики флюида. Примеры включают пигменты; краски; дезодоранты, такие как цитронелла; бактерициды и другие антибактериальные препараты; средства для образования хелатных соединений, такие как натриевая соль этилендиаминтетрауксусной кислоты или нитрилотриуксусной кислоты; противоморозные средства, такие как этиленгликоль и аналогичные полиоксиалкиленполиолы; противопенные средства, такие как кремнийсодержащие материалы, и стабилизаторы сдвига, такие как коммерчески доступные полиоксиалкиленполиолы. Противоизносные средства, модификаторы трения, средства против скольжения и смазочные средства также могут быть добавлены. Также включают противозадирные присадки, такие как сложные эфиры фосфорной кислоты и диалкилдитиофосфат цинка.
Поверхностно-активные вещества, раскрытые и описанные здесь, преимущественно применяют в качестве гелирующих средств во флюидах для гидроразрыва. Такие флюиды создают каналы или трещины в нефтепроизводящих зонах резервуара, чтобы улучшить добычу нефти, обеспечивая путь высокой проницаемости из пористой породы до ствола скважины. Как правило, в зоны низкой проницаемости флюиды для гидроразрыва закачивают при давлениях, превышающих давление покрывающих слоев породы формации, таким образом вызывая расколы и трещины в породе формации. Расклинивающие средства (например, измельченное вещество) добавляют к флюиду, чтобы предохранить вызванные трещины от закрывания после фазы закачки расклиниванием открытых вызванных щелей и трещин.
Гелирующие средства добавляют к флюиду, чтобы транспортировать такие расклинивающие средства и снизить утечку флюида. В зонах более высокой проницаемости могут использоваться различные способы, но часто применяют загустители флюида.
Вязкоупругие составы, раскрытые здесь, обеспечивают несколько преимуществ перед полимерами (например, полисахаридами), в настоящее время применяемыми как гелирующие средства для скважинных флюидов. Например, соединения, сформулированные здесь (особенно четвертичные алкиламидоамины и, более подробно, четвертичные алкиламидопропиламины), когда используются как гелирующие средства для скважинного флюида, производят меньше отходов на формацию, которые могли бы привести к повреждению формации в течение и после скважинного процесса. Кроме того, легче приготовить гелированный флюид по сравнению с полимерами, которые обычно должны быть гидратированы, и гелированный флюид может быть разработан так, чтобы "разрушаться" температурами формации или другими факторами, такими как окислители или кислоты. Можно также "разрушить" гелированный флюид при использовании растворителей, таких как углеводороды, спирты или даже нефть из формации. Гелирующие средства, описанные ниже, применимы в широком интервале температур в зависимости от длины цепи и могут помочь в удалении нефти из формации.
Подходящий скважинный флюид может включать пресную воду или морскую воду или рассол, содержащий хлорид натрия (обычно 1-5 вес.%) и (или) хлорид кальция (обычно 0,5-3 вес.%), к которому необязательно добавляют от приблизительно 3% до приблизительно 10%, и предпочтительно от приблизительно 4% до приблизительно 6% вязкоупругого состава по настоящему изобретению.
В целях селективной модификации проницаемости подземных формаций породы вязкоупругий состав по изобретению может сначала быть смешан с водой, чтобы образовать вязкоупругий флюид, который затем вводят в породную формацию в количестве, эффективном, чтобы снизить проницаемость более проницаемых зон формации. Концентрация вязкоупругого состава во флюиде может быть от приблизительно 0,5% до приблизительно 10%, предпочтительно от приблизительно 2% до приблизительно 8%, и более предпочтительно от приблизительно 3% до приблизительно 5 вес.%.
Следующие не ограничивающие примеры иллюстрируют способ изменения реологических свойств водных флюидов по настоящему изобретению.
Получение вязкоупругого состава по настоящему изобретению
Arquad APA-E (показан ниже) получают реакцией эруковой кислоты с ДМАПА и последующей кватернизацией хлористым метилом в подходящем растворителе. Конечный продукт содержит 80% активного компонента и 20% растворителя. Структура активного компонента показана ниже.
12
Witconate AOS-12 является коммерческим поверхностно-активным веществом, просто приобретаемым из Akzo Nobel Surface Chemistry LLC, Chicago, Illinois, который является 40% натриевой солью С альфа-олефинсульфоната.
При получении вязкоупругого состава Arquad APA-E и Witconate AOS-12 смешивали в отношении от 6 до 1, с добавлением стабилизаторов, чтобы получать устойчивый прозрачный жидкий продукт.
Методика сравнительного тестирования вязкости
Все образцы вязкости испытывали на ротационном чашечном вискозиметре Brookfield PVS. Все измерения вязкости были проведены при давлении азота 20,7 бар (300 фунтов на квадратный дюйм). Прибор калибровали при различном числе оборотов в минуту, применяя стандарт вязкости 100 cП. Образец был подготовлен согласно следующей процедуре: желательное количество материала добавляли в waring мешалке с водным KCI при медленной скорости, затем смешивали с высоким сдвигом в течение 3 минут. Затем образец выдерживали в течение ночи при комнатной температуре, чтобы удалить лишнюю пену. Был получен прозрачный гель. Этот гель использовали, чтобы выполнить тесты определения вязкости, используя вискозиметр Brookfield PVS с геометрией Fann 50 и отвесом B5. Обычно образец объемом 40 мл использовался для измерений. Все значения вязкости приведены в сантипуазах (сП).
-1
Пример 1 - кривые нагрева 3,4% Arquad APA-E + 0,6% Witcolate LCP (Гель 1) и 3,0% Arquad APA-E + 2% Witconate SXS (Гель 2) в 4% KCI при 100 с
Пример 2 - кривая сдвига геля 3,4% Arquad APA-E + 0,6% Witconate AOS-12 в 4% KCI при комнатной температуре
2
-1
Пример 3 - кривая нагрева геля 2,6% Arquad APA-E + 0,4% Witconate AOS-12 в 14,2 ppg* CaBr в 100 с
2
Пример 4 - кривая сдвига геля 2,6% Arquad APA-E + 0,4% Witconate AOS-12 в 14,2 ppg* CaBr при комнатной температуре.
2
* ppg означает плотность в фунтах (0,453 г) на галлон (3,785 л) при 20°C, означая, что CaBr добавляют к водной фазе в таком количестве, что эта плотность достигается.