水基增粘劑流體及其使用方法

專利名稱：水基增粘劑流體及其使用方法
技術領域：
本發明涉及水基增粘劑流體以及它們在穩定支撐裂縫的顆粒中的用途。
背景技術：
烴生產井通常是由水力破碎處理來增產的。在水力破碎處理中，粘性壓裂液被以一定的速度和壓力泵送入生產區域中，以使地下巖層斷裂并且在該區域中形成一個或多個裂縫。通常被稱為“支撐劑”的顆粒固體如分級的砂子懸浮于部分壓裂液中，然后當該壓裂液轉化為返回到表面的稀流體的時候，所述顆粒固體沉積于裂縫中。這些顆粒特別是用來防止裂縫的完全閉合，以形成所產生的烴類能夠流過的傳導通道。
為了防止隨后支撐劑和其它顆粒與所產生的流體一起回流，可以將引入裂縫中的一部分支撐劑涂布上可固化樹脂，以促進裂縫中的支撐劑顆粒的固結。通常，樹脂涂布的支撐劑在大量未涂布的支撐劑已沉積在裂縫中之后沉積在裂縫中。部分閉合的裂縫向樹脂涂布的支撐劑顆粒施加壓力，從而使這些顆粒相互接觸，同時該樹脂提高了單個支撐劑顆粒之間的粒-粒接觸。壓力和樹脂的作用引起了支撐劑顆粒固結為堅硬的、可以滲透的具有壓縮和拉伸強度的物質，能夠防止未固結的支撐劑和地層砂與所產生的流體一起流出裂縫，并且破壞生產設備和/或該井的潛在生產量。
連同或者替代樹脂，可以用增粘劑涂布一些或者全部的支撐劑來幫助控制地層碎屑在支撐劑填充物中的遷移。增粘劑即使在被放置到地層中后，其本質上仍保留有粘性或者保留了粘合特性。這樣，當地層碎屑企圖與地層流體一起流過填充物的時候，它們能夠被增粘劑捕獲，以至于不能與所生成的流體一起產出。
已經證實這種增粘劑的使用對烴和水的生產特別有用，特別是在煤床甲烷地層中。然而，傳統的增粘劑需要烴系或非水性載體流體，這在特定的表面陸地、水或者海環境中被證明可能是有問題的。另外，傳統的試劑通常不能提供在某些地下巖層中所希望的高彈性的支撐劑-支撐劑粘結，傳統的增粘劑通常還缺乏控制“增粘作用”的開始的能力(即，該增粘劑不能作為非粘性的、可以后來被活化變粘的流體)。因此，所述支撐劑通常應該在被放置到裂縫中之前被增粘，這限制了加固和/或增粘已被放置的支撐劑的能力。此外，在暴露于氧化環境時，傳統的增粘劑常常隨著時間的流逝而固化。

發明內容
本發明涉及水基增粘流體以及它們在穩定支撐裂縫的顆粒中的用途。
本發明的一些實施方案提供了在地下巖層中形成支撐劑填充物的方法，該方法包括將包含支撐劑顆粒的水性維護流體引入地下裂縫中，其中至少一些支撐劑顆粒至少部分地涂布有水性增粘劑化合物；以及活化該水性增粘劑化合物，以便形成支撐劑填充物。
本發明的其它實施方案提供了穩定支撐劑填充物的方法，該方法包括將水性增粘劑化合物引入至少一部分現有支撐劑填充物中；以及活化水性增粘劑化合物，以便穩定支撐劑填充物。
本發明的其它實施方案提供了控制支撐劑顆粒從支撐劑填充物回流的方法，該方法包括將包含支撐劑顆粒的水性載體流體引入地下裂縫中，以便形成支撐劑填充物，其中至少一些支撐劑顆粒至少部分地涂布有水性增粘劑化合物；以及活化該水性增粘劑化合物。
本發明的其它實施方案提供了包含支撐劑顆粒和水性流體的維護流體，其中至少一些支撐劑顆粒至少部分地涂布有水性增粘劑化合物。
本發明的其它實施方案提供了涂布有水性增粘劑化合物的支撐劑顆粒。
對于本領域的技術人員來說，在閱讀了下面的優選實施方案以后，本發明的特點和優點將是顯而易見的。
具體實施例方式
本發明涉及水基增粘流體和它們在穩定支撐裂縫的顆粒中的用途。
本發明的水性增粘劑化合物根據本發明，可以將水性增粘劑化合物涂布到被引入包含未固結顆粒的地下裂縫一部分中的顆粒(例如支撐劑顆粒)上。對本文中所使用的術語“粘性的”來說，在它的所有形式中，通常是指觸覺上本身(或者可以被活化成為)有些粘性的物質。本文中所使用的術語“未固結的”是指顆粒松散地未粘合或者非常弱粘合地粘合在一起，以至于能夠隨在部分地下巖層中運動的流體一起遷移的情形。例如，沒有充分與樹脂粘合在一起，并且趨向于與流體一起在地層中遷移的支撐劑顆粒可以被認為是未固結的。
合適的水性增粘劑化合物能夠在顆粒(例如，支撐劑)的表面形成至少部分涂層。通常，當被置于顆粒上時，合適的水性增粘劑化合物并不是明顯粘性的，但是其能夠被“活化”(也就是被去穩定、聚結和/或起反應)，以便在需要的時刻該化合物可以轉化成粘性的增粘化合物。這樣的活化可以發生在將水性增粘劑化合物放入地下巖層之前、之中或之后。在一些實施方案中，可以首先用預處理接觸顆粒的表面來為其涂布水性增粘劑化合物作準備。
本發明的一些實施方案描述了使用水性增粘劑化合物來控制存在于地下巖層中的松散顆粒并且用來穩定地下巖層的界面區，以至于阻礙顆粒(例如碎屑)從界面釋放或者產生的方法。在本發明的一些實施方案中，水性增粘劑化合物一旦被活化，就有助于通過改進形式的絮凝物來穩定顆粒。在通常的絮凝物中，增粘的顆粒結塊在一起；然而，通過本發明的水性增粘劑化合物產生的改進絮凝物還能夠絮凝，粘性的顆粒粘附到它們所接觸的表面(例如，井底地層面或者另一顆粒的表面)上。由于這些顆粒被增粘且即使當絮凝顆粒從它們所粘附的表面上掙脫下來時依然保持粘性，因此它們具有重新粘附到另一表面的能力。這進一步降低了增粘的顆粒隨地層流體一起遷移并削弱該井的生產量的可能性。
本發明的一些實施方案提供了補救地下裂縫而不需要重新破碎或者重新固作可能已經沉積于裂縫中的支撐劑顆粒的方法。在本發明包括“補救操作”(即，其中支撐劑填充物已經就位，不希望的回流已經開始發生并且需要進行補救或操作，而其中地層已經開始散裂且不穩定的地層表面需要補救的操作)的實施方案中，本發明的水性增粘劑化合物可以是特別適合的，因為在某種程度上，它們可以作為非粘性物質而被置于將要被補救的區域內，然后被活化至呈現出粘性特性。本發明的水性增粘劑化合物可以特別適合于這種補救應用，部分是因為它們可以作為非粘性物質或者吸收性物質而置于支撐劑填充物區域內，然后被活化至呈現出粘性特性，從而到達目標顆粒表面而不存在于孔間隙中。
本發明的水性增粘化合物通常是包含以下化合物的帶電荷聚合物，當處于水性溶劑或者溶液中時，該化合物可以形成非硬化的涂層(通過其自身或者與活化劑一起)，并且當置于顆粒上的時侯，其與水流接觸時將可以增加該顆粒的連續臨界再懸浮速度(在實施例7中作了進一步描述)。該水性增粘劑化合物提高了地層中單個顆粒(它們是支撐劑顆粒、地層碎屑、或者其它顆粒)之間的粒子-粒子接觸，有助于使所述顆粒固結為內聚、撓曲且可滲透的物質。
適合于本發明中使用的水性增粘化合物的實例包括但不限于丙烯酸聚合物、丙烯酸酯聚合物、丙烯酸衍生物聚合物、丙烯酸均聚物、丙烯酸酯均聚物(例如聚丙烯酸甲酯、聚丙烯酸丁酯和聚丙烯酸2-乙基己酯)、丙烯酸酯共聚物、甲基丙烯酸衍生物聚合物、甲基丙烯酸均聚物、甲基丙烯酸酯均聚物(例如聚甲基丙烯酸甲酯、聚甲基丙烯酸丁酯和聚甲基丙烯酸2-乙基己酯)、丙烯酰胺基-甲基-丙烷磺酸酯聚合物、丙烯酰胺基-甲基-丙烷磺酸酯衍生物聚合物、丙烯酰胺基-甲基-丙烷磺酸酯共聚物、和丙烯酸/丙烯酰胺基-甲基-丙烷磺酸酯共聚物以及它們的組合。
雖然存在很多用于確定適合水性增粘劑的潛在方法，但是選擇合適聚合物的一種實用的方法如下將被測試的聚合物設定為濃縮形式(也就是說，約20-50％的濃度)，并且向其加入活化劑。根據經驗，如果該混合物看起來凝結形成固體或半固體物質的話，則表示該聚合物是本發明合適的水性增粘劑。如果該混合物看上去沒有凝結形成固體或半固體物質，則應該選擇另外一種活化劑并重復該測試。本領域的技術人員在知道了希望的凝結結果以后，將能夠選擇合適的活化劑。例如，當測試適合用作水性增粘劑的丙烯酸酯聚合物的時侯，包含50％乙酐和50％冰乙酸(v/v)的混合物是合適的活化劑。水性增粘化合物的選擇可能特別取決于井下的條件(例如，鹽度、溫度和/或pH)。對于所有合適的水性增粘劑化合物來說，這些和其它井下條件之間的關系并不是一致的。例如，高鹽度可能加速一些水性增粘劑化合物的活化，而對于其它化合物則可能延遲活化。本領域的技術人員將能夠確定具體的井下條件對所選水性增粘劑化合物的影響。例如，當使用聚丙烯酸酯聚合物的時侯，高鹽度和/或極端的pH(高于約9或低于約5)通常加速活化。
如上所述，合適的水性增粘劑化合物通常是帶電荷聚合物；它們優先粘結在具有相反電荷的表面上。例如，具有負電荷的水性增粘劑化合物可以優先粘結在具有正至中性ξ電勢的表面上和/或疏水性表面上。同樣地，使用類似化學物，帶正電荷的水溶性增粘劑化合物可以優先粘附到具有負至中性ξ電勢的表面和/或親水性表面上。在其中被處理表面(地層或顆粒)缺乏足夠的接受表面的具體實施方案中(即，被處理的表面缺乏與被選擇的水性增粘劑化合物基本相反的電荷)，可以使用預處理流體來使得所述表面更能接受水性增粘化合物。例如，人們可以使用預處理材料例如陽離子聚合物來處理具有負ξ電勢的表面，或者使用陰離子預處理物來處理具有正ξ電勢的表面。本領域的技術人員應該理解，也可以使用兩性的和兩性粒子的預處理流體，只要在它們使用中的暴露條件下使它們可以顯示出希望的電荷。合適的預處理流體包括帶電荷流體，其包括帶電荷表面活性劑、帶電荷聚合物或者它們的組合。本領域的技術人員應當理解，在本申請公開內容的幫助下，預處理的使用是任選的并且至少部分地取決于電荷的不均勻性，或在所選水性增粘劑化合物與被處理表面之間的電荷缺乏性。
如上面所提及的那樣，水性增粘劑化合物最初是非粘性的，當與活化劑接觸時變得發粘。通常，活化劑是有機酸(或能夠在水中水解生成有機酸的有機酸的酸酐)、無機酸、無機鹽(例如鹽水)、帶電荷表面活性劑、帶電荷聚合物或者它們的組合，但是根據本發明的教導，能夠使得水性增粘劑化合物不溶解于水溶液中的任何物質都可以用作活化劑。活化劑的選擇可以根據特別是水性增粘劑化合物的組成而改變。適于在本發明中使用的一種活化劑的實例是乙酸/乙酸酐的摻合物。其它的酸、酸性鹽、酸酐及它們的混合物也可以是合適的。此外，這與凝結是類似的。例如，很多天然橡膠乳膠在生產過程中通過乙酸或甲酸凝結。合適的鹽包括但不限于氯化鈉、氯化鉀、氯化鈣、和它們的混合物。在本發明的另一個示例性實施方案中，存在于地層水中的鹽或其他活性化合物自身的濃度可以足以活化水性增粘劑化合物。在這樣的實施方案中，沒有必要加入外部活化劑。通常，在使用時所述活化劑是的存在量為流體量的約0.1重量％-約40重量％；然而，在一些情況下如在使用鹽水的情況下，活化劑可以超過處理流體和水性增粘劑化合物。然而在本發明的教導中，不考慮觸發水性增粘劑化合物活化所必需的活化劑濃度，任何引起水性增粘劑化合物活化的化合物(例如，引起水性增粘劑化合物變成為不溶性的)都可以使用。
合適的活化劑種類與合適的預處理流體種類基本相同；差別至少部分地在于所使用的量和它的使用時間。例如，在使用相同的化學試劑或化學藥品作為預處理流體和活化劑的情況下，預處理流體可以僅僅占所使用總體積的約0.1體積％-約5體積％。本領域的技術人員可以認識到，預處理流體主要是用來為接受水性增粘劑化合物而作準備的，通常不以足以充分活化該水性活化劑化合物的量使用。此外，在一些實施方案中，可能完全不必使用活化劑。例如，處理的地下巖層部分在地層流體中可能含有足量的鹽，以至于簡單地將水性增粘劑化合物放入地層中并且讓它與現有流體接觸，就可以導致所希望的活化。
在本發明的一些實施方案中，水性增粘劑化合物被用來涂布支撐劑顆粒。合適的支撐劑顆粒通常具有一定的尺寸，以便防止從地下區域生成可以與所產生的流體一起遷移的地層碎屑。任何合適的支撐劑顆粒都可以使用，其包括分級的天然砂子或果殼，或結構材料如礬土、陶瓷材料、玻璃材料、聚合物珠粒、復合顆粒等。通常，該支撐劑顆粒具有約4-約400目的U.S.分級篩的尺寸。在本發明的一些實施方案中，支撐劑顆粒是粒徑為約10-約70目的U.S.分級篩的分級砂子。應該理解，在本申請中所使用的術語“顆粒”包括所有已知形狀的材料，其包括基本球形的材料、纖維材料、多角形材料(例如立方體材料)和它們的混合物。此外，在支撐劑和砂粒處理中通常包括纖維材料，纖維材料可以用來或者可以不被用來承受閉合裂縫的壓力，特別是用來增加所得填充物的傳導性。
在本發明具體的實施方案中，支撐劑顆粒可以至少部分地涂布可固化樹脂。在具體的實施方案中，該涂布有樹脂的支撐劑(″RCP″)可以包括由商業供應商預涂布的支撐劑。合適的市售RCP材料包括但不限于預固化的樹脂涂布的砂子、涂布了可固化樹脂的砂子、涂布了可固化樹脂的陶瓷及單層、雙層或多層樹脂涂布的砂子、陶瓷或礬土。可以從Borden Chemical，Columbus，Ohio購得的一些實例是″XRTTMCERAMAX P″、″CERAMAX I″、″CERAMAX P″、″ACFRACBLACK″、″ACFRAC CR″、″ACFRAC SBC″、″ACFRAC SC″和″ACFRAC LTC″。可從Santrol，Fresno，Texas購得的一些實例是″HYPERPROP G2″、″DYNAPROPG2″、″MAGNAPROP G2″、″OPTIPROP G2″、″SUPER HS″、″SUPER DC″、″SUPERLC″和″SUPER HT″。
合適的可固化樹脂成分包括能夠形成硬化的、固結物質的那些樹脂。合適的樹脂包括但不限于雙組份環氧基樹脂、線性酚醛清漆樹脂、聚環氧化物樹脂、酚醛樹脂、脲醛樹脂、聚氨酯樹脂、酚醛樹脂、呋喃/糠醇樹脂、酚醛/乳膠樹脂、苯酚甲醛樹脂、聚酯樹脂以及它們的混合物和共聚物、丙烯酸酯樹脂、及它們的混合物。一些合適的樹脂如環氧樹脂可以具有上面所提及的兩個組份，并且使用外部催化劑或活化劑。其它合適的樹脂，例如呋喃樹脂，如果固化溫度較低(即，低于250)的話，通常要求延時的催化劑或者外部催化劑來幫助活化這些樹脂的聚合，但是如果地層溫度高于約250，優選高于約300的話，將在時間和溫度的作用下固化。合適樹脂涂布材料的選擇可以受到將引入該流體的地下巖層的溫度的影響。作為實例，對于井底靜態溫度(″BHST″)為約60-約250的地下巖層，包含可硬化樹脂組分和含有特殊硬化劑的硬化劑組分的雙組分環氧基樹脂可以是優選的。對于BHST為約300-約600的地下巖層，呋喃基樹脂可以是優選的。對于BHST為約200-約400的地下巖層，酚醛基樹脂或者單組分HT環氧基樹脂可以是優選的。對于BHST為至少約175的地下巖層，苯酚/苯酚甲醛/糠醇樹脂也可以是適宜的。在本公開內容的幫助下，本領域的技術人員能夠選擇在本發明實施方案中使用的合適樹脂，并且確定是否需要觸發固化的催化劑。
在本發明的具體實施方案中，支撐劑顆粒可以預先涂布水性增粘劑化合物。與被預涂布相反，在本發明的其它實施方案中，支撐劑可以現場涂布水性增粘劑化合物。
本發明的一些實施方案描述了使用支撐劑顆粒破碎地下巖層的方法，其中所述支撐劑顆粒至少部分地涂布有水性增粘劑化合物。在這樣的實施方案中，支撐劑顆粒通常通過首次在維護流體(例如，壓裂液)中形成淤漿而被運輸到地下巖層部分。
本發明的合適的維護流體可以是水性流體、乳液、泡沫，或者是本領域中已知的任何其它形式的地下流體。在一些實施方案中，本發明的維護流體包括淡水。在一些實施方案中，咸水溶液也可以用作維護流體，只要流體的鹽濃度不會不令人滿意地活化和/或去穩定所述水性增粘劑化合物。根據本發明，還可以使用含水凝膠、泡沫、直接氮、二氧化碳、乳液和其它合適的壓裂液(交聯的或者未交聯的)。含水凝膠通常包括水和一種或多種凝膠劑。乳液可以由兩種不混溶的液體，例如水凝膠化的液體和液化的、通常為氣體的流體如氮氣或二氧化碳構成。在本發明的示例性實施方案中，維護流體是由水、用來凝膠化水并且增加其粘度的凝膠劑、以及任選用于交聯所述凝膠并且進一步增加流體粘度的交聯劑組成的含水凝膠。該凝膠化的或者凝膠且交聯的維護流體增加的粘度特別降低了流體損失，并且可能允許維護流體運送大量的懸浮支撐劑顆粒。用來形成維護流體的水可以是淡水、咸水、鹽水或者任何其它不負面地與其它組分反應的水性液體。根據本發明，通過使用水性維護流體，對地下處理的環境影響可以最小化或者降低，特別是在維護流體被倒入到表面陸地、水、或海環境中，或者所述流體是根據U.S.EPA Safe Drinking Water Act(Section 1425，42U.S.C.3000h-4(a)，Section 1422(b)，U.S.C.300h-1(b))調節的情況下。
在本發明包括使用維護流體(例如交聯的凝膠)的實施方案中，活化劑可以是不必要的(如在地下流體或者維護流體自身固有地含有足夠的活化化合物的情況下)，活化劑可能包括在維護流體自身中，并且所述活化劑可以在被放入維護流體之前放入到地層中的預沖洗流體中，活化劑可以被包含在在維護流體之后放入地層中的超量沖洗液中，或者可以使用一種或多種活化劑的放置的結合。如上所述，活化劑通常以總流體體積的約0.1％-約40％的量存在；然而，在鹽水或者壓裂液的情況下，其可以大大的超量。在其它實施方案中，活化劑以總流體體積的約0.2％-約25％的量存在。在其它實施方案中，活化劑以總流體體積的約0.5％-約10％的量存在。應該理解，不考慮觸發水性增粘劑化合物的活化所必需的活化劑的濃度，在本發明的教導內可以使用能夠引起水性增粘劑化合物活化的任何化合物(例如，引起水性增粘劑化合物凝結并且變粘)。
雖然水性增粘劑化合物的活化可能發生在將支撐劑放置于地下裂縫之前、之中或者之后，本發明的具體實施方案是在放置支撐劑之后活化水性增粘劑化合物作為處理現有支撐劑填充物的手段。這特別適合于可能不希望以增粘的形式放置水性增粘劑化合物的情況，例如在補救操作中。以這種方式，水性增粘劑化合物可以被活化形成高粘性化合物或增粘劑，其特定地或者優先地粘附到對所述增粘劑具有天然的或者誘導親合力的希望的支撐劑表面上。
這樣，可以在水力破碎處理中使水性增粘劑化合物以任意多次的不同次數暴露于活化劑。在本發明的特定的實施方案中，活化劑可以幾乎同時隨水性增粘劑化合物而與載體流體混合。以這種方式，引入地下巖層中的水性增粘劑化合物已經被活化，或者至少處于被活化的過程中。在本發明另外的實施方案中，活化劑可以在已將水性增粘劑化合物引入地層以后的某些時間被引入地下巖層中(例如，水性增粘劑化合物可以在其被活化前的某一時間存在于地下巖層中)。以這種方式，在發生水泥散裂或者支撐劑顆粒或者碎屑需要被再固結的情況下，水性增粘劑化合物提供了補救性地增粘裂縫的能力。本領域的技術人員可以認識到，是否預混合活化劑和水性增粘劑化合物決定至少部分取決于所選擇的活化劑。例如，鹽活化劑可能趨向于比帶電荷表面活性劑更快地活化水性增粘劑化合物。
為了便于更好地理解本發明，給出了下面的優選實施方案的實施例。下面的實施例決不應該被認為是對本發明范圍的限制或定義。
實施例實施例1通過混合1升含有20克KCl鹽的水、4.2克干瓜爾膠聚合物和0.2ml乙酸/乙酸銨混合物(用作pH緩沖劑來將混合物的pH降低到約6.5)，并且在混合機中混合約10分鐘使瓜爾膠水合，以制備1000加侖含有35lb干瓜爾膠聚合物的硼酸鹽交聯壓裂液的堿性凝膠。在水合步驟以后，加入2.5ml碳酸鉀(用作pH緩沖劑)，將最后的堿性凝膠的pH升高到約10.2。
用每250克Brady砂1ml季銨鹽的表面活性劑來處理Brady砂子(20/40目)，然后用3重量％、由40％聚丙烯酸酯聚合物溶液形成的涂料對其進行干法涂布。
然后將250克涂布過的20/40 Brady砂放置在干凈的1升燒杯中，加入300ml所述堿性凝膠溶液，其后將該燒杯放入具有高架混合器的140的水浴中。在混合的同時，用約2分鐘將0.32ml硼酸鹽交聯劑加入到該堿性凝膠/支撐劑漿液中，使交聯開始。
得到了穩定的交聯，將其與使用了沒有用本發明處理的支撐劑所進行的對照試驗進行比較。兩種流體都保持穩定，這表明本發明的溶液對于流體穩定性沒有顯著的負面影響；也就是說，其沒有表現出例如不能交聯或者太早斷裂的有害影響。
在用HCl破壞交聯凝膠的時候，將涂布的砂分開并進行測試，結果證實其具有希望的粘性和改進的T測試性能(參見下面)。此外，發現涂布過的砂不需要另外的活化劑來得到希望的涂布性能，這至少部分是因為含有活化劑如KCl的破碎凝膠系統，并且其對丙烯酸基聚合物也表現出令人滿意的活化pH。
實施例2使用粒度小于100目的Brazos River砂子來模擬地層砂子。然后將該材料填充到5英寸長1英寸ID的錐形特氟龍管套中。將約0.5英寸厚的20/40目的Ottawa砂子填充到Brazos River砂材料的下面和上面。然后用3％的KCl鹽水使砂柱飽和，并且用該鹽水以5mL/min的速度以幾種孔隙體積(pore volume)進行沖洗，以確定砂子填充物的初始滲透度。然后用2倍孔隙體積的處理流體(4體積％的40％的聚丙烯酸酯聚合物溶液、0.5％活化劑、0.1％陽離子表面活性劑、0.1％兩性表面活性劑、余量為水)處理含Brazos River砂子的柱。然后用5倍孔隙體積的KCl鹽水(3％)超量沖洗(overflush)該砂子填充物。然后將處理過的砂柱放在烘箱中，在175下固化20個小時。
在固化階段之后，使用3％的KCl鹽水建立從相反方向流過被處理砂柱的流動。將流動速率保持在恒定的5mL/min來確定砂子填充物所保留的滲透度，用來與初始滲透度相比較。被處理的砂子填充物有大于95％的滲透度保留下來，在用來建立重新得到滲透的5mL/min KCl流動過程中所收集的流出液中，沒有產生碎屑的跡象。
該實施例的結果確定了該處理流體能夠穩定地層砂子材料，沒有引起對砂子填充物滲透度的過度破壞。
實施例3除了使用了不同濃度的處理流體外，在本實施例中重復實施例2中所描述的相似的制備和測試程序。使用Brazos River砂子模擬地層碎屑。將該材料填充到5英寸長1英寸ID錐形特氟龍管套中。將約0.5英寸厚的具有20/40目粒度的Ottawa砂子填充到Brazos River砂子材料的下面和上面。然后用3％的KCl鹽水使砂柱飽和，并且用該鹽水以5mL/min的速度以幾種孔隙體積進行沖洗，以確定砂子填充物的初始滲透度。然后加入2倍孔隙體積的處理流體(2體積％的40％聚丙烯酸酯聚合物溶液、0.5％活化劑、0.1％陽離子表面活性劑、0.1％兩性表面活性劑、余量為水)。隨后再用5倍孔隙體積的KCl鹽水(3％)超量沖洗該砂子填充物。
然后將處理的砂柱放在烘箱中，在175下固化20個小時。在固化階段之后，使用3％KCl鹽水建立從相反方向流過被處理砂柱的流動。將流動速率保持在恒定的5mL/min來確定砂子填充物保留的滲透度，用來與初始滲透度相比較。
被處理的砂子填充物保留了大于97％的滲透度。再一次在重新獲得滲透的流動過程中所收集的流出液中，沒有產生碎屑的跡象。
實施例4使用Brazos River砂來模擬地層砂子。將該材料填充到兩個1.5英寸ID的黃銅單元中，并且將其夾在由70/170目砂子構成的砂子填充物之間。用3倍孔隙體積的3％的KCl鹽水沖洗砂柱，接下來用2倍孔隙體積的處理流體(5體積％的40％的聚丙烯酸酯聚合物溶液、0.5％活化劑、0.2％表面活性劑、余量為水)沖洗砂柱，并且用3倍孔隙體積的3％KCl鹽水超量沖洗砂柱。
然后將一個單元放在175的烘箱中20個小時，將一個放在325的烘箱中20個小時來模擬井的井下固化。在固化階段之后，將處理過的砂子從單元中取出來并且觀察它的結構、形狀和撓曲性。處理過的Brazos River砂子表現為呈現單元形狀的堅固結構。盡管具有與通常從固結巖石所觀察到的可以忽略的固結強度，處理過的Brazos River砂粒粘結在一起形成穩定的結構。
實施例5使用了Brazos River砂子來模擬地層砂子。將該材料填充到兩個1.5英寸ID的黃銅單元中，并將其夾在由70/170目砂子構成的砂子填充物之間。用3倍孔隙體積的3％的KCl鹽水沖洗砂柱，接下來用2倍孔隙體積的處理流體(5體積％的40％的聚丙烯酸酯聚合物溶液、0.5％活化劑、0.2％表面活性劑、余量為水)沖洗砂柱，不再采用超量沖洗。
然后將一個處理過的柱子放在175的烘箱中20個小時，并且將一個放在325的烘箱中20個小時來模擬井的井下固化。在固化階段之后，將處理過的砂子從單元中取出并且觀察結構、形狀和曲撓性。處理過的Brazos River砂子表現為呈現單元形狀的堅固結構。盡管具有通常從固結巖石所觀察到的可以忽略的固結強度，但處理過的Brazos River砂粒粘結在一起形成穩定的結構。
實施例6使用篩分粒度為200目及更小的Brazos River砂碎屑來模擬地下碎屑。將該材料填充到1英寸ID的透明丙烯酸流動單元中，以便于觀察。將20/40目篩眼的Ottawa砂子填充到該地層碎屑材料的下面和上面。然后然后用3％的KCl鹽水使砂柱飽和，并且用5倍體積的該鹽水對其進行沖洗，接下來用2倍孔隙體積的處理流體(2體積％的40％的聚丙烯酸酯聚合物溶液、0.5％活化劑、0.2表面活性劑、余量為水)對其沖洗，然后用2倍孔隙體積的3％的KCl鹽水超量沖洗砂柱。
然后將處理過的砂柱放在烘箱中在140下固化20個小時。在固化階段之后，使用3％的KCl鹽水建立與處理過程相反方向流過被處理砂柱的流動。流動速率開始為10mL/min，并逐漸增加到80mL/min。收集流出液以幫助確定流動過程中在所述單元中所觀察到的結果。所有結果都表明，與對照物相比，被處理的柱能夠在所有流速內完全控制碎屑的遷移。
作為對比，將同樣制備但是沒有用濃縮處理流體處理過的砂柱作為對照物。觀察到一旦建立了流動，碎屑顆粒就立即開始遷移到砂子填充物中，并且作為流出液的一部分而產生，即使流動速率為10mL/min。
實施例7基于總處理流體的體積，以約2％(v/w)的量處理20/40 Brady砂子試樣(41.25％的聚丙烯酸酯聚合物濃縮液、3.75％表面活性劑、30％水、接下來25％的活化劑)。將試樣放入下面所描述的T檢測中。對用作增粘化合物的化合物的液體或溶液的評價通過下面的測試完成首先，確定將要涂布該增粘化合物的材料的臨界再懸浮速度。一種合適的測試裝置包括連接到入口水源的1/2″的玻璃T型管，出口處理管線對于流體流動是封閉的。通過入口管將顆粒的水基漿料吸入到T型管中，并且通過篩子收集過濾到的一部分。當T型部分充滿的時侯，除去真空源并且使用塞子來密封該部分的端部。然后將從入口到出口的流動通道擦洗干凈，并將控制體積的泵連接到入口，開始受控制的水流動。緩慢地增加通過入口的流體速度，直到流動的水流得到了第一顆粒的粒子材料。這確定了開始再懸浮速度的基線。接下來，進一步增加流體速率，直到顆粒的遷移變為連續。這確定了連續的再懸浮速度的基線。接下來，可以結束該測試并且將該裝置中再填滿顆粒，所述該顆粒具有相應于被涂布顆粒約0.5重量％活性材料的涂層。在所測試濃度為約0.1-約3％的時候，在結果中看到了大體相同的趨勢，然而，在優選涂覆范圍內0.5％含量對于標準化的程序來說是優選的。可以重復該測試來確定顆粒移動的起始點，以及所述移動變得連續的速度。然后基于初始的或者連續的基線值確定速度增加(或降低)的百分數。
與未處理過的支撐劑相比，有效處理過的支撐劑可以抵抗輸送。即使當測試裝置在其最大速率2,000mL/min流動的時候，測試試樣也沒有顯示出運動的跡象。未被處理的20/40 Brady砂子在速度為154mL/min時開始流動；處理過的砂抵抗高于未被處理的砂13倍流動速率的流動。
實施例8基于總處理流體的體積，以約2％(v/w)的量處理20/40的Brady砂子試樣(40％的聚丙烯酸酯聚合物濃縮液、5％表面活性劑、10％活化劑、余量為水)。與未經處理的20/40 Brady砂相比，本試樣顯示出對支撐劑傳導性有13％的提高。還觀察到被處理的支撐劑表現出所希望的粘合特性，其中單個支撐劑膠著并且有彈性地粘合在一起。
實施例9確定聚合物是否適合用作水性增粘劑的一種方法是制備由50％乙酸酐和50％冰乙酸(v/v)組成的混合物。將10ml測試聚合物放入60ml玻璃瓶中。接下來，加入40ml去離子水并且用手旋動使其混合。然后加入15ml乙酸/乙酸酐(或其它活化劑)。劇烈地搖動瓶子30s。合適的聚合物將形成固體的或者半固體物質。重復用其它已知的活化劑進行篩選，例如乙酸/乙酸酐的摻合物、其它酸、酸的鹽、酸酐、帶電荷聚合物、帶電荷表面活性劑、氯化鈉、氯化鉀、氯化鈣和它們的混合物。
實施例10在表現出相對低的單口井產量的煤層甲烷地進行處理。據估計井的產量至少部分地受到阻止氣體流入鉆井的煤碎屑的削弱。這些井已經在多個煤層中進行了預先水力破碎。用在水中包括乙酸酐、冰乙酸、聚丙烯酸酯聚合物水性增粘劑化合物、酶和氧化劑的溶液處理兩口井。
第一口井從處理前約43MCFD(千立方英尺/天)的甲烷產量變成處理后的約75MCFD。類似地，第二口井從處理前約80MCFD的甲烷產量變成處理后的約105MCFD。此外，這些被處理井的觀察結果顯示，與其在處理前的狀態相比，所生成的水中沒有碎屑顆粒；從而支持了對地層顆粒達到了有效穩定的假設。
實施例11用研缽和杵從干燥的煤地層制備50ml地下煤顆粒(Subitmunious A)漿料，并將其放置到盛放有淡水的瓶子中，并且使其變成泥漿。然后用10ml包括乙酸酐、冰乙酸、水和聚丙烯酸酯聚合物水性增粘劑化合物的溶液處理該煤/水漿液。處理之后，在約12小時的時間內觀察到了煤顆粒的初始絮凝，其后觀察到這些煤顆粒成為能夠在攪拌時破裂并且重新形成的凝聚物質。水相澄清，沒有可見的碎屑顆粒保留在溶液中。該實施例從視覺上解釋了所描述的煤碎屑穩定和從水溶液中除去的過程。
實施例12將約2cm平方的固體煤試樣放置到盛有水的60ml瓶中。然后將該瓶子放在超聲發生器中10分鐘。結果是從較大塊的表面破碎的大量可見的煤顆粒。在另一個瓶中，用包含乙酸酐、冰乙酸、水和聚丙烯酸酯聚合物水性增粘劑化合物的溶液處理幾乎相同的煤試樣，然后將其置入水中，再放入超聲發生器中10分鐘。對被處理煤試樣的視覺觀察表明幾乎完全沒有煤碎屑從處理過的煤表面上破碎下來。
實施例13對表現出低井產量的產生微固結氣體的碎屑狀地層進行處理。據猜想井產量至少部分地受到阻止氣體流入鉆井的碎屑的削弱。這些井已經被預先水力破碎。用在水中包括聚丙烯酸酯、乙酸酐/乙酸、季銨鹽表面活性劑、兩性表面活性劑、酶和氧化劑的水性增粘劑化合物處理這口井。該井的產量從30MCFD變成200MCFD，這顯示了已經基本上解決了碎屑問題。
實施例14用100ml陽離子增粘流體處理100克20/40 Brady砂子(2％的陽離子聚丙烯酰胺聚合物濃縮液、94％水，接下來為4％的乙酸酐/乙酸活化劑)。在回收后，該Brady砂表現出希望的粘性特性。
實施例15用100ml陽離子增粘流體處理1克活化過的煤碎屑試樣(2％的陽離子聚丙烯酰胺聚合物濃縮液、1％陰離子表面活性劑、93％的水，接下來是4％的乙酸酐/乙酸活化劑)。在5分鐘以內，該碎屑固結成為粘性物質。
實施例16用100ml陽離子增粘流體處理1克被活化的煤碎屑試樣(2％的陽離子聚丙烯酰胺聚合物濃縮液、1％陰離子表面活性劑、1％兩性表面活性劑、92％的水，接下來是4％的乙酸酐/乙酸活化劑)。在5分鐘以內，該碎屑固結成為粘性物質。
因此，本發明非常適合實現所提及的目的和優點以及自身固有的那些優點。雖然本領域的技術人員可以進行很多改變，但是這樣的改變都被包括在由下面所附的權利要求所限定的本發明的精神內。
權利要求
1.一種在地下巖層中形成支撐劑填充物的方法，該方法包括將包含支撐劑顆粒的水性維護流體引入地下裂縫中，其中至少一些支撐劑顆粒至少部分地涂布有水性增粘劑化合物；以及，活化所述水性增粘劑化合物以形成所述支撐劑填充物。
2.權利要求1的方法，其中活化所述水性增粘劑化合物形成了穩定的支撐劑填充物。
3.權利要求1的方法，其中所述維護流體包括水性流體、乳液或者泡沫。
4.權利要求1的方法，其中所述維護流體包括淡水、咸水、或它們的組合。
5.權利要求1的方法，其中所述維護流體被交聯。
6.權利要求1的方法，其中所述維護流體進一步包括活化劑。
7.權利要求6的方法，其中所述活化劑包括有機酸、有機酸的酸酐、無機酸、無機鹽、帶電荷表面活性劑、帶電荷聚合物、或者它們的組合。
8.權利要求1的方法，其中所述水性增粘劑化合物在將支撐劑顆粒引入地下裂縫之前被活化。
9.權利要求1的方法，其中所述水性增粘劑化合物在將支撐劑顆粒引入地下裂縫的同時被活化。
10.權利要求1的方法，其中所述水性增粘劑化合物在將支撐劑顆粒引入地下裂縫之后被活化。
11.權利要求1的方法，其中所述水性增粘劑化合物被優先粘結到具有正ξ電勢的表面上。
12.權利要求1的方法，其中所述水性增粘劑化合物被優先粘結到疏水性表面上。
13.權利要求1的方法，其中所述水性增粘劑化合物被優先粘結到具有負ξ電勢的表面上。
14.權利要求1的方法，其中所述水性增粘劑化合物被優先粘結到親水性表面上。
15.權利要求1的方法，其中所述水性增粘劑化合物包括丙烯酸聚合物、丙烯酸酯聚合物、丙烯酸衍生物聚合物、丙烯酸均聚物、丙烯酸酯均聚物、丙烯酰胺基-甲基-丙烷磺酸酯聚合物、丙烯酰胺基-甲基-丙烷磺酸酯衍生物聚合物、丙烯酰胺基-甲基-丙烷磺酸酯共聚物、丙烯酸/丙烯酰胺基-甲基-丙烷磺酸酯共聚物、和它們的共聚物、或它們的混合物。
16.權利要求1的方法，其中活化水性增粘劑化合物包括使所述水性增粘劑化合物去穩定。
17.權利要求1的方法，其中活化水性增粘劑化合物包括使所述水性增粘劑化合物曝露于活化劑。
18.權利要求17的方法，其中所述活化劑包括有機酸、有機酸的酸酐、無機酸、無機鹽、帶電荷表面活性劑、帶電荷聚合物、或者它們的組合。
19.權利要求17的方法，其中所述活化劑包括乙酸/乙酸酐的摻合物。
20.權利要求1的方法，其中使所述支撐劑顆粒在被至少部分涂布水性增粘劑化合物之前與預處理流體接觸。
21.權利要求20的方法，其中所述預處理流體包括帶電荷表面活性劑、帶電荷聚合物、或者它們的組合。
22.權利要求1的方法，其中所述支撐劑顆粒在被至少部分涂布水性增粘劑化合物之前被至少部分地涂布樹脂。
23.一種穩定支撐劑填充物的方法，該方法包括將水性增粘劑化合物引入現有支撐劑填充物的至少一部分中；以及活化所述水性增粘劑化合物以穩定所述支撐劑填充物。
24.權利要求23的方法，其中在將所述水性增粘劑化合置入部分地下巖層之前，使其與維護流體混合。
25.權利要求24的方法，其中所述維護流體包括水性流體、乳液、或者泡沫。
26.權利要求24的方法，其中所述維護流體包括淡水、咸水、或者它們的組合。
27.權利要求24的方法，其中所述維護流體被交聯。
28.權利要求24的方法，其中所述維擴流體進一步包括活化劑。
29.權利要求28的方法，其中所述活化劑包括有機酸、有機酸的酸酐、無機酸、無機鹽、帶電荷表面活性劑、帶電荷聚合物、或者它們的組合。
30.權利要求23的方法，其中所述水性增粘劑化合物包括丙烯酸聚合物、丙烯酸酯聚合物、丙烯酸衍生物聚合物、丙烯酸均聚物、丙烯酸酯均聚物、丙烯酰胺基-甲基-丙烷磺酸酯聚合物、丙烯酰胺基-甲基-丙烷磺酸酯衍生物聚合物、丙烯酰胺基-甲基-丙烷磺酸酯共聚物、丙烯酸/丙烯酰胺基-甲基-丙烷磺酸酯共聚物、和它們的共聚物、或它們的混合物。
31.權利要求23的方法，其中活化水性增粘劑化合物包括使所述水性增粘劑化合物去穩定。
32.權利要求23的方法，其中活化水性增粘劑化合物包括使所述水性增粘劑化合物暴露于活化劑。
33.權利要求32的方法，其中所述活化劑包括有機酸、有機酸的酸酐、無機酸、無機鹽、帶電荷表面活性劑、帶電荷聚合物、或者它們的組合。
34.權利要求32的方法，其中所述活化劑包括乙酸/乙酸酐的摻合物。
35.權利要求23的方法，其中至少部分現有支撐劑填充物在將水性增粘劑化合物引入現有支撐劑填充物的至少一部分中之前與預處理流體接觸。
36.權利要求35的方法，其中所述預處理流體包括帶電荷表面活性劑、帶電荷聚合物、或它們的組合。
37.權利要求23的方法，其中在水性增粘劑被活化之后，所述支撐劑填充物表現出比水性增粘劑被活化之前更高的傳導性。
38.一種控制支撐劑顆粒從支撐劑填充物回流的方法，該方法包括將包含支撐劑顆粒的水性載體流體引入地下裂縫中以形成支撐劑填充物，其中至少一些支撐劑顆粒至少部分地涂布有水性增粘劑化合物；以及，活化所述水性增粘劑化合物。
39.權利要求38的方法，其中活化水性增粘劑化合物形成了穩定的支撐劑填充物。
40.權利要求38的方法，其中所述維護流體包括水性流體、乳液、或者泡沫。
41.權利要求38的方法，其中所述維護流體包括淡水、咸水、或者它們的組合。
42.權利要求38的方法，其中所述維護流體被交聯。
43.權利要求38的方法，其中所述維護流體進一步包括活化劑。
44.權利要求43的方法，其中所述活化劑包括有機酸、有機酸的酸酐、無機酸、無機鹽、帶電荷表面活性劑、帶電荷聚合物、或者它們的組合。
45.權利要求38的方法，其中所述水性增粘劑化合物在將支撐劑顆粒引入地下裂縫之前被活化。
46.權利要求38的方法，其中所述水性增粘劑化合物在將支撐劑顆粒引入地下裂縫的同時被活化。
47.權利要求38的方法，其中所述水性增粘劑化合物在將支撐劑顆粒引入地下裂縫之后被活化。
48.權利要求38的方法，其中所述水性增粘劑化合被優先粘結到具有正ξ電勢的表面上。
49.權利要求38的方法，其中所述水性增粘劑化合物被優先粘結到具有負ξ電勢的表面上。
50.權利要求38的方法，其中所述水性增粘劑化合物包括丙烯酸聚合物、丙烯酸酯聚合物、丙烯酸衍生物聚合物、丙烯酸均聚物、丙烯酸酯均聚物、丙烯酰胺基-甲基-丙烷磺酸酯聚合物、丙烯酰胺基-甲基-丙烷磺酸酯衍生物聚合物、丙烯酰胺基-甲基-丙烷磺酸酯共聚物、丙烯酸/丙烯酰胺基-甲基-丙烷磺酸酯共聚物、和它們的共聚物、或它們的混合物。
51.權利要求38的方法，其中活化水性增粘劑化合物包括使所述水性增粘劑化合物去穩定。
52.權利要求38的方法，其中活化水性增粘劑化合物包括使所述水性增粘劑化合物暴露于活化劑。
53.權利要求52的方法，其中所述活化劑包括有機酸、有機酸的酸酐、無機酸、無機鹽、帶電荷表面活性劑、帶電荷聚合物、或者它們的組合。
54.權利要求52的方法，其中所述活化劑包括乙酸/乙酸酐的摻合物。
55.權利要求38的方法，其中所述支撐劑顆粒在被至少部分地涂布水性增粘劑化合物之前與預處理流體接觸。
56.權利要求55的方法，其中所述預處理流體包括帶電荷表面活性劑、帶電荷聚合物、或它們的混合物。
57.權利要求38的方法，其中所述支撐劑顆粒在被至少部分地涂布水性增粘劑化合物之前被至少部分地涂布樹脂。
58.一種包括支撐劑顆粒和水性流體的維護流體，其中至少一些支撐劑顆粒被至少部分地涂布水性增粘劑化合物。
59.權利要求58的維護流體，其中所述水性流體包括淡水、咸水、或它們的組合。
60.權利要求58的維護流體，其中所述水性流體被交聯。
61.權利要求58的維護流體，其進一步包括活化劑。
62.權利要求61的維護流體，其中所述活化劑包括有機酸、有機酸的酸酐、無機酸、無機鹽、帶電荷表面活性劑、帶電荷聚合物、或者它們的組合。
63.權利要求61的維護流體，其中所述活化劑包括乙酸/乙酸酐的摻合物。
64.權利要求58的維護流體，其中所述水性增粘劑化合物被優先粘結到具有正ξ電勢的表面上。
65.權利要求58的維護流體，其中所述水性增粘劑化合物被優先粘結到具有負ξ電勢的表面上。
66.權利要求58的維護流體，其中所述水性增粘劑化合物包括丙烯酸聚合物、丙烯酸酯聚合物、丙烯酸衍生物聚合物、丙烯酸均聚物、丙烯酸酯均聚物、丙烯酰胺基-甲基-丙烷磺酸酯聚合物、丙烯酰胺基-甲基-丙烷磺酸酯衍生物聚合物、丙烯酰胺基-甲基-丙烷磺酸酯共聚物、丙烯酸/丙烯酰胺基-甲基-丙烷磺酸酯共聚物、和它們的共聚物、或它們的混合物。
67.涂布有水性增粘劑化合物的支撐劑顆粒。
68.權利要求67的支撐劑顆粒，其中所述水性增粘劑化合物被優先粘結到具有正ξ電勢的表面上。
69.權利要求67的支撐劑顆粒，其中所述水性增粘劑化合物被優先粘結到具有負ξ電勢的表面上。
70.權利要求67的支撐劑顆粒，其中所述水性增粘劑化合物包括丙烯酸聚合物、丙烯酸酯聚合物、丙烯酸衍生物聚合物、丙烯酸均聚物、丙烯酸酯均聚物、丙烯酰胺基-甲基-丙烷磺酸酯聚合物、丙烯酰胺基-甲基-丙烷磺酸酯衍生物聚合物、丙烯酰胺基-甲基-丙烷磺酸酯共聚物、丙烯酸/丙烯酰胺基-甲基-丙烷磺酸酯共聚物、和它們的共聚物、或它們的混合物。
全文摘要
本發明涉及水基增粘劑流體以及它們在穩定支撐裂縫的顆粒中的用途。本發明的一些實施方案提供了在地下巖層中生產支撐劑填充物的方法，該方法包括將包括支撐劑顆粒的水性維護流體引入地下裂縫中，其中至少一些支撐劑顆粒至少部分地被水性增粘劑化合物涂布；并且，活化水性增粘劑化合物以形成支撐劑填充物。其它的實施方案提供了穩定支撐劑填充物的方法，其包括將水性增粘劑化合物引入一部分現有的支撐劑填充物中；并且，活化水性增粘劑化合物以穩定支撐劑填充物。其它的實施方案提供了包括支撐劑顆粒和水性流體的維護流體，其中至少一些支撐劑顆粒被部分地涂布有水性增粘劑化合物。
文檔編號E21B43/267GK1965146SQ200580018966
公開日2007年5月16日 申請日期2005年5月19日 優先權日2004年6月9日
發明者馬修·E.·布勞克, 托馬斯·D.·韋爾頓, 菲利普·D.·阮 申請人:哈利伯頓能源服務公司