KR20180119556A - 고온 가교결합된 파쇄 유체 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 2-아크릴아미도-2-메틸프로판술폰산, 아크릴아미드 및 아크릴산 단량체 단위 또는 이의 염을 갖는 공중합체를 포함하는 수성 공중합체 조성물과 가교결합제와의 혼합물을 포함하는 파쇄 유체를 제공한다. 가교결합제는 금속을 포함하고, 공중합체에 대한 금속의 중량비는 0.01 내지 0.08의 범위에 있다. 지하 지층을 처리하는 것은 파쇄 유체를 지하 지층 내로 도입하는 단계, 및 지하 지층에서 파쇄 유체를 가교결합하여 가교결합된 파쇄 유체를 생성하는 단계를 포함한다. 가교결합된 파쇄 유체는, 겔이 300℉ 내지 400℉의 범위에 있는 온도에서 40 s-1의 전단 속도를 받게 될 때, 80분 이상 동안 500 cP 이상의 점도를 갖는다.
Description
관련 출원에 대한 상호 참조
본 출원은 2015년 12월 2일자로 출원된, 발명의 명칭이 "고온 가교결합된 파쇄 유체(high temperature crosslinked fracturing fluids)"인 미국 가출원 번호 62/262,250를 우선권 주장의 기초 출원으로 하고, 상기 가출원은 그 전체 내용이 본원에 참고 인용된다.
기술 분야
본 명세서는 수압 파쇄 조작(hydraulic fracturing fluid)에 이용된 방법 및 조성물, 특히 최고 450℉ 및 그 이상의 온도와 상용성인 방법 및 조성물에 관한 것이다.
구아 유체와 같은 다당류계 유체는, 주로 풍부성, 비교적 낮은 비용, 및 높은 pH(예를 들면, 9.5 초과)에서 제제화될 때 350℉까지 작업할 수 있는 성능 때문에, 수압 파쇄 조작에서 통상적으로 사용된다. 그러나, 대부분의 구아계 파쇄 유체에 있어서 한가지 주목할 만한 단점은 투과성 감소를 야기하는 경향이 있는 구아 중의 불용성 잔사이다. 높은 pH에서 구아계 유체를 사용하는데 있어서 또다른 단점은 높은 pH에서 2가 이온 스케일을 형성하는 경향이다. 일반적으로, 열적 안정한 합성 중합체, 예컨대 아크릴아미드계 중합체는 잔사 없는 것으로 고려된다. 이러한 중합체는 약 300~450℉ 또는 그 이상에서 파쇄 유체를 제조하는 데 사용될 수 있다. 그러나, 고 사용량의 아크릴아미드계 중합체가 불완전한 분해와 같은 인자로 인하여 지층 손상(formation damage)을 여전히 야기할 수 있다.
제1의 일반적인 양태에서, 파쇄 유체는 수성 공중합체 조성물과 가교결합제와의 혼합물을 포함한다. 수성 공중합체 조성물은 2-아크릴아미도-2-메틸프로판술폰산, 아크릴 아미드 및 아크릴산 단량체 단위를 갖는 공중합체를 포함한다. 아크릴산 단량체 단위는 아크릴산의 염 형태로 존재할 수 있다. 가교결합제는 금속을 포함한다. 일부의 사례에서, 가교결합제는 수혼화성의 비수성 용매 중에 제공된다. 공중합체에 대한 금속의 중량비는 0.01 내지 0.08의 범위에 있다.
제2의 일반적인 양태는 공중합체가 1 몰% 내지 55 몰%의 2-아크릴아미도-2-메틸프로판술폰산 단량체 단위를 포함하고, 가교결합제가 300℉의 온도 및 7 미만의 pH에서 500 cP 이상의 점도를 갖는 가교결합된 유체를 생성하기에 충분한 양으로 존재하는 것인 제1의 일반적인 양태의 파쇄 유체를 포함한다.
제3의 일반적인 양태에서, 지하 지층(subterranean formation)을 처리하는 것은 제1의 일반적인 양태의 파쇄 유체를 지하 지층에 도입하는 단계, 및 지하 지층에서 파쇄 유체를 가교결합하여 가교결합된 파쇄 유체를 생성하는 단계를 포함한다.
제1의, 제2의, 및 제3의 일반적인 양태의 실시는 다움의 특색 중 하나 이상을 포함할 수 있다.
일부 실시양태에서, 공중합체에 대한 금속의 중량비는 0.02 내지 0.06의 범위에 있다.
일부 실시양태에서, 공중합체는 1 몰% 내지 55 몰%, 1 몰% 내지 40 몰% 또는 1 몰% 내지 25 몰%의 2-아크릴아미도-2-메틸프로판술폰산 단량체 단위를 포함한다. 특정 실시양태에서, 공중합체는 삼원공중합체이다.
일부 실시양태에서, 파쇄 유체는 겔 안정화제, 점토 안정화제, 점도 브레이커(viscosity breaker), 프로판트(proppant) 및 pH 조정제 중 적어도 하나를 포함한다. 하나의 실시양태에서, 파쇄 유체는 pH 조정제를 포함하고, 파쇄 유체의 pH는 2 내지 7 또는 3 내지 6.5의 범위에 있다. 일부 사례에서, 파쇄 유체 중의 캐리어 유체는 50 mg/L ~ 50,000mg/L의 총 용존 고형물(total dissolved solid)을 가질 수 있다. 특정 사례에서, 파쇄 유체 중의 지르코늄의 농도는 0.001 중량% 내지 0.024 중량% 범위에 있다. 파쇄 유체는 전형적으로 파쇄 유체의 1000 갤론당 20 내지 50 파운드의 공중합체를 포함한다.
일부 실시양태에서, 가교결합후, 파쇄 유체는, 겔이 300℉ 내지 400℉의 범위에 있는 온도에서 40 s-1의 전단 속도를 받게 될 때, 80분 이상 동안 500 cP 이상의 점도를 갖는다. 일부 실시양태에서, 가교결합제는 수혼화성의 비수성 유체를 포함한다. 일부 실시양태에서, 가교결합제는 지르코늄을 포함하고, 파쇄 유체는 파쇄 유체의 1000 갤론당 25 파운드의 공중합체를 포함하며, 공중합체에 대한 지르코늄의 중량비는 약 0.02 내지 약 0.04의 범위에 있고, 공중합체는 15 중량%의 2-아크릴아미도-2-메틸프로판술폰산 단량체 단위를 포함하며, 가교결합된 파쇄 유체는, 이 가교결합된 파쇄 유체가 300℉의 온도에서 40 s-1의 전단 속도를 받게 될 때, 180분까지 동안 동안 500 cP 이상의 점도를 유지한다. 특정 실시양태에서, 가교결합된 파쇄 유체는, 이 가교결합된 파쇄 유체가 300℉의 온도에서 40 s-1의 전단 속도를 받게 될 때, 160분까지 동안 500 cP 이상의 점도를 유지하고 360분 후에 10 cP 미만의 점도를 갖는다.
일부 실시양태에서, 가교결합제는 지르코늄을 포함하고, 파쇄 유체는 파쇄 유체 1000 갤론당 20 파운드의 공중합체를 포함하며, 공중합체에 대한 지르코늄의 중량비는 약 0.02 내지 약 0.04이고, 가교결합된 파쇄 유체는, 이 가교결합된 파쇄 유체가 300℉의 온도에서 40 s-1의 전단 속도를 받게 될 때, 180분까지 동안 500 cP 이상의 점도를 유지한다.
일부 실시양태에서, 가교결합제는 지르코늄을 포함하고, 파쇄 유체는 파쇄 유체 1000 갤론당 30 파운드의 공중합체를 포함하며, 공중합체에 대한 지르코늄의 중량비는 약 0.02 내지 약 0.04이고, 가교결합된 파쇄 유체는, 이 가교결합된 파쇄 유체가 400℉의 온도에서 40 s-1의 전단 속도를 받게 될 때, 80분까지 동안 500 cP 이상의 점도를 유지한다.
제1의, 제2의, 및 제3의 일반적인 양태의 이점은 공중합체 중의 2-아크릴아미도-2-메틸프로판-술폰산 단량체 단위의 낮은 수준, 파쇄 유체 중의 공중합체의 낮은 하중(loading), 공중합체 대한 가교결합제의 낮은 비율, 및 가교결합된 파쇄 유체의 존재 하에 점도 브레이커를 통한 급속한 점도 감소를 포함한다.
도 1은 예시의 가교결합된 파쇄 유체에 대한 점도 대 시간의 플롯을 나타낸 것이다.
도 2는 점도 브레이커의 사용 유무 하에 예시의 가교결합된 파쇄 유체에 대한 점도 대 시간의 플롯을 나타낸 것이다.
도 3은 예시의 가교결합된 파쇄 유체에 대한 점도 대 시간의 플롯을 나타낸 것이다.
도 2는 점도 브레이커의 사용 유무 하에 예시의 가교결합된 파쇄 유체에 대한 점도 대 시간의 플롯을 나타낸 것이다.
도 3은 예시의 가교결합된 파쇄 유체에 대한 점도 대 시간의 플롯을 나타낸 것이다.
이하에서는 본 발명의 개시된 주제의 특정 실시양태에 대하여 상세히 언급할 것이다. 그 개시된 주제가 열거된 청구범위와 연대하여 기술되어 있긴 하지만, 그 예시된 주체는 청구범위를 그 개시된 주제에 한정하고자 의도한 것이 아님을 이해해야 한다.
정의
범위 형식으로 표시된 값들은 그 범위의 한계로서 명시적으로 인용된 수치들을 포함할 뿐만 아니라 마치 그 범위 내에 포함된 각 수치 및 하위 범위가 명시적으로 인용되는 것처럼 그 범위 내에 포함된 모든 개별 수치 또는 하위 범위를 포함하는 유연한 방식으로 해석되어야 한다. 예를 들어, "약 0.1% 내지 약 5%" 또는 "약 0.1% 내지 5%"의 범위는 단지 약 0.1 내지 약 5%를 포함할 뿐만 아니라 개별 값(예컨대, 1%, 2%, 3% 및 4%) 및 그 지시된 범위 내에 속하는 하위 범위(예컨대, 0.1% 내지 0.5%, 1.1% 내지 2.2%, 3.3% 내지 4.4%)를 포함하는 것으로 해석되어야 한다. "약 X 내지 Y"라고 언급하는 것은 달리 지시되어 있지 않는 한 "약 X 내지 약 Y"와 동일한 의미를 갖는다. 마찬가지로, "약 X, Y 또는 약 Z"라고 언급한 것은 달리 지시되어 있지 않는 한 "약 X, 약 Y 또는 약 Z"와 동일한 의미를 갖는다.
본 명세서에서, 용어 "부정관사"와 "정관사"는 문맥이 명확하게 달리 지시하고 있지 않는 한 하나 또는 하나 이상을 포함하는 것으로 사용된다. 용어 "또는"은 달리 지시되어 있지 않는 한 비배타적인 "또는"를 언급하는 것으로 사용된다. "A 및 B 중 하나 이상"이라고 언급한 것은 "A, B 또는 A 및 B"와 동일한 의미를 갖는다. 추가로, 본 개시내용에서 사용되지만 달리 정의되어 있지 않은 표현 또는 용어는 단지 설명의 목적으로만 사용되지 그 설명을 제한하고자 사용되는 것이 아님을 이해해야 한다. 섹션 제목의 임의적인 사용은 본 명세서의 이해에 도움을 주고자 의도한 것이지 그 이해를 한정하는 것으로 해석되어서는 안된다. 섹션 제목과 관련되는 정보는 그 특정 섹션 내에서 또는 외에서 일어날 수 있다.
본 명세서에서 기술된 제조 방법에서, 실행들은 일시적 또는 작동적 순서가 명시적으로 인용될 때를 제외하고는 임의의 순서로 수행될 수 있다. 더구나, 특정된 실행들은 명시적 특허청구된 언어가 그 실행들을 개별적으로 수행할 것이라는 점을 인용하지 않는 한 동시적으로 수행될 수 있다. 예를 들어, X를 행하는 특허청구된 실행 및 Y를 행하는 특허청구된 실행은 단일 조작 내에서 동시적으로 수행될 수 있으며, 결과로 얻어지는 공정은 특허청구된 공정의 문자 그대로의 영역 내에 속하게 된다.
본 명세서에 사용된 바와 같이 용어 "약"은 일정 값 또는 범위 내에서 가변성의 정도, 예를 들면 언급된 값 또는 언급된 일정 범위의 한계의 10% 이내, 5% 이내 또는 1% 이내의 가변성의 정도를 허용할 수 있다.
본 명세서에서 사용된 바와 같이 용어 "실질적으로"는 적어도 약 50%, 60%, 70%, 80%, 90%, 95%, 96%, 97%, 98%, 99%, 99.5%, 99.9%, 99.99%, 또는 적어도 약 99.999% 또는 그 이상에서와 같이 대다수 또는 거의를 언급한 것이다.
본 명세서에서 사용된 바와 같이, 용어 "중합체"는 적어도 하나의 반복 단위를 갖는 분자를 언급한 것이며, 공중합체를 포함할 수 있다.
본 명세서에서 사용된 바와 같이, 용어 "공중합체"는 적어도 2가지 상이한 반복 단위를 포함하는 중합체를 언급한 것이다. 공중합체는 임의의 적합한 수의 반복 단위를 포함할 수 있다.
본 명세서에서 사용된 바와 같이, 용어 "파쇄 유체"는 수압 파쇄 조작 동안 다운홀에 사용된 유체 또는 슬러리를 언급한 것이다.
본 명세서에서 사용된 바와 같이, 용어 "유체"는 높은 고형물 함량, 및 임계적 및 초임계적 물질을 지닌 기체, 액체, 겔, 슬러리를 언급한 것이다.
본 명세서에서 사용된 바와 같이, "지하 물질(subterranean material)" 또는 "지하 지층(subterranean formation)"은 대양 저부의 표면 아래를 포함하는 지구 표면 아래에 있는 임의의 물질을 언급한 것이다. 예를 들어, 지하 지층 또는 물질은 유정(wellbore)의 임의의 섹션 및 유정과의 유체 접촉하는 지하 석유 또는 물 생성 지층 또는 영역의 임의의 섹션일 수 있다. 지하 지층에 임의의 물질을 배치하는 것은 그 물질을 유정의 임의의 섹션과 접촉시키거나, 또는 유정과 유체 접촉하는 임의의 지하 영역과 접촉시키는 것을 포함할 수 있다. 지하 물질은 유정 내로 배치된 임의의 물질, 예컨대 시멘트, 드릴 샤프트, 라이너, 튜브류, 케이스류, 또는 스크린을 포함할 수 있으며, 지하 지층에 임의의 물질을 배치하는 것은 그 물질을 그러한 지하 물질과 접촉시키는 것을 포함할 수 있다. 일부 예에서, 지하 지층 또는 물질은 액체 또는 기체 석유 물질, 물을 생산할 수 있는 임의의 지하 영역, 또는 유체 접촉하는 지하의 임의 섹션일 수 있다. 예를 들어, 지하 지층 또는 물질은 파쇄하고자 원하는 영역, 파쇄 부분 또는 그 파쇄 부분의 주변 영역, 및 유동 경로 또는 그 유동 경로의 주변 영역 중 적어도 하나일 수 있으며, 파쇄 부분 또는 유동 경로는 지하 석유 또는 물 생산 영역에 직접 또는 하나 이상의 파쇄 부분 또는 유동 경로를 통해 유동적으로 임의로 연결될 수 있다.
본 명세서에서 사용된 바와 같이, "지하 지층을 처리하는 것"은 지하 석유 또는 물 생산 지층 또는 영역으로부터 물 또는 석유 물질을 추출하는 것에 관한 임의의 활동, 예를 들어 굴착(drilling), 자극(stimulation), 수압 파쇄(hydraulic facturing), 세정(clean-up), 산성화(acidizing), 완료(completion), 시멘트화(cementing), 보충 처리(remedial treatment), 수질 관리(water control), 폐기(abandonment) 등을 포함하는 그 활동을 포함할 수 있다.
본 명세서에서 사용된 바와 같이, "유동 경로" 다운홀은 2개의 지하 위치가 유체 접촉하는 임의의 적합한 지하 유동 경로를 포함할 수 있다. 유동 경로는 석유 또는 물이 하나의 지하 위치에서 유정으로 또는 그 반대 방향으로 유동하는 데 충분할 수 있다. 유동 경로는 수압 파쇄 부분, 및 스크린을 가로지르는 것, 자갈 팩을 가로지르는 것, 수지 결합된 프로판트 또는 파쇄 부분에 퇴적된 프로판트를 가로지르는 것을 포힘하는 프로판트를 가로지르는 것, 및 모래를 가로지르는 것인 유체 연결 부분 중 하나 이상을 포함할 수 있다. 유동 경로는 유체가 유동할 수 있는 자연적인 지하 통로를 포함할 수 있다. 일부 실시양태에서, 유동 경로는 수원일 수 있고 물을 포함할 수 있다. 일부 실시양태에서, 유동 경로는 석유 공급원일 수 있고 석유를 포함할 수 있다. 일부 실시양태에서, 유동 경로는 물, 다운홀 유체 또는 생산 된 탄화수소 중 적어도 하나에 연결된 유정, 파쇄 부분 또는 유동 경로로부터 전환하기에 충분할 수 있다.
가교결합된
파쇄 유체 시스템 & 조성물
본 명세서에서는 파쇄 유체 및 가교결합된 파쇄 유체가 제공된다. 파쇄 유체는 공중합체를 포함하는 수성 조성물 및 가교결합제를 포함하는 가교결합 용액을 포함한다. 가교결합된 파쇄 유체는 공중합체와 가교결합제의 가교결합된 생성물을 포함한다.
일부 사례에서, 공중합체는 적어도 3종 단량체 단위: 2-아크릴아미도-2-메틸프로판술폰산(AMPSA), 아크릴아미드 및 아크릴산 또는 이의 관련된 염을 포함한다. 공중합체는 전형적으로 55 몰% 미만의 AMPSA를 갖는다. 일부 사례에서, 공중합체는 20 몰% 미만의 AMPSA를 갖는다. 일부 사례에서, 공중합체는 1 몰% 내지 55 몰%, 1 몰% 내지 40 몰%, 1 몰% 내지 15 몰%, 10 몰% 내지 30 몰%, 12 몰% 내지 20 몰%, 또는 13 몰% 내지 17 몰%의 AMPSA를 갖는다. 일부 사례에서, 공중합체는 약 1 몰%, 5 몰%, 10 몰%, 25 몰%, 30 몰%, 35 몰%, 40 몰%, 50 몰%, 또는 55 몰%의 AMPSA를 갖는다. 공중합체는 또한 약 15 몰%의 AMPSA를 가질 수 있다. 공중합체는 약 0.1 몰% 내지 약 30 몰%의 아크릴산을 가질 수 있다. 일부 사례에서, 공중합체는 AMPSA, 아크릴아미드, 및 아크릴산 또는 이의 관련 염을 포함하는 삼원공중합체이다. 삼원공중합체는 55 몰% 미만의 AMPSA를 갖는다. 일부 사례에서, 삼원공중합체는 20 몰% 미만의 AMPSA를 갖는다. 일부 사례에서, 삼원공중합체는 5 몰% 내지 40 몰%, 10 몰% 내지 30 몰%, 12 몰% 내지 20 몰%, 또는 13 몰% 내지 17 몰%의 AMPSA를 갖는다. 일부 사례에서, 삼원공중합체는 약 5 몰%, 10 몰%, 20 몰%, 25 몰%, 30 몰%, 35 몰%, 40 몰%, 45 몰%, 50 몰% 또는 55 몰%의 AMPSA를 갖는다. 삼원공중합체는 또한 약 5 몰%의 AMPSA를 가질 수 있다. 삼원공중합체는 약 0.1 몰% 내지 약 30 몰%의 아크릴산을 가질 수 있다. 실시양태에서, 아크릴산의 양은 0 몰% 초과이다.
본 명세서에서 제공된 공중합체는 가교결합제와 조합될 수 있어, 낮은 중합체 하중에서 효율적인 프로판트 수송 유체로서 기능을 하는 가교결합된 유체를 생성하게 된다. 예를 들어, 1000 갤론당 30 파운드(30 pptg, 여기서 pptg = pound per thousand gallon) 미만의 공중합체 농도를 갖는 파쇄 유체는, 450℉ 또는 그 이상에서 사용하기 위한 심지어는 낮은 가교결합제/공중합체 비율로도, 가교결합제와 조합될 때, 가교결합된 유체를 생성할 수 있다는 점을 발견하게 되었다. 일부 사례에서, 파쇄 유체는 50 pptg 미만, 35 pptg 미만, 30 pptg 미만, 25 pptg 미만, 또는 20 pptg 미만의 농도로 공중합체를 갖는다. 일부 사례에서, 파쇄 유체는 10 내지 40 pptg, 15 내지 35 pptg, 또는 20 내지 30 pptg의 농도로 공중합체를 포함한다. 일부 사례에서, 파쇄 유체는 약 10 pptg, 15 pptg, 20 pptg, 25 pptg, 30 pptg, 35 pptg, 40 pptg, 45 pptg, 또는 50 pptg의 농도를 공중합체를 포함한다. 예를 들어, 400℉ 적용에 있어서는, 약 30 pptg의 농도로 공중합체를 포함하는 파쇄 유체가 사용될 수 있다. 예를 들어, 300℉ 적용에 있어서는, 약 20 pptg의 농도로 공중합체를 포함하는 파쇄 유체가 사용될 수 있다.
AMPSA, 아크릴아미드 및 아크릴산 또는 이의 관련 염으로 된 삼원공중합체는 AMPSA, 아크릴산 및 아크릴아미드를 특정된 양으로 공중합함으로써 얻어질 수 있다. 삼원공중합체는 또한 AMPSA 및 아크릴아미드를 초기 중합하고, 아크릴아미드를 가수분해하여 소정량의 아크릴산을 생성하는데, 아크릴아미드 및 아크릴산 단량체 단위의 몰수가 초기 사용된 아크릴아미드의 총 몰수와 동일하게 되도록, 생성함으로써 제조될 수 있다. 공중합체는 유중수 에멀션 또는 현탁 농축물로서 사용될 수 있거나, 또는 수성 유체 중에 용해된 고형물로서 사용될 수 있다.
본 명세서에서 제공된 파쇄 유체는 공중합체에 대한 가교결합제의 낮은 비율을 포함할 수 있다. 적합한 가교결합제는 전형적으로 금속을 포함한다. 일부 사례에서, 가교결합제는 지르코늄을 포함한다. 적합한 지르코늄 가교결합제는 비제한적인 예로서 지르코늄이 리간드들, 예컨대 락테이트 염(예, 나트륨 지르코늄 락테이트), 트리에탄올아민, 알콕사이드(예, 이소프로폭사이드 및 프로폭사이드), 2,2'-이미노디에탄올 및 이들 리간드의 혼합물과 착화되어 있는 지르코늄 착물을 포함한다. 가교결합제는 수성 유체, 비수성 유체 또는 액체(예, 알콜, 예컨대 n-프로판올), 및 수성, 수혼화성의 비수성 용매(예, 알콜 및 아미노알콜)의 조합 중에 적절히 용해될 수 있다. n-프로판올 중의 용액으로서 Dorf Ketal로부터 구입 가능한 TYZOR 212는 Zr 가교결합제의 한가지 예이다. 20 pptg 내지 30 pptg의 공중합체가 파쇄 유체 중에 존재하고 가교결합 용액이 TYZOR 212일 때, 공중합체에 대한 Zr의 중량비는 약 0.01 내지 약 0.08(예컨대, 약 0.02 내지 약 0.06 또는 약 0.02 내지 약 0.04)의 범위에 있을 수 있으며, 파쇄 유체 중의 Zr의 중량 백분율은 약 0.001 중량% 내지 약 0.024 중량%의 범위에 있을 수 있다. 파쇄 유체에 적합한 가교결합제는 또한 티탄(Ti) 가교결합제를 포함할 수 있다. 적합한 티타네이트 가교결합제는 비제한적 예로서 리간드, 예컨대 락테이트 및 트리에탄올아민, 및 이들의 혼합물을 지닌, 임의로 히드록시아세트산에 의해 지연된, 티타네이트 가교결합제를 포함한다. 파쇄 유체에 적합한 가교결합제는 또한 알루미늄(Al) 가교결합제, 크롬(Cr) 가교결합제, 철(Fe) 가교결합제, 하프늄(Hf) 가교결합제, 및 이들의 조합을 포함할 수 있다. 일부 사례에서, 약 7 중량% 내지 약 20 중량%의 금속 가교결합제를 포함하는 가교결합 용액은 약 0.1 gpt 내지 약 5.0 gpt, 약 0.5 gpt 내지 약 1.5 gpt, 또는 약 0.9 내지 약 1.1 gpt의 농도로 파쇄 유체에 존재할 수 있다.
본 명세서에서 제공된 파쇄 유체는 보다 높은 몰%의 AMPSA를 갖는 공중합체를 포함하고/포함하거나, 보다 높은 공중합체 하중을 갖는 다른 파쇄 유체와 비교시 유사하거나 더 우수한 열적 겔 안정성을 갖는다. 일부 사례에서, 25 pptg 공중합체 하중을 지닌 본 명세서에서 기술된 파쇄 유체는, 이 파쇄 유체가 300℉의 온도에서 40 s-1 전단 속도를 받게 될 때, 20 내지 180분 동안 500 cP 이상의 점도를 유지한다. 일부 사례에서, 20 pptg 공중합체 하중을 지닌 본 명세서에서 기술된 파쇄 유체는, 이 파쇄 유체가 300℉의 온도에서 40 s-1 전단 속도를 받게 될 때, 40 내지 180분 동안 500 cP 이상의 점도를 유지한다. 일부 사례에서, 30 pptg 공중합체 하중을 지닌 본 명세서에서 기술된 파쇄 유체는, 400℉의 온도에서 40 s-1 전단 속도를 받게 될 때, 50 내지 80분 동안 500 cP 이상의 점도를 유지한다. 이들 파쇄 유체는 프로판트 수송에 충분한 시간을 제공할 수 있다.
본 명세서에서 제공된 파쇄 유체는 300℉ 내지 450℉ 또는 그 이상의 온도에서 사용될 수 있으며, 전형적으로 5 내지 7 또는 5.5 내지 6.5의 범위에 있는 pH를 갖는다. 부가적으로, 고 농도의 가교결합제가 요구되지 않으므로, 파쇄 유체와 관련된 비용이 추가 감소된다.
일부 사례에서, 본 명세서에서 제공된 파쇄 유체는 본 명세서에서 제공된 공중합체를 수성 캐리어, 예컨대 물과 혼합함으로써 형성된다. 그 수성 캐리어는 물, 담수, 염수, 생산수(produced water), 역류수, 기수(brackish water), 아랍-D-염수(Arab-D-brine), 해수 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다. 일부 사례에서, 물은 필드 워터(field water)이다. 일부 사례에서, 필드 워터는 50,000 mg/L 미만의 총 용존 고형물(TDS: total dissolved solid)을 갖는다. 일부 사례에서, 필드 워터는 500 내지 20,000 mg/L TDS, 700 내지 10,000 mg/L TDS, 800 내지 2000 mg/L TDS, 또는 1,000 내지 1,500 mg/L TDS를 갖는다. 일부 사례에서, 필드 워터는 약 500 mg/L TDS, 600 mg/L TDS, 700 mg/L TDS, 800 mg/L TDS, 900 mg/L TDS, 1,000 mg/L TDS, 1,200 mg/L TDS, 1,400 mg/L TDS, 2,000 mg/L TDS, 5,000 mg/L TDS, 10,000 mg/L TDS, 20,000 mg/L TDS, 또는 약 50,000 mg/L TDS를 갖는다.
일부 사례에서, 파쇄 유체는 겔 안정화제, 점토 안정화제, 또는 다른 적합한 첨가제 중 하나 이상을 포함한다. 일부 사례에서, 겔 안정화제는 항산화제를 포함한다. 일부 사례에서, 겔 안정화제는 페놀, 폴리페놀, 디-tert-부틸 알킬 페놀, 히드로퀴논, 아피제닌(apigenin), 레스베라트롤(resveratrol), 아스코르브산, 토코페놀, 나트륨 비스설파이드, 나트륨 수소 설파이트, 나트륨 티오설페이트, 암모늄 티오설페이트, 티오우레아 또는 이들의 조합을 포함한다. 일부 사례에서, 점토 안정화제는 염화나트륨, 염화칼륨, 염화암모늄, 테트라메틸암모늄 클로라이드(TMAC), 다른 4급 분자, 또는 이들의 조합을 포함한다. 일부 사례에서, 브롬화물, 예컨대 브롬화나트륨 또는 브롬화칼륨이 포함된다.
일부 사례에서, 파쇄 유체는 pH 조정제를 포함한다. 예를 들어, 파쇄 유체는 아세트산 용액, 아세트산/아세테이트 버퍼 용액, 또는 염산을 포함할 수 있다. 일부 사례에서, 산은 약 2 내지 7, 3 내지 6.5, 5 내지 5.5, 또는 약 5 내지 7 또는 5.5 내지 6.5의 pH를 달성하도록 파쇄 유체에 첨가된다.
일부 사례에서, 파쇄 유체는 공중합체, 가교결합제, 겔 안정화제, 및 점토 안정화제를 포함한다. 공중합체는 아크릴아미드, 아크릴산 및 약 15 몰%의 AMPSA를 포함한다. 가교결합제는 약 12.4 중량% Zr를 포함하는 가교결합 용액의 형태로 존재한다. 일부 사례에서, 공중합체는 약 30 pptg의 농도로 존재하고, 가교결합 용액은 약 0.9 gpt의 농도로 존재하며, 겔 안정화제는 약 3.0 gpt의 농도로 겔 안정화제 용액으로서 존재하며, 점토 안정화제는 약 2 gpt의 농도로 점토 안정화제 용액으로서 존재한다. 일부 사례에서, 공중합체는 약 25 pptg의 농도로 존재하고, 가교결합 용액은 약 0.9 gpt의 농도로 존재하며, 겔 안정화제는 약 0.5 gpt의 농도로 존재하고, 점토 안정화제는 약 2 gpt의 농도로 존재한다. 일부 사례에서, 공중합체는 약 20 pptg의 농도로 존재하고, 가교결합 용액은 약 1.1 gpt의 농도로 존재하며, 겔 안정화제는 약 0.4 gpt의 농도로 존재하고, 점토 안정화제는 약 2 gpt의 농도로 존재한다.
일부 사례에서, 파쇄 유체는 삼원공중합체, 가교결합제, 겔 안정화제 및 점토 안정화제를 포함한다. 삼원공중합체는 아크릴아미드, 아크릴산 및 약 15 몰%의 AMPSA를 포함한다. 가교결합제는 약 12.4 중량% Zr를 포함하는 가교결합 용액의 형태로 존재한다. 일부 사례에서, 삼원공중합체는 약 30 pptg의 농도로 존재하고, 가교결합제는 약 0.9 gpt의 농도로 존재하며, 겔 안정화제는 약 3.0 gpt의 농도로 존재하고, 점토 안정화제는 약 2 gpt의 농도로 존재한다. 일부 사례에서, 삼원공중합체는 약 25 pptg의 농도로 존재하고, 가교결합제는 약 0.9 gpt의 농도로 존재하며, 겔 안정화제는 약 0.5 gpt의 농도로 존재하고, 점토 안정화제는 약 2 gpt의 농도로 존재한다. 일부 사례에서, 삼원공중합체는 약 20 pptg의 농도로 존재하고, 가교결합제는 약 1.1 gpt의 농도로 존재하며, 겔 안정화제는 약 0.4 gpt의 농도로 존재하고, 점토 안정화제는 약 2 gpt의 농도로 존재한다.
하나의 실시양태에서, 파쇄 유체는 금속을 포함하는 가교결합제, 및 공중합체를 포함하는 수성 공중합체 조성물을 포함하고, 공중합체는 2-아크릴아미도-2-메틸프로판술폰산, 아크릴아미드 및 아크릴산 단량체 단위 또는 이의 염을 포함한다. 공중합체는 1 몰% 내지 55 몰%의 2-아크릴아미도-2-메틸프로판술폰산 단량체 단위를 포함할 수 있다. 공중합체 대한 금속의 중량비는 0.01 내지 0.08의 범위에 있다. 파쇄 유체의 pH는 약 5 내지 약 7, 또는 약 5.5 내지 약 6.5의 범위에 있을 수 있다. 하나의 실시양태에서, 가교결합제는 300℉의 온도 및 6.5의 pH에서 500 cP 이상의 점도를 갖는 가교결합된 유체를 생성하기에 충분한 양으로 존재한다.
일부 사례에서, 파쇄 유체는 프로판트를 포함한다. 프로판트의 예로는 모래, 자갈, 유리 비드, 중합체 비드, 껍질과 씨앗(예, 호두 껍데기)의 분쇄된 생성물, 인공 재료(예, 세라믹 프로판트, 보크사이트, 테트라플루오로에틸렌 재료), 과일 씨 재료, 가공 목재, 및 바인더 및 미분 등급 미립자, 예컨대 실리카, 알루미나, 발연 실라카, 카본 블랙, 흑연, 마이카, 이산화티탄, 메타실리케이트, 칼슘 실리케이트, 카올린, 탈크, 지르코니아, 보론, 플라이 애시(fly ash), 중공형 유리 마이크로구, 솔리드형 유리, 또는 이들 조합으로부터 제조된 복합 미립자를 포함한다.
실험
화학물질:
M1- 15 몰%의 2-아크릴아미도-2-메틸프로판술폰산(AMPSA), 5 몰%의 아크릴산(AA) 및 80 몰%의 아크릴아미드(AM)를 함유하는 유중수 에멀션 형태(30% 활성)로 존재하는 하기 실시예에서 사용된 삼원공중합체.
M2- 20% 아세트산 용액; M2'-아세트산/아세테이트 버퍼 용액.
M3- Zr 가교결합제(TYZOR 212, 16.75 중량% ZrO2 및 12.4 중량% Zr를 지닌 것).
M4- 겔 안정화제(CELB 225-010-2, ChemEOR로부터 구입 가능한 것).
M5- 점토 안정화제, 50% 테트라메틸암모늄 클로라이드(TMAC)(PACS-150L, Precision Additives로부터 구입 가능한 것).
실시예 1:
제1의 실시예에서는, 합성 필드 워터(synthetic field water)(약 1200 mg/L TDS), 30 pptg의 삼원공중합체(M1), 1.9 gpt의 20% 아세트산 용액(M2), 4 gpt의 겔 안정화제(M4), 2 gpt의 점토 안정화제(M5, 50% TMAC), 및 0.8 gpt의 Zr 가교결합제(M3, 12.4 중량% Zr를 지닌 것)을 포함하는 파쇄 유체를 제조하였다. 이 혼합된 유체의 pH는 5.4이었다. 삼원공중합체 M1에 대한 Zr의 중량비는 약 0.03이었다. 40 s-1의 전단 속도에서, 얻어지는 가교결합된 파쇄 유체의 점도를 400℉에서 측정하였다. 도 1의 플롯 100은 온도 대 시간을 나타낸 것이고, 플롯 102는 가교결합된 파쇄 유체에 대한 점도 대 시간을 나타낸 것이다. 파쇄 유체는 87분 동안 40 s-1의 전단 속도에서 500 cP 이상의 점도를 유지하였다.
실시예 2:
제2의 실시예에서는, 합성 필드 워터(약 1200 mg/L TDS), 25 pptg의 삼원공중합체(M1), 3.5 gpt의 20% 아세트산/아세테이트 버퍼 용액(M2'), 0.5 gpt의 겔 안정화제(M4), 2 gpt의 점토 안정화제(M5), 및 0.5 gpt의 Zr 가교결합제(M3, 12.4 중량% Zr를 지닌 것)을 포함하는 파쇄 유체를 제조하였다. 이 혼합된 유체의 pH는 5.4이었다. 삼원공중합체 M1에 대한 Zr의 중량비는 약 0.02이었다. 40 s-1의 전단 속도에서, 얻어지는 가교결합된 파쇄 유체의 점도를 300℉에서 측정하였다. 도 2의 플롯 200은 온도 대 시간을 나타낸 것이다. 플롯 202는 점도 브레이커의 부재 하에서의 가교결합된 파쇄 유체에 대한 점도 대 시간을 나타낸 것이다. 플롯 204는 점도 브레이커로서 4 pptg의 캡슐화 브롬화나트륨(예, 약 70 중량%의 브롬화나트륨 및 잔량의 코팅)에 의한 가교결합된 파쇄 유체에 대한 점도 대 시간을 나타낸 것이다. 점도 브레이커에 의한 가교결합된 파쇄 유체는 160분의 지속시간 동안 40 s-1의 전단 속도에서 500 cP 이상의 점도를 유지하였다. 6시간 후, 파괴된 유체의 점도는 10 cP 미만이었는데, 이는 캡슐화 브롬화나트륨이 파쇄 유체의 파괴할 수 있다는 것을 보여준다. 가교결합된 파쇄 유체는 프로판트를 현탁시킬 수 있다는 점, 및 파괴유된 유체는 겔 잔사를 함유하지 않는다는 점을 발견하게 되었다.
실시예 3:
제3의 실시예에서는 합성 필드 워터(약 1200 mg/L TDS), 20 pptg의 삼원공중합체(M1), 3 gpt의 20% 아세트산/아세테이트 버퍼 용액(M2'), 1 gpt의 겔 안정화제(M4), 2 gpt의 점토 안정화제(M5), 및 0.5 gpt의 Zr 가교결합제(M3, 12.4 중량% Zr를 지닌 것)을 포함하는 파쇄 유체를 제조하였다. 이 혼합된 유체의 pH는 5.6이었다. 삼원공중합체 M1에 대한 Zr의 중량비는 약 0.028이었다. 40 s-1의 전단 속도에서, 얻어지는 가교결합된 파쇄 유체의 점도를 300℉에서 측정하였다. 도 3의 플롯 300은 온도 대 시간을 나타낸 것이다. 플롯 302는 가교결합된 파쇄 유체에 대한 점도 대 시간을 나타낸 것이다. 파쇄 유체는 2.5 시간 이상 동안 40 s-1의 전도 속도에서 500 cP 이상의 점도를 유지하였다.
이들 결과는 아크릴아미드, 아크릴산 및 15 몰% 미만의 AMPSA로 된 삼원공중합체를 갖는 가교결합된 파쇄 유체가 300℉ 내지 400℉의 온도에서 낮은 공중합체 농도(예, 20 내지 30 pptg)로 사용될 수 있다는 점을 보여준다. 유동학적 연구로부터의 결과는 그러한 온도 범위에서 낮은 공중합체 하중을 지닌 파쇄 유체의 매우 우수한 가교결합 성능 및 열적 안정성을 입증하여 보여준다. 이러한 파쇄 유체는 충분한 프로판트 운반 점도를 갖고, 산화제 유형 브레이커를 사용하여 효율적인 세정을 허용하며, 그리고 효율적인 세정, 감소된 지층 손상, 보다 우수한 유체 전도도 및 개선된 생산율을 용이하게 한다.
다른 실시양태
실시양태들이 이의 상세한 설명과 연대하여 기술되어 있긴 하지만, 전술한 설명은 첨부된 청구범위의 영역에 의해 한정되는 본 발명의 영역을 예시하는 것이지 한정하고자 하는 것이 아님을 이해해야 한다. 다른 양태, 이점 및 변형은 후술하는 청구범위의 영역 내에 속한다.
Claims (21)
- 파쇄 유체(fracturing fluid)로서,
2-아크릴아미도-2-메틸프로판술폰산, 아크릴아미드 및 아크실산 단량체 단위 또는 이의 염을 포함하고 있는 공중합체를 포함하는 수성 공중합체 조성물과
금속을 포함하는 가교결합제
와의 혼합물을 포함하고, 공중합체에 대한 금속의 중량비가 0.01 내지 0.08의 범위인 파쇄 유체. - 제1항에 있어서, 공중합체에 대한 금속의 중량비가 0.02 내지 0.06의 범위인 파쇄 유체.
- 제1항 또는 제2항에 있어서, 공중합체가 1 몰% 내지 55 몰%의 2-아크릴아미도-2-메틸프로판술폰산 단량체 단위를 포함하는 것인 파쇄 유체.
- 제3항에 있어서, 공중합체가 1 몰% 내지 40 몰%의 2-아크릴아미도-2-메틸프로판술폰산 단량체 단위를 포함하는 것인 파쇄 유체.
- 제4항에 있어서, 공중합체가 1 몰% 내지 25 몰%의 2-아크릴아미도-2-메틸프로판술폰산 단량체 단위를 포함하는 것인 파쇄 유체.
- 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 공중합체가 삼원공중합체인 파쇄 유체.
- 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 겔 안정화제, 점토 안정화제, 점도 브레이커(viscosity breaker), 프로판트(proppant) 및 pH 조정제 중 하나 이상을 포함하는 파쇄 유체.
- 제7항에 있어서, pH 조정제를 포함하고, 파쇄 유체의 pH가 2 내지 7 또는 3 내지 6.5의 범위인 파쇄 유체.
- 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서, 50 mg/L 내지 50,000 mg/L의 총 용존 고형물(total dissolved solid)을 포함하는 파쇄 유체.
- 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서, 파쇄 유체 중의 금속 농도가 0.001 중량% 내지 0.024 중량%의 범위인 파쇄 유체.
- 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서, 파쇄 유체가 파쇄 유체 1000 갤론당 20 내지 50 파운드의 공중합체를 포함하는 것인 파쇄 유체.
- 제1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서, 가교결합 후, 겔이 300℉ 내지 400℉의 범위인 온도에서 40 s-1의 전단 속도를 받게 될 때, 파쇄 유체는 80분 이상 동안 500 cP 이상의 점도를 갖는 것인 파쇄 유체.
- 지하 지층(subterranean formation)을 처리하는 방법으로서,
파쇄 유체를 지하 지층 내로 도입하는 단계로서, 파쇄 유체가
2-아크릴아미도-2-메틸프로판술폰산, 아크릴아미드 및 아크실산 단량체 단위 또는 이의 염을 포함하고 있는 공중합체를 포함하는 수성 공중합체 조성물; 및
금속을 포함하는 가교결합제
를 포함하고, 공중합체에 대한 금속의 중량비가 0.01 내지 0.08의 범위인 도입 단계; 및
지하 지층에서 파쇄 유체를 가교결합하여 가교결합된 파쇄 유체를 생성하는 단계
를 포함하는 방법. - 제13항에 있어서, 파쇄 유체 중의 금속 농도가 0.001 중량% 내지 0.024 중량%의 범위인 방법.
- 제13항 또는 제14항에 있어서, 파쇄 유체가 공중합체에 대하여 20 내지 50 파운드의 가교결합제를 포함하는 것인 방법.
- 제15항에 있어서, 가교결합제가 지르코늄을 포함하고, 파쇄 유체가 파쇄 유체 1000 갤론당 25 파운드의 공중합체를 포함하며, 공중합체에 대한 지르코늄의 중량비가 약 0.02 내지 0.04의 범위이고, 공중합체가 15 중량%의 2-아크릴아미도-2-메틸프로판술폰산 단량체 단위를 포함하며, 가교결합된 파쇄 유체가 300℉의 온도에서 40 s-1의 전단 속도를 받게 될 때, 가교결합된 파쇄 유체가 180분까지 동안 500 cP 이상의 점도를 유지하는 것인 방법.
- 제16항에 있어서, 가교결합된 파쇄 유체가 점도 브레이커를 포함하고, 가교결합된 파쇄 유체가 300℉의 온도에서 40 s-1의 전단 속도를 받게 될 때, 가교결합된 파쇄 유체가 160분까지 동안 500 cP 이상의 점도를 유지하고 360분 후에 10 cP 미만의 점도를 갖는 것인 방법.
- 제16항에 있어서, 가교결합제가 지르코늄을 포함하고, 파쇄 유체가 파쇄 유체 1000 갤론당 20 파운드의 공중합체를 포함하며, 공중합체에 대한 지르코늄의 중량비가 약 0.02 내지 0.04의 범위이고, 가교결합된 파쇄 유체가 300℉의 온도에서 40 s-1의 전단 속도를 받게 될 때, 가교결합된 파쇄 유체가 180분까지 동안 500 cP 이상의 점도를 유지하는 것인 방법.
- 제16항에 있어서, 가교결합제가 지르코늄을 포함하고, 파쇄 유체가 파쇄 유체 1000 갤론당 30 파운드의 공중합체를 포함하며, 공중합체에 대한 지르코늄의 중량비가 약 0.02 내지 0.04의 범위이고, 가교결합된 파쇄 유체가 400℉의 온도에서 40 s-1의 전단 속도를 받게 될 때, 가교결합된 파쇄 유체가 80분까지 동안 500 cP 이상의 점도를 유지하는 것인 방법.
- 파쇄 유체로서,
2-아크릴아미도-2-메틸프로판술폰산, 아크릴아미드 및 아크실산 단량체 단위 또는 이의 염을 포함하고 있는 공중합체를 포함하는 수성 공중합체 조성물로서, 공중합체가 1 몰% 내지 55 몰%의 2-아크릴아미도-2-메틸프로판술폰산 단량체 단위를 포함하는 것인 수성 공중합체 조성물과
금속을 포함하는 가교결합제
와의 혼합물을 포함하고, 공중합체에 대한 금속의 중량비가 0.01 내지 0.08의 범위이고, 가교결합제가 7 미만의 pH 및 300℉에서 500 cP 이상의 점도를 갖는 가교결합된 유체를 생성하기에 충분한 양으로 존재하는 것인 파쇄 유체. - 제20항에 있어서, 가교결합제가 수혼화성의 비수성 유체를 포함하는 것인 파쇄 유체.
Applications Claiming Priority (3)
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|---|---|---|---|
| US201562262250P | 2015-12-02 | 2015-12-02 | |
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Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
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