NO149324B

NO149324B - Fremgangsmaate ved behandling av en underjordisk formasjon

Info

Publication number: NO149324B
Application number: NO791697A
Authority: NO
Inventors: William Michael Salathiel; Thomas Wayne Muecke; Claude Everett Cooke Jr; Norman Naintze Li
Original assignee: Exxon Production Research Co; Exxon Research Engineering Co
Priority date: 1978-05-24
Filing date: 1979-05-23
Publication date: 1983-12-19
Also published as: GB2022653B; NO791697L; BR7903231A; DE2920539A1; NO149324C; MX153375A; CA1114285A; GB2022653A; US4233165A

Description

Foreliggende oppfinnelse angår en fremgangsmåte

ved behandling av en underjordisk formasjon som omgir en brønn, slik som surgjøring, frakturering og tiltetting av formasjonen, ved å injisere et væskesystem omfattende en vann-i-olje-emulsjon i brønnen.

Det er mange typer teknikk som generelt kan be-skrives som brønnbehandlingsteknikk. Alle typer behandling-

er innbefatter at man injiserer en væske i en olje- eller gassbrønn, enten for å stimulere produksjonen fra brønnen eller for å gi formasjonen som omgir brønnen visse ønskelige egenskaper. Den mest brukte stimuleringsteknikk er sannsyn-ligvis en såkalt hydraulisk frakturering, hvor en fraktureringsvæske injiseres inn i en brønn under et trykk for å fremme oppsprekking nær brønnen. En annen meget anvendt stimuleringsteknikk er surgjøring hvor en sur væske føres inn i formasjonen for å oppløse bergartene i denne. En slik surgjørings-metode er ofte kalt matrisesurgjøring, og i denne blir en syre injisert inn i formasjonen for å etse seg inn i porehul-rommene og i de sprekker som naturlig er tilstede i formasjonen. Surgjøring kan også brukes sammen med hydraulisk frakturering, hvorved syren reagerer i de kanaler som dannes ved oppbrytningen.

I visse tilfeller brukes brønnbehandlingen for å oppnå det motsatte av stimulering, nemlig tiltetning av en formasjon for å hindre eller å hemme en strøm av væsker.

Hvis f.eks. en viss sone i en olje- eller gassførende formasjon gir uønskede mengder av vann eller saltvann, så kan det være nødvendig å tette sonen ved at man fører inn i brønnen en behandlende væske som fører med seg et tiltettende middel som effektivt stopper all utstrømning fra denne sonen. I visse tilfeller kan det også være ønskelig temporært å tette en sone i en formasjon, slik at den etterfølgende brønnbe-handling såsom en surgjøring, selektivt kan føres inn i en annen sone av formasjonen. Når så denne behandlingen er fer-dig, kan de temporære tettende stoffer eller materialer fjernes slik at man igjen får en strøm ut av sonen.

For hver av de brønnbehandlingsmetoder som er beskrevet ovenfor er det utformet og fremstilt forskjellige be-handl ingsvæsker med varierende sammensetning for å forbedre resultatet av den spesielle behandling som utføres. Således bør f.eks. en fraktureringsvæske ha tilstrekkelig høy viskositet til å gi vide og lange sprekker i en formasjon og kunne føre store mengder drivmiddel inn i sprekkene. Som frakturer-ingsvæsker bruker man for tiden ofte olje-i-vann-emulsjoner med høy viskositet, og disse væsker inneholder en større del av en oljeintern fase dispergert i en mindre del av en vann-ekstern fase. Den senere tids utvikling med hensyn til frak-tureringsvæsker og når det angår stabiliserte olje-i-vann-emulsjoner, er beskrevet i U.S. patentene nr. 3.710.86 5 og 3.977.472. En ulempe som de fleste olje-i-vann-emulsjons-fraktureringsvæsker har, er imidlertid at de inneholder større mengder av en olje. Ettersom oljeprisene stadig stiger, vil omkostningene ved såkalte oljeinterne emulsjoner øke propor-sjonalt. Det å senke konsentrasjonen av oljefasen er en uakseptabel løsning, ettersom dette gir en væske med util-strekkelig viskositet, hvis man ikke tilsetter store mengder av polymerer til den vandige fase.

Med hensyn til surgjørende, behandlende væsker så blir disse fortrinnsvis fremstilt slik at man oppnår en for-sinket surgjøring. Ved en sur fraktureringsbehandling bør syren ikke angripe selve borehullets vegger eller raskt for-brukes i det området av formasjonen som ligger inntil selve borehullet. I stedet bør syren kunne trenge dypt inn i formasjonen, hvor man kan oppnå en høy grad av brønnstimuler-ing. Ved såkalt matrisesurgjøring av en karbonatformasjon er det uønsket å ha en væske som vil fremme dannelsen av små såkalte ormehull som er korte og vide og som ikke trenger dypt inn i formasjonen. I stedet er det ønskelig å ha lange og trange såkalte ormehull som kan trenge inn i de minst porøse kanaler hvor stimuleringen er mest nødvendig. For både syrefrakturering og matrisesurgjøring av karbonatformasjoner bruker man ofte oljeinterne-syreeksterne emulsjoner for å oppnå den nødvendige inntrengningen av syre i formasjonen. Slike emulsjonssystemer er mer detaljert beskrevet i U.S. patent nr.

3.799.266. Slike syreeksterne systemer har imidlertid også den forannevnte ulempe ved at de inneholder store mengder av kostbar oljefase.

Man har også brukt olje-i-vann-emulsjoner som behandlende væsker i andre typer av brønnbehandlinger, såsom formasjonstiltetning. En olje-i-vann-emulsjon vil på grunn av sin høye viskositet i seg selv ha en tendens til å lukke en formasjon inntil denne så igjen brytes opp. Videre vil emulsjonen være en utmerket bærende væske for partikkelformede materialer som kan tette til formasjonen. Også i dette tilfellet vil den logiske løsningen av en høyviskøs olje-i-vann-emulsjon være hemmet ved at prisen stiger på grunn av at man må bruke større mengder olje.

En løsning som har vært foreslått for å unngå den økende omkostning ved olje i emulsjoner som brukes for hydraulisk frakturering, surgjøring eller andre brønnbehandlinger, har vært å bruke oljeeksterne emulsjoner. Oljeeksterne emulsjoner vil vanligvis bare inneholde fra 10 - 30 volura-% olje i motsetning til 60 - 80 volum-% olje som er tilstede i de såkalte oljeinterne emulsjoner. Hovedulempen ved disse oljeeksterne emulsjoner og som i meget høy grad begrenser deres anvendelse, er den økende friksjonsmotstanden mot nedstrøm-ning i borehullene. U.S. patent nr. 3.378.074 beskriver en teknikk hvor en smørende ring av vann brukes for å omgi en viskøs oppbrytende væske såsom en oljeekstern emulsjon, idet denne føres inn i brønnhodet. Vannringen danner en fysisk barriere som hindrer at den viskøse væsken kontakter selve brønnrøret, hvorved man senker friksjonen betydelig. Denne teknikk krever imidlertid at man bruker et spesielt brønn-hodeutstyr og koblinger for å skape de betingelser som er nødvendige for å danne en vannfilm mellom den viskøse emulsjonen og selve brønnrøret.

Ifølge foreliggende oppfinnelse er det tilveiebragt en fremgangsmåte ved behandling av en underjordisk formasjon som omgir en brønn, slik som surgjøring, frakturering og tiltetning av formasjonen, ved å injisere et væskesystem omfattende en vann-i-olje-emulsjon i brønnen, og denne fremgangsmåte er kjennetegnet ved at det anvendes et væskesystem bestående av 30 - 95 vol-? av en vann-i-olje-emulsjon dispergert i et vandig medium hvor oljefasen utgjør 3-50 vol-%

av nevnte emulsjon og består av et flytende hydrokarbon og 0,5 - 40 vekt-% av et overflateaktivt middel som er oppløse-lig i nevnte hydrokarbon.

Det er foretrukket at væskesystemet består av 60 - 80 vol-% av vann-i-olje-emulsjonen.

Vann-i-olje-emulsjonen fremstilles ved at man kraftig omrører en blanding av et flytende hydrokarbon og et overflateaktivt middel med en vandig væske, hvorved man får dannet en stabil finkornet emulsjon. Blandingen av hydrokarbonet og det overflateaktive middel inneholder oppløselig overflateaktivt middel, og konsentrasjonen av dette ligger som nevnt i området 0,5 - 40 vekt-%, og fortrinnsvis 3,0 - 25 vekt-%. Selve blandingen for emulsjonen bør utformes slik at man danner en emulsjon med indre vandige små dråper med en midlere diameter på 0,01 - 100 ym og fortrinnsvis 0,1 - 10 ym. Den eksterne oljefasen som innbefatter blandingen av hydrokarbonet og det overflateaktive middel utgjør 3-50 volum-% av emulsjonens totale volum, og fortrinnsvis 5 - 25%. Så snart en stabilisert emulsjon er fremstilt, kan den dispergeres i et vandig suspenderende medium, hvorved man får fremstilt en brønnbehandlingsvæske ifølge foreliggende oppfinnelse. Ettersom den totale oljefasekonsentrasjonen i dispersjonen vanligvis vil være mindre enn ca. 25%, så vil brønn-behandlingssystemer benyttet i foreliggende oppfinnelse være langt billigere enn vanlige kjente olje-i-vann-emulsjoner som har betydelig høyere oljeinnhold.

De aktuelle brønnbehandlingssystemene kan brukes ved hydraulisk frakturering og surgjøring såvel som i tallrike andre brønnbehandlingsteknikker. I en hydraulisk frakturer-ingsoperasjon vil vann-i-olje-emulsjonen bli jevnt blandet i et ytre vandig medium slik at man danner en fraktureringsvæske. Denne væsken kan så injiseres inn i en underjordisk formasjon med tilstrekkelig trykk til å bryte opp formasjonen. Viskositetsgivende kjemikalier og andre forbindelser kan tilsettes den ytre vandige fase for å øke viskositeten på frak-turer ingsvæsken for å forsinke dannelsen av turbulens og for å stabilisere dispersjonen av emulsjonen i den vandige fasen. For surgjørende operasjoner kan syren tilsettes den eksterne vandige fasen eller de indre vandige dråper av emulsjonen. Hvis det siste er tilfellet, vil syren ikke bli frigjort før dråpene brytes opp idet de trenger inn i de mindre porehul-rommene som finnes dypt inne i formasjonen. Brønnbehand-lingsvæsker, såsom forurensende oppløsende forbindelser, kan også oppløses i de vandige dråper. Brønnforurensninger som er oppløselige i det ytre vandige medium, kan trenge inn mellom den ytre oljefasen av emulsjon og reagere med oppløs-ende forbindelser som føres med av de vandige dråper i emulsjonen. De vandige dråper kan også tjene til å innkapsle partikkelformet materiale, .såsom tiltettende partikler, som kan brukes ved forskjellige typer brønnbehandlinger. Fig. 1 er et mikrofotografi av en vann-i-olje-emulsjon som brukes ved fremstillingen av en brønnbehandlings-væske som benyttes i foreliggende oppfinnelse. Fig. 2 er et mikrofotografi av en vann-i-olje-emulsjon som inneholder et overskudd av vann før dette er bundet sammen slik at det dannes en brønnbehandlingsvæske som er vist på fig. 3. Fig. 3 er en skjematisk tegning som viser en brønn-behandlingsvæske som kan brukes i foreliggende oppfinnelse. Fig. 4 er et mikrofotografi av vann-i-olje-emulsjonskuler dispergert i en vandig oppløsning. Fig. 5 er en kurve hvor man har avsatt viskositeten i forhold til skjærhastigheten for en brønnbehandlingsvæske som kan brukes i foreliggende oppfinnelse og som er sammen lignet med to emulsjoner av den type som vanligvis brukes ved brønnbehandlingen. Fig. 6 er en kurve som viser viskositet i forhold til skjærhastighet for en annen brønnbehandlingsvæske benyttet i foreliggende oppfinnelse sammenlignet med to vanlig kjente emulsjoner som brukes ved brønnbehandlinger.

Brønnbehandlingssystemer som benyttet i foreliggende oppfinnelse innbefatter en dispersjon av en vann-i-olje-emulsjon i et vandig medium. Emulsjonen har en indre vandig og en ytre oljefase bestående av en blanding av et flytende hydrokarbon og et oljeoppløselig overflateaktivt middel.

Brønnbehandlingssystemene kan fremstilles ved en generell tretrinnsteknikk. Det første trinn er at man danner en flytende olje-overflateaktiv middelblanding ved å blande et egnet flytende hydrokarbon med et forenelig overflateaktivt middel. Det flytende hydrokarbonet kan være en råolje eller en raffinert petroleumsfraksjon, såsom dieselolje, et gasskondensat, gassolje, parafin, bensin og lignende. Videre kan man bruke spesielle hydrokarboner, såsom benzen, toluen, etylbenzen, cykloheksan, heksan, dekan, hek-sadekan og lignende. Råolje er imidlertid normalt å fore-trekke ettersom denne er lett tilgjengelig på brønnstedet og forenelig med de hydrokarbonholdige formasjonene. Hvis imidlertid råolje er utilgjengelig, så er det foretrukket å bruke hydrokarbonvæske som har en viskositet mindre enn 10 centipois ved formasjonstemperaturen (f.eks. dieselolje).

Det flytende hydrokarbonet kan blandes med en

rekke forskjellige oljeoppløselige overflateaktive midler. Slike midler som kan brukes for å danne en forenelig blanding med flytende hydrokarboner innbefatter anioniske, kationiske og ikke-ioniske overflateaktive midler. Egnede anioniske overflateaktive midler innbefatter fettsyresåper som er salter av langkjedede fettsyrer avledet fra naturlig forekommende fett og oljer og salter av alkylbenzensulfon-syrer. Et foretrukket anionisk overflateaktivt middel er mor-foliniumsaltet av tetrakosanylbenzensulfonsyre. Ammonium- og alkalimetallsaltene er også egnet. Kationiske overflateaktive midler innbefatter aminsalter, såsom polyoksyetylen-amin såvel som kvaternære ammoniumforbindelser. Spesielt an-vendbare kationiske overflateaktive midler innbefatter høy-molekylære alkylimider og amider av flerbasiske aminer. Et meget foretrukket kationisk overflateaktivt middel av denne typen selges under varebetegnelsen "ECA 4360". Et annet bruk-

bart overflateaktivt middel er et aminmiddel fremstilt under varebetegnelsen "ENJ 3029". Egnede ikke-ioniske overflateaktive midler innbefatter derivater av glyserider, glyko-sider, polyoksyetylen og polyoksypropylen. Typiske midler av denne type innbefatter etoksylerte lineære alkoholer og etoksylerte alkylfenoler. Et foretrukket ikke-ionisk overflateaktivt middel er en sorbitanfettsyre som selges under varebetegnelsen "Span 80". Man kan også bruke blandinger av overflateaktive midler. Således er blandinger av "Span 80"

og "ECA 4360" spesielt godt egnet for å danne stabile, sterke vann-i-olje-emulsjoner.

Vanligvis bruker man mindre mengder av det overflateaktive middel for tilsetning til et flytende hydrokarbon for derved å få dannet en flytende blanding av en olje og et overflateaktivt middel. Konsentrasjonen av det overflateaktive middel vil være i området 0,5 - 40 vekt-% av blandingen. Det er imidlertid foretrukket at konsentrasjonen ligger i området 3-25 vekt-%.

Det annet trinn ved fremstilling av aktuelle olje-behandlingssystemer er å fremstille en vann-i-oljeemulsjon som fortrinnsvis er en meget finkornet emulsjon med en indre vandig fase og en ytre fase bestående av det overflateaktive middel og hydrokarbonet. Jo mindre vanndråpene er av den indre fase, jo bedre vil stabiliteten på emulsjonen være. Små vandige dråper kan fremstilles ved at man foretar en sterk emul-gering av den vandige og hydrokarbonfasen. Fortrinnsvis bør emulgeringen utføres ved at man langsomt heller den vandige komponenten inn i blandingen av det overflateaktive middel og hydrokarbonet, mens man utfører en sterk og intensiv blanding. Blandingen bør røres kraftig eller skjæres i 5 - 20 minutter, og skjærhastigheten er sterkt avhengig av størrelsen og type av den blandeanordning man bruker. Under operasjoner ute på oljefeltet vil man bruke mekanisk blandeutstyr for å få de for-ønskede egenskaper på blandingen. Omrøringshastighet og -tid bør utformes slik at man får dannet små vandige dråper med en diameter på 0,01 - 100 ym, og fortrinnsvis 0,1 - 10 ym. Den finkornede emulsjonen inneholder 3-50 volum-% av den flytende hydrokarbonfasen, foretrukket konsentrasjonsområde er 5-25 volum-%.

Det tredje og siste trinn under fremstillingen av brønnbehandlingssystemet er å dispergere vann-i-olje-emulsjonen i et vandig medium. Dette oppnås ved en ganske enkel blanding, hvor den stabiliserte emulsjonen forsiktig kontakter det vandige medium. En viss omrøring kan være nødvendig for å få tilstrekkelig dispergering av emulsjonen i det vandige medium. Fortrinnsvis bør emulsjonen tilsettes det vandige medium under slike skjærbetingelser som gjør at emulsjonen dispergeres i det vandige medium. I begynnelsen vil noe av det vandige medium bli inkorporert i den opprinnelige emulsjonen i dråpestørrelser som er større enn 10 pm. Etter hvert som mer vandig væske kontakter emulsjonen, vil imidlertid dennes evne til å akseptere mer intert vann overstiges, og overskudd av væske vil deretter utskilles fra emulsjonen slik at det dannes en kontinuerlig vandig'fase som omgir små dispergerte masser av vann-i-olje-emulsjon. Avhengig av blan-debetingelsene og tallrike andre faktorer vil mengden av emulsjon dispergert i det vandige medium variere fra små individuelle mikroskopiske dråper med en indre vandig kjerne belagt med en tynn oljemembran til grove aggregater eller kuler.

Det kan være nødvendig med en stabilisering av brønn-behandlingsblandingen slik at man unngår en for tidlig separasjon av den dispergerte emulsjonen fra det vandige medium. Dette er spesielt tilfellet når kulestørrelsen på den dispergerte emulsjonen er relativt liten. Stabiliseringen kan ut-føres på flere måter, og én er å kontrollere mengdeforholdet mellom emulsjon og vandig medium slik at emulsjonen utgjør hovedmengden av blandingen. Fortrinnsvis bør emulsjonen ut-gjøre 30 - 95 volum-% av blandingen, mer foretrukket 65 - 80 volum-%. For matrisesurgjøring er det imidlertid foretrukket å ha et område på 30 - 50 volum-%. Ettersom konsentrasjonen av flytende hydrokarbon i emulsjonen er 5 - 40%, så vil den totale hydrokarbonkonsentrasjonen i brønnbehandlingen normalt ligge mellom 3-40 volum-%.

En tetthetsregulering av emulsjonen og det vandige medium vil også bedre blandingens stabilisering. Det er ønskelig å holde tettheten på emulsjonen og det vandige medium omtrent på samme nivå for å få så lite separasjon på grunn av tyngdekraften som mulig. Dette kan gjøres ved et forsiktig valg av hydrokarbonfasen og ved å tilsette vektøkende midler til den indre vandige fase av emulsjonen. Således kan man tilsette mindre mengder av oppløselige salter såsom natrium- eller kaliumklorid til den indre vandige fasen, og dette vil tjene til å utjevne tetthetene på den dispergerte emulsjonsfasen og den eksterne vandige fasen. På lignende måte vil bruken av moderat tette middeldestillater (f.eks.

en dieselolje) for hydrokarbonfasen i emulsjonen, øke dennes forenelighet med det vandige medium.

Stabilisering av blandingen kan også oppnås ved å tilsette en mindre mengde av et viskositetsgivende middel, såsom polyakrylamid, polyoksyetylen eller polyvinylpyrroli-don, til det vandige medium. Slike midler må velges slik at man får minimal samvirkning med det tilstedeværende overflateaktive midde. En økning av viskositeten på det vandige medium øker viskositetsfriksjonen på de dispergerte emulsjonskulene og hemmer eller stanser deres separasjon fra blandingen.

Små mengder av vannoppløselige overflateaktive midler kan også tilsettes det vandige medium for å bedre blandingens stabilitet. Således kan vannoppløselige overflateaktive midler tilsettes det vandige medium i mindre mengder på 0,01 - 5,0 vekt-%, og fortrinnsvis ca. 0,1%. Et egnet vann-oppløselig overflateaktivt middel er "Tween 80". Man må imidlertid være meget nøye ved valg og bruk av et overflateaktivt middel i det vandige medium for å stabilisere blandingen. Bruken av for store mengder av et vannoppløselig overflateaktivt middel i kombinasjon med høye omrøringshastigheter,

kan resultere i en nedbrytning av den opprinnelige emulsjonen ved såkalt inversjon.

Et viktig trekk ved brønnbehandlingssystemet som benyttes i foreliggende oppfinnelse er at det viser noen av de gunstige fysiske egenskaper man finner i olje-i-vann-emulsjoner uten å ha den høye oljekonsentrasjonen som vanligvis

er forbundet med slike emulsjoner. Grunnen til dette er at

de dispergerte masser eller kuler av emulsjonen har et ytre utseende av rene oljedråper ettersom dråpene eller kulene har en ytre oljefase. Det vandige medium i hvilket emulsjonen er dispergert, er således bare i kontakt med den ytre hydrokarbonfasen av emulsjonen og er ikke i kontakt eller påvirker de indre vandige dråper. Således vil det vandige medium vir-ke på emulsjonsmassene eller -kulene på samme måte som om de fullt ut besto av olje. Hvis blandingen er meget godt dispergert, så vil den opptre på samme måte som en olje-i-vann-emuls jon.

Eksempel 1

Et brønnbehandlingssystem ble fremstilt ved å fin-dispergere en vann-i-olje-emulsjon i en vandig oppløsning. Nevnte emulsjon ble fremstilt ved først å blande nr. 2 dieselolje og "ENJ 3029" i et forhold på 3:1, hvorved man fikk en blanding av et hydrokarbon og et overflateaktivt middel. En vandig saltoppløsning med 2 vekt-% NaCl ble så langsomt og kontinuerlig tilsatt nevnte blanding under kraftig omrøring inntil man fikk et volumetrisk vann-til-olje-forhold på ca. 9:1. Kraftig blanding i en Warring-blander ble så opprett-holdt ved 3000 omdr./min. i en halv time, hvorved man fikk en stabil, finkornet vann-i-olje-emulsjon. Et mikrofotografi med en forstørrelse på 625 ganger av denne vann-i-olje-emulsjonen er vist på fig. 1. Den midlere størrelse på den indre fase av vanndråper var ca. 2,25 y, mens de største dråpene var nesten 14 y.

Etter at emulsjonen var fremstilt ble ytterligere

4 volumdeler av nevnte 2% saltoppløsning forsiktig blandet inn i emulsjonen. Noe av den vandige oppløsning som først var tilsatt emulsjonen, fortsatte å emulgere seg og øket dråpe-størrelsen på den vandige fasen i emulsjonen. Mesteparten av overskuddet av saltvann lot seg imidlertid ikke emulgere og forble i stedet eksternt separat fra den opprinnelige emulsjonen. Fig. 2 er et mikrofotografi i en forstørrelse på 625 ganger av emulsjonen etter andre vanntilsetning. Som vist på bildet, har de fleste vanndråpene en størrelse på 10 - 15 y.

Imidlertid så er et par av dråpene i området 50 - 150 y, og dette representerer vann som ikke fullstendig er assimilert inn i emulsjonen under nevnte andre vanntilsetning. Skjærkrefter ble så påsatt emulsjonen, og dette gjorde at de større vanndråpene løp sammen og dannet en kontinuerlig eks-tern vandig fase i hvilken dråper eller kuler av nevnte vann-i-ol je-emuls jon var dispergert. Dispersjonen er vist på fig.

3 som skjematisk viser dispersjonen av emulsjonskulene i det ytre vandige medium når konstante skjærkrefter ble påsatt. Kulene av emulsjonen inneholder mindre vanndråper som ligger

i området 10 - 15 y. De individuelle kulene er ganske grove og varierer i størrelse fra 1,25 - 10 cm. Den endelige sammensetningen av dispersjonen inneholdt 93,8 vekt-% vann, hvorav ca. 60 vekt-% er tilstede i den dispergerte vann-i-olje-emulsjonen. Blandingen av dieselolje og overflateaktivt middel utgjorde bare 6,2 vekt-% av den totale blanding.

Eksempel 2

Et brønnbehandlingssystem ble fremstilt ved fin-dispergering av en finkornet vann-i-olje-emulsjon i en vandig oppløsning. Den vandige oppløsningen besto av en vann-basert væske med 1 vekt-% "Purifloc-C-31" og 2,5 vekt-%

"Tween 80". "Purifloc-C-31" er en polyetyleniminpolymer,

og "Tween 80" er et polyoksyetylensorbitanmonooleat overflateaktivt middel.

Vann-i-olje-emulsjonen ble fremstilt ved først å blande nr. 2 dieselolje og det overflateaktive middel "ENJ 3029" i et forhold på 3:1, hvorved man fikk en blanding. Vann ble så langsomt tilsatt blandingen under kraftig omrøring, inntil man fikk et vann-til-olje-forhold på ca. 9:1 pr. vekt. Denne vann-i-olje-emulsjonen som var fremstilt ved blandingen ble så homogenisert til en ekstremt finkornet vann-i-ol je-emuls jon.

Nevnte emulsjon ble så findispergert i en vandig oppløsning ved langsomt å tilsette emulsjonen til den vandige oppløsningen inntil forholdet emulsjon til oppløsning var ca. 2,33:1. Emulsjonen ble blandet inn i den vandige oppløsning ved å øke skjærkreftene inntil emulsjonen ble dispergert som meget små dråper, og de fleste av disse dråpene eller kulene lå mellom 20 - 50 y. Fig. 4 viser et mikrofotografi i en for-størrelse på 625 ganger av kulene dispergert i den vandige oppløsningen. Inne i hver av emulsjonskulene kan man se meget små vanndråper, hvorav de fleste ligger mellom 0,5 - 10 y i størrelse. Fordi emulsjonskulene som ble fremstilt i dette tilfellet var så små, så hadde dispersjonen av emulsjonen utseende av en olje-i-vann-emulsjon. I virkeligheten vil bare en større forstørrelse som vist på fig. 4 avsløre dråpene av den indre vannfasen i de dispergerte emulsjonskulene.

Det ble så utført prøver for å sammenligne de reologiske egenskapene for emulsjonsdispersjonene som er beskrevet i eksemplene 1 og 2 sammen med kjente brønnbehand-lingsvæsker. Fig. 5 viser forholdet mellom viskositet og skjærhastighet ved 94°C for tre forskjellige væsker angitt med D^, og P-^. Væske D^ er den emuls jonsdispers jon som er beskrevet i eksempel 1 som var tilsatt mindre mengder av et væsketapsadditiv og tilsatt noe silisiumdioksydpulver. Væske W, er den basis vann-i-ol'je-emulsjon fra hvilken emulsjonsdispersjonen D^ var fremstilt, og er en typisk vann-i-ol je-emuls jon av den type som er brukt for brønnbehandling, f.eks. ved hydraulisk frakturering. Væske P^ er en polymer, fortykket olje-i-vann-emulsjon som har vært meget brukt for hydraulisk frakturering. Den har et volumetrisk olje-til-vann-forhold på ca. 2:1 og inneholder ca. 0,3% guargummi som for-tykningsmiddel i den indre vandige fase. Emulsjon P-^ inneholder også mindre mengder av et væsketapsadditiv og silisiumdioksydpulver .

Kurvene på fig. 5 viser variasjonen med hensyn til viskositet for væskene D^, W, og P-^ ettersom skjærhastighetene synker fra 10.000 resiproke sekunder til ca. 10 resiproke sekunder. Høye skjærhastigheter er representative for det en brønnbehandlingsvæske møter når den pumpes ned gjennom selve brønnrøret. Når væsken trenger inn i formasjonen om-kring selve brønnen, vil skjærhastigheten falle betydelig. Den nedgang i skjærhastigheten som er vist på fig. 5, vil således være typisk for det en brønnbehandlingsvæske vil møte under en behandlingsoperasjon, såsom en hydraulisk frakturering, enten denne er av den ene eller annen type.

Ved lave skjærhastigheter vil alle væskene ha relativt høye viskositeter. Dette er ønskelig inne i voksende sprekker ettersom høy væskeviskositet resulterer i lavt væs-ketap til formasjonen, og for formål såsom hydraulisk frakturering så vil høyviskositetsvæsker gi større og lengre sprekker og kan derved transportere større mengder av frak-tureringsmiddel eller drivmiddel og andre partikkelformede stoffer enn lavviskositetsvæsker. Imidlertid så vil høy viskositet ved høye skjærhastigheter være ufordelaktig fordi dette vil resultere i høye friksjonstap i de rør man bruker under pumpingen. Ved høye skjærhastigheter (over ca. 300 resiproke sekunder) så vil væske D-j^ ha betydelig lavere viskositet enn væskene P-^ eller W^. Således vil væske D^1 s reologi være gunstig for mange brønnbehandlingsanvendelser, hvor lave friksjonstap er viktige og hvor det av økonomiske grunner er ønskelig med et lavt oljeinnhold.

Fig. 6 er et diagram som er lik det som er vist på fig. 5, og som viser forholdet mellom viskositet og skjærhastighet ved 21°C for brønnbehandlingsvæsker som er angitt med D2' W2 °^ P2" Som mec^ nensYn til fig. 5, så er W2 en vann-i-ol je-emuls jon og P2 er en polymer, fortykket olje-i-vann-emulsjon. Væske D^ er den dispergerte emulsjonsvæsken som er beskrevet ovenfor i eksempel 2. Skjærhastighetsprøvene indikerer at væske D2 er bedre i forhold til væske P2 innen et stort område med hensyn til skjærhastigheter. Teoretisk så er denne reologiske opptreden for D2 logisk, fordi de små kulene av dispergert emulsjon har et ytre utseende som rene oljedråper. Således vil emulsjonsdispersjonen D2 være relativt lik rent fysisk en olje-i-vann-emulsjon. Hovedfordelen imidlertid ved væske D^ fremfor væske P2, er at den har et betydelig lavere oljeinnhold og kan følgelig være en effektiv erstatning for olje-i-vann-emulsjoner for mange brønnbehandlings-formål.

Operativt eksempel

Et brønnbehandlingssystem ble fremstilt ved å

bruke standard feltblandeutstyr. Sammensetningen ble fremstilt fra en saltvannsoppløsning inneholdende 2% KC1 og en oljeblanding inneholdende 90 vekt-% dieselolje og 10 vekt-% "ENJ 3029"-overflateaktivt middel. Saltvannet og oljeblandingen ble tatt ut fra sine respektive lagringstanker til sugehodet på en første sentrifugalpumpe som kraftig blandet blandingen slik at man fikk en vann-i-olje-emulsjon. Denne emulsjonen ble ført fra sentrifugalpumpen til et blanderør som ga ytterligere blanding ved hjelp av to horison-tale roterende skruer. Blanderøret førte så blandingen til en annen sentrifugalpumpe som ytterligere utsatte emulsjonen for skjærkrefter.

Under oppstartingen ble to tønner saltvann og to tønner av oljeblandingen pumpet til blanderøret for å starte sentrifugalpumpene. Ettersom oljen og vannet ble blandet av pumpene og av.rørblanderen, ble ytterligere vannmengder grad-vis tilsatt for å øke det volumetriske forholdet mellom vann og olje. I begynnelsen ble all blandet olje og vann resir-kulert fra den annen sentrifugalpumpe tilbake til blanderøret, og sirkulasjonshastigheten gjennom det lukkede system ble holdt på 5 tønner pr. minutt. Etter hvert som mer vann ble tilsatt systemet og man øket vann-til-olje-forholdet, begynte overskudd av vann å bryte ut av emulsjonen og danne en ytre fase hvor man hadde dispergert store kuler av vann-i-olje-emuls jonen. Tilsetningen av overskuddsvann ble avsluttet når det totale vann-til-olje-forhold nådde 17:1. På dette punkt ble emulsjonsdispersjonen kontinuerlig tatt ut fra systemet med en hastighet på 159 liter pr. minutt. De gjenværende 634 liter pr. minutt som kom ut fra den annen sentrifugalpumpe ble sirkulert inn i rørblanderen. For å holde systemet under stabile tilstander ble saltvann og dieselblandingen ført inn i første sentrifugalpumpe med en total hastighet på 159 liter pr. minutt slik at man holdt det volumetriske forholdet mellom vann og olje på det forønskede nivå på 17:1.

Et brønnbehandlingssystem fremstilt på ovennevnte måte var ekstremt viskøs og hadde en tilsynelatende viskositet på over 1000 centipois ved en skjærhastighet på 100 resiproke sekunder. Blandingen var ikke desto mindre lett pumpbar siden overskuddet av vann i den ytre fasen ga tilstrekkelig smøring til at man fikk minimale friksjonstap under pumpingen. For å prøve blandingens evne til å bære faste stoffer ble et kommersielt 20/40 mesh sanddrivmiddel kontinuerlig tilsatt væsken ved en gjentatt prøve slik den er beskrevet ovenfor. Man kunne observere at noe ytterligere overskudd av vann ble frigjort over i den ytre vandige fase, når drivmidlet ble tilsatt. Tilstandene lot seg imidlertid raskt stabilisere, og væskesammensetningen var istand til å få en drivmiddelkonsentrasjon på ca. 1,8 kg sand pr. 4,5 1 væske, noe som indikerer at væskeblandingen er meget godt egnet for hydraulisk frakturering.

Som nevnt tidligere, kan fremgangsmåten ifølge foreliggende oppfinnelse brukes for de fleste brønnbehandlings-formål. De følgende eksempler beskriver bruken av væske-systemene slik disse er beskrevet ovenfor, under brønnbehand-lingsmetoder som er betegnet som "hydraulisk og sur frakturering", "matrisesurgjøring", "strømavledning" og "forurensningseliminering".

Hydraulisk frakturering

Ettersom brønnbehandlingssystem som benyttes i foreliggende oppfinnelse har samme eller nokså like fysikalske egenskaper som det man finner i viskøse emulsjoner, så kan de brukes i stedet for slike emulsjoner under hydraulisk frakturering, spesielt i de tilfeller hvor man bruker olje-i-vann-frakturerende væsker. En slik erstatning gjør at man i betydelig grad kan redusere mengde av olje som brukes i væsken, noe som vil senke prisen på denne i betydelig grad.

I tillegg til dette så fremgår det av eksempel 1 at de væsker som brukes i foreliggende oppfinnelse dessuten har overlegne reologiske egenskaper.

For hydraulisk frakturering så er brønnbehandlings-systemet som er beskrevet i eksempel 1 meget godt egnet for dette formål. Vann-i-olje-emulsjonen bør fortrinnsvis inneholde 50 - 95 volum-% av den totale fraktureringsvæske. Emulsjonen i seg selv vil normalt inneholde 5-30 volum-% av flytende hydrokarbon. Under virkelige feltforhold vil fremgangsmåten ifølge foreliggende oppfinnelse kunne anvendes med bare svake modifikasjoner i forhold til vanlig frakturerings-teknikk. Typisk vil råolje eller dieselolje kunne tjene som det flytende hydrokarbon, mens vann som kjøres til brønn-stedet eller brukt saltoppløsning kan brukes som den vandige komponent.

Oljen og vannet vil først bli levert til tanker som er plassert på brønnstedet. Hvis den totale oljekonsentrasjonen antas å være ca. 20% eller mindre av det totale volum av fraktureringsvæsken, så vil en tank på 500 fat normalt være tilstrekkelig for oljen. I det foreliggende eksempel brukte man 180 fat dieselolje og ca. 20 fat av et egnet overflateaktivt middel, såsom "ENJ 3029". Vann eller brukt saltoppløs-ning kan lagres på stedet i 5.500 fats tanker. Vannoppløse-lige komponenter innbefattende vannbløtgjøringsmidler, poly-mere fortykningsmidler, friksjonsreduserende forbindelser og andre additiver, såsom kaliumklorid, kan oppløses i to av vanntankene. Vannet i disse tanker vil deretter tjene som ytre vandig medium i hvilket vann-i-olje-emulsjonen skal dispergeres.

Blandingen ble startet ved at man blandet all oljen med 1900 fat vann uten additiver, hvorved man fikk dannet en vann-i-olje-emulsjon. For å oppnå en stabil og finkornet emulsjon var det nødvendig med kraftig omrøring eller turbulent blanding. Kontinuerlig turbulent blandingsteknikk av den type som er beskrevet i U.S. patent nr. 3.722.59 5 kan lett til-passes slik at man får fremstilt stabile vann-i-olje-emulsjoner.

Ettersom man fikk dannet en vann-i-olje-emulsjon,

så kan denne blandes med de gjenværende 600 fat vann (inneholdende additiver), hvorved man fikk dannet en stabil dispersjon som kan brukes som fraktureringsvæske. Den totale oljekonsentrasjonen i denne væsken vil være ca. 7 volum-%. Fraktureringsvæsken kan så pumpes inn i brønnen for der å utføre

en frakturering.

Et første volum av fraktureringsvæsken injiseres inn i brønnen med tilstrekkelig trykk til at man bryter opp formasjonen. Denne første mengde vil vanligvis inneholde et additiv for å regulere tapet av væske, såsom silisiumdioksydpulver i en konsentrasjon på 2,4 - 6,0 kg pr. 1000 1 væske. Etter injeksjon av den første væsken vil man injisere fraktureringsvæske inneholdende suspenderende partikler av proppemateriale inn i sprekkene. Typisk vil man anvende silisium-dioksydsand i konsentrasjoner mellom 0,36 - 1,2 kg pr. liter væske som proppemateriale.

Etter at formasjonen er blitt frakturert og drivmidlet er plassert i sprekkene, så lukkes brønnen i ca. 1 - 2 døgn. Denne lukketiden vil gjøre at man får brutt ned vann-i-olje-emulsjonen, hvorved fraktureringsvæsken omdannes til en tofaset væske av olje og vann. De to fasene som har en mye lavere viskositet enn den opprinnelige fraktureringsvæske, kan så lett fjernes fra brønnhullet.

Syrefrakturering

Under en syrefrakturering vil den underjordiske formasjonen bli frakturert ved hjelp av en syreholdig væske. Ledningsevnen i formasjonen vil derved forbedres ved at man får denne frakturert og etset ved hjelp av væsken. Hvis man bruker en fraktureringsvæske av emulsjonstypen, så vil syren normalt befinne seg i den vandige fase av emulsjonen. For de fleste formål vil den vandige fase inneholde 3-15 vekt-% av en syre som vanligvis er saltsyre eller flussyre eller en blanding av disse. Hvis emulsjonen imidlertid inneholder en større mengde av en hydrokarbonfase, noe som er tilfellet med de fleste olje-i-vann-emulsjoner, så vil den mengde syre som kan tilføres formasjonen pr. volum av emulsjonen være relativt liten. Hvis f.eks. syren er i en konsentrasjon på 10% i den vandige fase og denne utgjør ca. 40 vekt-% av emulsjonen, så vil den totale konsentrasjonen av syre i emulsjonen være bare ca. 4%. Ved hjelp av den foreliggende fremgangsmåte er det mulig å tilføre større mengder syre inn i formasjonen fordi den vandige komponent utgjør en mye større del

av fraktureringsvæsken.

Ved gjennomføring av en syrefrakturering ifølge foreliggende oppfinnelse så kan syren føres i det ytre vandige medium som omgir den suspenderte massen av emulsjonen, eller kan føres i den indre vandige fase av emulsjonen eller kan være i de begge vandige komponentene. Hvis syren bare befinner seg i emulsjonsvannfasen, så vil syren bli frigjort langsomt og kontinuerlig i formasjonen. Denne teknikk gir flere fordeler. For det første med syren bundet i vannfasen i den dispergerte emulsjonen, så vil selve brønnrøret ikke bli eksponert overfor syren under injeksjonen under oppbrytningen eller en matrisesurgjøring, hvorved man hindrer en korrosjon av rørene. For det annet så vil syren ikke bli forbrukt i det området av formasjonen som ligger nærmest brønnhullet, og hvor vanligvis det er minst nødvendig med stimulering. I stedet for så vil de syrebærende emulsjonskulene kunne trenge dypt inn i formasjonen hvor de vil være mest effektive for å oppnå en god brønnstimulering. Etter hvert som kulene lekker inn i formasjonen, så vil de ikke frigjøre syre før porekanalene er mindre enn dråpene i den indre vannfasen. Ettersom dråpene er for store til å trenge inn i de minste sprekker og kanaler, så vil de bli renset for sitt ytre belegg av olje, hvorved de frigjør den medførte syren. Frigjøring av syren på dette punkt gjør at man kan etse de mindre kanaler, noe som gir en betydelig økning i ledningsevnen for disse deler av formasjonen som ligger lengst vekk fra brønnhullet.

Matrisesurgjøring

Under en matrisesurgjøring vil den syreholdige væske langsomt injiseres inn i formasjonen slik at syren kan trenge inn i kanaler og sprekker som er blitt tettet til, ødelagt eller begrenset med leire eller fine materialer fra formasjonen. Syren vil oppløse finmaterialet og dermed øke permeabiliteten. Under matrisesurgjøring av en sandstens-eller karbonatformasjon vil de syreholdige dråpene i alt vesentlig være selvledende og vil bare frigjøre syrer i de porekanaler som har det største behov for en slik surgjøring. Under en matrisesurgjøring vil det være foretrukket å bruke en væske av den type som er beskrevet i eksempel 2. Fordel-en med en slik væske er at de meget små emulsjonskulene (20 m) vil være istand til å trenge inn i de trangeste porekanalene i formasjonen før man når åpninger som er så små at man får frigjort syren fra den indre vandige fasen. Det vil imidlertid være nødvendig å fremstille en væske som innbefatter en mer fortynnet dispersjon av emulsjonskuler enn det som er beskrevet i eksempel 2, slik at væsken har tilstrekkelig lav viskositet til at man kan oppnå en injeksjon inn i formasjonen med matrisehastigheter. Ved en slik matrisesurgjørings-behandling vil emulsjonskulene utgjøre så lite som 30 volum-% av dispersjonen, og syrekonsentrasjonen i den syreholdige vandige fase kan være så høy som 40%.

Strømavledning

Den indre vandige fase i den suspenderte vann-i-ol je-emulsjonen kan også tjene som bærevæske for fine partikkelformede stoffer. Under en strømavledningsoperasjon vil partikkelformet materiale injiseres inn i en sone i formasjonen for å tette denne. Med én eller flere spesielle soner som er tettet på denne måte, så vil brønnbehandlingsvæsker som følger etter det partikkelformede materialet kunne ledes vekk fra disse soner og inn i andre formasjonssoner hvor behandlingen er mer nødvendig og påtenkt. Det partikkelformede materialet kan senere fjernes fra de tiltettede soner med et egnet oppløsningsmiddel eller ved hjelp av dekompo-nering .

Innkapsling av partikler i de dispergerte emulsjonskulene tjener som en billig mekanisme for en kontinuerlig injeksjon hvor man samtidig injiserer partikkelformede stoffer og behandlingsvæske inn i formasjonen. Partiklene, når disse er innkapslet i den vandige fase i emulsjonen, vil være beskyttet fra det ytre vandige medium ved den ytre hydro-karbonf asen i emulsjonen. Dette er spesielt viktig hvis partiklene er reaktive med hensyn til behandlingsvæsken i det vandige medium. Hvis f.eks. det ytre vandige medium inneholder en reaktiv syre, så vil normale driftsbetingelser kreve injeksjon av partiklene i en inert væske og deretter vil man injisere syren. Ved hjelp av foreliggende oppfinnelse så vil imidlertid partiklene være skilt fra den korroderende syren ved hjelp av hydrokarbonfasen i emulsjonskulene, og kan derfor injiseres inn i formasjonen samtidig med syren.

Så snart væsken befinner seg i formasjonen, så vil emulsjonskulene strømme inn i de mest porøse soner av formasjonen og avsette partiklene der og derved tette sonen. Det ytre vandige medium som bærer behandlingsvæsken kan så ledes vekk og over i andre formasjonssoner.

Forurensningseliminering

i

En annen fordelaktig egenskap ved de suspenderte emulsjonskulene er deres relativt lille størrelse som gir et stort overflateareal. På grunn av dette store overflateareal er kulene effektive<1>masseoverføringsmidler. Naturligvis vil det være slik at jo,mindre kulestørrelsen er, jo større vil dens masseoverføringseffekt være. Både organiske og uorgan-iske forbindelser kan vandre inn i den vandige fasen i en kule ved å trenge gjennom den flytende hydrokarbonfasen. Kulene kan derfor brukes som absorberende forbindelser for korroderende forurensninger som er tilstede i brønnhullet eller formasjonen, såsom hydrogensulfid. Karbonater av sink eller kobber er velkjente i kjemiske absorbsjonsmidler for hydrogensulfid, og disse kan oppløses i den vandige fasen i kulene. Hydrogensulfid som er tilstede i det ytre vandige medium, vil vandre gjennom hydrokarbonfasen og over i den vandige fasen og der reagere med karbonatet og danne et uopp-løselig bunnfall som kan returneres med behandlingsvæsken.

De rensende emulsjonskulene kan f.eks. dispergeres i bore-slam eller i andre arbeidsvæsker. Igjen vil bruken av meget små emulsjonskuler, f.eks. av den type som er beskrevet i eksempel 2, være meget godt egnet som forurensningsabsorber-ende midler.

Claims

Fremgangsmåte ved behandling av en underjordisk formasjon som omgir en brønn, slik som surgjøring, frakturering og tiltetting av formasjonen, ved å injisere et væskesystem omfattende en vann-i-olje-emulsjon i brønnen, 'karakterisert ved at det anvendes et væskesystem bestående av 30 - 95 vol-% av en vann-i-olje-emulsjon dispergert i et vandig medium hvor oljefasen utgjør 3-50 I vol-% av nevnte emulsjon og består av et flytende hydrokar

bon og 0,5 - 40 vekt-% av et overflateaktivt middel som er oppløselig i nevnte hydrokarbon.