вспененные гелеобразные системы для гидроразрыва подземных пластов и способы их получения и применения

Формула изобретения

1. Водная композиция, подходящая для гидравлического разрыва пласта, содержащая:

воду,

ионно-связанную гелеобразную систему, включающую в себя:

заряженный полимер и

противоположно заряженный пенообразователь, и

газ,

причем гелеобразная система и газ присутствуют в количестве, достаточном для образования ионно-связанной вспененной композиции для гидроразрыва.

2. Композиция по п.1, где гелеобразная система, кроме того, содержит бетаин.

3. Композиция по п.1, где гелеобразная система, кроме того, содержит аминоксид.

4. Композиция по п.1, где гелеобразная система, кроме того, содержит низший спирт.

5. Композиция по п.1, где гелеобразная система содержит: от примерно 0,5 вес.% до примерно 20 вес.% заряженного полимера и от примерно 0,1 вес.% до примерно 50 вес.% противоположно заряженного пенообразователя.

6. Композиция по п.2, где гелеобразная система содержит: от примерно 0,5 вес.% до примерно 20 вес.% заряженного полимера, от примерно 0,1 вес.% до примерно 50 вес.% противоположно заряженного пенообразователя и от примерно 0,01 вес.% до примерно 20 вес.% бетаина.

7. Композиция по п.3, где гелеобразная система содержит: от примерно 0,5 вес.% до примерно 20 вес.% заряженного полимера, от примерно 0,1 вес.% до примерно 50 вес.% противоположно заряженного пенообразователя, от примерно 0,01 вес.% до примерно 20 вес.% бетаина и от примерно 1 вес.% до примерно 35 вес.% аминоксида.

8. Композиция по п.4, где гелеобразная система, кроме того, содержит: от примерно 0,5 вес.% до примерно 20 вес.% заряженного полимера, от примерно 0,1 вес.% до примерно 50 вес.% противоположно заряженного пенообразователя, от примерно 0,01 вес.% до примерно 20 вес.% бетаина, от примерно 1 вес.% до примерно 35 вес.% аминоксида и от примерно 0,1 вес.% до примерно 20 вес.% низшего спирта.

9. Композиция по п.4, где гелеобразная система содержит: от примерно 1 вес.% до примерно 20 вес.% анионного полимера, от примерно 0,5 вес.% до примерно 50 вес.% катионного пенообразователя, от примерно 0,1 вес.% до примерно 20 вес.% бетаина, от примерно 2 вес.% до примерно 35 вес.% аминоксида и от примерно 1 вес.% до примерно 20 вес.% низшего спирта.

10. Композиция по п.4, где гелеобразная система содержит: от примерно 2,5 вес.% до примерно 20 вес.% катионного полимера, от примерно 1 вес.% до примерно 50 вес.% анионного пенообразователя, от примерно 1 вес.% до примерно 20 вес.% бетаина, от примерно 5 вес.% до примерно 35 вес.% аминоксида и от примерно 2 вес.% до примерно 20 вес.% низшего спирта.

11. Композиция по п.1, где катионные полимеры включают полиамины, четвертичные производные простых эфиров целлюлозы, четвертичные производные гуаровой смолы, гомополимеры и сополимеры с по меньшей мере 20 мол.% диметилдиаллиламмонийхлорида (DMDAAC), гомополимеры и сополимеры метакриламидопропил триметиламмонийхлорида (МАРТАС), гомополимеры и сополимеры акриламидопропилтриметиламмонийхлорида (АРТАС), гомополимеры и сополимеры метакрилоилоксиэтилтриметиламмонийхлорида (МЕТАС), гомополимеры и сополимеры акрилоилоксиэтилтриметиламмонийхлорида (АЕТАС), гомополимеры и сополимеры метакрилоилоксиэтилтриметиламмоний метилсульфата (METAMS) и четвертичные производные крахмала, и их смеси или комбинации.

12. Композиция по п.1, где анионные полимеры включают гомополимеры и сополимеры акриловой кислоты (АА), гомополимеры и сополимеры метакриловой кислоты (МАА), гомополимеры и сополимеры акриламидо-2-метилпропансульфоновой кислоты (AMPSA), гомополимеры и сополимеры N-метакриламидопропил-N,N-диметиламиноуксусной кислоты, N-акриламидопропил-N,N-диметиламиноуксусной кислоты, N-метакрилоилоксиэтил-N,N-диметиламиноуксусной кислоты и N-акрилоилоксиэтил-N,N-диметиламиноуксусной кислоты и их смеси или комбинации.

13. Композиция по п.1, где анионные пенообразователи включают алкил-, арил- или алкиларилсульфаты, алкил-, арил- или алкиларилкарбоксилаты, или алкил-, арил- или алкиларилсульфонаты; в определенных вариантах осуществления алкильные фрагменты содержат от примерно 1 до примерно 18 атомов углерода, арильные фрагменты содержат от примерно 6 до примерно 12 атомов углерода, и алкиларильные фрагменты содержат от примерно 7 до примерно 30 атомов углерода; типичными группами являются пропил, бутил, гексил, децил, додецил, фенил, бензил и линейные или разветвленные алкилбензольные производные карбоксилатов, сульфатов и сульфонатов.

14. Композиция по п.1, где анионные пенообразователи содержат сульфаты простых алкиловых эфиров, алкарилсульфонаты, алкилсукцинаты, алкилсульфосукцинаты, N-алкоилсаркозинаты, алкилфосфаты, фосфаты простых алкиловых эфиров, карбоксилаты простых алкиловых эфиров, альфа-олефин сульфонаты и ацилметилтаураты, в частности их натриевые, магний-аммониевые и моно-, ди- и триэтаноламиновые соли, или их смеси или комбинации, причем алкильные и ацильные группы содержат от 8 до 18 атомов углерода и являются насыщенными или ненасыщенными, причем сульфаты простых алкиловых эфиров, фосфаты простых алкиловых эфиров и карбоксилаты простых алкиловых эфиров могут содержать от одного до 10 звеньев этиленоксида или пропиленоксида на молекулу.

15. Композиция по п.1, где катионные пенообразователи содержат ПАВы на основе четвертичного аммония формулы X^-N ⁺R¹R²R³, где R¹ , R² и R³ независимо выбраны из водорода, алифатической группы, содержащей от примерно 1 до примерно 22 атомов углерода, или из ароматической, арильной, алкокси, полиоксиалкиленовой, алкиламидо, гидроксиалкильной или алкиларильной группы, имеющей от примерно 1 до примерно 22 атомов углерода; и Х представляет собой анион, выбранный из аниона галогена, ацетатного, фосфатного, нитратного, сульфатного, алкилсульфатного радикалов, тозилата, лактата, цитрата и гликолята и их смесей или комбинаций, причем алифатические группы могут включать, помимо атомов углерода и водорода, простые эфирные связи и другие группы, такие, как заместители гидроксильной или аминогрупп, причем более длинноцепочечные алифатические группы, имеющие по меньшей мере 12 атомов углерода, могут быть насыщенными или ненасыщенными.

16. Композиция по п.15, в которой R¹ является алкильной группой, имеющей от примерно 12 до примерно 18 атомов углерода; R² выбран из Н или алкильной группы, имеющей от примерно 1 до примерно 18 атомов углерода; R³ и R⁴ независимо выбраны из Н или алкильной группы, имеющей от примерно 1 до примерно 3 атомов углерода; и Х таков, как описано выше.

17. Композиция по п.1, в которой низшие спирты включают спирты общей формулы ROH, где R есть линейная или разветвленная карбильная группа, имеющая от 1 до 5 атомов углерода, причем один или более атомов углерода может быть замещен атомом кислорода, азота или серы, и один или более атомов водорода может быть замещен атомом галогена, алкоксигруппой, амидной группой или любой другой группой, которая может замещать атом водорода и не влияет отрицательно на свойства спирта.

18. Композиция по п.1, где низшие спирты имеют общую формулу C_nH_2n+2OH, где n есть целое число, составляющее от примерно 1 до примерно 5.

19. Композиция по п.18, где n есть целое число, составляющее от 2 до 4.

20. Композиция по п.18, где n есть целое число, составляющее от 3 до 4.

21. Композиция по п.18, где n есть целое число, равное 3.

22. Композиция по п.1, где бетаины включают кокодиметил карбоксиметилбетаин, лаурилдиметилкарбоксиметилбетаин, лаурилдиметилальфакарбоксиэтилбетаин, цетилдиметил карбоксиметилбетаин, цетилдиметилбетаин, лаурил-бис-(2-гидроксиэтил)карбоксиметилбетаин, олеилдиметил гамма-карбоксипропилбетаин, лаурил-бис-(2-гидроксипропил)альфа-карбоксиэтилбетаин, кокодиметилсульфопропилбетаин, лаурилдиметилсульфоэтилбетаин, лаурил-бис-(2-гидроксиэтил)сульфопропилбетаин, амидобетаины и амидосульфобетаины, причем радикал RCONH(СН₂) ₃ присоединен к атому азота бетаина, олеилбетаин и кокамидопропилбетаин и их смеси или комбинации.

23. Композиция по п.1, где аминоксиды включают кокамидопропилдиметиламиноксид и другие соединения формулы R¹R²R³N->O, где R³ означает гидрокарбил или замещенный гидрокарбил, имеющий от примерно 8 до примерно 30 атомов углерода, и R¹ и R² независимо означают водород, гидрокарбил или замещенный гидрокарбил, имеющий до 30 атомов углерода, и их смеси или комбинации.

24. Композиция по п.1, где газы включают азот, диоксид углерода или любой другой газ, подходящий для применения при гидроразрыве пласта, или их смеси или комбинации.

25. Композиция, включающая: жидкость для гидроразрыва, включающую от примерно 5,5 gpt до примерно 70 gpt гелеобразной системы, причем гелеобразная система включает: первое количество первой дополнительной композиции, включающей: примерно 16,5 вес.% раствора (16,25 вес.%) полидиаллилдиметиламмонийхлорида (pDADMAC), примерно 2,63 вес.% кокамидопропилбетаина, примерно 3,46 вес.% кокаминоксида и примерно 77,66 вес.% деионизированной воды; и второе количество второй дополнительной композиции, включающей: примерно 25,0 вес.% лаурилсульфата аммония, примерно 10 вес.% изопропилового спирта (IPA) и примерно 65 вес.% деионизированной воды, причем отношение количества первой добавки к количеству второй добавки составляет от примерно 2:1 до примерно 6:1.

26. Композиция по п.25, где первое количество варьируется от примерно 5 gpt до примерно 50 gpt, и второе количество варьируется от примерно 0,5 gpt до примерно 20 gpt.

27. Композиция по п.25, где первое количество варьируется от примерно 7,5 gpt до примерно 45 gpt, и второе количество варьируется от примерно 1 gpt до примерно 15 gpt.

28. Композиция по п.25, где первое количество варьируется от примерно 10 gpt до примерно 40 gpt, и второе количество варьируется от примерно 1 gpt до примерно 12,5 gpt.

29. Композиция по п.25, где первое количество варьируется от примерно 10 gpt до примерно 40 gpt, и второе количество варьируется от примерно 2,5 gpt до примерно 10 gpt.

30. Композиция по п.25, где отношение составляет от примерно 3:1 до примерно 5:1.

31. Композиция по п.25, где отношение составляет примерно 4:1.

32. Композиция по п.25, где гелеобразная система присутствует в диапазоне от примерно 12,5 gpt до примерно 50 gpt.

33. Способ гидроразрыва пласта, включающий этапы: образования жидкости для гидроразрыва, содержащей от примерно 5,5 gpt до примерно 70 gpt ионно-связанной гелеобразной системы и достаточное количество пропанта, чтобы удержать раскрытыми трещины, полученные в пласте при гидроразрыве, закачивание жидкости для гидроразрыва и газа в пласт при достаточном давлении, чтобы разорвать пласт и повысить продуктивность, причем гель и газ присутствуют в количествах, достаточных для образования вспененной ионно-связанной гелеобразной композиции для гидроразрыва, и причем пропант удерживает пласт раскрытым во время и/или после гидроразрыва.

34. Способ по п.33, где гелеобразная система, кроме того, содержит бетаин.

35. Способ по п.33, где гелеобразная система, кроме того, содержит аминоксид.

36. Способ по п.33, где гелеобразная система, кроме того, содержит низший спирт.

37. Способ по п.33, где гелеобразная система содержит: от примерно 0,5 вес.% до примерно 20 вес.% заряженного полимера и от примерно 0,1 вес.% до примерно 50 вес.% противоположно заряженного пенообразователя.

38. Способ по п.34, где гелеобразная система содержит: от примерно 0,5 вес.% до примерно 20 вес.% заряженного полимера, от примерно 0,1 вес.% до примерно 50 вес.% противоположно заряженного пенообразователя, от примерно 0,01 вес.% до примерно 20 вес.% бетаина.

39. Способ по п.35, где гелеобразная система содержит: от примерно 0,5 вес.% до примерно 20 вес.% заряженного полимера, от примерно 0,1 вес.% до примерно 50 вес.% противоположно заряженного пенообразователя, от примерно 0,01 вес.% до примерно 20 вес.% бетаина и от примерно 1 вес.% до примерно 35 вес.% аминоксида.

40. Способ по п.36, где гелеобразная система, кроме того, содержит: от примерно 0,5 вес.% до примерно 20 вес.% заряженного полимера, от примерно 0,1 вес.% до примерно 50 вес.% противоположно заряженного пенообразователя, от примерно 0,01 вес.% до примерно 20 вес.% бетаина, от примерно 1 вес.% до примерно 35 вес.% аминоксида и от примерно 0,1 вес.% до примерно 20 вес.% низшего спирта.

41. Способ по п.36, где гелеобразная система содержит: от примерно 1 вес.% до примерно 20 вес.% анионного полимера, от примерно 0,5 вес.% до примерно 50 вес.% катионного пенообразователя, от примерно 0,1 вес.% до примерно 20 вес.% бетаина, от примерно 2 вес.% до примерно 35 вес.% аминоксида и от примерно 1 вес.% до примерно 20 вес.% низшего спирта.

42. Способ по п.36, где гелеобразная система содержит: от примерно 2,5 вес.% до примерно 20 вес.% катионного полимера, от примерно 1 вес.% до примерно 50 вес.% анионного пенообразователя, от примерно 1 вес.% до примерно 20 вес.% бетаина, от примерно 5 вес.% до примерно 35 вес.% аминоксида и от примерно 2 вес.% до примерно 20 вес.% низшего спирта.

43. Способ гидроразрыва пласта, включающий этапы: закачивание жидкости для гидроразрыва и газа в продуктивный пласт при давлении, достаточном для разрыва пласта и для повышения продуктивности, причем жидкость для гидроразрыва содержит вспениваемую ионно-связанную гелеобразную композицию для гидроразрыва, включающую в себя анионный или катионный полимер и противоположно заряженный пенообразователь, причем гель и газ присутствуют в количествах, достаточных для образования вспененной ионно-связанной гелеобразной композиции для гидроразрыва, и закачивание пропанта после гидроразрыва для удержания открытым разорванного пласта.

44. Способ получения вспененной композиции для гидроразрыва, содержащий этап растворения анионного или катионного полимера в воде и затем добавление противоположно заряженного пенообразователя, причем эти два компонента присутствуют в количестве, достаточном для образования вспениваемой ионно-связанной гелеобразной композиции для гидроразрыва.

45. Способ получения вспениваемой композиции для гидроразрыва, включающий этапы: образования, путем смешивания, первой дополнительной композиции, содержащей примерно 16,5 вес.% раствора (16,25 вес.%) полидиаллилдиметиламмонийхлорида (pDADMAC), примерно 2,63 вес.% кокамидопропилбетаина, примерно 3,46 вес.% кокаминоксида и примерно 77,66 вес.% деионизированной воды, образования, путем смешивания, второй дополнительной композиции, содержащей примерно 25,0 вес.% лаурилсульфата аммония, примерно 10 вес.% изопропилового спирта (IPA) и примерно 65 вес.% деионизированной воды, добавления второго количества второй дополнительной композиции к первому количеству первой дополнительной композиции при отношении первой добавки ко второй добавке от примерно 2:1 до примерно 6:1.

Описание изобретения к патенту

Предпосылки изобретения

1. Область техники, к которой относится изобретение

Настоящее изобретение относится к водной вспениваемой композиции, подходящей для гидравлического разрыва пласта, содержащей ионно-связанную гелеобразную систему, причем композиции хорошо подходят для разрыва пластов, где недостаточно или не имеется гидратационных установок. Настоящее изобретение относится также к способам получения и применения композиций для разрыва пластов с недостатком гидратационных установок.

Более конкретно, настоящее изобретение относится к водной вспениваемой композиции, подходящей для гидроразрыва пласта, содержащей: воду, ионно-связанную гелеобразную систему, включающую анионный или катионный полимер и противоположно заряженный пенообразователь, и газ, причем гелеобразная система и газ присутствуют в количестве, достаточном для образования ионно-связанной вспененной композиции для гидроразрыва. Эти композиции хорошо подходят для гидроразрыва пластов, где недостаточно или не имеется гидратационных установок. Настоящее изобретение относится также к способам получения и применения композиций для гидроразрыва пласта при недостатке гидратационных установок.

2. Описание родственного уровня техники

Исторически применение загущенных жидкостей для гидроразрыва в местах, где не имеется гидратационных установок, было решено путем гидратации линейного геля в разных местах. После гидратации линейного геля - перенос гидратированного линейного геля к месту разрыва. Более современный подход направлен на использование вязкоупругих систем (VES), где гелеобразные системы образованы из червеобразных мицеллярных структур, полученных из таких поверхностно-активных систем, как цетил-трет-бутиламмонийхлорид, который создает вязкость, как только входит в контакт с соляным раствором из скважины.

В прошлом для создания гелеобразных систем для применения в гидроразрыве использовалась комбинация любых из анионных ПАВов, катионных ПАВов, неионных ПАВов и амфотерных ПАВов. Упоминание об использовании гелей, содержащих противоположно заряженные компоненты для применения в гидроразрыве, упоминается только в патенте США US 7205262, но этот патент не упоминает применение таких систем для применения во вспененных системах для гидроразрыва.

В патенте US 5169441 предлагается использовать дзета-потенциал для характеристики таких твердых частиц, как пигменты, обработанные катионными полимерами. Патент US 5846308 описывает стабилизацию дисперсии канифоли для применения в качестве замасливающей композиции путем обработки ее "катионным коллоидным коацерватом", который может содержать и катионный полимер, и анионный ПАВ; конечные замасливающие композиции должны иметь дзета-потенциал по меньшей мере 20 милливольт. Предпочтительным катионным полимером является полидиаллилдиметиламмонийхлорид, иногда известный как поли-DADMAC. Также патент US 6315824 описывает близкую коацерватную стабилизирующую систему, используемую для гидрофобных неканифольных замасливателей, которая может быть как жидкой, так и твердой. Смотри также патент US 4507210, который предлагает корреляцию дзета-потенциала с определенными фильтрационными свойствами при обработке сланцев и глины при добыче углеводородов; смотри также патент US 5196401.

Другие композиции, содержащие катионный полимер и анионный ПАВ, часто при высоких отношениях анионного ПАВа к катионному полимеру, можно найти в патентах US 6110451 и US 4948576, а мыла и другие продукты личной гигиены описываются в патентах US 6297203, 6221817, патенте US 6284230 (который описывает также бетаины), в патенте US 5137715 и патенте US 6248317.

В области добычи углеводородов из земли в документе CA2257699 предложены жидкости для гидроразрыва, которые объединяют анионные ПАВы, такие как ксилолсульфонат натрия, и катионные ПАВы, такие как N,N,N-триметил-1-октадекаммонийхлорид, для получения геля, указанного как вязкоупругий. В CA2257697 для образования пены в подобные композиции добавляется диоксид углерода. Патент US 4409110 описывает композиции для заводнения пласта, которые могут содержать катионные полимеры и анионные ПАВы. Множество комбинаций ПАВов и других соединений предлагается в патенте US 6258859 (WO 98/56497; PCT/US/12067). См. также композиции, указанные как вязкоупругие и предлагаемые для обработки скважин в патенте US 6232274 и патенте US 6194356.

Комбинации катионных полимеров, бетаинов и анионных ПАВов могут быть выведены из многочисленных комбинаций материалов, которые возможно являются вязкоупругими, приведенных в описании к патенту US 5956502, относящемуся к композициям, применяющимся для волос и кожи. Смотри также комбинацию катионного полимера с анионными ПАВами для применения в составе моющего средства для автоматической мойки посуды, упоминаемую в патенте US 6281180.

В патентах US 7182239 и 7205262 описаны мицеллярные комбинации катионных или анионных полимеров и противоположно заряженных ПАВов, полученные предпочтительно со спиртами C₆-C₂₃, соотношения между которыми в водных средах устанавливаются с помощью измерений дзета-потенциала. Полученные гели подходят для бурения и гидроразрыва пласта при добыче углеводородов, обнаруживая отличные показатели стабильности пропанта при низкой концентрации полимера и ПАВа по сравнению с предшествующим уровнем.

Хотя существуют вспенивающие системы для применения при гидроразрыве пластов, которые не имеют достаточно гидратационных установок, все же в данной области имеется потребность в других композициях для гидроразрыва, которые можно применять для гидроразрыва пластов, включая пласты, имеющие недостаточно или не имеющие гидратационных установок.

Определения, используемые в изобретении

Термин "противоположно заряженный ПАВ" означает, что ПАВ имеет заряд, противоположный полимеру, этот ПАВ иногда называется здесь "противоионным ПАВом". Под этим авторы подразумевают ПАВ, имеющий заряд, противоположный заряду полимера.

Термин "вспениваемая" означает композицию, которая при смешивании с газом образует стабильную пену.

Термин "ионно-связанный гель" означает гель, образованный в результате взаимодействия между заряженными полимерами и противоположно заряженными ПАВами.

Термин "gpt" означает галлоны на тысячу галлонов.

Термин "ppt" означает фунты на тысячу галлонов.

Суть изобретения

Некоторые варианты осуществления настоящего изобретения дают водные композиции, подходящие для гидроразрыва пласта, содержащие: воду, ионно-связанную гелеобразную систему, включающую анионный или катионный полимер и противоположно заряженный пенообразователь, и газ, причем гелеобразная система и газ присутствуют в достаточном количестве, чтобы образовать ионно-связанную вспененную композицию для гидроразрыва.

Некоторые варианты осуществления настоящего изобретения дают способ получения вспениваемой композиции для гидроразрыва по настоящему изобретению, включающий в себя этап растворения анионного или катионного полимера в воде и после этого добавление противоположно заряженного пенообразователя, причем оба компонента присутствуют в количестве, достаточном для образования ионно-связанной гелеобразной системы. Ионно-связанная или ионно-ассоциированная гелеобразная система содержит ионно-ассоциированный заряженный полимер и противоположно заряженный пенообразователь.

Некоторые варианты осуществления настоящего изобретения дают способ получения вспененной композиции для гидроразрыва по настоящему изобретению, включающий в себя этап растворения анионного или катионного полимера в воде и после этого добавление противоположно заряженного пенообразователя, причем оба компонента присутствуют в количестве, достаточном для образования вспениваемой ионно-связанной гелеобразной композиции для гидроразрыва. Гель содержит ионно-ассоциированный заряженный полимер и противоположно заряженный пенообразователь. Способ включает также этап добавления газа в достаточном количестве в вспениваемую ионно-связанную гелеобразную композицию для гидроразрыва для получения вспененной ионно-связанной гелеобразной композиции для гидроразрыва.

Некоторые варианты осуществления настоящего изобретения дают способ гидроразрыва пласта, включающий в себя этап закачивания жидкости для гидроразрыва, содержащей пропант и газ, в продуктивный пласт при давлении, достаточном для разрыва пласта и для повышения продуктивности, причем жидкость для гидроразрыва включает воду, вспениваемую ионно-связанную гелеобразную композицию для гидроразрыва, содержащую анионный или катионный полимер и противоположно заряженный пенообразователь, причем гель и газ присутствуют в достаточных количествах, чтобы образовать вспененную ионно-связанную гелеобразную композицию для гидроразрыва, а пропант удерживает пласт раскрытым после разрыва.

Некоторые варианты осуществления настоящего изобретения дают способ гидроразрыва пласта, включающий в себя этап закачивания жидкости для гидроразрыва и газа в продуктивный пласт при давлении, достаточном для разрыва пласта и повышения продуктивности, причем жидкость для гидроразрыва содержит воду, вспениваемую ионно-связанную гелеобразную композицию для гидроразрыва, включающую анионный или катионный полимер и противоположно заряженный пенообразователь, причем гель и газ присутствуют в достаточных количествах, чтобы образовать вспененную ионно-связанную гелеобразную композицию для гидроразрыва, а пропант удерживает пласт раскрытым после разрыва. Способ может также включать в себя этап закачивания пропанта после разрыва, чтобы удерживать открытым разорванный пласт.

Подробное описание изобретения

Авторы изобретения обнаружили, что может быть получена вспененная жидкая композиция для гидроразрыва пластов, которая основана на гелях, образующихся в результате взаимодействия между катионными полимерами (типично использующимися как стабилизаторы глины для уменьшения набухания глин/миграции мелочи) и анионным ПАВом (типично используемым как пенообразователь). Взаимодействие обусловлено ионным связыванием (или электростатическим, или электровалентным связыванием) между катионными полимерами и анионными пенообразователями. Катионные полимеры, как полидиаллилдиметиламмонийхлорид, мгновенно растворяются и гидратируются в воде. Оказавшись в растворе, полимеры могут взаимодействовать с анионным ПАВом, таким как лаурилсульфат натрия, образуя локальный гель, который может быть вспенен азотом или диоксидом углерода без использования каких-либо дополнительных пенообразователей. Авторы изобретения обнаружили, что один вариант осуществления настоящей композиции - новая композиция для гидроразрыва, отличающаяся от существующих композиций, может быть создана из катионного полимерного стабилизатора глины и анионного ПАВа или пенообразователя, которые взаимодействуют с образованием гелевого продукта, содержащего электростатически связанную гелеобразную систему и образующую высоковязкий гель, который может использоваться для гидроразрыва с пеной, создаваемой с помощью азота и CO ₂.

В некоторых вариантах осуществления используются полимеры диаллилдиметиламмонийхлорида. В других вариантах осуществления используются гомополимеры диаллилдиметиламмонийхлорида. Однако, когда в настоящем изобретении используются катионные полимеры, можно использовать любой водорастворимый катионный полимер, эффективный для загущения воды. В некоторых вариантах осуществления полимеры имеют молекулярный вес по меньшей мере 7000 г/моль. Такие полимеры включают гомополимеры и сополимеры, полученные с катионными мономерами (т.е. по меньшей мере 20% мономерных звеньев содержат катионные функциональные группы, а остальные могут быть нефункциональными или неионными), такими как диаллилдиметиламмонийхлорид, метакриламидопропилтриметил аммонийхлорид, акрилоксиэтилтриметиламмонийхлорид, диаллилдиэтил аммонийхлорид, метакрилоксиэтилтриметиламмонийхлорид, винилпиридин, винилбензилтриметиламмонийхлорид, другие подобные катионные полимеры или их смеси или комбинации.

В некоторых вариантах осуществления анионный ПАВ, используемый с катионным полимером, является лаурилсульфатом аммония, но может использоваться любой алкилсульфат или сульфонат щелочного металла, имеющий от 8 до 22 атомов углерода, и сульфаты и сульфонаты простых алкиловых эфиров, имеющие от 8 до 22 атомов углерода, охватываются используемым здесь термином "противоионный ПАВ", и их смеси или комбинации. Могут использоваться имеющиеся в продаже формы лаурилсульфата аммония, содержащие незначительные или равно существенные количества других сходных ПАВов. Могут также применяться обычные анионные ПАВы.

Если используется аминоксидный промотор, то в некоторых вариантах осуществления он представляет собой лауриламиноксид, но можно использовать любой аминоксид формулы R¹R²R³N->O, в других вариантах осуществления R¹N(CH₃)₂->O, где R¹ есть алкильная группа с 8-22 атомами углерода, и R¹ и R² независимо означают алкильные группы, содержащие от 1 до 4 атомов углерода, и их смеси или комбинации. Можно использовать любой аминоксид формулы R ¹R²R³N->O, какой определен в патенте US 6258859, который настоящим введен ссылкой во всей своей полноте. См. также патент US 3303896 и патент US 4108782, которые также введены ссылкой во всей их полноте в отношении описания аминоксидов.

Если используется амфотерный ПАВ, то в некоторых вариантах осуществления он является бетаином, таким как кокамидопропилбетаин, но могут использоваться и другие типы амфотерных ПАВов, включая аминопропионат и султаины. Можно использовать любой из поверхностно-активных бетаинов, перечисленных и описанных в патенте US 6284230, который настоящим введен ссылкой во всей его полноте.

Если используется анионный полимер, то в некоторых вариантах осуществления используются сополимеры акриламида и акриловой кислоты, тройные сополимеры акриламид-акриловая кислота-AMPS, поли-l-глутаматы, полистирол-сульфонаты натрия, полистирол-сульфонаты калия, сополимеры метакриламида и акриловой кислоты, сополимеры акриламида и метакриловой кислоты, сополимеры метакриламида и метакриловой кислоты, полимеры, содержащие акриламид, акриловую кислоту, метакриламид и метакриловую кислоту, и их смеси или комбинации. Это может быть сделано с или без промотора геля, но там, где промоторы геля не применяются, концентрация анионного полимера должна быть значительно выше, чем там, где используется промотор геля.

Подходящие реагенты

Подходящие катионные полимеры включают полиамины, четвертичные производные простых эфиров целлюлозы, четвертичные производные гуаровой смолы, гомополимеры и сополимеры с по меньшей мере 20 моль% диметилдиаллиламмонийхлорида (DMDAAC), гомополимеры и сополимеры метакриламидопропилтриметиламмонийхлорида (MAPTAC), гомополимеры и сополимеры акриламидопропилтриметиламмонийхлорида (APTAC), гомополимеры и сополимеры метакрилоилоксиэтилтриметил аммонийхлорида (METAC), гомополимеры и сополимеры акрилоилоксиэтил триметиламмонийхлорида (AETAC), гомополимеры и сополимеры метакрилоилоксиэтилтриметиламмонийметилсульфата (METAMS) и четвертичные производные крахмала и их смеси или комбинации.

Подходящие анионные полимеры включают гомополимеры и сополимеры акриловой кислоты (AA), гомополимеры и сополимеры метакриловой кислоты (MAA), гомополимеры и сополимеры 2-акриламидо-2-метилпропансульфоновой кислоты (AMPSA), гомополимеры и сополимеры N-метакриламидопропил-N,N-диметиламиноуксусной кислоты, N-акриламидопропил-N,N-диметиламиноуксусной кислоты, N-метакрилоилоксиэтил-N,N-диметиламиноуксусной кислоты и N-акрилоилоксиэтил-N,N-диметиламиноуксусной кислоты и их смеси или комбинации.

Анионные ПАВы, подходящие для использования с катионными полимерами, включают алкил-, арил- или алкиларилсульфаты, алкил-, арил- или алкиларилкарбоксилаты или алкил-, арил- или алкиларилсульфонаты. В некоторых вариантах осуществления алкильные фрагменты содержат от примерно 1 до примерно 18 атомов углерода, арильные фрагменты содержат от примерно 6 до примерно 12 атомов углерода и алкиларильные фрагменты имеют от примерно 7 до примерно 30 атомов углерода. Типичными группами являются пропил, бутил, гексил, децил, додецил, фенил, бензил и линейные или разветвленные алкилбензольные производные карбоксилатов, сульфатов и сульфонатов. Включены сульфаты простых алкиловых эфиров, алкарилсульфонаты, алкилсукцинаты, алкилсульфосукцинаты, N-алкилсаркозинаты, алкилфосфаты, фосфаты простых алкиловых эфиров, карбоксилаты простых алкиловых эфиров, альфа-олефин сульфонаты и ацилметилтаураты, в частности их натриевые, магний-аммониевые и моно-, ди- и триэтаноламиновые соли, или их смеси или комбинации. Алкильные и ацильные группы обычно содержат от 8 до 18 атомов углерода и могут быть ненасыщенными. Сульфаты простых алкиловых эфиров, фосфаты простых алкиловых эфиров и карбоксилаты простых алкиловых эфиров могут содержать от одного до 10 этиленоксидных или пропиленоксидных звеньев на молекулу. В некоторых вариантах осуществления сульфаты простых алкиловых эфиров, фосфаты простых алкиловых эфиров и карбоксилаты простых алкиловых эфиров содержат 2-3 этиленоксидных звена на молекулу. Примеры подходящих анионных ПАВов включают лаурилсульфат аммония, лаурилэфирсульфат аммония, лаурилсульфосукцинат аммония, додецилбензолсульфонат натрия, додецилбензолсульфонат триэтаноламина, додецилсульфат триэтаноламина, кокоил изетионат аммония, лаурил изетионат аммония и N-лаурилсаркозинат аммония, и их смеси или комбинации. В других вариантах осуществления некоторые из анионных ПАВов могут быть натриевыми, калиевыми, цезиевыми ПАВами или другими сходными анионными ПАВами или смесями этих ПАвов на основе щелочных металлов с аммониевыми ПАВами.

Катионные ПАВы, подходящие для использования в анионных полимерах, включают ПАВы на основе четвертичного аммония формулы X^-N⁺R¹R²R³ , где R¹, R² и R³ независимо выбраны из водорода, алифатической группы, содержащей от примерно 1 до примерно 22 атомов углерода, или ароматической, арильной, алкокси, полиоксиалкиленовой, алкиламидо, гидроксиалкильной или алкиларильной группы, имеющей от примерно 1 до примерно 22 атомов углерода; и X есть анион, выбранный из аниона галогена, ацетатного, фосфатного, нитратного, сульфатного, алкилсульфатного радикалов (например, метилсульфат и этилсульфат), тозилата, лактата, цитрата и гликолята и их смесей или комбинаций. Алифатические группы, помимо атомов углерода и водорода, могут содержать гидрокси-группы, простые эфирные связи и другие группы, такие как заместители гидроксильной или аминогруппы (например, алкильные группы могут содержать полиэтиленгликолевые и полипропиленгликолевые фрагменты). Более длинноцепочечные алифатические группы, например содержащие примерно 12 атомов углерода или более, могут быть насыщенными или ненасыщенными. В других вариантах осуществления R¹ означает алкильную группу, имеющую от примерно 12 до примерно 18 атомов углерода; R² выбран из H или алкильной группы, имеющей от примерно 1 до примерно 18 атомов углерода; R³ и R⁴ независимо выбраны из H или алкильной группы, имеющей от примерно 1 до примерно 3 атомов углерода; и X таков, как описано выше.

Низшие спирты, подходящие для использования в настоящем изобретении, включают, без ограничений, спирты общей формулы ROH, где R есть линейная или разветвленная карбильная группа, содержащая от 1 до 5 атомов углерода, причем один или более атомов углерода может быть замещен атомом кислорода, азота или серы и один или более атомов водорода может быть замещен атомом галогена, алкокси-группой, амидной группой или любой другой группой, которая может замещать атом водорода и не влияет отрицательно на свойства спирта. В некоторых вариантах осуществления спирты имеют общую формулу C_nH_2n+2OH, где n есть целое число, составляющее от примерно 1 до примерно 5. В некоторых вариантах осуществления n есть целое число, составляющее от 2 до 4. В другом варианте осуществления n есть целое число, составляющее от 3 до 4. В другом варианте осуществления n есть целое число, равное 3.

Под промотором геля авторы изобретения имеют в виду бетаин, султаин или гидроксисултаин, или аминоксид.

Примеры бетаинов включают высшие алкилбетаины, такие как кокодиметилкарбоксиметилбетаин, лаурилдиметилкарбоксиметилбетаин, лаурилдиметил альфа-карбоксиэтилбетаин, цетилдиметилкарбоксиметил бетаин, цетилдиметилбетаин, лаурил-бис-(2-гидроксиэтил)карбоксиметилбетаин, олеилдиметил гамма-карбоксипропилбетаин, лаурил-бис-(2-гидроксипропил)альфа-карбоксиэтилбетаин, кокодиметилсульфопропилбетаин, лаурилдиметил сульфоэтилбетаин, лаурил-бис-(2-гидроксиэтил)сульфопропилбетаин, амидобетаины и амидосульфобетаины (причем радикал RCONH(CH₂) ₃ связан с атомом азота бетаина), олеилбетаин и кокамидопропилбетаин, и их смеси или комбинации. Примеры султаинов и гидроксисултаинов включают такие материалы, как кокамидопропилгидроксисултаин.

Амфотерные ПАВы, подходящие для применения с катионными полимерами или анионными полимерами, включают ПАВы, широко описанные как производные алифатических вторичных и третичных аминов, в которых алифатический радикал может быть линейной или разветвленной цепью, и причем один из алифатических заместителей содержит от примерно 8 до примерно 18 атомов углерода, и один содержит анионную растворяющуюся в воде группу, такую как карбокси, сульфонат, сульфат, фосфат или фосфонат, и их смеси или комбинации. Подходящие амфотерные ПАВы включают производные алифатических вторичных и третичных аминов, в которых алифатический радикал может быть прямой или разветвленной цепью, причем один из алифатических заместителей содержит от примерно 8 до примерно 18 атомов углерода, и один содержит анионную растворяющуюся в воде группу, например карбокси, сульфонат, сульфат, фосфат или фосфонат, и их смеси или комбинации. Примерами соединений, подпадающих под это определение, являются 3-додециламинопропионат натрия, 3-додециламинопропансульфонат натрия, их смеси или комбинации.

Подходящие аминоксиды включают, без ограничений, кокамидопропилдиметиламиноксид и другие соединения формулы R¹R²R³N->O, где R³ означает гидрокарбил или замещенный гидрокарбил, имеющей от примерно 8 до примерно 30 атомов углерода, и R ¹ и R² независимо означают водород, гидрокарбил или замещенный гидрокарбил, имеющий до 30 атомов углерода, и их смеси или комбинации. В других вариантах осуществления R ³ означает алифатический или замещенный алифатический гидрокарбил, имеющий по меньшей мере примерно 12 и до примерно 24 атомов углерода, и их смеси или комбинации. В других вариантах осуществления R ³ есть алифатическая группа, содержащая по меньшей мере примерно 12 атомов углерода и до примерно 22, и их смеси или комбинации. В других вариантах осуществления это алифатическая группа, содержащая по меньшей мере примерно 18 и не более чем примерно 22 атома углерода, и их смеси или комбинации.

Подходящие газы для вспенивания вспениваемой ионно-связанной гелеобразной композиции включают, без ограничений, азот, диоксид углерода или любой другой газ, подходящий для применения в гидроразрыве пластов, или их смеси или комбинации.

Диапазоны составов

В некоторых вариантах осуществления композиции по настоящему изобретению включают водные ионно-связанные гели. Гели содержат воду и (a) от примерно 0,5 вес.% до примерно 20 вес.% заряженного полимера и (b) от примерно 0,1 вес.% до примерно 50 вес.% противоположно заряженного ПАВа или пенообразователя. Гели могут также включать (c) от примерно 0,01 вес.% до примерно 20 вес.% бетаина. Гели могут также включать (d) от примерно 1 вес.% до примерно 35 вес.% аминоксида. Гели могут также включать (e) от примерно 0,1 вес.% до примерно 20 вес.% низшего спирта.

Когда используется анионный полимер, композиции по изобретению включают водные гели, содержащие воду и, по весу в расчете воду, (a) от примерно 1 вес.% до примерно 20 вес.% анионного полимера и (b) от примерно 0,5 вес.% до примерно 50 вес.% катионного ПАВа или пенообразователя. Гели могут также включать (c) от примерно 0,1 вес.% до 20 вес.% бетаина. Гели могут также включать (d) от 2 вес.% до примерно 35 вес.% аминоксида. Гели могут также включать (e) от примерно 1 вес.% до примерно 20 вес.% низшего спирта.

Когда используется катионный полимер, композиции по изобретению включают водные гели, содержащие воду и, по весу в расчете на воду, (a) от примерно 2,5 вес.% до примерно 20 вес.% катионного полимера и (b) от примерно 1 вес.% до примерно 50 вес.% анионного ПАВа или пенообразователя. Гели могут также включать (c) от 1 вес.% до примерно 20 вес.% бетаина. Гели могут также включать (d) от примерно 5 вес.% до примерно 35 вес.% аминоксида. Гели могут также включать (e) от примерно 2 вес.% до примерно 20 вес.% низшего спирта.

Настоящее изобретение относится также к способу получения водного геля, включающему в себя добавление в воду при смешивании (a) от примерно 0,5 вес.% до примерно 20 вес.% заряженного полимера. После перемешивания в раствор заряженного полимера при перемешивании добавляется (b) от примерно 0,1 вес.% до примерно 50 вес.% противоположно заряженного ПАВа, чтобы образовать вспениваемый ионно-связанный гель. Вспениваемые ионно-связанные гели можно позднее вспенить, используя газ, получая вспененную ионно-связанную гелеобразную композицию для гидроразрыва, которую затем можно направить в пласт для гидроразрыва пласта.

Кроме того, настоящее изобретение относится к способу гидроразрыва подземного пласта, включающему в себя образование геля или коацервата, какой описывается здесь, и закачивание геля или коацервата в ствол скважины, вместе с пропантом и при давлении, достаточном, чтобы разорвать пласт. Пропанты, подходящие для настоящего изобретения, включают все обычные или общепринятые расклинивающие наполнители, такие как песок, ракушки и другие жесткие твердые частицы. Гель может использоваться в отсутствие обычных солей, образующих соляные растворы. В гелях на водной основе, применяющихся для гидроразрыва пласта и другой обработки скважин, обычно используется гуаровая смола, целлюлоза или смолы, которые зависят от химического связывания и являются чувствительными к сдвигу. Композиции по настоящему изобретению можно легко перекачивать насосом, но при применении они, тем не менее, будут образовывать прочные гели. Хотя композиции по настоящему изобретению предназначены для гидроразрыва, они могут также применяться при бурении скважин, причем гелеобразные системы применяются в диапазоне концентраций от примерно 0,25% до примерно 1% или более по весу, независимо от того, создавалась ли преднамеренно пена или нет. При гидроразрыве подземного пласта гелеобразные системы по настоящему изобретению обычно используются с диапазоном концентраций геля от примерно 0,75% до примерно 1,5 вес.% или более в жидкости для гидроразрыва (которая обычно будет включать пропант). Гелевые композиции по изобретению совместимы с обычными буровыми растворами и жидкими композициями для гидроразрыва. Вместе с ними могут применяться реагенты для разрушения гелей, причем разрушающие реагенты взаимодействуют с ионно-связанным заряженным полимером и противоположно заряженным пенообразователем.

Экспериментальная часть изобретения

Общий способ приготовления композиций

Приготовление добавки A

Добавку A готовили, добавляя при смешении 16,5 вес.% раствора (16,25 вес.%) полидиаллилдиметиламмонийхлорида (pDADMAC), 2,63 вес.% кокамидопропилбетаина и 3,46 вес.% кокаминоксида к 77,66 вес.% деионизированной воды.

Приготовление добавки B

Добавку B готовили, добавляя при смешении 25,0 вес.% аммонийлаурилсульфата и 10 вес.% изопропилового спирта (IPA) к 65 вес.% деионизированной воды.

Приготовление вспениваемых ионно-связанных гелеобразных композиций для гидроразрыва

Добавляется такое количество добавки A в воду, чтобы получить желаемую концентрацию добавки A. К этому раствору добавки A добавляется такое количество добавки B, чтобы получить вспениваемые ионно-связанные гелеобразные композиции для гидроразрыва. Количество добавки A обычно варьируется от примерно 5 gpt до примерно 50 gpt, а количество добавки B обычно варьируется от примерно 0,5 gpt до примерно 20 gpt. В некоторых вариантах осуществления количество добавки A варьируется от примерно 7,5 gpt до примерно 45 gpt, а количество добавки B обычно варьируется от примерно 1 gpt до примерно 15 gpt. В других вариантах осуществления количество добавки A варьируется от примерно 10 gpt до примерно 40 gpt, а количество добавки B обычно варьируется от примерно 1 gpt до примерно 12,5 gpt. В других вариантах осуществления количество добавки A варьируется от примерно 10 gpt до примерно 40 gpt, а количество добавки B обычно варьируется от примерно 2,5 gpt до примерно 10 gpt. В некоторых вариантах осуществления отношение добавки A к добавке B составляет от примерно 2:1 до примерно 6:1. В других вариантах осуществления отношение добавки A к добавке B составляет от примерно 3:1 до примерно 5:1. В других вариантах осуществления отношение добавки A к добавке B составляет примерно 4:1. В других вариантах осуществления гелеобразная система присутствует в жидкости для гидроразрыва в количестве от примерно 5,5 gpt до примерно 70 gpt при указанном отношении добавки A к добавке B. В других вариантах осуществления гелеобразная система присутствует в жидкости для гидроразрыва в количестве от примерно 7,5 gpt до примерно 60 gpt при указанном отношении добавки A к добавке B. В других вариантах осуществления гелеобразная система присутствует в жидкости для гидроразрыва в количестве от примерно 11 gpt до примерно 52,5 gpt при указанном отношении добавки A к добавке B. В других вариантах осуществления гелеобразная система присутствует в жидкости для гидроразрыва в количестве от примерно 12,5 gpt до примерно 50 gpt при указанном отношении добавки A к добавке B.

Общий способ испытания пены

Желаемое количество добавки A добавляли в 100 мл водопроводной воды и перемешивали 10 секунд с мешалке Hamilton Beach при 7000 об/мин. Затем в полученный раствор добавляли желаемое количество добавки B и перемешивали одну минуту в мешалке Hamilton Beach при 7000 об/мин. Образованную пену выливали в градуированный цилиндр и измеряли высоту пены. Время полураспада определяли как время, требующееся для уменьшения объема пены до 50% от ее первоначальной высоты.

Таблица 1
Испытание на вспенивание в соленой воде
Добавка A (gpt)	Добавка B (gpt)	Время полураспада (мин:сек)	Высота пены (мл)	Вязкость r1:B1 @ 511 с-1 (спз)
40	10	> 4 часов	300	73,0
25	6,2	> 4 часов	400	29,3
20	5,0	> 4 часов	400	21,9
17,5	4,4	> 4 часов	320	16,2
15	3,8	8:13	300	10,5
10	2,5	6:01	280	5,0

Весь цитированный здесь материал введен ссылкой. Хотя изобретение было описано в отношении его раскрытых вариантов осуществления, специалист после изучения данного описания может оценить изменения и модификации, которые могут быть сделаны, не выходя за сущность и объем изобретения, как они описаны выше и заявлены ниже в формуле.