NO328673B1 - Bronnhulls-behandlingsfluid og fremgangsmate for a behandle en underjordisk formasjon som gjennomtrenges av et borehull - Google Patents

Description

Den foreliggende oppfinnelse vedrører geldannende blandinger basert på viskoelastiske overflateaktive midler for brønnhulls-behandlingsfluider (injeksjonsfluider). Mer spesielt vedrører oppfinnelsen geldannende blandinger basert på viskoelastiske overflateaktive midler for selektivt å redusere strømningen av underjordiske vandige fluider inn i en brønn, mens hydrokarbonproduksjonen opprettholdes. Oppfinnelsen vedrører også en fremgangsmåte for å behandle en underjordisk formasjon som gjennomtrenges av et borehull

Forskjellige typer av brønnhullsfluider anvendes i operasjoner i forbindelse med utvikling, komplettering og produksjon av naturlige hydrokarbonreservoarer. Operasjonene inkluderer frakturering av underjordiske formasjoner, modifisering av permeabiliteten av underjordiske formasjoner, eller sandkontroll. Andre anvendelser omfatter anbringelse av en kjemisk plugg for å isolere soner eller gjennomføre en isolerende operasjon. Fluidene anvendt ved disse operasjoner er kjent som boreflui-der, kompletteringsfluider, overhalingsfluider, injeksjonsfluider, fraktureringsfluider, konformitets- eller permeabilitetskontrollfluider o.l.

Av særlig interesse i forbindelse med den foreliggende oppfinnelse er fluider for vannkontrollanvendelser: Under livssyklusen foren hydrokarbonbrønn, f.eks. en brønn for ekstrahering av olje eller naturgass fra grunnen, gir den produserende brønn vanligvis også vann. I disse tilfeller vil mengden avvann som produseres fra brønnen ha tendens til å øke over tid med en medfølgende reduksjon av hydrokarbonproduksjonen. Ofte blir produksjonen av vann så kraftig at det må foranstaltes hjelpetiltak for å minske produksjonsforholdet vann/hydrokarbon. Som en endelig konsekvens av den økende vannproduksjon må brønnen oppgis.

I mange tilfeller er den prinsipale komponent i brønnhulls-behandlingsfluider geldannende blandinger, vanligvis basert på polymerer eller viskoelastiske overflateaktive midler.

Oppløsninger av viskoelastiske overflateaktive midler dannes vanligvis ved tilsetning av visse reagenser til konsentrerte oppløsninger av overflateaktive midler, som oftest består av langkjedede kvaternære ammoniumsalter som cetyltrimetylam-moniumbromid (CTAB). Vanlige reagenser som utvikler viskoelastisitet i oppløsning-ene av overflateaktive middel er salter som natriumsalicylat og natriumisocyanat og ikke-ioniske organiske molekyler som kloroform. Elektrolyttinnholdet i oppløsningene av overflateaktivt middel er også en viktig kontroll for deres viskoelastiske opptreden.

Ytterligere referanser vedrørende bruk av viskoelastiske overflateaktive midler som brønnhulls-behandlingsfluider kan finnes f.eks. i US patentskrift nr. 4.695.389, nr. 4.725.372 og nr. 5.551.516.

Det har vært betraktelig interesse for de viskoelastiske geler som dannes fra oppløsningene av visse overflateaktive midler når konsentrasjonen betydelig oversti-ger den kritiske micellekonsentrasjon. Molekylene av det overflateaktive middel ag-gregerer til ormlignende miceller som kan bli sterkt infiltrert ved disse høye konsent-rasjoner til å danne et nettverk som fremviser elastisk opptreden. Disse geler av overflateaktivt middel har betraktelig kommersiell interesse, inklusive anvendelsen som oljebrønn-fraktureringsfluider.

Viskoelastisiteten av oppløsningene av det overflateaktive middel synes alltid å dannes hurtig ved blanding av de forskjellige komponenter. De resulterende høye viskositeter av viskoelastiske geler kan gjøre håndtering eller plassering vanskelig. F.eks. er plassering av en ensartet overflateaktiv middelgel i et porøst medium vanskelig etter som injeksjon av gelen i mediet kan føre til separering av det overflateaktive middel fra soluten ved en filtreringsprosess. En hvilken som helst anvendelse av viskoelastiske overflateaktivt middeloppløsninger som krever deres transport eller plassering etter deres fremstilling ville dra fordel fra en fremgangsmåte for å kontrollere deres viskositeter og geldannelsestider.

Formålet for den foreliggende oppfinnelse er derfor å tilveiebringe forbedrede blandinger for brønnhulls-behandlingsfluider basert på viskoelastiske overflateaktive midler. Det er et spesifikt formål for oppfinnelsen å tilveiebringe midler for å kontrollere eller forsinke oppbygningen av viskositet i slike blandinger. Det er et ytterligere spesifikt formål for oppfinnelsen å tilveiebringe slike blandinger for vannkontroll-operasjoner i hydrokarbonbrønner.

Oppfinnelsens formål oppnås ved hjelp av tilveiebringelse av et brønnhulls-behandlingsfluid (injeksjonsfluid), som omfatter viskoelastiske overflateaktive midler i kombinasjon med midler for å kontrollere konsentrasjonen av i det minste delvis ladede seter i fluidet, slik at begynnende geldannelse av fluidet forsinkes, slik at fluidet kan injiseres i en underjordisk formasjon i en hovedsakelig ikke-geldannet tilstand. Videre tilveiebringes en fremgangsmåte for å behandle en underjordisk formasjon som gjennomtrenges av et borehull, som omfatter trinnene med at det gjennom borehullet og inn i formasjonen injiseres et fluid omfattende viskoelastiske overflateaktive midler i nærvær av midler for å kontrollere den begynnende geldannelse av fluidet.

En blanding i samsvar med den foreliggende oppfinnelse omfatter viskoelastiske overflateaktive midler og midler for å kontrollere konsentrasjonen av i det minste delvis ladede seter i blandingen. Forden foreliggende beskrivelses formål inkluderer betegnelsen "delvis ladede seter" grupper, molekyler eller atomer, uansett om de er knyttet til større molekyler, av polar eller ikke-ionisk karakter. Konsentrasjonen anvendes som et middel for å kontrollere eller forsinke begynnende geldannelse i over-flatemiddelbaserte viskoelastiske fluider etter at fluidet er blitt blandet.

Kontrollen kan oppnås ved hjelp av minst tre forskjellige mekanismer:

- den forsinkede frigivelse av et spesifikt mot-ion som f.eks. dannelse av salicylatanionet ved esterhydrolyse; - den styrte fjernelse av et hydrogenbindings-modifiserende middel som f.eks. urea- eller guanidinhydroklorid i overflateaktive middelsystemer hvor hydrogenbinding tilveiebringer en signifikant gjensidig virkning mellom de sammenfiltrede miceller; eller - den kontrollerte endring i den ioniske sammensetning av overflateaktivt mid-deloppløsning.

Bruken av en intern forsinket frigivelse (fjernelse) av et reagens som fremmer (inhiberer) dannelsen av viskoelastiske geler fra de overflateaktive middeloppløs-ningene ses som et nytt trekk ved den foreliggende oppfinnelse.

Disse og andre trekk ved oppfinnelsen, foretrukne utførelsesformer og varian-ter derav, og ytterligere fordeler ved oppfinnelsen vil innses å forstås av de fagkyndi-ge på området fra den etterfølgende beskrivelse og de vedføyde tegninger. Fig. 1A viser tidsavhengigheten av gelstyrke og phi av en konsentrert oppløs-ning av overflateaktivt middel. Fig. 1B og 1C viser tidsavhengigheten av gelstyrke for to ytterligere konsentrerte oppløsninger av overflateaktivt middel. Fig. 2 illustrerer hydrolysen av en salicylatester til å danne salicylatanionet eller salisylsyre; Fig. 3 viser en skjematisk fremstilling av den foreslåtte prosess under anvendelse av ionebyttingen med iodid i stedet for klorid i en oppløsning av et overflateaktivt middel (f.eks. N-erucyl-N,N-bis(2-hydroksyetyl)-N-metylammoniumklorid) og elekt-rolytten natriumiodid. Fig. 4A, B viser to mulige reaksjoner hvori kloridioner frigis inn i oppløsningen av overflateaktivt middel og erstatter anioner.

Tre forskjellige metoder for å forsinke geldannelse av konsentrerte overflateaktivt middeloppløsninger er beskrevet i det følgende.

For det første kan geldannelsesprosessen forsinkes ved den kontrollerte frigivelse av motionet inn i oppløsningen av det overflateaktive middel. F.eks. vil en vandig oppløsning av det viskoelastiske overflateaktive middel cetyltrimetylammo-niumbromid (CTAB);

umiddelbart danne en viskoelastisk gel i nærvær av salicylatanionet, men ikke med salicylsyre eller derivater av salicylsyre som f.eks. en ester eller et amid. Salicylatanionet kan frigis fra derivatene ved hjelp av sur eller alkalisk hydrolyse.

Et eksempel på kontrollert utvikling av viskoelastisitet i konsentrerte overflateaktivt middeloppløsninger er frigivelse av et motion for et langkjedet kvaternært am-moniumoverflateaktivt middel. Fluidet med til å begynne med lav viskositet bestod av en 30 g/l oppløsning av cetyltrimetylammoniumklorid med 20 g/l salicylsyre, 6 g/l urea og 20 g/l natriumklorid. Oppløsningen ble oppvarmet til 60°C, hvoretter ureable hy-drolysert og hevet pH som i sin tur friga salicylatanionet fra salicylsyren og bevirket at oppløsningen av det overflateaktive middel geldannet seg. Fig. 1A viser utviklingen av gelstyrke av overflateaktivt middeloppløsningen over en periode på 240 timer. Tidsavhengigheten av pH for oppløsningen følger nøye utviklingen av gelstyrke.

En ytterligere variant i den kontrollerte utvikling av viskoelastisiteten i en konsentrert overflateaktivt middeloppløsning ved frigivelse av et motion er ved hydrolyse av en ester. Fig. 2 viser frigivelse av salicylatanionet (eller salicylsyre) ved sur eller alkalisk hydrolyse av en salicylatester hvor R er en egnet kjemisk gruppe. Hydrolyse-takten (og følgelig frigivelse av anionet eller syren) kan kontrolleres ved pH i oppløs-ningen og/eller valget av den funksjonelle gruppe R. I tilfelle av sur hydrolyse vil he-ving av pH ved en styrte hydrolyse av et annet reagens danne salicylatanionet. I et eksempel bestod den overflateaktive middeloppløsning av 30 g/l cetyltrimetylammoniumklorid med 20 g/l etylsalicylat, 6 g/l urea og 5 g/l natriumhydroksid. Oppløsningen ble opprettholdt ved 80°C og frigivelsen av salicylatanionet fra salicylatesteren bevirket av den overflateaktivt middeloppløsningen geldannet seg. Fig. 1B viser utviklingen av gelstyrke i den overflateaktive middeloppløsningen over en tidsperiode på 120 timer.

Den andre metode for å kontrollere utviklingen av viskoelastisitet er basert på kontrollen av hydrogenbinding mellom de sammenfiltrede ormlignende miceller. Det er iakttatt at noen overflateaktive midler som N-erucyl-N,N-bis(2-hydroksyetyl)-N-metylammoniumklorid ikke krever nærværet av et stort organisk anion som f.eks. salicylat for å danne viskoelastiske oppløsninger. Ved vanlig temperatur danner N-erucyl-N,N-bis(2-hydroksyetyl)-N-metylammoniumklorid en viskoelastisk oppløsning når konsentrasjonen av en egnet elektrolytt er i overskudd på omtrent 0,5 vektprosent.

Det antas at hydrogenbinding mellom -O-gruppene på det kvaternære ammo-niumgrupper spiller en hovedrolle i bindingen av de overflateaktive middelmiceller til å danne en viskoelastisk gel. Nærværet av hydrogenbindings-modifiserende midler ville derfor inhibere viskoelastisiteten i slike overflateaktive middelsystemer. Det er iakttatt at tilsetning av hydrogenbindende modifiseringsmidler f.eks. urea, guanidinhydroklorid og uretan ikke inhiberer viskoelastisiteten.

Tilsetningsmidlene urea, guanidinhydroklorid og uretan kan nedbrytes ved hjelp av temperatur eller enten alkalisk eller sur hydrolyse hvoretter viskoelastisiteten av den overflateaktivt middeloppløsningen kan utvikles. Inhibitoren urea kan også brytes ned under anvendelse av enzymer som urease til å gi ammoniakk og karbon-dioksid. Enzymer som f.eks. urease kan spalte urea meget hurtig ved vanlige tempe-raturer. Bruken av guanidinhydroklorid kan være særlig fordelaktig etter som hydro-genkloridet i vandig oppløsning kan katalysere den syre hydrolyse av guanidinet.

En overflateaktivt middeloppløsning for å illustrere den variant består av 30 g/l av det overflateaktive middel N-erucyl-N,N-bis(2-hydroksyetyl)-N-metylammoniumklorid i en vandig oppløsning inneholdende 0,5 molar urea, 10 g/l kaliumklorid og 40 g/l 3-kloropropionsyre. Fig. 1C viser utviklingen av gelstyrke i opp-løsningen ved 60oC. Nærværet av urea i den initiale oppløsning svekket hydrogen-bindingen mellom micellene i den vandige oppløsning i vesentlig grad og oppløsning-en av det overflateaktive middel kunne ikke geldannes. Ureamengden hydrolyseres hurtig ved forhøyet temperatur og dets spalting tillot hydrogenbinding mellom micellene av det overflateaktive middel og geldanne oppløsningen.

En tredje metode for å kontrollere den begynnende viskoelastisitet i overflateaktivt middeloppløsninger anvender følsomheten for den viskoelastiske opptreden overfor det ioniske miljø i oppløsningen. En metode for å utløse geldannelsen av opp-løsningen av det overflateaktive middel er ved å sammensette denne med en lav elektrolyttkonsentrasjon og deretter tilsette elektrolytt for å oppnå den ønskede viskositet. Den eksterne tilsetning av elektrolytt kan imidlertid ikke alltid være mulig.

Et annet eksempel på denne variant involverer ombyttingen av et salt som inhiberer geldannelse med et salt som fremmer geldannelsen. F.eks. vil oppløsninger av det overflateaktive middel N-erucyl-N,N-bis(2-hydroksyetyl)-N-metylammoniumklorid ikke geldanne seg i nærvær av elektrolytter inneholdende karbonat- jodid-, hydroksid- eller acetationer, men vil danne geler i nærvær av elektrolytter inneholdende klorid-, bromid, sulfat- og nitrationer.

To metoder er foreslått for den kontrollerte geldannelse av oppløsninger av overflateaktivt middel under anvendelse av endringer i deres ioniske omgivelser. For det første foreslås det å ombytte anionene i oppløsningen av det overflateaktive middel ved å erstatte et anion som inhiberer geldannelse med et som fremmer denne. Anionbyttingen kan oppnås ved å la oppløsningen av det overflateaktive middel strømme gjennom en ledning eller rør, hvor veggene består av en anionbyttermemb-ran. En motstrøm av en elektrolytt inneholdende det ombyttede anion sendes gjennom på den andre side av membranen.

Fig. 3 viser en skjematisk fremstilling av den foreslåtte fremgangsmåte under anvendelse av ombyttingen av klorid med jodid i en oppløsning av et overflateaktivt middel (f.eks. N-erucyl-N,N-bis(2-hydroksyetyl)-N-metylammoniumklorid) og elektro-lytten natriumjodid. Hastigheten for anionbyttingen og følgelig geldannelsen, kan kontrolleres ved hjelp av strømningstaktene for de to oppløsninger og anion-diffusjonstakten gjennom anionbyttermembranen.

For det annet kan anionene byttes direkte i oppløsningen av det overflateaktive middel ved en kontrollert reaksjon. F.eks. kan kloridioner frigis i oppløsningen ved hjelp av hydrolyse (eller annen reaksjon) av et passende sulfonylklorid.

Fig. 4 viser to mulige reaksjoner hvori kloridioner frigis inn i oppløsningen av det overflateaktive middel og erstatter anioner som f.eks. karbonat og hydroksid og bevirker geldannelse. Et eksempel er reaksjonen mellom sulfonylklorid og et primært amin (fig. 4A) og det andre eksempel (fig. 4B) er vann eller hydroksidioner for å frigi kloridioner inn i en oppløsning av overflateaktivt middel for geldannelsesformål.

Ytterligere eksempler på overflateaktive midler som kunne anvendes for den foreliggende oppfinnelses formål inkluderer cetylpyrridiniumklorid. eller natriumperfluoroctan-1 -sulfonat.

Claims (5)

1. Brønnhulls-behandlingsfluid (injeksjonsfluid), karakterisert ved at det omfatter viskoelastiske overflateaktive midler i kombinasjon med midler for å kontrollere konsentrasjonen av i det minste delvis ladede seter i fluidet, slik at begynnende geldannelse av fluidet forsinkes, slik at fluidet kan injiseres i en underjordisk formasjon i en hovedsakelig ikke-geldannet tilstand.

2. Fluid ifølge krav 1, karakterisert ved at midlene er et middel som er i stand til å frigi motioner.

3. Fluid ifølge krav 1, karakterisert ved at midlene er et middel som er i stand til å fjerne et hydrogenbindings-modifiserende middel.

4. Fluid ifølge krav 1, karakterisert ved at midlene bytter ioner i fluidet.

5. Fremgangsmåte for å behandle en underjordisk formasjon som gjennomtrenges av et borehull, karakterisert ved at den omfatter trinnene med at det gjennom borehullet og inn i formasjonen injiseres et fluid omfattende viskoelastiske overflateaktive midler i nærvær av midler for å kontrollere den begynnende geldannelse av fluidet.