NO316036B1 - Emulsjon for behandling av bronner og formasjoner - Google Patents

Description

Den foreliggende oppfinnelse vedrører fluider som danner gel seg etter en utløsnmgsprosess for underjordisk brønn- og formasjonsbehandling

Bakgrunn for oppfinnelsen

Ved forskjellige tnnn ved boringen, kompletteringen og drift av naturlige hydrokarbonreservoarer anvendes geldannende blandinger De prosedyrer hvori de anvendes inkluderer frakturenng av underjordiske formasjoner, modifisering av permeabiliteten av underjordiske formasjoner og sandkontroll Andre prosedyrer er kjent som pluggoperasjoner Plugging av en oljebrønn er en vanlig operasjon praktisert av en rekke grunner, for eksempel for å anordne en forbibonng over en "fisk" (utstyr gått tapt i borehullet), for å initiere awiksbonng i en svak formasjon, for å stoppe til en sone eller en hel brønn for stengning, for å avhjelpe et problem med tapt sirkulasjon som opptrer under boring, eller å tilveiebringe et testanker når en svak formasjon eksisterer i et åpent hull under den sone som skal testes

Mange geldannende blandinger er basert på tverrbundede polymerer De anvendte polymerer er typisk vannoppløselige Vanlig anvendte klasser av vann-oppløselige polymerer inkluderer polyvinylpolymerer, polyakrylamider, cellulose-etere eller polysakkarider, spesielt galaktomannaner (for eksempel guargummi) og derivater derav, eller heteropolysakkander (for eksempel xantangummi)

I forbindelse med tverrbindingsmidler er tallrike eksempler på både organiske og uorganiske forbindelser kjent for de fagkyndige på området Eksempelvise uorganiske tverrbindingsmidler inkluderer typisk flerverdige metaller, flerverdige metallchelater og forbindelser som er i stand til å frisette flerverdige metaller Noen av de mer vanlige uorganiske tverrbindingsmidler inkluderer kromsalter, jernsalter, vanadiumsalter, aluminater, borater, galater, titanchelater, aluminiumcrtrat, kromcitrat, kromacetat, krompropionat og zirkomumchelater eller -komplekser

Eksempelvise organiske tverrbindingsmidler inkluderer aldehyder, dialde-hyder, fenoler, substituerte fenoler og etere Fenol, resorcinol, katekol, floro-glusinol, gallussyre, pyrogallol, 4,4'-difenol, 1,3-dihydroksynaftalen, 1,4-benzo-kmon, hydrokinon, kinhydron, tannin, fenylacetat, fenylbenzoat, 1-naftylacetat, 2-naftylacetat, fenylkloroacetat, hydroksyfenylalkanoler, formaldehyd, paraform-aldehyd, acetaldehyd, propionaldehyd, butyraldehyd, isobutyraldehyd, valer-aldehyd, heptaldehyd, dekanal, glyoksal, glutaraldehyd, tereftaldehyd, heksa-metylentetramin, tnoksan, tetraoksan, polyoksymetylen og divinyleter er noen av de mer typiske organiske tverrbindingsmidler

Av spesifikk interesse i forbindelse med den foreliggende oppfinnelse er så-kalte "strømningsimtierte geldannende" væsker eller emulsjoner Ifølge det man for tiden vet forrykkes disse væsker når de utsettes for høy skjærkraft og/eller et trykkfall over en plutselig mnsnevnng i strømmngsbanen som for eksempel ved dysene på en borkrone Kreftene bevirker at emulsjonen brytes og initierer reaksjoner mellom molekyler fra forskjellige faser inne i emulsjonen Fluidet må ha fysiske egenskaper som muliggjør at det lett kan pumpes gjennom en borestreng eller et oppkveilet rør Den plutselige deformasjon av fluidet indusert når væsken presses gjennom en plutselig innsnevring ved et høyt trykkfall resulterer i en fortykning eller geldannelse av væsken Det er ønskelig at tiden før fortykningen er tilstrekke-lig til at væsken kan strømme inn i en forutbestemt lokalitet i borehullet eller inn i den formasjon som omgir borehullet

Når den anvendes som en emulsjon, det vil si en blanding inneholdende ikke-blandbare faser, tilsettes vanligvis et stabiliserende middel eller overflateaktivt middel Et overflateaktivt middelmolekyl er karakterisert ved at det inneholder deler som er sterkt tiltrukket til hver av de tilstedeværende faser, for eksempel i tilfellet av en vann/olje-emulsjon, hydrofile og en hydrofob del

US patentsknft 4 663 366 omhandler en olje-vannbasert væske av en slik type og en emulsjonsmetode for å kontrollere fortykningen av væsken Ifølge patentsknftet anvendes en polykarboksylsyrenoldig vann-i-olje emulsjon hvon oljefasen inneholder dispergert den en hydratiserbar, vannsvellende, hydrofil leire som bentonitt, og inneholder i tillegg et oppløseliggjort overflateaktivt middel bestående av et polyamindenvat, og den vandige fase inneholder oppløst den et polyakrylamid og en polykarboksylsyre

Det er kntisk at leiren holdes separert fra vannet inntil den nødvendige fortykning av væsken initieres For dette formål er hver dråpe av den dispergerte vandige fase belagt med et membran eller en film av et polymert materiale som er dannet som en følge av at den vandige fase er blitt dispergert eller emulgert i oljefasen av emulsjonen Filmen eller membranet dannes som et resultat av grenseflate-vekselvirkningen mellom polyamindenvatet i oljefasen og por/akrylamidet og polykarboksylsyren i den dispergerte vandige fase

Når emulsjonen utsettes for høye skjærkrefter brytes den beskyttende film omkring de dispergerte dråper i emulsjonen og bentonitten kommer i kontakt med vannet slik at en svellmg av bentonitten muliggjøres og dermed en fortykning av væsken

En lignende dobbelt indre faseblanding omfattende vann og leirepartikler og separate dråper er beskrevet i US patentskrift 4 397 354

En ytterligere borehull-sammensetning med to interne faser er beskrevet i US patentskrift 4 819 723 Den ytre oljefase inkluderer en vandig oppløsning av alkahmetallsilikat og et flerverdig kation i en andre fase for å tilveiebringe ytterligere sahnitet Emulsjonen brytes ved hjelp av mikrobølgebestrålmg En ytterligere alkahmetallsilikatholdig mikroemulsjon er beskrevet i US patentskrift 4 799 549

Enda et ytterligere brønnbehandhngsfluid med dobbel indre fase er beskrevet i den britiske patentansøknmg GB-2022653 Ved bruk av for eksempel en vann-i-olje emulsjon dispergert i et vandig medium tilsettes viskositetsøkere eller syrer til den ytre fase for å tilveiebringe separasjon mellom to bestanddeler

Andre blandinger med delvis dobbelt indre fase finnes i US patentskrift 4 891 072 som beskriver bruken av slike systemer som multikomponent mørtel-blanding

En blanding med enkel indre fase er beskrevet i den britiske patentansøknmg GB-2008651 Den indre fase inneholder polyakrylamid (PAA) som injiseres mn i formasjonen i en prosess for å stenge for vann

I den internasjonale patentansøknmg WO 94/28085 omhandles et alternativt fluid, bestående av en emulsjon av en kontinuerlig oljefase inneholdende et emulgenngsmiddel og et tverrbindingsmiddel for et polysakkarid og en diskontinuerlig vannfase inneholdende et polysakkarid Når denne væske underkastes plutselig deformasjon brytes emulsjonen og bevirker at polysakkaridet tverrbindes og danner en gel som er mye sterkere enn gelen i US-patentskrift 4 663 366 Det spesielt foretrukne system består av xantan som polymeren og kalsiumhydroksid som det tverrbindende middel Gelen dannet ved dette system forblir intakt ved temperaturer under 90°C mens over denne temperatur vil gelen brytes ned

Selv om de har mange fordelaktige egenskaper, er de kjente emulsjonssystemer begrenset med hensyn til bruken Rekken av forskjellige tverrbindingsmidler som kan anvendes er begrenset ved kravet til dem at de skal være kompatible med oljefasen og dette gjør det vanskelig å velge et polymer-tverrbmdingssystem optimalisert for en spesifikk anvendelse

Det er derfor et formål for den foreliggende oppfinnelse å tilveiebringe et forbedret emulsjonssystem egnet for et bredere område av oljefeltanvendelser Det er et spesifikt formål for oppfinnelsen å utvide området for anvendbare polymerer og tverrbindingsmidler for slike systemer

Oppsummering av oppfinnelsen

Oppfinnelsens formål oppnås ved hjelp av en blanding og en fremgangsmåte som anført i de etterfølgende selvstendige patentkrav

Et viktig trekk ved den foreliggende oppfinnelse er pumping av en emulsjon omfattende minst to diskontinuerlige faser inneholdende et tverrbindingsmiddel og en polymer i lignende eller identiske løsningsmidler mens to fasegrenser opprett-holdes for å separere begge komponenter inntil fasegrensene brytes ved hjelp av en strømmn<g>sinitiert kraft Den strømmngsinitierte kraft utvikles foretrukket ved pumping av emulsjonen gjennom en eller flere strømningsbegrensninger, foretrukket ved et trykkfall i området 10 til 50 bar

Foretrukket oppløses tverrbindingsmiddelet og polymeren i en vandig opp-løsning separert ved hjelp av en hydrofob fase Den hydrfobe fase kan enten være kontinuerlig eller diskontinuerlig Den kan fordelaktig velges fra mineraloljer, vege-tabilske oljer, estere og etere Den hydrofobe fase bør også inneholde et egnet overflateaktivt middel og kan være gjort viskøs med en organofil leire eller andre tilsetningsstoffer for å forbedre de ønskede egenskaper i den fremstilte emulsjon

Et foretrukket emulgeringsmiddel omfatter en siloksan- eller silanbasert blanding som beskrevet for eksempel i den britiske patentansøknmg GB-A-2113236 eller den internasjonale patentansøknmg WO 96/07710

I tillegg til de organiske polymerer som allerede er drøftet er det mulig å danne ønskelige geler fra uorganiske forbindelser som for eksempel silikater

De nye emulsjoner i samsvar med oppfinnelsen anvendes foretrukket for utbedrmgsoperasjoner i et borehull eller i underjordiske formasjoner De kan imidlertid fordelaktig anvendes utenfor oljefeltindustnen, for eksempel innen byggeindustrien

Disse og andre trekk ved oppfinnelsen, foretrukne utførelsesformer og vari-anter derav, og videre fordeler med oppfinnelsen vil fremgå og forstås av de fagkyndige på området fra den detaljerte beskrivelse og tegningene som følger

Kort beskrivelse av tegningene

Fig 1 viser skjematisk en kjent emulsjonstype

Fig 2A-C illustrerer eksempler på en emulsjon i samsvar med den foreliggende oppfinnelse

Utførelsesformer av oppfinnelsen

Figurene illustrerer viktige trekk ved oppfinnelsen i relasjon til den kjente teknikk

Den tidligere kjente teknikk, som eksemplifisert ved den ovennevnte internasjonale patentansøknmg WO 94/28085 og som er illustrert med henvisning til fig 1, beskriver en to-fase-emulsjon, med en kontinuerlig oljefase og en diskontinuerlig vannfase Den kontinuerlige fase omfatter et tverrbindingsmiddel (X) og et emulgenngsmiddel Den vandige diskontinuerlige fase inneholder en polymer (P)

En emulsjon ifølge oppfinnelsen omfatter minst to diskontinuerlige faser Disse kunne for eksempel være to vandige faser i en kontinuerlig oljefase som i fig 2A, en oljefase og en vandig fase i en kontinuerlig vandig fase som i fig 2B, eller to oljefaser i en kontinuerlig vandig fase som i fig 2C

I det følgende gis to sett av eksempler Det første sett vedrører de forskjellige trekk i emulsjonssystemer mens det andre sett gir eksempler på en snever seleksjon av det mulige området av tverrbindingsmidler som resulterer i geldannelse

I alle tilfeller ble det anvendt en basisolje som var gjort viskøs Basisoljen var gjort viskøs ved tilsetning av 40 g/l IDF TRUVIS, og organofil leire, og 1 ml/l av vann til basisoljen Deretter ble oljen oppvarmet til 60°C under kontinuerlig sterk omrøring

For å bedømme kvaliteten av gelene som ble fremstilt ble deres styrke målt under anvendelse av et vmgerheometer

( 1) Typer av emulsionssvstem

To eksempler av de nye emulsjonssystemer er gitt her under anvendelse av xantan som polymeren og krom som det tverrbindende middel En forhydratisert 8 g/l xantanoppløsning ble anvendt for disse tester Resultatene er sammenlignet med et tverrbindingsmiddel i oljesystem for å vise fordelene ved de nye systemer

Vann- i- olje- i- vann emulsionssvstem

Dette system bestod av en emulsjon av vann-i-olje dispergert i vann Vann var den kontinuerlige fase og dråpene bestod av en vann-i-oljeemulsjon Den kontinuerlige vannfase inneholdt polymeren og vanndråpene i oljedråpene inneholdt tverrbindingsmiddelet

En emulsjon bestående av 4 g krom oppløst 110 ml vann og 250 ml olje som var gjort viskøs, 1,2 g Interdnll "EMUL™" og 0,8 g Interdrill "FL™" ble fremstilt under meget kraftig omrøring under bruk av en skovlmikser i omtrent 2 minutter Deretter ble denne blanding tilsatt til en xantanoppløsning under kontinuerlig midlere omrønngstakt i omtrent 2 minutter Optisk mikroskopi viste at de fleste av vanndråpene inneholdende kromklond (identifisert ved deres grønne farge) befant seg inne i oljedråpene

Emulsjonen hadde en normal viskositet etter blanding, sammenlignbar med tilsvarende for ren xantan Denne blanding viste seg å være stabil i minst 24 timer Skjærkraftutøvelse med et trykkfall på 47 bar over en ventil initierte tverrbinding og fluidet størknet i løpet av omtrent 20 til 30 minutter De følgende styrker ble målt for størknet matenale etter 1 dag 4,5 kPa, 3,7 kPa og 5,3 kPa Det størknede materialet forble geldannet ved temperaturer opp til 110°C

Dobbelt vann- i- olie emulsionssvstem

Dette system består av en emulsjon av to forskjellige vanndråper i en olje-kontinuerhg fase Den vesentlige del av vanndråpene inneholder polymeren og en liten fraksjon av vanndråpene inneholder det tverrbindende middel

En emulsjon bestående av 4 g krom oppløst i 50 ml vann sammen med 250 ml viskositetsøkt oljefase, 3,6 g Interdnll "EMUL™" og 2,4 g Interdnll "FL™" ble blandet sammen under meget kraftig rønng ved hjelp av en skovlblander i omtrent 2 minutter Deretter ble xantan tilsatt til denne emulsjon i løpet av en periode på omtrent 5 minutter under kontinuerlig midlere omrønngstakt Etter innblanding av all xantan ble omrøringen fortsatt i ytterligere 2 minutter Optisk mikroskopi bekreftet at oljen var den kontinuerlige fase i emulsjonen

Emulsjonen hadde en normal viskositet etter blanding, sammenlignbar med tilsvarende for ren xantan (eller enda lavere) og var stabil i flere dager etter blanding Skjærkraftutøvelse på en prøve av dette fluid med et trykkfall på 35 bar over en ventil initierte tverrbindingen og det skjærkraftpåvirkede fluid størknet i løpet av omtrent 30 til 60 minutter De følgende styrkene ble målt for det størknede materialet etter 1 dag 3,5 kPa, 4,4 kPa og 4,9 kPa Det størknede materialet forble geldannet ved temperaturer opptil 110°C

Tverrbindinasmiddel i oliesvstem

Dette system består av en emulsjon av olje i vann (kontinuerlig fase) Her inneholder vannfasen polymeren og oljefasen inneholder tverrbindingsmiddelet

For å fremstille oljefasen ble 4 g kromklorid og 250 ml viskositetsøkt basisolje, og 1,2 g Interdnll "EMUL™" og 0,8 g Interdnll "FL™" blandet sammen og omrørt kraftig ved hjelp av en skovlblander i omtrent 2 minutter Deretter ble denne blanding tilsatt til en xantangummioppløsning under kontinuerlig (midlere) om-rønngstakt i omtrent 2 minutter

Emulsjonen viste en økt viskositet sammenlignet med tilsvarende for ren xantanoppløsning direkte etter blanding og var fullstendig størknet i løpet av 1 til 2 timer Det er klart at kromklondet lekket ut av oljen inn i vannfasen uten behov for en intens skjærkraft utløsmngsprosess De følgende styrker ble målt for det størknede materialet etter 1 dag 2,4 kPa, 2,6 kPa, 2,7 kPa og 2,1 kPa 12 ) Eksempler på vanasioner innen tverrbindingsmiddelkiemien

Vann- i- ol| e- i- vann emulsionssvstem, treverdig vanadium- tverrbindingsmiddel

For å fremstille emulsjonen ble 8 g vanadiumklorid (VCI3) oppløst 140 ml vann for å danne den første fase og 250 ml viskositetsbehandlet olje (basisolje 40 g/l TRUVIS™) inneholdende 1,5 g Interdnll "EMUL™" og 1,0 g Interdnll "FL™" fremstilt som oljefasen Disse to fluider ble blandet sammen under meget kraftig omrøring ved hjelp av en skovlblander i omtrent 30 sekunder Deretter ble denne blanding tilsatt en 8 g/l xantangummi-oppløsning under kontinuerlig midlere omrønngstakt i løpet av omtrent 2 minutter

Emulsjonen hadde en normal viskositet etter blanding, sammenlignbar med tilsvarende for ren xantan Denne blanding viste seg å være stabil i minst 24 timer Skjærkraftpåvirkmng av en prøve av fluidet med et trykkfall på 20 bar over en ventil initierte tverrbindingen og resulterte i rask geldannelse

De følgende flytestyrker ble målt for et antall prøver av det geldannede materialet etter 1 dag 1,33 kPa, 1,01 kPa, 1,00 kPa, 0,97 kPa, 0,94 kPa og 0,84 kPa Den maksimale temperaturstabilitet ble bestemt til å være 90°C

Vann- i- ol| e- i- vann emulsionssvstem. aluminium- tverrbindingsmiddel

For å fremstille emulsjonen ble 10 g aluminiumklond oppløst 140 ml vann for å danne den første vannfase og 250 ml viskositetsbehandlet olje (basisolje + 40 g/l TRIMS™) og 1,5 g Interdnll "EMUL™" og 1,0 g Interdnll "FL™" ble fremstilt som oljefasen Disse to fluider ble blandet sammen under meget omrøring ved hjelp av en skovlblander i omtrent 30 sekunder Deretter ble denne blanding tilsatt til en xantangummi-oppløsmng (8 g/l) under kontinuerlig midlere omrønngstakt (i omtrent 2 minutter)

Emulsjonen hadde en normal viskositet etter blanding, sammenlignbar med tilsvarende for ren xantan Denne blanding viste seg å være stabil i minst 24 timer Skjærkraftutøvelse på en prøve av fluidet med et trykkfall på 20 bar over en ventil initierte tverrbindingen og resulterte i hurtig geldannelse

Følgende flytestyrker ble målt for et antall prøver av det geldannede materialet etter 1 dag 1,17 kPa, 1,07 kPa, 1,00 kPa, 0,98 kPa, 0,88 kPa, 0,87 kPa og 0,61 kPa Den maksimale temperaturstabilitet ble bestemt å være 90°C

Vann- i- olie- i- vann emulsionssvstem. treverdig lern- tverrbindingsmiddel

For å fremstille emulsjonen ble 10 g jernnitrat (Fe(N03)3«9H20) oppløst i 40 ml vann for å danne den første vannfase og 250 ml viskositetsbehandlet olje (basisolje + 40 g/l TRUVIS™) og 1,5 g Interdnll "EMUL™" og 1,0 g Interdnll "FL™" fremstilt som oljefasen Disse to fluider ble blandet sammen under meget kraftig omrøring ved hjelp av en skovlblander i omtrent 30 sekunder Deretter ble denne blanding tilsatt til en xantangummi-oppløsmng (8 g/l) under kontinuerlig midlere omrønngstakt (i omtrent 2 minutter)

Emulsjonen hadde en normal viskositet etter blanding, sammenlignbar med tilsvarende for ren xantan Denne blanding viste seg å være stabil i minst 24 timer

Skjærkraftutøvelse på en prøve av fluidet med et trykkfall på 17 bar over en ventil initierte tverrbindingen og resulterte i rask geldannelse Noe fritt vann ble iakttatt

De følgende flytestyrker ble målt for et antall prøver av det geldannede materiale etter 1 dag 0,77 kPa, 0,74 kPa, 0,68 kPa, 0,53 kPa, 0,45 kPa Den maksimale temperaturstabilitet ble bestemt å være 65°C

( 3 ) Eksempel på vanasioner i polvmerkiemi

Vann- i- olie- i- vann emulsion med polvakrvlamid

I dette eksempel ble kromklorid oppløst i vann for å danne den første vannfase og pH ble deretter innstilt til 4,0 ved tilsetning av natnumhydroksid Tverrbindingsmiddel-oppløsningen ble så dispergert i en oljefase inneholdende 6,4 vekt%

(regnet på vekten av oljen) av et alkyl + polyeter modifisert siloksanemulgenngs-middel, Tegopren 7006™ (Th Goldschmidt Ltd) under kontinuerlig omrønng i omtrent 2 minutter Den primære emulsjon dannet på denne måte ble så dispergert i en vannkontinuerlig fase inneholdende 50 g/l polyakrylamid og 3 g/l xantan under mindre intens omrøring

Emulsjonen hadde en normal viskositet etter blanding, sammenlignbar med tilsvarende for den rene polymerfase og var stabil i minst en uke når den stod i ro Skjærkraftutøvelse på en prøve av emulsjonen med et trykkfall på 20 bar over en ventil initierte tverrbinding som resulterte i en sterk gel Gelstyrken, målt etter 2 timer, var 3,6 kPa

Claims (10)

1 Emulsjon for pumping til en underjordisk lokalitet, karakterisert ved at den omfatter en polymer og et tverrbindingsmiddel adskilt ved minst to fasegrenser

2 Emulsjon ifølge krav 1, karakterisert ved at den har evne til geldannelse etter en strømnings-initiert prosess

3 Emulsjon ifølge krav 1, karakterisert ved at polymeren omfatter polyakrylamid

4 Emulsjon ifølge krav 1, karakterisert ved attverrbindingsmiddeleterkrombasert

5 Emulsjon ifølge krav 1, karakterisert ved at polymeren omfatter polyakrylamid og at tverrbindingsmiddelet er krombasert

6 Emulsjon ifølge krav 1, karakterisert ved at emulsjonen omfatter en vandig oppløsning dispergert i en oljebasert oppløsning dispergert i en andre vandig oppløsning

7 Emulsjon ifølge krav 1, karakterisert ved at den ytterligere omfatter et silan- eller siloksanbasert emulgenngsmiddel

8 Fremgangsmåte for fremstilling av en geldannende blanding i en underjordisk formasjon, karakterisert ved trinnene med å fremstille en emulsjon omfattende en polymer og tverrbindingsmiddel adskilt ved minst to fasegrenser, emulsjonen pumpes inn i den underjordiske formasjon, fasegrensene brytes ved hjelp av en strømnmgsinitiert prosess og blandingen tillates å geldanne

9 Fremgangsmåte ifølge krav 8, karakterisert ved at den strømningsinitierte prosess omfatter trinnet med å pumpe blandingen gjennom en eller flere strømningsbegrensinger

10 Fremgangsmåte ifølge krav 8, karakterisert ved å bruke et trykkfall over strømningsbegrensningen i området fra 10 til 50 bar