Результат интеллектуальной деятельности: ЖИДКОСТЬ ДЛЯ ОБРАБОТКИ ПРИСТВОЛЬНОЙ ЗОНЫ С ПРИМЕНЕНИЕМ СИСТЕМЫ И СПОСОБА РАЗЖИЖЕНИЯ НА ОСНОВЕ ОКИСЛИТЕЛЯ

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ

Настоящее изобретение относится к жидкостям для обработки приствольной зоны, применяемым при обработке подземных формаций. В частности, изобретение относится к жидкостям для обработки приствольной зоны, имеющим повышенную вязкость, и композициям и способам для разжижения таких жидкостей.

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

Изложенное в данном разделе просто предоставляет собой сведения об уровне техники, относящиеся к настоящему изобретению, и не может являться известным уровнем техники.

В нефтегазовой промышленности углеводные полимеры применяют в качестве вязких жидкостей для гидроразрыва пласта. Эти полимеры можно подвергать сшиванию с различными ионами, такими как бор, цирконий и титан, для дополнительного увеличения их вязкости. Полисахариды, такие как гуар и гуаровые производные, обычно применяют для увеличения вязкости жидкостей на водной основе для гидравлического разрыва пласта и переноса расклинивающего агента. Расклинивающий агент остается в созданном разломе для поддержания разлома раскрытым и создания подводящего канала, проходящего от ствола скважины в формацию по длине разлома. После того как формирование разлома закончено, извлечение жидкости для гидроразрыва является решающим фактором в ускорении добычи углеводородов через созданный канал.

Частично, извлечение жидкости для гидроразрыва осуществляют путем снижения вязкости жидкости до такой степени, что жидкость естественным путем вытекает через барьер из расклинивающего агента в разломе. Обычно для разжижения полимерных сеток с целью снижения их вязкости применяют химические реагенты, такие как окислители, хелатирующие реагенты, кислоты и ферменты. Как правило, эти вещества называют “реагентами для разжижения” или “разжижающими агентами”.

Важным фактором является синхронизация разжижения по времени. Гели, преждевременно подвергнутые разжижению, могут вызвать осаждение расклинивающего агента до достижения достаточной глубины созданного разлома и привести к преждевременному выпадению расклинивающего агента из жидкости для гидроразрыва. Предварительное разжижение может также привести к образованию разлома менее предпочтительной ширины. С другой стороны, также нежелательно слишком большое замедление разжижения геля. Замедленное разжижение может вызвать существенный спад добычи углеводородов. Указанные факторы, в том числе, уровни реакционной способности в зависимости от температуры, механизмы замедления и недостаточная очистка барьера из расклинивающего агента обуславливают значительные сложности при проектировании успешной системы для разжижения.

Броматы аммиака или щелочных металлов (лития, натрия или калия) являются сильными окислителями. Эти соли и их инкапсулированные формы широко применяются в качестве агентов, разжижающих жидкости для гидроразрыва пласта на основе гуара, в том числе гуара, гидроксипропилгуара (ГПГ), карбоксиметилгидроксипропилгуара (КМГПГ) и карбоксиметилгуара (КМГ).

Также сообщалось о применении соединений переходных металлов (хлорида меди и сульфата марганца) в качестве катализаторов для бромата, которые позволяют использовать его при более низких температурах. Аналогичные катализаторы применяют для хлорита натрия, который также является окислителем.

Броматные разжижающие агенты являются эффективными при окислении сшитых полимеров на основе гуара при температурах 250°F (121°C) или выше. Было бы полезно иметь активаторы для таких броматных разжижающих агентов и других окислительных разжижающих агентнов, способных сделать их применение эффективными при более низких температурах.

Соответственно, существует потребность в разработке системы разжижения, которая преодолеет эти ограничения.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Композицию жидкости для обработки подземной формации получают из жидкости на водной основе, подверженного гидратации полимера и системы разжижения полимера. Система разжижения полимера включает окислительный разжижающий агент и активатор, способный обеспечить источник бисульфитных ионов. Разжижающий агент, активатор или оба могут находиться в инкапсулированной форме, форме с покрытием или могут содержаться в суспензии. Согласно некоторым вариантам реализации изобретения, композиция также содержит сшивающий агент, способный сшивать полимер, подверженный гидратации.

Способ обработки подземной формации можно также осуществить путем получения обрабатывающей жидкости, содержащей водный раствор гидратированного полимера и систему разжижения полимера. Система разжижения полимера включает разжижающий агент, представляющий собой окислитель, и активатор, способный обеспечить источник бисульфитных ионов. Жидкость для обработки приствольной зоны вводят в формацию для осуществления обработки, которая может включать гидроразрыв пласта или набивку гравия. Стадия введения жидкости для обработки приствольной зоны в формацию может включать нагнетание жидкости для обработки приствольной зоны в часть формации, статическая температура которой составляет примерно от 25°C до примерно 177°C. В некоторых вариантах применения, жидкость для обработки приствольной зоны можно вводить при давлении, превышающем давление разлома формации.

Окислительный разжижающий агент может быть выбран по меньшей мере из одного из: броматного разжижающего агента, хлоритного разжижающего агента, пероксидного разжижающего агента, перборатного разжижающего агента, перкарбонатного разжижающего агента, перфосфатного разжижающего агента или персульфатного разжижающего агента. Разжижающий реагент может также включать бромат щелочного металла, бромат аммония или бромат щелочноземельного металла. Согласно некоторым вариантам реализации изобретения, броматный разжижающий реагент выбран по меньшей мере из одного из: бромата калия, натрия, лития или аммония.

Активатор может представлять собой источник бисульфитных ионов, выбранный из щелочных металлов в твердой форме или растворов бисульфита щелочных металлов, щелочных металлов в твердой форме или растворов метабисульфита щелочных металлов, аммония в твердой форме или растворов бисульфита аммония, аммония в твердой форме или растворов метабисульфита аммония, растворов бисульфита щелочноземельных металлов и растворов метабисульфита щелочноземельных металлов. В некоторых случаях активатор выбран из бисульфита натрия, бисульфита калия, бисульфита аммония, бисульфита лития, метабисульфита натрия, метабисульфита калия, метабисульфита аммония и метабисульфита лития.

Согласно некоторым вариантам реализации изобретения, полимер может быть выбран из полисахаридов, галактоманнанов, гуара, гуаровых смол, гуаровых производных, целлюлозы и производных целлюлозы, полиакриламидов, частично гидролизованных полиакриламидов, сополимеров, содержащих акриламид и другие мономеры, в том числе акриловую кислоту, метакриловую кислоту, четвертичные солей аммония, полученные из акриламида или акриловой кислоты, хлорида диметилдиаллиламмония, акриламидометилпропансульфоновой кислоты, хлорида акриламидоэтилтриметиламмония, N-винилпирролидона, N-винилформамида, N-винилацетамида, малеиновой кислоты, итаконовой кислоты, винилсульфоновой кислоты, винилфосфоновой кислоты и сульфоната, содержащего мономеры, и гетерополисахаридов с тетрасахаридными повторяющимися звеньями в основной цепи полимера, согласно химической формуле:

,

где по меньшей мере три различных сахарида присутствуют в повторяющемся звене, причем указанные сахариды включают D-глюкозу, D-глюкуроновую кислоту и L-рамнозу или L-маннозу; M⁺ представляет собой ион; R¹, R², R³, R⁴, R⁵, R⁶, R⁷, R⁸, R⁹ и R¹⁰ выбраны из группы, состоящей из водорода, метила, ацетила, глицерила или сахаридной группы, содержащей от одного до трех сахаридных звеньев; R¹¹ представляет собой метильную или метилольную группу; и средневесовая молекулярная масса (Mw) гетерополисахарида составляет примерно от 10⁵ до примерно 10⁷.

В некоторых вариантах применения, разжижающий агент смешивают с жидкостью для обработки приствольной зоны в количестве от более, чем 0% до примерно 200% по массе полимера в жидкости для обработки приствольной зоны, и активатор смешивают с жидкостью для обработки приствольной зоны в количестве примерно от 1 до примерно 200% по массе полимера в жидкости для обработки приствольной зоны. В других вариантах применения, разжижающий агент можно смешать с жидкостью для обработки приствольной зоны в количестве примерно от 8% до примерно 80% по массе полимера в жидкости для обработки приствольной зоны, и активатор смешивают с жидкостью для обработки приствольной зоны в количестве примерно от 4% до примерно 40% по массе полимера в жидкости для обработки приствольной зоны.

В жидкость для обработки приствольной зоны можно также включить агент, замедляющий разжижение. Агент, замедляющий разжижение, может быть выбран по меньшей мере из одного из NaNO₂, NaNO, Na₂S₂O₃, триэтаноламина, тиомочевины и мочевины.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ФИГУР

Для более полного понимания настоящего изобретения и его преимуществ, приведено дальнейшее описание в сочетании с прилагаемыми фигурами, при этом:

На фиг.1 показан график зависимости вязкости сшитой гуаровой жидкости от времени при применении систем на основе разжижающего агента в виде бромата натрия/бисульфита натрия при 175°F (79,4°C);

На фиг.2 показан график зависимости вязкости сшитой гуаровой жидкости от времени при применении и систем на основе разжижающего агента в виде бромата натрия и инкапсулированного метабисульфита натрия при 175°F (79,4°C);

На фиг.3 показан график зависимости вязкости сшитой гуаровой жидкости с 4% хлоридом калия от времени при применении систем на основе разжижающего агента в виде бромата натрия и инкапсулированного метабисульфита натрия при 175°F (79,4°C);

На фиг.4 показан график зависимости вязкости сшитой гуаровой жидкости от времени при применении систем на основе разжижающего агента в виде хлорита натрия/бисульфита натрия при 175°F (79,4°C); и

На фиг.5 показан график зависимости вязкости поперечно-сшитой гуаровой жидкости от времени при применении систем на основе разжижающего агента в виде персульфата аммония/бисульфита натрия при 100°F (37,8°C).

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ

Вначале, следует отметить, что при разработке любого осуществляемого варианта реализации изобретения, должны быть сделаны многочисленные выводы о возможности внедрения с целью достижения конкретных целей разработчика, таких как совместимость с ограничениями, связанными с техническими системами и коммерческой деятельностью, которые будут варьировать при реализации того или иного внедрения. Более того, следует учитывать, что такие подготовительные работы могут быть сложными и длительными, но тем не менее являются рутинной задачей для средних специалистов в данной области техники, извлекающих выгоду из этого открытия.

Описание и примеры представлены в настоящей заявке лишь с целью иллюстрирования различных вариантов реализации изобретения и не должны рассматриваться в качестве ограничения объема и применимости изобретения. Хотя, как описано в этом документе, композиции согласно настоящему изобретению содержат определенные вещества, следует иметь в виду, что композиция возможно содержит два или более химически различных веществ. Кроме того, композиция может также содержать несколько компонентов, отличных от компонентов, приведенных в этой заявке. В кратком описании изобретения и в этом подробном описании, каждое численное значение один раз следует рассматривать как значение, измененное термином "примерно" (если значение уже конкретно не изменено таким образом) и затем снова рассматривать как неизмененное значение, если в контексте не указано иное. Также, в кратком описании изобретения и в этом подробном описании, следует иметь в виду, что любое и каждое значение в пределах диапазона, приведенного или описанного в качестве применяемого, подходящего или т.п., в том числе конечные значения, следует рассматривать как установленные. Например, следует считать, что “диапазон от 1 до 10” включает каждое и любое возможное число в пределах континуума между примерно 1 и примерно 10. Таким образом, даже если конкретные точки данных в пределах этого диапазона или даже если в пределах этого диапазона нет точек данных, четко идентифицированы или относятся только к нескольким конкретным точкам, следует иметь в виду, что авторы изобретения подразумевают, что любые и все точки данных в пределах диапазона были установлены и что авторы изобретения обладают полным диапазоном и всеми точками в пределах этого диапазона. Подразумевают, что диапазоны концентраций представляют собой эффективные количества указанного компонента и не включают неэффективные, если это конкретно не указано.

Настоящее изобретение направлено на разжижение жидкостей для гидроразрыва или жидкостей повышенной вязкости контролируемым способом с применением химических окислителей. При применении отдельно некоторых разжижающих агентов требуются высокие температуры. Например, броматные разжижающие агенты требуют более высокие температуры для активизирования; обычно, броматные разжижающие агенты являются неэффективными при температурах ниже примерно 250°F (~121°C). Путем применения подходящего активатора, можно существенно понизить эффективную температуру разжижения полимера. Например, при применении каталитических металлов хлорит натрия обычно активизируется при температуре 175°F (79,4°C). Персульфат аммония можно активизировать при температурах ниже примерно 125°F (51,7°C) путем применения некоторых аминов.

Когда окислительную соль, такую как бромат, смешивают с источником бисульфитных ионов, таким как бисульфит натрия или метабисульфит (МБС), полученная таким образом система разжижения представляет собой отличный окислительный реагент для органических молекул, в том числе, молекул со спиртовыми, диоловыми и эфирными функциональными группами, и может применяться при более низких температурах, чем температуры, необходимые в случае, когда не применяется активатор или катализатор. Разжижающий агент может представлять собой окислитель, такой как бромат аммония, лития, натрия или калия, который служит в качестве окислительного агента для разрушения полимера в растворе. Хотя системы для разжижения, описанные в настоящей заявке, имеют конкретную область применения в бромат-содержащих системах для разжижения, следует отметить, что в такой системе применяют и другие окислительные агенты для разжижения, такие как неорганические окислители и органические пероксиды (например, соли хлорита и персульфата или бензоилпероксида). Таким образом, при рассмотрении броматных разжижающих агентов, следует иметь в виду, что другие окислители также могут применяться и иметь равное применение в настоящем изобретении. Поскольку броматные агенты для разжижения требуют особенно высоких температур активизирования, опять-таки представляет особый интерес нахождение подходящего активатора, который позволил бы применять броматный разжижающий агент при более низких температурах. Согласно некоторым вариантам реализации изобретения, разжижающий агент может представлять собой броматный разжижающий агент, хлоритный разжижающий агент, пероксидный разжижающий агент, перборатный разжижающий агент, перкарбонатный разжижающий агент, перфосфатный разжижающий агент или персульфатный разжижающий агент.

Окислительный разжижающий агент можно применять в жидкостях для обработки приствольной зоны согласно изобретению в количестве от более, чем 0 до примерно 200% или более по массе полимера в жидкости для обработки приствольной зоны. В некоторых вариантах применения, разжижающий агент можно предпочтительно применять в количестве примерно от 4% до примерно 100%, более предпочтительно, примерно от 8% до примерно 80% и, даже более предпочтительно, примерно от 16% до примерно 25% по массе полимера в жидкости для обработки приствольной зоны. Если разжижющий агент инкапсулирован с целью замедления разжижения, можно применять дополнительные количества разжижающего агента без неблагоприятного воздействия на реологию жидкости для гидроразрыва при откачивании.

Разжижающий/бисульфитный реагент является активным в различных растворителях, таких как чистая вода, водный ацетонитрил и водный N,N-диметилацетамид. Согласно одному конкретному варианту реализации изобретения, бромат натрия применяют в качестве разжижающего агента в комбинации с активатором бромата натрия. Бромат натрия является недорогим, нетоксичным, стабильным и легким в обработке по сравнению с жидким бромом, окислителем. Более того, реагент бромат натрия/бисульфит натрия не дезактивируется при хранении при 60°C в течение 7 дней. Таким образом, действующий оксидант является довольно стабильным и не подвергается побочным реакциям после того, как было установлено равновесие. Условия простой реакции окисления для реагента бромат натрия/бисульфит натрия особенно благоприятны для ее успешного протекания.

Фактический механизм реакции с участием бромата натрия/бисульфита натрия является очень интригующим и еще не совсем понятным. Было предположено, что при добавлении в раствор оксиданта (бромата натрия) и восстановителя (бисульфита натрия) образуется in situ слабый окислитель. Природа активного оксиданта, роль протонов и в целом механизм окисления подстилающих пород посредством системы бромат натрия/бисульфит натрия остаются трудными для понимания. Существуют утверждения, что действующий оксидант представляет собой бромоватистую кислоту, HOBr . Однако, различные бромсодержащие и потенциальные оксиданты HOBrO₂, HOBrO, HOBr, Br₂, Br^3- и, возможно, радикал Br можно получить в реакционном растворе в различных концентрациях. В некоторых сообщениях предполагают, что действительный окислитель представляет собой Br⁺ или, возможно, [H₂O-Br]⁺.

Активатор для разжижающего агента представляет собой соединение, которое обеспечивает источник бисульфитных анионов в водном растворе. Источник бисульфитных ионов может представлять собой бисульфитную соль или метабисульфитную соль. В частности, соли включают бисульфит или метабисульфит натрия, калия, лития или аммония. Метабисульфиты быстро образуют бисульфит при добавлении к воде. Бисульфит кальция и магния могут образоваться в растворе, но не существуют в виде солей, хотя также могут применяться в изобретении. Бисульфитный активатор можно применять в количестве примерно от 2% до примерно 200% по массе полимера в жидкости для обработки приствольной зоны. В некоторых вариантах применения, бисульфитный активатор может присутствовать в диапазоне примерно от 4% до примерно 40% по массе полимера в жидкости для обработки приствольной зоны. Количество активатора может зависеть от количества применяемого разжижающего агента и может обеспечивать весовое соотношение разжижающего агента к активатору примерно от 1:1 до примерно 5:1. Помимо облегчения применения окислительных разжижающих агентов, таких как броматные разжижающие агенты, при более низких температурах, применение активатора может также исключить или уменьшить потребность в катализаторах, таких как медь, хром, железо, кобальт, марганец, олово, титанат, никель или мышьяк, которые часто применяют для ускорения реакции разжижающих агентов. Таким образом, применение бисульфита в качестве активатора может исключить необходимость добавления экологически вредных и возможно токсичных тяжелых металлов.

Компоненты системы разжижения, т.е., разжижающий агент и активатор, могут первоначально находиться в твердой или жидкой форме. Находясь в твердой форме, вещества могут быть кристаллическими или зернистыми по природе. Твердые формы можно инкапсулировать или обеспечить покрытием для замедления их высвобождения в жидкость. Более того, твердое вещество можно смешивать с другими твердыми веществами для осуществления замедляющего действия или комбинировать два необходимых химических реагента в одну добавку. Компоненты системы разжижения можно также суспендировать в жидкость-носитель, в которой они являются труднорастворимыми или нерастворимыми и вводятся в виде жидкой добавки. Инкапсулирующие вещества и способы инкапсулирования разжижающих веществ известны в данной области техники. Указанные вещества и способы можно применять для инкапсулирования разжижающего агента и активаторов согласно настоящему изобретению. Неограничивающие примеры веществ и способов, которые можно применять для инкапсулирования, описаны, например, в патентах США №№.4,741,401; 4,919,209; 6,162,766 и 6,357,527. При применении в виде жидкости, соль для разжижения и активатор можно растворять в водном растворе до смешивания с жидкостью для обработки приствольной зоны. Разжижающие агенты и активаторы растворимы в воде, то есть, они имеют растворимость по меньшей мере больше чем 1 г в 100 г воды при комнатной температуре.

Если предпочтительно, чтобы на разжижающие агенты или активаторы разжижающих агентов было нанесено покрытие для замедления разжижения, покрытие может быть нанесено с применением любого известного способа. Два основных способа нанесения покрытия, верхнее напыление и нижнее напыление, отличаются местоположением распылительного сопла в нижней части или верхней части псевдоожиженного слоя твердых частиц. Сопло распыляет мелкодисперсный поток раствора для покрытия, при этом частицы суспендируются в потоке ожижающего воздуха, которые несет частицы за пределы распылительного сопла. Затем частицы сталкиваются с мелкодисперсным материалом покрытия по мере того, как они выносятся из сопла в циклическом потоке. Температуру ожижающего воздуха устанавливают таким образом, чтобы испарить жидкую среду раствора или суспензии или сделать твердым материал покрытия вскоре после столкновения с частицами. Затвердевшие материалы покрытия будут постепенно покрывать частицы. Этот процесс продолжают до тех пор, пока каждая частица равномерно не покроется покрытием требуемой толщины.

Свойства таких частиц с покрытием можно регулировать с помощью состава покрытия, условий обработки и наслаивания различных материалов для покрытия. Выбор материала будет зависеть от различных факторов, таких как физические и химические свойства применяемого материала. Материал для покрытия можно выбрать из одной из следующих категорий: водные и органические растворы, дисперсии и горячие расплавы. Неограничивающие примеры включают акриловые смолы, галоидзамещенный углеводород, поливиниловый спирт, водные дисперсии AQUACOAT®, углеводородные полимеры, поливинилхлорид, AQUATERIC® энтеросолюбильные покрытия, ГПЦ (гидроксипропилцеллюлозу), поливинилацетат фталат, ГПМЦ (гидроксипропилметилцеллюлозу), поливинилиден хлорид, ГПМЦФ (гидроксипропилметилцеллюлозы фталат), белки, KYNAR®, фторопласты, резину (природную или синтетическую), казеинаты, мальтодекстрины, шеллак, хлорированную резину, силикон, покрытия COATERIC®, микрокристаллический воск, крахмалы, масла для покрытия, сухие вещества молока, стеарины, латекс DARAN®, мелассу, сахарозу, декстрины, нейлон, поверхностно-активные вещества, покрывающие системы OPADRY®, покрывающие системы SURELEASE®, энтеральные покрытия, твердый парафин, TEFLON® фторуглероды, полиметакрилаты EUDRAGITS®, фенольные покрытия, воски, этоксилированный виниловый спирт, сополимер винилового спирта, полилактиды, зеин, жиры, полиаминокислоты, жирные кислоты, полиэтиленовый желатин, полиэтиленгликоль, глицериды, поливинилацетат, растительные смолы и поливинилпирролидон.

Подверженные гидратации полимеры, применяемые в настоящем изобретении, могут включать любые подверженные гидратации полимеры, известные специалистам по обслуживанию скважин, которые являются водорастворимыми и обеспечивают эффект загущения или увеличения вязкости водных жидкостей, в которых их используют в подходящих количествах и условиях. Примеры подходящих подверженных гидратации полимеров включают, но не ограничиваются указанными, гуаровые смолы, высокомолекулярные полисахариды, состоящие из маннозы и галактозы, или гуаровые производные, такие как ГПГ, КМГ и КМГПГ, галактоманнановые смолы, глюкоманнановые смолы и производные целлюлозы. Можно применять производные целлюлозы, такие как гидроксиэтилцеллюлозу (ГЭЦ), карбоксиметилцеллюлозу (КМЦ), гидроксипропилцеллюлозу (ГПЦ) и карбоксиметилгидроксиэтилцеллюлозу (КМЦЭЦ). Также, можно применять синтетические полимеры, содержащие акриламид, в том числе, полиакриламиды, частично гидролизованные полиакриламиды, сополимеры акриламида и акриловой кислоты и сополимеры и терполимеры, содержащие акриламид, винилпирролидон, AMPS (2-акриламидо-2-метилпропансульфоновую кислоту) или акриловую кислоту. Агент, увеличиваающий вязкость, может представлять собой гетерополисахаридный агент, увеличивающий вязкость. Можно применять гетерополисахариды, такие как ксантановая смола и соединения, описанные в публикации патентов США № US 2006/0166836, опубликованной 27 июля 2006 года. Гетерополисахарид может включать сахариды, содержащие тетрасахаридное повторяющееся звено в основной цепи полимерахимической формулы (1):

(1),

где по меньшей мере три различных сахарида присутствуют в повторяющемся звене, причем указанные сахариды включают D-глюкозу, D-глюкуроновую кислоту и L-рамнозу или L-маннозу; M⁺ представляет собой ион; R¹, R², R³, R⁴, R⁵, R⁶, R⁷, R⁸, R⁹ и R¹⁰ выбраны из группы, состоящей из водорода, метила, ацетила, глицерила или сахаридной группы, содержащей от одного до трех сахаридных звеньев; R¹¹ представляет собой метильную или метилоильную группу; и средневесовая молекулярная масса (Mw) гетерополисахарида составляет примерно от 10⁵ до примерно 10⁷.

Для обеспечения требуемой вязкости можно добавлять подверженный гидратации полимер в различных концентрациях. При проведении гидроразрыва обычно применяют концентрации вплоть до примерно 1% по массе от суммарного веса композиции для обработки, хотя некоторые специализированные гели могут содержать до 8,5% полимера по массе. Согласно некоторым вариантам реализации изобретения, подверженный гидратации полимер можно применять в количестве примерно от 0,05% до примерно 0,5% по общей массе композиции.

Полимеры можно применять в сшитой или несшитой форме. Полимеры могут обладать способностью образовывать поперечные связи с любым подходящим сшивающим агентом, таким как ионы металла. Примеры указанных веществ включают поливалентные ионы бора, алюминия, сурьмы, циркония, титана, хрома и т.п., которые реагируют с полимерами с образованием композиции с требуемыми и заданными свойствами вязкости, необходимыми для конкретных процессов. Сшивающий агент можно добавить в количестве, которое обеспечивает подходящую вязкость и стабильность геля при температуре применения. Обычно, сшиватели добавляют при концентрациях примерно от 5 до примерно 500 частей на миллион (ppm) активного атомного веса. Эту концентрацию можно регулировать в зависимости от концентрации полимера. Сшиватель можно добавить в виде раствора и может включать лиганд, который замедляет реакцию сшивания. Такое замедление может быть полезным в том отношении, что высоковязкая жидкость для гидроразрыва не образуется до тех пор, пока в нижней части ствола скважины не произойдет минимизация потерь напора от трения, и может предотвратить необратимую механическую деструкцию геля при сдвиговых напряжениях, например, при применении сшивающих реагентов Zr или Ti. Для облегчения успешного процесса гидроразрыва процесс замедленного сшивания можно регулировать по времени, температуре или по времени и температуре.

Другие сшиватели могут включать органические сшиватели, такие как полиэтиленимины, альдегиды, фенольные альдегиды или мочевинные альдегиды. Подходящие соединения включают формальдегид, формалин, параформальдегид, глиоксаль и глутаральдегид. Соединения, которые реагируют с образованием поперечных связей, включают гексаметилентетрамин с фенольными соединениями, такими как фенилацетат, фенол, гидрохинон, резорцин и нафталиновые диолы.

Разжижающий агент и активатор можно применять в сочетании с такими подверженными гидратации полимерами, которые могут быть линейными или сшитыми. Как описано выше, обычные броматные разжижающие агенты неэффективны при температурах ниже 250°F (121°C). Систему разжижения на основе бромата/бисульфита или метабисульфита можно применять при разжижении указанных жидкостей, имеющих повышенную вязкость, в условиях температуры примерно от 125°F (51,7°C) и выше, более предпочтительно, примерно от 125°F (51,7°C) до примерно 250°F (121°C). При применении хлорита натрия, систему разжижения в виде хлорита/бисульфита или метабисульфита натрия можно применять для разжижения жидкостей, имеющих повышенную вязкость, при температурах примерно 175°F (79,4°C) или менее. И если разжижающим агентом является персульфат аммония, активатор может способствовать разжижению при температурах примерно 125°F (51,7°C) или менее. Если указанные разжижающие агенты инкапсулированы, температуры применения могут быть выше, так как благодаря методу инкапсулирования предоставляется определенная задержка во времени.

При гидравлическом разрыве пласта обычной методикой является варьирование графика разжижения и химии разжижающего агента в процессе работы. Этот метод позволяет увеличить время разжижения для жидкостей, которые накачивают на начальной стадии и которые испытывают существенное нагревание и подъем температуры, и уменьшить время разжижения для жидкостей, которые накачивают последними и которые подвергаются только слабому изменению температуры. В результате, на одну обработку могут понадобиться различные комбинации описанных систем разжижения. По существу, некоторые из систем разжижения могут применяться в формациях с температурами, превышающими 350°F (177°C), в которых, как предполагают, температура инжектируемой жидкости на некоторых обрабатываемых участках поднимается не более, чем до 250°F (121°C) и может составлять не более, чем 77°F (25°C).

Загуститель на основе полимера может иметь любую подходящую вязкость. Минимальная вязкость может представлять собой величину, которая подходит для переноса расклинивающего агента в окружающей среде разрыва. Согласно некоторым вариантам реализации изобретения, вязкость при температуре обработки может составлять примерно от 50 мПа·с или больше при скорости сдвига примерно 100 с^-1, более предпочтительно, примерно 75 мПа·с или больше при скорости сдвига примерно 100 с^-1 и даже более предпочтительно, примерно 100 мПа·с или больше. В целом, максимальная вязкость составляет меньше, чем примерно 1000 мПа·с, более обычно, меньше, чем примерно 600 мПа·с при скорости сдвига примерно 100 с^-1. Более высоких вязкостей обычно избегают, чтобы минимизировать стоимость и трение при накачивании и способствовать лучшей очистке жидкости для гидроразрыва после того как разлом закрылся и буровая скважина находится в стадии получения продукта.

Систему разжижения на основе разжижающего агента/активатора можно применять в виде твердых веществ, которые растворимы в воде, или можно применять в жидкой форме. Разжижающий агент и/или активатор можно применять в сухой форме, с нанесенным покрытием, инкапсулированным или суспендированным и добавлять к водной жидкости у поверхности, при этом подверженный гидратации полимер может быть уже добавлен или нет. Альтернативным образом, разжижающий агент и/или активатор может находиться в суспензии.

В суспензии, разжижающий агент и/или активатор можно суспендировать в неводной или несмешивающейся среде, например, дизельном топливе, минеральном масле и т.п., до смешивания с жидкостью на водной основе и нагнетания в формацию. Суспензия может дополнительно содержать суспензирующее средство, такое как гидроксилпропилцеллюлоза в растворителе гликолевом эфире, таком как полиэтиленгликоль. Разжижающий агент можно также добавлять в процессе обработки в виде жидкости или предварительно смешивать в воде.

Как было рассмотрено ранее, в некоторых вариантах применения, разжижающий агент можно инкапсулировать в инкапсулирующий материал для замедления реакции с загущенной полимерной жидкостью. Инкапсулирующие вещества могут включать поли-н-винилиденхлорид или вещества и полимеры, которые малорастворимы или нерастворимы в обрабатывающей жидкости. Разжижающий агент также можно смешивать с другими химическими реагентами для замедления растворения и уменьшения реакционной способности.

К жидкости для обработки приствольной зоны можно также добавлять агент, замедляющий разжижение, для подавления или замедления реакции разжижающего агента. Примеры подходящих агентов, замедляющих разжижение, могут включать нитрит натрия (NaNO₂), тиосульфат натрия (Na₂S₂O₃), триэтаноламин, тиомочевину и мочевину. Указанные соединения можно добавлять в количестве примерно от 2% до примерно 80% по массе полимера в жидкости для обработки приствольной зоны. Замедляющие агенты особенно полезны при более высоких температурах, таких как 140°F (60°C) или более, когда реакции могут ускоряться благодаря более высоким температурам. Агент, замедляющий разжижение, можно инкапсулировать. Более того, агент, замедляющий разжижение, можно инкапсулировать вместе с разжижающим агентом. Альтернативным образом, агент, замедляющий разжижение, можно вводить отдельно от разжижающего агента. Инкапсулирующие вещества для замедляющего агента могут представлять собой вещества, описанные ранее для применения с разжижающим агентом и/или активатором.

Также было замечено, что хлориды, такие как хлорид калия, хлорид натрия или хлорид кальция, которые можно применять в качестве стабилизатора глин или которые находятся в соляном растворе, могут оказывать замедляющий эффект на окисление полимерной жидкости при применении системы разжижения. При применении более высоких концентраций растворов хлорида калия, было замечено, что для разжижения жидкости требуется больше времени. Пока неясно, какой точно механизм вызывает такое действие, однако, согласно некоторым вариантам применения, применение хлорида калия и других подобных солей может уменьшить или исключить потребность в дополнительных замедляющих агентах.

Композиции согласно изобретению можно также применять в виде вспененных или активированных жидкостей для обработки скважин. Такие жидкости содержат "вспениватели" и могут содержать поверхностно-активные вещества или смеси поверхностно-активных веществ, способствующих дисперсии газа в композицию и образованию маленьких пузырьков или капелек и придают стабильность дисперсии путем замедления коалесценции или рекомбинации таких пузырьков или капелек. Вспененные и активированные жидкости в целом характеризуются посредством содержания газа в пене, т.е. соотношению объема газа к объему пены. Если содержание газа в пене составляет между 52% и 95%, жидкость обычно называют пенной жидкостью, а ниже 52% - активированной жидкостью. Поэтому, композиции согласно изобретению могут включать ингредиенты, которые образуют пены или активированные жидкости, такие как, помимо прочего, вспенивающееся поверхностно-активное вещество, или смеси поверхностно-активных веществ и газа, или надкритическая жидкость, которая эффективно образует пену или активированную жидкость. Подходящие примеры таких газов включают диоксид углерода, азот или любые их смеси.

Загущенные полимерные растворы, линейные или сшитые, вспененные или не вспененные, особенно полезны в качестве жидкостей-носителей для расклинивающих агентов. Расклинивающие агенты могут представлять собой вещества, которые по существу нерастворимым в полимерном растворе и/или жидкостях, присутствующих в формации. При гидроразрыве, частицы расклинивающего агента, переносимые обрабатывающей композицией, остаются в созданном разломе, таким образом, поддерживая разлом раскрытым, когда давление гидроразрыва сбрасывают и скважину вводят в эксплуатацию. Расклинивающие агенты могут иметь размеры частиц примерно от 0,08 мм до примерно 2,5 мм. Подходящие материалы для расклинивающих агентов включают, помимо прочего, песок, скорлупу грецких орехов, спеченный боксит, стеклянную дробь, керамические материалы, природные материалы или подобные вещества. Можно также применять смеси расклинивающих агентов. Подходящие примеры природных зернистых материалов, подходящих для применения в качестве расклинивающих агентов, включают, но не ограничиваются указанными: грунт или размельченную скорлупу орехов, таких как грецкий орех, кокосовый орех, орех пекан, миндаль, плод фителефаса, бразильский орех и т.п.; грунт или размельченную скорлупу (в том числе, фруктовые косточки) семян фруктов, таких как слива, маслина, персик, вишня, абрикос и т.п.; грунт или размельченная скорлупа семян других растений, таких как кукуруза (например, стержни кукурузного початка или зерна) и т.п.; обработанные древесные материалы, такие как материалы, полученные из лесоматериалов, таких как древесина дуба, гикория, грецкого ореха, тополя, красного дерева и т.п., в том числе, таких лесоматериалов, которые были переработаны посредством измельчения, переработки в щепу или посредством других форм раздробления на частицы, обработки и т.п.

Концентрация расклинивающего агента в композиции может представлять собой любую концентрацию, которая подходит для выполнения конкретной требуемой обработки. Например, расклинивающий агент можно применять в количестве примерно до 3 килограмм расклинивающего агента, добавляемого на литр композиции. Также, любые частицы расклинивающего наполнителя можно покрыть смолой для возможного улучшения силы, способности к образованию кластеров и реологических свойств расклинивающего агента.

В композиции согласно изобретению можно включать волокнистые компоненты для обеспечения различных свойств, в том числе, улучшения суспензии из частиц, способности к переносу частиц и стабильности пены. Применяемые волокна могут быть гидрофильными или гидрофобными по природе. Волокна могут представлять собой любой волокнистый материал, такой как, помимо прочего, природные органические волокна, молотые растительные материалы, синтетические полимерные волокна (в качестве неограничивающего примера полиэфирный, полиарамидный, полиамидный полимер, новолойд или полимер новолойдного типа), фибриллированные синтетические органические волокна, керамические волокна, неорганические волокна, металлические волокна, металлические нити, углеволокно, стекловолокно, керамические волокна, природные полимерные волокна и любые их смеси. Особенно полезными волокнами являются полиэфирные волокна, имеющие покрытие и являющиеся сильно гидрофильными, такие как, помимо прочего, DACRON^® полиэтилентерефталатные (PET) волокна, доступные в компании Invista Corp., Wichita, Kans., USA, 67220. Другие примеры подходящих волокон включают, но не ограничиваются ими, волокна на основе полиэфира полимолочной кислоты, волокна на основе полиэфира полигликолиевой кислоты, волокна на основе поливинилового спирта и т.п. При применении в композициях согласно изобретению, волокнистый компонент можно включать при концентрациях примерно от 1 до примерно 15 грамм на литр композиции, более предпочтительно, концентрация волокон может составлять примерно от 2 до примерно 12 грамм на литр композиции и, более предпочтительно, примерно от 2 до примерно 10 грамм на литр композиции.

К жидкости для обработки приствольной зоны можно также добавлять другие добавки, которые, как известно специалистам в данной области техники, широко применяются на нефтяных промыслах. Эти добавки могут включать стабилизаторы глин, поверхностно-активные вещества, пеногасители, стабилизаторы жидкости при высокой температуре, поглотители кислорода, спирты, ингибиторы образования отложений, ингибиторы коррозии, добавки, снижающие водоотдачу, антиферментаторы, вспенивающие агенты, очищающие поверхностно-активные вещества, смачивающие агенты, понизители гидравлических потерь и т.п.

В большинстве случаев, жидкости согласно изобретению применяют при гидравлическом разрыве пласта. Гидравлический разрыв заключается в накачивании композиции, не содержащей расклинивающий агент, или подушки, в скважину быстрее, чем композиция может просочиться в формацию, так что давление поднимается выше давления разлома формации и горная порода разрушается, создавая искусственные разломы и/или расширяя существующие разломы. Затем, к композиции добавляют частицы расклинивающего агента, такого как наполнители, описанные ранее, с образованием суспензии, которую закачивают в разлом для предотвращения его смыкания после прекращения закачивания и падения давления разрыва. Суспензия расклинивающего агента и способность к переносу базовой композиции для обработки традиционно зависят от вязкости жидкости. Способы гидравлического разрыва подземной формации известны средним специалистам в данной области техники и будут включать накачивание жидкости для гидроразрыва в скважину и в ближайшую формацию. Давление жидкости при разрыве выше минимального напряжения in situ в горных породах, соответственно, в формации возникают или расширяются разломы. См. Stimulation Engineering Handbook, John W. Ely, Pennwell Publishing Co., Tulsa, Okla. (1994), U.S. Pat. No. 5,551,516 (Normal et al.), "Oilfield Applications", Encyclopedia of Polymer Science and Engineering, vol. 10, pp. 328-366 (John Wiley & Sons, Inc. New York, N.Y., 1987) и ссылки, приведенные в этих публикациях.

При гидравлическом разрыве пласта, композиции согласно настоящему изобретению можно применять при обработке подушки, на стадии применения расклинивающего агента или в обоих случаях. Указанные компоненты смешивают на поверхности. Альтернативным образом, композицию можно приготовить на поверхности и закачать вниз по трубопроводам, при этом в затрубное пространство можно закачать газовый компонент, такой как диоксид углерода или азот, чтобы перемешать внизу скважины или наоборот, чтобы создать композицию вспененной или активированной жидкости.

Согласно еще одному варианту реализации изобретения, композиции можно применять для заполнения гравием ствола скважины. В качестве композиции для заполнения гравием, она может содержать гравий или песок и другие дополнительные добавки, в том числе, помимо прочего, реагенты для очистки глинистой корки, такие как хелатирующие агенты или кислоты (например, соляная, фтористоводородная, муравьиная, уксусная, лимонная кислота), ингибиторы коррозии, ингибиторы образования отложений биоциды, реагенты, контролирующие утечки. Для такого применения обычно используют подходящий гравий или песок с размерами ячейки между 0,2 мм (~70 меш) и 2,4 мм (~8 меш).

Согласно некоторым вариантам реализации изобретения, композиции, описанные в настоящем документе, можно применять в качестве композиции жидкости для обработки подземной формации, через которую проходит ствол скважины. Согласно некоторым вариантам реализации изобретения, композиции, описанные в настоящей заявке, можно применять в качестве жидкости для обработки текучих сред, удаляемых из скважины, в качестве жидкости, применяемой при чистке трубопровода скребками, или при других применениях загустителей в отрасли нефтепромысловых услуг. Следующие примеры также служат для иллюстрирования изобретения.

ПРИМЕРЫ

Окислительная активность систем на основе разжижающий агент/бисульфит или разжижающий агент /метабисульфит исследовали с применением жидкостей на водной основе, содержащих боратный сшитый гуаровый полимер. Метабисульфит натрия или бисульфит натрия применяли для образования бисульфитных анионов в водном растворе. Также исследовали инкапсулированную форму метабисульфита натрия. Оценку проводили с применением анализов в масляной бане и реологических экспериментов.

В примерах, активность разжижающего агента исследовали при определенной температуре, применяя масляную баню из нержавеющей стали ALDRICH^® (номер продукта Z513172), оборудованную терморегулятором DigiTrol II (продукт # Z285498). В этой утановке применяли силиконовую смазку (продукт # 146153) при этом установка позволяла проводить нагревание до 250°C (482°F). Разрушение геля оценивали во времени визуально. pH растворов фиксировали в начале и конце каждого эксперимента. Указанная масляная баня подходила для магнитного перемешивания и при проведении экспериментов помещалась на магнитную мешалку. В масляной бане применяли колбы только из пирекса. При температурах выше 170°F (76,7°C), использовали 20 мл хроматографические флаконы, снабженные пробкой из вайтона и обжимной крышкой, содержащие 15 мл полимерной жидкости.

Реологические параметры измеряли, применяя вискозиметр Grace M5500, доступный от компании Grace Instrument Co., с использованием ротора номер 1 и противовеса номер 5. Этот вискозиметр модели 50 соответствует спецификации в стандарте ISO 13503-1, Measurement of viscous properties of completion fluids. Вязкости регистрировали при скорости сдвига 100 с^-1.

В примерах 1-5 применяли 18 фунтов базового раствора (т.е. 18 фунтов геля/1000 галлон или 2,16 кг геля/1000 л), приготовленного посредством гидратации 2,16 г гуаровой смолы в 1,0 л деионизированной (DI) воды в блендере в течение 20 минут. Раствор содержал 20 г хлорида калия в качестве стабилизатора глин (2% раствор). Затем линейную жидкость сшивали путем добавления 2,5 мл боратного жидкого сшивателя, содержащего 15,7 масс.% десятиводного тетрабората натрия. Конечный pH сшитых жидкостей составлял от 10,5 до 11. Пример 4 содержал сшитую гуаровую жидкость, в которой вместо 2% хлорида калия применяли 4 масс.% хлорид калия. В примере 6 использовали 15 фунтов основного раствора (т.е. 15 фунтов/1000 галлонов или 1,8 кг геля/1000 л)

Пример 1

Исследования проводили с применением бромата натрия в качестве разжижающего агента и бисульфита натрия в качестве его активатора. Эксперименты проводившиеся в масляной бане, при 175°F (79,4°C) в течение 3 часов, показали, что 0,06 масс.% броматом натрия в отсутствие активатора было невозможно разжижить жидкость при этой температуре, тогда как пробы жидкости, содержащие дополнительно бисульфит натрия 0,012 и 0,024 масс.%, соответственно, разжижали жидкость полностью.

Пример 2

Для сравнения, выполняли реологические исследования с применением раствора сшитого гуара без разжижающего агента, с разжижающим агентов в виде 0,06% бромата натрия без активатора и с комбинацией разжижающего агента и бисульфита натрия при различных концентрациях и соотношениях, как показано на фиг.1. На фиг.1 показано, что только лишь бромат натрия был не способен окислить жидкость. Система бромат/бисульфит была способна окислить жидкость и снизить вязкость при 175°F (79,4°C).

Пример 3

Инкапсулированные частицы метабисульфита натрия, содержащие 70% по массе МБС, покрытые 30% по массе поливинилиденхлоридом также испытывали в качестве активатора для бромата натрия для достижения замедленного разжижения сшитой жидкости. На фиг.2 представлены реологические данные при применении различных концентраций и различных соотношений бромата натрия и инкапсулированного МБС. Замедленное разжижение наблюдали в зависимости от концентрации. Эти данные соответствовали результатам соответствующих экспериментов, проводимых в масляной бане. Было отмечено, что pH понижался при применении бисульфита или МБС, но при применении инкапсулированной формы МБС понижения не наблюдалось. В случае боратных жидкостей для гидроразрыва, жидкости могут потерять вязкость при понижении pH, поскольку боратный сшиватель превращается в борное соединение, что приводит к уменьшению количества активного сшивателя. Это снижение pH можно компенсировать путем добавления к жидкости основания, такого как гидроксид натрия.

Пример 4

Повышенная концентрация хлорида калия, который можно применять в качестве стабилизатора глин, замедляет окисление полимерной жидкости. На фиг.3 показано, что когда количество хлорида калия увеличивали от 2 масс.% до 4 масс.%, окисление пробы жидкости требовало больше времени, при одинаковом количестве разжижающего агента и активатора. При применении 0,048% по массе бромата натрия и 0,024% по массе МБС в жидкости, содержащей 2% хлорида калия, полное снижение вязкости жидкости происходило через примерно 60 минут (см. фиг.2). С другой стороны, при этой же температуре в присутствии 4% хлорида калия, при том же количестве бромата натрия и МБС, жидкость разжижалась через примерно 100 минут (см. фиг.3).

Пример 5

Хлорит натрия применяли в сшитом гуаровом геле в качестве разжижающего реагента в различных количествах с активатором в виде бисульфита натрия и без него. На фиг.4 показано, что жидкости в отсутствие хлорита натрия или только с хлоритом натрия не разжижались при температуре 175°F (79,4°C). При применении в присутствии активатора, даже при использовании более низких количеств разжижающего агента в виде хлорита натрия, жидкости легко разжижались. Для катализирования хлорита натрия при 175°F (79,4°C) не требовались тяжелые металлы.

Пример 6

Персульфат аммония в сшитом гуаровом геле применяли в качестве разжижающего реагента в различных количествах с активатором в виде бисульфита натрия и без него. На фиг.5 показано, что жидкость без добавления активатора в виде бисульфита натрия не разжижалась при температуре 100°F (37,8°C). При применении в присутствии активатора при той же температуре, жидкости разжижались.

Хотя изобретение было продемонстрировано только в нескольких из своих форм, специалисту в данной области техники должно быть очевидно, что изобретение не ограничивается таким образом, но допускает различные изменения и модификации, не отступая от объема изобретения. Соответственно, представляется очевидным, что прилагаемую формулу следует толковать широко и в соответствии с объемом изобретения.