CN109312224A - 具有改良的粘度的凝胶化烃系统 - Google Patents

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Abstract

提供凝胶化烃压裂流体及其制备和使用方法。所述凝胶化烃压裂流体包括烃流体、磷酸酯、交联剂和增粘剂。所述交联剂可包括铁、铝或其组合，并且所述增粘剂可包括粘土、石墨、碳纳米管、金属氧化物纳米颗粒及其组合。所述制备方法包括组合烃流体、磷酸酯和交联剂以形成基线流体。将增粘剂添加到所述基线流体中以形成凝胶化烃压裂流体。所述使用方法包括通过使地下岩层与凝胶化烃压裂流体接触并在所述地下岩层中产生至少一个裂缝来处理地下岩层。

Description

具有改良的粘度的凝胶化烃系统
相关申请的交叉引用
本申请要求2016年6月7日提交的美国临时申请第62/346,622号的优先权，其以全文引用的方式并入本文中。
技术领域
本公开的实施例大体上涉及流体和用于处理地下岩层的流体的制备和使用方法。具体地，本公开的实施例涉及增强的凝胶化烃系统，包括凝胶化烃流体、其制备方法，以及使用凝胶化流体处理地下岩层的方法。
背景技术
油气行业的钻孔流体执行无数的任务，包括传播裂缝、清理井，使钻屑保持悬浮、降低摩擦、润滑钻孔工具、保持井眼的稳定性以及防止流体流失，仅举几例。虽然水基流体可以是环保且具有成本效益的，但其腐蚀金属工具并分解粘土和盐，使其成为许多应用的不合需要的选择。可以使用基于烃的流体作为替代物；然而，通常的基于烃的压裂流体必须使用大量的磷酸酯与金属交联剂以产生具有足够粘度的流体以支撑支撑剂颗粒。支撑剂是添加到水力压裂流体中的材料，以通过在地下处理期间或之后“支撑”打开裂缝来保持裂缝打开。不幸的是，磷酸酯与炼油厂设备污垢有关，指的是不希望的沉积物和腐蚀的堆积，这可能导致设备失灵，甚至设备故障。
发明内容
因此，需要烃流体和用烃流体处理地下岩层的方法，所述烃流体含有降低量的磷酸盐，同时仍提供足够粘稠的流体。
本公开通过提供凝胶化烃压裂流体以及制备和使用凝胶化烃压裂流体的方法来解决这些需求，其中所提供的烃流体、磷酸酯、交联剂和增粘剂的组合可以允许使用较少的磷酸酯，同时仍然保持合适的粘度。
根据本公开的一个实施例，提供了凝胶化烃压裂流体。凝胶化烃压裂流体可包含烃流体、磷酸酯、包含选自由以下组成的群组的组分的交联剂：铁、铝及其组合和包含选自由以下组成的群组的组分的增粘剂：粘土、石墨、碳纳米管、金属氧化物纳米颗粒及其组合。
根据本公开的另一个实施例，提供了一种用于制备凝胶化烃流体的方法。所述方法可包括组合烃、磷酸酯和交联剂，所述交联剂包含选自由以下组成的群组的组分：铁、铝及其组合以形成基线流体，并将包含选自由以下组成的群组的组分的增粘剂：粘土、石墨、碳纳米管、金属氧化物纳米颗粒及其组合添加到基线流体中以形成凝胶化烃压裂流体。
根据本公开的另一个实施例，提供了一种处理地下岩层的方法。所述方法可包括使地下岩层与凝胶化烃压裂流体接触，所述凝胶化烃压裂流体包含烃、磷酸酯、交联剂，所述交联剂包含选自由以下组成的群组的组分：铁、铝及其组合，和增粘剂，所述增粘剂包含选自由以下组成的群组的组分：粘土、石墨、碳纳米管、金属氧化物纳米颗粒，并在地下岩层中产生至少一个裂缝。
尽管本公开的概念是在主要参考用于水力压裂的用于凝胶化烃系统的某些具体配置内加以描述的，但设想这些概念适用于具有任何配置或方法的系统。
附图说明
当结合以下附图阅读时，可最好地理解本公开的具体实施例的以下详细描述，其中：
图1是根据所述实施例的凝胶化烃压裂流体和两种比较烃压裂流体的粘度图；
图2是根据所述实施例的凝胶化烃压裂流体和两种比较烃压裂流体的粘度图；
图3是根据所述实施例的两种凝胶化烃压裂流体和两种比较烃压裂流体的粘度图；
图4是根据所述实施例的两种凝胶化烃压裂流体和两种比较烃压裂流体的粘度图；
图5是根据所述实施例的两种凝胶化烃压裂流体和两种比较烃压裂流体的粘度图；
图6是根据所述实施例的凝胶化烃压裂流体和两种比较烃压裂流体的粘度图；和
图7是根据所述实施例的凝胶化烃压裂流体和两种比较烃压裂流体的粘度图。
图8是根据所述实施例的凝胶化烃压裂流体和一种比较烃压裂流体的粘度图。
具体实施方式
本公开的实施例涉及凝胶化烃压裂流体，制备凝胶化烃压裂流体的方法，以及用凝胶化烃压裂流体处理地下岩层的方法。作为非限制性实例，本公开的压裂流体可用于油气钻孔行业，例如用于在油气井中钻孔。油气井可以在地球的地下部分形成，有时称为地下地质地层。井眼可用于将自然资源，例如石化产品连接到地平面表面。在一些实施例中，井眼可以在地质地层中形成，例如通过钻孔过程。为了钻探地下井或井眼，可以将包括钻头和钻铤以对钻头进行加重的钻柱插入预钻孔中并旋转以切入孔底部的岩石中，从而产生岩屑。
为了在地下岩层中产生或传播裂缝，可以以高速率将水力压裂流体泵送到井眼中，以将穿孔处的压力增加到大于地层破裂压力(通常是地应力和岩石的抗拉强度的总和)的值。当地层破裂并产生裂缝时，支撑剂(称为支撑剂(proppant))通过压裂流体输送到裂缝中以防止地层闭合，同时允许流体回流到表面。支撑剂通常是致密的硬颗粒，例如沙子、陶瓷、铝土矿、树脂、玻璃或塑料材料。具有少量磷酸酯的常规的基于烃的压裂流体具有如此薄的粘度，使得添加到流体中的支撑剂颗粒可以不悬浮在流体中，而是立即沉到底部。结果，在使用最后一种流体之前，支撑剂不被泵送到裂缝中，这使裂缝有过早闭合的风险。
本实施例可通过提供凝胶化烃压裂流体来克服这些困难，所述凝胶化烃压裂流体含有烃流体、磷酸酯、具有选自由以下组成的群组的组分的交联剂：铁、铝及其组合和具有选自由以下组成的群组的组分的增粘剂：粘土、石墨、碳纳米管、金属氧化物纳米颗粒及其组合。不受任何特定理论的束缚，烃流体、磷酸酯、交联剂和增粘剂的这种组合可以允许使用降低量的磷酸酯，同时保持足够的流体粘度。
烃流体可以是任何合适的基于烃的流体。如贯穿本公开所使用的，“烃流体”是指含有化学品或包含氢和碳的化学部分的有机流体或溶剂。通过向水基水力流体提供非水替代物，烃流体可用于克服一些地下岩层中的水敏感性。‘无水’流体更加环保，使在压裂应用中经常消耗的天然淡水的损耗降到最低。另外，使用烃流体可以减轻与水和泡沫系统相关的问题。压裂流体通常被水力地注入到穿透地下岩层的井眼中，并且压裂流体通过高压抵靠地层而推进，从而迫使地层断裂和压裂。通过水基流体，裂缝面附近的高含水饱和度可降低流体对油气的相对渗透率，因为油和水自然相斥，其可以降低总烃产量。水基流体也可诱发例如粘土膨胀、粘土运移、结垢和乳液堵塞的问题。类似地，水基压裂流体通过在裂缝壁上沉积厚聚合物滤饼而降低了传导性并造成了损害。因此，本公开的实施例使用基于烃的流体。本公开的凝胶化烃流体可以与水敏性地层相容并且可以防止先前所提到的操作问题。此外，本公开的凝胶化烃流体可将对裂缝传导性的削弱降到最低，同时在一些实施例中，携带高达18磅/加仑(lb/gal)的支撑剂。
许多流体适合用作烃流体。在一些实施例中，烃流体可含有烯烃、煤油、柴油、瓦斯油(也称为气体冷凝物)、燃料油、其他石油馏分或原油的混合物。烃流体可单独包括柴油燃料，或与其他烃流体组合。
烃流体的量可以基于凝胶化烃压裂流体的所需量而变化。虽然任何量的烃流体可能是合适的，但在一些实施例中，凝胶化烃压裂流体可包含1至500毫升(mL)的烃流体。例如，凝胶化烃压裂流体可包含1至300mL、1至200mL、1至100mL、1至50mL或1至25mL烃流体。在其他实施例中，烃流体可包含超过500mL，例如750mL、1,000mL或1,500mL的烃流体。同样，所用烃流体的量将基于所需的应用和凝胶化烃压裂流体(例如，磷酸酯、交联剂和增粘剂的浓度)中存在的其他组分的相对量而变化。
如先前所述，可以配制凝胶化烃压裂流体，使得磷酸酯的量降到最低，同时保持压裂流体所需的粘度。凝胶化烃压裂流体可包含1至100加仑/千加仑(gpt；1gpt等于0.1体积％，或1mL/L)的磷酸酯。更具体地说，在凝胶化流体的背景下，“gpt”是指数加仑的凝胶化流体(例如磷酸盐)组分/千加仑的被添加到所述组分的有机溶剂(例如烃流体)。在一些实施例中，凝胶化烃压裂流体可包含1至50gpt的磷酸酯、1至20gpt的磷酸酯、1至10gpt的磷酸酯或5至10gpt的磷酸酯。在一些实施例中，凝胶化烃压裂流体可含有以千加仑中的烃流体的总重量计，小于或等于100gpt，小于或等于50gpt，小于或等于20gpt，或小于或等于10gpt的磷酸酯。
如贯穿本公开所使用的，术语“磷酸盐”是指PO4 3的总浓度，其可以以离子、离子盐、离子化合物或组合物的形式存在。在一些实施例中，与以下组合物相比时：不含选自由以下组成的群组的交联剂：铁、铝及其组合，不含选自由以下组成的群组的增粘剂：粘土、石墨、碳纳米管、金属氧化物纳米颗粒及其组合或两者，凝胶化烃压裂流体可包含至少20％以下的磷酸盐。在一些实施例中，与以下组合物相比时：不含包括选自由以下组成的群组的组分的交联剂：铁、铝及其组合，不含包括选自由以下组成的群组的组分的增粘剂：粘土、石墨、碳纳米管、金属氧化物纳米颗粒及其组合或两者，凝胶化烃压裂流体可包含至少40％以下，或至少30％以下，或至少15％以下的磷酸盐。合适的磷酸盐的市售实例包括但不限于得自伊索克斯化学品(Ethox Chemicals)(南卡罗来纳州的格林威尔(Greenville，SC))的EG-2和得自经济聚合物和化学品(Economy Polymers and Chemicals)(德克萨斯州的休斯顿(Houston，TX))的ECONO OG-1。
凝胶化烃压裂流体还包括交联剂。交联剂可包括选自由以下组成的群组的至少一种组分：铁、铝及其组合。例如，交联剂可包括铁或铝的多价金属盐。在一些实施例中，交联剂可包含三价铁(Fe3+)。三价铁是指处于+3氧化态的铁阳离子。在一些实施例中，交联剂可包含氯化铝、异丙醇铝或其组合。在一些实施例中，交联剂可包含链烷酸铝。例如，链烷酸铝包括三羧酸烷基铝盐，例如，所述三羧酸烷基铝盐具有1至40个碳原子、1至20个碳原子、5至20个碳原子或5至10个碳原子的烷基。链烷酸铝的烷基可以由饱和、直链或支链烃链组成。链烷酸铝的非限制性实例是三(2-乙基己酸)铝，也称为辛酸铝。合适的交联剂的非限制性市售实例可包括得自伊索克斯化学品(Ethox Chemicals)(南卡罗来纳州的格林威尔(Greenville，SC))的EA-3或得自经济聚合物和化学品(Economy Polymers andChemicals)(德克萨斯州的休斯顿(Houston，TX))的ECONO OG-XL。不受理论束缚，交联剂可以通过使用吸引力(例如范德华(van der Waals)类力)来加强凝胶化烃压裂流体的三维网络，以交联流体。
认为各种量的交联剂适用于凝胶化烃压裂流体的实施例中。在一些实施例中，凝胶化烃压裂流体可包含1gpt至100gpt的交联剂。例如，凝胶化烃压裂流体可包含1gpt至50gpt、1gpt至20gpt或1至10gpt或5gpt至10gpt的交联剂。在一个或多个实施例中，交联剂的添加可以提高凝胶化烃压裂流体的总粘度，如先前所提到，其可以有助于支撑剂悬浮和压裂地下岩层。
在一些实施例中，凝胶化烃压裂流体可包含选自由以下组成的群组的增粘剂：粘土、石墨、碳纳米管、金属氧化物纳米颗粒及其组合。增粘剂可以增加凝胶化烃压裂流体的粘度，如所提到，其可以产生低的地层损害和良好的支撑剂悬浮。各种量的增粘剂适用于凝胶化烃压裂流体的实施例中。在一些实施例中，凝胶化烃压裂流体可包含1磅/千加仑(ppt；1ppt等于约0.12g/L)至500ppt的增粘剂。在凝胶化流体的背景下，单位“gpt”是指数加仑的凝胶化流体(例如增粘剂)组分/千加仑的被添加到所述组分的有机溶剂((例如水力流体))。例如，凝胶化烃压裂流体可包含1ppt至250ppt、1ppt至100ppt或1ppt至50ppt或1ppt至20ppt或15ppt至50ppt的增粘剂。在一个或多个实施例中，凝胶化烃压裂流体可包含15ppt至35ppt，或25ppt至45ppt，或20ppt至30ppt。
各种类型的粘土、石墨、碳纳米管和金属氧化物纳米颗粒适用于增粘剂。在一些实施例中，增粘剂可以是粘土。在一些实施例中，粘土可包含蒙脱石。蒙脱石是由页硅酸盐矿物组成的蒙脱石粘土，其重复式为(Na,Ca)0.33(Al,Mg)2(Si4O10)(OH)2·nH2O。合适的蒙脱石粘土的非限制性市售实例可包括西格玛阿尔德里奇(Sigma Aldrich)(密苏里州的圣路易斯(St.Louis，MO))的铝柱撑粘土(Aluminum Pillared Clay)。粘土可以由M-I凝胶Wyoming粘土(Wyoming膨润土钠蒙脱石粘土)组成，可购自斯伦贝谢公司(Schlumberger Company)(德克萨斯州的休斯顿(Houston，TX))。在一些实施例中，粘土可包含纳米粘土。如贯穿本公开所使用的，“纳米粘土”是指包含层状矿物硅酸盐的纳米颗粒的粘土，并且“纳米颗粒”是指具有0.1至1000纳米(nm)的平均粒度的颗粒。在一个或多个实施例中，纳米颗粒可具有1至100nm，或1至80nm，或5至75nm，或10至60nm的平均粒度。合适的纳米粘土的非限制性市售实例可包括毕克添加剂和器械(BYK Additives and Instruments)(德国威瑟(Wesel，Germany))的cloisite Na+。
在一些实施例中，增粘剂可包含金属氧化物纳米颗粒。设想各种金属氧化物纳米颗粒。在一个或多个实施例中，金属氧化物可包含一种或多种过渡金属氧化物，例如过渡金属或过渡后金属的氧化物。例如但不作为限制，这些过渡金属氧化物可包括氧化锆和氧化钛中的一种或多种。在另一个实施例中，金属氧化物可包含稀土氧化物，例如氧化铈。在一个具体实施例中，金属氧化物纳米颗粒是氧化锆(ZrO2)纳米颗粒。可将金属氧化物纳米颗粒以各种形式添加到压裂流体中，例如粉末形式或分散液，例如水分散液。市售地合适的实例包括可购自U.S.Research Nanomaterials Inc.(德克萨斯州的休斯顿(Houston,TX))的20nm高纯度99.95％ZrO2颗粒。
在一些实施例中，增粘剂可包含石墨，并且在具体实施例中，增粘剂可包含石墨粉末。增粘剂可包含碳纳米管(CNT)。合适的碳纳米管的非限制性市售实例可包括得自CheapTubes Inc.(佛蒙特州的伯瑞特波罗(Brattleboro,VT))的CNT多壁碳纳米管。在一些实施例中，碳纳米管可具有30至50nm的外径(OD)，并且可具有95重量％(wt％)或更高的纯度。在本公开中，除了另有明确指出的情况以外，重量百分比都是以组合物的总重量计，并且被表示为“重量百分比”或“重量％”。
本公开的实施例另外涉及制造凝胶化烃压裂流体的方法。所述方法可以包括组合烃流体、磷酸酯和交联剂，所有这些都可以根据先前所讨论的任何实施例。烃流体、磷酸酯和交联剂可以形成基线流体。可以将增粘剂添加到基线流体中以形成凝胶化烃压裂流体。类似地，增粘剂可以根据先前所描述的任何实施例。可以将增粘剂以任何顺序添加到任何烃流体、磷酸酯、交联剂或其组合中，所述顺序包括但不限于，同时、连续、顺序地添加组分，或通过将增粘剂添加到已形成的基线流体。在一些实施例中，可以将增粘剂添加到基线流体中以使增粘剂均匀地分散在基线流体中。在其他实施例中，增粘剂、烃流体、磷酸酯和交联剂可以同时或连续组合以形成凝胶化烃压裂流体，以降低复杂性并因此降低组合步骤的成本。
如先前所述，凝胶化烃压裂流体的粘性可有助于在地下岩层中产生和传播裂缝。在水力压裂(也称为“压裂”)中，地下岩层与水力压裂流体接触以在岩石中产生裂缝(也称为“裂纹”)。如先前所述，如果水力流体不够粘稠，(例如，流体在250华氏度(F)和100秒-1(s-1)的剪切速率下具有小于20厘泊(cP)的低粘度)，支撑剂可能不会悬浮在流体中，而是可能沉到底部，这可能会堵塞与水力流体一起使用的炼油设备或使得裂缝过早关闭。
因此，在一些实施例中，凝胶化烃压裂流体在250℉和100s-1的剪切速率下具有至少50cP的粘度，如使用旋转流变仪，所述旋转流变仪使用Fann 50型粘度计，如M5600高压高温(HPHT)流变仪所测量。在一个或多个实施例中，凝胶化烃压裂流体在250℉和100s-1的剪切速率下可具有至少20cP、至少50cP、至少80cP、至少100cP、至少120cP、至少135cP或至少150cP的粘度。在一些实施例中，凝胶化烃压裂流体在250℉和100s-1的剪切速率下可具有至少175cP，或至少200cP或至少220cP，或至少250cP的粘度，如使用旋转流变仪所测量。类似地，凝胶化烃压裂流体在200℉和100s-1的剪切速率下可具有至少20cP、至少50cP、至少80cP、至少100cP、至少120cP、至少135cP或至少150cP的粘度。在一些实施例中，凝胶化烃压裂流体在200℉和100s-1的剪切速率下可具有至少175cP，或至少200cP或至少220cP，或至少250cP的粘度，如使用旋转流变仪所测量。
公开的实施例还包括处理地下岩层的方法，所述方法包含使地下岩层与凝胶化烃压裂流体接触并在地下流体中产生至少一个裂缝。所述方法可以包括先前所述凝胶化烃压裂流体的任何实施例。在一些实施例中，地下岩层可包含岩层。在一些实施例中，地下岩层可包含页岩。
虽然凝胶化烃压裂流体的实施例可用于水力压裂过程，但凝胶化烃流体也可用于其他行业。例如，在一些实施例中，凝胶化烃压裂流体可用于刺激地下水井、预处理或诱导用于采矿操作的岩石塌陷、通过将其深深地注入岩石中来处置废物、测量地壳的应力，用于在增强的地热系统中发电，并增加CO2的地质封存的注入率。
实例
为表明根据本实施例的烃流体、磷酸酯、增粘剂和交联剂的组合的效果，进行了七个实例，其中对照本实施例的凝胶化烃压裂流体，对水力压裂流体的不同组分进行了测试。
实例1-蒙脱石粘土
实例1研究具有不同组分的三种水力压裂流体，其中粘土用作增粘剂。将含有柴油、磷酸酯、蒙脱石粘土增粘剂和交联剂的样品1与两个比较样品相比。比较样品1缺少粘土增粘剂，而比较样品2缺少磷酸酯和交联剂。所有三种样品的组分阐述于表1中。
表1：样品1和比较样品1和2的组分
为制备比较样品1，将得自伊索克斯化学品(Ethox Chemicals)的0.4mL(8gpt)EG-2磷酸酯和得自伊索克斯化学品(Ethox Chemicals)的0.4mL(8gpt)Ethox EA-3铁基交联剂添加到50mL柴油中以形成基线流体。为制备比较样品2，在不添加磷酸酯或交联剂的情况下，将0.187g(30ppt)蒙脱石(得自西格玛阿尔德里奇(Sigma Aldrich)的MMT铝柱撑粘土(MMT Aluminum Pillared Clay))添加到50mL柴油中。在100s-1的剪切速率下使用Fann50型粘度计测量从室温至250℉的流体的粘度。
为在设计成模拟这些高温与高压地下油层地层的条件下测量凝胶油压裂流体样品的粘度，将52mL凝胶油样品放入Fann50型粘度计如Grace M5600HPHT流变仪中。根据APIRP 39计划并在约400psi的氮气下，在井底温度下执行测试。井底温度(BHT)是指钻孔在测量时的总深度中的温度，在测井解释中，所述温度被视为测井运行期间或在相同操作期间的最后一系列运行期间的最大记录温度。API RP 39计划由在100/s的剪切速率下的连续流体剪切和在流体温度在井底温度的5℉以内时在100、75、50、25、50、75和100/s下的一系列剪切斜坡，并且每30分钟周期性发生。为制备样品1，将0.187g(30ppt)的蒙脱石混入基线流体中。类似地测量从室温至250℉并且在100s-1的剪切速率下的粘度。图1描绘了在从75℉(室温)至250℉的温度下并且在100s-1的剪切速率下，将样品1与比较样品1和2从0至140分钟相比的粘度。
样品1显示20分钟和140分钟之间的平均粘度比不含蒙脱石增粘剂的比较样品1增强73％。然而，比较样品2表明蒙脱石的添加不仅仅是改善的原因，因为比较样品2(其含有30ppt蒙脱石)的粘度水平小于10cP且甚至小于5cP。而是，烃流体、磷酸酯、交联剂和蒙脱石增粘剂的协同组合产生3D凝胶网络，其是在较低的磷酸酯水平下在250℉下增强约200cP的粘度的原因。
实例2-M-I Wyoming粘土
实例2研究具有不同组分的三种水力压裂流体，其中不同粘土，M-I Wyoming粘土被用作增粘剂。样品2含有柴油、磷酸酯、作为增粘剂的M-I Wyoming粘土和交联剂。比较样品3缺少粘土增粘剂，而比较样品4缺少磷酸酯和交联剂。所有三种样品的组分阐述于表2中。
表2：样品2和比较样品3和4的组分
为制备比较样品3，将0.4mL(8gpt)Ethox EG-2磷酸酯和0.4mL(8gpt)Ethox EA-3铁基交联剂添加到50mL柴油中以形成基线流体。为制备比较样品4，在不添加磷酸酯或交联剂的情况下，将0.187g(30ppt)的M-I Wyoming粘土添加到50mL柴油中。在100s-1的剪切速率下使用Fann50型粘度计测量从室温至250℉的流体的粘度。为制备样品2，将0.187g(30ppt)的M-I Wyoming粘土混入基线流体中。类似地测量从室温至250℉的粘度。图2描绘了在从75℉至250℉的温度下并且在100s-1的剪切速率下，将样品2与比较样品3和4从0至140分钟相比的粘度。
在将比较样品3和样品2相比时，在添加30ppt M-I Wyoming粘土的情况下，在20分钟和140分钟之间的平均粘度增强42％。然而，比较样品4表明30ppt M-I Wyoming粘土不仅仅是增加粘度的原因。在250℉下，比较样品4的粘度始终小于10cP并且甚至小于5cP，而样品2的粘度超过200cP。而是，烃流体、磷酸酯、交联剂和Wyoming粘土增粘剂的协同组合产生3D凝胶网络，其是在较低磷酸酯水平下的粘度增强的原因。
实例3-石墨粉末
实施例3研究具有不同组分的四种水力压裂流体，其中石墨粉末被用作增粘剂。样品3含有柴油、磷酸酯、作为增粘剂的30部分/千(ppt)石墨粉末和交联剂。样品4还含有柴油、磷酸酯和交联剂，但含有20ppt的石墨粉末作为增粘剂。比较样品5缺少增粘剂，并且比较样品6缺少磷酸酯和交联剂。所有四种样品的组分阐述于表3中。
表3：样品3和4以及比较样品5和6的组分
为制备比较样品5，将0.4mL(8gpt)Ethox EG-2磷酸酯和0.4mL(8gpt)Ethox EA-3铁基交联剂添加到50mL柴油中以形成基线流体。为制备比较样品6，在不添加磷酸酯或交联剂的情况下，将0.187g(30ppt)的相同石墨粉末添加到50ml柴油中。在100s-1的剪切速率下使用Fann50型粘度计测量从室温至250℉的流体的粘度。为制备样品3，将0.187g(30ppt)的石墨粉末混入基线流体中。为制备样品4，将0.125g(20ppt)石墨粉末混入基线流体中。类似地测量从室温至250℉的流体的粘度。图3描绘了在从75℉至250℉的温度下并且在100s-1的剪切速率下，将样品3和样品4与比较样品5和6从0至140分钟相比的粘度。
在将比较样品5和样品3和4相比时，在添加30ppt石墨粉末(样品3)的情况下，在20分钟和120分钟之间的平均粘度增强44％，并且在添加20ppt石墨粉末(样品4)的情况下，在20分钟和120分钟之间的平均粘度增强33％。比较样品6显示石墨粉末不是决定因素，因为相对于在250℉下显示约400cP的粘度的样品3，比较样品6的粘度始终小于10cP并且甚至小于5cP。与其他实例类似，烃流体、磷酸酯、交联剂和石墨粉末增粘剂的协同组合产生3D凝胶网络，其是在较低磷酸酯水平下的粘度增强的原因。
实例4-碳纳米管
实例4研究具有不同组分的四种水力压裂流体，其中碳纳米管被用作增粘剂。样品5含有柴油、磷酸酯、作为增粘剂的30ppt碳纳米管和交联剂。样品6还含有柴油、磷酸酯和交联剂，但含有20ppt的碳纳米管作为增粘剂。比较样品7缺少增粘剂，并且比较样品8缺少磷酸酯、增粘剂和交联剂。所有四种样品的组分阐述于表4中。
表4：样品5和6以及比较样品7和8的组分
为制备比较样品7，将0.4mL(8gpt)Ethox EG-2磷酸酯和0.4mL(8gpt)Ethox EA-3铁基交联剂添加到50mL柴油中以形成基线流体。为制备比较样品8，在不添加磷酸酯或交联剂的情况下，将0.125g(20ppt)的碳纳米管添加到50mL柴油中。在100s-1的剪切速率下使用Fann50型粘度计测量从室温至250℉的流体的粘度。为制备样品5，将0.187g(30ppt)的碳纳米管混入基线流体中。为制备样品6，将0.125g(20ppt)碳纳米管混入基线流体中。类似地测量从室温至250℉的流体的粘度。图4描绘了在从75℉至250℉的温度下并且在100s-1的剪切速率下，将样品5和样品6与比较样品7和8从0至140分钟相比的粘度。
值得注意的是，对于样品5和6，当与比较样品7相比时，在分别添加30ppt碳纳米管和20ppt碳纳米管的情况下，在20分钟和140分钟之间的平均粘度增加35％和46％。同样地，与在250℉下具有小于10cP且甚至小于7cP的粘度的比较样品8相比，在250℉下样品6的粘度增强约400cP。不希望受理论所束缚，样品6(20ppt碳纳米管)可以更接近最佳剂量，或者以最少量的资源产生最期望效果的量。样品6产生更粘稠的凝胶化烃流体，同时使用比样品5更少的碳纳米管(用30ppt碳纳米管增加35％相较于用20ppt碳纳米管增加46％)。
实例5-Cloisite Na+纳米粘土
实例5研究了具有不同组分的四种水力压裂流体，其中使用cloisite Na+纳米粘土被作为增粘剂。样品7含有柴油、磷酸酯、作为增粘剂的30ppt cloisite Na+纳米粘土粉末和交联剂。样品8还含有柴油、磷酸酯和交联剂，但含有20ppt的cloisite Na+纳米粘土作为增粘剂。比较样品9缺少增粘剂，并且比较样品10缺少磷酸酯和交联剂。所有四种样品的组分阐述于表5中。
表5：样品7和8以及比较样品9和10的组分
为制备比较样品9，将0.4mL(8gpt)Ethox EG-2磷酸酯和0.4mL(8gpt)Ethox EA-3铁基交联剂添加到50mL柴油中以形成基线流体。为制备比较样品10，在不添加磷酸酯或交联剂的情况下，将0.187g(30ppt)的cloisite Na+添加到50mL柴油中。在100s-1的剪切速率下使用Fann50型粘度计测量从室温至250℉的流体的粘度。为制备样品7，将0.187g(30ppt)的粉末状cloisite Na+混入基线流体中。类似地测量从室温至250℉下的粘度。为制备样品8，将0.125g(20ppt)粉末状cloisite Na+混入基线流体中。图5描绘了在从75℉至250℉的温度下并且在100s-1的剪切速率下，将样品7和样品8与比较样品9和10从0至140分钟相比的粘度。
当将比较样品9与样品7和8相比时，在添加30ppt cloisite Na+(样品7)的情况下，在20分钟和140分钟之间的平均粘度增强25％，并且在添加20ppt cloisite Na+(样品8)的情况下，在20分钟和140分钟之间的平均粘度增强13％。然而，cloisite Na+的添加不仅仅是改善的结果的原因，因为比较样品10具有小于10 cP的平均粘度。在250℉下，样品7具有约400 cP的平均粘度，而比较样品10仅具有小于5 cP的平均粘度。
实例6-ZrO2纳米颗粒
实例6研究了具有不同组分的三种水力压裂流体，其中ZrO2纳米颗粒被用作增粘剂。样品9含有柴油、磷酸酯、作为增粘剂的30 ppt ZrO2纳米颗粒和交联剂。比较样品11缺少增粘剂，并且比较样品10缺少磷酸酯和交联剂。所有三种样品的组分阐述于表6中。
表6：样品9和比较样品11和12的组分
为制备比较样品11，将0.4 mL(8 gpt)Ethox EG-2磷酸酯和0.4 mL(8 gpt)EthoxEA-3铁基交联剂添加到50 mL柴油中以形成基线流体。为制备比较样品12，在不添加磷酸酯或交联剂的情况下，将0.187 g(30 ppt)的ZrO2纳米颗粒添加到50 mL柴油中。在100 s-1的剪切速率下使用Fann50型粘度计测量从室温至250℉的流体的粘度。为制备样品9，将0.187g(30 ppt)ZrO2纳米颗粒(99.95％纯度，20 nm)混入基线流体中。类似地测量从室温至250℉的粘度。图6描绘了在从75℉至250℉的温度下并且在100 s-1的剪切速率下，将样品9与比较样品11和12从0至140分钟相比的粘度。
当将样品9和比较样品11相比时，在添加30 ppt ZrO2纳米颗粒的情况下，在20分钟和140分钟之间的平均粘度增强25％。然而，ZrO2的添加不仅仅是改善的结果的原因，因为比较样品12具有小于10cP的平均粘度。在250℉下，样品9具有超过300cP的平均粘度，而比较样品12仅具有小于5cP的平均粘度。
实例7-蒙脱石
实例7研究了具有不同量的磷酸酯和交联剂的三种水力压裂流体。样品10含有柴油、6gpt磷酸酯、作为增粘剂的30ppt蒙脱石粘土和6gpt交联剂。比较样品14缺少增粘剂但具有8gpt磷酸酯和8gpt交联剂，而比较样品13缺少增粘剂但具有6gpt磷酸酯和6gpt交联剂。所有三种样品的组分阐述于表7中。
表7：样品10和比较样品13和14的组分
为制备比较样品13，将0.3mL(6gpt)Ethox EG-2磷酸酯和0.3mL(6gpt)Ethox EA-3铁基交联剂添加到50mL柴油中以形成基线流体。为制备比较样品14，将0.4mL(8gpt)EthoxEG-2磷酸酯和0.4mL(8gpt)Ethox EA-3铁基交联剂添加到50mL柴油中以形成第二基线流体。在100s-1的剪切速率下使用Fann50型粘度计测量从室温(75℉)至250℉的流体的粘度。为制备样品10，将0.187g(30ppt)蒙脱石粘土混入第二6gpt基线流体(使用6gpt EG-2和6gpt EA-3制备)。类似地测量从室温至250℉的粘度。图7描绘了在从75℉至250℉的温度下并且在100s-1的剪切速率下，将样品10与比较样品13和比较样品14从0至140分钟相比的粘度。
比较样品13和14的6gpt和8gpt基线流体之间的比较分别描述了可以在不添加另外组分的情况下实现的磷酸酯的降低。如图7所示，磷酸酯的量可以降低25％(磷酸酯的量从8gpt降低到6gpt)并且通过添加30ppt蒙脱石，粘度几乎没有随着样品10和比较样品14的粘度曲线的重叠而降低。
实例8-原油
实例8研究了使用原油制备的水力压裂流体。样品11含有原油、磷酸酯、交联剂和蒙脱石粘土增粘剂。比较样品15含有原油、磷酸酯和交联剂，但不含增粘剂。所述组分阐述于表8中。
表8：样品11和比较样品15的组分
为制备样品11，将50mL原油与8gpt EG-2磷酸酯和8gpt EA-3交联剂以及30ppt蒙脱石粘土(西格玛阿尔德里奇的铝柱撑粘土(Aluminum Pillared Clay，Sigma Aldrich))组合。原油是沙特阿拉伯原油样品，其中总硫含量超过0.5％(如所测量的2.24％)，被认为是“酸性”。原油是轻质原油，其中API比重高于31.1°(如所测量得32.83°)。类似地，为制备比较样品15，在没有任何添加剂的情况下，将相同的原油与8gpt EG-2磷酸酯和8gpt EA-3交联剂组合。
用Grace M5600HPHT流变仪测量两个样品在200℉下的流体粘度，其结果阐述于图8中。与比较实例15相比，样品11在200℉下显示出改善的长期稳定性。接近测试结束时，在约120分钟时，样品11的粘度(在100/s剪切速率下)是比较样品15的粘度的约6倍。
已经详细地并且参考本公开具体实施例描述本公开的主题，应注意，本文中公开的各种细节不应被视为暗示这些细节涉及本文描述的各种实施例的基本组分的元件，即使在本说明书随附的每个附图中示出了特定元件的情况下也是如此。此外，很明显，在不脱离本公开的范围(包括但不限于所附权利要求书限定的实施例)的情况下，修改和变化是可能的。更具体地，尽管本公开的一些方面被标识为特别有利，但是设想本公开不必限于这些方面。
除非另有定义，否则本公开中所使用的所有技术和科学术语都具有与本领域普通技术人员通常理解的含义相同的含义。实施方式中所使用的术语仅用于描述特定实施例，且并不旨在为限制性的。如本说明书和所附权利要求书中所使用，除非上下文另有明确指示，否则单数形式“一(a/an)”和“所述”旨在同样包括复数形式。
对于本领域技术人员来说显而易见的是，可以在不脱离所要求的主题的精神和范围的情况下，对所述的实施例进行各种修改和变化。因此，旨在本说明书覆盖本文中所描述的各种实施例的修改和变化，其条件是，此类修改和变化落在所附权利要求书及其等效物的范围内。

Claims (22)

1.一种凝胶化烃压裂流体，其包含
烃流体；
磷酸酯；
交联剂，其包含选自由以下组成的群组的组分：铁、铝及其组合；和
增粘剂，其包含选自由以下组成的群组的组分：粘土、石墨、碳纳米管、金属氧化物纳米颗粒、纳米颗粒及其组合。
2.根据权利要求1所述的凝胶化烃压裂流体，其中所述烃流体包含柴油燃料或原油。
3.根据权利要求1所述的凝胶化烃压裂流体，其中所述凝胶化烃压裂流体包含1至100gpt所述磷酸酯。
4.根据权利要求1所述的凝胶化烃压裂流体，其中所述凝胶化烃压裂流体包含1至100gpt所述交联剂。
5.根据权利要求1所述的凝胶化烃压裂流体，其中所述凝胶化烃压裂流体包含1ppt至500ppt所述增粘剂。
6.根据权利要求1所述的凝胶化烃压裂流体，其中所述交联剂包含铁、铝或其组合的多价金属盐。
7.根据权利要求1所述的凝胶化烃压裂流体，其中所述交联剂包含三价铁(Fe3+)、氯化铝、异丙醇铝或其组合。
8.根据权利要求1所述的凝胶化烃压裂，其中所述粘土包含蒙脱石粘土。
9.根据权利要求1所述的凝胶化烃压裂流体，其中所述金属氧化物纳米颗粒包含氧化锆(ZrO2)纳米颗粒。
10.根据权利要求1所述的凝胶化烃压裂流体，其中所述凝胶化烃压裂流体在200℉和100s-1剪切下具有大于50cP的粘度。
11.一种制备凝胶化烃压裂流体的方法，其中所述方法包含：
组合烃流体、磷酸酯和选自由以下组成的群组的交联剂：铁、铝及其组合以形成基线流体；和
将选自由以下组成的群组的增粘剂：粘土、石墨、碳纳米管、金属氧化物纳米颗粒、纳米颗粒及其组合添加到所述基线流体中以形成所述凝胶化烃压裂流体。
12.根据权利要求11所述的方法，其中所述凝胶化烃压裂流体包含1至100gpt所述磷酸酯、1至100gpt所述交联剂和1至500ppt所述增粘剂。
13.根据权利要求11所述的方法，其中所述交联剂包含铁、铝或其组合的多价金属盐。
14.根据权利要求11所述的方法，其中所述交联剂包含三价铁(Fe3+)、氯化铝、异丙醇铝或其组合。
15.根据权利要求11所述的方法，其中所述增粘剂包含蒙脱石粘土或氧化锆(ZrO2)纳米颗粒。
16.根据权利要求11所述的方法，其中所述凝胶化烃压裂流体在200℉和100s-1剪切下具有大于50cP的粘度。
17.一种处理地下岩层的方法，所述方法包含：
使所述地下岩层与包含以下的凝胶化烃压裂流体接触：烃流体；磷酸酯；选自由以下组成的群组的交联剂：铁、铝及其组合；和选自由以下组成的群组的增粘剂：粘土、石墨、碳纳米管、金属氧化物纳米颗粒、纳米颗粒及其组合；和
在所述地下岩层中产生至少一个裂缝。
18.根据权利要求17所述的方法，其中所述凝胶化烃压裂流体包含1至100gpt所述磷酸酯、1至100gpt所述交联剂和1至500ppt所述增粘剂。
19.根据权利要求17所述的方法，其中所述交联剂包含铁、铝或其组合的多价金属盐。
20.根据权利要求17所述的方法，其中所述交联剂包含三价铁(Fe3+)、氯化铝、异丙醇铝或其组合。
21.根据权利要求17所述的方法，其中所述增粘剂包含蒙脱石粘土或氧化锆(ZrO2)纳米颗粒。
22.根据权利要求17所述的方法，其中所述凝胶化烃压裂流体在200℉和100s-1剪切下具有大于50cP的粘度。
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