JP2020532627A - 増強された高温架橋破砕流体 - Google Patents

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Abstract

ターポリマーを備える水性ターポリマー組成物と、添加剤と、架橋剤との混合物を備える破砕流体。ターポリマーは、2−アクリルアミド−2−メチルプロパンスルホン酸、アクリルアミド及びアクリル酸モノマー単位、又はその塩を備える。添加剤は、糖アルコール又はその誘導体を含み、架橋剤は金属を備える。ターポリマーに対する金属の重量比の範囲は0.01から0.16であり、前記添加剤の濃度の範囲は、前記破砕流体の0.001wt.%から10wt.%である。地下層を処理することは、破砕流体を地下層に導入するステップと、架橋された破砕流体を生成するために、地下層において破砕流体を架橋するステップとを備える。架橋された破砕流体は、実質的な総溶解固形分又は高い水硬度によって引き起こされる損傷を軽減する。

Description

[優先権の主張]
この出願は、2017年8月29日に出願された米国特許出願第62/551,369号に対する優先権を主張し、その全内容は参照により本明細書に組み込まれる。
本書は、水圧破砕操作に用いられる方法及び組成物に関し、特には、硬水又は高い総溶解固形分(TDS)を有する水で用いられ、約280°F(138℃)から約450°F(232℃)までの高温に適合する、水圧破砕操作に用いられる方法及び組成物に関する。
グアー流体などの多糖ベース流体は、主に、その豊富さと、アルカリ性であるpH(例えば、9.5超)で調合したときに最高350°F(177℃)の温度で機能する能力とを理由に、水圧破砕操作では普通に使われている。しかし、ほとんどのグアーベースの破砕流体の1つの大きな欠点は、グアー中に含まれる、浸透率の低下を引き起こしやすい不溶性残渣である。アルカリ性pHでのグアーベース流体の使用における別の欠点は、2価のイオンスケールを形成しやすいことである。一般に、アクリルアミドベースのポリマーなどの熱的に安定な合成ポリマーは残渣を残さないと考えられる。これらのポリマーは、およそ300°F(149℃)から450°Fでの破砕流体の調製に用いることができる。しかし、アクリルアミドベースのポリマーは、不完全な分解などの要因により、依然として油層障害を引き起こす場合がある。加えて、総溶解固形分(TDS)又は水の硬度が特定レベルを超えると、破砕流体の性能に悪影響を及ぼす可能性がある。
第1の一般態様において、破砕流体は、水性ターポリマー組成物と、架橋剤と、糖アルコール及び糖アルコール誘導体の少なくとも一方を含む添加剤との混合物を含む。水性ターポリマー組成物は、2−アクリルアミド−2−メチルプロパンスルホン酸、アクリルアミド、アクリル酸のモノマー単位を有するターポリマーを含む。アクリル酸モノマー単位は、アクリル酸の塩の形態であってもよい。架橋剤は、金属を含む。場合によっては、架橋剤は、水混和性の非水性溶媒中に存在する。ターポリマーに対する金属の重量比は、0.01から0.16の範囲であり、添加剤の濃度の範囲は、破砕流体の0.001重量パーセント(wt.%)から10wt.%である。
第2の一般態様は、第1の一般態様の破砕流体を含むが、ターポリマーは、1mol%から55mol%の2−アクリルアミド−2−メチルプロパンスルホン酸モノマー単位を含み、架橋剤は、温度300°F、pH7未満での粘度が少なくとも500センチポアズ(cP)である架橋された流体を生成するのに十分な量で存在する。
第3の一般態様において、地下層を処理することは、第1の一般態様の破砕流体を地下層へ導入するステップを含み、架橋された破砕流体を生成するために、地下層において破砕流体を架橋させるステップを更に含む。
第1、第2、及び第3の一般態様の実施は、下記の特徴の1つ又は複数を含んでもよい。
実施の形態によっては、添加剤は、糖アルコールを含む。糖アルコールは、ソルビトール、エリトリトール、マンニトール、ラクチトール、キシリトール、及びマルチトールのうちの少なくとも1種を含んでもよい。糖アルコールの濃度の範囲は、典型的には破砕流体の0.005wt.%から10wt.%である。
実施の形態によっては、添加剤は、糖アルコール誘導体を含む。糖アルコール誘導体は、ソルビトール、エリトリトール、マンニトール、ラクチトール、キシリトール、及びマルチトールの誘導体のうちの少なくとも1種を含んでもよい。糖アルコール誘導体の濃度は、破砕流体の0.01wt.%から10wt.%、0.05wt.%から5wt.%、又は、0.05wt.%から2wt.%の範囲であってもよい。特定の実施の形態において、糖アルコール誘導体は、アルキル化糖アルコールを含む。
実施の形態によっては、ターポリマーに対する金属の重量比は、0.02から0.06の範囲である。
実施の形態によっては、ターポリマーは、1モルパーセント(mol%)から55mol%、1mol%から40mol%、又は、1mol%から25mol%の2−アクリルアミド−2−メチルプロパンスルホン酸モノマー単位を含む。
実施の形態によっては、破砕流体は、ゲル安定剤、粘土安定剤、粘度破壊剤、プロパント、及びpH調節剤のうちの少なくとも1種を含む。一の実施の形態において、破砕流体はpH調節剤を含み、破砕流体のpHの範囲は、2から7、又は、3から6.5である。場合によっては、破砕流体中のキャリア流体(キャリア)は、総溶解固形分を、50ミリグラム毎リットル(mg/L)と50,000mg/Lの間で有してもよい。場合によっては、破砕流体中のジルコニウム金属の濃度の範囲は、破砕流体の0.001wt.%から0.048wt.%である。破砕流体は、典型的には、破砕流体1,000ガロン当たり20ポンドから50ポンドのターポリマーを含む。
実施の形態によっては、架橋後に、ゲルが、300°Fから400°F(204℃)の範囲の温度でせん断速度40/秒(S)に曝されたとき、破砕流体は、少なくとも500cPの粘度を少なくとも80分間維持する。実施の形態によっては、架橋剤は、水混和性非水性流体を含む。実施の形態によっては、架橋剤はジルコニウムを含み、破砕流体は、破砕流体1,000ガロン当たり25ポンドのターポリマーを含み、ターポリマーに対するジルコニウムの重量比は、約0.02から約0.04の範囲であり、ターポリマーは、15wt.%の2−アクリルアミド−2−メチルプロパン−スルホン酸モノマー単位を含み、架橋された破砕流体が300°Fの温度でせん断速度40/秒に曝されたとき、架橋された破砕流体は、少なくとも500cPの粘度を最大180分間維持する。特定の実施の形態において、架橋された破砕流体は、粘度破壊剤を含み、架橋された破砕流体が300°Fの温度でせん断速度40/秒に曝されたとき、少なくとも500cPの粘度を最大160分間維持し、360分後の粘度は10cP未満となる。
実施の形態によっては、架橋剤はジルコニウムを含み、破砕流体は、破砕流体1,000ガロン当たり20ポンドのターポリマーを含み、ターポリマーに対するジルコニウムの重量比は、約0.02から約0.04の範囲であり、架橋された破砕流体が300°Fの温度でせん断速度40/秒に曝されたとき、架橋された破砕流体は、少なくとも500cPの粘度を最大180分間維持する。
実施の形態によっては、架橋剤はジルコニウムを含み、破砕流体は、破砕流体1,000ガロン当たり30ポンドのターポリマーを含み、ターポリマーに対するジルコニウムの重量比は、約0.02から約0.04の範囲であり、架橋された破砕流体が400°Fの温度でせん断速度40/秒に曝されたとき、架橋された破砕流体は、少なくとも500cPの粘度を最大80分間維持する。
第1、第2、及び第3の一般態様の利点としては、先に開示された破砕流体と比較して、ターポリマー中の2−アクリル−アミド−2−メチルプロパン−スルホン酸モノマー単位のレベルが低いこと、破砕流体中のターポリマー配合量が低いこと、架橋剤対ターポリマー比が低いこと、及び、架橋された破砕流体の存在下での粘度破壊剤による急速な粘度低下が挙げられる。加えて、添加剤は、破砕流体の相当量のTDS又は実質的な水硬度によって引き起こされる可能性がある損傷の軽減に役立つ。
図1は、架橋された破砕流体の実施の形態の粘度対時間のプロットを示す。 図2は、粘度破壊剤がある場合とない場合の架橋された破砕流体の実施の形態の粘度対時間のプロットを示す。 図3は、架橋された破砕流体の実施の形態の粘度対時間のプロットを示す。 図4は、ソルビトール誘導体添加剤を含む場合と含まない場合の架橋された破砕流体の粘度対時間のプロットを示す。 図5は、ソルビトール誘導体添加剤を含む場合と含まない場合の架橋された破砕流体の粘度対時間のプロットを示す。 図6は、ソルビトール誘導体添加剤を含む場合と含まない場合の架橋された破砕流体の粘度対時間のプロットを示す。
本書で提供されるのは、添加剤を含む破砕流体と、添加剤を含んで架橋された破砕流体である。破砕流体は、ポリマーを含む水性組成物と、架橋剤を含む架橋溶液とを含む。添加剤は、糖アルコール、糖アルコール誘導体、又はその両方を含む。架橋された破砕流体は、ポリマーと架橋剤との架橋生成物を含む。添加剤は、軟水と比較して高いレベルの総溶解固形分(TDS)を有する硬水を用いて形成された架橋された破砕流体の高温(例えば、250°F(121℃)を超える)安定性を強化する。TDSは一般に、カルシウム(Ca2+)、マグネシウム(Mg2+)、カリウム(K)、ナトリウム(Na)、炭酸水素(HCO )、塩化物(Cl)、及び硫酸(SO 2−)を含む無機塩などの無機塩を指し、少量の溶解性有機物を含むことができる。「水硬度」は一般に、溶解したカルシウムとマグネシウムの量を指すと理解され、「全硬度」は、典型的には炭酸カルシウム(重量で)の百万分率(ppm)として報告される。一の例では、硬度が100ppmの給水は、100万グラムの水に100g、又は、1リットル(L)(若しくは、水の密度は約1グラム毎ミリリットル(g/mL)であるため、1000gの水)に0.1グラム(g)相当の炭酸カルシウムを含有する。炭酸カルシウムとしてのミリグラム毎リットル(mg/L)単位の全硬度は、2.5[Ca2+]+4.1[Mg2+]として計算することができ、式中、[Ca2+]は、mg/L単位のカルシウムイオン濃度、[Mg2+]は、mg/L単位のマグネシウムイオン濃度である。米国地質調査所(USGS)は、水硬度が121mg/Lから180mg/Lの場合、水サンプルを「硬質」であるとみなす。添加剤がないと、水のTDSと硬度が、地層温度などの高温での破砕流体の安定性に悪影響を及ぼすことがある。
実施の形態によっては、添加剤は、糖アルコール、又は、糖アルコールの混合物を含む。適切な糖アルコールの例としては、ソルビトール、エリトリトール、マンニトール、ラクチトール、キシリトール、及びマルチトールが挙げられる。糖アルコールの濃度の範囲は、典型的には破砕流体の0.005wt.%から10wt.%である。
実施の形態によっては、添加剤は、糖アルコール誘導体、又は、糖アルコール誘導体の混合物を含む。適切な糖アルコール誘導体の例としては、ソルビトール、エリトリトール、マンニトール、ラクチトール、キシリトール、及びマルチトールの誘導体が挙げられる。適切な誘導体の例としては、ETHOX3571(Ethox Chemicals,LLCから入手できるアルキル化ソルビトール誘導体)などのアルキル化誘導体が挙げられる。糖アルコール誘導体の濃度の範囲は、破砕流体の0.01wt.%から10wt.%、0.05wt.%から5wt.%、又は、0.05wt.%から2wt.%である。
場合によっては、ポリマーはコポリマーであり、2種のモノマー単位、すなわち2−アクリルアミド−2−メチルプロパンスルホン酸(AMPSA)及びアクリルアミド、又はその関連塩、を含む。他の場合、ポリマーはコポリマーであり、2種のモノマー単位、すなわち2−アクリルアミド−2−メチルプロパンスルホン酸(AMPSA)及びアクリル酸、又はその関連塩、を含む。更に他の場合、ポリマーはコポリマーであり、2種のモノマー単位すなわちアクリルアミド及びアクリル酸、又はその関連塩、を含む。
場合によっては、ポリマーはターポリマーであり、3種のモノマー単位すなわち2−アクリルアミド−2−メチルプロパンスルホン酸(AMPSA)、アクリルアミド、及びアクリル酸、又はその関連塩を含む。コポリマーは、疎水性モノマー単位も含有できる。ターポリマーは、典型的には55mol%未満のAMPSAを有する。場合によっては、ターポリマーは、20mol%未満のAMPSAを有する。場合によっては、ターポリマーは、1mol%と55mol%の間、1mol%と40mol%の間、1mol%と25mol%の間、10mol%と30mol%の間、12mol%と20mol%の間、又は、13mol%と17mol%の間のAMPSAを有する。場合によっては、ターポリマーは、約1mol%、5mol%、10mol%、20mol%、25mol%、30mol%、35mol%、40mol%、45mol%、50mol%、又は55mol%のAMPSAを有する。ターポリマーは、約15mol%のAMPSAを有することもできる。ターポリマーは、約0.1mol%から約30mol%のアクリル酸を有することができる。ターポリマーは、55mol%未満のAMPSAを有する。場合によっては、ターポリマーは、20mol%未満のAMPSAを有する。場合によっては、ターポリマーは、5mol%と40mol%の間、10mol%と30mol%の間、12mol%と20mol%の間、又は、13mol%と17mol%の間のAMPSAを有する。場合によっては、ターポリマーは、約5mol%、10mol%、20mol%、25mol%、30mol%、35mol%、40mol%、45mol%、50mol%、又は55mol%のAMPSAを有する。ターポリマーは、約15mol%のAMPSAを有することもできる。ターポリマーは、約0.1mol%から約30mol%のアクリル酸を有することができる。一の実施の形態において、アクリル酸の量は、0mol%を超える。
本願で述べるターポリマーは、架橋剤と組み合わせて、より少ないポリマー配合量で効率的なプロパント輸送流体として機能する架橋された流体を生成できる。例えば、ターポリマー濃度が30ポンド毎1,000ガロン(pptg)未満である破砕流体は、架橋剤と組み合わせると、より低い架橋剤/ターポリマー比であっても約450°Fで用いるための架橋された流体を生成できることが発見されている。場合によっては、破砕流体は、濃度が50pptg未満、35pptg未満、30pptg未満、25pptg未満、又は20pptg未満であるターポリマーを有する。場合によっては、破砕流体は、濃度が、10pptgと40pptgの間、15pptgと35pptgの間、又は、20pptgと30pptgの間であるターポリマーを含む。場合によっては、破砕流体は、濃度が約10pptg、15pptg、20pptg、25pptg、30pptg、35pptg、40pptg、45pptg、又は50pptgであるターポリマーを含む。例えば、400°Fの用途の場合、約30pptgの濃度でターポリマーを含む破砕流体を用いることができる。例えば、300°Fの用途の場合、約20pptgの濃度でターポリマーを含む破砕流体を用いることができる。
AMPSA、アクリルアミド及びアクリル酸、又はその関連塩のターポリマーは、特定量のAMPSA、アクリル酸、及びアクリルアミドを重合することにより得てもよい。ターポリマーは、AMPSAとアクリルアミドを最初に重合し、アクリルアミドとアクリル酸モノマー単位のモル数が最初に採用されたアクリルアミドの総モル数に等しくなるようにアクリルアミドを加水分解して、所望量のアクリル酸を発生させることによって生成してもよい。ターポリマーは、油中水型エマルション若しくは懸濁液濃縮物として、又は水性流体に溶解させた固体として採用することができる。
本願で述べる破砕流体は、先に記載の架橋された破砕流体と比較して、ターポリマーに対して低い割合の架橋剤を含むことができる。適切な架橋剤は、典型的には金属を含む。場合によっては、架橋剤は、ジルコニウムを含む。適切なジルコニウム架橋剤としては、非限定例として、ジルコニウムが、乳酸塩(例えば、乳酸ナトリウムジルコニウム)、トリエタノールアミン、アルコキシド(例えば、イソプロポキシド及びプロポキシド)、2,2’−イミノジエタノール、並びにこれらの配位子の混合物などの配位子と錯体を形成しているジルコニウム錯体が挙げられる。架橋剤は、適切には、水性流体又は非水性流体(例えば、n−プロパノールなどのアルコール)に溶解させてもよい。架橋剤は、適切には水性流体と水混和性非水性溶媒(例えば、アルコール又はアミノアルコール)の組み合わせに溶解させてもよい。Dorf Ketalからn−プロパノール溶液として入手できるTYZOR(登録商標)212は、Zr架橋剤の一の例である。20pptgから30pptgのターポリマーが破砕流体中に存在し、架橋溶液がTYZOR(登録商標)212である場合、コポリマーターポリマーに対するZrの重量比は、約0.01から約0.08(約0.02から約0.06、又は、約0.02から約0.04など)の範囲であってもよく、破砕流体中のZrの重量パーセンテージは、約0.001wt.%から約0.024wt.%の範囲であってもよい。破砕流体に適する架橋剤は、チタン(Ti)架橋剤を更に含んでもよい。適切なチタナート架橋剤としては、非限定例として、乳酸塩及びトリエタノールアミン、及び、それらの混合物などの配位子を持つチタナート架橋剤が挙げられる。破砕流体は、架橋反応を遅延させる薬剤を更に含有してもよい。架橋遅延剤の例はヒドロキシ酢酸である。破砕流体に適する架橋剤は、アルミニウム(Al)架橋剤、クロム(Cr)架橋剤、鉄(Fe)架橋剤、ハフニウム(Hf)架橋剤、及びこれらの組み合わせも挙げられる。場合によっては、約7wt.%から約20wt.%の金属架橋剤を含む架橋溶液は、破砕流体の約0.1ガロン毎1,000ガロン(gpt)から約5.0gpt、約0.5gptから約1.5gpt、又は、約0.9から約1.1gptの濃度で存在できる。
本願で述べる破砕流体のゲル熱安定性は、(1)含有するAMPSAのmol%が(本願のもの)より高いポリマーを含み、且つ流体中のポリマー配合量が(本願のもの)より高い他の破砕流体;及び(2)含有するAMPSAのmol%が(本願のもの)より高いポリマーを含む、又は、流体中のポリマー配合量が(本願のもの)より高い他の破砕流体;と比較すると、同じである又は良好である。場合によっては、1gptの添加剤と37.5pptgのターポリマー配合量を有する、硬質地層水(実質的なTDSを有する)を用いて調製された破砕流体は、280°F(の温度でせん断速度100/秒に曝されたとき、少なくとも240cPの粘度を約110分間維持する。場合によっては、1gptの添加剤と25pptgのターポリマー配合量とを有する、硬質地層水(実質的なTDSを有する)を用いて調製された破砕流体は、280°Fの温度でせん断速度100/秒に曝されたとき、少なくとも100cPの粘度を約37分間維持する。場合によっては、0.5gptの添加剤と30pptgのターポリマー配合量とを有する、高TDSで高硬度の地層水を用いて調製された破砕流体は、300°Fの温度でせん断速度100/秒に曝されたとき、少なくとも100cPの粘度を約120分間維持する。糖アルコール又は糖アルコール誘導体なしで調製された破砕流体と比較して、これらの破砕流体は、より高い粘度を長時間維持する。
本願の破砕流体は、約300°Fと約450°Fの間の高温で用いることができ、pHの範囲は、典型的には、5から7、又は、5.5から6.5である。加えて、より高い架橋剤濃度を必要とせず、それにより破砕流体に関する効率は更に高まる。
場合によっては、本願の破砕流体は、ポリマー(例えば、ターポリマー)を水性キャリアと混合することによって形成される。水性キャリアとしては、水、淡水、塩水、生成水、逆流水、半塩水、海水、又はこれらの組み合わせを挙げることができる。場合によっては、水性キャリアの総溶解固形分(TDS)は、50,000mg/L未満である。場合によっては、水性キャリアのTDSは、500mg/Lと20,000mg/Lの間、700mg/Lと10,000mg/Lの間、800mg/Lと2000mg/Lの間、又は、1,000mg/Lと1,500mg/Lの間である。場合によっては、水性キャリアのTDSは、約500mg/L、600mg/L、700mg/L、800mg/L、900mg/L、1,000mg/L、1,200mg/L、1,400mg/L、2,000mg/L、5,000mg/L、10,000mg/L、20,000mg/L、又は約50,000mg/Lである。
場合によっては、破砕流体は、ゲル安定剤、粘土安定剤、及び、ゲル地層を安定化させ得る他の適切な添加剤、のうちの少なくとも1種を含む。場合によっては、ゲル安定剤は、抗酸化剤を含む。場合によっては、ゲル安定剤は、フェノール、ポリフェノール、ジ−tertブチルアルキルフェノール、ヒドロキノン、アピゲニン、レスベラトロル、アスコルビン酸、トコフェロール、重亜硫酸ナトリウム、亜硫酸水素ナトリウム、チオ硫酸ナトリウム、チオ硫酸アンモニウム、チオ尿素、又はこれらの組み合わせを含む。場合によっては、粘土安定剤は、塩化ナトリウム、塩化カリウム、塩化アンモニア、塩化テトラメチルアンモニウム(TMAC)、他の第四級分子、又はこれらの組み合わせを含む。場合によっては、臭化ナトリウム又は臭化カリウムなどの臭化物を含む。
場合によっては、破砕流体は、pH調節剤を含む。例えば、破砕流体は、酢酸溶液、酢酸/酢酸塩緩衝溶液、又は塩酸を含むことができる。場合によっては、pHが約2と7の間、3と6.5の間、及び、5と5.5の間、又は、約5と7の間、若しくは、5.5と6.5の間のpHを達成するように、破砕流体へ酸を添加する。
場合によっては、破砕流体は、プロパントを含む。プロパントの例としては、砂、砂利、ガラスビーズ、ポリマービーズ、殻及び種子(クルミ殻などの)由来の粉砕物、及び人工材料(セラミックプロパント、ボーキサイト、テトラフルオロエチレン材料など)、果樹核材料、加工木材、バインダから調製した複合粒子、並びにシリカ、アルミナ、ヒュームドシリカ、カーボンブラック、グラファイト、雲母、二酸化チタン、メタケイ酸塩、ケイ酸カルシウム、カオリン、タルク、ジルコニア、ホウ素、フライアッシュ、中空ガラス微小球、固体ガラスなどの微粒子グレードの粒子、又はこれらの組み合わせが挙げられる。
化学物質:
M1 − 提示する各実施例で用いるターポリマーは、15mol%の2−アクリルアミド−2−メチルプロパンスルホン酸(AMPSA)と、5mol%のアクリル酸(AA)と、80mol%のアクリルアミド(AM)とを含有する油中水型エマルションの形態である(30%活性)。
M2 − 20%酢酸溶液;M2’ − 酢酸/酢酸塩緩衝溶液。
M3 − Zr架橋剤(TYZOR(登録商標)212、16.75wt%のZrOと12.4wt%のZrとを含む)。
M4 − ゲル安定剤(CELB225−010−2、ChemEORから入手できる)。
M5 − 粘土安定剤、50%塩化テトラメチルアンモニウム(TMAC)(PACS−150L、Precision Additivesから入手できる)。
実施例1乃至実施例3では、糖アルコール又は糖アルコール誘導体を使わずに、M1ターポリマーと、Zr架橋剤(M3)と、合成野外水(約1200mg/LのTDS、約6mg/Lの全硬度)とを使って破砕流体を調製した。
実施例1:合成野外水(約1200mg/LのTDS)と、30pptgのターポリマー(M1)と、1.9gptの20%酢酸溶液(M2)と、4gptのゲル安定剤(M4)と、2gptの粘土安定剤(M5、50%TMAC)と、0.8gptのZr架橋剤(M3、12.4wt.%のZrを含む)とを含む破砕流体を調製した。この混合流体のpHは、5.4であった。ターポリマーM1に対するZrの重量比は、約0.03であった。結果として得た、架橋された破砕流体のせん断速度40/秒での粘度を、400°Fで測定した。図1のプロット100は、温度対時間を示し、プロット102は、架橋された破砕流体についての粘度対時間を示す。破砕流体は、せん断速度40/秒で500cPを超える粘度を87分間維持した。
実施例2:合成野外水(約1200mg/LのTDS)と、25pptgのターポリマー(M1)と、3.5gptの20%酢酸/酢酸塩緩衝溶液(M2’)と、0.5gptのゲル安定剤(M4)と、2gptの粘土安定剤(M5)と、0.5gptのZr架橋剤M3(12.4wt.%のZrを含む)とを含む破砕流体を調製した。混合流体のpHは、5.4であった。ターポリマーM1に対するZrの重量比は、約0.02であった。結果として得た、架橋された破砕流体の粘度を、300°F、せん断速度40/秒で測定した。図2のプロット200は、温度対時間を示す。プロット202は、粘度破壊剤の非存在下での架橋された破砕流体についての粘度対時間を示す。プロット204は、粘度破壊剤としてカプセル化された4pptgの臭素酸ナトリウム(例えば、約70wt.%の臭素酸ナトリウム、残部コーティング(balance coating))を含む架橋された破砕流体についての粘度対時間を示す。粘度破壊剤を含む架橋された破砕流体は、せん断速度40/秒で、500cPを超える粘度を160分の間維持した。6時間後、臭素酸ナトリウムで分解された、架橋された破砕流体の粘度は10cP未満であり、カプセル化された臭素酸ナトリウムがターポリマーとZr架橋剤とを含有する破砕流体を分解できることを示した。加えて、架橋された破砕流体は、プロパントを懸濁させることができ、分解された流体は、ゲル残渣を含有しないことが判った。
実施例3:合成野外水(約1200mg/LのTDS)と、20pptgのターポリマー(M1)と、3gptの20%酢酸/酢酸塩緩衝溶液(M2’)と、1gptのゲル安定剤(M4)と、2gptの粘土安定剤(M5)と、0.5gptのZr架橋剤(M3、12.4wt%のZrを含む)とを含む破砕流体を調製した。組成物のpHは、5.6であった。ターポリマーM1に対するZrの重量比は、約0.028であった。結果として得た、架橋された破砕流体の、せん断速度40/秒での粘度を、300°Fで測定した。図3のプロット300は、温度対時間を示す。プロット302は、架橋された破砕流体についての粘度対時間を示す。破砕流体は、せん断速度40/秒で、500cPを超える粘度を70分間維持した。
これらの結果は、より低いTDSを有する軟水を含有し、アクリルアミドと、アクリル酸と、15mol%未満のAMPSAとを含むターポリマーを有する、架橋された破砕流体を、約300°Fから約400°Fの温度で、より低いターポリマー濃度(例えば、20pptgから30pptg)で採用できることを示している。レオロジー的研究の結果は、この温度範囲におけるターポリマー配合量がより低い破砕流体の優れた架橋性能及び熱安定性を実証している。これらの破砕流体は、十分なプロパント輸送粘度を持ち、酸化剤タイプの破壊剤を用いる効率的な浄化を可能とし、効率的な浄化、油層障害の低減、より良好な流体伝導性、及び生成率の増強を促す。
実施例4乃至実施例6では、M1ターポリマーと、Zr架橋剤と、地層水(実質的なTDSを有する硬水)とを含む破砕流体であって、ETHOX3571を含むものと含まないものを調製した。ETHOX3571を含む破砕流体(サンプル4乃至6)とETHOX3571を含まない破砕流体(比較用サンプル4乃至6)について、粘度を時間の関数として測定した。図4乃至図6に示すように、ETHOX3571は、実質的なTDSを有する硬水を含有する破砕流体系の高温での性能を高めた。
実施例4:地層水(約5600mg/LのTDS、約3200mg/Lの硬度)、37.5pptgのM1ターポリマー(DP/EM5015)と、Zr架橋剤(M3)とを含む破砕流体を調製した。表1に地層水の成分を列挙する。サンプル4では、1gptのETHOX3571(約0.1wt.%)を地層水に添加した。比較用サンプル4では、ETHOX3571を添加しなかった。結果として得た、架橋された破砕流体の、せん断速度100/秒での粘度を280°Fで測定した。図4のプロット400は、温度対時間を示す。プロット402は、サンプル4の場合の粘度対時間を示す。プロット404は、比較用サンプル4の場合の粘度対時間を示す。サンプル4及び比較用サンプル4について、流体粘度は240cPを超えた状態をそれぞれ約110分間及び約30分間を維持し、サンプル4(ETHOX3571を含有)では温度安定性が大幅に向上したことを示している。
Figure 2020532627
実施例5:地層水(約5600mg/LのTDS、約3200mg/Lの硬度)と、25pptgのM1ターポリマー(DP/EM5015)と、Zr架橋剤(M3)とを含む破砕流体を調製した。表1に地層水の成分を列挙する。サンプル5では、1gptのETHOX3571(約0.1wt.%)を地層水に添加した。比較用サンプル5では、ETHOX3571を添加しなかった。結果として得た、架橋された破砕流体の、せん断速度100/秒での粘度を280°Fで測定した。図5のプロット500は、温度対時間を示す。プロット502は、サンプル5の場合の粘度対時間を示す。プロット504は、比較用サンプル5の場合の粘度対時間を示す。サンプル5及び比較用サンプル5について、流体粘度は約100cPを超えた状態をそれぞれ約37分間及び約10分間維持し、サンプル5では温度安定性が大幅に向上したことを示している。
実施例6:地層水(約2210mg/LのTDS、約982mg/Lの硬度)と、30pptgのM1ターポリマー(DP/EM5015)と、Zr架橋剤(M3)とを含む破砕流体を調製した。表2に地層水の成分を列挙する。サンプル6では、0.5gptのETHOX3571(約0.05wt.%)を地層水に添加した。比較用サンプル6では、ETHOX3571を添加しなかった。結果として得られた架橋された破砕流体の100s−1のせん断速度での粘度を300°Fで測定した。図6のプロット600は、温度対時間を示す。プロット602は、サンプル6の場合の粘度対時間を示す。プロット604は、比較用サンプル6の場合の粘度対時間を示す。サンプル6及び比較用サンプル6について、流体粘度は100cPを超えた状態をそれぞれ約110分間及び約54分間維持し、サンプル6(ETHOX3571を含有)では温度安定性が大幅に向上したことを示している。
Figure 2020532627
定義
範囲の形式で表現する値は、範囲の限度として明示的に示す数値だけを含むのではなく、その範囲に包含される個々の数値又は部分範囲も全て、各数値及び部分範囲が明示的に示されているかのように含まれるものとして柔軟に解釈すべきである。例えば、「約0.1%から約5%」又は「約0.1%から5%」の範囲は、約0.1%から約5%だけでなく、示された範囲内の個々の値(例えば、1%、2%、3%、及び4%)並びに部分範囲(例えば、0.1%から0.5%、1.1%から2.2%、3.3%から4.4%)も含むものと解釈すべきである。「約XからY」という記述は、別段の指示がない限り「約Xから約Y」と同じ意味を有する。同様に、「約X、Y、又は約Z」という記述は、別段の指示がない限り「約X、約Y、又は約Z」と同じ意味を有する。
本書において、用語「一の(a)」、「一の(an)」又は「その(the)」は、文脈上明確に他の指示がある場合を除き、1つ又は1つを超える場合を含めて用いられる。用語「又は」は、別段の指示がない限り、非排他的「又は」を指すために用いられる。「Aと(及び)Bの少なくとも一方」という記述は、「A、B、又はAと(及び)B」と同じ意味を有する。加えて、当然ながら、本開示において採用され、別途定義されていない表現又は語法は、専ら説明を目的としたものであり、限定を目的としたものではない。節の見出しはいずれも、本書を読む際の助けとなることを意図して用いられており、限定するものと解釈すべきではない。ある節の見出しに関連する情報は、その節の中に現れることもあれば外に現れることもある。
本願で述べる製造方法において、行為は、時間的順序又は操作順序が明示されている場合を除き、任意の順序で行うことができる。更に、特定の複数の行為は、明示的な請求項の文言が別々に行うことを述べていない限り、同時に行うことができる。例えば、請求対象であるXを行う行為と、請求対象であるYを行う行為とは、単一の操作で同時に行うことができ、結果としての工程は、請求対象である工程の文言通りの範囲に含まれる。
用語「約」は、本願で用いる場合、値又は範囲における一定程度の、例えば、記載する値又は範囲の限度の10%以内、5%以内、又は1%以内の、変動性を許容する。
用語「実質的に」は、本願で用いる場合、少なくとも約50%、60%、70%、80%、90%、95%、96%、97%、98%、99%、99.5%、99.9%、99.99%、又は少なくとも約99.999%、又はそれを超える場合というような、大多数又は大部分を指す。
用語「ポリマー」は、本願で用いる場合、少なくとも1種の反復モノマー単位を有する分子を指し、ホモポリマー、コポリマー、ターポリマー、及びテトラポリマーを含むことができる。すなわち、「ポリマー」は、本願で用いる場合、1種又は複数の異なるモノマー単位(例えば、1種、2種、3種、又は4種の異なるモノマー)を含有してもよい。
用語「コポリマー」は、本願で用いる場合、2種の異なる反復モノマー単位を含むポリマーを指す。一の例では、アクリル酸とアクリルアミドとのコポリマーは、アクリル酸の反復単位と、アクリルアミドの反復単位という2種の反復単位を含有する。
用語「ターポリマー」は、本願で用いる場合、3種の異なる反復モノマー単位を含むポリマーを指す。一の例では、アクリル酸と、アクリルアミドと、2−アクリルアミド−2−メチルプロパンスルホン酸のターポリマーとは、アクリル酸の反復単位、アクリルアミドの反復単位、及び2−アクリルアミド−2−メチルプロパンスルホン酸の反復単位という3種の反復単位を含有する。
用語「誘導体」は、本願で用いる場合、例えば、アルキル化、エステル化、アミノ化、又はエトキシ化によって化学的に改質された化合物を指す。一の例では、化合物のエトキシ化誘導体は、PEG化された化合物を含む。
用語「破砕流体」は、本願で用いる場合、水圧破砕操作時にダウンホールで用いられる流体又はスラリを指す。
用語「流体」は、本願で用いる場合、ガス、液体、ゲル、実質的な固形物含有量を有するスラリ、並びに臨界及び超臨界物質を指す。
用語「地下物質」又は「地下層」は、本願で用いる場合、海底表面の下を含め、地球表面の下の任意の物質を指す。例えば、地下層又は物質は、掘削孔の任意の区域、及び、掘削孔と流体接触している地下の石油又は水を産出する層又は領域の任意の区域とすることができる。地下層に物質を配置することは、掘削孔の任意の区域、又は、掘削孔と流体接触している任意の地下領域に、物質を接触させることを含むことができる。地下物質は、セメント、ドリルシャフト、ライナ、配管、ケーシング、又はスクリーンなど、掘削孔内へ配置される任意の物質を含むことができ、物質を地下層に配置することは、こうした地下物質と接触させることを含むことができる。実施例によっては、地下層又は物質は、液体又はガス状の石油物質、水を産出できる任意の地下領域、又は、液体若しくはガス状の石油物質と流体接触している地下の任意の区域とすることができる。例えば、地下層又は物質は、破砕が望まれる領域、亀裂又は亀裂周りの領域、及び流路又は流路周りの領域のうちの少なくとも1種とすることができる。亀裂又は流路は、場合により地下の石油又は水を産出する領域に、直接又は1つ又は複数の亀裂又は流路を介して流体接続されたものとすることができる。
「地下層の処理」は、本願で用いる場合、地下の石油又は水を産出する層又は領域から水又は石油物質を抽出することを対象とする、例えば、掘削、刺激、水圧破砕、浄化、酸性化、仕上げ、セメンチング、修復処理、水制御、放棄など、任意の活動を含むことができる。
ダウンホールの「流路」は、本願で用いる場合、地下の2カ所を流体接続する適切な任意の地下の流路を含むことができる。流路は、地下の1カ所の場所から掘削孔へ又はその逆に、石油又は水が流れるのに十分なものとすることができる。流路は、水圧亀裂と、スクリーン、砂利パック、樹脂接合プロパント又は亀裂内に堆積させたプロパントを含むプロパント、及び砂を横断する流体接続部とのうちの少なくとも一方を含むことができる。流路は、流体が流れることができる天然の地下通路を含むことができる。実施の形態によっては、流路は水源とすることができ、水を含むことができる。実施の形態によっては、流路は石油源とすることができ、石油を含むことができる。実施の形態によっては、流路は、掘削孔又は亀裂から、水、ダウンホール流体、又は産出される炭化水素のうちの少なくとも1種を迂回させるのに十分なものとすることができる。
他の実施の形態
実施の形態をその詳細な説明と共に述べたが、それらの説明は、付帯する特許請求の範囲によって定義される本願の範囲を例示するに過ぎず、限定するものではないことを理解されたい。他の態様、利点、及び改変は、提示の特許請求の範囲に含まれる。

Claims (41)

  1. 破砕流体であって:
    ターポリマーを備える水性ターポリマー組成物であって、前記ターポリマーは、2−アクリルアミド−2−メチルプロパンスルホン酸、アクリルアミド、及びアクリル酸モノマー単位、又はその塩を備える、前記水性ターポリマー組成物と;
    金属を備える架橋剤と;
    糖アルコール又は糖アルコール誘導体を備える添加剤と;の混合物を備え、
    前記ターポリマーに対する前記金属の重量比の範囲は、0.01から0.16であり、
    前記添加剤の濃度の範囲は、前記破砕流体の0.001wt.%から10wt.%である、
    破砕流体。
  2. 前記添加剤は、糖アルコールを備える、
    請求項1に記載の破砕流体。
  3. 前記糖アルコールは、ソルビトール、エリトリトール、マンニトール、ラクチトール、キシリトール、及びマルチトールのうちの少なくとも1種を備える、
    請求項2に記載の破砕流体。
  4. 前記糖アルコールの濃度の範囲は、前記破砕流体の0.005wt.%から10wt.%である、
    請求項2に記載の破砕流体。
  5. 前記添加剤は、糖アルコール誘導体を備える、
    請求項1に記載の破砕流体。
  6. 前記糖アルコール誘導体は、ソルビトール、エリトリトール、マンニトール、ラクチトール、キシリトール、及びマルチトールの誘導体のうちの少なくとも1種を備える、
    請求項5に記載の破砕流体。
  7. 前記糖アルコール誘導体の濃度の範囲は、前記破砕流体の0.01wt.%から10wt.%、0.05wt.%から5wt.%、又は、0.05wt.%から2wt.%である、
    請求項5に記載の破砕流体。
  8. 前記糖アルコール誘導体は、アルキル化糖アルコールを備える、
    請求項5に記載の破砕流体。
  9. 前記ターポリマーに対する前記金属の重量比の範囲は、0.02から0.16である、
    請求項1に記載の破砕流体。
  10. 前記ターポリマーは、1mol%から55mol%の前記2−アクリルアミド−2−メチルプロパンスルホン酸モノマー単位を備える、
    請求項1に記載の破砕流体。
  11. 前記ターポリマーは、1mol%から40mol%の前記2−アクリルアミド−2−メチルプロパンスルホン酸モノマー単位を備える、
    請求項10に記載の破砕流体。
  12. 前記ターポリマーは、1mol%から25mol%の前記2−アクリルアミド−2−メチルプロパンスルホン酸モノマー単位を備える、
    請求項11に記載の破砕流体。
  13. ゲル安定剤と、粘土安定剤と、粘度破壊剤と、プロパントと、pH調節剤とのうちの少なくとも1種を備える、
    請求項1に記載の破砕流体。
  14. 前記pH調節剤を備え、
    前記破砕流体のpHの範囲は、2から7又は3から6.5である、
    請求項13に記載の破砕流体。
  15. 50mg/Lと50,000mg/Lの間の総溶解固形分を備える、
    請求項1に記載の破砕流体。
  16. 前記破砕流体中の前記金属の濃度の範囲は、0.001wt.%から0.048wt.%である、
    請求項1に記載の破砕流体。
  17. 前記破砕流体は、前記破砕流体1,000ガロン当たり20ポンドから50ポンドの前記ターポリマーを備える、
    請求項1に記載の破砕流体。
  18. 架橋後、ゲルが、300°F(149℃)から400°F(204℃)の範囲の温度で40/秒のせん断速度に曝されたとき、前記破砕流体は、少なくとも500cPの粘度を少なくとも80分間有する、
    請求項1に記載の破砕流体。
  19. 地下層を処理する方法であって:
    破砕流体を地下層へ導入するステップであって、
    前記破砕流体は:
    ターポリマーを備える水性ターポリマー組成物であって、前記ターポリマーは、2−アクリルアミド−2−メチルプロパンスルホン酸、アクリルアミド、及びアクリル酸モノマー単位、又はその塩を備える、前記水性ターポリマー組成物と;
    金属を備える架橋剤と;
    糖アルコール又は糖アルコール誘導体を備える添加剤と;を備え、
    前記ターポリマーに対する前記金属の重量比の範囲は、0.01から0.16であり、
    前記添加剤の濃度の範囲は、前記破砕流体の0.001wt.%から10wt.%である、前記導入するステップと;
    架橋された破砕流体を生成するために、前記地下層において前記破砕流体を架橋させるステップと;を備える、
    地下層を処理する方法。
  20. 前記添加剤は、糖アルコールを備える、
    請求項19に記載の方法。
  21. 前記糖アルコールは、ソルビトール、エリトリトール、マンニトール、ラクチトール、キシリトール、及びマルチトールのうちの少なくとも1種を備える、
    請求項20に記載の方法。
  22. 前記糖アルコールの濃度の範囲は、前記破砕流体の0.005wt.%から10wt.%である、
    請求項20に記載の方法。
  23. 前記添加剤は、糖アルコール誘導体を備える、
    請求項19に記載の方法。
  24. 前記糖アルコール誘導体は、ソルビトール、エリトリトール、マンニトール、ラクチトール、キシリトール、及びマルチトールの誘導体のうちの少なくとも1種を備える、
    請求項23に記載の方法。
  25. 前記糖アルコール誘導体の濃度の範囲は、前記破砕流体の0.01wt.%から10wt.%、0.05wt.%から5wt.%、又は、0.05wt.%から2wt.%の範囲である、
    請求項23に記載の方法。
  26. 前記糖アルコール誘導体は、アルキル化糖アルコールを備える、
    請求項23に記載の方法。
  27. 前記破砕流体中の前記金属の濃度の範囲は、0.001wt.%から0.048wt.%である、
    請求項19に記載の方法。
  28. 前記破砕流体は、前記破砕流体1,000ガロン当たり20から50ポンドの前記ターポリマーを備える、
    請求項19に記載の方法。
  29. 前記架橋剤は、ジルコニウムを備え、
    前記破砕流体は、前記破砕流体1,000ガロン当たり25ポンドの前記ターポリマーを備え、
    前記ターポリマーに対する前記ジルコニウムの重量比の範囲は、約0.02から約0.4であり、
    前記ターポリマーは、15wt.%の前記2−アクリルアミド−2−メチルプロパン−スルホン酸モノマー単位を備え、
    架橋された破砕流体が300°Fの温度で40/秒のせん断速度に曝されたとき、前記架橋された破砕流体は、少なくとも500cPの粘度を最大180分間維持する、
    請求項28に記載の方法。
  30. 前記架橋された破砕流体は、粘度破壊剤を備え、
    前記架橋された破砕流体が300°Fの温度で40/秒のせん断速度に曝されたとき、前記架橋された破砕流体は、少なくとも500cPの粘度を最大160分間維持し、360分後に10cP未満の粘度を有する、
    請求項29に記載の方法。
  31. 前記架橋剤は、ジルコニウムを備え、
    前記破砕流体は、前記破砕流体1,000ガロン当たり20ポンドの前記ターポリマーを備え、
    前記ターポリマーに対する前記ジルコニウムの重量比の範囲は、約0.02から約0.4であり、
    前記架橋された破砕流体が300°Fの温度で40/秒のせん断速度に曝されたとき、前記架橋された破砕流体は、少なくとも500cPの粘度を最大180分間維持する、
    請求項29に記載の方法。
  32. 前記架橋剤は、ジルコニウムを備え、
    前記破砕流体は、前記破砕流体1,000ガロン当たり30ポンドの前記ターポリマーを備え、
    前記ターポリマーに対する前記ジルコニウムの重量比の範囲は、約0.02から約0.04であり、
    前記架橋された破砕流体が400°Fの温度で40/秒のせん断速度に曝されたとき、前記架橋された破砕流体は、少なくとも500cPの粘度を最大80分間維持する、
    請求項29に記載の方法。
  33. 破砕流体であって:
    ターポリマーを備える水性ターポリマー組成物であって、
    前記ターポリマーは、2−アクリルアミド−2−メチルプロパンスルホン酸、アクリルアミド、及びアクリル酸モノマー単位、又はその塩を備え、
    前記ターポリマーは、1mol%から55mol%の前記2−アクリルアミド−2−メチルプロパンスルホン酸モノマー単位を備える、前記水性ターポリマー組成物と;
    金属を備える架橋剤と;
    糖アルコール又は糖アルコール誘導体を備える添加剤と;の混合物を備え、
    前記ターポリマーに対する前記金属の重量比の範囲は、0.01から0.16であり、
    前記添加剤の濃度の範囲は、前記破砕流体の0.001wt.%から10wt.%であり、
    前記架橋剤は、300°F、pH7未満で少なくとも500cPの粘度を有する架橋された流体を生成するのに十分な量で存在する、
    破砕流体。
  34. 前記添加剤は、糖アルコールを備える、
    請求項33に記載の破砕流体。
  35. 前記糖アルコールは、ソルビトール、エリトリトール、マンニトール、ラクチトール、キシリトール、及びマルチトールのうちの少なくとも1種を備える、
    請求項34に記載の破砕流体。
  36. 前記糖アルコールの濃度の範囲は、前記破砕流体の0.005wt.%から10wt.%である、
    請求項34に記載の破砕流体。
  37. 前記添加剤は、糖アルコール誘導体を備える、
    請求項34に記載の破砕流体。
  38. 前記糖アルコール誘導体は、ソルビトール、エリトリトール、マンニトール、ラクチトール、キシリトール、及びマルチトールの誘導体のうちの少なくとも1種を備える、
    請求項37に記載の破砕流体。
  39. 前記糖アルコール誘導体の濃度の範囲は、前記破砕流体の0.01wt.%から10wt.%、0.05wt.%から5wt.%、又は、0.05wt.%から2wt.%である、
    請求項37に記載の破砕流体。
  40. 前記糖アルコール誘導体は、アルキル化糖アルコールを備える、
    請求項37に記載の破砕流体。
  41. 前記架橋剤は、水混和性非水性流体を備える、
    請求項33に記載の破砕流体。
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