CN110582549A - 使用胶体二氧化硅组合物封堵和密封地下地层 - Google Patents

Abstract

地下地层密封剂包含含有二氧化硅纳米粒子的水性胶体分散体和C6‑C12脂肪酸的混合物。在高于70℃加热密封剂引发密封剂的凝胶化。将在地下地层中的产水区或产气区中的开口密封包括向产水区或产气区提供包含含有二氧化硅纳米粒子的胶体分散体和C6‑C12脂肪酸的混合物的密封剂，原位引发密封剂的凝胶化，和使在产水区或产气区中的密封剂凝固以得到凝结凝胶，从而将在产水区或产气区中的开口密封。

Description

使用胶体二氧化硅组合物封堵和密封地下地层

优先权要求

本申请要求2017年5月2日提交的美国专利申请号15/584,669的优先权，其全部内容通过引用结合于此。

技术领域

本文涉及用于封堵和密封在地下地层中的不期望的产水区和产气区的方法和组合物。

背景

过量的水采出大大影响生产井的经济寿命。高含水率很大程度上影响生产井的经济寿命并且可能是与油田相关的损害机制，如垢沉积、细粒迁移、沥青质沉淀、腐蚀等的原因，导致根据环境法规的采出水的分离、处理和处置的运行成本增加。尽管本行业使用多种化学品控制水采出，但是许多在环境法规严格的地区不是环境可接受的。

概述

在第一总体方面，地下地层密封剂包含含有二氧化硅纳米粒子的水性胶体分散体和C6-C12脂肪酸的混合物。在高于70℃加热密封剂引发密封剂的凝胶化。

在第二总体方面，将在地下地层中的产水区或产气区中的开口密封包括向产水区或产气区提供包含含有二氧化硅纳米粒子的胶体分散体和C6-C12脂肪酸的混合物的密封剂，原位引发密封剂的凝胶化，和使在产水区或产气区中的密封剂凝固以得到凝结凝胶，从而将在产水区或产气区中的开口密封。

第一和第二总体方面的实施方式可以包括以下特征中的一个或多个。

密封剂在20℃的粘度通常小于5cP。密封剂的pH在1至6的范围内。

胶体分散体包含盐和水混溶性有机溶剂中的至少一种。二氧化硅纳米粒子的尺寸在1nm至500nm的范围内。胶体分散体中的二氧化硅纳米粒子的浓度在10重量％至50重量％的范围内。水性胶体分散体的pH在8至11的范围内。

C6-C12脂肪酸与胶体分散体的比率通常在0.25体积％至5体积％的范围内。C6-C12脂肪酸包括C6-C8脂肪酸，主要由C6-C8脂肪酸组成，或者由C6-C8脂肪酸组成。C6-C8脂肪酸通常包括己酸、庚酸和辛酸中的一种或多种。

第二总体方面的实施方式可以包括以下特征中的一个或多个。

引发凝胶化可以包括原位加热密封剂。原位加热密封剂可以包括利用在地下地层中含有的热量通过传导或对流来加热密封剂。

开口是底水锥进或脊进、在套管后的通道、来自注入器的通道、窜流或天然裂缝。

在一些实施方式中，第二总体方面包括降低密封剂的pH以加速密封剂的凝胶化。在一些实施方式中，第二总体方面包括升高密封剂的温度以加速密封剂的凝胶化。第二总体方面的一些实施方式包括提高密封剂中的二氧化硅纳米粒子的浓度或密封剂中的C6-C12脂肪酸的浓度以加速密封剂的凝胶化。

所公开的密封剂有利地是基于水的并且包含环境可接受的组分。二氧化硅纳米粒子是环境友好的，并且C6-C12脂肪酸是可生物降解且环境可接受的。此外，可以通过例如调节C6-C12脂肪酸的浓度来有利地控制所公开的密封剂的凝胶化时间，实现在给定温度在数分钟至数小时范围内的可预测且可控的泵送时间。因此，密封剂保持可泵送足够的时间长度以用于放置，并且形成导致在可预测的时间长度内凝胶化的网络结构。表现为结晶固体的凝结凝胶在受限条件(如裂缝和孔空间)下有利地保持均匀并且保持在适当位置。

附图简述

图1描绘了用于将流体输送至地下地层中的钻孔的示例性系统。

图2是示出在用于将在地下地层中的产水区或产气区中的开口密封的示例性过程中的操作的流程图。

详细描述

图1描绘了用于将流体输送至地下地层104中的钻孔102的示例性系统100。在一些实施方案中，钻孔102是井眼。来自源106的流体通过泵108被泵送经过管线110并且经由管112进入钻孔102。流体可以是通过管112向地下地层104提供以封堵或密封产水区或产气区114的密封剂。待密封的产水区或产气区可以称为“目标区域”。密封剂可以作为单一溶液放入地下地层104在井眼102周围的含水区中，并且使其传播通过岩石基质。密封剂可以是低粘度溶液。在一个实施方案中，密封剂在20℃的粘度小于5cP。在一个实例中，通过系统100向地下地层104提供的密封剂在70℃至150℃范围内的温度有效防止在砂岩和碳酸盐地层中的水流动。密封剂的初始低粘度允许低注入压力。

密封剂包含含有金属氧化物纳米粒子的胶体分散体和活化剂的混合物。金属氧化物纳米粒子可以是二氧化硅纳米粒子。活化剂是C6-C12脂肪酸或它们的混合物。在一些实施方案中，脂肪酸包括下列各项中的至少一种，主要由下列各项中的至少一种组成，或者由下列各项中的至少一种组成：己酸、庚酸、辛酸、壬酸、癸酸、十一烷酸和十二烷酸。在某些实施方案中，脂肪酸包括己酸、庚酸和辛酸中的至少一种，主要由己酸、庚酸和辛酸中的至少一种组成，或者由己酸、庚酸和辛酸中的至少一种组成。二氧化硅纳米粒子是环境友好的，并且C6-C12脂肪酸是可生物降解且环境可接受的。

胶体分散体中的二氧化硅纳米粒子的尺寸在1nm至500nm的范围内。较小的二氧化硅纳米粒子粒度通常促进密封剂较快地凝胶化。胶体分散体中的二氧化硅纳米粒子的浓度在10重量％至50重量％的范围内。较高的二氧化硅纳米粒子浓度通常促进密封剂较快地凝胶化。在一些实施方案中，胶体分散体包含盐。适合的盐的实例包括氯化钠、氯化钾、氯化钙、溴化钠、溴化钙、甲酸钠、甲酸钾、甲酸铯以及它们的混合物。在一些实施方案中，胶体分散体包含水混溶性有机溶剂。适合的水混溶性有机溶剂的实例包括但不限于甲醇、乙醇、丙醇、丁醇、乙酸乙酯、二甲亚砜、二甲基甲酰胺、丙酮以及它们的混合物。胶体分散体中的二氧化硅的总浓度为10重量％至50重量％。胶体分散体的pH通常在8至11的范围内。

当胶体分散体的pH为至少8时，胶体分散体通常凭借使分散体稳定的带电粒子之间的电斥力而保持液体形式。破坏胶体分散体的电荷平衡可能会使二氧化硅纳米粒子聚集，导致在将C6-C12脂肪酸与胶体分散体合并之前形成凝胶。破坏电荷平衡可以包括下列各项中的至少一种：从胶体分散体移除水，改变胶体分散体的pH，向胶体分散体中加入盐，和向分散体中加入水混溶性有机溶剂。适合的盐的实例包括氯化钠、氯化钾、氯化钙、溴化钠、溴化钙、甲酸钠、甲酸钾、甲酸铯以及它们的混合物。适合的水混溶性有机溶剂的实例包括甲醇、乙醇、丙醇、丁醇、乙酸乙酯、二甲亚砜、二甲基甲酰胺、丙酮以及它们的混合物。

C6-C12脂肪酸在室温下是液体，并且包括己酸、庚酸和辛酸中的至少一种。这些脂肪酸可以降低胶体分散体的pH并且因此导致凝胶化。C6-C12脂肪酸与胶体分散体的比率在0.25体积％至5体积％的范围内。提高密封剂中的C6-C12脂肪酸的浓度通常促进密封剂较快地凝胶化。

将胶体分散体和C6-C12脂肪酸合并以得到密封剂。密封剂在20℃的温度通常具有在1cP至1000cP或1cP至5cP的范围内的粘度。可以根据具体应用的需要改变胶体分散体、C6-C12脂肪酸或二者的浓度。在一个实例中，增加密封剂的粘度可以有利于密封剂的放置和对其位置的控制，以及提供粘性导流(viscous diversion)以覆盖更长的间隔。

将胶体分散体和C6-C12脂肪酸合并使胶体分散体的pH从至少8降低至低于8。在一些实施方案中，当密封剂的温度在5℃至300℃的范围内时，将胶体分散体的pH从至少8降低至低于8引发密封剂的凝胶化。在一些实施方案中，至少部分地因为地层温度以及由于地层温度而在地层中发生的密封剂温度升高引发凝胶化。因此，利用在地下地层中含有的热量通过传导或对流进行原位凝胶化，从而将在地下地层中的产水区或产气区中的开口密封。

据信凝胶化至少部分地由于聚集为长链状网络的二氧化硅纳米粒子碰撞形成凝胶而发生。二氧化硅纳米粒子的碰撞通过胶体分散体的pH的降低、密封剂的温度的升高或二者而增加。在不受理论约束的情况下，据信二氧化硅纳米粒子的碰撞导致在二氧化硅纳米粒子之间形成硅氧烷键(Si-O-Si)。可以通过氢氧根离子的存在来催化硅氧烷键的形成。当聚集体形成完成时，凝胶化导致形成凝结凝胶，得到二氧化硅纳米粒子的长的珠状串的均匀三维网络。

凝胶化可以在密封剂的静态老化期间进行。在一些实施方案中，通过降低密封剂的pH来加速密封剂的凝胶化。通常，密封剂的pH酸性越强，凝胶化进行得越快。在一些实施方案中，通过升高密封剂的温度来加速密封剂的凝胶化。密封剂在凝胶化期间的温度可以在5℃至300℃、5℃至250℃或5℃至200℃的范围内。在一些实施方案中，通过提高密封剂中的C6-C12脂肪酸的浓度来加速密封剂的凝胶化。可以随着凝胶化进行在一定时间长度内使密封剂在井眼中凝固，这有利地在形成网络结构的同时使密封剂在给定温度保持可泵送在约30分钟至约48小时范围内的足够且可预测的时间长度。

密封剂的凝胶化得到固体凝胶或半固体凝胶形式的凝结凝胶。在一些实施方案中，凝结凝胶是固体结晶材料的形式。在凝胶化的引发和凝结凝胶的形成之间的时间长度至少部分地取决于密封剂的pH、密封剂的温度、胶体分散体中的二氧化硅纳米粒子的浓度和C6-C12脂肪酸与二氧化硅纳米粒子的比率。凝结凝胶可以起用于封堵和密封开口如底水锥进或脊进、在套管后的通道、来自注入器的通道、窜流或天然裂缝的高效合格产品的作用。凝结凝胶在开口中保持为半固体凝胶或固体凝胶，从而减少不需要的水或气体的采出。在一些实施方案中，凝结凝胶在70℃至150℃有效防止在砂岩地层中的水和气体流动。在一些实施方案中，凝结凝胶在5℃至200℃范围内的温度无限期地稳定。在某些实施方案中，凝结凝胶在高达260℃的温度基本上无限期地稳定。在凝胶形成期间或在高温下未观察到二氧化硅纳米粒子的沉淀。

图2是示出在用于将在地下地层中的产水区或产气区中的开口密封的示例性过程中的操作的流程图。开口可以是底水锥进或脊进、在套管后的通道、来自注入器的通道、窜流或天然裂缝。在202中，向产水区或产气区提供包含胶体分散体和C6-C12脂肪酸的混合物的密封剂。胶体分散体包含二氧化硅纳米粒子。在204中，原位引发密封剂的凝胶化。在206中，使密封剂在产水区或产气区中凝固以得到凝结凝胶，从而将在产水区或产气区中的开口密封。在一些实施方案中，可以改变过程200中的操作的顺序。在一些实施方案中，可以省略或增加过程200中的操作。

在过程200的一些实施方案中，引发凝胶化包括原位加热密封剂。原位加热密封剂包括利用在地下地层中含有的热量通过传导或对流来加热密封剂。可以通过以下方式加速密封剂的凝胶化：降低密封剂的pH，升高密封剂的温度，提高密封剂中的二氧化硅纳米粒子的浓度，或提高密封剂中的C6-C12脂肪酸的浓度。凝结凝胶可以是固体凝胶或半固体凝胶的形式。固体凝胶形式的凝结凝胶可以具有结晶固体的外观。凝结凝胶可以在70℃至150℃范围内的温度有效防止在砂岩和碳酸盐地层中的水和气体流动。

实施例

将2mL的SABIC FATTY ACID C6-C8(可从SABIC Chemicals获得)与100mL的二氧化硅纳米粒子的碱性、水性胶体分散体(IDISIL SI 4545，可从Evonik Industries获得)合并，并且用搅拌器将分散体充分混合。SABIC FATTY ACID C6-C8包含35-45％己酸和55-65％辛酸脂肪酸的混合物。表1列出了IDISIL SI 4545的性质。

表1.IDISIL SI 4545的性质

其他适合的胶体分散体包括可从AkzoNobel获得的CEMBINDER 17和CEMBINDER50。在表2中列出了CEMBINDER 17和CEMBINDER 50的性质。

表2.CEMBINDER 17和CEMBINDER 50的性质

之后在120℃对所得的密封剂进行静态老化16小时。在静态老化16小时之后，凝胶化生成凝结凝胶。凝结凝胶是具有结晶固体的外观的固体凝胶。

定义

在本文中，除非上下文另外明确地指明，术语“一个(a)”、“一种(an)”或“所述(the)”用于包括一个/种或多于一个/种。除非另外指明，术语“或”用于指非排他性的“或”。“A和B中的至少一种”的陈述与“A、B或者A和B”具有相同的含义。此外，应该理解的是，在本公开中采用的且没有另外定义的措词或术语仅用于描述目的而不是限制目的。任何的章节标题的使用都是意在辅助文件的阅读而不应被解释为限制；与章节标题有关的信息可以出现在该特定章节之内或之外。

以范围格式表示的值应该以灵活的方式解释为不仅包括作为范围的界限而明确记载的数值，而且包括在该范围内所包含的所有单个数值或子范围，如同明确记载了每个数值和子范围一样。例如，“约0.1％至约5％”或“约0.1％至5％”的范围应当被解释为不仅包括约0.1％至约5％，而且包括在指出的范围内的单个值(例如，1％、2％、3％和4％)和子范围(例如，0.1％至0.5％、1.1％至2.2％、3.3％至4.4％)。除非另外指明，“约X至Y”的陈述与“约X至约Y”具有相同的含义。同样地，除非另外指明，“约X、Y或约Z”的陈述与“约X、约Y或约Z”具有相同的含义。术语“约”可以允许数值或范围的一定程度的变化，例如，在所述数值或所述范围界限的10％内、5％内或1％内。

术语“流体”是指气体、液体、凝胶、具有高固体含量的浆料以及临界和超临界材料。

术语“密封剂”是指向井眼或地下地层提供的材料，其抑制或防止流体在两个位置之间，如在井眼的各部分之间、地下地层的各部分之间、井眼的一部分和地下地层的一部分之间或井眼的一部分和井眼中的管柱的一部分之间的流动。

术语“地下地层”是指在地表以下的、包括在海底地表以下的任何物质。例如，地下地层可以是井眼的任何部分和与井眼流体接触的地下产出石油或水的地层或区域的任何部分。在一些实例中，地下地层可以是可以产出液体或气体石油物质、水的任何地面下区域或与其流体接触的任何地面下部分。例如，地下地层可以是以下各项中的至少一种：需要压裂的区域，裂缝或裂缝周围的区域，和流路或流路周围的区域，其中裂缝或流路可以任选地直接或通过一个或多个裂缝或流路流体连接到地下产出石油或水的区域。

其他实施方案

应理解的是，尽管已经对实施方案结合其详细描述进行了描述，但以上描述意在说明而非限制由所附权利要求的范围限定的本发明的范围。其他方面、优点和改变落在所附权利要求的范围内。

Claims (20)

1.一种地下地层密封剂，所述地下地层密封剂包含下列各项的混合物：

包含二氧化硅纳米粒子的水性胶体分散体；和

C6-C12脂肪酸，

其中在高于70℃加热所述密封剂引发所述密封剂的凝胶化。

2.权利要求1所述的密封剂，其中所述密封剂在20℃的粘度小于5cP。

3.权利要求1所述的密封剂，其中所述胶体分散体包含盐和水混溶性有机溶剂中的至少一种。

4.权利要求1所述的密封剂，其中所述二氧化硅纳米粒子的尺寸在1nm至500nm的范围内。

5.权利要求1所述的密封剂，其中所述胶体分散体中的二氧化硅纳米粒子的浓度在10重量％至50重量％的范围内。

6.权利要求1所述的密封剂，其中所述C6-C12脂肪酸主要由C6-C8脂肪酸组成。

7.权利要求1所述的密封剂，其中所述C6-C8脂肪酸包括己酸、庚酸和辛酸中的一种或多种。

8.权利要求1所述的密封剂，其中所述水性胶体分散体的pH在8至11的范围内。

9.权利要求1所述的密封剂，其中所述C6-C12脂肪酸与所述胶体分散体的比率在0.25体积％至5体积％的范围内。

10.权利要求1所述的密封剂，其中所述密封剂的pH在1至6的范围内。

11.一种将在地下地层中的产水区或产气区中的开口密封的方法，所述方法包括：

向所述产水区或产气区提供包含含有二氧化硅纳米粒子的胶体分散体和C6-C12脂肪酸的混合物的密封剂；

原位引发所述密封剂的凝胶化；和

使在所述产水区或产气区中的所述密封剂凝固以得到凝结凝胶，从而将在所述产水区或产气区中的所述开口密封。

12.权利要求11所述的方法，其中引发凝胶化包括原位加热所述密封剂。

13.权利要求12所述的方法，其中原位加热所述密封剂包括利用在所述地下地层中含有的热量通过传导或对流来加热所述密封剂。

14.权利要求11所述的方法，其中所述开口是底水锥进或脊进、在套管后的通道、来自注入器的通道、窜流或天然裂缝。

15.权利要求11所述的方法，所述方法包括降低所述密封剂的pH以加速所述密封剂的凝胶化。

16.权利要求11所述的方法，所述方法包括升高所述密封剂的温度以加速所述密封剂的凝胶化。

17.权利要求11所述的方法，所述方法包括提高所述密封剂中的二氧化硅纳米粒子的浓度或所述密封剂中的C6-C12脂肪酸的浓度以加速所述密封剂的凝胶化。

18.权利要求11所述的方法，其中所述凝结凝胶是固体凝胶或半固体凝胶的形式。

19.权利要求18所述的方法，其中所述凝结凝胶是具有结晶固体的外观的固体凝胶的形式。

20.权利要求11所述的方法，其中所述凝结凝胶在70℃至150℃范围内的温度有效防止在砂岩和碳酸盐地层中的水和气体流动。