ЖИДКОСТИ ДЛЯ СНИЖЕНИЯ ГИДРОДИНАМИЧЕСКОГО ТРЕНИЯ
FLUIDS FOR REDUCTION OF HYDRODYNAMIC FRICTION

Область техники, к которой относится изобретение
В настоящем изобретении предлагаются жидкости, имеющие низкие гидравлические потери, для использования в процессах эксплуатации скважины, таких как разрыв пласта, размещение гравийного фильтра, очистка скважины, кислотная обработка маточной породы и кислотный разрыв и т.п., а также способы их применения. В частности, настоящее изобретение относится к содержащим поверхностно-активные вещества жидкостям, которые обладают великолепными способностями снижать гидродинамическое трение, и к способам их использования для различных применений на месторождениях нефти.
Уровень техники
Снижение гидродинамического трения в процессе проведения обработок на месторождениях нефти является актуальной проблемой. С целью снижения гидродинамического трения в составах для обработки приствольной зоны при проведении нагнетания с помощью насосов в течение многих лет использовались различные полимерные композиции. В прошлом на месторождениях нефти в качестве обычных понизителей гидродинамического трения с целью снижения гидравлических потерь в режимах турбулентного потока использовали гуар, полиметилметакрилат, полиэтиленоксид, полиакриламид, полиAMPS (поли 2-акриламидо-2-метилпропансульфоновую кислоту), полученные из них полимеры и другие высокомолекулярные синтетические полимеры. В настоящее время промышленным стандартом для снижения гидродинамического трения на месторождениях нефти является использование полиакриламида и полимеров и сополимеров на основе полиакриламида или их смесей в виде растворов или эмульсий.
В патенте США № 3442803, выданном на имя Hoover et al., раскрывается снижение гидродинамического трения в водных системах для разрыва пласта нефтяной скважины за счет растворения в водной системе небольшого количества сополимера акриламида и метилен-бисакриламида. В зависимости от конкретного предполагаемого применения подобные полиакриламиды могут быть приготовлены с катионными, анионными или неионогенными концевыми группами. Понизители гидродинамического трения на основе полиамида и производных полиамида использовали в качестве понизителей гидродинамического трения для стандартизации композиций суспендирующих понизителей гидродинамического трения и способов их применения.
В способах интенсификации добычи из продуктивного пласта в непроницаемых газоносных пластах часто в качестве основной жидкости для поведения обработки приствольной зоны используют воду. Поскольку вода относится к жидкостям ньютонового типа, то она требует больших давлений в процессе проведения обработки вследствие гидравлических потерь при больших скоростях закачки. Для снижения указанных гидравлических потерь в жидкость, содержащую необходимые для стабилизации глины неорганические соли или органические компоненты, добавляют в очень небольших концентрациях, как правило, высокомолекулярные (с массой в несколько миллионов дальтон) стандартные понизители гидродинамического трения (CFRs). Указанные дешевые жидкостные системы в данной отрасли обычно называют жидкими системами на водной основе для снижения поверхностного натяжения.
Жидкие системы на водной основе для снижения поверхностного натяжения не обладают достаточной вязкостью или эластичностью, необходимыми для того, чтобы обеспечить им хорошую способность транспортировать проппант. Таким образом, действие реагентов на водной основе для снижения поверхностного натяжения при транспортировании низких концентраций проппантов в пласте вдоль гидравлического разрыва при разрыве пласта основывается на использовании высоких скоростей нагнетания и турбулентности. Интенсивные обработки с целью гидроизоляции основываются на высоких скоростях нагнетания и турбулентности для переноса низких концентраций гравия в кольцевой канал, образованный скважиной и экранирующим пластом, в процессе заполнения скважинного фильтра гравием. Одной из целей рассматриваемого в данном описании изобретения является обеспечение эффективного транспорта проппанта с более высокими концентрациями проппанта при осуществлении разрыва, что приводит к лучшей работе скважины, или транспорта проппанта с более высокими концентрациями проппанта в кольцевом канале, что означает более эффективное размещение гравийного фильтра. Основное преимущество жидкости и способа по настоящему изобретению заключается в том, что может быть снижена скорость закачки при проведении обработки и, таким образом, также может быть снижена мощность, которая потребуется на месторождении. Таким образом, в настоящем изобретении, в общем и целом, предлагается как более эффективный, так и более экономичный способ проведения обработки.
Авторами настоящего изобретения было показано, что жидкости, содержащие, по крайней мере, одно полимерное и/или мономерное поверхностно-активное вещество, снижающее гидравлическое сопротивление, обеспечивают улучшение по сравнению с подобными соединениями для снижения гидродинамического трения. Указанные жидкости при низких концентрациях поверхностно-активного вещества демонстрируют улучшенную вязкость и способность суспендировать твердые вещества по сравнению с аналогичными жидкостями, известными из области техники.
Сущность изобретения
В настоящем изобретении предлагаются улучшенные жидкости для использования на нефтяном месторождении, известные как суспендирующие понизители гидродинамического трения (SFR). В частности, SFR жидкости по настоящему изобретению содержат, по крайней мере, одно поверхностно-активное вещество, снижающее гидравлическое сопротивление, или смесь поверхностно-активных веществ, снижающих гидравлическое сопротивление, и, по крайней мере, один активатор снижения гидравлического сопротивления, выбранный из полимерных активаторов снижения гидравлического сопротивления, мономерных активаторов снижения гидравлического сопротивления (или противоинов-активаторов снижения гидравлического сопротивления) или смеси полимерных и мономерных активаторов снижения гидравлического сопротивления. SFR жидкости по настоящему изобретению, если необходимо, могут также включать одно или несколько вспомогательных соединений, таких как вспомогательные растворители, вспомогательные поверхностно-активные соединения или рассолы.
Жидкие суспендирующие понизители гидродинамического трения (SFR жидкости) по настоящему изобретению демонстрируют великолепную способность снижать гидравлическое сопротивление и обладают улучшенной вязкостью и способностью образовывать суспензии при низких концентрациях поверхностно-активного вещества (меньше или равно приблизительно 0,5 мас.%) по сравнению с жидкостями, содержащими высокомолекулярные полимеры, об использовании которых с той же целью в данной области техники сообщалось ранее и которые будут в настоящем описании называться стандартными понизителями гидродинамического трения (CFR). Кроме того, SFR жидкости по настоящему изобретению могут показывать пониженную вязкость при контактировании с жидкостями в продуктивном пласте, такими как вода, рассол или нефть, или при нагревании. SFR жидкости по настоящему изобретению способны также изменять смачиваемость горной породы. Термин “активный” процент означает массу чистого поверхностно-активного соединения по отношению к массе поставляемого поверхностно-активного вещества, которое представляет собой смесь поверхностно-активного соединения и других ингредиентов, таких как спирты. Конечная коммерчески доступная смесь, как правило, содержит приблизительно 30-50% поверхностно-активного соединения.
f
w
Существует много способов, признанных в литературе, которые могут использоваться для демонстрации действия понизителей гидродинамического трения в неньютоновых жидкостях. Один из общепринятых методов включает нанесение на график процента снижения гидравлического сопротивления (%DR) в зависимости от удельного массового потока или скорости. Уменьшение гидродинамического трения можно оценить из результатов измерений перепада давления в прямой трубе. В настоящей заявке на изобретение авторы в общем случае используют перепад давления для жидкости по настоящему изобретению ΔP в сравнении с перепадом давления для рассола или воды ΔP и выражают его следующей формулой:
(Уравнение 1)
Жидкие суспендирующие понизители гидродинамического трения (SFR жидкости) по настоящему изобретению демонстрируют пригодность для широкого круга применений в стволе скважины.
В одном из вариантов осуществления настоящего изобретения SFR жидкость применяют в качестве понизителя гидродинамического трения при проведении интенсифицирующих обработок с использованием воды, который придает жидкостям лучшую способность транспортировать проппант. В одном из вариантов осуществления настоящего изобретения SFR поверхностно-активный компонент добавляют в воду или в жидкость на водной основе с концентрацией приблизительно 1 мас.% или меньше, предпочтительно, 0,5 мас.% или меньше, более предпочтительно, 0,4 мас.%, более предпочтительно, 0,3 мас.%, более предпочтительно, 0,25 мас.% и, наиболее предпочтительно, 0,2 мас.% от общего количества жидкой фазы. SFR жидкости по настоящему изобретению позволяют добиться процента снижения гидравлического сопротивления (%DR), равного, по крайней мере, 20%, предпочтительно, по крайней мере, приблизительно 40%, более предпочтительно, по крайней мере, приблизительно 60% и, наиболее предпочтительно, по крайней мере, приблизительно 65% при типичных используемых при обработке скоростях потока.
SFR жидкости по настоящему изобретению сохраняют свою эффективность в качестве агента для снижения гидравлического сопротивления в течение продолжительного периода времени, поскольку большие сдвиговые усилия, которым они подвергаются во время нагнетания или при проведении обработки приствольной зоны, не приводят к необратимой деградации структур, которые обусловливают их способность снижать гидродинамическое трение.
В одном из вариантов осуществления настоящего изобретения SFR жидкость применяют в качестве агента для снижения гидравлического сопротивления в водных растворах, содержащих двухвалентные катионы (в частности, кальций, магний), таких как жесткая вода, добываемая вода, пластовая вода и т.п.
В одном из вариантов осуществления настоящего изобретения SFR жидкость может также содержать CFR полимерный агент для снижения гидравлического сопротивления, такой как гуар, производное гуара, полиэтиленоксид, полиакриламид или полиAMPS или их производные.
В другом варианте осуществления настоящего изобретения SFR жидкость содержит смесь понижающих гидродинамическое трение поверхностно-активных веществ и один или несколько активаторов снижения гидравлического сопротивления, выбранных из полимерных или мономерных активаторов снижения гидравлического сопротивления и обычных понизителей гидродинамического трения, которые выбраны таким образом, чтобы обеспечить заметное снижение гидродинамического трения, хорошую способность суспендировать песок и великолепную совместимость со всеми жидкими компонентами.
В одном из вариантов осуществления настоящего изобретения SFR жидкость используют на этапе нагнетания жидкости гидроразрыва в пласт без проппанта при проведении гидравлического разрыва пласта с целью инициирования и распространения трещины в пласте. За указанным этапом нагнетания жидкости гидроразрыва в пласт без проппанта следует серия стадий с использованием большого количества проппанта, при которых основная жидкость содержит CFR полимерный агент для снижения гидравлического сопротивления (такой, как полиамид) и загуститель, такой как гель линейного полимера (такой, как жидкость, содержащая гуар), гель сшитого полимера (такой, как гуар или замещенный гуар, сшитый бором, или металлоорганическим сшивающим агентом, подобным, например, титану или цирконию), гелевая система на основе вязкоупругого поверхностно-активного вещества, в частности бетаины, амфотерные, катионные или анионные поверхностно-активные вещества, или же указанные стадии могут включать применение той же самой SFR жидкости или различных SFR жидкостей.
В другом варианте осуществления настоящего изобретения SFR жидкость используют на этапах проведения гидравлического разрыва пласта с использованием проппанта, которые следуют за этапом нагнетания жидкости гидроразрыва в пласт без проппанта. При нагнетании жидкости гидроразрыва в пласт без проппанта может использоваться CFR полимерный агент для снижения гидравлического сопротивления (такой, как полиакриламид), гель линейного полимера (такой, как жидкость, содержащая гуар), гель сшитого полимера (такой, как гуар или замещенный гуар, сшитый, например, бором, титаном или цирконием), гелевая система на основе вязкоупругого поверхностно-активного вещества, такая как гелевая система, образованная бетаинами, амфотерными, катионными или анионными поверхностно-активными веществами, или те же самые или различные SFR.
В другом варианте осуществления настоящего изобретения SFR жидкость используют с целью минимизации времени закачки, минимизации количества нагнетаемой воды, максимального увеличения размещения и концентрации проппанта или снижения скорости нагнетания.
В другом варианте осуществления настоящего изобретения SFR жидкость используют в сочетании с волокнами и проппантами с целью дальнейшего физического усиления проппанта.
В другом варианте осуществления настоящего изобретения SFR жидкость используют с различными расклинивающими наполнителями (проппантами), обладающими различными плотностями, в частности от приблизительно 0,5 до приблизительно 4,0 кг/л, и/или покрытиями, с целью размещения проводящего канала в разрываемую породу.
В другом варианте осуществления настоящего изобретения SFR жидкость используют в сочетании с частицами или волокнами, которые выполняют функцию отводящего средства, с целью отвести составы для обработки приствольной зоны из зон пласта с высокой проницаемостью в зоны с меньшей проницаемостью.
В другом варианте осуществления настоящего изобретения SFR жидкость превращают в наполненную энергией или вспененную жидкость за счет введения в жидкость газовой фазы и создания пены или эмульсии с азотом, метаном или диоксидом углерода. В таком варианте использования поверхностно-активное вещество в SFR жидкости также играет роль эффективного вспенивателя.
В другом варианте осуществления настоящего изобретения SFR жидкость используют в сочетании с реагентами, снижающими потерю воды.
В другом варианте осуществления настоящего изобретения несущие заряд поверхностно-активные вещества, снижающие гидравлическое сопротивление, и полимерные стимуляторы снижения гидравлического сопротивления и их противоионы и/или мономерные стимуляторы снижения гидравлического сопротивления и их противоионы, которые представляют собой состав SFR жидкости, обеспечивают регулирование набухания глины в отсутствие рассола или обычных средств воздействия на глину.
В некоторых вариантах осуществления настоящего изобретения один или несколько ингредиентов в составе SFR жидкости могут придавать ей умеренные биоцидные свойства.
В другом варианте осуществления настоящего изобретения SFR жидкость используют при интенсивном размещении гравийного фильтра или гидроизоляции.
В других вариантах осуществления настоящего изобретения SFR жидкость используют в качестве жидкости для регулирования напластования, в качестве жидкости для интенсификации извлечения нефти, в качестве агента для снижения гидравлического сопротивления в маслопроводах и в тех случаях, когда при проведении обработки пласта на нефтяном месторождении необходимо снижение гидравлического сопротивления.
В другом варианте осуществления настоящего изобретения состав SFR жидкости дополнительно включает один или несколько ингибиторов образования отложений. Пригодные ингибиторы образования отложений могут быть выбраны из твердого или жидкого вещества и могут быть неорганическими или органическими ингибиторами образования отложений (в частности, представлять собой асфальтен или парафин).
В другом варианте осуществления настоящего изобретения состав SFR жидкости может включать производное амина (первичного, вторичного или, преимущественно, третичного амина) и кислоту (как органическую, так и неорганическую), достаточно сильную для полного или частичного протонирования свободной пары электронов атома азота. Жидкость составляют таким образом, чтобы она обеспечивала снижение гидродинамического трения при течении по системе труб скважины и в распространяющемся разрыве, но ослабляла способность снижать гидравлическое сопротивление, когда кислотный компонент взаимодействует с горной породой или пластовыми флюидами. Жидкость обеспечивает отведение воды, когда кислота частично или полностью расходуется при контактировании с пластами, содержащими природные трещины, такими как углеродистые пласты, пласты глинистого сланца или угольные пласты.
Краткое описание чертежей
На фигуре 1 приведен график зависимости процента снижения гидравлического сопротивления от удельного массового расхода для различных концентраций стандартных понизителей гидродинамического трения.
На фигуре 2 приведен график зависимости процента снижения гидравлического сопротивления от удельного массового расхода для жидкости с низкой концентрацией, содержащей обычное жидкое вязкоупругое поверхностно-активное вещество.
На фигуре 3 приведен график зависимости процента снижения гидравлического сопротивления от удельного массового расхода для жидкости, содержащей обычное жидкое вязкоупругое поверхностно-активное вещество с типичными концентрациями, которые применяют при гидроразрыве.
На фигуре 4 приведен график зависимости процента снижения гидравлического сопротивления от удельного массового расхода для различных концентраций обычного жидкого вязкоупругого поверхностно-активного вещества.
На фигуре 5 приведен график зависимости процента снижения гидравлического сопротивления от удельного массового расхода для суспендирующего понизителя гидродинамического трения по настоящему изобретению.
На фигуре 6 приведен график зависимости процента снижения гидравлического сопротивления от удельного массового расхода для суспендирующего понизителя гидродинамического трения по настоящему изобретению.
На фигуре 7 приведен график зависимости процента снижения гидравлического сопротивления от удельного массового расхода для различных концентраций суспендирующих понизителей гидродинамического трения.
На фигуре 8 приведен график зависимости процента снижения гидравлического сопротивления от удельного массового расхода для различных концентраций суспендирующих понизителей гидродинамического трения.
На фигуре 9 приведен график зависимости процента снижения гидравлического сопротивления от удельного массового расхода для различных концентраций суспендирующих понизителей гидродинамического трения.
На фигуре 10 приведен график зависимости процента снижения гидравлического сопротивления от удельного массового расхода для различных концентраций суспендирующих понизителей гидродинамического трения.
На фигуре 11 приведен график зависимости процента снижения гидравлического сопротивления от удельного массового расхода для суспендирующего понизителя гидродинамического трения, содержащего вспомогательный растворитель.
На фигуре 12 приведен график зависимости процента снижения гидравлического сопротивления от удельного массового расхода с учетом вспомогательного растворителя.
На фигуре 13 приведен график зависимости процента снижения гидравлического сопротивления от удельного массового расхода, где показано влияние содержания кальция в воде на снижение гидродинамического трения суспендирующим понизителем гидродинамического трения.
На фигуре 14 приведен график зависимости процента снижения гидравлического сопротивления от удельного массового расхода для различных поверхностно-активных понизителей гидродинамического трения.
На фигуре 15 приведен график зависимости процента снижения гидравлического сопротивления от удельного массового расхода для различных концентраций понизителей гидродинамического трения.
На фигуре 16 приведен график зависимости процента снижения гидравлического сопротивления от удельного массового расхода для различных концентраций понизителей гидродинамического трения.
На фигуре 17 приведен график зависимости процента снижения гидравлического сопротивления от удельного массового расхода для различных концентраций понизителей гидродинамического трения.
На фигуре 18 приведен график зависимости процента снижения гидравлического сопротивления от удельного массового расхода для различных концентраций понизителей гидродинамического трения.
На фигуре 19 приведен график зависимости процента снижения гидравлического сопротивления от удельного массового расхода для различных концентраций понизителей гидродинамического трения.
На фигуре 20 приведен график зависимости процента снижения гидравлического сопротивления от удельного массового расхода для различных концентраций понизителей гидродинамического трения.
На фигуре 21 приведен график зависимости процента снижения гидравлического сопротивления от удельного массового расхода, где показано влияние температуры на снижение гидродинамического трения суспендирующим понизителем гидродинамического трения.
На фигуре 22 приведен график зависимости процента снижения гидравлического сопротивления от удельного массового расхода, где показано влияние температуры на снижение гидродинамического трения суспендирующим понизителем гидродинамического трения.
На фигуре 23 приведен график зависимости процента снижения гидравлического сопротивления от удельного массового расхода, где показано влияние температуры на снижение гидродинамического трения суспендирующим понизителем гидродинамического трения.
На фигуре 24 приведен график зависимости процента снижения гидравлического сопротивления от удельного массового расхода, где показано влияние температуры на снижение гидродинамического трения суспендирующим понизителем гидродинамического трения.
На фигуре 25 приведен график зависимости процента снижения гидравлического сопротивления от удельного массового расхода для различных концентраций суспендирующих понизителей гидродинамического трения.
На фигуре 26 приведен график зависимости процента снижения гидравлического сопротивления от удельного массового расхода для суспендирующего понизителя гидродинамического трения.
На фигуре 27 приведен график зависимости процента снижения гидравлического сопротивления от удельного массового расхода, где показана чувствительность к сдвиговому усилию стандартного понизителя гидродинамического трения и суспендирующего понизителя гидродинамического трения.
На фигуре 28 приведен график зависимости процента снижения гидравлического сопротивления от удельного массового расхода для суспендирующего понизителя гидродинамического трения в гибкой насосно-компрессорной трубке.
На фигуре 29 приведен график зависимости скорости сдвига от вязкости, где показана вязкость при комнатной температуре стандартных понизителей гидродинамического трения и суспендирующих понизителей гидродинамического трения.
На фигуре 30 приведен график зависимости концентрации поверхностно-активного вещества от времени осаждения, где сравнивается способность суспендировать проппант для различных концентраций суспендирующих понизителей гидродинамического трения.
На фигуре 31 приведен график зависимости концентрации проппанта от времени обработки для стандартного понизителя гидродинамического трения и суспендирующего понизителя гидродинамического трения.
На фигуре 32 приведен график зависимости концентрации проппанта от времени интенсивной обработки при гидроразрыве с использованием стандартного понизителя гидродинамического трения.
На фигуре 33 приведен график зависимости концентрации проппанта от времени интенсивной обработки при гидроразрыве с использованием суспендирующего понизителя гидродинамического трения.
На фигуре 34 приведен график зависимости концентрации проппанта от времени интенсивной обработки при гидроразрыве с использованием суспендирующего понизителя гидродинамического трения.
На фигуре 35 приведен график зависимости концентрации проппанта от времени интенсивной обработки при гидроразрыве с использованием суспендирующего понизителя гидродинамического трения.
На фигуре 36 приведен график зависимости вязкости от скорости сдвига при 55°С для стандартных понизителей гидродинамического трения и суспендирующих понизителей гидродинамического трения.
Подробное описание изобретения
Общее количество активного поверхностно-активного вещества, снижающего гидравлическое сопротивление в жидкостях по настоящему изобретению, как правило, составляет не больше чем 0,5 мас.%, предпочтительно, не больше чем 0,3 мас.% и, более предпочтительно, не больше чем 0,2 мас.%. Общее количество активного полимерного активатора снижения гидравлического сопротивления в жидкостях по настоящему изобретению, предпочтительно, составляет не больше чем приблизительно 0,2 мас.%, более предпочтительно, составляет не больше чем приблизительно 0,05 мас.% и, наиболее предпочтительно, составляет не больше чем приблизительно 0,03 мас.%. Общее количество активного мономерного активатора снижения гидравлического сопротивления в жидкостях по настоящему изобретению, предпочтительно, составляет не больше чем приблизительно 0,2 мас.%, более предпочтительно, составляет 0,10 мас.% или меньше и, наиболее предпочтительно, составляет 0,05 мас.% или меньше. SFR жидкость способна транспортировать проппант в скважинной трубе, когда ее нагнетают со средними или большими скоростями, и общий перепад давления в скважинной трубе в присутствии жидкости является меньшим, чем в присутствии воды или рассола в отсутствие комбинированного поверхностно-активного вещества, снижающего гидравлическое сопротивление, и полимерного или мономерного активатора снижения гидравлического сопротивления, даже несмотря на то, что вязкость SFR жидкости превышает вязкость воды.
Несмотря на то что значительная часть обсуждения в настоящем описании посвящена улучшенному транспортированию частиц как важному свойству композиций и жидкостей по настоящему изобретению, композиции и жидкости по настоящему изобретению самостоятельно могут использоваться для снижения гидравлического сопротивления. Таким образом, они могут применяться вместе с жидкостями или добавляться к жидкостям, которые используют для кислотной обработки, кислотного гидроразрыва, водоотведения, регулирования образования крошки и т.п., и для жидкостей, которые используют в качестве материала для заполнения пустот, затопления и т.п. При проведении обработок, в которых проводится нагнетание жидкости в пласт, SFR жидкости по настоящему изобретению обеспечивают снижение гидравлического сопротивления без использования полимеров и, таким образом, вызывают меньшее повреждение пласта.
Жидкости, используемые в методах по настоящему изобретению, могут дополнительно содержать любую из добавок, которые обычно включают в состав указанных жидкостей, применяемых для обработки приствольной зоны, при условии, что проведены испытания, подтверждающие, что добавки совместимы с выполняемыми функциями, растворимостью и стабильностью и т.д. поверхностно-активных веществ, снижающих гидравлическое сопротивление, полимерных и мономерных активаторов снижения гидравлического сопротивления по настоящему изобретению. Подобные добавки включают в качестве не ограничивающего настоящее изобретения примера ингибиторы образования отложений, буферы, добавки для стабилизации глин, добавки для снижения потерь жидкости, биоциды, индикаторы и другие. Подобные добавки можно закачивать в процессе интенсифицирующей обработки в виде отдельных потоков непосредственно в том виде, в каком они получены от коммерческих поставщиков, или же, что более предпочтительно, их можно смешивать либо заблаговременно, либо непосредственно перед проведением обработки с компонентами SFR жидкости и закачивать в виде единого потока.
Ниже описываются подходящие компоненты SFR жидкостей по настоящему изобретению. Перечисленные вещества, которые пригодны для использования по настоящему изобретению, такие как поверхностно-активное вещество, снижающее гидравлическое сопротивление, полимерные и мономерные активаторы снижения гидравлического сопротивления, могут использоваться в виде индивидуальных соединений. Однако в том случае, когда их получают в виде коммерческих продуктов, перечисленные вещества почти всегда получают в виде концентратов, которые включают добавки, такие как растворители, вода, вспомогательные растворители, такие как изопропанол, глицерин, пропиленгликоль и другие. Количество веществ, пригодных для использования по настоящему изобретению, таких как поверхностно-активные вещества, снижающие гидравлическое сопротивление, полимерные и мономерные активаторы снижения гидравлического сопротивления, указано для "чистых" соединений (активных компонентов концентратов), однако следует понимать, что в большинстве случаев их получают в виде концентратов в сочетании с другими компонентами, такими как вспомогательные растворители, например изопропанол, глицерин, пропиленгликоль и т.п.
Несмотря на то что настоящее изобретение в основном описывается в терминах %DR, другим важным преимуществом от использования композиций и способов по настоящему изобретению является то, что при всех скоростях сдвига в процессе гидроразрыва и размещения гравийного фильтра и в особенности при низких скоростях сдвига в жидкостях используют очень низкие концентрации поверхностно-активных веществ, снижающих гидравлическое сопротивление, полимерных и мономерных активаторов снижения гидравлического сопротивления, по сравнению с другими интенсифицирующими обработками с применением поверхностно-активных веществ, при этом SFR жидкости по настоящему изобретению имеют бóльшую вязкость и обладают лучшей способностью транспортировать частицы, чем вода, рассол или вода или рассол, которые содержат стандартные понизители гидродинамического трения CFRs с теми концентрациями, которые обычно используют для указанных стандартных понизителей гидродинамического трения.
Более того, жидкости по настоящему изобретению не образуют фильтрационную корку, меньше повреждают пласт, чем типичные полиакриламидные реагенты на водной основе для снижения поверхностного натяжения. Кроме того, жидкости по настоящему изобретению не требуют использования окислительных разжижителей геля для гидроразрыва, поскольку для того, чтобы SFR жидкости снизили свою вязкость, необходимы лишь разбавление, контакт с нефтью или температура.
a
ν
l
Не желая связывать себя какой-либо теорией, авторы настоящего изобретения полагают, что мицеллы определенного размера и формы обеспечивают предпочтительную способность снижать гидравлическое сопротивление. Подходящими мицеллами являются цилиндрические мицеллы. C.Tanford указывает в "Micelle Shape and Size", J. Phys. Chem., 76, 3020 (1972), что цилиндрические мицеллы образуются поверхностно-активным веществом, у которого отношение ν/(la) составляет 1:3 или больше, предпочтительно указанное отношение близко приблизительно к 1:2, где  обозначает площадь сечения гидрофильной группы,  обозначает объем гидрофобной группы, а обозначает длину гидрофобной группы. В жидкостях и способах по настоящему изобретению применяются комбинации подобного поверхностно-активного вещества и полимерного активатора снижения гидравлического сопротивления.
1
2
3
4
1
2
3
4
1
(+)
(-)
Подходящие поверхностно-активные вещества для использования в качестве поверхностно-активных веществ, снижающих гидравлическое сопротивление, включают молекулы катионных поверхностно-активных веществ, в частности молекул формулы RRRRN X, и молекулы амфотерных поверхностно-активных веществ формулы RRRRN, где R выбран из:
8
24
14
18
2
15
3
i) насыщенной алифатической, мононенасыщенной, дважды ненасыщенной или полиненасыщенной углеводородной цепи, содержащей от 8 до 24 атомов углерода (от С до С) и, наиболее предпочтительно, содержащей от С до С; такой как, например, гексадецильная группа -(СН)-СН, и
1
5
6
2
2
x
2
3
x
5
8
24
14
22
6
1
6
2
2
2
2
2
ii) функционализованной углеводородной цепочечной структуры R = R-Y-R, где Y обозначает функциональную группу, такую как -О- (простой эфир), -NH- (амин), -СОО- (сложный эфир), -CNH- (амид), -[O-(CH)]O- (полиэтиленоксид), -[O-CHCH(CH)]O- (полипропиленоксид), R обозначает насыщенную алифатическую, мононенасыщенную, дважды ненасыщенную или полиненасыщенную углеводородную цепь, содержащую от 8 до 24 атомов углерода (от С до С) и, наиболее предпочтительно, содержащую от С до С, а R обозначает углеводородную цепь, С до С, более предпочтительно, группу -СНСН- или -СНСНСН-,
2
3
R и R выбраны из:
3
i) углеводородной цепи, содержащей от 1 до 24 атома углерода, предпочтительно, метила, -СН,
2
2
ii) 2-гидроксиэтильной цепи (-СН-СН-ОН),
2
3
2
2
n
iii) содержащей концевую гидроксильную группу полиэтиленоксидной цепи соответствующей длины x и y для R и R соответственно, выбранных таким образом, чтобы x + y < 20, 1 < x < 19 и 1 < y < 19, (-[CH-CH-O]-H),
4
R выбран из:
3
i) насыщенной углеводородной цепи, содержащей от 1 до 22 атома углерода, предпочтительно, метила, -СН,
2
2
ii) 2-гидроксиэтильной цепи (-СН-СН-ОН),
iii) атома водорода -Н,
(-)
iv) амфотерных (в основном аминооксидных) поверхностно-активных веществ, атома кислорода или атома азота, который не несет положительный заряд, а потому анион Х в структуре отсутствует,
(-)
(-)
(-)
(-)
(-)
(-)
(-)
(-)
(-)
(-)
(-)
(-)
(-)
(-)
(-)
(-)
(-)
3
3
4
3
3
3
3
3
6
4
3
3
6
4
3
6
4
3
2
3
а для катионных поверхностно-активных веществ Х представляет собой анион, такой как F, Cl, Br, I, NO , SOH, SOH, CHCOO (ацетат), CHSO  (метансульфонат), CFSO  (фторметансульфонат), HO-CO-CH-COO (одноосновный фталат), CHOSO  (метансульфонат), HO-CHCOO (салицилат), CHCHSO  (толуолсульфонат), HO-CHCOO (гликолят), HO-CH(CH)COO (лактат) и другие одновалентные анионы.
1
2
3
4
1
(+)
(-)
Примеры указанных поверхностно-активных веществ включают такие катионные поверхностно-активные вещества общей формулы RRRRN X, где R может представлять собой углеводородные и функционализованные углеводородные цепи, такие как: хлорид цетримония, CTAC, такой как Arquad 16-50; стеарил триметилхлорид, STAC, такой как Arquad 18-50; хлорид таллотримония, TTAC; такой как Arquad T-50; хлорид ауртримония, LTAC; такой как Arquad 12-50; хлорид кокоилтриметиламмония, такой как Arquad C-50; хлорид N,N-бис(2-гидроксиэтил)-N-метилоктадеканаминия, такой как Ethoquad 18-12; хлорид метил-бис(2-гидроксиэтил)кокаммония, такой как Ethoquad C/12; хлорид эруцил-бис(2-гидроксиэтил)метиламмония, EHAC. Другие примеры подобных поверхностно-активных веществ включают такие поверхностно-активные вещества, как хлорид эрудициламидопропилметил-бис(гидроксиэтил)аммония; хлорид олеиламидопропилметил-бис(гидроксиэтил)аммония; и другие коммерчески доступные поверхностно-активные вещества, такие как хлорид N,N-бис(2-гидроксиэтил)-N-метил олеиламиния, Ethoquad O-12; хлорид N,N-трис(2-гидроксиэтил)-N-(гидрированный талло)аминия, Ethoquad T/13-50; или хлорид бегенамидопропилгидроксиэтилдимония, Incroquat Behenyl НЕ.
1
2
3
+
-
Примеры также включают такие амины, первичные, вторичные и, более предпочтительно, третичные амины, которые могут превращаться в катионные поверхностно-активные вещества в присутствии, по меньшей мере, стехиометрического количества кислоты, достаточно сильной для того, чтобы, по крайней мере, частично протонировать свободную электронную пару атома азота, имеющие общую формулу RRRHN X. Примеры указанных соединений включают такие соединения, как производные жирных аминов, подобные кокодиметиламину; лаурилдиметиламину; гексадецилдиметиламину; октадецилдиметиламину; коко-бис-гидроксиэтиламину; лаурил-бис-гидроксиэтиламину; гекса-децил-бис-гидроксиэтиламину; октадецил-бис-гидроксиэтиламину; бегенамидопропилдиметиламину; кокамидопропилдиметиламину; изостеарамидопропилдиметиламину; изостеарамидопропилморфолину; лаурамидопропилдиметиламину; линолеамидопропилдиметиламину; лактату линолеамидопропилдиметиламина; гликоляту олеамидопропилдиметиламина; стеарамидоэтилдиэтиламину; стеарамидоэтилэтаноламину, или подобные составы, торговые образцы которых можно получить под следующими торговыми названиями: Armeen DM12D, Armeen DM16D, Armeen DM18D, Armeen DMCD, Armeen DMHTD, Armeen DMOD, Armeen DMSD, Armeen DMTD, Ethomeen 18/12, Ethomeen C/12, Ethomeen O/12, Ethomeen S/12, Ethomeen T/12 от компании AKZO, Ethomeen 18/15, Ethomeen 18/25, Ethomeen 18/60, Armeen M2C, Armeen M2HT, Propomeen О/12 или Propomeen T/12 (все производятся компанией AKZO).
1
2
3
4
1
(+)
(-)
Пригодные поверхностно-активные вещества включают также цвиттерионные поверхностно-активные вещества, имеющие общую формулу RNRRRX, где R выбран из:
8
24
14
22
2
15
3
i) насыщенной алифатической, мононенасыщенной, дважды ненасыщенной или полиненасыщенной углеводородной цепи, включающей от 8 до 24 атомов углерода (от C до C) и, более предпочтительно, от C до C; такой как группа гексадецил -(CH)-CH,
ii) функционализованной углеводородной цепи со структурой
1
5
6,
2
2
X
2
3
X
5
8
24
14
22
6
1
6
2
2
2
2
2
2
3
3
R = R-Y-R где Y обозначает функциональную группу, такую как -O- (простой эфир), -NH- (амин), -СОО- (сложный эфир),-CNH- (амид), -[O-(CH)]O- (полиэтиленоксид), -[O-CHCH(CH)]O- (полипропиленоксид), R обозначает насыщенную алифатическую, мононенасыщенную, дважды ненасыщенную или полиненасыщенную углеводородную цепь, включающую от 8 до 24 атомов углерода (от C до C) и, более предпочтительно, от C до C, R обозначает углеводородную цепь, C-C, более предпочтительно, группу -CHCH- или -CHCHCH-, а R и R представляют собой углеводородные цепи, содержащие от 1 до 24 атомов углерода, предпочтительно, метил, -CH;
4
1
6
2
2
2
3
(-)
(-)
(-)
R обозначает алкильную цепь от C до C, более предпочтительно, группу -CH- или -CHCH-; а X обозначает карбоксилат -СОО для бетаинов или сульфонатную группу -SO  для султаинов.
1
2
3
4
(+)
(-)
Примеры пригодных для использования цвиттерионных поверхностно-активных веществ общей формулы RNRRRX включают следующие:
1
8
24
12
22
2
3
4
1
6
2
2
2
(-)
(-)
i. Алкилбетаины, где R обозначает насыщенную алкильную цепь C-C, более предпочтительно, C-C; R и R оба обозначают алкил, более предпочтительно, метил; R обозначает алкильную цепь C-C, более предпочтительно, группу -СН- или -СНСН-, а Х обозначает -СОО. Примеры подобных поверхностно-активных веществ включают: алкилдиметилбетаин; олеилбетаин; коко-бетаин; бегенилбетаин, лаурилбетаин; или таллобетаин.
1
5
6,
5
7
23
11
21
6
1
6
2
2
2
2
2
2
3
4
1
6
2
2
2
(-)
(-)
ii. Алкиламидобетаины, где R = R-Y-R где Y обозначает -CONH-, R обозначает алкильную цепь C-C, более предпочтительно, C-C; R обозначает C-C, более предпочтительно, -СНСН- или -СНСНСН-, R и R оба обозначают алкил, более предпочтительно, метил; R обозначает алкильную цепь C-C, более предпочтительно, группу -СН- или -СНСН-, а Х обозначает -СОО. Поверхностно-активные вещества указанного типа включают эрудициламидопропилбетаин, Mirataine BET-E-40, от компании Rhodia; кокоамидопропилдиметилбетаин, Mirataine BET-С-30; олеамидопропилдиметилбетаин, Mirataine BET-О-30 и т.п.
1
2
3
4
1
8
24
12
22
2
3
4
1
6
2
2
2
3
(+)
(-)
(-)
(-)
iii. Алкилсултаины RNRRRX, где R обозначает насыщенную алкильную цепь C-C, более предпочтительно, C-C; R и R оба обозначают алкил, более предпочтительно, метил; R обозначает алкильную цепь C-C, более предпочтительно, группу -СН- или -СНСН-, а Х обозначает -SO . Примеры подобных поверхностно-активных веществ включают коко-султаин; лаурилсултаин; N,N-диметил-N-пальмитил-N-(3-сульфопропил)аммоний бетаин; N,N-диметил-N-стеарил-N-(3-сульфопропил)аммоний бетаин; N,N-диметил-N-талло-N-(3-сульфопропил)аммоний бетаин; N,N-дистеарил-N-метил-N-(3-сульфопропил)аммоний бетаин и т.п.
1
5
6,
5
7
23
11
21
6
1
6
2
2
2
2
2
2
3
4
1
6
2
2
2
3
(-)
(-)
iv. Алкиламидосултаины, где R = RYR где Y обозначает -CONH-, R обозначает алкильную цепь C-C, более предпочтительно, C-C; R обозначает цепь C-C, более предпочтительно, группу -СНСН- или -СНСНСН-, R и R оба обозначают алкил, более предпочтительно, метил; R обозначает алкильную цепь C-C, более предпочтительно, -СН- или -СНСН-, а Х обозначает -SO . Поверхностно-активные вещества указанного типа включают: N,N-диметил-N-(амидопропиллауриловая кислота)-N-(3-сульфопропил)аммоний бетаин; кислый алкиламидопропил-N,N-диметил-N-(3-сульфопропил)аммония бетаин или кокоамидопропилгидрокси султаин; N,N-диметил-N-(жирная кокосовая кислота)-N-(3-сульфопропил)аммоний бетаин.
1
1
(-)
(+)
Пригодные поверхностно-активные вещества включают также анионные поверхностно-активные вещества формулы RXM, где R выбран из:
8
24
9
19
6
4
8
17
6
4
i) насыщенной алифатической, мононенасыщенной, дважды ненасыщенной или полиненасыщенной углеводородной цепи, содержащей от 8 до 24 атомов углерода (от С до С), или монозамещенной фенильной группы (такой, как нонилфенил, -СНСН, или октилфенил, -СНСН),
1
2
2
2
x
2
3
x
2
8
24
9
19
6
4
8
17
6
4
ii) функционализованной углеводородной цепи со структурой R = RY, где Y обозначает функциональную группу, такую как -[O-(CH)]O- (полиэтиленоксид) или -[O-CHCH(CH)]O- (полипропиленоксид), а R обозначает насыщенную алифатическую, мононенасыщенную, дважды ненасыщенную или полиненасыщенную углеводородную цепь, содержащую от 8 до 24 атомов углерода (С-С), или монозамещенную фенильную группу (такую, как нонилфенил, -СНСН, или октилфенил, -СНСН),
(-)
(-)
(-)
3
Х обозначает отрицательно заряженную группу, такую как СОО или SO ,
(+)
(+)
(+)
(+)
(+)
(+)
4
а М обозначает одновалентный катион (такой, как Li, Na, K, Rb и NH ).
(-)
(-)
Примеры подобных поверхностно-активных веществ, где Х обозначает СОО, включают олеат натрия, натриевую соль стеариновой кислоты, пальмитат натрия; натриевую соль гексадекановой кислоты и кокоат натрия.
(-)
(-)
3
Примеры подобных поверхностно-активных веществ, где Х обозначает SO , включают амиды жирных кислот N-метилтаурина, натриевое производное метилкокоилтаурата; натриевое производное метилолеилтаурата и калиевое производное метилкокоилтаурата.
1
2
3
Примеры поверхностно-активных веществ, которые могут применяться в качестве SFR жидкостей по настоящему изобретению, включают также такие амфотерные поверхностно-активные вещества, как аминооксидные поверхностно-активные вещества, имеющие общую формулу RRRNO, например оксид гексадецилдиметиламина; оксид тетрадецилдиметиламина; оксид лаурилдиметиламина; оксид октадецилдиметиламина и т.п., отдельные представители которых можно приобрести у компании AKZO под торговыми названиями AromoxB-W 500, Aromox DMC, Aromox DM16, Aromox 14D-W 970, Aromox DMHT, Aromox T/12 DEG, Aromox APTA-T и Aromox C/13W.
1
Кроме того, в настоящем изобретении могут применяться димерные, тримерные или олигомерные поверхностно-активные вещества, в том числе олигомеры Дильса-Альдера, которые получают полимеризацией любых приведенных выше катионных, анионных и цвиттерионных поверхностно-активных веществ, содержащих, по меньшей мере, одну двойную связь в цепи R, такой как олеиновая, линолевая или линоленовая цепи. Примеры подобных поверхностно-активных веществ могут быть получены нейтрализацией димерной или тримерной кислоты, такой как диолеиновая кислота, которая коммерчески доступна как Empol 1019; или Pripol 1022; дилинолевая кислота, которая коммерчески доступна как Empol 1007; и т.п. с сильными основаниями, такими как NaOH или КОН.
1
Для любого и всех вышеуказанных поверхностно-активных веществ, снижающих гидравлическое сопротивление, длинная алифатическая цепь R может представлять собой цепь углеводорода одной и той же длины или же может включать смеси цепей углеводородов различной длины, как это обычно встречается в натуральных продуктах.
1
n
m
В приведенном выше списке наиболее типичные углеводородные и функциональные углеводородные группы в выпускаемых в настоящее время продуктах указаны с точки зрения доступности, однако это не препятствует использованию менее привычных углеводородных групп, которые рассмотрены не в полной мере. Аналогично, длинные цепи, как правило, группы R, обычно обозначаются ниже как “углеводородная”, “функционализованная углеводородная” или “алкильная” цепи с длиной “C-C”, однако следует понимать, что подобные цепи могут быть прямыми, разветвленными, циклическими, насыщенными, мононенасыщенными или полиненасыщенными или же могут быть ароматическими.
Предпочтительные поверхностно-активные вещества включают катионные поверхностно-активные вещества CTAC, Arquad 16-50, Arquad T-50, Arquad 18-50, Arquad S-50 и EHAC, цвиттерионные поверхностно-активные вещества эрудициламидопропил бетаин, Mirataine BET-E-40 и олеиламидопропил бетаин Mirataine BET-O-30. Более предпочтительными в этой группе являются Arquad 16-50 и Arquad T-50.
Рассматриваются также смеси одного или нескольких вышеприведенных катионных поверхностно-активных веществ с одним или несколькими вспомогательными анионными поверхностно-активными веществами, например алкиларилсульфонатами. Например, смесь, содержащая хлорид четвертичного аммония, хлорид бис-гидроксиэтилметилалкиламмония и алкиларилсульфонат, может быть пригодна для использования в качестве поверхностно-активного вещества, снижающего гидравлическое сопротивление. Одна из таких смесей, патентованный состав “quat”, исследована в сочетании с активаторами снижения гидравлического сопротивления (полимерными и/или мономерными), и было показано, что она является эффективным поверхностно-активным веществом, снижающим гидравлическое сопротивление.
Пригодные для использования “полимерные активаторы снижения гидравлического сопротивления” включают полимеры с относительно низкой молекулярной массой, которые самостоятельно не обладают какой-либо способностью снижать гидравлическое сопротивление в жидкостях на водной основе, однако, когда их используют совместно с одними или несколькими поверхностно-активными веществами, снижающими гидравлическое сопротивление, они в значительной степени усиливают эффективность поверхностно-активного вещества, способствуют снижению гидравлического сопротивления, повышают вязкость жидкости при низкой скорости сдвига и тем самым улучшают способность транспортировать частицы.
Примеры пригодных комбинаций с катионными и цвиттерионными поверхностно-активными веществами, снижающими гидравлическое сопротивление, включают Daxad 16L и Daxad 17. Daxad 17 представляет собой твердое вещество, которое является продуктом поликонденсации нафталинсульфоната натрия с формальдегидом и имеет молекулярную массу приблизительно 2000-3000 Да. Daxad 16L представляет собой 50%-ный раствор Daxad 17 в воде. Таким образом, оба вещества имеют одинаковую молекулярную массу.
Не желая связывать себя какой-либо теорией, авторы настоящего изобретения полагают, что, вероятно, анионные свойства указанных соединений отвечают за усиление снижения гидравлического сопротивления для катионных, амфотерных и цвиттерионных поверхностно-активных веществ, снижающих гидравлическое сопротивление. Авторы полагают, что анионные свойства указанных молекул позволяют временно нейтрализовать поверхностный заряд удлиненных (или червеобразных) мицелл поверхностно-активного вещества (и наоборот). Авторы полагают, что одна из указанных полимерных молекул с низкой молекулярной массой играет роль центра адсорбции для различных червеобразных мицелл, что эквивалентно сшиванию мицелл. Как указано ниже, ожидается, что сшитые мицеллы, подобно сшитому полимеру, обладают большей упругостью.
Способность полимеров снижать гидравлическое сопротивление, а также влияние молекулярной массы полимера могут быть связаны с упругими свойствами полимера и представляют собой механизм рассеивания энергии, который ведет к снижению требуемой мощности при нагнетании жидкости (и тем самым к дальнейшему снижению гидравлического сопротивления).
Подходящие полимерные активаторы снижения гидравлического сопротивления, которые следует использовать вместе с катионными поверхностно-активными веществами, снижающими гидравлическое сопротивление, преимущественно являются активаторами анионного типа. Полагают, что как катионные, так и анионные полимерные активаторы снижения гидравлического сопротивления пригодны для использования вместе с амфотерными и цвиттерионными поверхностно-активными веществами, снижающими гидравлическое сопротивление, однако предпочтительными являются неионогенные полимерные активаторы снижения гидравлического сопротивления. Тесты, аналогичные описанным в примерах, можно проводить с целью определения, какая комбинация активатора(ов) снижения гидравлического сопротивления и поверхностно-активного вещества, снижающего гидравлическое сопротивление, является наиболее пригодной.
Помимо Daxad 16L и Daxad 17 могут использоваться другие соединения с аналогичными значениями молекулярной массы, но различными нейтрализующими ионами (например, калия, аммония и кальция). Соединения указанного типа включают Daxad 11 , Daxad 11G, Daxad 11KLS, Daxad 15, Daxad 15R, Daxad 14C
и Daxad 16LR.
Могут быть также эффективны соединения с несколько бóльшими значениями молекулярной массы, т.е. соединения, молекулярная масса которых составляет от 10000 до 20000, такие как Daxad 19, Daxad 19LS, Daxad 19LCAD, Daxad 819LS, Daxad 19L42, Daxad 19LLS, Daxad 19LCA и Daxad 19LKN. Могут применяться аналогичные соединения, поставляемые альтернативными производителями. Чистота нафталинсульфоната, который используют при полимеризации, может оказать некоторое влияние на способность SFR снижать гидравлическое сопротивление, аналогичное влияние могут оказывать металлические противоионы, нейтрализующие сульфонатную группу (натрий, кальций или калий), и содержание сульфат-иона в веществе.
Могут также применяться сополимеры, получаемые формальдегидной конденсацией нафталинсульфоната с другими мономерами, такими как фенол, алкилзамещенные фенолы, бифенолы различной структуры, такие как бисфенол F (формальдегид) или бисфенол А (ацетон) и т.д., которые получают как кислотным, так и щелочным катализом.
В качестве полимерных активаторов снижения гидравлического сопротивления можно также привести сополимеры, получаемые меламиновой конденсацией нафталинсульфоната с другими мономерами, такими как фенол, алкилзамещенные фенолы, бифенолы различной структуры, такие как бисфенол F (формальдегид) или бисфенол А (ацетон) и т.д., и лигносульфонаты.
Другие сульфонатсодержащие низкомолекулярные полимеры, не способные снижать гидравлическое сопротивление, которые могут применяться, включают винилбензолсульфонат и сополимеры AMPS. Пригодны также поликарбонаты, эпоксидные смолы и другие полимеры, которые содержат функциональные сульфонатную, карбоксилатную, фосфатную или сульфонатную группы, делающие их водорастворимыми. Сульфонатная группа в любом из вышеприведенных примеров сульфонатных полимеров может быть замещена другими анионными структурами, такими как карбоксилаты, фосфаты или сульфаты. Все такие факторы, как размер молекулы полимера, линейный или разветвленный тип структуры полимера, присутствие или отсутствие и степень внутренней сшивки, постоянство длины полимера, могут влиять на снижение гидравлического сопротивления, которое оказывает выбранный олигомер или полимер, и следует провести их испытание в соответствии с приведенными в настоящем описании методиками.
Также пригодными для использования в качестве полимерных соединений, снижающих гидравлическое сопротивление, являются отрицательно заряженные полисахариды с низкой молекулярной массой, такие как карбоксиметилцеллюлоза, карбоксиметилгуар, карбоксиметилгидроксипропилгуар и т.п., а также могут использоваться низкомолекулярные водорастворимые сополимеры малеинового ангидрида, такие как DAXAD 31, или полимеры и сополимеры метакрилата натрия, такие как Daxad 30, полимеры и сополимеры метакрилата аммония, такие как Daxad 32.
2
2
3
3
(+)
(-)
Пригодными полимерными активаторами снижения гидравлического сопротивления для анионных поверхностно-активных веществ являются низкомолекулярные полимерные структуры, аналогичные приведенным выше, в которых вместо анионных зарядов в основной цепи или в боковых цепях цепи полимера присутствуют катионные заряды. Таким образом, пригодными полимерными активаторами снижения гидравлического сопротивления являются структуры, в которых сульфонатная группа в ранее приведенных примерах заменена химической структурой катионного типа, такой как, например, -CHCHN(CH) Cl (хлорид этилтриметиламмония).
Кроме того, подходящими полимерами являются структуры, в которых сульфонатная группа в ранее приведенных примерах заменена структурой полимерного, мономерного или третичного амина, которая может быть превращена в катионные аммониевые соли при низких значениях рН за счет протонирования свободной электронной пары атома азота. Катионными полимерами или сополимерами со специально подобранной молекулярной массой, которая необходима для того, чтобы они в сочетании с анионными поверхностно-активными веществами, снижающими гидравлическое сопротивление, являлись бы полимерными активаторами снижения гидравлического сопротивления, могут быть такие катионные полимеры, которые получают радикальной полимеризацией диметиламиноэтилметакрилата (DMAEMA), хлорида 2-(метакрилоилокси)этилтриметиламмония (MADQUAT), хлорида метакриламидопропилтриметиламмония (МАРТАС) или хлорида диаллилдиметиламмония (DADMAC). Другими подходящими полимерами, которые могут служить в качестве полимерных активаторов снижения гидравлического сопротивления в сочетании с анионными поверхностно-активными веществами, снижающими гидравлическое сопротивление, являются катионные полисахариды, такие как катионный гуар или катионный крахмал, или некоторые смолы, образующиеся при конденсации эпихлоргидрина, такие как аминополиамидэпихлоргидриновые смолы или полиаминэпихлоргидриновые смолы.
Другими низкомолекулярными полимерами, которые самостоятельно в водных растворах не обладают какой-либо способностью снижать гидравлическое сопротивление, но которые в присутствии одного или нескольких снижающих гидравлическое сопротивление цвиттерионных или амфотерных поверхностно-активных веществ в значительной степени повышают эффективность поверхностно-активного вещества, способствуя снижению гидравлического сопротивления, увеличивают вязкость жидкости при низких скоростях сдвига и в результате приводят к улучшению способности транспортировать частицы, являются неионогенные полимеры, такие как частично гидролизованные поливинилацетатные полимеры, поливиниловый спирт и его сополимеры, полиэтиленоксид и его сополимеры, полипропиленоксид и его сополимеры. Наиболее пригодные примеры подобных полимеров включают сополимеры поливинилового спирта, поступающие в продажу под торговым названием Alcotex WD100. Другие примеры подобных полимеров включают такие низкомолекулярные водорастворимые полиамфолиты, содержащие как положительные, так и отрицательные заряды, которые получают сополимеризацией, по меньшей мере, одного катионного мономера и одного анионного мономера, а также по выбору другие содержащие или не содержащие заряд мономеры.
Пригодные для использования мономерные активаторы снижения гидравлического сопротивления включают некоторые не имеющие заряда органические соединения, такие как мочевина и производные мочевины, и некоторые содержащие заряд органические соединения (их также называют противоионами), такие как ион салицилата, которые способны усиливать способность данного поверхностно-активного вещества снижать гидравлическое сопротивление в присутствии или в отсутствие полимерных активаторов снижения гидравлического сопротивления. Мочевина или производные соединения мочевины, такие как N,N-диметилмочевина, N,N'-диметилмочевина или N,N-диэтилмочевина и т.п., пригодны в качестве мономерных активаторов снижения гидравлического сопротивления в SFR жидкостях по настоящему изобретению.
19
29
Органические ионные соединения, такие как салицилат натрия, также могут использоваться в качестве мономерных активаторов снижения гидравлического сопротивления для различных поверхностно-активных веществ, снижающих гидравлическое сопротивление, и смесей поверхностно-активных веществ. Другие пригодные ионные соединения включают пара-толуолсульфонат натрия, ксилолсульфонат натрия, нафталинсульфонат натрия, фталат натрия, цитрат натрия, натриевую соль ЭДТК, метансульфонат натрия, перфторметансульфонат натрия, малонат натрия, фумарат натрия, адипинат натрия и т.д. Другие пригодные для использования анионы включают хелатообразующие агенты, такие как соли ЭДТК, хлорзамещенные салицилаты, алкилзамещенные салицилаты, хлорзамещенные фталаты, алкилзамещенные фталаты, алкилсульфонаты, алкилсульфаты, алкиларилсульфонаты, алкиларилсульфаты, этоксилированные алкилсульфонаты, этоксилированные алкилсульфаты, этоксилированные алкиларилсульфонаты или этоксилированные алкиларилсульфаты. Также могут использоваться соли абиетиновой кислоты (известной также как талловая кислота, СНСООН) и другие вещества, такие как соли фульвовой кислоты. Эффективны калиевые или аммониевые соли указанных анионов, а также другие соли, образованные простыми катионами.
Для усиления способности катионных поверхностно-активных веществ снижать гидравлическое сопротивление используют катионные противоионы аналогичного размера, такие как небольшие соли четвертичного аммония, например хлорид тетраметиламмония, хлорид метилпиридиния, хлорид алкилбензилдиметиламмония и т.п.
Мономерные активаторы снижения гидравлического сопротивления могут быть истинными мономерами, или же они могут быть олигомерами полимерных активаторов снижения гидравлического сопротивления, в то время как подходящие полимерные активаторы снижения гидравлического сопротивления могут представлять собой полимеры, образованные за счет соответствующих реакций полимеризации мономерных активаторов снижения гидравлического сопротивления. Например, нафталинсульфонат натрия является подходящим противоионом мономерного активатора снижения гидравлического сопротивления, а полинафталинсульфонат натрия является подходящим полимерным активатором снижения гидравлического сопротивления.
Было установлено, что многие, если не большинство, предпочтительных полимерных и мономерных активаторов снижения гидравлического сопротивления включают, по меньшей мере, одну ароматическую структуру.
Свойства снижать гидравлическое сопротивление могут быть получены для составов SFR жидкостей, которые содержат поверхностно-активные вещества по настоящему изобретению и дополнительно содержат, по крайней мере, одну кислоту. В частности, составы SFR жидкостей, которые включают производные амина (первичного, вторичного или, более предпочтительно, третичного амина) и достаточное количество (по меньшей мере, больше, чем стехиометрическое количество амина, содержащегося в композиции) кислоты, достаточно сильной для того, чтобы частично или полностью протонировать свободную пару электронов атома азота, обеспечивают снижение гидродинамического трения, когда их с помощью насоса нагнетают через укрепление ствола скважины обсадными трубами и систему труб скважины, а также обеспечивают снижение гидравлических потерь в распространяющихся трещинах.
Когда подобная содержащая кислоту жидкость контактирует с окружением, обладающим свойствами основания, кислотный компонент может быть полностью или частично нейтрализован, а SFR жидкость может потерять свою способность снижать гидравлическое сопротивление и свою диспергирующую способность. Примеры окружения, обладающего свойствами основания, включают обладающие основными свойствами жидкости в горной породе (жидкость естественного происхождения и жидкость, которая была закачана в пласт перед проведением обработки с помощью SFR), обладающий основными свойствами компонент, который впоследствии высвобождается в жидкость, или часть продуктивного пласта, обладающего свойствами основания, такого как карбонатные горные породы или карбонатсодержащий песчаник, глинистый сланец или угольный пласт. Указанный механизм деградации может быть успешно использован для отведения жидкости за счет заполнения проппантом, что обеспечивает осаждение проппанта и закупорку естественных трещин, или различий в гидравлических потерях внутри разрывов, что приводит к отведению жидкости за счет избирательного или своевременного запуска механизма деградации способности жидкости снижать гидравлическое сопротивление.
В жидкостях по настоящему изобретению могут использоваться другие известные соединения и вспомогательные вещества при условии, что предварительно проведены соответствующие исследования совместимости и рабочих характеристик. Дополнительные поверхностно-активные вещества, рассолы, вспомогательные растворители могут применяться в сочетании с SFR жидкостью по настоящему изобретению. В общем случае подходящие дополнительные поверхностно-активные вещества являются поверхностно-активными веществами, которые неспособны вызывать существенное снижение гидравлического сопротивления, когда их закачивают индивидуально или в комбинации с полимерными или мономерными активаторами снижения гидравлического сопротивления по настоящему изобретению.
Подходящие вспомогательные растворители включают изопропиловый спирт, глицерин, этиленгликоль, пропиленгликоль, монометиловый эфир этиленгликоля и монобутиловый эфир этиленгликоля.
ПРИМЕРЫ
Следующие примеры подготовлены с целью продемонстрировать некоторые свойства составов и способы обработки по настоящему изобретению. В примерах, в которых показано снижение гидродинамического трения или гидравлического сопротивления, измерения проводят с помощью фрикционной петли. Фрикционная петля состоит из высокопроизводительного трехцилиндрового насоса и группы обсадных колонн, при этом жидкость в петле прокачивают через серию трубок различного внешнего диаметра (OD), а именно 1/2" (12,7 мм) и 3/8" (9,52 мм). Для определения скорости потока, плотности жидкости или температуры жидкости в реальном масштабе времени используют расходомер (MicroMotion Elite). Трубка каждого размера имеет специальный дифференциальный датчик давления (Rosemount 3051 SMART), который используют для измерения перепада давления вдоль секции трубки длиной 6 футов (1,83 м). Кроме того, каждая трубка имеет длину, по меньшей мере, 14 футов (4,27 м), и секция трубки имеет достаточную длину, чтобы предотвратить влияние приточных эффектов, таких как не полностью установившийся режим потока в используемой для определения давления секции трубки. Жидкости многократно циркулируют через трубки и вновь возвращаются в расходный бак. Следует понимать, что, если специально не указано, все лабораторные измерения проводят при температуре 25°С (77°F).
Сравнительный пример 1:
Концентрированный состав стандартного понизителя гидродинамического трения, обозначенный как CFR1 и содержащий 28% активного винилового полимера, разбавляют водой и нагнетают с помощью насоса с тремя различными концентрациями (0,5 мл/л; 1,0 мл/л и 2,0 мл/л) во фрикционную петлю, которая описана выше, и сравнивают разницу в давлении в том случае, когда в одних и тех же условиях через прямую секцию стальной трубы длиной 1,83 м (6 футов) с внешним диаметром 9,53 мм (3/8") с различными скоростями потока прокачивают жидкость и когда прокачивают воду. Как показано на фигуре 1, максимальное снижение гидравлического сопротивления (%DR), составляющее приблизительно 65%, получают для всех трех концентраций CFR в воде. На фигуре также показано, что более значительные концентрации CFR требуются для поддержания величины %DR при высоких скоростях потока. Данный пример используют в качестве стандарта для сравнения SFR жидкостей по настоящему изобретению с точки зрения подходящей величины %DR, необходимой для того, чтобы осуществлять нагнетание жидкости на водной основе с целью снижения поверхностного натяжения.
Пример 2:
Раствор концентрата вязкоупругого поверхностно-активного вещества, содержащего приблизительно 61% ЕНАС (хлорида эруцил-бис(2-гидроксиэтил)метиламмония), 13,5% пропан-1,2-диола, 20,5% изопропанола и 5% воды, разбавляют в 2%-ном солевом растворе KCl и в количестве 5 мл/л (г/т) закачивают во фрикционную петлю с различными скоростями потока. Как показано на фигуре 2, состав вязкоупругой поверхностно-активной жидкости показывает умеренное снижение гидравлического сопротивления для обеих трубок с внешним диаметром 12,7 мм (1/2 дюйма) и 9,53 мм (3/8 дюйма), по сравнению с рассолом. Сравнение примера 2, примера 3 и других показывает, что оптимальное снижение гидродинамического трения может быть достигнуто для SFR составов, содержащих значительно меньшие концентрации поверхностно-активного вещества, чем те, которые обычно требуются для не вспененных вязкоупругих жидкостей для гидроразрыва.
Пример 3:
Раствор того же самого концентрата вязкоупругой поверхностно-активной жидкости, который используют в примере 2, нагнетают с помощью насоса в количестве 15 мл/л (г/т) в 5%-ном солевом растворе KCl, и он показывает улучшенное снижение гидравлического сопротивления как для труб с внешним диаметром 12,7 мм (1/2 дюйма), так и 9,53 мм (3/8 дюйма), по сравнению с рассолом, как показано на фигуре 3.
Пример 4:
Жидкости, приготовленные из концентрата цвиттерионной вязкоупругой поверхностно-активной жидкости, содержащей приблизительно 22% изопропанола, 5%-ного хлорида натрия, 32% воды, 32% эруциламидопропилдиметил бетаина и 1% полинафталинсульфоната натрия (Daxad 16L), обозначенные как “zwitt”, которые имеют различные концентрации поверхностно-активного вещества, показывают умеренное улучшение снижения гидравлического сопротивления с увеличением концентрации поверхностно-активного вещества как для труб с внешним диаметром 12,7 мм (1/2 дюйма), так и 9,53 мм (3/8 дюйма), как показано на фигуре 4.
Пример 5:
Раствор 7,5 мл/л патентованного катионного состава, обозначенного выше как “quat” (содержит приблизительно 8% пропан-1,2-диола, 17-21% изопропанола, 20% воды, 20-60% поверхностно-активного вещества на основе четвертичного аммония и 10-30% алкиларилсульфоната) закачивают в воду вместе с 7,5 мл/л композиции активатора снижения гидравлического сопротивления, обозначенной как “dragred 1”, которая содержит 25% ± 6% мочевины, 40,5% ± 1,5% нитрата аммония и 34,5% ± 7,5% воды. Жидкость, обозначенная как “SFR1”, показывает хорошее снижение гидравлического сопротивления для трубы с внешним диаметром 9,53 мм (3/8 дюйма) по сравнению с водой, как показано на фигуре 5.
Пример 6:
Жидкость, обозначенная как “SFR2”, содержащая 7,5 мл/л концентрата цвиттерионного поверхностно-активного вещества, который включает приблизительно 22% изопропанола, 5% хлорида натрия, 32% воды, 38% эруциламидопропилдиметил бетаина, и 0,3 мл/л концентрата, который содержит 10% патентованного активатора снижения гидравлического сопротивления PVA/PVOH (разбавляют из ALCOTEX WD100 от компании Synthomer Ltd., Harlow, UK), показывает умеренное снижение гидравлического сопротивления в трубе с внешним диаметром 9,53 мм (3/8 дюйма), как показано на фигуре 6.
Пример 7:
Жидкости, приготовленные по примеру 5, из патентованного катионного состава, обозначенного как “quat”, с различными количествами добавленного салицилата натрия, NaSal, показывают улучшение снижения гидравлического сопротивления по мере увеличения концентрации салицилата натрия для заданной концентрации поверхностно-активного вещества как для труб с внешним диаметром 12,7 мм (1/2 дюйма), так и 9,53 мм (3/8 дюйма), как показано на фигурах 7 и 8 соответственно.
Пример 8:
Концентрат хлорида цетилтриметиламмония, обозначенный ранее как СТАС, который получают в виде “Arquad 1650” от компании Akzo Nobel Surface Chemistry (Stenungsund, Sweden), разбавляют водой до различных концентраций поверхностно-активного вещества и различных концентраций салицилата натрия NaSal. Указанный состав показывает улучшенное снижение гидравлического сопротивления по мере увеличения концентрации поверхностно-активного вещества и по мере увеличения концентрации салицилата натрия для заданной концентрации поверхностно-активного вещества как для труб с внешним диаметром 12,7 мм (1/2 дюйма), так и 9,53 мм (3/8 дюйма), как показано на фигурах 9 и 10 соответственно.
Пример 9:
Концентрат хлорида цетилтриметиламмония, СТАС по примеру 8, разбавляют водой до концентрации 2,75 мл/л поверхностно-активного вещества и в жидкость добавляют 3 г/л NaSal. Было показано, что величина %DR для этого состава не зависит от добавления вспомогательного растворителя, такого как изопропанол (IPA). Величины %DR приведены как для труб с внешним диаметром 12,7 мм (1/2 дюйма), так и 9,53 мм (3/8 дюйма), как показано на фигурах 11 и 12 соответственно.
Пример 10:
2+
2+
2+
2
2
Величины %DR составов, содержащих 3,5 мл/л СТАС и 3,8 г/л NaSal, сравнивают для различных концентраций растворенных ионов кальция (1000 м.д. Са в виде цитрата кальция, 1000 м.д. Са в виде CaCl и 2000 м.д. Са в виде CaCl). На фигуре 13 графически показано, что большая величина %DR может быть получена в трубе с внешним диаметром 9,53 мм (3/8 дюйма) даже в присутствии растворенного кальция.
Кроме того, некоторые из жидкостей по настоящему изобретению обеспечивают эффективное снижение гидравлического сопротивления для источников воды низкого качества (добытая вода, бассейновая вода, очень жесткая вода), которые не всегда позволяют провести эффективную обработку пласта в том случае, когда используют стандартные средства для снижения гидравлического сопротивления.
Пример 11:
Измеряют величину %DR для составов, содержащих различные катионные и амфотерные поверхностно-активные вещества в сочетании с салицилатом натрия. Сравнивают пять различных поверхностно-активных веществ: "Arquad 12-50", концентрат, содержащий 50% активного хлорида лаурилтриметиламмония, обозначенный как “Lquat”; "Arquad 18-50", концентрат, содержащий 50% активного хлорида стеарилтриметиламмония, обозначенный как “Squat”; "Arquad 16-50", концентрат, содержащий 50% активного хлорида цетилтриметиламмония, обозначенный как СТАС; патентованный состав, содержащий 61% хлорида эруцил-бис(2-гидроксиэтил)метиламмония), 13,5% пропан-1,2-диола, 20,5% изопропанола и 5%
воды, обозначенный как “Equat”; и "Aromox APA-T", 40% состав патентованного оксида амина от компании AKZO, обозначенный как “APAT”. На фигуре 14 показано, что выбор структуры поверхностно-активного вещества (углеводородные цепи и гидрофильная головная группа), а также концентрация могут быть оптимизированы с целью улучшить величину %DR, которая может быть получена для трубы с диаметром 9,53 мм (3/8 дюйма).
Пример 12:
100%-ный чистый тозилат (толуолсульфонат) цетилтриметиламмония, обозначенный как СТАТ, который получают от компании Aldrich, разбавляют водой до различных концентраций поверхностно-активного вещества и различных концентраций салицилата натрия. Указанные составы показывают хорошую способность снижать гидравлическое сопротивление для трубы с диаметром 9,53 мм (3/8 дюйма), как показано на фигуре 15.
Пример 13:
100%-ный чистый бромид цетилтриметиламмония, обозначенный как СТАВ, который получают от компании Aldrich, разбавляют водой до различных концентраций поверхностно-активного вещества и различных концентраций салицилата натрия. Указанные составы показывают хорошую способность снижать гидравлическое сопротивление для трубы с диаметром 9,53 мм (3/8 дюйма), как показано на фигуре 16.
Пример 14:
Четыре состава, содержащие соответственно: 3 мл/л СТАС; 3 мл СТАС плюс 1 г/л NaSal; 1 мл Daxad 16L, обозначенный как D-16L продукт, который подробно описан в примере 15; и 3 мл СТАС плюс 1 мл D-16L; сравнивают с составом, содержащим 3 мл/л СТАС, плюс 1 г/л NaSal, плюс 1 мл D-16L. Как показано на фигуре 17, величина %DR, полученная для указанной последней комбинации СТАС, NaSal и D-16L, значительно улучшается, когда ее нагнетают в трубу с диаметром 9,53 мм (3/8 дюйма).
Пример 15:
Концентрат хлорида цетилтриметиламмония, СТАС, по примеру 8 разбавляют водой до концентрации 3 мл/л СТАС и добавляют 2,1 г/л NaSal и различные концентрации смеси (25-47)%-ного полинафталинсульфоната натрия и <7% сульфата натрия в воде (получают в виде “Daxad 16L” от компании GEO Specialty Chemicals, Lafayette, IN, USA), обозначенной как D-16L. Указанные составы существенно снижают гидравлическое сопротивление при значительно более низких концентрациях поверхностно-активного вещества и салицилата натрия. Увеличение концентрации Daxad 16L приводит к дальнейшему снижению гидравлического сопротивления. Результаты приведены как для труб с внешним диаметром 12,7 мм (1/2 дюйма), так и 9,53 мм (3/8 дюйма) на фигурах 18 и 19 соответственно.
Пример 16:
Концентрат хлорида цетилтриметиламмония, СТАС, по примеру 8 разбавляют водой до концентрации 3 мл/л СТАС и добавляют 1,0 г/л NaSal и различные концентрации D-16L. Указанные составы позволяют добиться дальнейшего снижения гидравлического сопротивления и уменьшения стоимости составов за счет уменьшения требуемой концентрации салицилата натрия до 1 г/л. Результаты приведены для трубы 9,53 мм (3/8 дюйма), как показано на фигуре 20.
Было показано, что температура жидкости в трубе оказывает важное воздействие на способность жидкости снижать гидравлическое сопротивление. На месторождении температура жидкости в основном определяется температурой воды, поскольку обычно нагрев жидкости при движении вниз по трубам или укрепляющим ствол скважины обсадным трубам является минимальным.
Пример 17:
12
14
16
18
Процент снижения гидравлического сопротивления (%DR) в зависимости от температуры для жидкости, содержащей 6 мл/л хлорида таллотриметиламмония (получают в виде “Arquad T-50” от компании Akzo Nobel Surface Chemistry, Stenungsund, Sweden и по описанию включает приблизительно 45 мас.% изопропанола, 15 мас.% воды и 50 мас.% смеси хлоридов алкилтриметиламмония, содержащей приблизительно 1 мас.% С, 4% С, 31% С и 64% С), 1,3 г/л салицилата натрия и 0,5 мл/л Daxad 16L, определяют для трубы 9,53 мм (3/8 дюйма). Было показано, что снижение гидравлического сопротивления на величину более 55% может быть получено для указанной жидкости для всех скоростей потока во всем диапазоне температур, как показано на фигуре 21.
Пример 18:
Величину %DR в зависимости от температуры для жидкости, содержащей 5 мл/л того же самого хлорида таллотриметиламмония (Arquad T-50), который используют в примере 17, 1,1 г/л салицилата натрия и 0,5 мл/л Daxad 16L, определяют для трубы 9,53 мм (3/8 дюйма). Было показано, что снижение гидравлического сопротивления на величину более 45% может быть получено для указанной жидкости для всех скоростей потока при температуре выше приблизительно 21,2°С (70°F) , как показано на фигуре 22.
Пример 19:
Величину %DR в зависимости от температуры для жидкости, содержащей 5 мл/л того же самого хлорида таллотриметиламмония (Arquad T-50), которую используют в примере 17, 0,9 г/л салицилата натрия и 0,53 мл/л Daxad 16L, определяют для трубы 9,53 мм (3/8 дюйма). Было показано, что снижение гидравлического сопротивления на величину более 55% может быть получено для указанной жидкости для всех скоростей потока при температуре выше приблизительно 50°F (10°С), как показано на фигуре 23.
Пример 20:
Величину %DR в зависимости от температуры для жидкости, содержащей 5 мл/л того же самого хлорида таллотриметиламмония (Arquad T-50), который используют в примере 17, 1,1 г/л салицилата натрия и 0,8 мл/л Daxad 16L, определяют в трубе 9,53 мм (3/8 дюйма). Было показано, что снижение гидравлического сопротивления на величину более 45% может быть получено для указанной жидкости для всех скоростей потока при температуре выше приблизительно 15,5°С (60°F) , как показано на фигуре 24.
Влияние температуры на %DR составов, рассмотренных в примерах 17, 18, 19 и 20, оказалось весьма удивительным, поскольку исходя из основных реологических принципов можно было бы ожидать обратное, т.е. жидкости, разжижающиеся при сдвиге, подобные жидкостям по настоящему изобретению, должны улучшать реологические свойства, связанные с упругостью жидкостей, при понижении температуры.
Пример 21:
Величину %DR в зависимости от температуры для жидкости, содержащей различные количества того же самого хлорида таллотриметиламмония (Arquad T-50), который используют в примере 17, салицилата натрия и Daxad 16L, сравнивают с жидкостями, содержащими различные количества хлорида цетилтриметиламмония (Arquad 16-50), который используют в примере 8, салицилата натрия и Daxad 16L, при этом все измерения проводят при температуре 26,7°С (80°F). В таблице 1 собраны все различные исследованные составы. Как показано на фигуре 25, повышение количества поверхностно-активного вещества, снижающего гидравлическое сопротивление, приводит к поддержанию высоких значений %DR при больших скоростях потока. Для любой концентрации поверхностно-активного вещества, снижающего гидравлическое сопротивление, повышение содержания полимерного активатора снижения гидравлического сопротивления приводит к повышению величины %DR. В указанных тестах снижение гидравлического сопротивления при использовании Arquad T-50 более заметно, чем при использовании Arquad 16-50.
Таблица 1Различные составы, для которых проводилось исследование снижения гидравлического сопротивления и осаждения песка
Образец
Поверхностно-активное вещество
Концентрация поверхностно-активного вещества (мл/л)
Концентрация NaSal (г/л)
Концентрация D-16L (мл/л)
T-50 A
T50
3
0,66
0,50
T-50 A
T50
4
0,88
0,67
T-50 A
T50
5
1,09
0,83
T-50 A
T50
6
1,31
1,00
CTAC A
CTAC
3
0,66
0,50
CTAC A
CTAC
4
0,88
0,67
CTAC A
CTAC
5
1,09
0,83
CTAC A
CTAC
6
1,31
1,00
T-50 B
T50
3
0,66
0,80
T-50 B
T50
4
0,88
1,07
T-50 B
T50
5
1,09
1,33
T-50 B
T50
6
1,31
1,60
CTAC B
CTAC
3
0,66
0,80
CTAC B
CTAC
4
0,88
1,07
CTAC B
CTAC
5
1,09
1,33
CTAC B
CTAC
6
1,31
1,60
Было установлено, что наиболее пригодные SFR жидкости содержат приблизительно от 3 до 4 мл/л хлорида цетилтриметиламмония (Arquad 16-50), приблизительно от 0,5 до 1,3 г/л салицилата натрия и приблизительно от 0,5 до 0,8 мл/л Daxad 16L в воде. Было также показано, что наиболее пригодные жидкости содержат приблизительно от 3 до 4 мл/л хлорида таллотриметиламмония (Arquad T-50), приблизительно от 0,5 до 1,3 г/л салицилата натрия и приблизительно от 0,5 до 0,8 мл/л Daxad 16L в воде.
Было также установлено, что особенно пригодные жидкости содержат приблизительно от 3 до 4 мл/л хлорида цетилтриметиламмония (Arquad 16-50), приблизительно от 0,6 до 0,7 г/л салицилата натрия и приблизительно от 0,5 до 0,8 мл/л Daxad 16L в воде. Один подобный состав содержит 3,6 мл/л хлорида цетилтриметиламмония (Arquad 16-50), приблизительно от 0,65 г/л салицилата натрия и приблизительно от 0,5 мл/л Daxad 16L в воде и обозначен как “SFR4”. На фигуре 26 показана величина %DR для указанного состава в трубе диаметром 9,53 мм (3/8 дюйма).
Пример 22:
Осуществляют множество экспериментов с целью провести проверку величины %DR, полученной со стандартными понизителями гидродинамического трения (CFRs) и с суспендирующими понизителями гидродинамического трения (SFRs), когда их нагнетают непрерывно с режимами больших сдвиговых усилий. На фигуре 27 приведено сравнение между величиной %DR, полученной для состава CFR1 по примеру 1, и состава SFR, содержащего 5,5 мл/л CTAC, 1,33 г/л салицилата натрия и 1 мл/л Daxad 16L, во время экспериментов, которые проводят по следующей методике: приготавливают жидкость, вводят ее во фрикционную петлю и осуществляют циркулирование с очень низкой скоростью с тем, чтобы гарантировать, что в петле не осталось воздуха и никаких повреждений не причиняется жидкости. Скорость потока постепенно увеличивают с 0 кг/мин до приблизительно 42,5 кг/мин с инкрементами приблизительно 2,5 кг/мин за каждые 90 сек. Для каждой скорости потока измеряют перепад давления и величину %DR и рассчитывают средние значения. Обе жидкости выдерживают с максимальной скоростью потока приблизительно в течение 10 минут, а затем скорость потока постепенно уменьшают с инкрементами приблизительно 5 кг/минут за каждые 90 сек и для каждой скорости потока вновь определяют перепад давления и величину %DR.
Как показывают данные, величина %DR, эффективно измеренная для стандартных понизителей гидродинамического трения CFRs, при больших скоростях сдвига является функцией времени закачки вследствие вызванной сдвигом деградации, которая наблюдается для высокомолекулярных полимеров при больших скоростях сдвига. Аналогичные эксперименты, проведенные для SFR жидкостей по настоящему изобретению, показывают, что величина %DR, полученная для заданного массового потока, не зависит от времени воздействия на жидкость в режимах больших сдвиговых усилий. Другими словами, SFR жидкости по настоящему изобретению поддерживают свою %DR способность в течение длительного, возможно, неограниченного периода времени, поскольку большие величины сдвига не приводят к необратимой деградации структуры, которая ответственна за снижение гидродинамического трения.
Пример 23:
Величину %DR для жидкости, содержащей различные количества хлорида цетилтриметиламмония (Arquad 16-50), салицилата натрия и 0,5 или 0,8 г/т Daxad 16L, измеряют при температуре 26,6°С (80°F) в секции длиной 1220 м (4000 футов) спиральной трубки с диаметром 50,8 мм (2 дюйма). Результаты представлены на фигуре 28.
Приведенные в настоящем описании составы могут быть модифицированы и оптимизированы таким образом, чтобы получить оптимальные величины %DR, необходимые специалисту для проведения работ в полевых условиях. Предпочтительная величина %DR для каждой обработки будет сбалансирована и оптимизирована за счет сочетания с другими факторами, такими как размеры обсадных и продуктивных труб, глубина обработки, температура на поверхности и на дне скважины, давление вниз по скважине, давление в продуктивном пласте и профиль нагрузки, модуль деформации скального грунта, максимальная мощность, доступная на месторождении, тип рассола и его плотность. Для оптимального выбора жидкости для осуществления интенсивного гидроразрыва или герметизации следует учитывать также и другие факторы, такие как затраты, тип проппанта, размер, плотность, доступность и качество воды.
Пример 24:
Такие параметры, как вязкость, являются параметрами, которые важно учитывать для достижения оптимального транспорта проппанта и осуществления интенсивного гидроразрыва или гидроизоляции. Обычно полагают, что осаждение частиц в вязкой жидкости можно рассчитать, используя закон Стокса:
(Уравнение 2)
s
p
f
p
f
p
f
2
3
3
2
где: V обозначает скорость осаждения частиц (см/сек) (вертикально вниз, если ρ > ρ, и вверх, если ρ < ρ), r обозначает радиус Стокса частиц (см), g обозначает стандартную силу тяжести (см/сек), ρ обозначает плотность частиц (г/см), ρ обозначает плотность жидкости (г/см), η обозначает вязкость жидкости (дин·сек/см).
-1
Вязкость жидкости важно учитывать также для получения достаточно широкого разрыва, как могут установить специалисты в области гидроразрыва при рассмотрении упругой деформации. Вязкость трех составов понизителей гидродинамического трения, обозначенных как SFR1, SFR2 и SFR4, сравнивают с вязкостью трех жидкостей, приготовленных с использованием 0,5 мл/л обычных понизителей гидродинамического трения на основе патентованных составов, обозначенных как CFR1, CFR2 и CFR3. Как показано на фигуре 29, вязкость при больших скоростях сдвига (в частности, 100 сек) значительно выше для всех трех SFR жидкостей по сравнению с CFR жидкостями с аналогичными величинами %DR. Кроме того, вязкость при малой величине сдвига, которая обычно коррелирует с суспендирующими способностями жидкостей, значительно больше для SFR жидкостей, чем для CFR жидкостей.
Можно ожидать, что указанная разница в вязкости скажется на осуществлении гидроразрыва за счет обеспечения лучшей способности транспортировать проппант и позволит создавать более широкие трещины и, таким образом, можно будет эффективно закачивать бóльшие концентрации проппанта, не рискуя при этом вызвать преждевременное выпадение песка из жидкости гидроразрыва.
Пример 25:
Для того чтобы дополнительно доказать, что жидкости по настоящему изобретению имеют преимущества при получении жидкостей гидроразрыва, обладающих меньшим гидродинамическим трением и лучшей способностью транспортировать проппант по сравнению с аналогичными жидкостями гидроразрыва на основе полимеров, проводят следующие статические эксперименты по осаждению песка.
Готовят жидкость, содержащую 0,1 мл/л патентованной жидкости на основе винилового полимера для уменьшения гидравлического сопротивления (жидкость 1) и сравнивают с жидкостью, содержащей 2,75 мл/л хлорида цетилтриметиламмония (СТАС), 0,25 г/л салицилата натрия и 0,333 мл/л Daxad 16L (жидкость 2). Небольшое количество (приблизительно от 10 до 20) частиц проппанта (либо 20/40 меш США керамического проппанта CarboHSP, получаемого от компании Carbo Ceramics, Inc., Irving, TX, USA, или 20/40 меш песка) распределяют по поверхности приблизительно 500 мл жидкости в отградуированном цилиндре. Измеряют время осаждения первой и последней частицы. Указанную процедуру проводят потому, что частицы имеют не вполне сферическую форму и имеют различные размеры и различную массу; использование множества частиц представляет собой способ рандомизации процесса для получения более согласованных результатов. Результаты, в секундах, приведены ниже в таблице 2; осаждение песка происходит значительно медленнее в жидкости 2, чем в жидкости 1.
Таблица 2Результаты статического осаждения песка для стандартного понизителя гидродинамического трения и суспендирующего понизителя гидродинамического трения
carbo HSP 20/40
песок 20/40
первый эксперимент
второй эксперимент
третий эксперимент
первая
последняя
первая
последняя
первая
последняя
жидкость 1
2
4
3
5
2
4
жидкость 2
4
9
5
10
5
11
Пример 26:
Измеряют скорость осаждения составов жидкостей с возрастающими концентрациями для двух поверхностно-активных веществ: хлорида таллотриметиламмония (Arquad T50, используют в примере 17) и хлорида цетилтриметиламмония (Arquad 16-50, используют в примере 8) для различных соотношений салицилата натрия и Daxad-16L. Различные полученные составы приведены в таблице 1. Результаты представлены на фигуре 30.
Пример 27:
В соответствии с составами, приведенными в таблице 3, готовят несколько SFR жидкостей в виде смесей с различными массовыми отношениями двух компонентов: SFR компонента, который выбирают среди SFR жидкостей, полученных в примерах 5, 6 и 21, и CFR компонента, который выбирают среди CFR жидкостей, полученных в примерах 1 и 23. SFR компонент добавляют к жидкости в концентрации, приведенной в соответствующих примерах. CFR компонент добавляют в количестве 1 мл/л. Внешний вид различных компонентов оценивают визуально по рейтингу Р (проходит) или F (не проходит). Рейтинги приведены ниже в таблице 3.
Выбор SFR и CFR для комбинаций, аналогичных тем, которые описаны в данном примере, может включать любые из SFR составов, раскрытых в ранее приведенных примерах, а также любые из пригодных для использования по настоящему изобретению и любые из доступных CFR составов. Специалисты смогут выбрать подходящие комбинации SFRs и CFRs с подходящими концентрациями, чтобы получить свойства, необходимые для SFR жидкости с точки зрения цены, снижения гидравлического сопротивления, вязкости, суспендирующей способности и внешнего вида жидкости, используя комбинацию тестов, приведенных в настоящем описании.
Таблица 3Протестированные составы и их визуальная оценка
Состав SFR
SFR компонент
CFR компонент
Визуальная оценка
SFR10
SFR1
CFR1
P
SFR11
SFR1
CFR2
F
SFR12
SFR1
CFR3
F
SFR13
SFR2
CFR1
P
SFR14
SFR2
CFR2
P
SFR15
SFR2
CFR3
P
SFR16
SFR4
CFR1
F
SFR17
SFR4
CFR2
F
SFR18
SFR4
CFR3
F
Пример 28:
3
3
3
Гидроразрыв проводят на нижнем месторождении Williams Fork Formation бассейна North Piceance Basin, используя стандартный состав для снижения гидравлического сопротивления по примеру 1, который разбавляют, используя воду в качестве жидкости-носителя, в количестве 1 л/м. При проведении обработки вносят в общей сложности 54300 кг (120000 фунтов) песка. Обработка продолжается в течение 2 час и 55 мин и требует 1510 м (9500 баррелей) воды. Чтобы предотвратить преждевременное закрытие трещины, максимальная разрешенная при проведении обработки концентрация песка составляет 0,5 ppa (фунтов на галлон закачанной жидкости-носителя). 1 рра эквивалентен 0,12 кг песка на литр жидкости. Скорость нагнетания составляет 8,58 м/мин (54 барреля в минуту). За проведением обработки следят в реальном масштабе времени. На фигуре 32 приведен разработанный баланс концентрации проппанта для проведения обработки. Обработку проводят в соответствии с планом эксперимента.
3
3
3
3
Соседнюю скважину выбирают для проведения гидроразрыва с использованием состава суспендирующего понизителя гидродинамического трения SFR1 по примеру 5, который содержит 7,5 л/м концентрированного поверхностно-активного вещества “quat” и 7,5 л/м активатора снижения гидравлического сопротивления “dragred1”, разбавленного водой, используемой в качестве жидкости-носителя. Вязкость, совместимость с качеством воды, снижение гидравлического сопротивления и способность транспортировать проппант для жидкости SFR1 оптимизируют с целью разработать схему проведения указанного гидроразрыва. Максимальную разрешенную при проведении обработки концентрацию песка можно безопасно увеличить до 2,0 ppa. В результате обработки размещено 72400 кг (160000 фунтов) песка (размещено на 30% больше проппанта). Обработка продолжается 2 час (время нагнетания на 20% меньше) и требует лишь 953 м (6000 баррелей) воды (на 37% меньше воды). Скорость закачки составляет 7,63 м/мин (48 баррелей в минуту). За проведением обработки следят в реальном масштабе времени. На фигуре 32 приведен разработанный баланс концентрации проппанта для проведения обработки. Обработку проводят в соответствии с планом эксперимента.
Пример 29:
3
3
3
Гидроразрыв проводят (площадка 5, скважина А) в горизонтальной скважине, пробуренной в нижней части месторождения Woodford Shale бассейна Coalgate basin, используя состав стандартного понизителя гидродинамического трения, обозначенный как CFR2, с концентрацией 0,75 л/м в воде. Во время обработки размещают в общей сложности 138000 кг (306000 фунтов) песка. Для обработки требуется 2294 м (606000 галлонов) воды. Чтобы предотвратить преждевременное закрытие трещины, максимальная концентрация песка, которая безопасна при проведении обработки, составляет 1,5 рра. Чтобы добиться корректного размещения песка, обработку проводят, чередуя периоды внесения чистой воды (без песка) и периоды внесения проппанта (проппант в жидкости). Стадии обработки чистой водой обычно осуществляют в процессе обработки с целью снижения поверхностного натяжения, чтобы смыть песок, выпавший вблизи приствольной части трещины, вглубь продуктивного пласта. Скорость закачки составляет 12,72 м/мин (80 баррелей в минуту). За проведением обработки следят в реальном масштабе времени, и зарегистрированная концентрация проппанта приведена на фигуре 33 как функция времени. Это типичная площадка для проведения обработки подобного типа. Для указанной скважины проводят 6 обработок для 6 перфорированных промежутков. Аналогичные результаты получают для других перфорированных зон скважины. Полученные результаты и условия обработки собраны в таблице 4.
Таблица 4Сравнение проведенных в полевых условиях обработок с использованием стандартного понизителя гидродинамического трения CFR2 и поверхностно-активного понизителя гидродинамического трения SFR4
Скважина
Стадия
Жидкость
Максимальная концентрация проппанта
# порции проппанта
жидкость (*10<sup>3</sup> галлонов)
песок(*10<sup>3 </sup>фунтов)
A
1
CFR2
1,6
17
629
294
A
2
CFR2
1,6
17
584
297
A
3
CFR2
2,2
17
576
298
A
4
CFR2
1,4
17
583
240
A
5
CFR2
1,6
17
606
306
A
6
CFR2
1,7
17
543
325
<b>среднее значение</b>
<b>1,7</b>
<b>17</b>
<b>587</b>
<b>293</b>
B
1
SFR4
2,4
17
612
315
B
2
SFR4
2,2
17
614
343
<b>среднее значение</b>
<b>2,3</b>
<b>17</b>
<b>613</b>
<b>329</b>
B
3
SFR4
2,1
10
597
367
B
4
SFR4
2,3
10
545
380
B
5
SFR4
1,8
10
562
313
B
6
SFR4
2,3
10
554
296
<b>среднее значение</b>
<b>2,1</b>
<b>10</b>
<b>565</b>
<b>339</b>
Пример 30:
3
3
Соседнюю скважину выбирают для проведения гидроразрыва с использованием состава суспендирующего понизителя гидродинамического трения SFR4 по примеру 21. Вязкость, совместимость с качеством воды, снижение гидравлического сопротивления и способность транспортировать проппант для жидкости SFR4 оптимизируют с целью разработать схему проведения указанного гидроразрыва. Для площадки 2 скважины В используют ту же схему проведения гидроразрыва, что и в примере 29, однако концентрацию проппанта повышают, насколько это возможно, при этом проведение обработки и гидроразрыва должно оставаться безопасным. Максимальная концентрация песка, которую можно длительно использовать при проведении данной обработки, увеличивается вплоть до 2,20 рра. В результате проведения обработки размещают в общей сложности 143000 кг (315000 фунтов) песка. Для проведения обработки потребляют в общей сложности 2317 м (612000 галлонов) воды. Скорость закачки составляет 12,72 м/мин (80 баррелей в минуту). За проведением обработки следят в реальном масштабе времени, и зарегистрированная концентрация проппанта приведена на фигуре 34 как функция времени. Данную обработку проводят с целью гарантировать, что ту же самую схему обработки можно осуществить при использовании SFR жидкости в сравнении с CFR2 и получить равные или лучшие результаты. Результаты для двух площадок, где проводят закачку по той же самой схеме осуществления гидроразрыва, приведены в таблице 4. Как можно видеть, использование SFR4 вместо CFR2 позволяет нагнетать более высокие концентрации проппанта и в общей сложности разместить большее количество песка.
Пример 31:
3
3
Другой интервал перфорации для одной и той же скважины (площадка 3, скважина В) выбирают для проведения гидроразрыва с использованием состава суспендирующего понизителя гидродинамического трения SFR4 по примеру 21. Вязкость, совместимость с качеством воды, снижение гидравлического сопротивления и способность транспортировать проппант для жидкости SFR4 оптимизируют с целью разработать схему проведения указанного гидроразрыва. Максимальную концентрацию песка, которая разрешена при проведении данной обработки, поддерживают на уровне 1,5 рра, однако при проведении данной обработки стадии промывки проппанта (с помощью чистой жидкости) исключают, как только концентрация проппанта превышает 1,0 рра, что позволяет осуществлять непрерывную закачку с наибольшей концентрацией проппанта. В результате размещают в общей сложности 166000 кг (367000 фунтов) песка. Для проведения обработки требуется лишь 2256 м (597000 галлонов) воды. Скорость закачки составляет 12,72 м/мин (80 баррелей в минуту). За проведением обработки следят в реальном масштабе времени, и зарегистрированная концентрация проппанта приведена на фигуре 35 как функция времени.
Пример 32:
3
3
Другой интервал перфорации для одной и той же скважины (площадка 4, скважина В) выбирают для проведения гидроразрыва с использованием состава суспендирующего понизителя гидродинамического трения SFR4 по примеру 21. Вязкость, совместимость с качеством воды, снижение гидравлического сопротивления и способность транспортировать проппант для жидкости SFR4 оптимизируют с целью разработать схему проведения указанного гидроразрыва. Максимальную концентрацию песка, которая разрешена при проведении данной обработки, увеличивают вплоть до 2,2 рра. При проведении данной обработки стадии промывки проппанта (с помощью чистой жидкости) исключают, как только концентрация проппанта превышает 1,0 рра, что позволяет осуществлять непрерывную закачку с наибольшей концентрацией проппанта. В результате размещают в общей сложности 172000 кг (380000 фунтов) песка. Для проведения обработки требуется лишь 2063 м (545000 галлонов) воды. Скорость закачки составляет 12,72 м/мин (80 баррелей в минуту). За проведением обработки следят в реальном масштабе времени, и зарегистрированная концентрация проппанта приведена на фигуре 36 как функция времени.
Пример 33:
Температура жидкости гидроразрыва при проведении интенсивной обработки во время перемещения по трубе и в процессе формирования и распространения трещины остается близкой к температуре приповерхностной воды, однако жидкость подвергается нагреву по сравнению с первоначальной температурой породы в скважине при смыкании трещины. На фигуре 37 приведена вязкость жидкостей по примеру 24, измеренная при 55°C (131°F). Показано, что некоторые из суспендирующих понизителей гидродинамического трения (SFRs) по настоящему изобретению при нагреве, который может произойти в процессе проведения интенсивного гидроразрыва после прекращения потока, могут снижать свою вязкость до вязкости воды. Другие преимущества SFR жидкостей по настоящему изобретению, которые не содержат CFR, связаны с существенным образом ассоциированным характером жидкости и отсутствием в составе веществ с большой молекулярной массой. SFR жидкости прозрачны, поскольку они не образуют полимерных фильтрационных корок и не требуют использования внешних разжижителей; они более чувствительны к маслам, разбавлению и температуре, чем CFRs, обеспечивают превосходный обратный поток и при приготовлении составов обладают определенной гибкостью по отношению к качеству воды. Чтобы жидкость не вызывала повреждений, при эффективном обратном потоке важно, чтобы вязкость жидкости уменьшалась после завершения обработки. Типичные подземные пласты, подвергнутые интенсивному гидроразрыву, имеют температуры порядка 130°F (54°C) и до 190°F (88°C).
Жидкости с хорошим балансом свойств (высокая вязкость, хороший транспорт проппанта, хорошая совместимость с водой и добавками) и с подходящей способностью снижать гидравлическое сопротивление, вероятно, являются хорошими жидкостями для нагнетания при осуществлении интенсивного гидроразрыва и при размещении гравийного фильтра. С целью дальнейшей оптимизации состава и повышения эффективности с точки зрения затрат на проведение обработки было показано, что использование простых лабораторных измерений позволяет качественно оценить некоторые из рабочих характеристик жидкостей. Когда 1 литр жидкости смешивают, избегая образования пены, и отмечают время, необходимое, чтобы весь объем прошел через воронку Марша, то отмечают, что SFR жидкостям, пригодным для использования по настоящему изобретению, требуется в диапазоне от 40 до 120 сек, чтобы полностью вытечь воронки Марша при атмосферном давлении. Жидкостям, наиболее пригодным для использования по настоящему изобретению, требуется в диапазоне от 45 до 80 сек, в то время как жидкости с недостаточной способностью снижать гидравлическое сопротивление дают время истечения меньше 45 сек (например, для воды время истечения составляет 35 сек), а для жидкостей, которые являются слишком вязкими для использования по настоящему изобретению, время истечения обычно составляет больше 120 сек.
Хотя в настоящем описании были приведены методы для добычи углеводородов и в большинстве случаев приведенные методы применяются для добычи углеводородов, они могут также использоваться в нагнетательных скважинах и для добычи других жидкостей, таких как вода или рассол. Раскрытые выше конкретные варианты осуществления настоящего изобретения приведены лишь в качестве иллюстраций, поскольку изобретение может быть модифицировано и осуществлено различными, но эквивалентными способами, которые очевидны специалистам, почерпнувшим из описания полезную информацию. Объем настоящего изобретения ограничивается лишь приведенной ниже формулой изобретения. Поэтому очевидно, что раскрытые выше конкретные варианты осуществления настоящего изобретения могут быть изменены или модифицированы, и следует считать, что все такие вариации входят в объем настоящего изобретения и соответствуют сущности настоящего изобретения.