JP6761483B2 - ナノ粒子粘度調整剤を含む高温粘弾性界面活性剤（ｖｅｓ）流体 - Google Patents

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本出願は、参照によりその全体が本明細書に組み込まれる、２０１６年５月１２日出願の米国仮特許出願第６２／３３５，３７７号の優先権を主張する。

本開示の実施形態は、概して、層中の坑井への炭化水素の流動を増強するための炭化水素貯留層中の地下層の流体破砕に関し、より具体的には、ナノ粒子粘度調整剤を含む高温粘弾性界面活性剤（「ＶＥＳ」）破砕流体に関する。

水圧破砕は、圧縮流動導管、即ち、割れ目、亀裂、自然破砕、断層、リニアメント、及び層理面を生成する、または広げるために地下層を破裂させるのに十分な速度及び圧力で、破砕流体を地下層に注入することを伴う、坑井刺激技術である。粘弾性流体（ＶＥＳ）流体は、水圧破砕などの油田用途でしばしば使用される。具体的には、ＶＥＳ流体は、異なる条件下で形成されたミセル構造により、弾性挙動及び粘性挙動の両方を呈する。ＶＥＳ流体が、例えばポンプによる剪断応力を受けると、ＶＥＳ流体は、剪断減粘されて低粘度流体を生成し、これはポンプ送達がより容易である。剪断応力が停止すると、ＶＥＳ流体は、より高い粘度の状態に戻る。破砕流体は、圧力が解放された後に誘発された水圧破砕を開放したまま保持するプロパントを含むため、より高い粘度は、ＶＥＳ流体が懸濁し、プロパントを破砕中に輸送することを可能にする。

界面活性剤凝集に関して、ＶＥＳ流体は、絡まって３次元（３Ｄ）粘弾性ゲルを形成し、溶液分子、例えば水の移動性を制限する、ひも状ミセルを含む。低い地下層の損傷、良好なプロパント懸濁及び担持能力、ブライン及び生成された水との良好な適合性などの利点のため、ＶＥＳ流体は、破砕、仕上げ、酸性化、砂防、遮水を含む油田操作で広く使用されている。

しかしながら、現在の粘弾性流体系は、華氏約２５０度（°Ｆ）の温度限界を有し、それを超えると、流体粘度は破砕用途には不適切である。

より少ない高温粘弾性界面活性剤（ＨＴ ＶＥＳ）を使用する一方で、より高い温度で高粘度を得る必要性が継続して存在する。本開示は、より高い粘度を達成する一方で、ブライン及びプロパントとの適合性を保持し、かつ２５０°Ｆを超える温度で高い粘度を維持するために必要とされるＨＴ ＶＥＳの量を低減するか、またはＨＴ ＶＥＳの同量を保持する配合物を提供する。

本開示の実施形態は、地下の油及びガスを含む層の水圧破砕処理を対象とする。破砕流体は、高温で安定し、かつ高いポンプ速度及び剪断速度で安定していなければならない。本開示に見られる実施形態は、２５０〜３５０°Ｆで必要とされるＨＴ ＶＥＳの量を効果的に低下させ、選択されたナノ材料の使用によって同様の粘度を維持するように設計される。粘弾性流体は、ナノ粒子で増強され得、それにより、より高い流体粘度をもたらし得る。選択されたナノ粒子は、ファンデルワールス力などの力を通して、流体中の複数のＨＴ ＶＥＳミセルに同時に付着している可能性があり、したがってＨＴ ＶＥＳミセルの３Ｄネットワークを強化する。

１つ以上の実施形態によると、本開示は、ブライン溶液と、０．１〜１００ナノメートルの粒径を有する少なくとも１つのナノ粒子粘度調整剤と、式（Ｉ）の粘弾性界面活性剤とを含む、地下層用粘弾性界面活性剤流体を記載する：

式（Ｉ）中、Ｒ_１は、１７〜２９個の炭素原子の飽和または不飽和炭化水素基であり、Ｒ_２及びＲ_３はそれぞれ独立して、１〜６個の炭素原子の直鎖または分枝アルキルまたはヒドロキシアルキル基から選択される。Ｒ_４は、１〜４個の炭素原子のＨ、ヒドロキシル、アルキル、またはヒドロキシアルキル基から選択される。ｋは、２〜２０の整数であり、ｍは、１〜２０の整数であり、ｎは、０〜２０の整数である。

１つ以上の実施形態によると、本開示は、粘弾性流体を生成するためにブライン溶液中に粘弾性界面活性剤とナノ粒子粘度調整剤とを含む粘弾性界面活性剤流体を用いて、貫通した地下層を処理する方法を記載し、粘弾性界面活性剤は、式（Ｉ）：

に従い、式中、Ｒ_１は、１７〜２９個の炭素原子の飽和または不飽和炭化水素基である。Ｒ_２及びＲ_３はそれぞれ独立して、１〜６個の炭素原子の直鎖または分枝アルキルまたはヒドロキシアルキル基から選択される。Ｒ_４は、１〜４個の炭素原子のＨ、ヒドロキシル、アルキル、またはヒドロキシアルキル基から選択される。ｋは、２〜２０の整数であり、ｍは、１〜２０の整数であり、ｎは、０〜２０の整数であり、少なくとも１つのナノ粒子粘度調整剤は、０．１〜１００ナノメートルの粒径を含む。粘弾性流体は、地下層に導入され、処理流体は、２５０°Ｆを超える温度に供される。

記載された実施形態のさらなる特徴及び利点は、以下の発明を実施するための形態に記載され、一部はその説明から当業者に容易に明白であるか、または以下の発明を実施するための形態、特許請求の範囲、及び添付の図面を含む記載された実施形態を実施することによって認識される。

粘弾性流体のベースライン曲線を示す。図１の最も厚い黒線（バックスラッシュによる）によって示される粘弾性流体「ベースライン流体」は、５％ＨＴ ＶＥＳとブラインとを含む。華氏（°Ｆ）での温度の関数としての、１秒当たり１００（／秒）の剪断速度でのセンチポアズ（ｃＰ）の粘度のグラフである。粘弾性流体試料は、カーボンナノチューブのベースライン流体、６ｐｐｔを有するベースライン流体（暗い実線）、及び１２ｐｐｔを有するベースライン流体（灰色実線）のそれぞれを含む。 粘弾性流体のベースライン曲線を示す。図２の最も厚い黒線（バックスラッシュによる）によって示される粘弾性流体「ベースライン流体」は、５％ＨＴ ＶＥＳとブラインとを含む。華氏での温度の関数としての、１００／秒の剪断速度でのｃＰでの粘度のグラフである。試料は、ベースライン流体、４ｐｐｔのＺｒＯ_２ナノ材料を有するベースライン流体、ならびにベースライン曲線及び点線によって表される４ｐｐｔのＺｒＯ_２のナノ材料の曲線の単純加算によって計算された曲線を含む。

図面に記載される実施形態は、本質的に例示的なものであり、特許請求の範囲を限定することを意図するものではない。さらに、図面の個別の特徴は、発明を実施するための形態を考慮することでさらに十分に明らかになり、理解されるであろう。

本出願の特定の実施形態をここで説明する。しかしながら、本開示は、異なる形態で具体化されてもよく、本開示に記載される実施形態に限定されると解釈されるべきではない。むしろ、これらの実施形態は、本開示が徹底的かつ完全であり、主題の範囲を当業者に十分に伝えるように提供される。

他に定義されない限り、本開示で使用される全ての技術用語及び科学用語は、当業者によって一般に理解されるのと同じ意味を有する。本明細書で使用される用語は、特定の実施形態のみを説明するためのものであり、限定することを意図するものではない。本明細書及び添付の特許請求の範囲で使用される場合、単数形「ａ」、「ａｎ」、及び「ｔｈｅ」は、文脈上別段の明確な指示がない限り、複数形も含むことが意図される。

本開示で使用される場合、「およそ」は、反応条件と関連する測定など、測定としばしば関連する変動及びわずかな不正確さに対処するために使用される。例えば、およそが百分率を指す場合、「およそ」は、プラスまたはマイナス１％を含む。およそが温度または温度範囲を指す場合、「およそ」は、プラスまたはマイナス１０度を含む。本明細書及び特許請求の範囲における任意の範囲の開示は、範囲自体及び範囲内に包含されるいかなるもの、ならびに終点も含むものと理解されるべきである。別途記載のない限り、本明細書及び特許請求の範囲に記載される数値的特性は、本開示の実施形態において得ようとする所望の特性に応じて変化し得る近似値である。本開示の広い範囲を記載する数値範囲及びパラメータが近似値であるにもかかわらず、特定の実施例に記載される数値は、可能な限り正確に報告される。しかしながら、いずれの数値も本質的に、それぞれの対応する測定値に見られる誤差から必然的に生じるある特定の誤差を含む。

本開示で使用される場合、「水」は、脱イオン水、蒸留水、汽水、ブライン、淡水、湧き水、水道水、ミネラルウォーター、または化学的不純物を実質的に含まない水を含む。

本開示の実施形態は、地下の油及びガスを含む地層の水圧破砕処理を対象とし、概して、粘弾性組成物または流体、及びそれらの流体または組成物の使用方法に関する。本開示は、２００°Ｆ以上の温度で高い粘度を維持する粘弾性界面活性剤流体を記載する。より少ない高温粘弾性界面活性剤（ＨＴ ＶＥＳ）を使用する一方で、粘弾性界面活性剤、ナノ粒子粘度調整剤、及びブラインの組み合わせは、粘度を増加させる。本開示における粘弾性界面活性剤流体は、掘削流体、仕上げ流体、改修流体、酸性化流体、砂利充填、破砕などにおける地下層の浸透性を刺激または改変するために使用され得る。

粘弾性流体の粘度は、印加される歪みの応力または速度によって変化し得る。剪断変形の場合、剪断速度または剪断応力の増加に伴って流体の粘度が低下することが非常に一般的である。この挙動は、「剪断減粘」と称される。界面活性剤は、流体中に粘弾性を生じさせることができ、剪断減粘挙動を示し得る。例えば、そのような流体がポンプを通過するか、または回転ドリルビットの付近にあるとき、流体は、より高い剪断速度環境にあり、粘度は低下し、結果として摩擦圧力が低くなり、ポンピングエネルギーが節約される。応力が除去されると、流体は、より高い粘度の状態に戻る。

高温では、流体中の分子の平均運動エネルギーは増加し、ＶＥＳミセル構造及びミセル間の引力により多くの破壊を引き起こす。これは、流体の全体的な粘度を低下させ得る。一般的に言えば、温度の上昇は、一定の応力下で等しい歪みを与えるのに必要な時間の対数的減少と相関する。換言すれば、より低い温度よりもより高い温度で粘弾性材料を等距離延伸することは、より少ない労力を要する。選択されたナノ粒子の流体への添加は、高温での流体粘度を改善し得る。選択されたナノ粒子は、ファンデルワールス力などの力を通して、流体中の複数のＨＴ ＶＥＳミセルに同時に付着している可能性があり、したがってＨＴ ＶＥＳミセルの３Ｄネットワークを強化する。

本開示に記載の一実施形態は、式（Ｉ）に従った粘弾性界面活性剤と、ブライン溶液と、ナノ粒子粘度調整剤とを含む、地下層用粘弾性流体である。

式（Ｉ）中、Ｒ_１は、１７〜２９個の炭素原子の飽和または不飽和炭化水素基である。他の実施形態では、Ｒ_１は、１８〜２１個の炭素原子の飽和または不飽和炭化水素基である。Ｒ_１はまた、１〜１４０のヨウ素価を有する天然の脂肪または油に由来する脂肪性脂肪族であってもよい。不飽和度を決定するヨウ素価は、３０〜９０の範囲であり得、または他の実施形態では、Ｒ_１は、４０〜７０のヨウ素価を有する。Ｒ_１は、単一鎖長に制限されてもよく、または天然脂肪及び油もしくは原料油由来のそれらの基などの混合鎖長を有してもよい。天然脂肪及び油または原料油は、獣脂アルキル、硬化獣脂アルキル、菜種アルキル、硬化菜種アルキル、トール油アルキル、硬化トール油アルキル、ココアルキル、オレイル、エルシル、大豆アルキル、またはこれらの組み合わせを含み得る。

一実施形態では、粘弾性界面活性剤の式（Ｉ）のＲ_２及びＲ_３はそれぞれ独立して、１〜６個の炭素原子、他の実施形態では１〜４個の炭素原子、別の実施形態では１〜３個の炭素原子の直鎖または分枝アルキルまたはヒドロキシアルキル基から選択される。Ｒ_４は、１〜４個の炭素原子のＨ、ヒドロキシル、アルキル、またはヒドロキシアルキル基から選択され、エチル、ヒドロキシエチル、ヒドロキシル、またはメチルから選択され得るが、これらの基のリストに限定されない。

粘弾性界面活性剤の式（Ｉ）は、変数の下付き文字ｋ、ｍ、及びｎを有する。一実施形態では、下付き文字ｋは、２〜２０、他の実施形態では２〜１２、別の実施形態では２〜４の整数である。下付き文字ｍは、１〜２０、他の実施形態では１〜１２、別の実施形態では１〜６の整数であり、いくつかの実施形態では、ｍは、１〜３の整数であってもよい。下付き文字ｎは、０〜２０、０〜１２、または０〜６の整数である。いくつかの実施形態では、ｎは、０〜１の整数である。

粘弾性界面活性剤の一実施形態は、Ａｋｚｏ Ｎｏｂｅｌによって提供されるＡｒｍｏｖｉｓ ＥＨＳ（登録商標）として商業的に知られている、エルカミドプロピルヒドロキシプロピルスルタインである。いくつかの実施形態では、式（Ｉ）は、高温粘弾性界面活性剤をさらに含む。１つ以上の実施形態では、本開示の粘度調整剤は、非ポリマー性ナノ粒子を含む。

粘弾性界面活性剤は、他の界面活性剤よりも低い濃度で粘弾性流体を形成し得る。この特定のレオロジー挙動は、主に流体中に存在する界面活性剤凝集体の種類による。低粘度の流体中で、界面活性剤分子は球状ミセルに凝集する。一方、粘弾性流体中では、ひも状、糸状、または棒状ミセルと記載され得る長いミセルが存在し、絡まっている。これらの長い柔軟なひも状ミセルは、塩の存在下で形成されることができ、絡むことによって、それらは一時的なネットワークを形成し、溶液に粘弾特性を付与する。したがって、これらのミセルは、水性系における増粘剤及びレオロジー制御剤として機能することができる。ひも状ミセルは、それらのモノマーと熱平衡状態にある。したがって、ミセル自己集合（したがって、それらの長さ及び柔軟性）は、界面活性剤及び塩濃度の変化ならびに温度の変化に応答する。

本開示における粘弾性流体は、より少ない重量パーセントの粘弾性界面活性剤を組み込む。粘弾性流体中の粘弾性界面活性剤の量は変化し得る。いくつかの実施形態では、粘弾性流体は、０．５重量％〜２０重量％の粘弾性界面活性剤を含有する。一方、別の実施形態では、粘弾性流体は、２重量％〜８重量％の粘弾性界面活性剤を含む。粘弾性界面活性剤流体の他の実施形態は、３重量％〜６重量％の粘弾性界面活性剤を有する粘弾性流体を含む。

粘弾性界面活性剤は、他の界面活性剤と比較してより低い濃度でネットワークを形成することができるが、炭素ナノチューブまたは酸化ジルコニウム（ＩＶ）（ＺｒＯ_２）ナノ粒子などの粘度調整剤は、粘弾性水溶液中で界面活性剤ミセルと会合して、プロパントを懸濁するか、またはプロパントが硬化することを防止するネットワークをより良好に形成する。プロパントがあまりに速く硬化すると、それは破砕の底部に蓄積し、破砕を詰まらせ、生産性を低下させる可能性がある。ナノ粒子が粉末配合物中にある場合、それらはより良好に分散し、ミセルと結合することが可能であり、結果として、これは、予想される値を超えて粘度を増加させる。ナノ粒子粘度調整剤を含む粉末配合物は、ナノ粒子のサイズ、具体的にはナノ粒子の直径によって決まる。一実施形態では、ナノ粒子粘度調整剤の粒径は、０．１ナノメートル（ｎｍ）〜５００ｎｍである。別の実施形態では、粒径は、１０ｎｍ〜６０ｎｍである。他の実施形態では、粒径は、２０ｎｍ〜５０ｎｍである。

ナノ粒子は、１〜１０００ナノメートル（１０^−９メートル）に（少なくとも１つの次元で）サイズ決定された少なくとも１つの単位を有する材料を説明するが、通常、ナノスケールの許容された定義である１〜１００ｎｍである。「ナノ材料」という用語は、ナノ粒子、ナノチューブ、ナノロッド、ナノドット、またはこれらの組み合わせなどであるが、これらに限定されない他の用語を包含する。ナノロッドは、固体の一次元ナノ構造であり、ナノチューブに管状構造を与える中空の内心を欠いている。一実施形態では、粘弾性流体は、ナノ粒子粘度調整剤を含み、それは、カーボンナノチューブ、酸化亜鉛（ＺｎＯ）、ナノロッド、ＺｒＯ_２ナノ粒子、またはこれらの組み合わせなどのナノ材料のうちの１つ以上をさらに含む。ナノ粒子粘度調整剤は、ナノサイズのジルコニウム（Ｚｒ）化合物、チタン（Ｔｉ）化合物、セシウム（ＣＥ）化合物、アルミニウム（Ａｌ）化合物、ホウ素（Ｂ）化合物、スズ（Ｓｎ）化合物、カルシウム（Ｃａ）化合物、マグネシウム（Ｍｇ）化合物、鉄（Ｆｅ）化合物、クロム（Ｃｒ）化合物、シリカ（Ｓｉ）化合物、またはこれらの組み合わせを含む。

前段落で述べたように、粘弾性流体は、ナノ粒子粘度調整剤を含む。一実施形態では、ナノ粒子粘度調整剤は、０．１ポンド／１０００ガロン（ｐｐｔ）（約０．００１重量％）〜５重量％の範囲である。別の実施形態では、粘弾性流体は、約０．０４重量％〜約０．２４重量％のナノ粒子粘度調整剤を含み、他の実施形態では、０．０１重量％〜２重量％のナノ粒子粘度調整剤を含む。

いくつかの実施形態では、追加の界面活性剤は、粘弾性流体に添加される。追加の界面活性剤の添加は、異なる温度、圧力、または他の条件変化において粘度を増強し得るか、またはミセル形成をもたらし得る。考えられる界面活性剤の非限定的なリストとしては、カチオン性界面活性剤、アニオン性界面活性剤、非イオン性界面活性剤、両性界面活性剤、両性イオン性界面活性剤、またはこれらの組み合わせが挙げられる。

塩は溶液中にあるときにイオン化し、界面活性剤と適合する対イオンは、ミセルの疎水性内部に浸透し、自己集合を促進する。ブラインまたは塩溶液の異なる濃度は、ミセル集合に異なった影響を及ぼす。一実施形態では、粘弾性流体は、ブライン溶液中に１重量％〜５０重量％の塩を含む。別の実施形態では、粘弾性流体は、ブライン溶液中に１０重量％〜４０重量％の塩を含み、他の実施形態では、ブライン溶液中に１５重量％〜３５重量％の塩を含む。通常、流体は、約１〜６重量％の粘弾性界面活性剤、１〜５０重量％の塩を含有し、残りの割合は、主に水である。

前段落で述べたように、異なる塩及び塩濃度は、ミセル形成に影響を及ぼす可能性がある。粘弾性流体中のブライン溶液は、１つ以上の金属塩を含む。いくつかの実施形態では、金属塩は、アルカリまたはアルカリ土類金属ハロゲン化物を含み得る。金属ハロゲン化物の非限定的なリストとしては、塩化カルシウム、臭化カルシウム、臭化亜鉛、またはこれらの組み合わせが挙げられる。構成成分の添加の順序は、異なり得る。例えば、ブライン中の塩が溶液に添加される前に、それは、ナノ粒子粘弾性界面活性剤と結合されて粉末配合物を形成することができ、溶液または溶媒に添加されたとき、粉末配合物は、迅速に分散する。

いくつかの溶媒または溶媒の組み合わせは、粘弾性界面活性剤の性能を高め得る。溶媒は、水、アルコール、またはこれらの組み合わせを含み得る。アルコールは、アルキルオキシ、ジオール、トリオール、またはこれらの組み合わせを含む。アルキルオキシ溶媒の例としては、メタノール、エタノール、プロパノール、及びブタノールが挙げられるが、これらに限定されない。グリコール分子は、二価アルコールまたはジオールであり、ジオール溶媒の非限定的なリストとしては、エチレングリコール、ブチレングリコール、ジエチレングリコール、グリセリン、プロピレングリコール、テトラメチレングリコール、テトラメチルエチレングリコール、トリメチレングリコールなどが挙げられる。

追加の添加剤が、粘弾性流体に組み込まれて、ミセル形成を増加させるか、粘度を高めるか、またはゲルを破壊するのに必要な力であるゲル強度を増強することが可能である。本開示における粘弾性流体は、界面活性剤、塩、例えば、塩化カリウム、消泡剤、スケール防止剤、腐食防止剤、流体損失添加剤、及び殺菌剤などの１つ以上の添加剤をさらに含有し得る。破壊剤の目的は、破砕流体の粘度を「破壊する」または減少させることであり、これにより、この流体は、浄化中に破砕からより容易に回収される。破壊剤は、安定剤ナノ粒子が少なくとも１つのＶＥＳの分解を阻止または防止するという点で、安定剤ナノ粒子とは異なる。いくつかの実施形態では、ナノ粒子を含有する粘弾性流体は、破壊剤材料も含み得る。破壊剤材料は、カプセル化された破壊剤を含む。追加の添加剤としては、高分子電解質、例えばポリカチオン及びポリアニオン、両性イオン性ポリマー、例えば両性イオン性ポリアクリルアミド及びコポリマー、ならびに他の界面活性剤が挙げられ得るが、これらに限定されない。

また任意に、本開示に記載の粘弾性流体は、前述の考えられる添加剤を含んでもよく、破砕領域に多孔質パックを形成することによって破砕動作が完了した後のプロパントの逆流を制限するように設計された材料も含み得る。「プロパント逆流防止剤」と呼ばれるそのような材料は、ＳｃｈｌｕｍｂｅｒｇｅｒからＰＲＯＰＮＥＴ（登録商標）の名称で入手可能なものなど、当該技術分野において既知のいかなるものであってもよい。

本開示に記載の一実施形態は、粘弾性流体を用いて、坑井によって貫通した地下層を処理する方法であって、粘弾性界面活性剤及びナノ粒子粘度改質剤をブライン溶液に添加して、粘弾性流体を生成することを含む。次いで、粘弾性流体は、坑井を通して地下層に導入され、高温粘弾性流体は、２５０°Ｆを超える温度に供される。

１つ以上の実施形態では、高温粘弾性流体は、２７５°Ｆを超える温度に供され、他の実施形態では、高温粘弾性流体は、３００°Ｆを超える温度に供される。

実施例１
本実施例では、５重量％の高温粘弾性界面活性剤（ＨＴ ＶＥＳ）（Ａｒｍｏｖｉｓ（登録商標）ＥＨＳ）を、３０重量％のＣａＣｌ_２ブラインに添加することによって、ベースライン粘弾性流体を調製した。より具体的には、４０．７ミリリットル（ｍＬ）の水道水、２６．８グラム（ｇ）のＣａＣｌ_２・２Ｈ_２Ｏ、及び２．６ｍＬのＨＴ ＶＥＳを一緒に混合して、ベースライン流体を形成した。室温から約３５０°Ｆまでの流体の粘度を、Ｆａｎｎ５０型粘度計を用いて１００／秒（ｓ^−１）の剪断速度で測定し、図１にプロットした。第２の試料において、６ｐｐｔのカーボンナノチューブ（ＣＮＴ、多層カーボンナノチューブ、９５重量％、３０〜５０ナノメートル（ｎｍ）ＯＤ、Ｃｈｅａｐ Ｔｕｂｅｓ Ｉｎｃ．製、５％の不純物が炭素粉末であると考えられる）をベースライン流体に混合した。同様に、室温から３５０°Ｆまでの粘度を測定し、図１にプロットした。第３の試料において、１２ｐｐｔの同じカーボンナノチューブをベースライン流体に混合した。同様に、室温から３５０°Ｆまで粘度を測定し、図１にプロットした。約２５０°Ｆ〜約３５０°Ｆの間で平均して、粘度は、６ｐｐｔのカーボンナノチューブの添加で約２０％増強され、１２ｐｐｔのカーボンナノチューブの添加で約２６％増強された。カーボンナノチューブを添加し、ＶＥＳ分子を含まない同じ３０％ ＣａＣｌ_２ブライン中で混合したとき、カーボンナノチューブの分散は、ナノチューブが凝集体中に留まることが好ましい流体中では不良であった。ＨＴ ＶＥＳを流体中に添加すると、分散が大幅に改善され、カーボンナノチューブは、流体中に均一に分布しているように見えた。

実施例２
第１の試料において、５重量％のＨＴ ＶＥＳ（Ａｒｍｏｖｉｓ（登録商標）ＥＨＳ）を３０重量％のＣａＣｌ_２ブラインに添加することによって、ベースライン粘弾性流体を調製した。より具体的には、４０．７ｍＬの水道水、２６．８ｇのＣａＣｌ_２・２Ｈ_２Ｏ、及び２．６ｍＬのＨＴ ＶＥＳを一緒に混合して、ベースライン流体を形成した。室温から約３５０°Ｆまでの流体の粘度を、Ｆａｎｎ５０型粘度計を用いて１００ｓ^−１の剪断速度で測定し、図２にプロットした。第２の試料において、４ｐｐｔのＺｒＯ_２ナノ材料（ＵＳ Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ｎａｎｏｍａｔｅｒｉａｌｓ，Ｉｎｃ．製、９９．９５％、２０ｎｍ）を粘弾性ベースライン流体に混合した。同様に、室温から３５０°Ｆまでの粘度を測定し、図２にプロットした。約２５０°Ｆ〜約３５０°Ｆの間で平均して、粘度は、４ｐｐｔのＺｒＯ_２ナノ粒子の添加で約２４％増強された。第３の試料において、４ｐｐｔの同じＺｒＯ_２ナノ材料を、ＶＥＳなしの同じ３０％ ＣａＣｌ_２ブラインに添加した。同様に、室温から３５０°Ｆまで粘度を測定した。第１の試験におけるベースラインＶＥＳ粘弾性流体の粘度、及び第３の試験における４ｐｐｔのＺｒＯ_２ナノ材料の粘度を数学的に加算し（単純加算）、点線によって表されるように、図２にプロットした。点線は、約２５０°Ｆを超える温度に対して、ＨＴ ＶＥＳ及び４ｐｐｔのＺｒＯ_２ナノ材料の両方を含有する粘弾性試料流体中の実際の粘度と比較して、より低い粘度を示す。これは、ＨＴ ＶＥＳとＺｒＯ_２ナノ材料との間の流体に、高温での流体粘度を高めるための相乗効果があることを示唆している。

図２中、ベースライン流体の粘度及び４ｐｐｔのＺｒＯ_２ナノ材料の粘度は、単純加算によって数学的に加算され、図２にプロットされる。予想される結果は、約２５０°Ｆを超える温度に対して、ＨＴ ＶＥＳ及び４ｐｐｔのＺｒＯ_２ナノ材料の両方を含有する粘弾性試料流体中の理論粘度と比較して、より小さい粘度を示す。これは、ＨＴ ＶＥＳとＺｒＯ_２ナノ材料との間の流体に、高温での流体粘度を高めるための相乗効果があることを示唆している。ＺｒＯ_２ナノ粒子は、ファンデルワールス力などの力を通して、流体中の複数のＨＴ ＶＥＳミセルに同時に付着している可能性があり、したがってＨＴ ＶＥＳミセルの３Ｄネットワークを強化し、流体粘度を増強する。
以下、本発明の好ましい実施形態を項分け記載する。
実施形態１
地下層用粘弾性流体であって、
式（Ｉ）：

に従った粘弾性界面活性剤であって、式中、Ｒ _１ が、１７〜２９個の炭素原子の飽和または不飽和炭化水素基であり、Ｒ _２ 及びＲ _３ がそれぞれ独立して、１〜６個の炭素原子の直鎖または分枝アルキルまたはヒドロキシアルキル基から選択され、Ｒ _４ が、１〜４個の炭素原子のＨ、ヒドロキシル、アルキル、またはヒドロキシアルキル基から選択され、ｋが２〜２０の整数であり、ｍが１〜２０の整数であり、ｎが０〜２０の整数である、粘弾性界面活性剤と、
ブライン溶液と、
０．１〜５００ナノメートル、または０．１〜１００ナノメートルの粒径を含む少なくとも１つのナノ粒子粘度調整剤と、
を含む、地下層用粘弾性流体。
実施形態２
前記粘度調整剤が、非ポリマーである、実施形態１に記載の地下層用粘弾性流体。
実施形態３
前記粘弾性界面活性剤が、エルカミドプロピルヒドロキシプロピルスルタインを含む、実施形態１に記載の地下層用粘弾性流体。
実施形態４
溶媒をさらに含む、実施形態１に記載の地下層用粘弾性流体。
実施形態５
前記溶媒が、水、アルコール、またはこれらの組み合わせから選択される、実施形態４に記載の地下層用粘弾性流体。
実施形態６
前記アルコールが、一価アルキルオキシ、ジオール、トリオール、またはこれらの組み合わせを含む、実施形態５に記載の地下層用粘弾性流体。
実施形態７
前記粘弾性流体が、０．５体積％〜２０体積％、または２体積％〜８体積％、または３体積％〜６体積％の重量の粘弾性界面活性剤を含む、実施形態１に記載の地下層用粘弾性流体。
実施形態８
前記粘弾性流体が、溶液中に１重量％〜５０重量％、または１０重量％〜４０重量％、または１５重量％〜３５重量％の塩を含む、実施形態１に記載の地下層用粘弾性流体。
実施形態９
前記ブライン溶液が、１つ以上の金属塩、金属ハロゲン化物を含む、実施形態１に記載の地下層用粘弾性流体。
実施形態１０
前記ブライン溶液が、１つ以上のアルカリまたはアルカリ土類金属ハロゲン化物を含む、実施形態１に記載の地下層用粘弾性流体。
実施形態１１
前記金属ハロゲン化物が、塩化カルシウム、臭化カルシウム、臭化亜鉛、またはこれらの組み合わせを含む、実施形態１０に記載の地下層用粘弾性流体。
実施形態１２
前記ナノ粒子粘度調整剤が、カーボンナノチューブ、ＺｎＯナノ材料、ＺｒＯ _２ ナノ材料、またはこれらの組み合わせのうちの１つ以上を含む、実施形態１に記載の地下層用粘弾性流体。
実施形態１３
前記ナノ粒子粘度調整剤が、ナノサイズのジルコニウム（Ｚｒ）化合物、チタン（Ｔｉ）化合物、セシウム（Ｃｅ）化合物、亜鉛（Ｚｎ）化合物、アルミニウム（Ａｌ）化合物、ホウ素（Ｂ）化合物、スズ（Ｓｎ）化合物、カルシウム（Ｃａ）化合物、マグネシウム（Ｍｇ）化合物、鉄（Ｆｅ）化合物、クロム（Ｃｒ）化合物、シリカ（Ｓｉ）化合物、またはこれらの組み合わせを含む、実施形態１に記載の地下層用粘弾性流体。
実施形態１４
前記粘弾性流体が、０．００１重量％〜５重量％、０．０１重量％〜２重量％、または０．０４重量％〜０．２４重量％のナノ粒子粘度調整剤を含む、実施形態１に記載の地層用粘弾性流体。
実施形態１５
前記粘度調整剤が、１０〜６０ｎｍの粒径を有する、実施形態１に記載の地下層用粘弾性流体。
実施形態１６
破壊剤材料をさらに含む、実施形態１に記載の地下層用粘弾性流体。
実施形態１７
少なくとも１つの追加の界面活性剤をさらに含む、実施形態１に記載の地下層用粘弾性流体。
実施形態１８
前記追加の界面活性剤が、カチオン性界面活性剤、アニオン界面活性剤、非イオン界面活性剤、両性界面活性剤、またはこれらの組み合わせを含む、実施形態１に記載の地下層用粘弾性流体。
実施形態１９
粘弾性流体を用いて、坑井によって貫通した地下層を処理する方法であって、
式（Ｉ）に従った粘弾性界面活性剤、ナノ粒子粘度調整剤、及びブライン溶液を混合して、前記粘弾性流体を生成することであって、前記粘弾性界面活性剤が、式（Ｉ）：

に従い、式中、Ｒ _１ が、１７〜２９個の炭素原子の飽和または不飽和炭化水素基であり、Ｒ _２ 及びＲ _３ がそれぞれ独立して、１〜６個の炭素原子の直鎖または分枝アルキルまたはヒドロキシアルキル基から選択され、Ｒ _４ が、１〜４個の炭素原子のＨ、ヒドロキシル、アルキル、またはヒドロキシアルキル基から選択され、ｋが２〜２０の整数であり、ｍが１〜２０の整数であり、ｎが０〜２０の整数であり、
少なくとも１つのナノ粒子粘度調整剤が、０．１〜５００ナノメートル、または０．１〜１００ナノメートルの粒径を含む、生成することと、
前記処理流体が２５０°Ｆを超える温度に供される、前記坑井を通して前記粘弾性流体を前記地下層に導入することと、を含む、方法。
実施形態２０
前記処理流体が、２７５°Ｆを超える温度に供される、実施形態１９に記載の粘弾性流体を用いて、坑井によって貫通した地下層を処理する方法。

特許請求された主題の趣旨及び範囲から逸脱することなく、記載された実施形態に様々な修正及び変更がなされ得ることは、当業者には明らかであるはずである。したがって、本明細書は、様々な記載された実施形態の修正及び変更を網羅し、ただし、そのような修正及び変更が添付の特許請求の範囲及びそれらの同等物の範囲内に入ることを条件とすることが意図される。

Claims (18)

1. 地下層用粘弾性流体であって、
   式（Ｉ）：
   

   

   に従った粘弾性界面活性剤であって、式中、Ｒ_１が、１７個〜２９個の炭素原子の飽和または不飽和炭化水素基であり、Ｒ_２及びＲ_３がそれぞれ独立して、１個〜６個の炭素原子の直鎖または分枝アルキルまたはヒドロキシアルキル基から選択され、Ｒ_４が、１個〜４個の炭素原子のＨ、ヒドロキシル、アルキル、またはヒドロキシアルキル基から選択され、ｋが２〜２０の整数であり、ｍが１〜２０の整数であり、ｎが０〜２０の整数である、粘弾性界面活性剤と、
   ブライン溶液と、
   ０．１ナノメートル〜５００ナノメートル、または０．１ナノメートル〜１００ナノメートルの粒径を含む少なくとも１つのナノ粒子粘度調整剤であって、ＺｒＯ _２ ナノ粒子、カーボンナノチューブ、またはこれらの組み合わせからなる群より選択される少なくとも１つのナノ粒子粘度調整剤と、
   を含む、地下層用粘弾性流体。
2. 前記少なくとも１つのナノ粒子粘度調整剤が、非ポリマーである、請求項１に記載の地下層用粘弾性流体。
3. 前記粘弾性界面活性剤が、エルカミドプロピルヒドロキシプロピルスルタインを含む、請求項１に記載の地下層用粘弾性流体。
4. 溶媒をさらに含む、請求項１に記載の地下層用粘弾性流体。
5. 前記溶媒が、水、アルコール、またはこれらの組み合わせから選択される、請求項４に記載の地下層用粘弾性流体。
6. 前記アルコールが、一価アルキルオキシ、ジオール、トリオール、またはこれらの組み合わせを含む、請求項５に記載の地下層用粘弾性流体。
7. 前記粘弾性流体が、０．５重量％〜２０重量％の前記粘弾性界面活性剤を含む、請求項１に記載の地下層用粘弾性流体。
8. 前記粘弾性流体が、前記溶液中に１重量％〜５０重量％の塩を含む、請求項１に記載の地下層用粘弾性流体。
9. 前記ブライン溶液が、１つ以上の金属塩、金属ハロゲン化物を含む、請求項１に記載の地下層用粘弾性流体。
10. 前記ブライン溶液が、１つ以上のアルカリまたはアルカリ土類金属ハロゲン化物を含む、請求項１に記載の地下層用粘弾性流体。
11. 前記金属ハロゲン化物が、塩化カルシウム、臭化カルシウム、臭化亜鉛、またはこれらの組み合わせを含む、請求項１０に記載の地下層用粘弾性流体。
12. 前記粘弾性流体が、０．００１重量％〜５重量％の前記少なくとも１つのナノ粒子粘度調整剤を含む、請求項１に記載の地層用粘弾性流体。
13. 前記少なくとも１つのナノ粒子粘度調整剤が、１０ナノメートル〜６０ナノメートルの粒径を有する、請求項１に記載の地下層用粘弾性流体。
14. 破壊剤材料をさらに含む、請求項１に記載の地下層用粘弾性流体。
15. 少なくとも１つの追加の界面活性剤をさらに含む、請求項１に記載の地下層用粘弾性流体。
16. 前記追加の界面活性剤が、カチオン性界面活性剤、アニオン界面活性剤、非イオン界面活性剤、両性界面活性剤、またはこれらの組み合わせを含む、請求項１５に記載の地下層用粘弾性流体。
17. 粘弾性流体を用いて、坑井によって貫通した地下層を処理する方法であって、
    粘弾性界面活性剤、少なくとも１つのナノ粒子粘度調整剤、及びブライン溶液を混合して、前記粘弾性流体を生成することであって、前記粘弾性界面活性剤が、式（Ｉ）：
    

    

    に従い、式中、Ｒ_１が、１７個〜２９個の炭素原子の飽和または不飽和炭化水素基であり、Ｒ_２及びＲ_３がそれぞれ独立して、１個〜６個の炭素原子の直鎖または分枝アルキルまたはヒドロキシアルキル基から選択され、Ｒ_４が、１個〜４個の炭素原子のＨ、ヒドロキシル、アルキル、またはヒドロキシアルキル基から選択され、ｋが２〜２０の整数であり、ｍが１〜２０の整数であり、ｎが０〜２０の整数であり、
    前記少なくとも１つのナノ粒子粘度調整剤が、０．１ナノメートル〜５００ナノメートル、または０．１ナノメートル〜１００ナノメートルの粒径を含み、前記少なくとも１つのナノ粒子粘度調整剤が、ＺｒＯ _２ ナノ粒子、カーボンナノチューブ、またはこれらの組み合わせからなる群より選択される、生成することと、
    前記処理流体が２５０°Ｆ（約１２１℃）を超える温度に供される、前記坑井を通して前記粘弾性流体を前記地下層に導入することと、を含む、方法。
18. 前記処理流体が、２７５°Ｆ（１３５℃）を超える温度に供される、請求項１７に記載の粘弾性流体を用いて、坑井によって貫通した地下層を処理する方法。

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