NO302050B1 - Framgangsmåte for regulering av kryssbindingsreaksjon i en vannbasert bruddvæske - Google Patents

Description

Oppfinnelsen angår en framgangsmåte for å regulere kryssbindingsreaksjon av en vannbasert bruddvæske for brytning av en underjordisk formasjon, slik det framgår av den innledende del av patentkrav 1.

Bakgrunn

Ved hydraulisk brytning blir ei væske iblandet sand ledet inn i et borehull under høyt trykk. Straks det naturlige reservoartrykket overskrides vil bruddvæska starte oppbrytning av formasjonen som generelt fortsetter å vokse under pumpingen. Behandlingen krever generelt at væska når maksimal viskositet når den kommer fram til bruddet som påvirker bruddlengden og bredden. Viskositeten oppnås normalt ved geling av passende polymerer, slik som et passende polysakkarid. I de siste årene har geling blitt oppnådd ved kryssbinding av disse polymerene med metallioner inkludert forbindelser som inneholder aluminium, antimon, zirkonium og titan samt de såkalte organotitanater. Se for eksempel US patentskrift 4.514.309.

Den viskøse bruddvæska som pumpes møter vanligvis stor skjærspenning i rørstrengen under pumping fra overflata til bruddet, og flyter med lavere skjærspenning etter å ha nådd bruddet. Senere undersøkelser indikerer at den høye skjærspenning som opptrer i rørstrengen forårsaker stor degradering av den kryssbundete bruddvæska. De høye viskositeter i væska forårsaker også store tilbake- eller friksjonstrykk som begrenser pumpehastigheten, som også påvirker bruddgeometrien. Disse undersøkelsene hav vist at ved å forsinke gelingen i flere minutter under det meste av den høye skjærmotstanden, kan det oppnås høyere pumpehastigheter, og væska oppviser generelt bedre stabilitet. I tilfeller med metallion-kryssbindersystemer blir forsinkelsen ved geling normalt oppnådd med et forsinkeradditiv som binder eller danner ringformete forbindelser med metallionene i løsning.

Guar og guar-forbindelser som er kryssbundet med borationer har nylig igjen blitt populære. I alkalisk vann med pH høyere enn omlag 7.8, er kryssbinding av guar-polymeren hovedsakelig spontan. Dette skjer sannsynligvis på grunn av at borater lett forestres med 1,2-cissoidale dialkoholer eller polyhedriske alkoholer, slik som de som er funnet i guar-polymeren. Denne forestringen lar seg lett reversere, særlig ved slike høye temperaturer som eksisterer i borehullet, slik at frie borationer alltid er tilgjengelig. Som et resultat er det vanskelig å oppnå en forsinkelse av boration-kryssbindersystemer.

Noen av de kjente borerte guar-systemene har enten anvendt sakte-oppløsende metalloksider som sakte øker væskas alkalinitet, som igjen fremmer kryssbinding, eller ved å anvende kalsiumborat-salter med dårlig vannløselighet, for å stole på den sakte oppløsing av borationer i forbindelse med forsinking. I begge tilfeller var den forsinkende effekt primært basert på den seine oppløsing av et fast stoff i den vannholdige bruddvæska, for derved å resultere i dårlig kontroll av forsinkelsestiden og en endelig viskositet i væska. US patentskrift 4.619.776 er en typisk representant for teknikkens stand, og beskriver bruken av et tungtløselig borat for å oppnå en viss grad av kontroll over kryssbindingsreaksjonen. Der beskrives imidlertid ingen kompleksløsning for å regulere kryssbindingsreaksjonen og slik tidspunktet for etablering av en viskositetsøkning i fluidet.

Formål

Formålet med oppfinnelsen er å anvise en framgangsmåte for å framskaffe en mere presis kontroll over kryssbindingsreaksjonen i ei borert vannholdig bruddvæske, der en ikke er avhengig av den sakte oppløsing av et fast stoff som basis for forsinkelsesmekanismen, som tillater en rask og lettvint selektiv justering av forsinkelseshastigheten ved brønnen og gir en tilbakereaksjon/reversibel reaksjon for å redusere viskositeten i bruddvæska med tiden for å tillate opprenskning av behandlingsvæska fra borehullet.

Oppfinnelsen

Disse formål oppnås med en framgangsmåte ifølge den karakteriserende del av patentkrav 1. Fordelaktige trekk framgår av de uselvstendige kravene.

Oppfinnelsen angår en framgangsmåte for å regulere kryssbindingsreaksjon av en vannbasert bruddvæske for brytning av en underjordisk formasjon, hvorved en vandig væske blandes med en hydratiserbar polymer med evne til å gele i nærvær av borationer, hvoretter polymeren tillates å hydratisere for å danne en hydratisert polymersol, og bruddvæsken omfatter en kilde for borioner.

Framgangsmåten er kjenneteknet ved å:

tilsette en alkalisk buffer for slik å justere pH i den hydratiserte polymersol til en verdi i området 8.0 til 11.5,

framstille en kompleksløsning for den hydratiserte polymersol ved å kombinere et kryssbinderadditiv med evne til å forsyne borationer i løsning og et forsinkeradditiv

omfattende i det minste en aldehyd-forbindelse, hvilket forsinkeradditiv effektivt etablerer en kjemisk binding med både borationene og borsyre dannet av kryssbinderadditivet for slik å begrense antall borationer tilgjengelig i løsning for påfølgende kryssbinding av den hydratiserte polymersol,

justere pH i kompleksløsningen for å regulere hastigheten for kryssbindingsreaksjonen av den hydratiserte polymersol, hvorved en justering av pH i kompleksløsningen oppover tjener til å retardere hastigheten for den påfølgende kryssbinding av den hydratiserte polymersol mens en justering av pH i kompleksløsningen nedover tjener til å aksellerere hastigheten for den påfølgende kryssbinding, og

tilsette kompleksløsningen til den hydratiserte polymersol for å kryssbinde den hydratiserte polymersol.

Andre formål, særtrekk og fordeler vil framgå av den etterfølgende beskrivelse.

Den foreliggende oppfinnelsen angår en framgangsmåte for å regulere kryssbindings-reaksjonen i ei vandig bruddvæske ved brytning av undersjøiske formasjoner. For å praktisere framgangsmåten blir først ei vannbasert (vann eller sjøvann) bruddvæske laget ved å blande en hydratiserbar polymer i basisvæska. Enhver passende blandeapparatur kan anvendes i denne framgangsmåten. I tilfelle med satsvis blanding blir den hydratiserbare polymeren og den vannholdige væska blandet tilstrekkelig lenge til å danne en hydratisert sol. Straks hydratiseringen av polymeren er fullstendig, blir en forutbestemt mengde kompleksløsning tilsatt basisvæska tilstrekkelig til å oppnå en ønsket kryssbindings-reaksjonstid. Blandinga pumpes inn i borehullet mens kryssbindings-reaksjonen finner sted.

Stemplings-midler blir typisk tilsatt basisvæska forut for tilsats av kompleksdanneren. Stemplings-midlene inkluderer f.eks. kvarts og sandkorn, glass og keramiske perler, valnøttskall-fragmenter, aluminium-pellets, nylon-pellets og tilsvarende. Stemplings-midlene brukes normalt i konsentrasjoner på 120-959 kg/m<3>bruddvæske-blanding, men større eller lavere konsentrasjoner kan brukes etter behov. Basisvæska kan også inneholde andre vanlige additiver som er kjent innen boreindustrien slik som overflateaktive stoffer, korrosjons-inhibitorer, buffere og tilsvarende.

Den hydratiserbare polymeren som er nyttig i forbindelse med den foreliggende oppfinnelsen kan være ethvert hydratiserbart polysakkarid som er familiær med de som anvendes innen boreindustrien, med evne til å gele i nærvær av borationer for å danne ei gelet basisvæske. Passende hydratiserbare polysakkarider kan f.eks. være galakto-gummier, glykose-gummier, guar, guar-derivater og cellulose-derivater. Spesifikke eksempler er guar-gummi, guar-gummi-derivater, gresshoppebørmegiimmi, karaya-gummi karboksymetylcellulose, karboksymetylhydroksyetylcellulose og hydroksyetylcellulose. De foretrukne gelemidler er guar-gummi, hydroksypropyl-guar, karboksymetylhydroksypropyl-guar, og karboksymetylliydroksyetyl-cellulose. En passende syntetisk polymer er polyvinylalkohol. De mest foretrukne hydratiserbare polymerer for den foreliggende oppfinnelsen er guar-gummi og hydroksypropyl-guar.

Den hydratiserbare polymeren tilsettes den vandige basisvæska i konsentrasjoner fra 0.10% til 5.0% basert på vekten av den vandige væska. Det mest foretrukne området for den foreliggende oppfinnelsen er 0.24 til 0.72 vekt%.

Kryssbindersystemet som anvendes i foreliggende framgangsmåte omfatter ei ny kompleksløsning for å regulere kryssbindings-hastigheten for basisvæska som inneholder den hydratiserte polymeren. Kompleksløsninga omfatter et kryssbinder-additiv og et forsinkeradditiv som regulerer hastigheten hvor kryssbinderadditivet fremmer geling av den hydratiserte polymeren, hvor den regulerte hastigheten er en funksjon av pH i kompleksløsninga. Kryssbinder-additivet er fortrinnsvis et materiale som tilfører borationer i løsning. Således kan kryssbinder-additivet være enhver passende kilde for borationer, for eksempel alkalimetall- og alkali-jordmetall-borater samt borsyre. Et foretrukket kryssbinder-additiv er natriumborat-decahydrat. Kryssbinderadditivet er fortrinnsvis tilstede i en mengde fra 5 til 25 vekt%, fortrinnsvis 10 til 15 vekt%, basert på vekten av kompleksløsninga.

Forsinkeradditivet som anvendes i kompleksdanner-løsninga er et materiale som kjemisk forsøker å binde borationene som produseres av kryssbinder-additivet i løsning, hvorved den hydratiserte polymeren tvinges til å konkurrere med forsinkeradditivet om borationene. Som nærmere forklart nedenfor, er effektiviteten av forsinkeradditivet ved kjemisk binding til borationene i kompleks-løsninga pH-avhengig. Til forskjell fra kjente systemer som anvender seint-oppløsende metalloksider eller kalsiumborat-salter med dårlig vannløselighet, er således den foreliggende kompleksløsninga ikke avhengig av den seine oppløsning av faste stoffer.

Forsinkeradditivet velges fortrinnsvis blant dialdehyder med 1-4 karbonatomer, keto aldehyder med 1-4 karbonatomer, hydroksy-aldehyder med 1-4 karbonatomer, ortosubstituerte aromatiske dialdehyder og ortosubstituerte aromatiske hydroksyl-aldehyder. Foretrukne forsinkeradditiver er f.eks. glyoksal, propan-dialdehyd, 2-ketopropanal, 1,4-butandial, 2-keto-butanal, 2,3-diketo-dibutanal, ftalaldehyd og salicylaldehyd. Det foretrukne forsinkeradditivet er glyoksal på grunn av dets gode tilgjengelighet fra flere kommersielle kilder. Forsinkeradditivet er fortrinnsvis tilstede i en mengde på 5-40 vekt%, fortrinnsvis 15-30 vekt% av kompleksløsninga. Det foretrukne forholdet mellom glyoksal og natriumborat er fra 1:0.1 til 1:1, fortrinnsvis omlag 1:0.516.

Glyoksal, et 1,2-dialdehyd, hydratiserer til å danne 1,1,2,2-tetrahydroksyetan som favoriserer binding til borationer tilført av kryssbinder-additivet i kompleksløsninga. Ettersom pH i kompleksløsninga øker, vil gelehastigheten avta. Ettersom pH i kompleksløsninga avtar, vil gelehastigheten øke. Således, ved å justere pH i kompleksløsninga innen et forutbestemt område, kan det oppnås en ekstremt presis kontroll med kryssbindings-forsinkelsestiden. Eksperimentelle forsinkelses-tider har variert fra 10 til 300 sekunder ved å variere pH i kompleksløsninga fra henholdsvis omlag 5.0 til 11.50.

Kompleksløsninga kan også inneholde en stabilisator som øker holdbarhetstiden for kompleksløsninga og kan tjene til å øke forsinkelsestiden. Passende stabilisatorer inkluderer f.eks. polyhedriske alkoholer slik som pentaerytriol glyserin, lanolin, mono- og oligo-sakkarider med flere hydroksylgrupper, og liknende. Den foretrukne stabilisator er sorbitol, et redusert sukker. Stabilisatoren er fortrinnsvis tilstede i området 5-20 vekt%, helst 8-10 vekt% av kompleksløsninga.

Kompleksløsninga varmes fra romtemperatur til 105 °C i 1 til 5 timer. Fortrinnsvis bør varming ligge i området 65-80°C i 2 til 4 timer.

Kompleksløsninga som anvendes i følgeliggende framgangsmåte kan anvendes til å regulere forsinkelsestiden for ei kryssbundet bruddvæske som pumpes inn i et borehull som strekker seg gjennom den undersjøiske formasjonen som skal brytes. Bruddvæska pumpes med en hastighet som er tilstrekkelig til å bryte formasjonen og til å plassere stemplings-midler inn i bruddet. En typisk bruddbehandling ville utføres ved hydratisering av en 0.24 til 0.72% galaktobasert polymer, slik som en guar, i en 2% (vekt/vol) KCl-løsning ved en pH i området 5.0-8.5. pH i kompleksløsninga justeres da med kaustisk soda før behandlingen for å oppnå den søkte forsinkelsestiden. Under den aktuelle pumpingen tilsettes en buffer for å øke pH av den hydratiserte polymeren til minst 8.0, etterfulgt av tilsats av kompleksløsninga, og typisk en bryter og stemplingsmiddel. Under behandlingen vil området som er lokalisert nær inntil borehullet typisk begynne kjøling gradvis, for derved å resultere i en avtakende gelehastighet. Forsinkelsestiden kan lett justeres på nytt til å tillempe kjøling ved surgjøring av kompleksløsninga.

I tillegg til en presis kontrollert forsinkelse, gir kompleksløsninga som anvendes i foreliggende framgangsmåte en annen nyttig funksjon. Etter at bruddet er dannet og pumpinga er avsluttet, må viskositeten i væska reduseres under omlag 10 cP. Ved denne viskositeten kan væska gjenvinnes mens stemplings-komponentene blir tilbake i bruddet. Som diskutert tidligere, er borat-kryssbundne galaktoforbindelser pH-avhengige og krever ei alkalisk basisvæske med pH over 7.8. Gloxol omsettes i basisk vann langsomt til alfa-hydroksy eddiksyre, ei sterk syre som reduserer pH i den hydratiserte polymer-gelen med tiden. Dette reduserer igjen mengde tilgjengelig borationer, siden borationer omsettes til borsyre som ikke kryssbinder, og reduserer således viskositeten i bruddvæska.

Følgende eksempler på den kryssbundne bruddvæska som anvendes i foreliggende framgangsmåte med bruk av kompleksløsninga diskutert ovenfor er gitt for å belyse oppfinnelsen nærmere. Eksemplene omfatter glyoxal/borat-blandinger, verdier angående gele-tider og pH i kompleksløsning samt gele-stabilitet etter kryssbinding.

Eksempel 1 Framstilling av kompleksløsning:

Til 300 deler 40% vandig glyoxal ble det under omrøring tilsatt 130 deler natriumborat decahydrat til å gi en melkehvit suspensjon. Deretter ble 65 deler 25% vandig natriurnhydroksid langsomt tilsatt, for derved å resultere i ei klar lysegul løsning. Løsningas pH varierte fra 4.90 til 6.50. Etterpå ble 71.4 deler 70% vandig sorbitol tilsatt til løsninga etterfulgt av varming til 95° C i 3 timer. Under varminga endret løsninga farge fra lysegul til ravfarge. Etter nedkjøling til omgivelsestemperatur varierte løsningas pH fra 4.50 til 5.00.

Eksempel 2 Gelehastighet:

Basis-solen som ble brukt til å bestemme gelehastigheten ble laget ved å tilsette under voldsom omrøring 2.4 deler 0.4 D.S. hydroksypropyl guar-gummi og 0.18 deler natriumbikarbonat til 500 deler 2% vandig kaliumkloird-løsning. Etter tilsats ble rørehastigheten redusert for å gi mild omrøring av solen i 2 timer. Deretter ble 3.2 deler 30% vandig kaliumkarbonat tilsatt for bufring av solen til omlag pH 10.0.

I mellomtiden ble kompleksløsninga fra eksempel 1 blandet med 0,4, 8 og 12 deler 25% natriumhydroksid (aq) pr. 100 deler kompleksløsning. De respektive pH-verdiene i de behandlete kompleksløsningene er vist i tabell 1.

Deretter ble 250 deler hydratisert sol overført til én liters Waring blandekrukke og utsatt for skjærkrefter ved en hastighet som var tilstrekkelig til å danne en hvirvel som blottla navmutteren på blanderbladene. Deretter ble 0.98 deler av de behandlete kompleksløsningene tilsatt til den hvirvlende solen. Tid påkrevet for væska til å tykne og dekke navmutteren er definert som hvirvelens lukketid. Disse verdiene er også vist i tabell 1.

Eksempel 3 Stabilitet mot skjærspenning og varme for borerte galaktoforbindelser: Basis-solpreparatet som ble brukt i dette eksemplet ble blandet som beskrevet i eksempel 2. Etter hydratisering i 2 timer, ble de 500 delene av basis-solen behandlet med 4.5 deler 30% kaliumkarbonat (aq) for bufring av solen til pH omlag 10.3. Deretter ble 2.28 deler kompleksløsning inneholdende 0.17 deler 25% natriumhydroksid (aq) tilsatt solen under voldsom omrøring. Etter 100 sekunder ble 42 deler av gelen sprøytet inn i et Fann 50C beger. Prøven ble utsatt for en skjærspenning ved 102 sek'<1>, ved bruk av en R1B1 beger og lodd/vekt-kombinasjon, ved varming til 87.8 °C i et forvarmet bad og trykksetting til 7.5 atm med nitrogen. Prøven ble varmet og utsatt for skjærkrefter i 20 minutter etterfulgt av hastighetsendring ved bruk av 170,128, 85 og 42 sek"<1>under måling av belastning. Disse endringene ble gjentatt omlag hvert 30 minutt, og "hvile-hastigheten" var 102 sek'<1>. Etter 359 minutter ble skjærkraften stanset mens vanningen fortsatte over natta. Et avsluttende forsøk med varierende hastigheter ble utført etter 22 timer og 21 minutter. Hastighetene og belastningene ble brukt for å beregne Kraftlov-indeksene n' og K, beskrevet i API bulletin RP-39. Fra disse beregnete indeksene ble gelens viskositet beregnet ved ulike skjærhastigheter, og disse verdiene er vist i tabell 2 ved 170 og 85 sek"<1>som funksjon av tiden.

Eksempel 4 Stabilitet mot skjærkrefter og varme for borerte galakto- forbindelser: Forsøket fra eksempel 3 ble gjentatt ved bruk av 4.0 deler 30% kaliumkarbonat (aq) og 1.62 deler ubehandlet kompleksløsning laget i eksempel 1. Etter 60 sekunder ble 42 deler gel sprøytet inn i Fann 50C begeret. Væska ble utsatt for skjærkrefter ved 102 sek"<1>under varming til 71.1 °C i et forvarmet bad og trykksetting ved 7.5 atm med nitrogen. Hastighetsendringene ble utført som beskrevet i eksempel 3. Etter 233 minutter med varming og skjærspenning, ble skjærspenningen stoppet mens varminga fortsatte over natta. En avsluttende måling med varierende hastigheter ble utført etter varming i 19 timer og 40 minutter. Disse verdiene er vist i tabell 3.

Eksempel 5 Stabilitet mot skjærkrefter og varme for borerte galakto- forbindelser: Polymeren som ble brukt i eksemplene 3 og 4 var en hydroksypropyl guar-gummi. Polymeren som ble brukt i dette eksemplet var 3.0 deler av en uderivert guargummi i 500 deler 2% kaliurnkloird-løsning (aq) blandet som beskrevet i eksempel 2. Solen ble omrørt i 2 timer før tilsats av 4.5 deler 30% kaliumkarbonat (aq) og 1.12 deler trietanolamin, en temperatur-stabilisator. Deretter ble 1.30 deler ubehandlet kompleksløsning fra eksempel 1 tilsatt under voldsom omrøring. Etter skjærspenning ved 60 sek"<1>, ble 42 deler gel sprøytet inn i et Fann 50C beger. Gelen ble deretter utsatt for skjærspenning ved 102 sek"<1>ved varming til 118.3°C i et forvarmet bad og trykksetting ved 7.5 atm med nitrogen. Hastighetsendringene ble utført rutinemessig som beskrevet i eksempel 3.

I det ovennevnte er det beskrevet en oppfinnelse med flere fordeler. Kryssbindersystemet som anvendes i foreliggende framgangsmåte gir en økning i viskositet i ei vandig bruddvæske for brønner ved en framgangsmåte som er enkel og økonomisk. Kryssbindersystemet gir ei bruddvæske som er stabil mot skjærkrefter ved normale brudd-pumpehastigheter. Den forsinkete borat-kryssbinding for den hydratiserte polymeren opptrer uten bruk av suspenderte faste stoffer. På grunn av at forsinkelsesmekanismen ikke avhenger av oppløsning av faste stoffer i løsning, kan forsinkelsestiden justeres nøyaktig. Siden hastigheten for kryssbinding er en funksjon av pH i kompleksløsninga, kan hastigheten justeres under arbeidsforløpet ved brønnområdet ved tilsats av kaustisk soda eller syre til kompleksløsninga. På grunn av at glyoxol i basisk vann sakte omsettes til syre, tjener dette til en reduksjon av pH i polymergelen med tiden, for derved å redusere viskositeten i væska for å lette opprenskning.

Claims (5)

1. Framgangsmåte for å regulere kryssbindingsreaksjon av en vannbasert bruddvæske for brytning av en underjordisk formasjon, hvorved en vandig væske blandes med en hydratiserbar polymer med evne til å gele i nærvær av borationer, hvoretter polymeren tillates å hydratisere for å danne en hydratisert polymersol, og bruddvæsken omfatter en kilde for borioner,karakterisert vedå: tilsette en alkalisk buffer for slik å justere pH i den hydratiserte polymersol til en verdi i området 8.0 til 11.5, framstille en kompleksløsning for den hydratiserte polymersol ved å kombinere et kryssbinderadditiv med evne til å forsyne borationer i løsning og et forsinkeradditiv omfattende i det minste en aldehyd-forbindelse, hvilket forsinkeradditiv effektivt etablerer en kjemisk binding med både borationene og borsyre dannet av kryssbinderadditivet for slik å begrense antall borationer tilgjengelig i løsning for påfølgende kryssbinding av den hydratiserte polymersol, justere pH i kompleksløsningen for å regulere hastigheten for kryssbindingsreaksjonen av den hydratiserte polymersol, hvorved en justering av pH i kompleksløsningen oppover tjener til å retardere hastigheten for den påfølgende kryssbinding av den hydratiserte polymersol mens en justering av pH i kompleksløsningen nedover tjener til å aksellerere hastigheten for den påfølgende kryssbinding, og tilsette kompleksløsningen til den hydratiserte polymersol for å kryssbinde den hydratiserte polymersol.

2. Framgangsmåte ifølge krav 1, karakterisert vedat det anvendes et forsinkeradditiv valgt fra gruppen bestående av dialdehyder med 2-4 karbonatomer, ketoaldehyder med 3-4 karbonatomer, hydroksyaldehyder med 2-4 karbonatomer, orto-substituerte aromatiske dialdehyder og orto-substituerte aromatiske hydroksyaldehyder.

3. Framgangsmåte ifølge krav 1, karakterisert vedat den hydratiserbare polymer velges blant gruppen bestående av guar og guar-derivater, gresshoppebønnegummi, karayagurnmi, karboksymetylcellulose, karboksymetylhydroksyetylcellulose, hydroksyetylcellulose, polyvinylalkohol samt blandinger derav.

4. Framgangsmåte ifølge krav 1, karakterisert vedat kryssbinderadditivet velges blant gruppen bestående av alkalimettallborater, jordalkalimetallborater, borsyre samt blandinger derav.

5. Framgangsmåte ifølge krav 1, karakterisert vedat det som forsinkeradditiv benyttes glyoksal.