NO303699B1 - FremgangsmÕte for frakturering av en utvalgt underjordisk formasjon - Google Patents

Description

Den foreliggende oppfinnelse vedrører en fremgangsmåte for frakturering av en utvalgt underjordisk formasjon ved en temperatur over 93°C, og det særegne ved fremgangsmåten i henhold til oppfinnelsen er at den omfatter trinnene: en galaktomannangummi tilsettes til en vandig oppløsning, galaktomannangummien tillates å hydratisere for å danne et

basisfluid,

en borforbindelse som er istand til å tilveiebringe borat-ioner i oppløsning tilsettes til basisfluidet, idet borationene er istand til å tverrbinde galaktomannangummien, til basisfluidet tilsettes ytterligere en organisk polyol

istand til kompleksdannelse med borationene og en base, fluidet pumpes til en underjordisk formasjon hvor kompleksdannelsesreaksjonen av den organiske polyol med borationene forhindrer synerese ved lave temperaturer for blanding og pumping men tillater frigivelse av borat for å bevirke tverrbinding ved fraktureringstrykk ved temperaturer opp til 14 8°C.

Disse og andre trekk ved oppfinnelsen fremgår av patent-kravene.

I teknikken for utvinning av hydrokarbon-verdier fra underjordiske formasjoner er det vanlig, spesielt i formasjoner med lav permeabilitet, å frakturere de hydrokarbonholdige formasjoner på hydraulisk vis for å tilveiebringe strømnings-kanaler for å underlette fremføringen av hydrokarboner til borehullet. Fraktureringsfluider omfatter typisk et vann- eller oljebasert fluid, som inneholder et polymert fortykningsmiddel. Det polymere fortykningsmiddel hjelper til med å kontrollere utlekking av fraktureringsfluidet inn i formasjonen, hjelper til ved overføring av hydraulisk fraktureringstrykk til berg-overflåtene og fører primært til suspensjon av partikkelformige proppematerialer som forblir på stedet i fraktureringen når fraktureringstrykket avlastes.

Typiske polymere fortykningsmidler for anvendelse i fraktureringsfluider omfatter galaktomannan-harpikser, så som guar og substituerte guartyper, så som hydroksypropyl-guar eller karboksymetylhydroksypropyl-guar. Cellulosepolymerer, så som hydroksyetylcellulose, kan også anvendes, samt syntetiske polymerer, så som polyakrylamid. For å øke viskositeten og så ledes den proppbærende kapasitet, samt for å øke høytemperatur-stabiliteten på fraktureringsfluidet, gjennomføres også van-ligvis tverrbinding av polymerene. Typiske tverrbindingsmidler omfatter løselige bor-, zirkonium- eller titanforbindelser. Disse metallioner tilveiebringer tverrbinding eller sammenbind-ing av polymerkjedene for å øke fraktureringsfluidets viskositet og for å forbedre fraktureringsfluidets reologi. •

Det er nødvendig at fraktureringsfluider fremstilles på overflaten og så pumpes gjennom rør i borehullet til den hydrokarbonholdige underjordiske formasjon. Mens høy viskositet er en ønsket egenskap for et fluid i formasjonen for på virksom måte å overføre f raktureringstrykk til berget, samt for å redusere fluidlekkasje, kreves det store mengder av hydraulisk effekt for å pumpe fluider med en slik høy viskositet gjennom brønnrørene til formasjonen. For å redusere friksjonstrykket er det blitt utviklet forskjellige metoder for å forsinke tverrbindingen av polymerer i et fraktureringsfluid. Dette fører til pumping av et relativt mindre viskøst fraktureringsfluid med relativt lave friksjonstrykk i brønnrørene, idet tverrbinding gjennomføres så nær den underjordiske formasjon at de fordelak-tige egenskaper for det fortykkede tverrbundne fluid oppstår ved fronten av berget.

Ett typisk forsinket tverrbindende fraktureringsfluid-system omfatter borat-tverrbundne galaktomannan-harpikser, så som guar eller hydroksypropyl-guar (HPG). Galaktomannan-polymerene føres generelt til en blander i fast form, pulverform eller mer typisk suspendert i et hydrokarbon, så som kerosin eller dieselolje. Ved tilsetning til en nøytral eller sur vandig løsning, hydratiseres galaktomannan-harpiksen under dannelse av en gel. Hydratisering av guar og HPG vil bare finne sted under nøytrale eller sure betingelser, dvs. ved en pH-verdi på ca. 7 eller lavere. Ved disse pH-betingelser vil ingen tverrbinding av guar eller HPG med boration finne sted. For å gi borat-tverrbinding av guar og HPG, må pH-verdien forhøyes til minst 9,5. Det er dette krav om forhøying av pH-verdien som er blitt utnyttet i tidligere kjent teknikk for å oppnå en forsinkelse i tverrbindingen av galaktomannan-harpikser ved hjelp av boration.

Én typisk mekanisme for å forsinke forhøyelsen av pH-verdien er å anvende en base med lav løselighet, så som magnesiumoksyd (MgO). MgO tilsettes til den hydratiserte, sure galaktomannan-harpiks-løsning sammen med en forbindelse som frigir bor. Ettersom løsningen i begynnelsen er sur, finner det ikke sted noen tverrbinding av polymerene ved nærvær av bor (eller boration) i løsning. Når MgO langsomt løser seg opp i systemet, forhøyes pH-verdien gradvis ifølge følgende reaksjon:

Det er også blitt foreslått at oppløsningen av MgO kan forsinkes ytterligere ved å dispergere fast, partikkelformig MgO i hydrokarbondråper sammen med et overflateaktivt middel som ytterligere forsinker oppløsningen av MgO. Borat-tverrbindingen av en galaktomannan-harpiks er imidlertid en reversibel reaksjon dersom løsningens pH-verdi skulle falle under den nød-vendige pH-verdi på ca. 9,5 i løpet av en viss tid. Ved temperaturer over 93,3°C forenes magnesiumioner med hydroksyd-ioner for å danne uløselig magnesiumhydroksyd som forårsaker at pH-verdien for fraktureringsf luidet avtar, noe som i sin tur destabiliserer fluidet ved at borat-tverrbindingen brytes opp. Anvendelsen av borat-tverrbundne galaktomannan-harpikser ved frakturering i formasjoner med høy temperatur over ca. 93,3°C begrenses således av de høye pumpe-friksjonstrykk som kreves for å pumpe et stabilt, ikke-forsinket borat-tverrbundet fluid. Fordelene ved god rengjøring og fjerning av borat-tverrbundne galaktomannan-harpikser, samt de lavere kostnader for disse, kan ikke utnyttes effektivt over disse temperaturer.

Foreliggende oppfinnelse tilveiebringer en fremgangsmåte for frakturering som fører til forsinkelse av borat-tverrbinding av et galaktomannan-harpiks-f raktureringsf luid for anvendelse ved temperaturer godt over den i det foregående angitte temperaturgrense på 93,3°C for systemer ifølge tidligere kjent teknikk, det vil si en fremgangsmåte som i mindre grad er påvirket av forhøyede underjordiske temperaturer.

Den foreliggende oppfinnelse skal beskrives mer fullstendig i det følgende i forbindelse med den vedføyde tegning som danner en del av denne beskrivelse og hvor den eneste figur er en grafisk illustrasjon av forsinkelsen i tverrbindingstid ved forskjellige konsentrasjonsnivåer som eksempel på bor-kompleksdannende midler anvendt i henhold til foreliggende oppfinnelse, ved foretrukne utførelsesformer av oppfinnelsen.

Tverrbindingen av en galaktomannan-harpiks med boration ved kompleksdannelse av bor i vandig alkalisk løsning forsinkes under anvendelse av et kompleksdanningsmiddel som omfatter en organisk polyol i henhold til likevektsreaksjoner (2) nedenfor:

Slik den er anvendt i denne beskrivelse, skal betegnelsen"polyol" forstås å angi en organisk forbindelse med alkohol-funksjoner som ligger ved siden av hverandre som vist i (3) nedenfor:

En polyol kan således omfatte slike materialer som glykoler, glycerin, sakkarider, så som glukose, sorbitol, dekstrose, mannose, mannitol og lignende, samt andre karbohy-drater og polysakkarider inkludert naturlige og syntetiske harpikser. Også inkludert i betegnelsen "polyol" er syre-, syresalt-, ester- og aminderivater av en polyol.

Komplekset dannes ved tilsetning av en base og en polyol til en vandig løsning av borsyre eller annen borholdig forbindelse. Ettersom reaksjon (2) er en likevektsreaksjon, kan materialene tilsettes minst i et støkiometrisk forhold eller, mer foretrukket, mer alkalisk materiale og/eller mer polyol kan tilsettes for å danne ytterligere mengder kompleksdannet bor. Jo mer kompleksdannet bor som er til stede i likevekt sreaks j on-en, desto lenger forsinkes tverrbindingsreaksjonen av bor med en galaktomannan-harpiks. Fagfolk vil lett kunne bestemme de forskjellige ønskede forhold av disse tre komponenter for å oppnå den ønskede forsinkelsestid i tverrbindingsreaksjonen.

Dersom det anvendes sjøvann for fremstilling av fraktureringsf luid, dvs. dersom basisfluidet hvor galaktomannan- harpiksen dispergeres og hydratiseres er sjøvann, inkluderer løsningen, som omfatter en borholdig forbindelse, en polyol og en base, nødvendigvis en betydelig større mengde base for å kunne forhøye sjøvannets pH-verdi ved de forhøyede temperaturer. Enhver vanlig base, så som et alkalimetall- eller ammoniumhydroksyd eller et jordalkalimetall-hydroksyd, kan anvendes for å justere pH-verdien.

Det betraktes som innenfor oppfinnelsens ramme at boret, den pH-justerende base og den kompleksdannende polyol tilsettes til en vandig, hydratisert galaktomannan-harpiks-løsning som én enkelt additivløsning, selv om det selvfølgelig er mulig å til-sette disse materialer hver for seg. I en foretrukket utførelse gjennomføres en kontinuerlig blanding eller en blandingsprose-dyre underveis hvor galaktomannan-harpiksen tilføres til tilsetningsvannet, så som ferskvann, saltløsning eller sjøvann, og føres gjennom en kontinuerlig blander hvor oppholdstiden er tilstrekkelig for i hovedsak fullstendig hydratasjon av galaktomannan-harpiksen, fulgt av tilsetning av det forsinkende tverrbindemiddel som beskrevet ovenfor. Fraktureringsfluidet er da i en tilstand som gjør at det kan pumpes inn i borehullet til formasjonen som skal fraktureres enten som en pute eller med tilsetning av proppemiddel i normale mengder på opptil 1,92 g eller mer proppemiddel pr. cm<3>fraktureringsfluid, i form av en hydratisert galaktomannan-harpiks-løsning, like før pumping.

De følgende eksempler illustrerer flere foretrukne utførelser av oppfinnelsen og viser forskjellige forsinkelsestider ved tverrbinding av et typisk galaktomannan-harpiks-fraktureringsfluid under anvendelse av flere forskjellige typer polyolmaterialer i henhold til foreliggende oppfinnelse.

Eksempel 1

Et basis-fraktureringsfluid omfattende 4,79 kg guar pr. 1000 liter fraktureringsfluid ble fremstilt og fikk hydratisere. Fraktureringsfluidet inneholdt små mengder av normalt, ikke-aktivt (med hensyn til tverrbindingsaktivitet) fraktureringsf luid-additiv, så som et overflateaktivt middel, et biocid og en skumdemper. Dette basis-fraktureringsfluid vil bli anvendt i alle de følgende eksempler og er som angitt, fremstilt enten med ferskvann eller med sjøvann.

0,60 kg borsyre og 15,14 1 30% natriumhydroksyd pr. 1000 liter basisfluid ble blandet sammen og så tilsatt til basisfluidet. Tverrbinding av guaren fant sted i løpet av en tids-periode på ca. 10 - 15 sekunder.

Eksempel 2

0,60 kg borsyre, 3,0 kg natriumglukonat og 15,14 1 30% natriumhydroksyd-løsning (molforhold1: 1,4 : 4) ble blandet sammen og så tilsatt pr. 1000 liter av basisfluidet ifølge eksempel 1, laget med sjøvann. En forsinkelse i tverrbindingen av basisfluidet på 3 - 4 minutter ble oppnådd.

Eksempel 3

Under anvendelse av basis-fraktureringsfluidet ifølge eksempel 1, fremstilt med sjøvann, ble 0,60 kg borsyre, 4,31 kg natriumglukonat og 1,2 kg natriumhydroksyd (molforhold 1:2: 3) blandet sammen og tilsatt pr. 1000 liter basisfluid. En tverrbindings-forsinkelsestid på ca. 10 minutter ble oppnådd.

Eksempel 4

Under anvendelse av basisfluid-formuleringen ifølge eksempel 1, laget av ferskvann, ble det oppnådd en 4 minutters tverrbindingsforsinkelse ved tilsetning av en blanding av 0,60 kg borsyre, 3,6 kg glukose eller dekstrose og 1,2 kg natriumhydroksyd (molforhold 1 : 2 : 3) pr. 1000 liter basisfluid.

En forsinkelse i tverrbinding på 180 minutter ble oppnådd ved tilsetning av en blanding av 0,6 kg borsyre, 3,6 kg sorbitol og 1,2 kg natriumhydroksyd, alle pr. 1000 liter basisfluid, under anvendelse av ferskvann i basisfluidet ifølge eksempel 1.

Eksempel 5

En 3 minutters forsinkelse i gel-tverrbinding ble oppnådd ved tilsetning av 0,6 kg borsyre, 1,8 kg sorbitol og 1,2 kg natriumhydroksyd (molforhold1:1:3) til et basisfluid basert på ferskvann som anvendt i eksempel 1.

Figurene illustrerer i tillegg testing i en guarløsning inneholdende 4,8 kg pr. 1000 liter og viser de forskjellige forsinkelsestider med forskjellige mengder av flere forskjellige polyol-kompleksdanningsmidler, slik det er illustrert i de foran angitte eksempler. Fra denne figur og fra de angitte eksempler kan en fagmann klart velge den ønskede forsinkelsestid for tverrbindingsprosedyren for hvert enkelt kompleksdanningsmiddel. Tverrbindings-f orsinkelsestider er valgt basert på pumpeparametrene for fluidet gjennom borehullet, og varierer således med pumpe-strømningshastigheten og diameteren og lengden av brønnrøret. Typiske ønskede forsinkelsestider er i området 3-6 minutter.

Kompleksdannelsen av boratet under anvendelse av polyol-kompleksdanningsmidlet ifølge foreliggende oppfinnelse forhindrer synerese ved lave blande- og pumpetemperaturer, men tillater frigivning av borat for gjennomføring av tverrbinding ved høye temperaturer for å gi fluidet høytemperatur-stabilitet i et område på opptil 148,9°C. Det kompleksdannende middel tillater formulering av høytemperatur-system ved lave temperaturer og forsinkelsen tillater lavt pumpefriksjonstrykk under pumpingen av fraktureringsfluidet til formasjonen, idet den ønskede tverrbinding og de tilhørende viskositets- og reologi-fordeler er tilgjengelige ved høye formasjonstemperaturer som følger av fluidoppvarming i formasjonen.

Oppfinnelsen er blitt beskrevet ved hjelp av de mer be-grensede aspekter av foretrukne utførelsesformer.

Claims (4)

1. Fremgangsmåte for frakturering av en utvalgt underjordisk formasjon ved en temperatur over 93°C,karakterisert vedat den omfatter trinnene: en galaktomannangummi tilsettes til en vandig oppløsning, galaktomannangummien tillates å hydratisere for å danne et basisfluid, en borforbindelse som er istand til å tilveiebringe borat- ioner i oppløsning tilsettes til basisfluidet, idet borationene er istand til å tverrbinde galaktomannangummien, til basisfluidet tilsettes ytterligere en organisk polyol istand til kompleksdannelse med borationene og en base, fluidet pumpes til en underjordisk formasjon hvor kompleksdannelsesreaksjonen av den organiske polyol med borationene forhindrer synerese ved lave temperaturer for blanding og pumping men tillater frigivelse av borat for å bevirke tverrbinding ved f raktureringstrykk ved temperaturer opp til 148°C.

2. Fremgangsmåte som angitt i krav 1,karakterisert vedat anvendelse av organisk polyol valgt blant natriumglukonat, glukose, sorbitol og dekstrose.

3. Fremgangsmåte som angitt i krav 1 eller 2,karakterisert vedat fluidet før pumpetrinnet tilsettes et proppemateriale.

4. Fremgangsmåte som angitt i hvilket som helst av de foregående krav, karakterisert vedat trinnet med å tilveiebringe en hydratisert galaktomannangummi omfatter tilveiebrin-gelse av en hydratisert guaroppløsning eller en hydratisert hydroksypropylguar-oppløsning.