ITVA20120052A1 - METHOD FOR THE FRACTURE OF UNDERGROUND FORMATIONS - Google Patents
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Description
Descrizione dell’invenzione industriale dal titolo: Description of the industrial invention entitled:
METODO PER LA FRATTURAZIONE DI FORMAZIONI SOTTERRANEE METHOD FOR THE FRACTURATION OF UNDERGROUND FORMATIONS
Titolare: LAMBERTI SpA - Albizzate (VA) Owner: LAMBERTI SpA - Albizzate (VA)
SETTORE TECNICO TECHNICAL FIELD
La presente invenzione descrive un metodo per la fratturazione di una porzione di una formazione sotterranea tramite l’utilizzo di un fluido acquoso per fratturazione comprendente, disciolta in esso, una carbossimetil cellulosa reticolata. The present invention describes a method for fracturing a portion of an underground formation by using an aqueous fracturing fluid comprising, dissolved therein, a cross-linked carboxymethyl cellulose.
STATO DELL’ARTE STATE OF THE ART
La tecnica della fratturazione à ̈ ampiamente utilizzata per stimolare la produzione e il recupero di petrolio e gas dalle formazioni sotterranee. La fratturazione comporta l’iniezione di un fluido idoneo del pozzo che va a raggiungere una formazione; il fluido deve essere iniettato sotto pressione in modo tale da fratturare estensivamente la formazione e da permettere la fuoriuscita di petrolio e gas, che sono bloccati nei pori della formazione, e per aiutare il loro scorrimento all’interno del pozzo. Spesso vengono iniettati nelle formazioni degli opportuni materiali (proppants) per impedire la richiusura delle fratture. The fracturing technique is widely used to stimulate the production and recovery of oil and gas from underground formations. Fracturing involves the injection of a suitable fluid into the well which reaches a formation; the fluid must be injected under pressure in such a way as to extensively fracture the formation and to allow the escape of oil and gas, which are blocked in the pores of the formation, and to help their flow inside the well. Often they are injected into the formations of the appropriate materials (proppants) to prevent the reclosing of the fractures.
Solitamente per ampliare le fratture in modo efficace e per inibire la perdita di filtrato, i fluidi di fratturazione sono gelificati con polimeri solubili in acqua, in particolare con polimeri naturali, tal quali o derivatizzati. Esempi di questi agenti gelificanti polimerici sono il guar, i derivati di guar, la gomma di carruba, la gomma karaya, la carbossimetil cellulosa (CMC), la carbossimetil idrossietil cellulosa e la idrossietil cellulosa. Usually to widen fractures effectively and to inhibit filtrate loss, fracturing fluids are gelled with water-soluble polymers, particularly natural, as-such or derivatized polymers. Examples of these polymeric gelling agents are guar, guar derivatives, carob gum, karaya gum, carboxymethyl cellulose (CMC), carboxymethyl hydroxyethyl cellulose and hydroxyethyl cellulose.
Nelle applicazioni ad alta temperatura l'impiego di questi polimeri come unici agenti addensanti à ̈ piuttosto limitato a causa dell’alto coefficiente termico della viscosità delle soluzioni acquose addensate. Appena vengono iniettate in una formazione sotterranea, queste soluzioni perdono viscosità a causa dell'aumento della temperatura e rilasciano i proppants prima che possano essere inseriti nelle fratture aperte all’interno della formazione. Per superare questo effetto negativo, à ̈ necessario introdurre un reticolante, ad esempio ioni metallici polivalenti, che creano legami tra le catene polimeriche aumentando la viscosità del sistema e la sua stabilità alle alte temperature. In high temperature applications, the use of these polymers as the only thickening agents is rather limited due to the high thermal coefficient of viscosity of the thickened aqueous solutions. As soon as they are injected into an underground formation, these solutions lose viscosity due to the increase in temperature and release the proppants before they can be inserted into the open fractures within the formation. To overcome this negative effect, it is necessary to introduce a crosslinker, for example polyvalent metal ions, which create bonds between the polymer chains increasing the viscosity of the system and its stability at high temperatures.
Guar, derivati di guar e altre gomme sono tra gli agenti gelificanti polimerici più utilizzati, ma sfortunatamente contengono quantità sensibili di sostanze insolubili, da circa 1,5 a più del 10 % in peso. La presenza di tali sostanze insolubili in un fluido per fatturazione à ̈ altamente indesiderabile poiché può ostruire i pori della formazione o la frattura stessa. Guar, guar derivatives and other gums are among the most widely used polymeric gelling agents, but unfortunately they contain sensitive amounts of insoluble substances, from about 1.5 to more than 10% by weight. The presence of such insoluble substances in a billing fluid is highly undesirable as it can clog the pores of the formation or the fracture itself.
Come alternativa al guar, ai derivati di guar o alle altre gomme sono stati proposti, per il loro basso contenuto sostanze insolubili, gli eteri di cellulosa, ad esempio la carbossimetil cellulosa. Cellulose ethers, for example carboxymethyl cellulose, have been proposed as an alternative to guar, guar derivatives or other gums, due to their low insoluble content.
Ad esempio, US 3,845,822 descrive metodi di trattamento di fratture utilizzando principalmente carbossimetil cellulosa, un reticolante a base di CrF6e un composto riducente adatto per ridurre la valenza del cromo a un valore inferiore, ad esempio Cr<+3>. For example, US 3,845,822 describes fracture treatment methods using mainly carboxymethyl cellulose, a CrF6-based crosslinker and a reducing compound suitable for reducing the valence of chromium to a lower value, for example Cr <+3>.
WO 2011/107759, WO 2011/107758 e WO 2011/107757 descrivono fluidi per fratturazione comprendenti un fluido acquoso di base, un adatto agente addensante cellulosico, che può essere una carbossimetilcellulosa, e un agente reticolante compatibile, di solito un catione metallico come ioni di alluminio, ferro o zirconio. Il pH del fluido acquoso per fratturazione à ̈ preferibilmente acido, generalmente compreso tra 3,5 e 6. WO 2011/107759, WO 2011/107758 and WO 2011/107757 describe fracturing fluids comprising a basic aqueous fluid, a suitable cellulosic thickening agent, which may be a carboxymethylcellulose, and a compatible crosslinking agent, usually a metal cation such as ions. of aluminum, iron or zirconium. The pH of the aqueous fracturing fluid is preferably acidic, generally between 3.5 and 6.
EP 104009 riguarda una carbossimetil idrossietil cellulosa che, reticolata con un adatto ione alluminio in soluzione acquosa, non perde viscosità anche se utilizzata in ambienti a temperature fino a circa 200 °F (93 °C) EP 104009 concerns a carboxymethyl hydroxyethyl cellulose which, cross-linked with a suitable aluminum ion in aqueous solution, does not lose viscosity even if used in environments at temperatures up to about 200 ° F (93 ° C)
US 4,749,040 descrive una composizione reticolante che può produrre reticolazione ritardata di una soluzione acquosa di un polimero organico reticolabile. La composizione comprende un complesso organico di titanio e un acido organico alfa-idrossimonocarbossilico, preferibilmente acido idrossiacetico, ed à ̈ particolarmente utile per la fratturazione di formazioni sotterranee. Le soluzioni acquose di polimeri organici, che possono essere reticolate dalla composizione, comprendono soluzioni di carbossimetil idrossietil cellulosa. US 4,749,040 discloses a crosslinking composition which can produce delayed crosslinking of an aqueous solution of a crosslinkable organic polymer. The composition comprises an organic complex of titanium and an organic alpha-hydroximonocarboxylic acid, preferably hydroxyacetic acid, and is particularly useful for fracturing underground formations. Aqueous solutions of organic polymers, which can be cross-linked from the composition, include solutions of carboxymethyl hydroxyethyl cellulose.
EP 112102 descrive un fluido per fratturazione e un metodo per fratturare formazioni sotterranee penetrate da un pozzo. Il fluido per fratturazione comprende un liquido acquoso, un agente gelificante, un agente reticolante comprendente un chelato di zirconio o un chelato di alluminio e una sufficiente quantità di anidride carbonica per ridurre il pH del fango di fratturazione ad un livello inferiore a circa 5,5. L'agente gelificante comprende, tra gli altri, carbossialchil cellulose o carbossialchil idrossialchil cellulose. EP 112102 discloses a fracturing fluid and a method for fracturing underground formations penetrated by a well. The fracturing fluid comprises an aqueous liquid, a gelling agent, a cross-linking agent comprising a zirconium chelate or an aluminum chelate and a sufficient amount of carbon dioxide to reduce the pH of the fracturing mud to a level below about 5.5 . The gelling agent includes, among others, carboxyalkyl cellulose or carboxyalkyl hydroxyalkyl cellulose.
Purtroppo, le carbossimetil cellulose producono gel forti solo in condizioni acide, a pH basso, e non sono in grado di fornire gel aventi stabilità a temperature elevate come quelli ottenuti con il guar e i derivati di guar. Inoltre, l'uso di fluidi fortemente acidi, come quelli descritti nella letteratura citata, può provocare la corrosione dei serbatoi o delle tubature metalliche comunemente utilizzate negli impianti di servizio ai pozzi. Unfortunately, carboxymethyl celluloses produce strong gels only under acidic conditions, at low pH, and are unable to provide gels with stability at high temperatures such as those obtained with guar and guar derivatives. Furthermore, the use of highly acidic fluids, such as those described in the cited literature, can cause corrosion of tanks or metal pipes commonly used in well service systems.
Sono state, quindi, cercate altre soluzioni. Ad esempio, US 4,553,601 descrive un agente gelificante preparato introducendo strutture pendenti diidrossi-vicinali in idrossietil cellulose o in altri selezionati eteri di cellulosa, tra cui, ad esempio carbossimetil cellulose. Questo agente gelificante può essere reticolato con una varietà di ioni metallici per produrre fluidi per fratturazione gelificati che presentano elevata stabilità termica fino a pH 14. Therefore, other solutions were sought. For example, US 4,553,601 describes a gelling agent prepared by introducing dihydroxy-vicinal hanging structures into hydroxyethyl cellulose or other selected cellulose ethers, including, for example, carboxymethyl cellulose. This gelling agent can be cross-linked with a variety of metal ions to produce gelled fracturing fluids that exhibit high thermal stability up to pH 14.
US 2002125012 descrive un fluido per fratturazione comprendente un solvente, un polimero solubile o idratabile in detto solvente, un agente reticolante, un agente destrutturante inorganico, e un estere. La carbossimetil cellulosa à ̈ menzionata tra i polimeri utili solubili, ma non viene fornita nessuna ulteriore descrizione caratterizzante e non viene descritto nessun fluido per fratturazione comprendente una CMC. US 2002125012 discloses a fracturing fluid comprising a solvent, a polymer that is soluble or hydratable in said solvent, a crosslinking agent, an inorganic destructuring agent, and an ester. Carboxymethyl cellulose is mentioned among the useful soluble polymers, but no further characterizing description is provided and no fracturing fluid comprising a CMC is disclosed.
Tuttavia, Ã ̈ ancora altamente desiderabile fornire un fluido per fratturazione gelificato a base di carbossimetil cellulosa reticolata che possa essere usato a pH superiore a 10 e che sia stabile a temperature ben al di sopra dei 200 °F (93 °C). However, it is still highly desirable to provide a cross-linked carboxymethyl cellulose-based gelled fracturing fluid that can be used at pH above 10 and is stable at temperatures well above 200 ° F (93 ° C).
È stato ora trovato che questi requisiti sono pienamente soddisfatti quando il fluido acquoso per fratturazione viene formulato utilizzando una carbossimetil cellulosa (CMC) viscoelastica come agente gelificante. Sorprendentemente la carbossimetil cellulosa viscoelastica può essere reticolata a pH basico con composti contenenti titanio (IV), zirconio (IV), antimonio (III), antimonio (V) per dare gel stabili sia ad alti sforzi di taglio sia ad alte temperature. Questi gel sono stabili fino a 300 °F (149 °C). It has now been found that these requirements are fully met when the aqueous fracturing fluid is formulated using a viscoelastic carboxymethyl cellulose (CMC) as a gelling agent. Surprisingly, viscoelastic carboxymethyl cellulose can be crosslinked at basic pH with compounds containing titanium (IV), zirconium (IV), antimony (III), antimony (V) to give stable gels both at high shear stresses and at high temperatures. These gels are stable up to 300 ° F (149 ° C).
Per quanto noto al richiedente, nessuno ha mai descritto prima questa soluzione tecnica. As far as the applicant is aware, no one has ever described this technical solution before.
Nel presente testo, con l’espressione "carbossimetil cellulosa viscoelastica" si intende una CMC che, in soluzione acquosa ad una concentrazione pari a 1,15% in peso di sostanza attiva, presenta un modulo elastico G' superiore al modulo viscoso G'' almeno fino al 5% di ampiezza angolare (deformazione), misurando G’ e G’’ con un reometro rotazionale piatto-cono variando la % di deformazione tra 0,01 e 1000, a una frequenza di 0,5 Hz, alla temperatura di 25 °C e con cono d’acciaio di 60 mm e angolo tra piatto e cono pari a 1°. In this text, the expression "viscoelastic carboxymethyl cellulose" means a CMC which, in aqueous solution at a concentration equal to 1.15% by weight of active substance, has an elastic modulus G 'higher than the viscous modulus G' 'at least up to 5% angular amplitude (deformation), measuring Gâ € ™ and Gâ € ™ â € ™ with a flat-cone rotational rheometer varying the% of deformation between 0.01 and 1000, at a frequency of 0.5 Hz, at a temperature of 25 ° C and with a steel cone of 60 mm and an angle between plate and cone equal to 1 °.
Va sottolineato che, sebbene alcune sintesi di CMC viscoelastiche siano riportate in letteratura, le CMC presenti sul mercato non hanno normalmente comportamento viscoelastico; inoltre, le pubblicazioni che descrivono la preparazione di CMC viscoelastiche non ne suggeriscono l'uso in fluidi acquosi per fratturazione. EP 1682630 descrive, per esempio, un fluido di perforazione a base di acqua, utilizzabile per operazioni di perforazione, comprendente una particolare carbossimetil cellulosa. Detta CMC à ̈ caratterizzata da caratteristiche viscoelastiche poiché forma un gel in una soluzione acquosa di cloruro di sodio al 0,3% in peso, il gel essendo un fluido avente un modulo elastico (G') che supera il modulo di viscoso (G") nell’intero campo di frequenze comprese tra 0,01 e 10 Hz quando misurati con un reometro oscillatorio che opera ad una deformazione di 0,2. In questo brevetto non si fa menzione circa l'uso del fluido per la fratturazione di formazioni sotterranee e sulla possibilità di produrre gel molto forti, anche a temperature elevate, reticolando la CMC a pH basico. It should be emphasized that, although some syntheses of viscoelastic CMCs are reported in the literature, the CMCs present on the market do not normally have viscoelastic behavior; furthermore, publications describing the preparation of viscoelastic CMCs do not suggest their use in aqueous fracturing fluids. EP 1682630 describes, for example, a water-based drilling fluid, usable for drilling operations, comprising a particular carboxymethyl cellulose. Said CMC is characterized by viscoelastic characteristics since it forms a gel in an aqueous solution of sodium chloride at 0.3% by weight, the gel being a fluid having an elastic modulus (G ') that exceeds the viscous modulus (G ") in the entire range of frequencies between 0.01 and 10 Hz when measured with an oscillatory rheometer operating at a deformation of 0.2. In this patent no mention is made of the use of fluid for the fracturing of underground formations and the possibility of producing very strong gels, even at high temperatures, by crosslinking the CMC at basic pH.
Con l’espressione "grado di sostituzione" (DS), si intende il numero medio di gruppi ossidrilici sostituiti per ogni unità anidroglucosidica della carbossimetil cellulosa, che può essere misurato, per esempio, secondo la norma ASTM D1439-03. With the expression "degree of substitution" (DS), we mean the average number of hydroxyl groups substituted for each anhydroglucoside unit of carboxymethyl cellulose, which can be measured, for example, according to the ASTM D1439-03 standard.
Il contenuto di sostanza attiva in campioni di carbossimetil cellulosa può essere determinato, su base anidra, secondo la norma ASTM D1439-03 (Purity). The active substance content in carboxymethyl cellulose samples can be determined, on an anhydrous basis, according to the ASTM D1439-03 (Purity) standard.
DESCRIZIONE DELL’INVENZIONE DESCRIPTION OF THE INVENTION
È pertanto oggetto della presente invenzione un metodo per la fratturazione di una porzione di una formazione sotterranea comprendente: The object of the present invention is therefore a method for fracturing a portion of an underground formation comprising:
I. fornire un fluido acquoso per fratturazione con un pH compreso tra 10 e 14 comprendente disciolti in esso: I. provide an aqueous fluid for fracturing with a pH between 10 and 14 comprising dissolved therein:
a) da 0,1 a 5,0 % in peso, preferibilmente da 0,2% a 1,8% in peso, di una carbossimetil cellulosa (CMC) che in soluzione acquosa ad una concentrazione pari a 1,15% in peso di sostanza attiva, presenta un modulo elastico G' superiore al modulo viscoso G'' almeno fino al 5% di ampiezza angolare (deformazione), misurando G’ e G’’ con un reometro rotazionale piatto-cono variando la % di deformazione tra 0,01 e 1000, a una frequenza di 0,5 Hz, alla temperatura di 25 °C e con cono d’acciaio di 60 mm e angolo tra piatto e cono pari a 1°; a) from 0.1 to 5.0% by weight, preferably from 0.2% to 1.8% by weight, of a carboxymethyl cellulose (CMC) which in aqueous solution at a concentration equal to 1.15% by weight of active substance, has an elastic modulus G 'higher than the viscous modulus G' 'at least up to 5% of angular amplitude (deformation), measuring Gâ € ™ and Gâ € ™ â € ™ with a flat-cone rotational rheometer varying the% deformation between 0.01 and 1000, at a frequency of 0.5 Hz, at a temperature of 25 ° C and with a steel cone of 60 mm and an angle between plate and cone equal to 1 °;
b) da 0.001 a 0.5 % in peso, preferibilmente da 0.005 a 0.2 % in peso, di un reticolante scelto nel gruppo composto da titanio (IV), zirconio (IV), antimonio (III), antimonio (V) e loro miscele; b) from 0.001 to 0.5% by weight, preferably from 0.005 to 0.2% by weight, of a crosslinker selected from the group consisting of titanium (IV), zirconium (IV), antimony (III), antimony (V) and their mixtures;
II. porre detto fluido acquoso per fratturazione in una porzione di una formazione sotterranea. II. placing said aqueous fracturing fluid in a portion of an underground formation.
DESCRIZIONE DETTAGLIATA DELL'INVENZIONE DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
La carbossimetil cellulosa viscoelastica a), che caratterizza il fluido acquoso per fratturazione della presente invenzione, ha una viscosità lineare ad una concentrazione pari a 0,48 % in peso di sostanza attiva in acqua, a 25 °C e 300 rpm compresa tra 10 e 150 mPa*s , preferibilmente tra 25 e 100 mPa*s, più preferibilmente tra 45 e 90 mPa*s. The viscoelastic carboxymethyl cellulose a), which characterizes the aqueous fluid for fracturing of the present invention, has a linear viscosity at a concentration equal to 0.48% by weight of active substance in water, at 25 ° C and 300 rpm between 10 and 150 mPa * s, preferably between 25 and 100 mPa * s, more preferably between 45 and 90 mPa * s.
Preferibilmente, la CMC viscoelastica dell'invenzione, in soluzione acquosa ad una concentrazione pari a 1,15% in peso di sostanza attiva, ha tan ï ¤, cioà ̈ rapporto tra modulo viscoso G" e modulo elastico G', inferiore a 0,65 all’1% di deformazione, G’ e G’’ essendo misurati con un reometro rotazionale piatto-cono variando la % di deformazione, a una frequenza di 0,5 Hz, alla temperatura di 25 °C e con cono d’acciaio di 60 mm e angolo tra piatto e cono pari 1°. Preferably, the viscoelastic CMC of the invention, in aqueous solution at a concentration equal to 1.15% by weight of active substance, has tan ï ¤, i.e. the ratio between the viscous modulus G "and the elastic modulus G ', lower than 0, 65 at 1% deformation, Gâ € ™ and Gâ € ™ â € ™ being measured with a flat-cone rotational rheometer by varying the% of deformation, at a frequency of 0.5 Hz, at a temperature of 25 ° C and with 60 mm steel cone and 1 ° angle between plate and cone.
Le CMC viscoelastiche possono essere preparate, ad esempio, seguendo le procedure descritta in DD 233 377, EP 1025130, Macromolecules, 22, 364-366, 1989 o Polymer, 39, 3155-3165, 1998. Il grado di sostituzione della CMC viscoelastica utilizzabile nell’invenzione può variare tra 0,4 e 1,7, preferibilmente tra 0,5 e 1,2, più preferibilmente tra 0,55 e 1,0. Viscoelastic CMCs can be prepared, for example, following the procedures described in DD 233 377, EP 1025130, Macromolecules, 22, 364-366, 1989 or Polymer, 39, 3155-3165, 1998. The degree of substitution of the usable viscoelastic CMC in the invention it can vary between 0.4 and 1.7, preferably between 0.5 and 1.2, more preferably between 0.55 and 1.0.
La CMC viscoelastica utile per la realizzazione della presente invenzione può essere una carbossimetil cellulosa di grado tecnico o purificata, con una contenuto di sostanza attiva (su base anidra) compreso tra 50 e 100% in peso, preferibilmente da 70 a 98,5% in peso, e un contenuto di acqua da circa 2 a circa 12% in peso. The viscoelastic CMC useful for carrying out the present invention can be a technical grade or purified carboxymethyl cellulose, with an active substance content (on an anhydrous basis) ranging from 50 to 100% by weight, preferably from 70 to 98.5% by weight. weight, and a water content of from about 2 to about 12% by weight.
I composti che possono essere utilizzati per rilasciare i reticolanti b) nei fluidi acquosi per fratturazione della presente invenzione sono quelli comunemente utilizzati nel settore. The compounds that can be used to release the crosslinkers b) in the aqueous fluids for fracturing of the present invention are those commonly used in the sector.
Esempi di composti che possono essere utilizzati per rilasciare i ioni di titanio (IV) sono organotitanati quali acetilacetonato di titanio, titanio trietanolammina e lattato di ammonio e titanio. Examples of compounds that can be used to release titanium (IV) ions are organotitanates such as titanium acetylacetonate, titanium triethanolamine and ammonium and titanium lactate.
Esempi di composti che forniscono zirconio (IV) sono acetilacetonato di zirconio, zirconio lattato, carbonato di zirconio e lattato di diisopropilammina e zirconio. Examples of compounds that provide zirconium (IV) are zirconium acetylacetonate, zirconium lactate, zirconium carbonate and diisopropylamine lactate and zirconium.
Esempi di composti che forniscono antimonio (III) sono tartrato di antimonio e ossalato di antimonio. L’antimonio (V) può derivare, per esempio, da piroantimoniato di potassio. Examples of compounds that provide antimony (III) are antimony tartrate and antimony oxalate. Antimony (V) can derive, for example, from potassium pyroantimonate.
I reticolanti preferiti sono titanio (IV), zirconio (IV) e loro miscele. The preferred crosslinkers are titanium (IV), zirconium (IV) and their mixtures.
Il pH del fluido acquoso per fratturazione dell'invenzione può essere regolato a valori compresi tra 10 e 14 con basi o tamponi, ossia miscele di acidi e basi, comunemente usati nel settore. Per esempio, bicarbonato di sodio, fosfato di sodio bibasico, carbonato di potassio, idrossido di sodio, idrossido di potassio e carbonato di sodio sono tipici agenti di regolazione del pH. Possono essere anche utilizzate proficuamente basi a dissoluzione lenta, come idrossido di magnesio. Preferibilmente, il composto per la regolazione del pH viene aggiunto al liquido acquoso dopo l'aggiunta del polimero. Preferibilmente, il pH del fluido per fratturazione viene mantenuto tra 11 e 13. The pH of the aqueous fluid for fracturing of the invention can be adjusted to values between 10 and 14 with bases or buffers, ie mixtures of acids and bases, commonly used in the sector. For example, sodium bicarbonate, dibasic sodium phosphate, potassium carbonate, sodium hydroxide, potassium hydroxide, and sodium carbonate are typical pH adjusting agents. Slowly dissolving bases, such as magnesium hydroxide, can also be used profitably. Preferably, the pH adjusting compound is added to the aqueous liquid after the addition of the polymer. Preferably, the pH of the fracturing fluid is maintained between 11 and 13.
I fluidi acquosi per fratturazione secondo l'invenzione possono comprendere un ritardante per rallentare la velocità di reticolazione per un tempo sufficiente a consentire di pompare facilmente il liquido acquoso addensato all’interno della formazione sotterranea. Il ritardante può essere un agente complessante che complessi efficacemente il catione reticolante. Può essere usato uno qualsiasi tra gli agenti complessanti noti nella tecnica. Esempi di agenti complessanti adatti includono, ma non sono necessariamente limitati a, polioli, gluconati, sorbitoli, mannitoli, carbonati, o qualsiasi loro miscela. Il ritardante può essere presente nel fluido per fratturazione fino a 0,4 % in peso, preferibilmente nell’intervallo da 0,02 a 0,3 % in peso. The aqueous fracturing fluids according to the invention can comprise a retarder to slow down the crosslinking speed for a time sufficient to allow the thickened aqueous liquid to be easily pumped into the underground formation. The retarder may be a complexing agent which effectively complexes the cross-linking cation. Any of the complexing agents known in the art can be used. Examples of suitable complexing agents include, but are not necessarily limited to, polyols, gluconates, sorbitols, mannitols, carbonates, or any mixture thereof. The retarder can be present in the fracturing fluid up to 0.4% by weight, preferably in the range of 0.02 to 0.3% by weight.
Qualsiasi tipo di fluido acquoso per fratturazione può essere utilizzato nel metodo dell'invenzione. Il fluido può essere, per esempio, un liquido gelificato o una schiuma-gel, in cui le bolle di schiuma aiutano a trasportare e a inserire i proppants nelle fratture. Any type of aqueous fracturing fluid can be used in the method of the invention. The fluid can be, for example, a gelled liquid or a foam-gel, in which the foam bubbles help to transport and insert the proppants into the fractures.
La componente acquosa del fluido per fratturazione può essere selezionata tra acqua dolce, acqua salata, acqua marina, brine (salamoie), naturali o sintetiche, miscele di acqua e composti organici solubili acqua, ogni altro liquido acquoso che non interagisca con gli altri componenti del fluido per fratturazione influenzandone negativamente le prestazioni, e loro miscele. The aqueous component of the fracturing fluid can be selected from fresh water, salt water, sea water, brine (brine), natural or synthetic, mixtures of water and water-soluble organic compounds, any other aqueous liquid that does not interact with the other components of the fracturing fluid negatively affecting its performance, and their mixtures.
Le brine sono soluzioni di acqua e sali inorganici e/o iorganici. Sali inorganici preferiti includono alogenuri di metalli alcalini, in particolare cloruro di potassio. Le brine possono comprendere anche un sale organico, preferibilmente sodio o potassio formiato. I sali inorganici bivalenti preferiti includono gli alogenuri di calcio, più preferibilmente cloruro di calcio o bromuro di calcio. Possono essere utilizzati anche bromuro di sodio, bromuro di potassio o bromuro di cesio. Brines are solutions of water and inorganic and / or inorganic salts. Preferred inorganic salts include alkali metal halides, in particular potassium chloride. The brines can also comprise an organic salt, preferably sodium or potassium formate. Preferred divalent inorganic salts include calcium halides, more preferably calcium chloride or calcium bromide. Sodium bromide, potassium bromide or cesium bromide can also be used.
Il fluido acquoso per fratturazione, oltre all'agente addensante, al reticolante e alla componente acquosa, contiene normalmente additivi che sono ben noti agli esperti nella tecnica, quali proppants, stabilizzanti di gel, agenti destrutturanti di gel, tensioattivi, stabilizzanti di argille, assorbitori di ossigeno, alcoli, inibitori di incrostazioni, inibitori di corrosione, riduttori di perdita di filtrato, battericidi e simili. The aqueous fracturing fluid, in addition to the thickening agent, the crosslinker and the aqueous component, normally contains additives which are well known to those skilled in the art, such as proppants, gel stabilizers, gel destructuring agents, surfactants, clay stabilizers, absorbers of oxygen, alcohols, scale inhibitors, corrosion inhibitors, filtrate loss reducers, bactericides and the like.
Preferibilmente, il fluido comprende inoltre uno o più proppants sospesi nel fluido. I proppants utilizzabili includono, ma non sono limitati a, sabbia, sabbia rivestita di resina, perle in ceramica, bauxite, vetro, perle di vetro e loro miscele. Preferably, the fluid further comprises one or more proppants suspended in the fluid. Usable proppants include, but are not limited to, sand, resin coated sand, ceramic beads, bauxite, glass, glass beads, and mixtures thereof.
Gli stabilizzanti di gel sono inibitori di ossidazione o assorbitori di radicali liberi che rimuovono l'ossigeno disciolto nell’acqua. L'ossigeno disciolto à ̈ la principale causa di rottura radicalica/ossidativa dei polimeri naturali o dei loro derivati solubili in acqua. Esempio di stabilizzanti di gel adatti sono sodio tiosolfato, benzofuranoni sostituiti, idrossilammina sia in forma di sale che dei suoi derivati alchilici, composti di fosforo trivalente, idrochinone e idrochinone formulato con ammine, antiossidanti naturali, come acido ascorbico e vitamina C, e metiletil chetossima. Gel stabilizers are oxidation inhibitors or free radical absorbers that remove dissolved oxygen in water. Dissolved oxygen is the main cause of radical / oxidative breakdown of natural polymers or their water-soluble derivatives. Example of suitable gel stabilizers are sodium thiosulfate, substituted benzofuranones, hydroxylamine both in the form of salt and its alkyl derivatives, compounds of trivalent phosphorus, hydroquinone and hydroquinone formulated with amines, natural antioxidants, such as ascorbic acid and vitamin C, and methylethyl kethoxime .
Gli agenti destrutturanti di gel utilizzabili includono, ma non sono limitati a, persolfato di ammonio, persolfato di sodio, bromato di sodio e clorito di sodio, enzimi. Preferibilmente, l’agente destrutturante à ̈ un agente ritardato, ad esempio persolfato di ammonio incapsulato. Un agente destrutturante ritardato rilascia lentamente l'ossidante per permettere che all’inizio si formi un gel molto forte che possa trasportare e depositare i proppants nella formazione. Usable gel destructuring agents include, but are not limited to, ammonium persulfate, sodium persulfate, sodium bromate and sodium chlorite, enzymes. Preferably, the destructuring agent is a retarded agent, for example encapsulated ammonium persulfate. A delayed destructuring agent slowly releases the oxidant to allow a very strong gel to form at the beginning that can transport and deposit the proppants in the formation.
I fluidi acquosi per fratturazione della presente invenzione possono essere preparati mediante qualsiasi metodo adatto per una data applicazione. Ad esempio, alcuni componenti del fluido di trattamento della presente invenzione possono essere forniti premiscelati in forma di polvere o di una dispersione concentrata di polveri in un liquido non acquoso, che possono essere combinati con il fluido acquoso in un momento successivo. Semplicemente il fluido acquoso per fratturazione dell'invenzione può essere preparato miscelando in un mixer insieme al liquido acquoso, la carbossimetilcellulosa viscoelastica, l'agente reticolante e gli altri additivi. La miscelazione avviene di solito in campo. The aqueous fracturing fluids of the present invention can be prepared by any method suitable for a given application. For example, some components of the treatment fluid of the present invention can be supplied premixed in the form of a powder or a concentrated dispersion of powders in a non-aqueous liquid, which can be combined with the aqueous fluid at a later time. Simply the aqueous fluid for fracturing of the invention can be prepared by mixing the viscoelastic carboxymethylcellulose, the crosslinking agent and the other additives in a mixer together with the aqueous liquid. Mixing usually takes place in the field.
Generalmente i fluidi acquosi gelificati per fratturazione dell'invenzione hanno una viscosità , misurata con reometro Grace Instrument M5500® a 180 °F (82,2 °C) al di sopra di 500 mPa*s a 100 sec<-1>, e, più preferibilmente, al di sopra di 600 mPa*s a 100 sec<-1>. Questi fluidi gelificati sono termicamente stabili ad alte deformazioni a temperature di circa 300 ° F (149 °C). Generally the aqueous fluids gelled by fracturing of the invention have a viscosity, measured with Grace Instrument M5500® rheometer at 180 ° F (82.2 ° C) above 500 mPa * s at 100 sec <-1>, and, more preferably, above 600 mPa * s at 100 sec <-1>. These gelled fluids are thermally stable under high deformations at temperatures of approximately 300 ° F (149 ° C).
Nel metodo della descrizione, il fluido acquoso per fratturazione viene poi pompato o iniettato nella formazione sotterranea (ad esempio, dalla superficie attraverso un pozzo). Preferibilmente, il fluido viene pompato o iniettato ad una pressione sufficiente per fratturare la formazione (ad esempio, generare una pluralità di fratture) e quindi consentire il trasferimento nelle fratture del particolato solido opzionale (proppants), sospeso nel fluido di trattamento, e di essere lì depositato. In the method of the disclosure, the aqueous fracturing fluid is then pumped or injected into the underground formation (e.g., from the surface through a well). Preferably, the fluid is pumped or injected at a pressure sufficient to fracture the formation (for example, generate a plurality of fractures) and thus allow the transfer into the fractures of the optional solid particles (proppants), suspended in the treatment fluid, and to be deposited there.
I seguenti esempi sono inclusi per mostrare forme di realizzazione preferite dell'invenzione. The following examples are included to show preferred embodiments of the invention.
ESEMPI EXAMPLES
I principali parametri chimici e reologici delle carbossimetil cellulose utilizzate nelle prove applicative (Esempi 1-12) sono riportati in Tabella 1. Per la determinazione della viscosità lineare, 500 ml di acqua deionizzata sono stati trasferiti in una tazza di un mixer Waring® e portati a 25 °C. Successivamente, in 60 secondi sotto agitazione a 2000 rpm, à ̈ stata aggiunta la quantità di campione necessaria per avere 2,40 g di sostanza attiva (su base anidra). L'agitazione à ̈ stata mantenuta per 30 minuti. Dopo raffreddamento a 25 °C la viscosità à ̈ stata determinata a 300 rpm con un viscosimetro OFITE 800®. The main chemical and rheological parameters of the carboxymethyl cellulose used in the application tests (Examples 1-12) are shown in Table 1. For the determination of the linear viscosity, 500 ml of deionized water were transferred into a cup of a Waring® mixer and brought at 25 ° C. Subsequently, in 60 seconds under agitation at 2000 rpm, the quantity of sample necessary to obtain 2.40 g of active substance (on an anhydrous basis) was added. The agitation was maintained for 30 minutes. After cooling to 25 ° C the viscosity was determined at 300 rpm with an OFITE 800® viscometer.
Il comportamento viscoelastico delle diverse CMC à ̈ stato determinato su soluzioni acquose con una concentrazione pari a 0,7 e 1,15% in peso di sostanza attiva utilizzando un reometro AR 2000 (TA Instruments), variando la deformazione tra 0,01 e 1000%, a 0,5 Hz, a 25 °C e con cono d’acciaio di geometria 60 mm e angolo tra piatto e cono pari a 1°. La Tabella 1 riporta il valore di deformazione % (% strain) al quale il modulo elastico G' sotto diventa minore del modulo viscoso G'' (si ha incrocio delle curve relative) e il tan ï ¤ (rapporto G"/G') a 1% di deformazione (per la soluzione all’1,15% in peso). In tabella, "No" significa che le curve G' e G" non si incrociano. Il grado di sostituzione (DS) à ̈ stato determinato utilizzando lo standard ASTM D 1439-03, (Degree of etherification, Method B). Lo stesso standard à ̈ stato utilizzato per la determinazione del contenuto percentuale di sostanza attiva (Purity). The viscoelastic behavior of the different CMCs was determined on aqueous solutions with a concentration of 0.7 and 1.15% by weight of active substance using an AR 2000 rheometer (TA Instruments), varying the deformation between 0.01 and 1000 %, at 0.5 Hz, at 25 ° C and with a steel cone with a geometry of 60 mm and an angle between plate and cone equal to 1 °. Table 1 shows the% strain value (% strain) at which the elastic modulus G 'below becomes less than the viscous modulus G' '(there is a crossing of the relative curves) and the tan ï ¤ (ratio G "/ G') at 1% deformation (for the solution at 1.15% by weight). In the table, "No" means that the curves G 'and G "do not cross. The degree of substitution (DS) was determined using the ASTM D 1439-03 standard, (Degree of etherification, Method B). The same standard was used for the determination of the percentage content of active substance (Purity).
Tabella 1 Table 1
% Viscosità % Strain % Strain TanÎ ́ CMC Sostanza DS Lineare 0.7% in 1.15 % in 1.15 % in Attiva mPa*s peso peso peso Esempio 1 75.6 0.69 68 16<102>0.50 Esempio 2 73.1 0.69 60 16<127>0.50<Esempio 3>72.7 0.69 44 No 16 0.86<Esempio 4>78.6 0.71 61 No 10 0.95<Esempio 5>68.3 0.84 57 No 100 0.76<Esempio 6>99.4 0.84 47 No 40 0.70<Esempio 7*>68.1 0.86 51 No No 1.12<Esempio 8*>98.6 0.92 62 No No 1.34<Esempio 9*>99.1 0.92 68 No No 1.07<Esempio 10*>72.8 0.67 57 No 2 0.83 * Comparativo % Viscosity% Strain% Strain TanÎ ́ CMC Substance DS Linear 0.7% in 1.15% in 1.15% in Active mPa * s weight weight weight Example 1 75.6 0.69 68 16 <102> 0.50 Example 2 73.1 0.69 60 16 <127> 0.50 <Example 3> 72.7 0.69 44 No 16 0.86 <Example 4> 78.6 0.71 61 No 10 0.95 <Example 5> 68.3 0.84 57 No 100 0.76 <Example 6> 99.4 0.84 47 No 40 0.70 <Example 7 *> 68.1 0.86 51 No No 1.12 < Example 8 *> 98.6 0.92 62 No No 1.34 <Example 9 *> 99.1 0.92 68 No No 1.07 <Example 10 *> 72.8 0.67 57 No 2 0.83 * Comparative
Le soluzioni preparate per la misura della viscosità lineare sono state anche utilizzate per la preparazione del gel reticolato. Per ogni campione, 100 g di soluzione sono stati portati a pH circa 11 aggiungendo NaOH diluito sotto agitazione meccanica a 2000 rpm. Poi le soluzioni di CMC sono state gelificate aggiungendo una soluzione acquosa contenente il 6% in peso di zirconio (IV), come reticolante. Il pH à ̈ stato poi portato a circa 12 con NaOH diluito. 29 g di gel così ottenuto sono stati trasferiti in una tazza rotore per test ad alta pressione e ad alta temperatura di un reometro Grace Instrument M5500®. Le prove sono state eseguite a 180°F (82,2 °C) e 400 psi (2,76 MPa), in un bagno preriscaldato, a una velocità di deformazione tangenziale costante di 100 sec<-1>per 1 ora. The solutions prepared for linear viscosity measurement were also used for the preparation of the cross-linked gel. For each sample, 100 g of solution were brought to pH about 11 by adding diluted NaOH under mechanical stirring at 2000 rpm. Then the CMC solutions were gelled by adding an aqueous solution containing 6% by weight of zirconium (IV), as crosslinker. The pH was then brought to about 12 with diluted NaOH. 29 g of the resulting gel was transferred to a high pressure, high temperature test rotor cup of a Grace Instrument M5500® rheometer. The tests were performed at 180 ° F (82.2 ° C) and 400 psi (2.76 MPa), in a preheated bath, at a constant shear rate of 100 sec <-1> for 1 hour.
Le quantità di reticolante, riportate in Tabella 2, sono state ottimizzate in modo da raggiungere la massima viscosità del gel. The amounts of crosslinker, reported in Table 2, have been optimized in order to reach the maximum viscosity of the gel.
La viscosità del gel reticolato dopo 1 ora à ̈ riportata in Tabella 2. The viscosity of the cross-linked gel after 1 hour is shown in Table 2.
Tabella 2 Table 2
Viscosità Viscosità Viscosity Viscosity
Gel Lineare Reticolante Gel Reticolato Linear Cross-linking Gel Cross-linked gel
mPa*s (mL/L) mPa*s mPa * s (mL / L) mPa * s
<Esempio 1>68 3.5 1200 <Example 1> 68 3.5 1200
Esempio 260 3.5 950Example 260 3.5 950
Esempio 344 3.5 700Example 344 3.5 700
Esempio 461 3.5 900Example 461 3.5 900
Esempio 557 4 900Example 557 4 900
Esempio 647 4.5 700Example 647 4.5 700
Esempio 7*51 4.5 350Example 7 * 51 4.5 350
Esempio 8*62 4.5 240Example 8 * 62 4.5 240
Esempio 9*68 4.5 450Example 9 * 68 4.5 450
Esempio 10*57 3.5 540Example 10 * 57 3.5 540
* Comparativo * Comparative
I risultati mostrano che le carbossimetil cellulose viscoelastiche secondo la invenzione hanno la capacità di formare un gel reticolato molto forte e questo le rende perfettamente adatte all’uso come addensanti per fluidi acquosi per fratturazione. Al contrario, le carbossimetil cellulose della tecnica nota non mostrano le stesse prestazioni. The results show that the viscoelastic carboxymethyl celluloses according to the invention have the ability to form a very strong cross-linked gel and this makes them perfectly suitable for use as thickeners for aqueous fracturing fluids. On the contrary, the carboxymethyl celluloses of the known art do not show the same performances.
Test ad alta temperatura. High temperature test.
Con la CMC dell'Esempio 2 à ̈ stato preparato un gel reticolato come descritto sopra, ma con l'ulteriore aggiunta, prima della aggiunta del reticolante, di 0,15% in peso di cloruro di tetrametil ammonio (TMAC), uno stabilizzatore di argille utilizzato normalmente in operazioni di fratturazione, e di 0,24 % in peso di tiosolfato di sodio, come stabilizzante del gel. 29 g del gel così ottenuto sono stati trasferiti in una tazza rotore per prove ad alta pressione ad alta temperatura di un reometro Grace Instrument M5500®. Il gel à ̈ stato trattato per 1 ora a 300 °F (149 ° C) e 400 psi (2,76 MPa), in un bagno preriscaldato, a una velocità di deformazione tangenziale di 100 sec<-1>. Dopo un periodo iniziale di stabilizzazione (circa 15 minuti), il gel ha raggiunto una viscosità di 400 mPa*s e tale valore à ̈ stato mantenuto fino alla fine della prova. With the CMC of Example 2 a cross-linked gel was prepared as described above, but with the further addition, before the addition of the cross-linker, of 0.15% by weight of tetramethyl ammonium chloride (TMAC), a stabilizer of clays normally used in fracturing operations, and 0.24% by weight of sodium thiosulfate, as a stabilizer of the gel. 29 g of the resulting gel was transferred to a high temperature high pressure test rotor cup of a Grace Instrument M5500® rheometer. The gel was treated for 1 hour at 300 ° F (149 ° C) and 400 psi (2.76 MPa), in a preheated bath, at a shear rate of 100 sec <-1>. After an initial stabilization period (about 15 minutes), the gel reached a viscosity of 400 mPa * s and this value was maintained until the end of the test.
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