DE112013004475B4

DE112013004475B4 - Bohrlochwartungszusammensetzungen und Verfahren zur Wartung eines Bohrlochs

Info

Publication number: DE112013004475B4
Application number: DE112013004475.7T
Authority: DE
Inventors: B. Raghava Reddy; Jeremy Holtsclaw; James William OGLE; Jimmie Weaver; Rajesh Kumar Saini; Aaron BEUTERBAUGH; Michael Wayne Sanders
Original assignee: Halliburton Energy Services Inc
Current assignee: Halliburton Energy Services Inc
Priority date: 2012-09-13
Filing date: 2013-08-23
Publication date: 2020-02-20
Anticipated expiration: 2033-08-24
Also published as: US20140069644A1; WO2014042849A1; DE112013004475T5

Abstract

Verfahren zur Wartung eines Bohrlochs in einer subterranen Formation, umfassend:Herstellen einer Bohrlochwartungsflüssigkeit, umfassend eine „Snake-in-Cage“ (wörtlich: Schlange-im-Käfig)-Zusammensetzung, umfassend eine erste Komponente, die als „Schlange“ bezeichnet wird, und eine zweite Komponente, die als „Käfig“ bezeichnet wird, die, sobald sie zusammengefügt werden, die „Snake-in-Cage“-Zusammensetzung bilden, wobei sich der Käfig auf ein oder mehrere Materialien bezieht, die, sobald sie hergestellt werden, eine Struktur bilden, mit der die Schlange assoziiert wird; undEinführen der Bohrlochwartungsflüssigkeit in ein Bohrloch, wobei die Schlange aus dem Käfig dissoziiert und in ein oder mehrere permeable Zonen innerhalb des Bohrlochs eintritt, wobei die Schlange ein Flüssigkeitsverlustadditiv, einen relativen Permeabilitätsmodifikator, einen Viskositätsmodifikator, ein Clean-up-Additiv, ein Krustenverhinderungsadditiv oder Mischungen hiervon umfasst, und wobei der Käfig ein Polymer und einen Ton umfasst.

Description

Hintergrund
Gebiet
Diese Offenbarung betrifft Verfahren zur Wartung eines Bohrlochs. Insbesondere betrifft sie Verfahren zur Wartung eines Bohrlochs mit „Snake-in-Cage“ (wörtlich: Schlange-im-Käfig) Zusammensetzungen und die entsprechenden Bohrlochwartungszusammensetzungen.
Hintergrund
Natürliche Ressourcen, wie Gas, Öl und Wasser, die sich in einer subterranen Formation oder Zone befinden, werden in der Regel durch Bohren eines Bohrlochs bis in die subterrane Formation rückgewonnen, während eine Bohrflüssigkeit in dem Bohrloch zirkuliert. Nach Beendigung der Zirkulation der Bohrflüssigkeit wird ein Rohrstrang, beispielsweise ein Casing, in das Bohrloch eingefahren. Die Bohrflüssigkeit wird im Anschluss in der Regel durch das Innere des Rohrs nach unten und durch den Ringraum, der sich zwischen dem Äußeren des Rohrs und den Wänden des Bohrlochs befindet, nach oben umgewälzt. Als Nächstes wird typischerweise ein primäres Zementieren durchgeführt, wobei ein Zementschlamm in den Ringraum eingeführt wird und in eine harte Masse (d.h. Mantel) erstarrt, um dadurch den Bohrstrang an den Wänden des Bohrlochs zu befestigen und den Ringraum abzudichten. Anschließende sekundäre Zementationsarbeiten können auch durchgeführt werden.
Öl oder Gas, die sich in der subterranen Formation befinden, können rückgewonnen werden, indem die Flüssigkeit in das Bohrloch gelenkt wird, indem beispielsweise ein Druckgradient, der zwischen der Formation und dem Bohrloch besteht, die Schwerkraft, die Verdrängung der Flüssigkeit mit Hilfe einer Pumpe oder der Kraft einer anderen Flüssigkeit, die in das Bohrloch oder ein benachbartes Bohrloch eingespritzt wird, verwendet wird. Die Produktion der Flüssigkeit in der Formation kann durch hydraulische Rissbildung in der Formation gesteigert werden. Das heißt, eine viskose Rissbildungsflüssigkeit kann nach unten in das Bohrloch zu der Formation mit einer Geschwindigkeit und einem Druck gepumpt werden, die ausreichen, um Risse zu bilden, die sich bis in die Formation erstrecken, die zusätzliche Wege bereitstellen, durch die das Öl oder das Gas zum Bohrloch strömen kann. Leider kann letztendlich Wasser anstatt Öl oder Gas durch die Formation über die Risse darin produziert werden. Um die Produktion von mehr Öl oder Gas zu gewährleisten, kann wiederum eine Rissbildungsflüssigkeit in die Formation gepumpt werden, um darin weitere Risse zu erzeugen. Allerdings müssen die zuvor genutzten Risse zunächst geschlossen werden, um einen Verlust der Rissbildungsflüssigkeit in der Formation über diese Risse zu verhindern.
Zusätzlich zu der Rissbildungsflüssigkeit können auch andere Flüssigkeiten, die bei der Wartung eines Bohrlochs verwendet werden, an die subterrane Formation verlorengehen, während die Flüssigkeiten im Bohrloch zirkulieren oder anderweitig im Bohrloch platziert werden. Insbesondere können die Flüssigkeiten eindringen und an die subterrane Formation über leergeförderte Zonen, Zonen mit relativ geringem Druck, verlorene Zirkulationszonen mit natürlich vorkommenden Rissen, schwache Zonen mit Rissgradienten, die durch den hydrostatischen Druck der Bohrflüssigkeit überschritten werden, usw. „verlorengehen“. Solche Zonen von hoher Aufnahme der Bohrflüssigkeit werden oft als „thief zones“ (wörtlich: „Diebeszonen“) bezeichnet. Infolgedessen ist die Wartung, die durch eine solche Flüssigkeit bereitgestellt wird, schwieriger auszuführen. Beispielsweise kann eine Bohrflüssigkeit an die Formation verlorengehen, was zur Beendigung der Zirkulation der Flüssigkeit in dem Bohrloch und/oder einer zu geringen Zirkulation der Bohrflüssigkeit in dem Bohrloch führt, um ein weiteres Bohren des Bohrlochs zu ermöglichen. Solche Bedingungen können als partieller oder vollständiger Verlust der Zirkulation oder Zirkulationsverlust bezeichnet werden.
In Situationen, in denen eine Bohrlochwartungsflüssigkeit (wellbore servicing fluid, WSF) in eine Formation gepumpt wird, die eine hohe Permeabilität der Gesteinsmatrix aufweist, kann die Flüssigkeit, wie oben beschrieben, nicht vollständig verlorengehen, aber nichtsdestotrotz kann ein Teil der WSF in die Zone eindringen, wodurch eine konzentrierte Flüssigkeit im Bohrloch zurückbleibt. Dies kann auch die beabsichtigte Bohrlochwartung negativ beeinflussen. Wenn beispielsweise eine Trägerflüssigkeit als Filtrat aus einer sandbeladenen Rissbildungsflüssigkeit oder einer Filterkiesschüttungsflüssigkeit verlorengeht, kann das partikuläre Material ungleichmäßig in den Rissen oder in dem Ringraum abgelagert werden. Im Falle von Rissbildungsflüssigkeiten kann die gewünschte Risslänge beeinträchtigt werden, wenn nicht ausreichend Flüssigkeit vorhanden ist. Im Falle anderer Bohrlochwartungsvorgänge, wie z.B. Säurestimulation, kann die Flüssigkeit in Zonen mit hoher Permeabilität eindringen anstatt, wie beabsichtigt, Zonen mit geringer Permeabilität zu stimulieren. Im Falle sekundärer oder tertiärer Ölgewinnungsvorgänge kann die Flüssigkeit, die dazu bestimmt war, das in Zonen mit geringer Permeabilität enthaltene Öl aufzunehmen, solche Zonen durch Flüssigkeitsverlust an Zonen mit hoher Permeabilität umgehen.
Es gibt auch viele Situationen, in denen eine kontrollierte Freisetzung von Chemikalien je nach Bedarf während eines Bohrlochwartungsvorgangs sehr wünschenswert ist. Derzeit werden alle Komponenten einer Aufbereitung in der Regel an der Oberfläche zu der WSF hinzugefügt und alle chemischen Komponenten können uneingeschränkt miteinander wechselwirken, da sie nicht dafür ausgelegt wurden, in einer kontrollierten Weise, beispielsweise als eine Funktion der Temperatur, der Zeit oder des pH oder anderer Stimuli, an die Flüssigkeit freigesetzt zu werden. Während die Verkapselung einiger Chemikalien gelegentlich zur kontrollierten Freisetzung der Chemikalien eingesetzt wird, beispielsweise oxidative Breaker in Rissbildungsflüssigkeiten, sind solche Materialien in der Herstellung teuer und erfordern mehrfache Formulierungen und mehrere Produkte, um der Vielzahl an Bohrlochbedingungen zu genügen, wie beispielsweise große Temperaturbereiche sowie Salzgehalte und dergleichen, die in geologischen Formationen auftreten.
Es besteht demnach ein Bedarf nach Zusammensetzungen und Verfahren zur Einstellung der Permeabilität der Formation und zur kontrollierten Freisetzung von Chemikalien, um Bohrlochwartungsvorgänge zu erleichtern.
Bohrlochwartungsflüssigkeiten werden zum Beispiel in den Patentanmeldungen US 2006/ 0234 870 A1 , US 5437 331 A und US 5 604 186 A sowie der Patentschrift US 6 209 646 B1 beschrieben.
Zusammenfassung
Hierin offenbart ist ein Verfahren zur Wartung eines Bohrlochs in einer subterranen Formation, umfassend Herstellen einer Bohrlochwartungsflüssigkeit, umfassend eine Snake-in-Cage (wörtlich: Schlange-im-Käfig)-Zusammensetzung, umfassend eine erste Komponente, die als „Schlange“ bezeichnet wird, und eine zweite Komponente, die als „Käfig“ bezeichnet wird, die, sobald sie zusammengefügt werden, die „Snake-in-Cage“-Zusammensetzung bilden, wobei sich der Käfig auf ein oder mehrere Materialien bezieht, die, sobald sie hergestellt werden, eine Struktur bilden, mit der die Schlange assoziiert wird; und Einführen der Bohrlochwartungsflüssigkeit in ein Bohrloch, wobei die Schlange aus dem Käfig dissoziiert und in ein oder mehrere permeable Zonen innerhalb des Bohrlochs eindringt, wobei die Schlange ein Flüssigkeitsverlustadditiv, einen relativen Permeabilitätsmodifikator, einen Viskositätsmodifikator, ein Clean-up-Additiv, ein Krustenverhinderungsadditiv oder Mischungen hiervon umfasst, und wobei der Käfig ein Polymer und einen Ton umfasst.
Ebenso ist hierin offenbart eine Bohrlochbehandlungszusammensetzung, umfassend eine Schlange, die innerhalb eines Käfigs angeordnet ist, wobei der Käfig ein vernetztes Polymer und einen Ton umfasst, und wobei die Schlange ein Flüssigkeitsverlustadditiv, einen relativen Permeabilitätsmodifikator, einen Viskositätsmodifikator, ein Clean-up-Additiv, ein Krustenverhinderungsadditiv oder Mischungen hiervon umfasst.
Zuvor wurden die Merkmale und technischen Vorteile der vorliegenden Erfindung ziemlich breit zusammengefasst, damit die nachfolgende detaillierte Beschreibung der Erfindung besser verständlich ist. Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung werden nachfolgend beschrieben, die den Gegenstand der Ansprüche der Erfindung bilden. Es sollte für jeden Fachmann auf dem Gebiet verständlich sein, dass das Konzept und die offenbarten spezifischen Ausführungsformen ohne weiteres als eine Grundlage für eine Modifikation oder ein Design anderer Strukturen zur Durchführung derselben Zwecke der vorliegenden Erfindung genutzt werden können. Es sollte auch für einen Fachmann auf der Hand liegen, dass solche äquivalenten Konstruktionen nicht von der Idee und dem Umfang der Erfindung der beigefügten Ansprüche abweichen.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Für ein vollständigeres Verständnis der vorliegenden Offenbarung und deren Vorteile wird nun auf die folgende kurze Beschreibung in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen und der detaillierten Beschreibung Bezug genommen, wobei gleiche Bezugszeichen gleiche Teile darstellen.
Die 1a und 1b sind graphische Darstellungen der Snake-in-Cage-Netzwerke und sich gegenseitig durchdringender Polymernetzwerke.
Detaillierte Beschreibung
Es sollte von Anfang an verstanden werden, dass, obwohl eine beispielhafte Umsetzung ein oder mehrerer Ausführungsformen nachfolgend bereitgestellt wird, die offenbarten Systeme und/oder Verfahren mit Hilfe einer beliebigen Anzahl von Techniken, ob derzeit bekannt oder bestehend, implementiert werden können. Die Offenbarung sollte in keiner Weise auf die folgenden, beispielhaften Umsetzungen, Zeichnungen und Techniken, einschließlich der beispielhaften Designs und Umsetzungen, die hierin dargestellt und beschrieben werden, beschränkt werden, sondern kann innerhalb des Umfangs der beigefügten Ansprüche nebst Äquivalenten modifiziert werden.
Hierin offenbart sind Bohrlochwartungszusammensetzungen, umfassend ein Material, das als ein Transporter wirksam ist, und ein Material, das als eine Fracht wirksam ist. Die Transporter- und/oder Frachtmaterialien können ein oder mehrere Verbindungen, Zusammensetzungen oder Mischungen hiervon umfassen. In einer Ausführungsform umfasst der Transporter ein Material, das zum Einhüllen, Einbetten, Einschließen, Umgeben, Umfassen, Umhüllen oder anderweitigem Aufbewahren der Fracht imstande ist, so dass der Transporter und die Fracht im Bohrloch als ein einziges Material transportiert werden. Eine Fracht ist ein Material, das aufgenommen wird oder anderweitig durch das Transporter-Material transportiert wird. In einer Ausführungsform ist der Transporter ein geliertes oder gelartiges Material und die Fracht kann im ganzen Material verteilt sein, innerhalb eines Materialteils enthalten sein, zumindest teilweise mit dem Transporter-Material auf molekularer Ebene verstrickt oder verflochten sein oder anderweitig molekular mit dem Transportermaterial assoziiert sein, so dass die Fracht und der Transporter im Bohrloch etwa gleichzeitig transportiert werden. Ferner versteht es sich, dass der Transporter die Fracht, soweit erforderlich, abgrenzt, um den etwa gleichzeitigen Transport beider Materialien in das Bohrloch zu erleichtern, und ferner, dass innerhalb des Bohrlochs der Transporter und die Fracht molekular unmittelbar nebeneinander vorliegen. In einer Ausführungsform schließt der Transporter die Fracht ein. Beispielsweise kann in der vorliegenden Offenbarung die Fracht innerhalb des Transporters so angeordnet sein, dass die gesamte Fracht zumindest teilweise molekular innerhalb des Transporters verteilt vorliegt. Alternativ ist zumindest ein Teil der Fracht innerhalb ein oder mehrerer Innenräume des Transporters angeordnet. Alternativ ersetzt die Fracht einen Teil des Materials, das in der Regel innerhalb des Transporters gefunden wird. In einer Ausführungsform ist die Fracht über den Transporter verteilt und die Fracht sowie der Transporter bilden ein Kompositmaterial. In einigen Ausführungsformen bildet der Transporter eine diskrete Struktur, so dass sowohl die Innen- als auch die Außenabmessungen des Transporters bekannt sind. In solch einer Ausführungsform kann man sagen, dass die Fracht, wenn sie in das Bohrloch eingeführt wird, durch die Abgrenzungen beschränkt wird, die durch die Außen- oder Innenabmessungen des Transporters bestimmt werden.
In einer Ausführungsform kann die Fracht anhand der relativen Mobilität jedes Materials vom Transporter unterschieden werden. Beispielsweise kann der Transporter im Vergleich zur Fracht als stationär angesehen werden. In einer Ausführungsform, wenn der Transporter und die assoziierte Fracht in das Bohrloch eingeführt werden, kann dann zumindest ein Teil des Transporters an ein oder mehrere Oberflächen der Formation, mit der er in Berührung kommt, anhaften, adsorbieren oder anderweitig reversibel angebracht werden. In einer Ausführungsform werden Teile des Transporters (gegebenenfalls mit weiter damit assoziierter Fracht) von der WSF entfernt oder über Kontaktieren mit einer oder mehreren Oberflächen, wie beispielsweise durch Absorption an Bohrloch- und/oder Formationsoberflächen oder durch Filtration eines Teils der Behandlungsflüssigkeit (oft als „spurt loss“ bezeichnet) getrennt, wodurch sich eine Beschichtung oder ein Kuchen bildet. Dementsprechend kann der Transporter (während er immer noch eine darin angeordnete Fracht aufweist) im Bohrloch und/oder der Formation stationär werden. In einer Ausführungsform kann die Abscheidung des Transporters (gegebenenfalls mit der weiter damit assoziierten Fracht) den Flüssigkeitsverlust der Behandlungsflüssigkeit in der Formation verringern. Im Gegensatz dazu kann die Fracht, die mit dem Transporter assoziiert ist, beweglich bleiben, wenn sie in das Bohrloch eingeführt und nur durch die Abgrenzung des Transporters beschränkt wird. Beispielsweise kann die Fracht aus dem stationären Transporter (beispielsweise einem Filterkuchen oder Beschichtung des Transporter-Materials) durchsickern, migrieren oder sich anderweitig bewegen. In solchen Ausführungsformen kann der Transporter, der die Fracht transportiert und zu einem gewissen Grad während des Transports und für gewisse Zeit nach dem Transport begrenzt, als ein „Käfig“ angesehen werden, der die Fracht einschließt. Ferner kann man sich die Fracht angesichts der relativen Mobilität der Fracht allgemein als eine „Schlange“ vorstellen, die uneingeschränkt innerhalb oder um die Abgrenzungen des Käfigs (d.h. des Transporters) während des Transports umherwandert. Ferner können die Umweltbedingungen beim Einführen innerhalb des Bohrlochs und/oder Bedingungen, die während der Bohrlochwartung auftreten, die Mobilität der Schlange (d.h. der Fracht) in dem Maße fördern, dass die Schlange die Abgrenzungen des Käfigs/Transporters verlassen kann.
In einer Ausführungsform beziehen sich die hierin offenbarten Zusammensetzungen und Verfahren auf Materialien (d.h. Fracht/Transporter-Komplex), die für zumindest eines Teils des Bohrlochwartungsvorgangs molekular vermischt sind. Folglich schließen die Transporter/Fracht-Komplexe dieser Offenbarung eingekapselte Materialien aus. Materialien, die eingekapselt werden durch Ablagerung von Chemikalien, die weniger permeable Membrane an den Oberflächen der aktiven, festen Chemikalien bilden, beispielsweise ein oxidativer Breaker, der bei Ölfeldarbeiten eingesetzt wird, zur Kontrolle der Freisetzung der aktiven Chemikalien in ein flüssiges Medium, sind nicht in der vorliegenden Offenbarung eingeschlossen. In einer Ausführungsform kapselt der Transporter die Fracht nicht ein. Ferner ist auch ein Verfahren zur Kontrolle der Freisetzung von Chemikalien in eine äußere Umgebung durch Pelletieren, unter Druck, einer festen, physikalischen Mischung von Chemikalien, von denen ein Feststoff das aktive Material ist, beispielsweise ein Wirkstoff, und der andere ein Feststoff ist, der nach langsamer und gradueller Auflösung in das äußere flüssige Medium den verteilten Feststoff allmählich exponiert und in das äußere Medium freisetzt, von der vorliegenden Offenbarung ausgeschlossen. Im Gegensatz zu der vorliegenden Offenbarung ist die aktive Substanz weder bei einer Verkapselung noch bei einem physikalischen Mischverfahren zur kontrollierten Freisetzung der Materialien molekular in dem Transporter-Material verteilt. Stattdessen sind die aktiven Substanz- und Transporter-Materialien in konzentrierten Mengen oder reinen Formen vermischt. Hierin wird die Offenbarung ferner Bezug auf einen Transporter und eine Fracht im Zusammenhang von „Snake-in-Cage“ (SIC)-Verbindungen oder Zusammensetzungen nehmen, jedoch mit der Maßgabe, dass solche Begriffe nicht das Gesamtkonzept von Transporter- und Frachtmaterialien, wie hierin beschrieben, beschränken. In einer Ausführungsform sind die Schlangen mobile Materialien, die bei einem Bohrlochwartungsvorgang eine gewünschte Funktion wahrnehmen können. Die Freisetzung solcher Schlangen in das Bohrloch kann über die geeignete Wahl der Käfige kontrolliert werden, wie hierin im Detail beschrieben wird. In einer Ausführungsform umfasst die SIC ein oder mehrere Materialien, die, sobald sie in ein Bohrloch innerhalb einer subterranen Formation eingeführt werden, die Permeabilität wenigstens eines Teils der Formation auf eine Art und Weise modifizieren, die Bohrlochwartungsvorgänge erleichtert. In einer Ausführungsform bildet die Bohrlochwartungsflüssigkeit (well servicing fluid, WSF) einen Filterkuchen auf der Oberfläche der Formation, wobei die SIC die Permeabilität der Formation beeinflusst. In einer anderen Ausführungsform wirkt die WSF als eine Rissbildungsflüssigkeit, wobei die SIC die Permeabilität wenigstens eines Teils der Formation erhöht, wodurch weitere Wege für eine Ressource (beispielsweise Öl oder Gas) zum Fluss in das Bohrloch bereitgestellt werden. In einigen Ausführungsformen erfüllt die SIC den Zweck kontrollierter Freisetzung aktiver, polymerer Additive in die WSF oder in die Matrixpermeabilität. SICs werden allgemein in der Veröffentlichung Industrial Eng. Chem. (1957), Band 49, Seiten 1812-1819 beschrieben, die hierin unter Bezugnahme in ihrer Gesamtheit aufgenommen wird.
Die SIC der vorliegenden Erfindung umfasst eine erste Komponente, die als „Schlange“ bezeichnet wird, und eine zweite Komponente, die als „Käfig“ bezeichnet wird, die, sobald sie zusammengefügt werden, die „Snake-in-Cage“-Zusammensetzung bilden. Hierin bezieht sich der Käfig auf ein oder mehrere Materialien, die, sobald sie hergestellt werden, eine Struktur bilden, mit der die Schlange assoziiert wird. In einigen Ausführungsformen ist die Schlange innerhalb des Käfigs angeordnet.
Der Käfig der vorliegenden Erfindung umfasst ein Material, das hergestellt werden kann, um eine Struktur zu bilden, mit der die Schlange assoziiert wird (beispielsweise darin angeordnet wird), und das thermisch stabil ist. Hierin bezieht sich „thermisch stabil“ auf einen Temperaturbereich, bei dem das Material chemischer Zersetzung widersteht. Die Temperatur kann im Bereich von etwa 16°C (60°F) bis etwa 260°C (500°F), alternativ von etwa 50°C (120°F) bis etwa 204°C (400°F), oder alternativ von etwa 82°C (180°F) bis etwa 177°C (350°F), liegen. Käfige zur Verwendung in der vorliegenden Erfindung umfassen ein Polymer und einen Ton.In einer Ausführungsform ist der Käfig ein Hydrogel. Ein Hydrogel ist definiert als ein Gel, enthaltend Wasser als Dispersionsmedium, in dem entweder ein verknüpftes oder unverknüpftes Netzwerk eines hydrophilen Polymers oder kolloidaler Partikel dispergiert sind, die Wassermoleküle binden und immobilisieren.
In einer Ausführungsform umfasst der Käfig ein organisches Polymer. Organische Polymere, die zur Verwendung als Käfige in dieser Offenbarung geeignet sind, schließen, ohne Beschränkung, wasserquellbare Polymere, wasserlösliche Polymere oder Acrylsäure-basierte Polymere und Mischungen hiervon ein.
In einer Ausführungsform umfasst der Käfig ein wasserquellbares Polymer. Nicht beschränkende Beispiele wasserquellbarer Polymere, die zur Verwendung in dieser Offenbarung geeignet sind, schließen vorvernetzte Polymere, wie z.B. Stärke, Polyacrylamid, Polymethacrylat oder Mischungen hiervon ein. In einer Ausführungsform sind solche Polymere trocken oder im Wesentlichen frei von einer flüssigen Komponente.
In einer Ausführungsform ist das wasserquellbare Polymer ein Superabsorber. Beispiele von Superabsorbern schließen Natrium(alkyl)acrylat-basierte Polymere mit dreidimensionalen, netzartigen Molekülstrukturen ein. Die Polymerketten werden durch Reaktion/Verbinden von Millionen identischer Einheiten des Acrylsäuremonomers gebildet, die im Wesentlichen mit Natriumhydroxid (Ätznatron) neutralisiert wurden. Vernetzungschemikalien binden die Ketten zusammen, um ein dreidimensionales Netzwerk zu bilden, so dass die Superabsorber Wasser oder wasserbasierende Lösungen in den Räumen des molekularen Netzwerks absorbieren und folglich ein Gel bilden können sowie die Flüssigkeit einschließen können.
Andere Beispiele wasserquellbarer Polymere, die zur Verwendung in dieser Offenbarung geeignet sind, schließen das Flüssigkeitsverlustkontrolladditiv MAXSEAL und die CRYSTALSEAL-Wartung ein, die auf Hydroxyethylcellulose bzw. Polyacrylat basieren, und im Handel bei Halliburton Energy Services erhältlich sind.
In einer Ausführungsform umfasst der Käfig ein Hydrogel, das wasserlösliche Biopolymere und Vernetzer umfasst. Beispielsweise kann der Käfig Hydrogele umfassen, umfassend Polysaccharide oder Polysaccharidderivate, wie z.B. Hydroxyethyl-, Hydroxypropyl-, Carboxymethyl-, Carboxymethylhydroxylethyl- und gepfropfte Polymere, wie z.B. 2-Acrylamido-2-methyl-propansulfonsäure-gepfropfte Polymere, Acrylnitril-gepfropfte Polymere, Acrylamid-gepfropfte Polymere, Acrylsäure-gepfropfte Polymere, Vinylphosphonsäuregepfropfte Polymere oder Vinylsulfonsäure-gepfropfte Polymere. Beispiele geeigneter Polysaccharide schließen, ohne Beschränkung, Alginsäure und dessen Salze, Pektinate, Chitosan und Guargummi ein. Anorganische Materialien, die als Vernetzer zur Bildung von Hydrogelen zur Verwendung in der vorliegenden Offenbarung geeignet sind, schließen, ohne Beschränkung, Boratsalze, Phosphorylchlorid, Hauptgruppen- oder Übergangsmetallsalze, wie z.B. Gruppe 2- und Gruppe 13-Hauptgruppenmetallsalze und Gruppe 4-, 6- und Gruppe 8-Übergangsmetallsalze oder Mischungen hiervon ein. Geeignete organische Vernetzer schließen 3-Chlorpropylenoxid (Epichlorhydrin), Genepin, Glyoxal, Glutaraldehyd und Dichlordialkylsilane ein.
In einer Ausführungsform umfasst der Käfig Hydrogele, die sich von Acrylsäure-basierten Polymeren oder Derivaten hiervon ableiten, und Vernetzer. Nicht beschränkende Beispiele von Acrylsäure-basierten Polymeren oder Derivaten hiervon, die zur Verwendung in dieser Offenbarung geeignet sind, schließen Methacrylsäure-basierte Polymere, Acrylsäure-basierte Polymere, Acrylamid-basierte Polymere oder Mischungen hiervon ein. Geeignete Vernetzer schließen Polyethylenimine, Polyvinylamine und Übergangsmetall- und Hauptgruppenmetall-basierte Salze des hierin offenbarten Typs ein.
In einer Ausführungsform umfasst der Käfig Hydrogele, die sich von Acrylsäure-basierten Monomeren ableiten, Polymerisationsinitiatoren und Vernetzer. Beispiele Acrylsäure-basierter Monomere, die zur Verwendung bei der Bildung des Hydrogels geeignet sind, schließen, ohne Beschränkung, Hydroxyethylacrylat, Acrylsäure und dessen Alkali- und Erdalkalimetallsalze, Methacrylsäure und dessen Alkali- sowie Erdalkalimetallsalze, Acrylamid und N,N-Dimethylaminoethylmethacrylat, N-Hydroxymethylacrylamid ein. Beispiele von Polymerisationsinitiatoren, die zur Verwendung bei der Bildung des Hydrogels geeignet sind, schließen, ohne Beschränkung, wasserlösliche Azoinitiatoren, Natriumpersulfat und Redoxinitiatoren ein. Vernetzer, die zur Verwendung bei der Herstellung des Hydrogels geeignet sind, schließen, ohne Beschränkung, Methylenbisacrylamid, Ethylenglykolbisacrylat und Hauptgruppen- sowie Übergangsmetallsalze des hierin offenbarten Typs ein. In einer Ausführungsform ist das Hydrogel das PERMSEAL-System, welches ein chemisches Dichtungsmittel ist und im Handel bei Halliburton Energy Services erhältlich ist.
In einer Ausführungsform stammt der Käfig, umfassend SiO₄-Struktureinheiten, aus einem Sol-Gel-Prozess. Hierin bezieht sich ein Sol-Gel-Prozess auf ein Verfahren zur Herstellung von Materialien ausgehend von einer Lösungsform (Sol), die als Vorläufer für ein integriertes Netzwerk (oder Gel) von entweder diskreten Teilchen oder Netzwerkpolymeren agiert. Ein Beispiel eines Käfigs (d.h. eines Transporters), umfassend SiO₄-Strukturen, der durch den Sol-Gel-Prozess hergestellt wurde, schließt, ohne Beschränkung, Gele ein, die durch die Polymerisation von Tetraalkoxysilanen, wie z.B. Tetramethoxy (TMOS)- oder Tetraethoxy (TEOS) -Silane, gebildet werden, die in der Gegenwart von Wasser und Katalysatoren hydrolysieren und über einen Kondensationspolymerisation polymerisieren, um Gele, enthaltend eindimensionale, zweidimensionale oder dreidimensionale Polymernetzwerke, als Festphase, gemischt mit einer flüssigen Phase, enthaltend Wasser und kolloidale Teilchen, zu bilden. Ein zweites Verfahren, das zur Bildung der Käfige, umfassend SiO₄-Struktureinheiten, durch den Sol-Gel-Prozess geeignet ist, schließt Gelieren kolloidaler Kieselsäure mit einer Salzlösung ein. Die kolloidale Kieselsäure kann Kieselsäurepartikel im Nanometerbereich aufweisen, die in einer wässrigen oder wassermischbaren Flüssigkeit (beispielsweise Alkohol) stabilisiert sind. Die Stabilisation der Kieselsäureteilchen im Nanometerbereich kann unter Verwendung jeder geeigneten Methodik, beispielsweise durch elektrostatische Abstoßungen mit hohem pH oder sterische Abstoßungen oder durch Zugabe adsorbierender Polymere, erreicht werden. Ein Beispiel eines Nanokieselsäuresols, das zur Verwendung in der vorliegenden Offenbarung geeignet ist, ist GASCON 469 Zementadditiv, welches ein flüssiges Zementadditiv darstellt, das im Handel bei Halliburton Energy Services erhältlich ist. Ein Beispiel eines Sol-Gels, das aus einer kolloidalen Kieselsäurelösung unter Verwendung von Salzlösungen erhältlich ist, ist FORMSEAL, welches im Handel bei Halliburton erhältlich ist. Ein drittes System, das zur Bildung von Käfigen, umfassend SiO₄-Struktureinheiten, geeignet ist, stellt Gelieren von Natriumsilikatlösungen durch geeignete Einstellung des pH-Werts dar. Natriumsilikatlösungen, die auch Soda-Glas-Lösungen genannt werden, sind wasserlösliche Reaktionsprodukte von Kieselsäure und Natriumoxid. Werden solche Lösungen einer pH-Änderung ausgesetzt, entweder im sauren Bereich mit einem pH im Bereich von 1-3 oder im neutralen bis leicht basischen pH-Bereich, beispielsweise 7-9, bilden die Lösungen starre, transparente Gele. Der pH der Flüssigkeiten kann durch Zugabe von pH-Kontrollmitteln, wie z.B. organischen Estern, Harnstoff, Laktose oder Natriumpolyphosphat, geändert werden. Solche gelierbaren, flüssigen Systeme sind als INJECTROL-Dichtmittel, welches ein Silikatsystem darstellt, im Handel bei Halliburton Energy Services erhältlich.
In einer Ausführungsform umfasst der Käfig ein Gemisch eines organischen Polymers und eines anorganischen Tons umfassen, was hierin als „Gemisch“ bezeichnet wird. Der Käfig soll aus dem Gemisch gebildet werden, das, sobald es in Kontakt gebracht wird, ein Material (beispielsweise Gel, feste Masse, viskose Masse) erzeugt, mit der eine Schlange assoziiert werden kann.
In einer Ausführungsform umfasst der Käfig ein Gemisch eines wasserlöslichen Polymers und eines anorganischen Tons. Das wasserlösliche Polymer kann jedes wasserlösliche Polymer sein, das mit den anderen Komponenten der SIC kompatibel ist. In einer Ausführungsform ist das wasserlösliche Polymer des hierin zuvor beschriebenen Typs. Der anorganische Ton kann jeder Ton sein, der mit den anderen Komponenten der SIC kompatibel ist. Tone, die zur Verwendung in dieser Offenbarung geeignet sind, schließen, ohne Beschränkung, geschichtete Phyllosilikate ein. Geeignete Tone können quellbare und nicht-quellbare Tone einschließen. Ein Beispiel eines synthetischen, quellbaren Tons ist Laponit. Natürliche Tone, die quellbar sind, gehören zur allgemeinen Klasse der Smektit-Tone. Spezifische Beispiele von Smektitt-Tonen schließen Monmorillonit (Bentonit), Hectorit und Saponit ein. Beispiele geschichteter, nicht-quellbarer Tone schließen Kaolinit und Halloysit ein. In einer Ausführungsform sind die Tonteilchen Nanometer große Teilchen mit Teilchengrößen geringer als 300 nm. In einer Ausführungsform wird der Käfig gebildet, sobald das wasserlösliche Polymer und ein organischer Ton unter Bedingungen gemischt werden, die zur Bildung eines Hydrogels oder eines hydratisierbaren Kompositmaterials geeignet sind. Beispielsweise kann der Ton in Wasser dispergiert werden und deagglomerieren und zum Teil oder vollständig abblättern, woraufhin das wasserlösliche Polymer zu der Tonsuspension hinzugefügt werden kann. In anderen Verfahren können feste Komposite direkt durch Mischen eines Ton, eines Ton-expandierenden Mittels, das dazu dient, den Zwischenschichtabstand zu erweitern, und eines Polymers, oder durch Polymerisieren der Monomere, die in dem Zwischenschichtraum des Tons, zur Bildung eines wasserlöslichen, hydrophilen Polymers präadsorbiert sind, hergestellt werden.
In einer Ausführungsform bilden die trockenen Komposite, sobald sie zu einer wässrigen Flüssigkeit hinzugefügt werden, Hydrogele, die quellen und/oder verdickte Flüssigkeiten ergeben. Der Gewichtsanteil Ton, bezogen auf das Gewicht des Polymers, wird vom Polymer, dem Tontyp und den Teilchengrößen sowie dem Herstellungsverfahren abhängen. In einigen Ausführungsformen kann das wasserlösliche Polymer in einer Menge von etwa 50 % bis etwa 99 %, alternativ von etwa 60 % bis etwa 90 %, oder alternativ von etwa 70 % bis etwa 90 %, vorliegen, während der anorganische Ton in einer Menge von etwa 1 % bis etwa 50 %, alternativ von etwa 3 % bis etwa 30 %, oder alternativ von etwa 5 % bis etwa 10 %, des gemeinsamen Gewichts von Polymer und Ton vorliegen.
In einer Ausführungsform kann der Käfig eine SiO₄-Struktureinheit umfassen, die in ein organisches Siloxanpolymer eingebaut ist. Ein Siloxanpolymer, das zur Verwendung in der vorliegenden Offenbarung geeignet ist, kann durch jede geeignete Methodik hergestellt werden. In einer Ausführungsform wird das Siloxanpolymer durch Kondensationspolymerisation eines Dialkylsiloxans und eines Siloxanvernetzers, wie in Schema I dargestellt, hergestellt. Gemäß Schema I wird ein Diakylsiloxan in der Gegenwart einer Tetraalkylsiloxan vernetzenden Gruppe polymerisiert, um ein vernetztes Siloxanpolymer zu bilden.
In einer Ausführungsform ist das Dialkylsiloxan, das zur Verwendung in der vorliegenden Offenbarung geeignet ist, durch die allgemeine Formel I gekennzeichnet, wobei R₁ eine CrC₄-Alkyleinheit ist, und der Siloxanvernetzer ein Tetraalkylsilan ist, das durch die allgemeine Formel II gekennzeichnet ist, wobei R₂ eine Methyl- oder Ethylgruppe ist.
In einer Ausführungsform ist der Vernetzer Natriumsilikat. In einer Ausführungsform kann das Dialkylsiloxan durch ein Siloxan, umfassend ethylenisch ungesättigte Gruppen, ersetzt werden. Hydrogele, basierend auf solchen Zusammensetzungen, sind detaillierter in US-Patent Nr. 7,906,563 beschrieben, das durch Bezugnahme hierin in seiner Gesamtheit aufgenommen wird.
Die SIC der vorliegenden Erfindung umfasst eine Schlange. Eine Schlange kann als ein polymeres Material mit der Fähigkeit zur Assoziation mit einem Käfigmaterial des hierin offenbarten Typs bezeichnet werden. Die Schlange kann ferner im Hinblick auf den Käfig als labil bezeichnet werden. In einigen Ausführungsformen ist die Schlange innerhalb des Käfigmaterials so angeordnet, dass die Mobilität der Schlange zu einem gewissen Grad durch die Struktur, die durch den Käfig gebildet wird, gehemmt wird. In einer Ausführungsform ist die Schlange reversibel mit dem Käfig so assoziiert, dass äußere Stimuli der Schlange erlauben, von dem Käfig getrennt zu werden. In einer Ausführungsform kann die Schlange in einer vorvernetzten Form, enthaltend abbaubare Vernetzungen, in den Käfig eingebaut werden. Solche Materialien können in einem wässrigen Medium hydratisieren und werden molekular in dem Käfig verteilt, allerdings mit eingeschränkter Mobilität. Die Schlange kann von dem Käfig als eine Funktion einer Vielzahl an Faktoren, wie z.B. Zeit, Temperatur und/oder pH, getrennt werden. Es versteht sich, dass solche Bedingungen dafür sorgen können, dass die Mobilität der Schlange so erhöht wird, dass die Schlange in der Lage ist, aus dem Käfig zu migrieren. Alternativ können die Bedingungen die Integrität des Käfigs zu einem gewissen Grad beeinflussen, so dass der Käfig die Mobilität der Schlange nicht länger behindert. In einer Ausführungsform kann die Schlange ein Material umfassen, das, sobald es vom Käfig getrennt wird, ein oder mehrere vom Anwender erwünschte und/oder Prozesserwünschte Funktionalitäten zur Verfügung stellen. Die Schlange der vorliegenden Erfindung umfasst Flüssigkeitsverlustmittel, relative Permeabilitätsmodifikatoren, Viskositätsmodifikatoren, Clean-up-Additive, Krustenverhinderungsadditive, oder Mischungen.
In einer Ausführungsform umfasst die Schlange ein Flüssigkeitsverlustadditiv. Flüssigkeitsverlustadditive beziehen sich hierin auf chemische Additive, die zur Kontrolle des Verlusts einer Flüssigkeit an die Formation durch Filtration eingesetzt werden. Ferner kann ein Flüssigkeitsverlustadditiv dazu dienen, richtige Flüssigkeitsniveaus innerhalb einer Bohrlochwartungsflüssigkeit beizubehalten, wodurch die Integrität der Flüssigkeitsdesignparameter sichergestellt wird. Flüssigkeitsverlustadditive, die zur Verwendung in der vorliegenden Offenbarung geeignet sind, schließen hydrophob modifizierte, wasserlösliche Polymere, vernetzte Polyacrylamide; vernetztes Polyacrylat; vernetztes, hydrolysiertes Polyacrylamid; Salze der Carboxyalkylstärke, beispielsweise Salze der Carboxymethylstärke; Salze der Carboxyalkylcellulose, beispielsweise Salze der Carboxymethylcellulose; Salze eines vernetzten Carboxyalkylpolysaccharids; vernetzte Copolymere von Acrylamid und Acrylatmonomeren; Stärke, gepfropft mit Acrylnitril und Acrylatmonomeren; Copolymere, umfassend zwei oder mehrere Vertreter von Allylsulfonat, 2-Acrylamido-2-methyl-1-propansulfonsäure, 3-Allyloxy-2-hydroxy-1-propansulfonsäure, Acrylamid und Acrylsäuremonomere; oder Mischungen hiervon ein. In einer Ausführungsform ist das polymere Schlangenmaterial nicht vernetzt. In einer anderen Ausführungsform umfasst die Schlange hydrophob modifizierte Polydimethylaminoethylmethacrylat-Polymere, wie diejenigen, die in US-Patent Nr. 7,117,942 beschrieben werden, das hierin in seiner Gesamtheit durch Bezugnahme aufgenommen wird.
In einer Ausführungsform umfasst die Schlange einen relativen Permeabilitätsmodifikator (relative permeability modifier, RPM). RPMs beziehen sich hierin auf Materialien, die eingesetzt werden, um die effektive Permeabilität eines abgeschlossenen Bereichs gegenüber Wasser zu verringern, während die effektive Permeabilität des Bereichs gegenüber Öl und/oder Gas minimal beeinflusst wird. In einer Ausführungsform umfasst der RPM ein Homopolymer oder ein zufälliges Copolymer. Beispiele solcher Polymere sind in US-Patent Nrn. 6,364,016; 6,476,169 und 7,182,136 beschrieben, von denen jedes hierin in seiner Gesamtheit aufgenommen wird. Alternativ umfasst der RPM ein synthetisches Vinylpolymer, ein natürlich vorkommendes Polymer oder Mischungen hiervon. In einer Ausführungsform umfasst der RPM Polyacrylamid, hydrolysiertes Polyacrylamid, ein hydrophob modifiziertes, wasserlösliches Polymer oder Mischungen hiervon.
In einer Ausführungsform umfasst die Schlange einen Viskositätsmodifikator. Ein Viskositätsmodifikator bezieht sich hierin auf jedes Material, das dazu dient, die Viskosität einer Zusammensetzung auf einen vom Anwender erwünschten und/oder Prozess-erwünschten Bereich einzustellen. In einer Ausführungsform umfasst der Viskositätsmodifikator Biopolymere, beispielsweise Polysaccharide und dessen Derivate, sowie synthetische Polymere, beispielsweise Polyethylenoxide und Polyacrylamide.
In einer Ausführungsform umfasst die Schlange ein Clean-up-Additiv. Hierin beziehen sich Clean-up-Additive auf Materialien, die zur Entfernung ölbasierter und/oder synthetischer Borflüssigkeitsreste aus dem Arbeitsstrang und Bohrloch eingesetzt werden. Nichtbeschränkende Beispiele von Clean-up-Additiven, die zur Verwendung in der vorliegenden Offenbarung geeignet sind, schließen wasserbenetzende Polymere, wie z.B. diejenigen, die in US-Patent Nr. 6,846,420 beschrieben werden, ein, das in seiner Gesamtheit hierin aufgenommen werden.
In einer Ausführungsform umfasst die Schlange ein Krustenverhinderungsadditiv (scale prevention additive, SPA). Hierin bezieht sich eine Kruste auf eine Ansammlung von Ablagerungen, die sich in Bohrlochwartungsbereichen und -ausrüstungen, wie z.B. Perforationen, Casing, Förderrohr, Ventilen, Pumpen und Bohrlochkomplettierungsausrüstung bilden, wodurch das Bohrloch und/oder damit verbundene Ausrüstung verstopft und/oder blockiert werden und der Flüssigkeitsfluss gehemmt wird. Nichtlimitierende Beispiele von SPAs, die zur Verwendung in der vorliegenden Offenbarung geeignet sind, schließen Polyacrylate und Polyasparaginsäuresalze ein.
In einer Ausführungsform kann die Schlange ferner durch ihre Fähigkeit charakterisiert werden, einer Zersetzung bei Temperaturen von höher als etwa 204°C (400°F) zu widerstehen. In einigen Ausführungsformen kann eine Schlange mit einer verbesserten Zersetzungsresistenz bei Temperaturen von höher als etwa 204°C (400°F) unter Verwendung von Standard-Polymerisationstechniken hergestellt werden. Beispielsweise kann die Schlange jede Mischung von Monomeren, ausgewählt aus Acrylsäure, N,N-Dimethylacrylamid, N,N-Diethylacrylamid, 2-Acrylamid-2-methylpropansulfonsäure und dessen Salze, Allylsulfonsäure und dessen Salze, Vinylpyrrolidon, Vinylsulfonsäure und dessen Salze oder Allylbenzolsulfonsäure und dessen Salze, umfassen.
In einer Ausführungsform liegen die Schlange und der Käfig jeweils in der WSF in Mengen vor, die wirksam sind, um dessen beabsichtigte Funktion wahrzunehmen. Somit kann die Menge der Schlange im Bereich von etwa 1 Gew.-% bis etwa 20 Gew.-%, alternativ von etwa 2 Gew.-% bis etwa 10 Gew.-% oder alternativ von etwa 3 Gew.-% bis etwa 8 Gew.-% nach Gewicht, bezogen auf das Gewicht der WSF-Flüssigkeit, liegen, während die Menge des Käfigs im Bereich von etwa 0,1 Gew.-% bis etwa 5 Gew.-%, alternativ von etwa 1 Gew.-% bis etwa 4 Gew.-% oder alternativ von etwa 2 Gew.-% bis etwa 3 Gew.-%, bezogen auf das Gesamtgewicht der WSF, liegen.
In einer Ausführungsform ist eine Schlange des hierin offenbarten Typs mit einem Käfig des hierin offenbarten Typs mit Hilfe jeder geeigneten Methodik assoziiert.
In einer Ausführungsform umfasst der Käfig ein vorgeformtes Material, wie z.B. ein vorvernetztes, wasserquellbares Polymer des zuvor hierin beschriebenen Typs. In solchen Ausführungsformen kann die Snake-in-Cage-Zusammensetzung durch Imprägnieren des Käfigs mit einer Zusammensetzung, umfassend die Schlange, unter Bedingungen gebildet werden, die zur Assoziation der Schlange mit dem Käfig geeignet sind. Beispielsweise kann das vorvernetzte, wasserquellbare Polymer in einer Lösung, enthaltend die Schlange, so aufquellen, dass die Schlange mit dem gequollenen Polymer (d.h. Käfig) assoziiert wird oder innerhalb des gequollenen Polymers (d.h. Käfig) angeordnet wird.
In einer Ausführungsform umfasst der Käfig ein erstes Polymer und die Schlange umfasst ein zweites Polymer. In einer Ausführungsform wird der Käfig in der Gegenwart der Schlange unter Verwendung eines Vernetzers, der für das erste Polymer selektiv ist, gebildet. Beispielsweise kann der Käfig durch das erste Polymer, umfassend ein Alginatpolymer, in der Gegenwart eines Vernetzers, umfassend Calciumchloridlösung, und einer Schlange, umfassend Polyethylenoxid, gebildet werden. In einer Ausführungsform umfasst der Käfig Rissbildungsflüssigkeiten, die Polymere enthalten, die vernetzbare Polymere, Vernetzer und nicht-vernetzende Polymere, wie z.B. Stärke oder modifizierte Cellulose, sind. Solche Rissbildungsflüssigkeitssysteme sind als SCIRROCO-Rissbildungsservice oder DEEPQUEST-Service bei Halliburton Energy Services erhältlich. SCIRROCO-Rissbildungsservice stellt ein Rissbildungs-Flüssigkeitssystem dar und DEEPQUEST-Service stellt ein gewichtsbelastetes Simulations-Flüssigkeitssystem dar, die beide im Handel bei Halliburton Energy Services erhältlich sind.
In einer Ausführungsform umfasst der Käfig ein wasserquellbares, unvernetztes Polymer, beispielsweise wachsartige Maisstärke, die zunächst in einer wässrigen Lösung aufgequollen wird, um ein gequollenes Polymer zu bilden. Das gequollene Polymer kann im Anschluss in der Gegenwart einer Schlange vernetzt werden, um eine Snake-in-Cage-Zusammensetzung zu bilden, wobei ein Vernetzer, beispielsweise Phosphorylchlorid, eingesetzt wird.
In einer Ausführungsform können Additive zur Verbesserung der mechanischen Eigenschaften der Käfigstruktur in einer SIC des hierin offenbarten Typs während der Herstellung der SIC-Zusammensetzung zu der Zusammensetzung hinzugefügt werden. Geeignete Additive zur Verbesserung der mechanischen Käfigeigenschaften schließen Elastomerteilchen, Fasern, wie z.B. Glasfasern, Kohlenstofffasern, Metallfasern und Mineralfasern, plättchenförmige Mineralien, wie z.B. Glimmer, und unregelmäßig geformte Mineralien, wie z.B. Eisenoxid, Schwerspat, Portland-Zementteilchen, und feste Polymeradditive, wie z.B. Polymilchsäure, Polyglycolat, und Mischungen hiervon ein.
Ohne auf eine Theorie beschränkt zu werden, können „Snake-in-Cages“, die aus den hierin beschriebenen Systemen gebildet werden, mit zwei Polymeren ein sich gegenseitig halb-durchdringendes Polymer bilden. Graphische Darstellungen sich gegenseitig halb-durchdringender Netzwerke sind in den 1a und 1b dargestellt. 1a zeigt eine SIC des hierin offenbarten Typs, wobei die Schlange ein unvernetztes, mobiles Polymer ist (dargestellt durch die dünneren Linien mit Verzweigung), das anfänglich mit dem Käfig (d.h. dem vernetzten Polymer, das durch die dickeren durchgezogenen Linien dargestellt ist) assoziiert wird, welches sich, während es anfänglich verfangen ist, von dem Käfig lösen könnte. Im Gegensatz dazu weist ein sich gegenseitig durchdringendes Netzwerk von Polymeren, wie in 1b dargestellt, zwei unterschiedliche, vollständig vernetzte und verschlungene Materialien auf, die nicht in der Lage sind, sich voneinander zu lösen, ohne eine kovalente Bindung zu brechen.
In einer Ausführungsform wird die SIC als ein Flüssigkeitsverlustkontrolladditiv eingesetzt und liegt in der Bohrlochwartungsflüssigkeit in einer Menge von etwa 1 Gew.-% bis etwa 20 Gew.-%, alternativ von etwa 2 Gew.-% bis etwa 15 Gew.-%, oder alternativ von etwa 5 Gew.-% bis etwa 10 Gew.-%, bezogen auf das Gesamtgewicht der WSF, vor. In einer Ausführungsform ist die Bohrlochwartungsflüssigkeit eine Rissbildungsflüssigkeit und die SIC liegt in einer Menge von etwa 1 Gew.-% bis etwa 10 Gew.-%, alternativ von etwa 2 Gew.-% bis etwa 8 Gew.-% oder alternativ von etwa 3 Gew.-% bis etwa 5 Gew.-%, bezogen auf das Gewicht der WSF, vor.
Eine SIC des hierin offenbarten Typs kann in jede geeigneten Bohrlochwartungsflüssigkeit eingearbeitet werden. Wie hierin verwendet, bezieht sich eine „Wartungsflüssigkeit“ auf eine Flüssigkeit, die eingesetzt wird, um ein Bohrloch zu bohren, fertigzustellen, zu überarbeiten, aufzubrechen, zu reparieren oder auf irgendeine Art zur Rückgewinnung der Materialien zu präparieren, die in einer subterranen Formation, die durch das Bohrloch durchdrungen wird, vorliegen. Beispiele von Bohrlochwartungsflüssigkeiten schließen, ohne Beschränkung, Zementschlämme, Bohrflüssigkeiten oder Schlämme, Spacer-Flüssigkeiten, Rissbildungsflüssigkeiten oder Komplettierungsflüssigkeiten ein. Die Wartungsflüssigkeit ist zur Verwendung in einem Bohrloch vorgesehen, das eine subterrane Formation durchdringt. Es versteht sich, dass „die subterrane Formation“ sowohl Bereiche unterhalb exponierter Erde als auch Bereiche unterhalb von Erde, die durch Wasser, wie z.B. den Ozean oder Binnengewässer, bedeckt ist, umfasst.
In einer Ausführungsform umfasst ein Verfahren zur Wartung eines Bohrlochs Einarbeiten einer SIC des hierin offenbarten Typs in eine Bohrlochwartungsflüssigkeit und Einführen der Bohrlochwartungsflüssigkeit in das Bohrloch. Dort kann die Käfigkomponente der SIC einen Filterkuchen an der Oberfläche der Formation bilden. In einigen Ausführungsformen kann die Formation einen konventionellen Filterkuchen zusätzlich zu einem Filterkuchen aufweisen, der aus der Käfigkomponente der SIC gebildet wird. In einer Ausführungsform dringt die Schlangenkomponente der SIC in die Formation zu einem Grad ein, der ausreicht, um die gewünschte Funktion der Schlange wahrzunehmen.
In einer Ausführungsform umfasst das Verfahren zur Wartung des Bohrlochs ferner Entfernen des Filterkuchens, der aus der Käfigkomponente der SIC gebildet wird. Wie der Fachmann auf dem Gebiet verstehen wird, wird das Verfahren zur Entfernung des Filterkuchens, der aus der Käfigkomponente der SIC gebildet wird, von der chemischen Zusammensetzung der Käfigkomponente abhängen. In einigen Ausführungsformen umfasst der Käfig ein Material, das sich über einen gewissen Zeitraum nach Einwirken der typischen Bohrlochbedingungen (beispielsweise Temperatur, pH, etc.) abbaut.
In einer Ausführungsform umfasst der Käfig ein wassergequollenes, organisches Polymer. In solchen Ausführungsformen kann der Filterkuchen, umfassend den Käfig, durch Schrumpfen des wassergequollenen, organischen Polymers in der Gegenwart einer Salzlösung entfernt werden. Salzlösungen sind wässrige Flüssigkeiten, die in der Regel mit Salz gesättigt oder beinahe gesättigt sind. Beispiele von Salzlösungen, die zur Verwendung in dieser Offenbarung geeignet sind, schließen, ohne Beschränkung, gesättigte oder teilweise gesättigte wässrige Lösungen, umfassend halogenhaltige Salze, Alkalimetallsalze, alkalische Metallsalze, Formiat-haltige Verbindungen, Natriumbromid (NaBr), Calciumchlorid (CaCl₂), Calciumbromid (CaBr₂), Natriumchlorid (NaCl), Zinkbromid (ZnBr₂), Natriumformiat, Cäsiumformiat, Kaliumformiat, Derivate hiervon oder Mischungen hiervon, ein.
In einer Ausführungsform kann ein Filterkuchen, umfassend die Käfigkomponente, durch die Verwendung eines Filterkuchen-Entfernungsmittels (filtercake removal agent, FRA), wie z.B. Säuren oder sauren Verbindungen, Breakers oder Oxidationsmitteln, entfernt werden. Jedes FRA, das mit dem Bohrlochwartungsvorgang kompatibel ist, kann geeigneterweise eingesetzt werden, um den Filterkuchen, umfassend die Käfigkomponente, zu entfernen. In einer Ausführungsform umfasst das Käfigmaterial ferner ein FRA in einer Form mit verzögerter Freisetzung. Beispielsweise kann das FRA innerhalb eines Materials eingekapselt werden, das sich über die Zeit so abbaut, dass das FRA freigesetzt wird und mit dem Käfigmaterial nach dem vom Anwender- und/oder dem Prozess-erwünschten Zeitraum in Kontakt gebracht wird. In einer alternativen Ausführungsform liegt das FRA in einer Form eines Vorläufers so vor, dass unter bestimmten Bedingungen (beispielsweise Zeit, Temperatur) ein FRA mit der Fähigkeit, den Filterkuchen abzubauen, erzeugt wird.
In einer Ausführungsform umfasst das Vorläufer-FRA einen Säurevorläufer. Hierin wird ein Säurevorläufer als ein Material oder eine Mischung von Materialien definiert, die eine verzögerte Freisetzung einer oder mehrerer saurer Spezies bereitstellen. Solche Säurevorläufer können auch als zeitverzögerte und/oder über Zeit freigesetzte Säuren bezeichnet werden. In Ausführungsformen umfassen Säurevorläufer ein Material oder eine Mischung von Materialien, die reagieren können, um eine Säure nach einem gewissen Zeitraum zu erzeugen und/oder freizusetzen. Die Freisetzung der sauren Spezies aus dem Säurevorläufer kann durch jedes Mittel, das einem Fachmann auf dem Gebiet bekannt ist, und das mit den vom Anwender gewünschten Anwendungen kompatibel ist, mit den Vorteilen dieser Offenbarung erzielt werden. In Ausführungsformen können Säurevorläufer durch Modifizieren von Säuren über die Zugabe einer operablen Funktionalitätskomponente oder eines Substituenten, physikalische Verkapselung oder Verpackung oder Mischungen hiervon gebildet werden. Die operable Funktionalitätskomponente oder der Substituent können auf beliebige Art (beispielsweise chemisch, physikalisch, thermisch, etc.) und unter beliebigen Bedingungen, die mit dem Komponenten des Prozesses kompatibel sind, mit ihnen reagieren, um die Säure zu einem gewünschten Zeitpunkt und/oder unter gewünschten Bedingungen, wie beispielsweise in-situ-Bohrlochbedingungen, freizusetzen. In einer Ausführungsform kann der Säurevorläufer zumindest eine modifizierte Säure (beispielsweise mit einer operablen Funktionalität, Verkapselung, Verpackung, etc.) umfassen, so dass eine Säure freigesetzt wird, wenn auf ihn eingewirkt wird und/oder als Reaktion auf vordefinierte Bedingungen (beispielsweise in-situ-Bohrlochbedingungen, wie Temperatur, Druck, chemische Umgebung). In einer Ausführungsform kann der Säurevorläufer eine saure Spezies umfassen, die nach Einwirkung einer erhöhten Temperatur, wie z.B. einer erhöhten Bohrlochtemperatur, freigesetzt wird. In einer Ausführungsform umfasst die Säurevorläuferverbindung einen reaktiven Ester. Der Einfachheit halber wird der Rest der Offenbarung sich auf die Verwendung eines reaktiven Esters als den Säurevorläufer konzentrieren, wobei selbstverständlich andere Säurevorläufer in verschiedenen Ausführungsformen eingesetzt werden können. Der reaktive Ester kann in eine saure Spezies durch Hydrolyse der Esterbindung umgewandelt werden, beispielsweise durch Inkontaktbringen mit Wasser, das in situ im Bohrloch vorliegt. Geeignete Säurevorläufer zur Verwendung in der vorliegenden Offenbarung schließen Milchsäurederivate, wie z.B. Methyllactat, Ethyllactat, Propyllactat, Butyllactat; Ester und/oder Formiate, die wasserlöslich oder zum Teil löslich sind, wie z.B. Ethylenglykolmonoformiat, Methylformiat, Ethylformiat, Methylchlorformiat, Triethylorthoformiat, Trimethylorthoformiat, Ethylenglykoldiformiat, Diethylenglykoldiformiat, Glycerylmonoformiat, Glyceryldiformiat, Glyceryltriformiat, Triethylenglykoldiformiat; Formiatester des Pentaerythritols; Ester oder Polyester des Glycerins, einschließlich, ohne Beschränkung, Tripropionin (ein Triester der Propionsäure und Glycerin), Trilactin, Ester der Essigsäure und Glycerin, wie z.B. Monoacetin, Diacetin und Triacetin; Ester der Glycolsäure, wie z.B. Ethyl- oder Methyl- oder Propyl- oder Butylglycolat, oder Ester der Glycolsäure, und Polyole, wie z.B. Glycerin und Glycole, aliphatische Polyester; Poly(lactide); Poly(glycolide); Poly(s-caprolactone); Poly(hydroxybutyrate); Poly(anhydride); aliphatische Polycarbonate; Poly(aminosäuren); und Polyphosphazene; oder Copolymere hiervon: Poly(orthoester); Orthoester (die auch als „Polyorthoether“ oder „Orthoether“ bekannt sind); Ester der Oxalsäure; aliphatische Polyester; Poly(lactide); Poly(glycolide); Poly(s-caprolactone); Poly(hydroxybutyrate); Poly(anhydride); Poly(aminosäuren); Ester der Propionsäure; Ester der Buttersäure; Ester der Monochloressigsäure; Ester der Dichloressigsäure; Ester der Trichloressigsäure; Derivate hiervon; oder Mischungen hiervon, ein. Andere geeignete Säurevorläufer schließen Halogenidester und Ester von Säuren ein, wie z.B. Ester der Salpetersäure, Schwefelsäure, Sulfonsäure, Sulfinsäure, Phosphorsäure, phosphorige Säure, Phosphonsäure, Phosphinsäure, Sulfamidsäure und dergleichen. In einer Ausführungsform umfasst das FRA ein Oxidationsmittel, wie z.B. Magnesiumperoxid.
SIC-Zusammensetzungen des hierin offenbarten Typs können vorteilhafterweise eine verzögerte Freisetzung eines oder mehrerer Bohrlochwartungsmaterialien über einen breiten Temperaturbereich bereitstellen. Beispielsweise können SIC-Zusammensetzungen vorteilhafterweise eine nützliche Aktivität des hierin offenbarten Typs (beispielsweise Flüssigkeitsverlust, Clean-up) bei einer Temperatur von mehr als etwa 149°C (300°F), alternativ von mehr als etwa 177°C (350°F) oder alternativ von etwa 204°C (400°F), bereitstellen. Ferner können die SICs des hierin offenbarten Typs vorteilhafterweise die Permeabilität des Bohrlochs verringern, um so den unerwünschten Flüssigkeitsverlust an die Formation, in die sie eingeführt werden, abzuschwächen, ohne dabei das Leitvermögen des Bohrlochs in Bezug auf die Fähigkeit des Bohrlochs zum Transport einer Ressource, wie z.B. Öl und/oder Gas, negativ zu beeinflussen.
Zusätzliche Offenbarung
Es folgen nicht-beschränkende, spezifische Ausführungsformen gemäß der vorliegenden Offenbarung:
Eine erste Ausführungsform ist ein Verfahren zur Wartung eines Bohrlochs in einer subterranen Formation, umfassend:

Herstellen einer Bohrlochwartungsflüssigkeit, umfassend eine „Snake-in-Cage“-Zusammensetzung, umfassend eine erste Komponente, die als „Schlange“ bezeichnet wird, und eine zweite Komponente, die als „Käfig“ bezeichnet wird, die, sobald sie zusammengefügt werden, die „Snake-in-Cage“-Zusammensetzung bilden, wobei sich der Käfig auf ein oder mehrere Materialien bezieht, die, sobald sie hergestellt werden, eine Struktur bilden, mit der die Schlange assoziiert wird; und
Einführen der Bohrlochwartungsflüssigkeit in ein Bohrloch, wobei die Schlange aus dem Käfig dissoziiert und in ein oder mehrere permeable Zonen innerhalb des Bohrlochs eintritt, , wobei die Schlange ein Flüssigkeitsverlustadditiv, einen relativen Permeabilitätsmodifikator, einen Viskositätsmodifikator, ein Clean-up-Additiv, ein Krustenverhinderungsadditiv oder Mischungen hiervon umfasst, und wobei der Käfig ein Polymer und einen Ton umfasst.

Eine zweite Ausführungsform ist das Verfahren der ersten Ausführungsform, wobei der Ton Laponit ist.
Eine dritte Ausführungsform ist das Verfahren der ersten oder der zweiten Ausführungsform, wobei das Polymer ein wasserlösliches Polymer ist.
Eine vierte Ausführungsform ist das Verfahren einer ersten bis zweiten Ausführungsformen, wobei die Tonteilchen Nanometer große Teilchen mit Teilchengrößen geringer als 300 nm sind.
Eine fünfte Ausführungsform ist das Verfahren einer der ersten bis vierten Ausführungsformen, wobei die Schlange in der Bohrlochwartungsflüssigkeit in einer Menge von etwa 1 Gew.-% bis etwa 20 Gew.-% vorliegt.
Eine sechste Ausführungsform ist das Verfahren einer der ersten bis fünften Ausführungsformen, wobei der Käfig in der Bohrlochwartungsflüssigkeit in einer Menge von etwa 0,1 Gew.-% bis etwa 5 Gew.-% vorliegt.
Eine siebte Ausführungsform ist das Verfahren einer der ersten bis sechsten Ausführungsformen, wobei die subterrane Formation eine Temperatur von mehr als etwa 149°C (300°F) aufweist.
Eine achte Ausführungsform ist das Verfahren einer der ersten bis siebten Ausführungsformen, wobei der Käfig einen Filterkuchen auf der Oberfläche der subterranen Formation bildet.
Eine neunte Ausführungsform ist das Verfahren der achten Ausführungsform, ferner umfassend Entfernen des Filterkuchens.
Eine zehnte Ausführungsform ist das Verfahren einer der ersten bis neunten Ausführungsform, wobei das Entfernen des Filterkuchens Inkontaktbringen des Filterkuchens mit einer Salzlösung, einer Säure, einem Breaker, einem Oxidationsmittel, einem Säurevorläufer oder Mischungen hiervon umfasst.
Eine elfte Ausführungsform ist das Verfahren einer der ersten bis zehnten Ausführungsformen, wobei die Bohrlochwartungsflüssigkeit eine Rissbildungsflüssigkeit, ein Flüssigkeitsverlustadditiv, eine Stimulationsflüssigkeit oder Mischungen hiervon umfasst.
Eine zwölfte Ausführungsform ist eine Bohrlochbehandlungszusammensetzung, umfassend:

eine Schlange, die innerhalb eines Käfigs angeordnet ist,wobei der Käfig ein vernetztes Polymer und einen Ton umfasst, und wobei die Schlange ein Flüssigkeitsverlustadditiv, einen relativen Permeabilitätsmodifikator, einen Viskositätsmodifikator, ein Clean-up-Additiv, ein Krustenverhinderungsadditiv oder Mischungen hiervon umfasst.

Eine dreizehnte Ausführungsform ist die Zusammensetzung der zwölften Ausführungsform, wobei das vernetzte Polymer Siloxane, ein Acrylamid-haltiges Polymer, ein wasserlösliches Polymer, ein wasserquellbares Polymer oder Mischungen hiervon umfasst.
Obwohl erfindungsgemäße Ausführungsformen gezeigt und beschrieben wurden, können von einem Fachmann Modifikationen hiervon vorgenommen werden, ohne dabei von der erfindungsgemäßen Idee oder Lehren abzuweichen. Die hierin beschriebenen Ausführungsformen sind lediglich beispielhaft und sollen nicht beschränkend ausgelegt werden. Viele Variationen und Modifikationen der hierin offenbarten Erfindung sind möglich und liegen innerhalb des Umfangs der Erfindung. Sind nummerische Bereiche oder Beschränkungen ausdrücklich angegeben, sollen solche ausdrücklichen Bereiche oder Beschränkungen dahin zu verstehen sein, dass sie iterative Bereiche oder Beschränkungen der gleichen Größenordnung, die innerhalb der ausdrücklich angegebenen Bereiche oder Beschränkungen fallen (beispielsweise von etwa 1 bis etwa 10 schließt 2, 3, 4, etc. ein; mehr als 0,10 schließt 0,11, 0,12, 0,13, etc. ein), einschließen. Wenn beispielsweise ein nummerischer Bereich mit einem unteren Grenzwert, R_L, und einem oberen Grenzwert, R_U, offenbart ist, ist jede Zahl, die innerhalb des Bereichs fällt, konkret offenbart. Insbesondere sind die folgenden Zahlen innerhalb des Bereichs konkret offenbart: R=R_L +k* (R_U-R_L), wobei k eine Variable im Bereich von 1 Prozent bis 100 Prozent mit einem 1 Prozentigen Inkrement ist, d.h. k ist 1 Prozent, 2 Prozent, 3 Prozent, 4 Prozent, 5 Prozent, ...., 50 Prozent, 51 Prozent, 52 Prozent, ...., 95 Prozent, 96 Prozent, 97 Prozent, 98 Prozent, 99 Prozent oder 100 Prozent. Außerdem ist auch jeder nummerische Bereich, der durch zwei R-Nummern, wie oben definiert, definiert wird, konkret offenbart. Die Verwendung des Begriffs „gegebenenfalls“ bezüglich eines beliebigen Elements eines Anspruchs soll zum Ausdruck bringen, dass das betreffende Element erforderlich ist oder alternativ, nicht erforderlich ist. Beide Alternativen sollen innerhalb des Umfangs des Anspruchs liegen. Die Verwendung breiterer Begriffe, wie z.B. umfassen, einschließen, aufweisen, etc. soll so zu verstehen sein, dass eine Stütze für engere Begriffe, wie z.B. bestehend aus, bestehend im Wesentlichen aus, im Wesentlichen umfassend etc., bereitzustellen.
Dementsprechend ist der Schutzumfang nicht durch die Beschreibung, wie oben dargelegt, beschränkt, sondern wird nur durch die nachfolgenden Ansprüche beschränkt, wobei dieser Umfang alle Äquivalente des Gegenstands der Ansprüche beinhaltet. Jeder Anspruch ist in die Beschreibung als eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung aufgenommen. Folglich stellen die Ansprüche eine zusätzliche Beschreibung dar und sind ein Zusatz zu den erfindungsgemäßen Ausführungsformen. Die Diskussion einer Literaturstelle in der Beschreibung des Stands der Technik stellt kein Eingeständnis dar, dass diese Stand der Technik der vorliegenden Erfindung darstellt, insbesondere jede beliebige Literaturstelle, die ein Veröffentlichungsdatum nach dem Prioritätsdatum dieser Anmeldung aufweist. Die Offenbarungen aller hierin genannten Patente, Patentanmeldungen und Veröffentlichungen sind hier durch Bezugnahme in dem Maße aufgenommen, in dem sie beispielhafte, prozessuale oder andere Details, zusätzlich zu den hierin dargelegten, zur Verfügung stellen.

Claims

Verfahren zur Wartung eines Bohrlochs in einer subterranen Formation, umfassend: Herstellen einer Bohrlochwartungsflüssigkeit, umfassend eine „Snake-in-Cage“ (wörtlich: Schlange-im-Käfig)-Zusammensetzung, umfassend eine erste Komponente, die als „Schlange“ bezeichnet wird, und eine zweite Komponente, die als „Käfig“ bezeichnet wird, die, sobald sie zusammengefügt werden, die „Snake-in-Cage“-Zusammensetzung bilden, wobei sich der Käfig auf ein oder mehrere Materialien bezieht, die, sobald sie hergestellt werden, eine Struktur bilden, mit der die Schlange assoziiert wird; und Einführen der Bohrlochwartungsflüssigkeit in ein Bohrloch, wobei die Schlange aus dem Käfig dissoziiert und in ein oder mehrere permeable Zonen innerhalb des Bohrlochs eintritt, wobei die Schlange ein Flüssigkeitsverlustadditiv, einen relativen Permeabilitätsmodifikator, einen Viskositätsmodifikator, ein Clean-up-Additiv, ein Krustenverhinderungsadditiv oder Mischungen hiervon umfasst, und wobei der Käfig ein Polymer und einen Ton umfasst.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Ton Laponit umfasst.
Verfahren nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, wobei das Polymer ein wasserlösliches Polymer ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1-3, wobei die Tonteilchen Nanometer große Teilchen mit Teilchengrößen geringer als 300 nm sind.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1-4, wobei die Schlange in der Bohrlochwartungsflüssigkeit in einer Menge von 1 Gew.-% bis 20 Gew.-% vorliegt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1-5, wobei der Käfig in der Bohrlochwartungsflüssigkeit in einer Menge von 0,1 Gew.-% bis 5 Gew.-% vorliegt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1-6, wobei die subterrane Formation eine Temperatur von mehr als 149°C (300°F) aufweist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1-7, wobei der Käfig einen Filterkuchen auf der Oberfläche der subterranen Formation bildet.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1-8, ferner umfassend Entfernen des Filterkuchens.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1-9, wobei Entfernen des Filterkuchens Inkontaktbringen des Filterkuchens mit einer Salzlösung, einer Säure, einem Breaker, einem Oxidationsmittel, einem Säurevorläufer oder Mischungen hiervon umfasst.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1-10, wobei die Bohrlochwartungsflüssigkeit eine Rissbildungsflüssigkeit, ein Flüssigkeitsverlustadditiv, eine Stimulationsflüssigkeit oder Mischungen hiervon umfasst.
Bohrlochbehandlungszusammensetzung, umfassend: eine Schlange, die in einem Käfig angeordnet ist, wobei der Käfig ein vernetztes Polymer und einen Ton umfasst, wobei die Schlange ein Flüssigkeitsverlustadditiv, einen relativen Permeabilitätsmodifikator, einen Viskositätsmodifikator, ein Clean-up-Additiv, ein Krustenverhinderungsadditiv oder Mischungen hiervon umfasst.
Zusammensetzung nach Anspruch 12, wobei das vernetzte Polymer Siloxane, ein Acryl-haltiges Polymer, ein wasserlösliches Polymer, ein wasserquellbares Polymer oder Mischungen hiervon umfasst.