СИСТЕМА СТАБИЛИЗАТОРОВ И УСИЛИТЕЛЕЙ ЭКСПЛУАТАЦИОННЫХ КАЧЕСТВ ВОДНЫХ ЖИДКОСТЕЙ, ЗАГУЩАЕМЫХ ВЯЗКОУПРУГИМИ ПОВЕРХНОСТНО-АКТИВНЫМИ ВЕЩЕСТВАМИ
SYSTEM OF STABILISERS AND ENHANCERS OF FUNCTIONAL QUALITIES OF AQUEOUS LIQUIDS, THICKENED BY VISCOELASTIC SURFACTANTS

Область техники
Настоящее изобретение относится к водным вязкоупругим жидкостям, применяемым в процессах добычи углеводородов, и более предпочтительно, в одном варианте, к способам и присадкам для стабилизации и улучшения таких водных, вязкоупругих жидкостей.
Предпосылки изобретения
Гидравлический разрыв пласта является методом, использующим скорость нагнетания и гидравлическое давление для разрыва или крекирования (образования трещины) подземного пласта. Как только трещина или трещины образованы, в разрыв пласта закачивается расклинивающий агент с высокой проницаемостью относительно водопроницаемости пласта, чтобы поддерживать трещину в открытом состоянии. Когда прилагаемые скорости нагнетания и давление снижаются или устраняются из пласта, трещина или разрыв не могут сомкнуться потому что высокая проницаемость расклинивающего агента поддерживает трещину в открытом виде. Поддерживаемая трещина или разрыв обеспечивают мощную проницаемость пути, связывающего продуктивную буровую скважину с большей зоной пласта, что увеличивает добычу углеводородов.
Разработка подходящих жидкостей для гидравлического разрыва является комплексной технической задачей, так как жидкости должны одновременно удовлетворять ряду условий. Например, они должны быть стабильны при высоких температурах и/или высоких скоростях нагнетания и скоростях сдвига, которые могут вызывать разложение жидкостей и преждевременное выпадение в осадок расклинивающего агента до окончания операции разрыва. Были разработаны различные жидкости, но большинство коммерчески используемых жидкостей для гидравлического разрыва являются водными основными жидкостями, которые способны либо к загущению, либо к вспениванию. В случае загущенных жидкостей, в качестве типичного загущающего агента используют полимерный загущающий агент такой, как растворимый полисахарид, который может сшиваться или не сшиваться. Загуститель или загущенная жидкость помогают удерживать расклинивающие агенты внутри жидкости во время гидравлического разрыва.
Несмотря на то, что в прошлом полимеры использовались в качестве загущающих агентов в гидравлических жидкостях для переноса или суспендирования твердых частиц в рассоле, такие полимеры, подлежащие закачиванию, требуют внесения в них дополнительных расслаивающих композиций для снижения вязкости. Кроме того, полимеры имеют тенденцию оставлять пленку на расклинивающем агенте даже после разложения загущенной жидкости, при этом пленка может препятствовать функционированию расклинивающего агента. Исследования показали также, что «fish-eyes» и/или «микрогели», присутствующие в некоторых загущенных полимерами жидкостях-носителях, закупоривают трещины в стенках скважины, что приводит к ухудшению просачивания и нарушению продуктивности пласта. Стандартные полимеры, являющиеся либо катионными, либо анионными, также имеют недостаток, подобный нарушению продуктивности пласта.
Водные жидкости, загущенные вязкоупругими поверхностно-активными веществами (VESs) также известны из уровня техники. Однако при некоторых условиях VES-загущенные жидкости через некоторое время могут расслаиваться и/или выпадать в осадок, например, при высоких температурах. Поэтому желательно разработать композицию и способ стабилизации и усиления эксплуатационных характеристик VES-загущенных жидкостей, применяемых при закачивании рабочих жидкостей таких, как жидкости для гидравлического разрыва.
Сущность изобретения
Таким образом, объектом по настоящему изобретению является водная рабочая жидкость такая, как жидкость, применяемая в операциях при добыче углеводородов, то есть загущаемая неполимерным, вязкоупругим поверхностно-активным веществом (VES), являющаяся стабильной.
Другим объектом по настоящему изобретению является способ обработки подземного пласта, использующий водную вязкоупругую жидкость, которая является стабильной и ингибирует выпадение осадка.
Еще одним объектом по настоящему изобретению является водная вязкоупругая жидкость, загущаемая VES, которая является стабильной и ингибирует выпадение осадка при сравнительно высоких температурах.
При выполнении этих и других задач по изобретению предлагается в одном варианте способ обработки подземного пласта при условии, включающем водную вязкоупругую рабочую жидкость. Жидкость содержит в себе водную основную жидкость, вязкоупругий поверхностно-активный (VES) загущающий агент и некоторое количество присадки, эффективной или для повышения стабильности и/или снижения осаждения. Присадка представляет собой оксид щелочно-земельного металла и/или гидроксид щелочно-земельного металла. Далее способ включает введение водной вязкоупругой поверхностно-активной рабочей жидкости через буровую скважину в подземный пласт. Подземный пласт обрабатывается затем жидкостью.
В другом, не лимитирующем варианте по изобретению, предлагается водная вязкоупругая рабочая жидкость, которая включает водную основную жидкость, вязкоупругий поверхностно-активный (VES) загущающий агент, и некоторое количество присадки, эффективной для повышения стабильности и/или снижения осаждения. Снова присадка представляет собой оксид щелочно-земельного металла и/или гидроксид щелочно-земельного металла.
Краткое описание чертежей.
На фиг.1 представлен график зависимости структурной вязкости 10%-ной VES водной системы разрыва при 270°F (132°С)от времени с и без 5,0 pptg (0,6 кг/л) MgO-стабилизатора.
На фиг.2 представлена фотография, изображающая две жидкости, содержащие один и тот же VES, помещенный в одинаковый рассол, где в жидкости без MgO происходит VES осаждение, а в жидкости с MgO VES осаждения не происходит.
Детальное описание изобретения
Было обнаружено, что добавление оксидов щелочно-земельных металлов, таких как оксид магния, и гидроксидов щелочно-земельных металлов, таких как гидроксид кальция, к водной жидкости, загущаемой VES, повышает вязкость жидкости, стабилизирует жидкость и предотвращает или ингибирует осаждение твердых веществ в этих рассолах. В частности, VES-загущаемые водные жидкости более стабильны при высоких температурах, таких как 200°F (93°C) или выше. Это открытие позволяет применять VES-систему при более высокой температуре и помогает минимизировать повреждение пласта после операций, проводимых при гидравлическом разрыве. Введение этих присадок в VES-системы может потребовать меньшего количества VES поверхностно-активного вещества, необходимого для получения жидкости с вязкостью, нужной для операций с применением VES или для обработок бурового раствора.
В способе по изобретению водную гидравлическую жидкость, в качестве нелимитирующего примера, получают вначале смешиванием VES с водной жидкостью. Водной основной жидкостью может служить, например, вода, рассол, водно-основные пены или водно-спиртовые смеси. Солевой основной жидкостью может быть любой рассол, стандартный или подлежащий усовершенствованию, который используется в качестве подходящей среды для компонентов с различной концентрацией. Для удобства во многих случаях рассольная основная жидкость может быть доступна благодаря использованию жидкости на месте вскрытия пласта, в качестве нелимитирующего примера.
Рассолы, используемые в жидкостях по настоящему изобретению, могут быть приготовлены с применением солей, включающих, не ограничивая, хлорид натрия, хлорид калия, хлорид кальция, хлорид магния, хлорид аммония, бромид кальция, бромид натрия, формиат натрия, формиат калия и другие, обычно используемые соли в растворах для стимуляции скважины и вскрытия пласта. Концентрация солей для приготовления рассолов может составлять приблизительно от 0,5 мас.% до насыщенных растворов для данной соли в пресной воде таких, как водные растворы с концентрациями 10, 20, 30 и более мас.%. Рассол может представлять собой комбинацию одной или более из названных солей, как, например, рассол, приготовленный с применением хлорида натрия и хлорида кальция, или хлорида натрия, хлорида кальция и бромида кальция, в качестве нелимитирующих примеров.
Для смешения может быть использован любой подходящий смесительный аппарат. В случае использования мешалки периодического действия продолжительность перемешивания VES и водной жидкости определяется необходимостью образования загущенного или вязкого раствора. VES, который применяется по настоящему изобретению, может быть любым из VES систем, подобным применяемым в промышленном обслуживании скважин, и может включать, не лимитируя, амины, соли аминов, соли четвертичного аммония, оксиды амидоаминов, оксиды аминов, их смеси и подобные им. Соответствующие амины, соли аминов, соли четвертичного аммония, оксиды амидоаминов и другие ПАВ описаны в патентах US 5964295, 5979555 и 6239183, которые включены в данное описание посредством ссылок.
Вязкоупругие ПАВ улучшают характеристику гидравлической жидкости для разрыва пласта посредством применения свободной от полимера системы. Эти системы, часто с улучшенной стойкостью к вязкостному расслоению, с более высокой способностью переноса нефтеносных пород, легче утилизируются после обработки и являются относительно более безопасными при эксплуатации резервуаров. Эти системы также легче смешиваются «on the fly» на месте эксплуатации месторождения, и не требуют многочисленных дополнительных присадок в жидкую систему, как некоторые рассмотренные ранее системы.
Вязкоупругие ПАВ для применения по настоящему изобретению включают, не лимитируя, неионные, катионные, амфотерные и биполярные («zwitterionic») ПАВ. Характерные примеры биполярных/амфотерных ПАВ включают, не лимитируя, дигидроксилалкилглицинат, алкиламфоацетат или - пропионат, алкилбетаин, алкиламидопропилбетаин и моно- или диалкилиминопропионаты, получаемые из определенных восков, жиров и масел. Четвертичные амины являются типичными катионными ПАВ, а бетаины типичными биполярными ПАВ. Загущающий агент может использоваться в сочетании с неорганической водорастворимой солью или органической добавкой, такой как фталевая кислота, салициловая кислота или их соли.
Некоторые неионные жидкости по существу наносят меньший ущерб для производительности пласта, чем жидкости катионного типа, и более эффективны в расчете на фунт, чем анионные загущающие агенты. Аминоксидные вязкоупругие ПАВ обладают большей загущающей мощностью в расчете на фунт, что делает их менее дорогостоящими, чем другие жидкости этого типа.
+
/
-
2
Аминоксидные загущающие агенты RN(R)O имеют следующую структуру (I):
'
'
'
где R обозначает алкильную или алкиламидную группу, содержащую в среднем от 8 до 24 атомов углерода, а R обозначает независимые алкильные группы, содержащие в среднем от 1 до 6 атомов углерода. В одном нелимитирующем варианте R обозначает алкильную или алкиламидную группу, содержащую в среднем от 8 до 16 атомов углерода, а R обозначает независимо алкильные группы, содержащие в среднем от 2 до 3 атомов углерода. В альтернативном, не ограничивающем варианте, аминоксидный загущающий агент представляет собой пропитанный жиром (tallow) амидпропиламиноксид (ТАРАО), под которым следует подразумевать дипропиламиноксид, так как обе R группы обозначают пропильные группы.
Материалы согласно патенту US 5964295 включают ClearFRAC, который может содержать также более 10% гликоля. Одним предпочтительным VES является оксид амина. Как было отмечено, особенно предпочтительным оксидом амина является пропитанный жиром амидпропиламиноксид (ТАРАО), предоставляемый фирмой Baker Oil Tools под названием SurFRAQ™ VES. SurFRAQ представляет собой VES жидкий продукт, состоящий из 50% ТАРАО и 50% пропиленгликоля. Эти вязкоупругие ПАВ способны загущать водные растворы с образованием загущенной основной жидкости. Присадки по настоящему изобретению могут быть также использованы в Diamond FRAQ™, являющейся VES системой, подобной SurFRAQ, содержащей VES брокеры, предоставляемые фирмой Baker Oil Tools.
Количество VES, включенное в жидкость для гидравлического разрыва, зависит от двух факторов. Первый включает генерирование достаточной вязкости для контроля скорости просачивания жидкости в поры разрыва пласта, а второй включает генерирование вязкости, достаточной для поддерживания частиц расклинивающего агента, суспендированных в нем, во время остановки подачи жидкости, в не лимитируемом случае, жидкости гидравлического разрыва. Таким образом, в зависимости от применения VES добавляют к водной жидкости в концентрациях в диапазоне приблизительно от 0,5 до 12,0 об.% от общего объема водной жидкости (от 5 до 120 галлонов на тысячу галлонов (gptg). В другом, не лимитирующем варианте, количество VES продукта по настоящему изобретению составляет приблизительно от 1,0 до 6,0 об.%. В альтернативном, не лимитирующем варианте по изобретению, количество VES составляет приблизительно от 2 до 10 об.%.
3
3
Добавки по настоящему изобретению включают, не лимитируя, оксиды щелочно-земельных металлов, или гидроксиды щелочно-земельных металлов, или их смеси. В одном, не лимитирующем варианте, щелочно-земельным металлом является магний, кальций, барий и/или стронций. В одном, не лимитирующем варианте, количество добавки составляет приблизительно от 0,5 до 40 фунтов на тысячу галлонов (pptg) (0,06-4,8 кг/м) водной жидкости. В другом, не лимитирующем варианте, количество составляет приблизительно от 2 до 10 pptg (0,24-1,2 кг/м).
Как отмечалось, было обнаружено, что водная вязкоупругая рабочая жидкость, обработанная этими добавками, имеет улучшенную стабильность по сравнению с жидкостью без добавки. Это особенно справедливо при повышенных температурах, равных приблизительно 200°F (93°C) или выше. Альтернативно, эта температура может быть равна или выше приблизительно 220°F (104°C), или в другом, не лимитирующем варианте, равна или выше приблизительно 230°F (110°C). Дополнительно или альтернативно, водная вязкоупругая рабочая жидкость, содержащая эту добавку, имеет пониженную способность к осаждению по сравнению с жидкостью без добавки. Следует понимать, что нет необходимости полностью устранять осаждение, чтобы считать данное изобретение удачным, хотя предотвращение осаждения представляет собой определенную цель.
Было найдено также, что вязкость VES-загущенной водной жидкости можно повышать, применяя добавки по настоящему изобретению. Поэтому, несмотря на то, что вязкоупругие ПАВ (VES) являются относительно более дорогостоящими, с добавками по настоящему изобретению, их можно использовать в меньших количествах по сравнению со стандартными ПАВ для получения одинаковой вязкости, что позволяет снизить общую стоимость загущенной жидкости.
3
В работах по гидравлическому разрыву пласта расклинивающие агенты обычно добавляются к основной жидкости после добавления VES. Расклинивающие агенты включают, не лимитируя, например, гранулы кварцевого песка, стеклянные и керамические шарики, гранулы боксита, фрагменты ореховой скорлупы, окатыши алюминия, окатыши нейлона и им подобные. Расклинивающие агенты стандартно используются в концентрациях от 1 до 14 фунтов на галлон (120-1700 кг/м) композиции для гидравлического разрыва, но могут быть использованы более высокие или более низкие концентрации в зависимости от конструкции разрыва. Основная жидкость может содержать также другие стандартные добавки, общие для промышленного обслуживания скважин такие, как водные смачивающие ПАВ, деэмульгаторы и им подобные. По настоящему изобретению основная жидкость может также содержать присадки, которые могут способствовать расслоению геля (снижению вязкости) VES жидкости.
Хотя вязкоупругие жидкости по изобретению представлены в данном описании в качестве жидкостей для гидравлического разрыва, можно ожидать, что они найдут применение в жидкостях для кислотной обработки скважин, в жидкостях для гравийной набойки, в жидкостях для интенсификации притока и им подобных. Конечно, когда рабочая жидкость является жидкостью для гидравлического разрыва, жидкости содержат также, по меньшей мере, эффективное количество расклинивающего агента, чтобы удерживать разрывы открытыми, и жидкость вводится в пласт при достаточном и эффективном давлении и скорости накачивания в разрыв пласта. Когда рабочая жидкость является жидкостью для кислотной обработки, она кроме того содержит эффективное количество неорганической, либо органической кислоты достаточной силы, чтобы провести кислотную обработку пласта. Если вязкоупругие ПАВ применяются в жидкости для гравийной набойки, загущающий агент помогает поддержать эффективное количество гравия внутри жидкости. Если вязкоупругие ПАВ применяются в другой жидкости для интенсификации скважины, используется эффективное количество любого дополнительного стимулирующего агента. Когда вязкоупругие ПАВ применяются в жидкости для контроля борьбы с потерями жидкости, используется эффективное количество соли или легкоудаляемого твердого вещества, и аминооксидные загущающие агенты помогают суспендировать соли или твердые вещества в жидкости. Эти другие компоненты рабочих жидкостей хорошо известны из уровня техники.
В другом варианте по изобретению рабочая жидкость может содержать другие загущающие агенты, другие ПАВ, глинистые стабилизационные добавки, растворители накипи, биополимерные разрушающие добавки и другие стандартные компоненты.
Расклинивающий агент, твердые частицы или гравий могут быть любым твердым раздробленным веществом, подходящим для этой цели, например, в качестве сетки или расклинивающего агента и т.п. Подходящие материалы включают, не лимитируя, песок, спеченные гранулы боксита, раздробленный карбонат кальция, раздробленные соли, керамические шарики и им подобные, а также их комбинации. Эти твердые вещества также могут быть использованы для контроля борьбы с потерями жидкости.
Основной способ состоит в ведении расклинивающего агента в несущую жидкость или в рабочий поток рассола, нагнетаемого с помощью подходящих насосов, которые, например, подают жидкость с гравийной набойкой. Для осуществления этого расклинивающий агент суспендируется в загущенном рассоле. Расклинивающий агент может быть таким образом доставлен посредством небольшого инжекторного насоса в несущую жидкость в направлении струи, выходящей от насоса, с использованием переноса жидкости для гравийной набойки или другой рабочей жидкости.
Изобретение далее описывается с использованием следующих примеров, которые, однако, не ограничивают изобретения, но служат дополнительной иллюстрацией различных вариантов.
Примеры 1-2
Изобретение тестируют в растворе хлорида кальция с концентрацией 10,5 ppg (1,26 кг/л) при 270°F (132°C). Пример 1 не содержит никаких добавок щелочно-земельных металлов. Вязкость измеряют на Grace Instrument Company М5500 НТНР вискозиметре при указанных скоростях сдвига в интервале температур, приведенных в таблице 1. Можно видеть, что при каждой скорости сдвига, вязкость при данной температуре быстро снижается как функция времени. Тестирование останавливают только после 40 мин.
В примере 2 к системе примера 1 добавляют систему стабилизации с 2,5 pptg (0,3 кг/м) оксида магния и осуществляют тестирование при тех же скоростях сдвига относительно времени. Однако видно, что вязкость со временем только слегка уменьшается. Тестирование останавливают после двух часов, так как оказывается, что обработанная VES-загущенная водная жидкость остается стабильной. На фиг.1 представлен график значений вязкости примера 1 и примера 2 в виде функций от времени со скоростью 1 сдвиг в течение 100 сек, демонстрирующий контраст между двумя примерами и значительное увеличение стабильности при введении добавок.
Таблица 1
2
Пример 1: 1-10%VES в 10,5 ppg (1,26 кг/л) CaCl солевого раствора, 270°F (132°С) (без добавок)
Время (мин)
511 сек<sup>-1</sup>
170 сек<sup>-1</sup>
100 сек<sup>-1</sup>
40 сек<sup>-1</sup>
0
75
107
127
170
20
34
46
53
68
40
8
10
12
15
2
Пример 2: 10% VES в 10,5 ppg (1,26 кг/л) CaCl солевого раствора, 132°С, 5 pptg, (0,6 кг/м) системного стабилизатора
Время (мин)
511 сек<sup>-1</sup>
170 сек<sup>-1</sup>
100 сек<sup>-1</sup>
40 сек<sup>-1</sup>
0
78
110
131
176
20
63
88
103
136
40
72
102
121
162
60
73
104
123
164
80
73
103
122
163
100
71
101
119
159
120
71
101
119
159
Пример 3
Две различные рассольные жидкости, имеющие одинаковую VES нагрузку, представлены на фиг.2. Жидкость слева содержит стабилизирующую добавку по изобретению - оксид магния, в то время как справа - не содержит. При тестировании при температуре выше 200°F (93°С), в жидкости без оксида магния обнаруживается выпадение в осадок VES поверхностно-активного вещества, тогда как в жидкости с оксидом магния выпадения VES поверхностно-активного вещества не наблюдается.
В приведенном выше детальном описании изобретение описано со ссылкой на характерные варианты и представлено как эффективное в качестве рабочей жидкости со стабильной вязкостью ПАВ геля. Однако должно быть очевидным, что различные модификации и изменения можно осуществить, не выходя за рамки данного изобретения, объем которого определяется формулой изобретения. Таким образом, детальное описание должно рассматриваться скорее в иллюстративном, чем в ограничительном смысле. Например, специфические комбинации соляных растворов, вязкоупругих ПАВ, оксидов и гидроксидов щелочно-земельных металлов и других компонентов, соответствующих предъявляемым параметрам, но не охарактеризованных или не испытанных в отдельной композиции, также должны быть введены в объем данного изобретения.