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Hintergrund
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Die
vorliegende Erfindung betrifft unterirdische Behandlungen, und insbesondere
wässrige
Fluids zur unterirdischen Behandlung, welche reibungsreduzierende
Copolymere umfassen, und zugehörige
Verfahren.
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Wässrige Behandlungsfluids
können
bei einer Vielzahl von unterirdischen Behandlungen eingesetzt werden.
Diese Behandlungen umfassen, sind jedoch nicht begrenzt auf, Bohrtätigkeiten,
Stimulationstätigkeiten
und Komplettierungstätigkeiten.
Wie hier verwendet, betrifft der Ausdruck "Behandlung bzw. Bearbeitung" oder "Behandeln bzw. Bearbeiten" jede unterirdische
Tätigkeit,
welche ein Fluid in Verbindung mit einer gewünschten Funktion und/oder für einen
gewünschten
Zweck verwendet. Der Ausdruck" Behandlungen" oder "Behanden" setzt keine bestimmte
Wirkung durch das Fluid voraus.
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Ein
Beispiel einer Stimulationstätigkeit
unter Einsatz eines wässrigen
Behandlungsfluids ist hydraulisches Frakturieren bzw. (Auf)Brechen
bzw. Spalten. In einigen Fällen
umfasst eine Brechbehandlung das Pumpen eines stützmaterialfreien, wässrigen
Behandlungsfluids (bekannt als ein Pad-Fluid) in eine unterirdische
Formation, schneller als das Fluid in die Formation entweichen kann,
so dass der Druck in der Formation ansteigt und die Formation bricht
bzw. aufreißt,
wodurch ein oder mehrere Brüche
bzw. Risse erzeugt oder weiterentwickelt werden. Die Weiterentwickelung
eines Bruchs bzw. Risses umfasst das Vergrößern eines bereits existierenden
Bruchs bzw. Risses in der Formation. Sobald der Bruch bzw. Riss
gebildet oder weiterentwickelt wurde, werden im Allgemeinen teilchenförmige Stützmaterialien
in dem Bruch bzw. Riss angeordnet, um ein Stützmaterialpackung zu bilden,
welche verhindert, dass sich der Bruch bzw. Riss schließt, wenn
der hydraulische Druck zurückgenommen
wird, wodurch leitende Kanäle
gebildet werden, durch welche Fluid in das Bohrloch fließen kann.
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Während des
Pumpens des wässrigen
Behandlungsfluids in das Bohrloch kann aufgrund der Reibung zwischen
dem wässrigen
Behandlungsfluid in turbulenter Strömung und der Formation und/oder
rohrförmigen Gegenständen (z.B.
Rohren, Rohrwendel, etc.), die innerhalb des Bohrloches angeordnet
sind, eine beträchtliche
Menge an Energie verloren gehen. Als ein Ergebnis dieser Energieverluste
können
zusätzliche
PS notwendig sein, um die gewünschte
Behandlung zu erzielen. Um diese Energieverluste zu reduzieren,
wurden bisher reibungsreduzierende Polymere in wässrige Behandlungsfluids eingeführt. Das
rei bungsreduzierende Polymer sollte die Reibungsverluste aufgrund
der Reibung zwischen dem wässrigen
Behandlungsfluid in turbulenter Strömung und den rohrförmigen Gegenständen und/oder
der Formation reduzieren.
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In
einigen Fällen
sind die reibungsreduzierende Polymere, welche zuvor verwendet wurden,
in Öl-externen
Emulsionen (oil-external emulsion) suspendiert, wobei sich bei Zugabe
zu dem wässrigen
Behandlungsfluid, die Emulsion umwandeln sollte, um das reibungsreduzierende
Polymer in das Fluid freizusetzt. Ein solches reibungsreduzierendes
Polymer ist ein Copolymer der Acrylsäure (in einer Menge von 30
Gew.-%) und Acrylamid (in einer Menge von 70 Gew.-%). Man nimmt
jedoch an, dass die ionische Natur bzw. Beschaffenheit bestimmter
dieser reibungsreduzierendes Polymere (wie das zuvor genannte Copolymer)
bewirken kann, dass die reibungsreduzierenden Polymere als Flockungsmittel
funktionieren. Dies kann unerwünscht
sein, z.B. bei Brech- bzw. Spaltbehandlungen, da die Wechselwirkung
des reibungsreduzierenden Polymers mit Formationsfeinstoffen zu
der Koagulation der Formationsfeinstoffe zu Flocken führen kann.
Die resultierenden Flocken können
unerwünscht
sein, neben anderen Dingen, da die Flocken die Bildung einer stabilen
Emulsion in der Formation vereinfachen können, die möglicherweise unerwünschterweise
die nachfolgende Produktion aus dem Bohrloch beeinflussen kann.
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Zusammenfassung
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Die
vorliegende Erfindung betrifft unterirdische Behandlungen und insbesondere
wässrige
Fluids für unterirdische
Behandlung, die reibungsreduzierende Copolymere umfassen, und zugehörige Verfahren.
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Eine
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung stellt ein Verfahren zur Behandlung eines
Bereichs einer unterirdischen Formation zur Verfügung. Ein Beispiel solch eines
Verfahrens kann umfassen: Bereitstellen eines wässrigen Behandlungsfluids der
vorliegenden Erfindung, umfassend Wasser, und ein reibungsreduzierendes
Copolymer der vorliegenden Erfindung, welches Acrylamid in einer
Menge in dem Bereich von ungefähr
60 Gew.-% bis ungefähr
90 Gew.-% und Acrylsäure
in einer Menge in dem Bereich von ungefähr 10 Gew.-% bis ungefähr 20 Gew.-%
umfasst; und Einführen
des wässrigen
Behandlungsfluids in den Bereich der unterirdischen Formation.
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Eine
andere Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung stellt ein wässriges Behandlungsfluid der vorliegenden
Erfindung zur Verfügung,
welches Wasser und ein reibungsreduzierendes Copolymer der vorliegenden
Erfindung umfasst, das Acrylamid in einer Menge in dem Bereich von
ungefähr
60 Gew.-% bis ungefähr
90 Gew.-% und Acrylsäure
in einer Menge in dem Bereich von ungefähr 10 Gew.-% bis ungefähr 20 Gew.-%
umfasst.
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Die
Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden Fachleuten
auf dem Gebiet offensichtlich. Während
verschiedene Änderungen
von Fachleuten auf dem Gebiet durchgeführt werden können, liegen solche Änderungen
im Umfang der Erfindung.
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Beschreibung der bevorzugten
Ausführungsformen
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Die
vorliegende Erfindung betrifft unterirdische Behandlungen und insbesondere
wässrige
Fluids für die
unterirdische Behandlung, welche reibungsreduzierende Copolymere
umfassen, und zugehörige
Verfahren.
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I. Wässrige
Behandlungsfluids der vorliegenden Erfindung
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Die
wässrigen
Behandlungsfluids der vorliegenden Erfindung umfassen im Allgemeinen
Wasser und ein reibungsreduzierendes Copolymer der vorliegenden
Erfindung, das Acrylamid in einer Menge in dem Bereich von ungefähr 60 Gew.-%
bis ungefähr
90 Gew.-% und Acrylsäure
in einer Menge in dem Bereich von ungefähr 10 Gew.-% bis ungefähr 20 Gew.-% umfasst. Der Ausdruck "reibungsreduzierendes
Copolymer", wie hier
verwendet, bezeichnet ein Copolymer, welches die Reibungsverluste
aufgrund einer Reibung zwischen einem wässrigen Behandlungsfluid in
turbulenter Strömung
und rohrförmigen
Gegenständen
(z.B. Rohre, Rohrwendel, etc.) und/oder der Formation verringert.
Der Ausdruck "Copolymer", wie hier verwendet,
ist nicht auf Polymere begrenzt, die zwei Arten von monomeren Einheiten
umfassen, sondern umfasst jede Kombination von Polymeren, z.B. Terpolymere,
Tetrapolymer und dergleichen.
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Im
Allgemeinen kann ein reibungsreduzierendes Copolymer der vorliegenden
Erfindung in jedem wässrigen
Behandlungsfluid enthalten sein, welches bei unterirdischer Behandlung
verwendet wird, um die Reibung zu reduzieren. Solche unterirdischen
Behandlungen umfassen, sind jedoch nicht begrenzt auf, Bohrtätigkeiten,
Stimulationstätigkeiten
(z.B. Brech- bzw.
Spaltbehandlungen, Säuerungsbehandlungen,
Aufbrechsäuerungsbehandlungen),
und Komplettierungstätigkeiten.
Fachleute auf dem Gebiet werden unter Berücksichtigung dieser Offenbarung
in der Lage sein, eine geeignete unterirdische Behandlung zu erkennen,
bei welcher eine Reduzierung der Reibung gewünscht sein kann.
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Das
in den wässrigen
Behandlungsfluids der vorliegenden Erfindung verwendete Wasser kann
Frischwasser, Salzwasser (z.B. Wasser, enthaltend ein oder mehrere
Salze, welche darin aufgelöst
sind), Sole (z.B. erzeugt von unterirdischen Formationen) oder Meerwasser
sein, oder deren Kombinationen. Im Allgemeinen kann das verwendete
Wasser aus jeder Quelle stammen, vorausgesetzt, dass es keinen Überschuss
an Verbindungen enthält,
welche andere Bestandteile in dem wässrigen Behandlungsfluid negativ
beeinflussen können oder
die Formation selbst. Zum Beispiel wird angenommen, dass hohe Salzkonzentrationen
(z.B. gesättigte
Salzkonzentrationen) unerwünscht
mit den reibungsreduzierenden Copolymeren der vorliegenden Erfindung
zusammenwirken.
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Die
reibungsreduzierenden Copolymere der vorliegenden Erfindung umfassen
Acrylamid in einer Menge in dem Bereich von ungefähr 60 Gew.-%
bis ungefähr
90 Gew.-% und Acrylsäure
in einer Menge in einem Bereich von ungefähr 10 Gew.-% bis ungefähr 20 Gew.-%.
Unter anderen Dingen sollten die reibungsreduzierenden Copolymere
der vorliegenden Erfindung Energieverluste aufgrund der Reibung
in den wässrigen
Behandlungsfluids der vorliegenden Erfindung reduzieren. Zum Beispiel
können
die reibungsreduzierenden Copolymere der vorliegenden Erfindung
Energieverluste während
des Einführens
des wässrigen
Behandlungsfluids in ein Bohrloch aufgrund der Reibung zwischen
dem wässrigen
Behandlungsfluid mit turbulenter Strömung und der Formation und/oder
rohrförmigen
Gegenständen
(z.B. ein Rohr, Rohrwendel, etc.), die in dem Bohrloch angeordnet
sind, reduzieren. Des Weiteren sollte aufgrund des reduzierten Acrylsäuregehaltes, im
Vergleich mit den Copolymeren, welche zuvor zur Verringerung der
Reibung verwendet wurden, die reibungsreduzierenden Copolymere der
vorliegenden Erfindung eine reduzierte ionische Beschaffenheit aufweisen,
welche die Flockungseigenschaften dieser minimiert.
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Die
reibungsreduzierenden Copolymere der vorliegenden Erfindung sollten
in den wässrigen
Behandlungsfluids der vorliegenden Erfindung in einer Menge enthalten
sein, die ausreichend ist, um die gewünschte Verringerung der Reibung
zu bewirken. In einigen Ausführungsformen
kann ein reibungsreduzierendes Copolymer der vorliegenden Erfindung
in einer Menge in dem Bereich von ungefähr 0,01 Gew.-% bis ungefähr 4 Gew.-%
des wässrigen
Behandlungsfluids vorhanden sein. In einigen Ausführungsformen
kann ein reibungsreduzierendes Copolymer der vorliegenden Erfindung
in einer Menge in dem Bereich von ungefähr 0,025 Gew.-% bis ungefähr 0,1 Gew.-%
des wässrigen
Behandlungsfluids vorhanden sein.
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Die
Menge des Acrylamids und der Acrylsäure, welche in reibungsreduzierenden
Copolymeren der vorliegenden Erfindung enthalten sein kann, kann
basierend auf einer Anzahl von Faktoren bestimmt werden, einschließlich der
gewünschten
Verringerung der Reibung, der Flockungseigenschaften, etc. Im Allgemeinen sollte
das Acrylamid in dem reibungsreduzierenden Copolymer in einer Menge
in dem Bereich von ungefähr 60
Gew.-% bis ungefähr
90 Gew.-% des Copolymers vorhanden sein, und die Acrylsäure sollte
in dem reibungsreduzierenden Copolymer in einer Menge in dem Bereich
von ungefähr
10 Gew.-% bis ungefähr
20 Gew.-% des Copolymers vorhanden sein. In bestimmten Ausführungsformen
kann das Acrylamid in einer Menge in dem Bereich von ungefähr 80 Gew.-%
bis unge fähr
90 Gew.-% des Copolymers vorhanden sein. In bestimmten Ausführungsformen
kann die Acrylsäure
in einer Menge in dem Bereich von ungefähr 12 Gew.-% bis ungefähr 17,5
Gew.-% des Copolymers vorhanden sein. In einer Ausführungsform
kann das Acrylamid in einer Menge von ungefähr 85 Gew.-% des Copolymers
vorhanden sein, und die Acrylsäure
kann in einer Menge von ungefähr
15 Gew.-% des Copolymers vorhanden sein.
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Eventuell
können
die reibungsreduzierenden Copolymere der vorliegenden Erfindung
andere Monomeren zusätzlich
zu Acrylamid und Acrylsäure
umfassen. Zum Beispiel können
in einigen Ausführungsformen die
reibungsreduzierenden Copolymere 2-Acrylamido-2-methylpropansulfonsäure, N,N-Dimethylacrylamid, Vinylsulfonsäure, N-Vinylacetamid,
N-Vinylformamid und Mischungen dieser umfassen.
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In
bestimmten Ausführungsformen
kann 2-Acrylamido-2-methylpropansulfonsäure in den reibungsreduzierenden
Copolymeren der vorliegenden Erfindung in einer Menge in dem Bereich
von ungefähr
0,01 Gew.-% bis ungefähr
30 Gew.-% des Copolymers vorhanden sein. Ein Beispiel eines geeigneten
reibungsreduzierenden Copolymers kann Acrylamid in einer Menge in
dem Bereich von ungefähr
70 Gew.-% bis ungefähr 85
Gew.-% des Copolymers, Acrylsäure
in einer Menge in dem Bereich von ungefähr 10 Gew.-% bis ungefähr 12,5
Gew.-% des Copolymers und 2-Acrylamido-2-methylpropansulfonsäure in einer
Menge in dem Bereich von ungefähr
2,5 Gew.-% bis ungefähr
20 Gew.-% des Copolymers umfassen.
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In
bestimmten Ausführungsformen
kann N,N-Dimethylacrylamid in den reibungsreduzierenden Copolymeren
der vorliegenden Erfindung in einer Menge in dem Bereich von ungefähr 0,1 Gew.-%
bis ungefähr
30 Gew.-% des Copolymers vorhanden sein. Ein Beispiel eines geeigneten
reibungsreduzierenden Copolymers kann Acrylamid in einer Menge in
dem Bereich von ungefähr
60 Gew.-% bis ungefähr
80 Gew.-% des Copolymers, Acrylsäure
in einer Menge in dem Bereich von ungefähr 10 Gew.-% bis ungefähr 12,5
Gew.-% des Copolymers, 2-Acrylamido-2-methylpropansulfonsäure in einer
Menge in dem Bereich von ungefähr
7,5 Gew.-% bis ungefähr
20 Gew.-% des Copolymers und N,N-Dimethylacrylamid in einer Menge
in dem Bereich von ungefähr
2,5 Gew.-% bis ungefähr
10 Gew.-% des Copolymers umfassen.
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In
einigen Ausführungsformen
kann Vinylsulfonsäure
in den reibungsreduzierenden Copolymeren der vorliegenden Erfindung
in einer Menge in dem Bereich von ungefähr 0,1 Gew.-% bis ungefähr 30 Gew.-%
des Copolymers vorhanden sein. Ein Beispiel eines geeigneten reibungsreduzierenden
Copolymers kann Acrylamid in einer Menge in dem Bereich von ungefähr 60 bis
ungefähr
85 Gew.-% des Copolymers, Acrylsäure
in einer Menge in dem Bereich von ungefähr 10 Gew.-% bis ungefähr 20 Gew.-%
des Copolymers, 2-Acrylamido-2-methylpropansulfonsäure in einer
Menge in dem Bereich von ungefähr
0,1 Gew.-% bis ungefähr
25 Gew.-% des Copolymers und Vinylsulfonsäure in einer Menge in dem Bereich
von ungefähr
0,1 Gew.-% bis ungefähr
5 Gew.-% des Copolymers umfassen.
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In
einigen Ausführungsformen
kann N-Vinylacetamid in den reibungsreduzierenden Copolymeren der vorliegenden
Erfindung in einer Menge in dem Bereich von ungefähr 0,1 Gew.-%
bis ungefähr
30 Gew.-% des Copolymers vorhanden sein. Ein Beispiel eines geeigneten
reibungsreduzierenden Copolymers kann Acrylamid in einer Menge in
dem Bereich von ungefähr
60 Gew.-% bis ungefähr
85 Gew.-% des Copolymers, Acrylsäure
in einer Menge in dem Bereich von ungefähr 10 Gew.-% bis ungefähr 20 Gew.-%
des Copolymers, 2-Acrylamido-2-methylpropansulfonsäure in einer
Menge in dem Bereich von ungefähr
0,1 Gew.-% bis ungefähr
25 Gew.-% des Copolymers und N-Vinylacetamid in einer Menge in dem
Bereich von ungefähr
0,1 Gew.-% bis ungefähr
5 Gew.-% des Copolymers umfassen.
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In
einigen Ausführungsformen
kann N-Vinylformamid in den reibungsreduzierenden Copolymeren der vorliegenden
Erfindung in einer Menge in dem Bereich von ungefähr 0,1 Gew.-%
bis ungefähr
30 Gew.-% des Copolymers vorhanden sein. Ein Beispiel eines geeigneten
reibungsreduzierenden Copolymers kann Acrylamid in einer Menge in
dem Bereich von ungefähr
60 Gew.-% bis ungefähr
85 Gew.-% des Copolymers, Acrylsäure
in einer Menge in dem Bereich von ungefähr 10 Gew.-% bis ungefähr 20 Gew.-%
des Copolymers, 2-Acrylamido-2-methylpropansulfonsäure in einer
Menge in dem Bereich von ungefähr
0,1 Gew.-% bis ungefähr
25 Gew.-% des Copolymers, und N-Vinylformamid in einer Menge in
dem Bereich von ungefähr
0,1 Gew.-% bis ungefähr
5 Gew.-% des Copolymers umfassen.
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Die
reibungsreduzierenden Copolymeren der vorliegenden Erfindung sollten
ein Molekulargewicht aufweisen, welches ausreichend ist, um das
gewünschte
Maß der
Verringerung der Reibung bereitzustellen. Im Allgemeinen können reibungsreduzierende
Copolymere mit höheren
Molekulargewichten benötigt
werden, um ein gewünschtes
Maß an
Verringerung der Reibung bereitzustellen. Zum Beispiel kann in einigen
Ausführungsformen
das gewichtsgemittelte Molekulargewicht der reibungsreduzierenden
Copolymeren in dem Bereich von ungefähr 7500000 bis ungefähr 20000000
liegen, bestimmt unter Verwendung der intrinsischen Viskositäten. Fachleute
auf dem Gebiet werden erkennen, dass reibungsreduzierende Copolymere
mit Molekulargewichten, welche außerhalb des genannten Bereichs
liegen, immer noch zu einem bestimmten Maß eine Verringerung der Reibung
in wässrigen
Behandlungsfluids bereitstellen können.
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Geeignete
reibungsreduzierende Copolymere der vorliegenden Erfindung können in
Säureform
oder in einer Salzform vorliegen. Eine Vielfalt von Salzen kann
hergestellt werden, durch Neutralisieren der Säureform des Acrylsäuremonomers
und/oder des 2-Acrylamido-2-methylpropansulfonsäuremonomers
mit einer Base, wie Natriumhydroxid, Ammoniumhydroxid oder dergleichen.
Wie hier verwendet, soll der Ausdruck "Copolymer" sowohl die Säureform des reibungsreduzierenden
Copolymers als auch dessen verschiedene Salze enthalten.
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Die
reibungsreduzierenden Copolymere, welche zur Verwendung in der vorliegenden
Erfindung geeignet sind, können
gemäß eines
einer Vielzahl von Polymerisationsverfahren hergestellt werden.
In einer Ausführungsform
kann ein geeignetes reibungsreduzierendes Copolymer unter Verwendung
von Emulsionspolymerisation hergestellt werden. Fachleute auf dem
Gebiet werden unter Beihilfe dieser Offenbarung ein geeignetes Polymerisationsverfahren
erkennen, um ein geeignetes reibungsreduzierendes Copolymer zu synthetisieren.
Die vorliegende Erfindung liegt nicht in dem Polymerisationsverfahren,
welches verwendet wird, um die reibungsreduzierenden Copolymeren
der vorliegenden Erfindung zu synthetisieren, solange es zu dem
gewünschten
reibungsreduzierenden Copolymer führt.
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Nach
der Polymerisation können
die reibungsreduzierenden Copolymeren der vorliegenden Erfindung in
jeder geeigneten Form bereitgestellt werden, einschließlich einer
festen Form, suspendiert in einer Öl-externen Copolymeremulsion,
oder als ein Bestandteil einer wässrigen
Lösung.
Suspension der reibungsreduzierenden Copolymere in einer Öl-externen
Copolymeremulsion wird nachfolgend im größeren Detail beschrieben.
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Zusätzliche
Zusatzstoffe können
in den wässrigen
Behandlungsfluids der vorliegenden Erfindung enthalten sein, sofern
sie von einem Fachmann auf dem Gebiet als geeignet erachtet werden,
unter Beihilfe dieser Offenbarung. Beispiele solcher Zusatzstoffe
umfassen, sind jedoch nicht begrenzt auf, Korrosionshemmer, teilchenförmige Stützmaterialien,
Säuren,
Zusatzmittel zur Steuerung des Fluidverlusts und oberflächenaktive Mittel.
Zum Beispiel kann eine Säure
in den wässrigen
Behandlungsfluids enthalten sein, unter anderen Dingen, für eine Matrix
oder Aufbrechsäuerungsbehandlung.
Bei Frakturierungs- bzw Brechausführungsformen können teilchenförmige Stützmaterialien
in den wässrigen
Behandlungsfluids enthalten sein, um zu verhindern, dass sich der
Bruch schließt,
wenn der hydraulische Druck zurückgenommen
wird.
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II. Öl-externe
Copolymeremulsionen
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In
Ausführungsformen,
in denen ein bestimmter reibungsreduzierender Copolymer der vorliegenden Erfindung
in einer Öl-externen
Copolymeremulsion suspendiert ist, kann die Öl- externe Copolymeremulsion Wasser umfassen,
eine mit Wasser unvermischbare Flüssigkeit, einen Emulgator,
und ein reibungsreduzierendes Copolymer der vorliegenden Erfindung.
Geeignete Öl-externe
Copolymeremulsionen können
des Weiteren Inhibitoren, Salze und Inverter umfassen.
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Das
in den Öl-externen
Copolymeremulsionen vorhandene Wasser umfasst im Allgemeinen Frischwasser,
Salzwasser oder Kombinationen mit Salzwasser können jedoch auch verwendet
werden. Im Allgemeinen kann das verwendete Wasser aus jeder Quelle
stammen, vorausgesetzt, dass es keinen Überschuss an Verbindungen enthält, die
andere Bestandteile der Öl-externen
Copolymeremulsion negativ beeinflussen können. In einigen Ausführungsformen
kann das Wasser in der Öl-externen
Copolymeremulsion in einer Menge im Bereich von ungefähr 35 Gew.-%
bis ungefähr
50 Gew.-% der Emulsion vorhanden sein.
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Geeignete
mit Wasser unvermischbare Flüssigkeiten
können
mit Wasser unvermischbare Lösungsmittel,
wie Paraffinkohlenwasserstoffe, Naphthenkohlenwasserstoffe, aromatische
Kohlenwasserstoffe und deren Mischungen umfassen, sind jedoch nicht
darauf begrenzt. Die Paraffinkohlenwasserstoffe können gesättigte,
lineare oder verzweigte Paraffinkohlenwasserstoffe sein. Beispiele
geeigneter aromatischer Kohlenwasserstoffe umfassen, sind jedoch
nicht begrenzt auf, Toluol und Xylol. Ein Beispiel eines geeigneten
mit Wasser unvermischbaren Lösungsmittels,
umfassend Paraffinkohlenwasserstoff und Naphthenkohlenwasserstoff,
ist "LPA®-210", erhältlich von
Sasol North America, Inc., Houston, Texas. Die mit Wasser unvermischbare Flüssigkeit
kann in der Öl-externen
Copolymeremulsion in einer Menge vorhanden sein, welche ausreichend ist,
um eine stabile Emulsion zu bilden. In einigen Ausführungsformen
kann die mit Wasser unvermischbare Flüssigkeit in der Öl-externen Copolymeremulsionen
in einer Menge in dem Bereich von ungefähr 20 Gew.-% bis ungefähr 30 Gew.-%
vorhanden sein.
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Emulgatoren
sollten in der Öl-externen
Copolymeremulsion neben anderen Dingen vorhanden sein, um die Grenzflächenspannung
zwischen dem Wasser und der mit Wasser unvermischbaren Flüssigkeit
zu verringern, um so die Bildung einer Öl-externen Copolymeremulsion
zu vereinfachen. Beispiele geeigneter Emulgatoren umfassen, sind
jedoch nicht begrenzt auf, ethoxylierte nichtionische oberflächenaktive
Mittel, Guerbet-Alkoholethoxylat und Mischungen dieser. Ein Beispiel
eines geeigneten Emulgators umfasst ein Tallölfettsäure-Diethanolamin, wie "AMADOL®511", erhältlich von
Akzo Nobel Surface Chemistry, Chicago, Illinois. Ein anderes Beispiel
eines geeigneten Emulgators umfasst ein Polyoxyethylen(5)sorbitanmonooleat,
wie "TWEEN®81", erhältlich von
Uniqema, New Castle, Delaware. Ein anderes Beispiel eines geeigneten
Emulgators umfasst ein Sorbitatmonooleat, wie "ALKAMULS® SMO", erhältlich von
Rhone Poulenc, Inc., Paris, Frankreich. Der Emul gator sollte in
einer Menge vorhanden sein, welche ausreichend ist, um die gewünschte stabile Öl-externe
Copolymeremulsion bereitzustellen. In einigen Ausführungsformen
kann der Emulgator in einer Menge in dem Bereich von ungefähr 0,5 Gew.-%
bis ungefähr
2,5 Gew.-% der Emulsion vorhanden sein.
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Die
reibungsreduzierenden Copolymere der vorliegenden Erfindung, die
in den Öl-externen
Copolymeremulsionen vorhanden sein können, sind oben beschrieben.
Das reibungsreduzierende Copolymer sollte in der Öl-externen
Copolymeremulsion in einer Menge vorhanden sein, welche die Stabilität der Emulsion
nicht unerwünschterweise
beeinflusst. In einigen Ausführungsformen
kann das reibungsreduzierende Copolymer in einer Menge in dem Bereich
von ungefähr
30 Gew.-% bis ungefähr
35 Gew.-% der Emulsion vorhanden sein.
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In
einigen Ausführungsformen
können
die Öl-externen
Copolymeremulsionen des Weiteren ein Salz umfassen. Unter anderen
Dingen kann das Salz, unter anderen Dingen, vorhanden sein, um der
Emulsion Stabilität
zu verleihen und/oder die Viskosität der Emulsion zu reduzieren.
Beispiele geeigneter Salze umfassen, sind jedoch nicht begrenzt
auf, Ammoniumchlorid, Kaliumchlorid, Natriumchlorid, Ammoniumsulfat
und deren Mischungen. In einigen Ausführungsformen kann das Salz
in den Öl-externen
Copolymeremulsionen in einer Menge in dem Bereich von ungefähr 0,5 Gew.-%
bis ungefähr
2,5 Gew.-% der Emulsionen vorhanden sein.
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In
einigen Ausführungsformen
können
die Öl-externen
Copolymeremulsionen des Weiteren einen Inhibitor umfassen. Unter
anderen Dingen kann der Inhibitor enthalten sein, um eine vorzeitige
Polymerisation der Monomere vor dem Beginn der Emulsionspolymerisationsreaktion
zu verhindern. Fachleute auf dem Gebiet werden erkennen, unter Beihilfe
dieser Offenbarung, dass das Copolymer unter Verwendung eines Emulsionpolymerisationsverfahrens
synthetisiert sein kann, wobei der Hemmstoff dazu dient, die vorzeitige
Polymerisation zu verhindern. Beispiele geeigneter Inhibitor umfassen,
sind jedoch nicht begrenzt auf, Chinone. Ein Beispiel eines geeigneten
Hemmstoffes umfasst ein 4-Methoxyphenol (MEHQ). Der Inhibitor sollte
in einer ausreichenden Menge vorhanden sein, um die gewünschte Verhinderung
der vorzeitigen Polymerisation bereitzustellen. In einigen Ausführungsformen
kann der Inhibitor in einer Menge in dem Bereich von ungefähr 0,001
Gew.-% bis ungefähr
0,1 Gew.-% der Emulsion vorhanden sein.
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In
anderen Ausführungsformen
können
die Öl-externen
Copolymeremulsionen einen Inverter umfassen. Unter anderen Dingen
kann der Inverter die Umwandlung der Emulsion bei Zugabe zu den
wässrigen
Behandlungsfluids der vorliegenden Erfindung vereinfachen. Wie Fachleute
auf dem Gebiet unter Beihilfe dieser Offenbarung erkennen werden,
sollte sich die Emulsion bei Zugabe zu dem wässrigen Behandlungsfluid, umwandeln,
und das Copolymer in das wässrige
Behandlungsfluid freigeben. Beispiele geeigneter Inverter umfassen,
sind jedoch nicht begrenzt auf, ethoxylierte Alkohole, nichtionische
oberflächenaktive
Mittel mit einem HLB von 12 bis 14, und deren Mischungen. Ein Beispiel
eines geeigneten Umwandlers umfasst einen ethoxylierten C12-C16-Alkohol, wie "SURFONIC®L24-7", erhältlich von
Huntsman Performance Products, The Woodlands, Texas. Der Inverter
sollte in einer ausreichenden Menge vorhanden sein, um die gewünschte Umwandlung
der Emulsion bei Kontakt mit dem Wasser in dem wässrigen Behandlungsfluid bereitstellen.
In einigen Ausführungsformen
kann der Inbibitor in einer Menge in dem Bereich von ungefähr 1 Gew.-%
bis ungefähr
5 Gew.-% der Emulsion vorhanden sein.
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In
einer Ausführungsform
kann eine geeignete Öl-externe
Copolymeremulsion umfassen: ein mit Wasser unmischbares organisches
Lösungsmittel
in einer Menge von ungefähr
21,1732 Gew.-%, welches Paraffinkohlenwasserstoffe und Naphthenkohlenwasserstoffe
umfasst; ein Tallölfettsäure-Diethanolamin
in einer Menge von ungefähr
1,1209 Gew.-%; ein Polyoxyethylen(5)sorbitanmonooleat in einer Menge
von ungefähr 0,0722
Gew.-%; ein Sorbitanmonooleat in einer Menge von ungefähr 0,3014
Gew.-%; ein reibungsreduzierendes Copolymer in einer Menge von ungefähr 31,1392
Gew.-%, welches Acrylamid in einer Menge von ungefähr 85 Gew.-%
des Copolymers und Acrylsäure
in einer Menge von ungefähr
15 Gew.-% des Copolymers umfasst; 4-Methoxyphenol in einer Menge
von ungefähr
0,0303 Gew.-%; Ammoniumchlorid in einer Menge von ungefähr 1,6191
Gew.-%; einen ethoxylierten C12-C16-Alkohol in einer Menge von ungefähr 1,37
Gew.-%; und Wasser in einer Menge von ungefähr 43,1737 Gew.-%.
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In
einigen Ausführungsformen
kann die Emulsionspolymerisation verwendet werden, um eine geeignete Öl-externe
Copolymeremulsion herzustellen, welche ein reibungsreduzierendes
Copolymer der vorliegenden Erfindung umfasst. Geeignete Emulsionspolymerisationsverfahren
können
eine Vielzahl von unterschiedlichen Einleitungstemperaturen aufweisen,
abhängig
von, unter anderen Dingen, der Menge und der Art des verwendeten
Aktivierers, der Menge und der Art der verwendeten Monomere, der
Menge und der Art des verwendeten Inhibitors, und einer Anzahl anderer
Faktoren, die Fachleuten auf dem Gebiet bekannt sind. In einer Ausführungsform
kann ein geeignetes Emulsionspolymerisationsverfahren eine Aktivierungstemperatur von
ungefähr
25°C aufweisen.
Aufgrund der exothermen Beschaffenheit der Polymerisationsreaktion
kann die Mischung während
des Fortschreitens der Polymerisationsreaktion auf einer höheren Temperatur
als die Einleitungstemperatur gehalten werden, z.B. in dem Bereich
von ungefähr
37°C bis
ungefähr
45°C.
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Eine
Vielzahl von unterschiedlichen Mischungen können verwendet werden, um eine Öl-externe Copolymeremulsion
herzustellen, welche ein reibungsreduzierendes Copolymer der vorliegenden
Erfindung umfasst. Geeignete Mischungen können Acrylamid, Acrylsäure, Wasser,
eine mit Wasser unvermischbare Flüssigkeit, einen Initiator und
einen Emulgator umfassen. Gegebenenfalls kann die Mischung des Weiteren
einen Inhibitor umfassen, eine Base (z.B. Natriumhydroxid) um die
Acrylsäure,
welche die Salzformer des reibungsreduzierenden Copolymers bildet,
zu neutralisieren, ein Komplexbildner, um die stufenweise Abgabe
von Monomere in die Polymerisationsreaktion zu ermöglichen,
einen Aktivator, um die Polymerisation bei einer niedrigeren Temperatur
zu beginnen, und einen Inverter. Fachleute auf dem Gebiet werden
unter Beihilfe dieser Offenbarung die Menge und die Art der Bestandteile
kennen, welche in der Mischung enthalten sein können, basierend auf einer Vielzahl
von Faktoren, einschließlich
des gewünschten
Molekulargewichts und der Zusammensetzung des reibungsreduzierenden
Copolymers und der gewünschten
Aktivierungstemperatur. Ein Beispiel einer Mischung, die verwendet
werden kann, um eine geeignete Öl-externe
Copolymeremulsion zu bilden, ist in der nachfolgenden Tabelle 1
dargestellt. Tabelle 1
Bestandteil | Konzentration
(Gew.-%) |
Paraffinisches/napthenisches
organisches Lösungsmittel | 21,1732 |
Tallölfettsäure-Diethanolamin | 1,1209 |
Polyoxyethylen(5)sorbitanmonooleat | 0,0722 |
Sorbitanmonooleat | 0,3014 |
Acrylamid | 22,2248 |
4-Methoxyphenol | 0,0303 |
Ammoniumchlorid | 1,6191 |
Acrylsäure | 4,3343 |
Ethylendiamintetraessigsäure | 0,0237 |
t-Butylhydroperoxid | 0,0023 |
Natriummetabisulfit | 0,2936 |
2,2'-Azobis(2-amidinopropan)dihydrochlorid | 0,0311 |
Ethoxilierter
C12-C16-Alkohol | 1,3700 |
Wasser | 43,1737 |
Insgesamt | 100,00 |
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III. Verfahren der vorliegenden Erfindung
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Die
wässrigen
Behandlungsfluids der vorliegenden Erfindung können in jeder unterirdischen
Behandlung verwendet werden, bei welcher die Verringerung der Reibung
erwünscht
ist. Solche unterirdischen Behandlungen umfassen, sind jedoch nicht
begrenzt auf, Bohrtätigkeiten,
Stimulierungstätigkeiten
(z.B. Frakturierungsbehandlungen, Säuerungsbehandlungen, Aufbrechsäuerungsbehandlungen),
und Komplettierungstätigkeiten.
Fachleute auf dem Gebiet werden unter Beihilfe dieser Offenbarung
in der Lage sein, eine geeignete unterirdische Behandlung zu erkennen,
bei welcher eine Verringerung der Reibung erwünscht sein kann.
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In
einigen Ausführungsformen
stellt die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur Behandlung eines Teils
einer unterirdischen Formation zur Verfügung, umfassend: das Bereitstellen
eines wässrigen
Behandlungsfluids der vorliegenden Erfindung, umfassend Wasser und
ein reibungsreduzierendes Copolymer der vorliegenden Erfindung,
das Acrylamid in einer Menge in dem Bereich von ungefähr 60 Gew.-%
bis ungefähr
90 Gew.-% und Acrylsäure
in einer Menge in dem Bereich von ungefähr 10 Gew.-% bis ungefähr 20 Gew.-%
umfasst; und Einführen
des wässrigen
Behandlungsfluids in den Bereich der unterirdischen Formation. In
einigen Ausführungsformen
kann das wässrige
Behandlungsfluid in den Bereich der unterirdischen Formation mit
einer Rate bzw. Geschwindigkeit und einem Druck eingeführt werden,
welche ausreichend sind, um ein oder mehrere Brüche bzw. Risse in dem Bereich
der unterirdischen Formation zu erzeugen oder weiterzuentwickeln.
Der Bereich der unterirdischen Formation, in welchen das wässrige Behandlungsfluid
eingeführt
wird, variiert abhängig
von der bestimmten unterirdischen Behandlung. Zum Beispiel kann
der Bereich der unterirdischen Formation ein Bereich eines Bohrlochs
sein, z.B. bei einem Reinigungsverfahren des Bohrlochs. Bei Stimulationsausführungsformen
kann der Bereich der Bereich der unterirdischen Formation sein,
welcher stimuliert werden soll.
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Die
Verfahren der vorliegenden Erfindung können des Weiteren das Herstellen
des wässrigen
Behandlungsfluids umfassen. Das Herstellen des wässrigen Behandlungsfluids kann
das Bereitstellen des reibungsreduzierenden Copolymers umfassen
und das Verbinden bzw. Kombinieren des reibungsreduzierenden Copolymers
mit dem Wasser, um das wässrige
Behandlungsfluid zu bilden. Das reibungsreduzierende Copolymer kann
in einer festen Form, suspendiert in einer Öl-externen Copolymeremulsion
oder als ein Bestandteil einer wässrigen
Lösung
bereitgestellt werden. Zum Beispiel kann in bestimmten Ausführungsformen
das Bereitstellen des reibungsreduzierenden Copolymers das Bereitstellen
einer Öl-externen Copolymeremulsion umfassen,
die zusätzlich
Wasser, eine mit Wasser unver mischbare Flüssigkeit, einen Emulgator und
den reibungsreduzierenden Copolymer umfasst.
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Um
ein besseres Verständnis
der vorliegenden Erfindung zu erleichtern, werden die folgenden
Beispiele bestimmter Gegenstände
einiger Ausführungsformen
angeführt.
Auf keinen Fall sollten die folgenden Beispiele begrenzend gelesen
werden, oder den Umfang der Erfindung definieren.
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Beispiele
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Reibungsverringerungsuntersuchungen
wurden unter Verwendung der reibungsreduzierenden Copolymere durchgeführt, welche
verschiedene Konzentrationen an Acrylamid und Acrylsäure umfassten.
Die reibungsreduzierenden Copolymere, welche überprüft wurden, wiesen Acrylamid/Acrylsäure-Konzentrationen von
70/30, 85/15, 87,5/12,5 und 90/10 auf, wie in der nachfolgenden
Tabelle 3 dargestellt. Für
diese Reihe der Untersuchungen wurden die reibungsreduzierenden
Copolymere in Öl-externen
Copolymeremulsionen bereitgestellt. Die exakte Konzentration der
Bestandteile in den Öl-externen
Copolymeremulsionen, die in diesem Beispiel verwendet wurden, variierten,
abhängig
unter anderen Dingen, von dem verwendeten reibungsreduzierenden
Copolymer. Die Zusammensetzung der Öl-externen Copolymeremulsion, die ein
reibungsreduzierendes Copolymer mit einem Acrylamid-zu-Acrylsäure-Gewichtsverhältnis von
85/15 umfasste, ist in der nachfolgenden Tabelle 2 dargestellt. Tabelle 2
Bestandteil | (Gew.-%) |
Paraffinisches/naphthenisches
organisches Lösungsmittel | 21,1732 |
Tallölfettsäure-Diethanolamin | 1,1209 |
Polyoxyethylen(5)sorbitanmonooleat | 0,0722 |
Sorbitanmonooleat | 0,3014 |
Copolymer,
umfassend Acrylamid und Acrylsäurenatriumsalz | 31,1392 |
4-Methoxyphenol | 0,0303 |
Ammoniumchlorid | 1,6191 |
Ethylierter
C12-C16-Alkohol | 1,3700 |
Wasser | 43,1737 |
Insgesamt | 100,00 |
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Die
Reibungsverringerungsuntersuchungen wurden gemäß des nachfolgend angeführten Verfahrens durchgeführt. Für jedes
reibungsreduzierendes Copolymer wurde ein Teil der Öl-externen
Copolymeremulsion zu Frischwasser in einer Menge von ungefähr 0,5 Gallonen
je 1000 Gallonen zugegeben und bezüglich der Verringerung des
Reibungsdruckes unter Verwendung eines Reibungsverringerungsmessers
("FR-Meter") untersucht. Der
FR-Meter war eine
Vorrichtung mit einer geschlossenen Kreisleitung, aufgebaut, um
den Druckverlust über
einen Abschnitt von 5-Fuß eines
kommerziellen Stahlrohres mit 12-Fuß zu messen. Das kommerzielle
Stahlrohr wies einen Innendurchmesser von 0,632 Inch mit einer Wandrauhigkeit
von 0,00011 Fuß auf. Der
FR-Meter bestand aus einem Lagungs/Mischbehälter, verbunden mit einer progressiven
Hohlraumpumpe mit fester Geschwindigkeit, welche das Testfluid durch
ein magnetisches Durchflussmessgerät pumpte, anschließend durch
die Testrohre und eine Rückkehrleitung
zu dem Lagerungs/Mischbehälter.
Für jeden
Test wurden ungefähr
10 Liter Frischwasser zu dem Lagerungs/Mischbehälter zugegeben. Anschließend wurde
die Pumpe betrieben, um das Frischwasser für einen ausreichenden Zeitraum
zu zirkulieren, um alle Rohre mit Wasser anzufüllen. Sobald die Rohre mit
Wasser angefüllt
waren, wurde die Pumpe gestoppt. Das Datenerfassungssystem maß die Durchflussgeschwindigkeit,
Behältertemperatur
und den Druckverlust über
den Abschnitt von 5-Fuß des
Rohres. Nach ungefähr
1 Minute der Untersuchung wurde die gewünschte Menge der Öl-externen
Copolymeremulsion, die ein reibungsreduzierendes Copolymer umfasste,
zu dem Lagerungs/Mischbehälter
zugegeben. Jede Untersuchung wurde für insgesamt ungefähr 30 Minuten
betrieben, wobei die Durchflussgeschwindigkeit, die Behältertemperatur,
der Druckverlust über
den Abschnitt von 5-Fuß des Rohres
in 1-Sekunden-Intervallen aufgezeichnet wurden. Die Pumpgeschwindigkeit
betrug ungefähr
30 Liter je Minute, oder 3-Systemvolumen je Minute. Für das kommerzielle
Stahlrohr war die Strömung
vollständig
turbulent bei einer Reynoldszahl von ungefähr 50000.
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Die
erste Minute der Werte, die vor der Zugabe der Öl-externen Copolymeremulsion
gesammelt wurden, wurde verwendet, um die Instrumentenanzeige zu
bestätigen
und um eine Basislinie der Werte mit einem bekannten Fluid bereitzustellen.
Der Druckverlust über
den Abschnitt von 5-Fuß des
Rohres für
Frischwasser wurde aus der Flussgeschwindigkeit und den Rohrabmessungen
gemäß der folgenden
Formel berechnet:
wobei ΔP
Wasser der
berechnete Druckverlust für
Wasser ist, ρ die
Dichte ist, V die Geschwindigkeit ist, L die Länge ist, g
c die
Gravitationskonstante ist, und D
h der Rohrdurchmesser
ist. Die Variabel f wurde gemäß der nachfolgenden
Formel für
turbulenten Fluss berechnet.
wobei ε die Rohrrauhigkeit ist, d der
Rohrdurchmesser ist, und N
Re die Reynoldsche
Zahl ist (
Shacham, M., Isr. Chem. Eng., 8, 7E (1976)).
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Nach
der Zugabe der Öl-externen
Copolymeremulsion zu dem Behälter
wurde der gemessene Druckverlust mit dem berechneten Druckverlust
für Wasser
verglichen, um die Prozent an Reibungsverringerung ("% FR") unter Verwendung
der folgenden Gleichung zu bestimmen:
wobei ΔP
Wasser der
berechnete Druckverlust für
Wasser und ΔP
gemessen der gemessene Druckverlust nach
der Einführung
der Öl-externen
Copolymeremulsion ist.
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Die
Ergebnisse dieser Reihe an Tests in der nachfolgenden Tabelle 3
dargestellt. Tabelle 3
| Verhältnis von
Acrylamid/Acrylsäure |
Gemessene
Parameter | 70/30 | 85/15 | 87,5/12,5 | 90/10 |
%
FR bei 4 min | 65,9 | 66,3 | 62,2 | 57,2 |
%
FR bei 9 min | 61,0 | 56,1 | 54,3 | 50,2 |
%
FR bei 14 min | 55,2 | 49,8 | 50,3 | 45,2 |
%FR
bei 19 min | 50,0 | 45,8 | 45,7 | 41,3 |
Maximale
% FR | 69,7 | 71,1 | 70,7 | 69,7 |
ΔPgemessen Summe bei 2 min | 92 | 80 | 80 | 88 |
ΔPgemessen Summe bei 5 min | 208 | 194 | 192 | 222 |
ΔPgemessen Summe bei 10 min | 424 | 435 | 428 | 509 |
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Die
maximale Reibungsverringerung und der Prozentanteil der Reibungsverringerung
bei verschiedenen Zeiten kann verwendet werden, um die relative
Leistung der verschiedenen reibungsreduzierenden Copolymere zu vergleichen.
Die Summe der gemessenen Druckverluste kann auch verwendet werden,
um die Leistung der verschiedenen reibungsreduzierenden Copolymere
miteinander zu vergleichen. Eine niedrigere Summe sollte eine bessere
Reibungsverringerung darstellen. Die Startzeit für diese Messungen war der Zeitpunkt, zu
dem die Öl-externe
Copolymeremulsion zu dem Lagerungs/Mischbehälter zugegeben wurde.
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Diese
Beispiele zeigen daher, dass ein reibungsreduzierendes Copolymer,
welches weniger als 30 % Acrylsäure
umfasst, eine Verringerung der Reibung bereitstellen kann, die vergleichbar
ist mit, oder besser als, ein reibungsreduzierendes Copolymer, welches
30 Acrylsäure
umfasst.
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Daher
ist die vorliegende Erfindung gut geeignet, um die Ziele und Vorteile
zu erzielen, die genannt wurden, wie auch solche, die diesen innewohnen.
Während
viele Änderungen
von Fachleuten auf dem Gebiet durchgeführt werden können, liegen
diese Änderungen
im Geiste der Erfindung, definiert durch die beigefügten Ansprüche. Die
Ausdrücke
in den Ansprüchen
besitzen ihre einfache, übliche
Bedeutung, es sei denn, es ist anders explizit und deutlich von
dem Patentinhaber definiert.
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Zusammenfassung
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Fluid für unterirdische Behandlung,
reibungsreduzierende Copolymere und zugehörige Verfahren
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Bereitgestellt
werden wässrige
Behandlungsfluids, welche Wasser und ein reibungsreduzierendes Copolymer
der vorliegenden Erfindung umfasst, das Acrylamid in einer Menge
in dem Bereich von ungefähr
60 Gew.-% bis ungefähr
90 Gew.-% und Acrylsäure
in einer Menge in dem Bereich von ungefähr 10 Gew.-% bis ungefähr 20 Gew.-% umfasst; und Einführen des
wässrigen
Behandlungsfluids in den Bereich der unterirdischen Formation. Verfahren
zur Behandlung von Teilen der unterirdischen Formation. Verfahren
des wässrigen Behandlungsfluids
werden auch bereitgestellt.