WO2007121975A1 - Konsolidierte proppants mit hoher mechanischer festigkeit und verfahren zu deren herstellung - Google Patents

Konsolidierte proppants mit hoher mechanischer festigkeit und verfahren zu deren herstellung Download PDF

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WO2007121975A1
WO2007121975A1 PCT/EP2007/003553 EP2007003553W WO2007121975A1 WO 2007121975 A1 WO2007121975 A1 WO 2007121975A1 EP 2007003553 W EP2007003553 W EP 2007003553W WO 2007121975 A1 WO2007121975 A1 WO 2007121975A1
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WO
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consolidant
proppant
general formula
consolidated
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PCT/EP2007/003553
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Inventor
Andreas Altherr
Klaus Endres
Bernd Reinhard
Helmut Schmidt
Original Assignee
Kraiburg Geotech Gmbh
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Classifications

    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C09—DYES; PAINTS; POLISHES; NATURAL RESINS; ADHESIVES; COMPOSITIONS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; APPLICATIONS OF MATERIALS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • C09K—MATERIALS FOR MISCELLANEOUS APPLICATIONS, NOT PROVIDED FOR ELSEWHERE
    • C09K8/00—Compositions for drilling of boreholes or wells; Compositions for treating boreholes or wells, e.g. for completion or for remedial operations
    • C09K8/60—Compositions for stimulating production by acting on the underground formation
    • C09K8/80—Compositions for reinforcing fractures, e.g. compositions of proppants used to keep the fractures open

Definitions

  • the invention relates to a process for the preparation of hydrothermally consolidated and hydrolytically stable, consolidated proppants with improved mechanical strength.
  • Binders are particularly important for binding compact or granular products.
  • fracturing has been found to increase and stabilize oil production in oil-bearing deposits.
  • an artificial column in the oil-bearing formation around the borehole is first produced by means of a high-viscosity fluid (fracture fluid).
  • the highly viscous fluid is provided with so-called proppants which, after removing the pressure necessary to create and maintain the formation gap, maintain the gap as a region of increased porosity and permeability.
  • Proppants are in particular sands and ceramic particles with several 100 ⁇ m to several millimeters in diameter, which are positioned in the mountain cleft.
  • these proppants must be solidified in order to prevent the flowback with the conveyed oil.
  • binders are required, which under the conditions of the developed reservoir (high pressure at high temperature, reservoireigenes groundwater and aggressive components in the crude oils and gases) first harden and are permanently resistant to oil production.
  • Applicant's patent application DE 102005002806.3 describes a process for the preparation of consolidated proppants in which a hydrolyzate or condensate of an organosilane, a hydrolyzable silane and a metal compound is used as the consolidating agent.
  • a hydrolyzate or condensate of an organosilane, a hydrolyzable silane and a metal compound is used as the consolidating agent.
  • the object of the invention was therefore to provide processes for the preparation of consolidated proppants which are resistant to hydrolysis and corrosion under the pressure and temperature conditions of the field of use and have a relatively high porosity and moreover have a further improved mechanical strength.
  • the object has surprisingly been achieved by a process for the preparation of hydrolytically and hydrothermally stable consolidated proppants comprising (A) mixing a consolidant with a proppant and (B) curing the consolidant mixed with the proppant under elevated pressure and elevated temperature the consolidant (A1) is a hydrolyzate or condensate
  • radicals Rx are identical or different and represent hydrolytically non-cleavable groups comprising at least one crosslinkable functional group, the radicals R are the same or different and represent hydrolytically non-cleavable groups, the radicals X are identical or different and hydrolytically removable groups or hydroxy groups b is 1, 2 or 3 and c is 0, 1 or 2, the sum (b + c) being 1, 2 or 3;
  • M is a metal of main groups I to VIII or subgroups II to VIII of the Periodic Table of the Elements including boron
  • X is as defined in formula (I), wherein two groups X may be replaced by an oxo group, and a is the valency of the element corresponds; wherein the molar ratio of silicon compounds used to metal compounds used in the range of 10,000: 1 to 10: 1, and
  • (A2) comprises an organic crosslinking agent having at least two functional groups.
  • the proppants bound according to the invention are not degraded even in an autoclave at high pressure and high temperature over a longer period of time and a stable bond is maintained.
  • the use of hydrolyzable Metal compounds of the formula (III) have two advantages: a particularly good hydrolytic stability of the cured consolidants under hydrothermal conditions and the possibility of curing the consolidant even under elevated pressure. Surprisingly, this ability was retained even when using the organic crosslinking agent.
  • Proppants have already been generally discussed above and are well known to those skilled in the art.
  • Proppants are pellets or particles that are often substantially spherical. They generally have an average diameter of several 100 micrometers, for example in the range between 1,000 and 1 .mu.m.
  • the proppants may be, for example, coarse-grained sand, ceramic particles, for example of Al 2 O 3 , ZrO 2 or MuIMt, natural products such as walnut shells, or metal or plastic particles, such as aluminum or nylon pellets.
  • the proppants are preferably sand or ceramic particles.
  • the consolidant comprises a hydrolyzate or condensate
  • radicals Rx are identical or different and represent hydrolytically non-cleavable groups comprising at least one crosslinkable functional group, the radicals R are the same or different and represent hydrolytically non-cleavable groups, the radicals X are identical or different and hydrolytically removable groups or hydroxy groups b is 1, 2 or 3 and c is 0, 1 or 2, the sum (b + c) being 1, 2 or 3;
  • M is a metal of main groups I to VIII or subgroups II to VIII of the Periodic Table of the Elements including boron
  • X is as defined in formula (I), wherein two groups X may be replaced by an oxo group, and a is the valency of the element corresponds; wherein the molar ratio of silicon compounds used to used
  • Metal compounds in the range of 10,000: 1 to 10: 1 is located.
  • a silane of the general formula (II) is used.
  • an organosilane of the formula (Ia) is additionally used for the preparation of the hydrolyzate or condensate.
  • b is preferably 1 and c is preferably 0, so that the functionalized organosilane of formula (I) is preferably (Rx) SiX 3 or (Rx) R c SiX 3 -c, wherein c is 1 or 2.
  • n is preferably 1 or 2 and particularly preferably 1.
  • hydrolytically removable groups X of the above formulas are hydrogen, halogen (F, Cl, Br or I 1 in particular Cl or Br) 1 sulphate, alkoxy (for example, d- 6 alkoxy, such as methoxy, ethoxy, n-propoxy, i-propoxy and n-, i-, sec- or tert-butoxy), aryloxy (preferably C 6 io aryloxy, such as phenoxy), alkaryloxy, for example, benzoyloxy, acyloxy (for example Ci- ⁇ -acyloxy, preferably Ci -4 -ACyIoXy, such as acetoxy or propionyloxy) and alkylcarbonyl (for example, C 2-7 alkylcarbonyl such as acetyl).
  • alkoxy for example, d- 6 alkoxy, such as methoxy, ethoxy, n-propoxy, i-propoxy and n-, i-, sec- or tert
  • NH 2 mono- or disubstituted with alkyl, aryl and / or aralkyl amino
  • alkyl, aryl and / or aralkyl radicals the hereinafter indicated as R
  • amido such as benzamido or aldoxime or ketoxime groups.
  • Two or three groups X can also be linked to one another, for example in the case of Si-polyol complexes with glycol, glycerol or pyrocatechol.
  • X can also be a hydroxy group.
  • the groups mentioned may optionally contain substituents such as halogen, hydroxy or alkoxy.
  • Preferred hydrolytically removable radicals X are halogen, alkoxy groups and acyl oxy groups. Particularly preferred hydrolytically removable radicals are C 2-4 -alkoxy groups, in particular methoxy and ethoxy.
  • the hydrolytically non-removable radicals R and Rx of the formulas (I) and (Ia) are in particular organic radicals which are bonded via a carbon atom to the Si atom.
  • This Si-C bond is not hydrolyzable.
  • this C atom preferably has only bonds with C and / or H atoms.
  • the radical R has no crosslinkable functional group.
  • the hydrolytically non-removable groups R are of the formulas (Ia) and optionally (I), for example, alkyl (for example Ci -2 o-alkyl, in particular Ci- 4 alkyl, such as methyl, ethyl, n-propyl, i-propyl, n- butyl, i-butyl, sec-butyl and tert-butyl), aryl (especially C 6 -aryl, such as phenyl and naphthyl) and corresponding aralkyl and alkaryl groups such as tolyl and benzyl, and cyclic C 3 -C 2 alkyl and alkenyl groups such as cyclopropyl, cyclopentyl and cyclohexyl.
  • alkyl for example Ci -2 o-alkyl, in particular Ci- 4 alkyl, such as methyl, ethyl, n-propyl, i-propyl, n- but
  • radicals R 1 which are used, in particular for silanes of the formula (Ia), are radicals without substituents or functional groups, in particular alkyl groups, preferably having 1 to 4 carbon atoms, in particular methyl and ethyl, and aryl radicals, such as phenyl, with alkyl groups being particularly preferred are.
  • the radicals Rx comprise at least one functional group via which crosslinking of the condensate by the organic crosslinking agent is possible, whereby an interpenetrating organic and inorganic network can be formed upon curing.
  • the functional group via which crosslinking is possible are epoxide (eg glycidyl or glycidyloxy), hydroxy, amino, Carboxy, vinyl, alkynyl, acrylic or acryloxy, methacrylic or methacryloxy and isocyanato.
  • These functional groups are attached to the silicon atom via divalent bridging groups, in particular alkylene, alkenylene or arylene bridging groups, which may be interrupted by oxygen or -NH groups.
  • the bridging groups contain z. B.
  • the divalent bridging groups mentioned are derived, for example, from the abovementioned monovalent alkyl or aryl radicals.
  • the bridging group is an alkylene, in particular a propylene group.
  • the group Rx preferably has a functional group, but may also have more than one functional group.
  • Preferred functional groups via which crosslinking is possible are vinyl, acrylic or acryloxy, methacrylic or methacryloxy.
  • radicals Rx which can not be cleaved off by hydrolysis and via which crosslinking is possible are alkenyl, for example C 2-2 o-alkenyl, in particular C 2-4 -alkenyl, such as vinyl, 1-propenyl, 2-propenyl and butenyl, glycidyl or glycidyloxy- (C o -2) alkylene, such as .beta.-glycidyloxyethyl, ⁇ -glycidyloxypropyl, ⁇ -Glycidyloxybutyl, ⁇ -Glycidyloxypentyl, ⁇ -Glycidyloxyhexyl, and 2- (3,4-epoxycyclohexyl) ethyl, (meth) acryloxy (CI_ 6) alkylene, for example, (meth) acryloxymethyl, (meth) acryloxyethyl, (meth) acryloxypropyl or (meth)
  • (meth) acryloxypropyl Particularly preferred is (meth) acryloxypropyl.
  • (Meth) acrylic in this specification means acrylic and methacrylic. These functionalized organosilanes are also designated according to their functionalized group, for example as (meth) acrylsilanes, vinylsilanes, epoxysilanes, etc.
  • Preferred examples are acrylsilanes and methacrylsilanes, such as (meth) acryloxyalkyltrimethoxysilane and (meth) acryloxyalkyltriethoxysilane, especially (meth) acryloxypropyltrimethoxysilane and (meth) acryloxypropyltriethoxysilane, (meth) acrylic oxypropylmethyldimethoxysilane, (meth) acryloxyethyltrimethoxysilane and (meth) acrylic oxyethylmethyldimethoxysilane, with methacryloxypropyltrimethoxysilane being particularly preferred.
  • organosilanes of the general formula (Ia) are compounds of the following formulas, the alkylsilanes and in particular methyltriethoxysilane being particularly preferred:
  • hydrolyzable silanes of the general formula (II) are Si (OCH 3 ) 4 , Si (OC 2 H 5 ) 4 , Si (on or iC 3 H 7 ) 4 , Si (OC 4 Hg) 4 , SiCl 4 , HSiCl 3 , Si (OOCCH 3 ) 4 .
  • tetraethoxysilane is particularly preferred.
  • the silanes can be prepared by known methods; see. W. NoII, "Chemistry and Technology of Silicones", Verlag Chemie GmbH, Weinheim / Bergstrasse (1968).
  • M is a metal of main groups I to VIII or subgroups II to VIII of the Periodic Table of the Elements, including boron, X as defined above, where two groups X may be replaced by an oxo group, and a is the valency of the element.
  • M is different from Si.
  • boron is also counted among the metals.
  • metal compounds are compounds of glass- or ceramic-forming elements, in particular compounds of at least one element M from the main groups III to V and / or the subgroups II to IV of the Periodic Table of the Elements. These are preferably hydrolyzable compounds of Al, B, Sn, Ti, Zr, V or Zn, in particular those of Al, Ti or Zr, or Mixtures of two or more of these elements.
  • hydrolyzable compounds of elements of main groups I and II of the Periodic Table eg Na, K, Ca and Mg
  • subgroups V to VIII of the Periodic Table eg Mn, Cr, Fe and Ni
  • hydrolyzable compounds of lanthanides such as Ce can be used. Preference is given to metal compounds of the elements B 1 Ti, Zr and Al, with Ti being particularly preferred.
  • Preferred metal compounds are, for. B. the alkoxides of B, Al, Zr and especially Ti.
  • Suitable hydrolyzable metal compounds are, for. B. AI (OCH 3 ) 3 , Al (OC 2 Hs) 3 , Al (OnC 3 H 7 ) 3 , Al (OiC 3 H 7 ) 3 , Al (OnC 4 H 9 ) 3 , Al (O-sec.
  • the consolidant is prepared using a methacrylic silane such as methacryloxypropyltrimethoxysilane, an alkylsilane such as methyltriethoxysilane (MTEOS), an orthosilicic acid ester such as tetraethoxysilane (TEOS) and a metal compound of formula (III) wherein the use of a metal compound of B, Al , Zr and in particular Ti is particularly preferred.
  • MTEOS methyltriethoxysilane
  • TEOS methyltriethoxysilane
  • TEOS tetraethoxysilane
  • a metal compound of formula (III) wherein the use of a metal compound of B, Al , Zr and in particular Ti is particularly preferred.
  • an arylsilane such as phenyltriethoxysilane, may also be added, optionally in combination with an organosilane of formula (Ia).
  • the consolidating agent For the preparation of the consolidating agent are preferably at least 50 mol%, more preferably at least 70 mol% and in particular at least 80 mol% organosilanes of the formulas (I) and, if used, (Ia) with at least one hydrolytically non-removable group, based to all compounds used for the hydrolyzate or condensate.
  • the rest are hydrolyzable compounds, namely the metal compounds of the formula (III) and, if appropriate, the hydrolyzable silanes of the formula (II) which have no nonhydrolyzable groups.
  • the molar ratio of silicon compounds of the formulas (I), (Ia) and (II) used to metal compounds of formula (III) is in the range of 10,000: 1 to 10: 1, wherein in the range of 2,000: 1 to 20: 1 and particularly preferably from 2,000: 1 to 200: 1 a particularly good hydrolytic stability is achieved.
  • the compounds are in each case based on the monomeric compounds. If pre-condensed compounds (dimers, etc.) are used as starting materials, as explained below, the corresponding monomers must be converted.
  • the hydrolysates or condensates of the consolidant are obtained from the hydrolyzable silanes and the hydrolyzable metal compounds by hydrolysis and optionally condensation.
  • Hydrolyzates or condensates are understood to be, in particular, hydrolyzed or at least partially condensed compounds of the hydrolyzable starting compounds.
  • Such oligomers preferably soluble in the reaction medium, may e.g. straight chain or cyclic low molecular weight partial condensates (e.g., polyorganosiloxanes) having a degree of condensation of e.g. about 2 to 100, especially about 2 to 6 be.
  • the hydrolysates or condensates are preferably obtained by hydrolysis and condensation of the hydrolyzable starting compounds by the sol-gel method.
  • the hydrolyzable compounds are hydrolyzed with water, optionally in the presence of acidic or basic catalysts, and at least partially condensed.
  • the hydrolysis and condensation are preferably carried out in the presence of acidic condensation catalysts (for example hydrochloric acid, phosphoric acid or formic acid) at a pH of preferably from 1 to 3.
  • acidic condensation catalysts for example hydrochloric acid, phosphoric acid or formic acid
  • the sol thus forming can be obtained by suitable parameters, for example Condensation degree, solvent or pH to which the viscosity desired for the consolidant is adjusted.
  • sol-gel process Further details of the sol-gel process are e.g. at CJ. Brinker, G.W. Scherer: "SoI-GeI Science - The Physics and Chemistry of Sol-Gel Processing", Academic Press, Boston, San Diego, New York, Sydney (1990).
  • hydrolysis and condensation stoichiometric amounts of water, but also smaller or larger amounts can be used. Preference is given to using a substoichiometric amount of water, based on the available hydrolyzable groups.
  • the amount of water used for the hydrolysis and condensation of the hydrolyzable compounds is preferably 0.1 to 0.9, and more preferably 0.25 to 0.75 moles of water per mole of the hydrolyzable groups present. Often, particularly good results are achieved with less than 0.7 mol of water, in particular 0.55 to 0.65 mol of water, per mole of hydrolyzable groups present.
  • the hydrolyzate or condensate used according to the invention is in particular free of particles as a solution or emulsion.
  • the consolidant further comprises an organic crosslinking agent having at least two functional groups.
  • the functional groups are used to crosslink the hydrolyzate or condensate. They are chosen to be reactive with the functional group of the functionalized organosilane. During curing, the functional groups of the crosslinking agent then react with the functional groups of the functionalized organosilane to form covalent bonds, so that crosslinking takes place.
  • Suitable crosslinking agents are e.g. organic monomers, oligomers and polymers or prepolymers.
  • the organic crosslinking agents are network-forming polymerization precursors.
  • the organic crosslinking agent may contain two or more functional groups. They are chain-forming organic compounds that are responsible for the poly- merization, polycondensation or polyaddition are suitable. These organic crosslinkers are well known to those skilled in the art and can be readily selected for the particular case.
  • the functional groups are the usual polymerizable, polycondensable or polyaddierbaren groups, which are used in polymer chemistry. Examples of the functional groups are epoxy, hydroxy, amino, carboxy, isocyanate, mercapto, vinyl, acrylic or methacrylic groups, with vinyl, acrylic and methacrylic groups being preferred.
  • Corresponding groups of derivatives of the carboxylic acid such as carboxylic acid anhydride and carboxylic acid halide, in particular carboxylic acid chloride groups are suitable.
  • the functional groups of the crosslinking agent are aligned with the crosslinkable functional group of the functionalized organosilane by selecting corresponding pairs of functional groups suitable for a polymerization, polycondensation or polyaddition reaction.
  • the person skilled in the art will be familiar with these corresponding pairs.
  • the corresponding functional groups of the organosilane and the crosslinking agent may e.g. each same or different C-C double bonds, such as vinyl, acrylic or methacrylic be.
  • Further examples of corresponding pairs are amino / carboxyl, epoxy / amino, epoxy / carboxylic anhydride and isocyanate / hydroxy.
  • crosslinking agents are di- to polyfunctional acrylates and methacrylates, including unsaturated polyesters and epoxy resins.
  • the crosslinking agents may be defined individual compounds or mixtures of compounds with different degrees of polymerization. Examples are diethylene glycol dimethacrylate (DEGMA), triethylene glycol dimethacrylate (TEGDMA), bisphenol A-glycidyl methacrylate (BisGMA), urethane dimethacrylate (UDMA), Laromer ® BASF acrylates, Ebecryl ®, pentaerythritol triacrylate (PETIA), hexanediol diacrylate, trimethylolpropane triacrylate, trimethylolpropane trimethacrylate, neopentyl glycol dimethacrylate, neopentyl glycol diacrylate, Epoxy acrylate resins, oligomeric methacrylates, such as LR 8862, LR 8907 from BASF, or oli
  • the weight ratio of silicon compounds and total metal compounds used for the hydrolyzate or condensate to the organic crosslinking agent may be appropriately selected by those skilled in the art from a broad range, with a weight ratio in the range of 1: 5 to 1: 0.3 being preferred ,
  • the molar ratio of functional groups of the functionalized organosilane to the functional groups of the crosslinking agent can vary widely, with a preferred molar ratio ranging from 10: 1 to 1: 2.
  • the crosslinking agent may be added to the starting compounds of the hydrolyzate or condensate prior to hydrolysis or condensation, or preferably after formation of the hydrolyzate or condensate.
  • the consolidating agent used according to the invention is in particular free of particles as a solution or emulsion. Before use, the consolidant can be activated by adding another amount of water.
  • the consolidating agent may contain conventional additives and solvents such as water, alcohols, preferably lower aliphatic alcohols (C 1 -C 5 alcohols) such as methanol, ethanol, 1-propanol, isopropanol and 1-butanol, ketones, preferably lower dialkyl ketones such as acetone and methyl isobutyl ketone, ethers , preferably lower dialkyl ethers, such as diethyl ether, or monoethers of diols, such as ethylene glycol or propylene glycol, with CrC 8 -alcohols, amides, such as dimethylformamide, tetrahydrofuran, dioxane, sulfoxides, sulfones or butyl glycol and mixtures thereof.
  • solvents such as water, alcohols, preferably lower aliphatic alcohols (C 1 -C 5 alcohols) such as methanol, ethanol, 1-propanol, isopropanol and 1-
  • water and alcohols are used. It is also possible to use high-boiling solvents, for example polyethers such as triethylene glycol, diethylene glycol diethyl ether and tetraethylene glycol dimethyl ether. In some cases, other solvents are also used, for example light paraffins (petroleum ethers, alkanes and cycloalkanes), aromatics, heteroaromatics and halogenated hydrocarbons. Dicarboxylic acid esters, such as dimethyl succinate, may also be used. Adipic acid dimethyl ester, dimethyl glutarate and mixtures thereof and the cyclic carboxylic acid esters such as propylene carbonate and glycerol find.
  • solvents for example polyethers such as triethylene glycol, diethylene glycol diethyl ether and tetraethylene glycol dimethyl ether.
  • other solvents for example light paraffins (petroleum ethers, alkanes and cycloalkanes), aromatics, hetero
  • the consolidant preferably also contains a thermal catalyst, also referred to as a starter or initiator, to initiate thermal cure.
  • thermal catalysts are known to the person skilled in the art and it is readily possible to select the suitable ones taking into account the components used.
  • free-radical thermo-initiators are organic peroxides, e.g. Diacyl peroxides, peroxydicarbonates, alkyl peresters, alkyl peroxides, perketals, ketone peroxides and alkyl hydroperoxides, and azo compounds. Specific examples are dibenzoyl peroxide, tert-butyl perbenzoate, amyl peroxy-2-ethylhexanoate and azobisisobutyronitrile.
  • These initiators are used in the usual amounts known to those skilled in the art, e.g. 0.01 to 5 wt .-%, based on the total solids content of the consolidant.
  • the consolidant is blended with the proppants to be consolidated, e.g. by mixing, pumping or injection, and then hardened. It can e.g. subsequently after positioning the proppants in the fracture, they are injected into the proppant-bearing formation gap and subsequently hardened.
  • the consolidation or curing is carried out under elevated temperature and elevated pressure, based on the normal conditions, ie, the pressure is greater than 1 bar and the temperature is higher than 20 0 C.
  • the consolidant at a temperature and a pressure which is about the geological conditions of the reservoir, in which the proppants are used, hardened, usually at temperatures above 40 ° C and at least 8 bar.
  • Dependent on From the depth of formation temperatures up to 16O 0 C and pressures up to 500 bar may be necessary for the curing.
  • the curing is preferably carried out under hydrothermal conditions of the reservoir, in which the use is provided.
  • the properties of consolidated materials also depend on the conditions under which they are produced. In general, improved performance of the consolidated materials is achieved when manufactured in approximately the same conditions in which they are to be used. For applications of consolidated materials at elevated pressures and temperatures, it is therefore desirable to also carry out the production under approximately the same conditions. However, this is problematic for the prior art consolidants because, with prior art consolidation agents, at elevated pressure and temperature, i. E. H. remain under hydrothermal conditions, solvents and reaction products in the system and allow only an equilibrium. However, the equilibrium position under these conditions does not provide consolidated materials.
  • the equilibrium position is changed by the use of the metal compounds of the formula (III), so that a setting of the consolidant used under hydrothermal conditions (increased pressure and elevated temperature) was possible. In this way, consolidated proppants can be obtained under hydrothermal conditions.
  • the use of the organic crosslinking agents also achieves improved mechanical strength and good flexibility. Curing of the consolidant under hydrothermal conditions may also be assisted by the addition of anhydrides to the consolidant. With the help of anhydrides condensation products such as water and ethanol can be trapped.
  • the anhydrides are preferably anhydrides of organic acids or mixtures of these anhydrides. Examples are acetic anhydride, methylnadic anhydride, phthalic anhydride, succinic anhydride and mixtures thereof.
  • cyclic carbonic acid esters such as propylene carbonate
  • carboxylic acid esters such as dimethyl glutarate, adipic acid dimethyl ester and dimethyl succinate, or dicarboxylic acid dimethyl ester mixtures of said esters
  • the suitable solvent can be completely or partially replaced by the solvent used or formed in the preparation of the consolidant.
  • the hardening of proppants to be consolidated is thus possible under hydrothermal conditions.
  • the functional groups of the functionalized organosilane are reactive with the functional groups of the crosslinking agent to form covalent bonds between them under the conditions of cure.
  • an organic network is formed, which is covalently linked via the functional groups with the inorganic network formed.
  • interpenetrating inorganic and organic networks are formed by the process according to the invention, which consolidate the proppant.
  • the consolidant gel can close the pores large volume. This can preferably be prevented or eliminated by passing a solid or liquid medium into the proppant to be consolidated, which is mixed with the consolidating agent. can be adjusted by the porosity in the desired manner. The initiation takes place in particular before or during the curing process over a certain period of time.
  • Parameters for the pumping such as duration, time, amount or flow rate of the liquid or gaseous phase can be readily selected by the skilled person in a suitable manner to adjust the desired porosity.
  • the initiation can be carried out, for example, before or after a partial hardening, with complete curing taking place after and / or during the initiation.
  • a liquid or gaseous medium for example, an inert solvent or gas, for. B. N 2 , CO 2 or air, are pumped, whereby the pore volumes are flushed and reaction products are removed.
  • solvents for the liquid medium reference may be made to those listed above.
  • the liquid or gaseous medium may optionally contain catalysts and / or gas-releasing components or solutes.
  • Curing of the consolidant may optionally be assisted by the introduction of condensation catalysts which cause crosslinking of the inorganically crosslinkable SiOH groups or metal OH groups to form an inorganic network.
  • condensation catalysts are z.
  • bases or acids but also fluoride ions or alkoxides. These may e.g. be added to the consolidant just before mixing with the proppant.
  • the above-described gaseous or liquid media passed through the proppant or geological formation are loaded with the catalyst.
  • the catalyst is preferably volatile, gaseous or vaporizable.
  • the catalyst may contain solutes such as zirconium oxychloride and be added in the form of a gradient to the binder.
  • the consolidated proppants are preferably porous, with the degree of porosity of the consolidated proppants (ratio of volume of the pores to the total volume of the proppant) preferably 5 to 50% and particularly preferably 20 to 40%.
  • a so-called "displacement cell” commonly used in the oil industry is preferably used to characterize the properties of consolidants and consolidated proppants.
  • a cylindrical specimen containing the proppant to be consolidated is applied and compacted over the surface of lead with a confinement pressure which simulates the geological formation pressure (eg 70 bar). About the end faces of the sample cylinder of the media inlet and discharge takes place against a back pressure of for example 50 bar.
  • the cell is tempered. Strengths up to 5.9 MPa are achieved. The strength is retained even after removal of the moldings under hydrothermal conditions in corrosive media.
  • the proppants of the invention can be used with advantage in the gas, petroleum or water production, in particular off-shore promotion.
  • the consolidant of the invention due to its chemical constitution, enables rapid and effective solidification.
  • the strength of the consolidated proppants can be increased many times over.

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Abstract

Beschrieben wird ein Verfahren zur Herstellung von hydrolytisch und hydrothermal beständigen konsolidierten Proppants, bei dem man (A) ein Konsolidierungsmittel, umfassend (A1) ein Hydrolysat oder Vorkondensat von mindestens einem funktionalisierten Organosilan, einem weiteren hydrolysierbaren Silan und mindestens einer Metallverbindung, wobei das molare Verhältnis von eingesetzten Siliciumverbindungen zu eingesetzten Metallverbindungen im Bereich von 10.000:1 bis 10:1 liegt, und (A2) ein organisches Vernetzungsmittel, mit einem Proppant vermengt und (B) das Konsolidierungsmittel unter erhöhtem Druck und erhöhter Temperatur härtet. Die erhaltenen konsolidierten Proppants zeichnen sich durch eine hohe mechanische Festigkeit aus.

Description

KONSOLIDIERTE PROPPANTS MIT HOHER MECHANISCHER FESTIGKEIT UND VERFAHREN ZU DEREN HERSTELLUNG
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von hydrothermal konsolidierten und hydrolytisch beständigen, konsolidierten Proppants mit verbesserter mechanischer Festigkeit.
Bindemittel sind insbesondere für das Binden von kompakten oder körnigen Produkten von hoher Bedeutung. In der Erdölindustrie hat sich besonders das Verfahren des Fracturing zur Steigerung und Stabilisierung der Ölförderleistung in ölhaltigen Lagerstätten erwiesen. Zu diesem Zweck wird zunächst mittels einer hochviskosen Flüssigkeit (Fracture fluid) eine künstliche Spalte in der ölführenden Formation um das Bohrloch herum erzeugt. Damit diese Spalte offen bleibt, wird das hochviskose Fluid mit sogenannten Proppants versehen, die nach dem Wegnehmen des Druckes, der zur Erzeugung und Aufrechterhaltung des Formationsspaltes notwendig ist, die Spalte als eine Region mit erhöhter Porosität und Permeabilität aufrechterhalten. Proppants sind insbesondere Sande und keramische Partikel mit mehreren 100 μm bis einigen Millimetern Durchmesser, die in dem Gebirgsspalt positioniert werden. In der Regel müssen diese Proppants verfestigt werden, um das Auswaschen (flow back) mit dem geförderten Öl zu verhindern. Hierfür sind Bindemittel erforderlich, die unter den Bedingungen des erschlossenen Reservoirs (hoher Druck bei hoher Temperatur, reservoireigenes Grundwasser und aggressive Komponenten in den Rohölen und Gasen) zunächst aushärten und bei der Ölförderung dauerhaft beständig sind.
Für eine effiziente Anwendung von Bindemitteln ist es wichtig, dass die Beständigkeit unter den oben genannten aggressiven Bedingungen möglichst lange aufrechterhalten bleibt, wobei die Bindefestigkeit und die Porosität nicht nennenswert reduziert werden dürfen. Die im Stand der Technik genannten Systeme, die nahezu alle auf organischen Polymeren aufbauen, haben diesbezüglich eine sehr eingeschränkte Lebensdauer. Die Konsolidierung von Proppants mit geeigneten Bindemitteln ist insbesondere dann schwierig, wenn die konsolidierten Proppants im Vergleich zu den Proppants ohne Bindemittel nicht nennenswert an Porosität einbüßen sollen. So lassen sich z.B. mit organischen Polymerbindemitteln poröse Komposite herstellen, jedoch zeigt sich, dass es kaum möglich ist, die ursprüngliche Porosität aufrecht zu erhalten. Bei reduziertem Bindemitteleinsatz gelingt es zwar, poröse Systeme herzustellen, aufgrund der Eigenschaft der organischen Polymere in Gegenwart von organischen Lösungsmitteln aufzuquellen oder in Lösung zu gehen, sind solche Komposite jedoch für viele Anwendungen, insbesondere bei höheren Temperaturen und in Umgebung organischer Flüssigkeiten, nicht geeignet.
Die Verwendung von rein anorganischen Bindemitteln, die z. B. über den SoI-GeI Prozess zugänglich sind, führt zwar zu einer Bindung, bei der im Proppant eine entsprechende Porosität aufrecht erhalten wird, jedoch ist das gebundene System sehr spröde, brüchig und gegenüber mechanischen Belastungen wie Scherbelastungen oder starken Druckbelastungen nicht ausreichend widerstandsfähig.
Ferner ist es häufig zweckmäßig, Proppants unter den Bedingungen herzustellen, unter denen sie später auch angewandt werden. Daher ist es häufig notwendig, die Proppants vor Ort nach dem Einbringen in den Fracture unter den geologischen Druck- und Temperaturbedingungen zu härten. Dies ist bei vielen Konsolidierungsmitteln nicht oder unter Verlust der notwendigen Hydrolysebeständigkeiten möglich.
In der Patentanmeldung DE 102005002806.3 des Anmelders wird ein Verfahren zur Herstellung von konsolidierten Proppants beschrieben, bei dem als Konsolidierungsmittel ein Hydrolysat oder Kondensat aus einem Organosilan, einem hydroly- sierbaren Silan und einer Metallverbindung verwendet wird. Durch die Verwendung dieses organisch modifizierten anorganischen Konsolidierungsmittels werden konsolidierte Proppants erhalten, die gegenüber dem Stand der Technik eine deutlich verbesserte Hydrolyse- und Korrosionsstabilität unter Hydrothermalbedingungen zeigen. Da bei dem Einsatz der Proppants eine hohe Beständigkeit gegenüber der Bildung fragmentärer Strukturen erforderlich ist, bestand noch Bedarf nach einer zusätzlichen Verbesserung der mechanischen Festigkeit der erhaltenen Proppants.
Aufgabe der Erfindung war es daher, Verfahren zur Herstellung konsolidierter Proppants bereitzustellen, die bei den Druck- und Temperaturverhältnissen des Einsatzgebiets hydrolyse- und korrosionsstabil sind und eine relativ hohe Porosität aufweisen und darüber hinaus eine weiter verbesserte mechanische Festigkeit besitzen.
Die Aufgabe konnte überraschenderweise durch ein Verfahren zur Herstellung von hydrolytisch und hydrothermal beständigen konsolidierten Proppants gelöst werden, bei dem man (A) ein Konsolidierungsmittel mit einem Proppant vermengt und (B) das mit dem Proppant vermengte Konsolidierungsmittel unter erhöhtem Druck und erhöhter Temperatur härtet, wobei das Konsolidierungsmittel (A1 ) ein Hydrolysat oder Kondensat aus
(a) mindestens einem funktionalisierten Organosilan der allgemeinen Formel (I)
(Rx)bRcSiX4-b-c (I)
worin die Reste Rx gleich oder verschieden sind und hydrolytisch nicht abspaltbare Gruppen darstellen, die mindestens eine vernetzbare funktionelle Gruppe umfassen, die Reste R gleich oder verschieden sind und hydrolytisch nicht abspaltbare Gruppen darstellen, die Reste X gleich oder verschieden sind und hydrolytisch abspaltbare Gruppen oder Hydroxygruppen darstellen, b den Wert 1 , 2 oder 3 hat und c den Wert 0, 1 oder 2 hat, wobei die Summe (b+c) 1 , 2 oder 3 ist;
(b) gegebenenfalls mindestens einem hydrolysierbaren Silan der allgemeinen Formel (II)
SiX4 (II)
worin X wie in Formel (I) definiert ist; und
(c) mindestens einer Metallverbindung der allgemeinen Formel (III) MX3 (III)
worin M ein Metall der Hauptgruppen I bis VIII oder der Nebengruppen Il bis VIII des Periodensystems der Elemente einschließlich Bor ist, X wie in Formel (I) definiert ist, wobei zwei Gruppen X durch eine Oxogruppe ersetzt sein können, und a der Wertigkeit des Elements entspricht; wobei das molare Verhältnis von eingesetzten Siliciumverbindungen zu eingesetzten Metallverbindungen im Bereich von 10.000:1 bis 10:1 liegt, und
(A2) ein organisches Vernetzungsmittel mit mindestens zwei funktionellen Gruppen umfasst.
Durch das erfindungsgemäße Verfahren konnte erstaunlicherweise eine weitere Steigerung der mechanischen Verfestigung der Proppantproben im Vergleich zu organisch modifizierten anorganischen Bindern erzielt werden, insbesondere unter Hydrothermalbedingungen. Die Erhöhung der mechanischen Verfestigung ist insbesondere zur Erzielung hoher Resistenzen gegenüber der Bildung von fragmentären Strukturen (z. B. fines-Bildung) wichtig. Es konnte gezeigt werden, dass durch das erfindungsgemäß verwendete Konsolidierungsmittel interpenetrierende anorganische und organische Netzwerke bei der Härtung gebildet werden, wodurch eine deutliche Verbesserung in der mechanischen Festigkeit erzielt werden kann.
Es zeigte sich insbesondere, dass die Netzwerkfestigkeit durch Verwendung eines organischen Vernetzungsmittels mit mindestens zwei funktionellen Gruppen, bevorzugt vernetzender Dimethacrylate oder höherfunktioneller Methacrylate, die zusammen mit den funktionalisierten Organosilanen, vorzugsweise acryl- und/oder vinylfunktionalisierten Silanen, ein organisches Netzwerk bilden, das über die Silane kovalent mit dem anorganischen Netzwerk verknüpft ist, und die mechanische Verfestigung deutlich verbessert werden konnten. Gleichzeitig wurde eine Flexibilisierung des Konsolidierungsmittels erreicht.
Die erfindungsgemäß gebundenen Proppants werden auch im Autoklaven bei hohem Druck und hoher Temperatur auch über einen längeren Zeitraum nicht abgebaut und eine stabile Bindung bleibt weiterhin erhalten. Der Einsatz von hydrolysierbaren Metallverbindungen der Formel (III) bringt zwei Vorteile mit sich: eine besonders gute Hydrolysestabilität der gehärteten Konsolidierungsmittel unter Hydrothermalbedingungen und die Möglichkeit, das Konsolidierungsmittel auch unter erhöhtem Druck zu härten. Überraschenderweise blieb diese Fähigkeit auch bei Einsatz des organischen Vernetzungsmittels erhalten.
Proppants wurden bereits vorstehend allgemein erläutert und sind dem Fachmann auf dem Gebiet allgemein bekannt. Proppants sind Pellets oder Teilchen, die häufig im wesentlichen kugelförmig sind. Sie weisen im allgemeinen etwa einen mittleren Durchmesser von mehreren 100 Mikrometern auf, z.B. im Bereich zwischen 1.000 und 1 μm. Die Proppants können z.B. grobkörniger Sand, keramische Teilchen, z.B. aus AI2O3, ZrO2 oder MuIMt, Naturprodukte wie Walnussschalen, oder Metall- oder Kunststoffteilchen, wie Aluminium- oder Nylon-Pellets, sein. Bei den Proppants handelt es sich bevorzugt um Sand oder Keramikteilchen.
Das Konsolidierungsmittel umfasst ein Hydrolysat oder Kondensat aus
(a) mindestens einem funktionalisierten Organosilan der allgemeinen Formel (I)
(Rx)bRcSiX4-b-c (I)
worin die Reste Rx gleich oder verschieden sind und hydrolytisch nicht abspaltbare Gruppen darstellen, die mindestens eine vernetzbare funktionelle Gruppe umfassen, die Reste R gleich oder verschieden sind und hydrolytisch nicht abspaltbare Gruppen darstellen, die Reste X gleich oder verschieden sind und hydrolytisch abspaltbare Gruppen oder Hydroxygruppen darstellen, b den Wert 1 , 2 oder 3 hat und c den Wert 0, 1 oder 2 hat, wobei die Summe (b+c) 1 , 2 oder 3 ist;
(b) gegebenenfalls mindestens einem hydrolysierbaren Silan der allgemeinen Formel (II)
SiX4 (II)
worin X wie in Formel (I) definiert ist; und (c) mindestens einer Metallverbindung der allgemeinen Formel (III)
MX3 (III)
worin M ein Metall der Hauptgruppen I bis VIII oder der Nebengruppen Il bis VIII des Periodensystems der Elemente einschließlich Bor ist, X wie in Formel (I) definiert ist, wobei zwei Gruppen X durch eine Oxogruppe ersetzt sein können, und a der Wertigkeit des Elements entspricht; wobei das molare Verhältnis von eingesetzten Siliciumverbindungen zu eingesetzten
Metallverbindungen im Bereich von 10.000:1 bis 10:1 liegt.
Es ist bevorzugt, dass ein Silan der allgemeinen Formel (II) eingesetzt wird. In einer bevorzugten Ausführungsform verwendet man zur Herstellung des Hydrolysats oder Kondensats ferner zusätzlich ein Organosilan der Formel (Ia)
RnSiX4-H (Ia) worin die Reste R gleich oder verschieden sind und hydrolytisch nicht abspaltbare Gruppen darstellen, die Reste X gleich oder verschieden sind und hydrolytisch abspaltbare Gruppen oder Hydroxygruppen darstellen und n den Wert 1 , 2 oder 3 hat.
In der Formel (I) ist b bevorzugt 1 und c bevorzugt 0, so dass das funktionalisierte Organosilan der Formel (I) vorzugsweise (Rx)SiX3 oder (Rx)RcSiX3-c, worin c 1 oder 2 ist. In der Formel (Ia) ist n bevorzugt 1 oder 2 und besonders bevorzugt 1. Im folgenden werden die Substituenten X, R und Rx in den Formeln (I), (Ia), (II) und (III) näher erläutert.
Geeignete Beispiele für hydrolytisch abspaltbare Gruppen X der obigen Formeln sind Wasserstoff, Halogen (F, Cl, Br oder I1 insbesondere Cl oder Br)1 Sulfat, Alkoxy (z.B. d-6-Alkoxy, wie z.B. Methoxy, Ethoxy, n-Propoxy, i-Propoxy und n-, i-, sek.- oder tert.-Butoxy), Aryloxy (vorzugsweise C6-io-Aryloxy, wie z.B. Phenoxy), Alkaryloxy, z.B. Benzoyloxy, Acyloxy (z.B. Ci-β-Acyloxy, vorzugsweise Ci-4-ACyIoXy, wie z.B. Acetoxy oder Propionyloxy) und Alkylcarbonyl (z.B. C2-7-Alkylcarbonyl wie Acetyl). Ebenfalls geeignet sind NH2, mit Alkyl, Aryl und/oder Aralkyl mono- oder disubstituiertes Amino, wobei Beispiele für die Alkyl-, Aryl und/oder Aralkylreste die nachstehend für R angegebenen sind, Amido wie Benzamido oder Aldoxim- oder Ketoximgruppen. Zwei oder drei Gruppen X können auch miteinander verbunden sein, z.B. bei Si-Polyolkomplexen mit Glycol, Glycerin oder Brenzcatechin. X kann auch eine Hydroxygruppe sein. Die genannten Gruppen können gegebenenfalls Sub- stituenten, wie Halogen, Hydroxy oder Alkoxy, enthalten.
Bevorzugte hydrolytisch abspaltbare Reste X sind Halogen, Alkoxygruppen und Acyl- oxygruppen. Besonders bevorzugte hydrolytisch abspaltbare Reste sind C2-4- Alkoxygruppen, insbesondere Methoxy und Ethoxy.
Die hydrolytisch nicht abspaltbaren Reste R und Rx der Formeln (I) und (Ia) sind insbesondere organische Reste, die über ein Kohlenstoffatom an das Si-Atom gebunden sind. Diese Si-C-Bindung ist nicht hydrolysierbar. Dieses C-Atom weist neben der Bindung an das Si vorzugsweise nur noch Bindungen mit C- und/oder H- Atomen auf. Der Rest R weist insbesondere keine vernetzbare funktionelle Gruppe auf.
Die hydrolytisch nicht abspaltbaren Reste R der Formeln (Ia) und gegebenenfalls (I) sind z.B. Alkyl (z.B. Ci-2o-Alkyl, insbesondere Ci-4-Alkyl, wie Methyl, Ethyl, n-Propyl, i- Propyl, n-Butyl, i-Butyl, sek.-Butyl und tert.-Butyl), Aryl (insbesondere C6-io-Aryl, wie Phenyl und Naphthyl) und entsprechende Aralkyl- und Alkarylgruppen, wie ToIyI und Benzyl, und cyclische C3-Ci2-Alkyl- und -Alkenylgruppen, wie Cyclopropyl, Cyclopentyl und Cyclohexyl. Bevorzugte Reste R1 die eingesetzt werden, insbesondere für Silane der Formel (Ia), sind Reste ohne Substituenten oder funktionelle Gruppen, insbesondere Alkylgruppen, vorzugsweise mit 1 bis 4 Kohlenstoffatomen, insbesondere Methyl und Ethyl, sowie Arylreste, wie Phenyl, wobei Alkylgruppen besonders bevorzugt sind.
Die Reste Rx umfassen mindestens eine funktionelle Gruppe, über die eine Vernetzung des Kondensats durch das organische Vernetzungsmittel möglich ist, wodurch ein interpenetrierendes organisches und anorganisches Netzwerk bei der Härtung gebildet werden kann. Beispiele für die funktionelle Gruppe, über die eine Vernetzung möglich ist, sind Epoxid (z.B. Glycidyl oder Glycidyloxy), Hydroxy, Amino, Carboxy, Vinyl, Alkinyl, Acryl oder Acryloxy, Methacryl oder Methacryloxy und Isocyanato. Diese funktionellen Gruppen sind über zweiwertige Brückengruppen, insbesondere Alkylen-, Alkenylen- oder Arylen-Brückengruppen, die durch Sauerstoff- oder -NH-Gruppen unterbrochen sein können, an das Siliciumatom gebunden. Die Brückengruppen enthalten z. B. 1 bis 18, vorzugsweise 1 bis 8 und insbesondere 1 bis 6 Kohlenstoffatome. Die genannten zweiwertigen Brückengruppen leiten sich z.B. von den oben genannten einwertigen Alkyl- oder Arylresten ab. Bevorzugt ist die Brückengruppe eine Alkylen-, insbesondere eine Propylengruppe. Der Rest Rx weist vorzugsweise eine funktionelle Gruppe auf, kann aber auch mehr als eine funktionelle Gruppe aufweisen. Bevorzugte funktionelle Gruppen, über die eine Vernetzung möglich ist, sind Vinyl, Acryl oder Acryloxy, Methacryl oder Methacryloxy.
Beispiele für hydrolytisch nicht abspaltbare Reste Rx, über die eine Vernetzung möglich ist, sind Alkenyl, z.B. C2-2o-Alkenyl, insbesondere C2-4-Alkenyl, wie Vinyl, 1- Propenyl, 2-Propenyl und Butenyl, Glycidyl- oder Glycidyloxy-(Ci-2o)-alkylen, wie ß-Glycidyloxyethyl, γ-Glycidyloxypropyl, δ-Glycidyloxybutyl, ε-Glycidyloxypentyl, ω-Glycidyloxyhexyl, und 2-(3,4-Epoxycyclohexyl)ethyl, (Meth)acryloxy-(Ci_6)-alkylen, z.B. (Meth)acryloxymethyl, (Meth)acryloxyethyl, (Meth)acryloxypropyl oder (Meth)acryl- oxybutyl, und 3-lsocyanatopropyl. Besonders bevorzugt ist (Meth)acryloxypropyl. (Meth)acryl steht in dieser Beschreibung für Acryl und Methacryl. Diese funktio- nalisierten Organosilane werden auch entsprechend ihrer funktionalisierten Gruppe z.B. als (Meth)acrylsilane, Vinylsilane, Epoxysilane usw. bezeichnet.
Beispiele für funktionalisierte Organosilane der allgemeinen Formel (I) sind: CH2=CH-Si(OOCCH3)3, CH2=CH-SiCI3, CH2=CH-Si(OC2Hs)3, CH2=CHSi(OC2Hs)3, CH2=CH-Si(OC2H4OCHs)3, CH2=CH-CH2-Si(OC2Hs)3, CH2=CH-CH2-Si(OC2Hs)3, CH2=CH-CH2-Si(OOCCHs)31 CH2=C(CH3)COO-C3H7-Si(OC2Hs)31 (C2H5O)3Si-(CH2)3-O-CH2-CH-CH2
O
Bevorzugte Beispiele sind Acrylsilane und Methacrylsilane, wie (Meth)acryloxy- alkyltrimethoxysilan und (Meth)acryloxyalkyltriethoxysilan, insbesondere (Meth)- acryloxypropyltrimethoxysilan und (Meth)acryloxypropyltriethoxysilan, (Meth)acryl- oxypropylmethyldimethoxysilan, (Meth)acryloxyethyltrimethoxysilan und (Meth)acryl- oxyethylmethyldimethoxysilan, wobei Methacryloxypropyltrimethoxysilan besonders bevorzugt ist.
Beispiele für Organosilane der allgemeinen Formel (Ia) sind Verbindungen der folgenden Formeln, wobei die Alkylsilane und insbesondere Methyltriethoxysilan besonders bevorzugt sind:
CH3SiCI3, CH3Si(OC2Hs)3, C2H5SiCI3, C2H5Si(OC2Hs)3, C3H7Si(OC2Hg)3,
C6H5Si(OC2Hs)3, (C2H5O)3Si-C3H6-CI, (CH3)2SiCI2, (CH3)2Si(OC2H5)2) (CH3)2Si(OH)2>
(C6Hs)2SiCI2, (C6Hs)2Si(OC2Hs)2, (i-C3H7)3SiOH, n-C6H13CH2CH2Si(OC2H5)3, n-C8H17CH2CH2Si(OC2H5)3.
Beispiele für die hydrolysierbaren Silane der allgemeinen Formel (II) sind Si(OCH3)4, Si(OC2H5)4, Si(O-n- oder i-C3H7)4, Si(OC4Hg)4, SiCI4, HSiCI3, Si(OOCCH3)4. Von diesen hydrolysierbaren Silanen ist Tetraethoxysilan besonders bevorzugt.
Die Silane lassen sich nach bekannten Methoden herstellen; vgl. W. NoII, "Chemie und Technologie der Silicone", Verlag Chemie GmbH, Weinheim/Bergstraße (1968).
Bei der Metallverbindung der allgemeinen Formel (III)
MXa (III)
ist M ein Metall der Hauptgruppen I bis VIII oder der Nebengruppen Il bis VIII des Periodensystems der Elemente einschließlich Bor, X wie vorstehend definiert, wobei zwei Gruppen X durch eine Oxogruppe ersetzt sein können, und entspricht a der Wertigkeit des Elements.
M ist von Si verschieden. Hier wird Bor auch zu den Metallen gezählt. Beispiele für derartige Metallverbindungen sind Verbindungen von glas- oder keramikbildenden Elementen, insbesondere Verbindungen mindestens eines Elements M aus den Hauptgruppen III bis V und/oder den Nebengruppen Il bis IV des Periodensystems der Elemente. Vorzugsweise handelt es sich dabei um hydrolysierbare Verbindungen von AI, B, Sn, Ti, Zr, V oder Zn, insbesondere solche von AI, Ti oder Zr, oder Mischungen aus zwei oder mehreren dieser Elemente. Ebenfalls einsetzbar sind z.B. hydrolysierbare Verbindungen von Elementen der Hauptgruppen I und Il des Periodensystems (z.B. Na, K, Ca und Mg) und der Nebengruppen V bis VIII des Periodensystems (z.B. Mn, Cr, Fe und Ni). Auch hydrolysierbare Verbindungen der Lanthanoiden wie Ce können verwendet werden. Bevorzugt sind Metallverbindungen der Elemente B1 Ti, Zr und AI, wobei Ti besonders bevorzugt ist.
Bevorzugte Metallverbindungen sind z. B. die Alkoxide von B, AI, Zr und insbesondere Ti. Geeignete hydrolysierbare Metallverbindungen sind z. B. AI(OCH3)3, AI(OC2Hs)3, AI(O-n-C3H7)3, AI(O-i-C3H7)3, AI(O-n-C4H9)3, AI(O-sek.-C4H9)3, AICI3, AICI(OH)2, AI(OC2H4OC4Hg)3, TiCI4, TiOSO4, Ti(OC2H5)4, Ti(O-n-C3H7)4, Ti(O-i-C3H7)4, Ti(OC4Hg)4, Ti(2-ethylhexoxy)4, ZrCI4, Zr(OC2Hs)4, Zr(O-n-C3H7)4, Zr(O-i-C3H7)4, Zr(OC4Hg)4, ZrOCI2, Zr(2-ethylhexoxy)4, sowie Zr-Verbindungen, die komplexierende Reste aufweisen, wie z.B. ß-Diketon- und (Meth)acrylreste, Natriumethanolat, Kalium- acetat, Borsäure, BCI3, B(OCH3)3, B(OC2Hs)3, SnCI4, Sn(OCH3)4, Sn(OC2Hs)4, VOCI3 und VO(OCH3)3.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform wird das Konsolidierungsmittel unter Verwendung eines Methacrylsilans, wie Methacryloxypropyltrimethoxysilan, eines Alkylsilans wie Methyltriethoxysilan (MTEOS), eines Orthokieselsäureesters wie Tetraethoxysilan (TEOS) und einer Metallverbindung der Formel (III) hergestellt, wobei die Verwendung einer Metallverbindung von B, AI, Zr und insbesondere Ti besonders bevorzugt ist. In einer Ausführungsform kann auch ein Arylsilan, wie Phenyltriethoxysilan, zugesetzt werden, gegebenenfalls in Kombination mit einem Organosilan der Formel (Ia).
Zur Herstellung des Konsolidierungsmittels werden bevorzugt mindestens 50 Mol-%, bevorzugter mindestens 70 Mol-% und insbesondere mindestens 80 Mol-% Organo- silane der Formeln (I) und, falls verwendet, (Ia) mit mindestens einer hydrolytisch nicht abspaltbaren Gruppe, bezogen auf alle für das Hydrolysat oder Kondensat eingesetzten Verbindungen, verwendet. Der Rest sind hydrolysierbare Verbindungen, nämlich die Metallverbindungen der Formel (III) und gegebenenfalls die hydrolysier- baren Silane der Formel (II), die keine nicht hydrolysierbaren Gruppen aufweisen. Das molare Verhältnis von eingesetzten Siliciumverbindungen der Formeln (I), (Ia) und (II) zu eingesetzten Metallverbindungen der Formel (III) liegt im Bereich von 10.000:1 bis 10:1 , wobei im Bereich von 2.000:1 bis 20:1 und besonders bevorzugt von 2.000:1 bis 200:1 eine besonders gute Hydrolysestabilität erreicht wird.
Für die Berechnung der molaren Anteile bzw. Verhältnisse, die vorstehend angegeben sind, wird bei den Verbindungen jeweils von den monomeren Verbindungen ausgegangen. Wenn wie nachstehend erläutert bereits vorkondensierte Verbindungen (Dimere usw.) als Ausgangsmaterialien eingesetzt werden, ist auf die entsprechenden Monomere umzurechnen.
Die Hydrolysate oder Kondensate des Konsolidierungsmittels werden aus den hydrolysierbaren Silanen und den hydrolysierbaren Metallverbindungen durch Hydrolyse und gegebenenfalls Kondensation erhalten. Unter Hydrolysaten oder Kondensaten werden dabei insbesondere hydrolysierte bzw. zumindest teilweise kondensierte Verbindungen der hydrolysierbaren Ausgangsverbindungen verstanden. Statt der hydrolysierbaren Monomerverbindungen können auch bereits vorkondensierte Verbindungen als Edukte bei der Synthese des Konsolidierungsmittels eingesetzt werden. Derartige, im Reaktionsmedium vorzugsweise lösliche Oligomere können z.B. geradkettige oder cyclische niedermolekulare Teilkondensate (z.B. Polyorganosiloxane) mit einem Kondensationsgrad von z.B. etwa 2 bis 100, insbesondere etwa 2 bis 6, sein.
Die Hydrolysate oder Kondensate werden vorzugsweise durch Hydrolyse und Kondensation der hydrolysierbaren Ausgangsverbindungen nach dem SoI-GeI- Verfahren erhalten. Beim Sol-Gel-Verfahren werden die hydrolysierbaren Verbindungen mit Wasser, gegebenenfalls in Gegenwart von sauren oder basischen Katalysatoren, hydrolysiert und zumindest teilweise kondensiert. Vorzugsweise erfolgt die Hydrolyse und Kondensation in Gegenwart saurer Kondensationskatalysatoren (z.B. Salzsäure, Phosphorsäure oder Ameisensäure) bei einem pH-Wert von vorzugsweise 1 bis 3. Das sich bildende SoI kann durch geeignete Parameter, z.B. Kondensationsgrad, Lösungsmittel oder pH-Wert, auf die für das Konsolidierungsmittel gewünschte Viskosität eingestellt werden.
Weitere Einzelheiten des Sol-Gel-Verfahrens sind z.B. bei CJ. Brinker, G.W. Scherer: "SoI-GeI Science - The Physics and Chemistry of Sol-Gel-Processing", Academic Press, Boston, San Diego, New York, Sydney (1990) beschrieben.
Für die Hydrolyse und Kondensation können stöchiometrische Wassermengen, aber auch geringere oder größere Mengen verwendet werden. Vorzugsweise wird eine unterstöchiometrische Wassermenge, bezogen auf die vorhandenen hydroly- sierbaren Gruppen, angewandt. Die zur Hydrolyse und Kondensation der hydro- lysierbaren Verbindungen eingesetzte Wassermenge beträgt vorzugsweise 0,1 bis 0,9, und besonders bevorzugt 0,25 bis 0,75 Mol Wasser pro Mol der vorhandenen hydrolysierbaren Gruppen. Oft werden besonders gute Ergebnisse mit weniger als 0,7 Mol Wasser, insbesondere 0,55 bis 0,65 Mol Wasser, pro Mol der vorhandenen hydrolysierbaren Gruppen erzielt. Das erfindungsgemäß verwendete Hydrolysat oder Kondensat liegt insbesondere partikelfrei als Lösung oder Emulsion vor.
Das Konsolidierungsmittel umfasst ferner ein organisches Vernetzungsmittel mit mindestens zwei funktionellen Gruppen. Die funktionellen Gruppen dienen zur Vernetzung des Hydrolysats oder Kondensats. Sie werden so ausgewählt, dass sie mit der funktionellen Gruppe des funktionalisierten Organosilans reaktionsfähig sind. Bei der Härtung reagieren dann die funktionellen Gruppen des Vernetzungsmittels mit den funktionellen Gruppen des funktionalisierten Organosilans unter Bildung von kovalenten Bindungen, so dass eine Vernetzung erfolgt.
Es können übliche, dem Fachmann bekannte organische Vernetzungsmittel eingesetzt werden. Geeignete Vernetzungsmittel sind z.B. organische Monomere, Oligo- mere und Polymere oder Vorpolymerisate. Die organischen Vernetzungsmittel sind Netzwerk bildende Polymerisationsprecursoren.
Das organische Vernetzungsmittel kann zwei oder mehr funktionelle Gruppen enthalten. Es sind kettenbildende organische Verbindungen, die für die PoIy- merisation, Polykondensation oder Polyaddition geeignet sind. Diese organischen Vernetzungsmittel sind dem Fachmann bestens vertraut und er kann sie für den jeweiligen Fall ohne weiteres aussuchen. Die funktionellen Gruppen sind die üblichen polymerisierbaren, polykondensierbaren oder polyaddierbaren Gruppen, die in der Polymerchemie eingesetzt werden. Beispiele für die funktionellen Gruppen sind Epoxy-, Hydroxy-, Amino-, Carboxy-, Isocyanat, Mercapto-, Vinyl-, Acryl- oder Methacrylgruppen, wobei Vinyl-, Acryl- und Methacrylgruppen bevorzugt sind. Auch entsprechende Gruppen von Derivaten der Carbonsäure wie Carbonsäureanhydrid- und Carbonsäurehalogenid-, insbesondere Carbonsäurechloridgruppen sind geeignet.
Die funktionellen Gruppen des Vernetzungsmittels werden mit der vernetzbaren funktionellen Gruppe des funktionalisierten Organosilans abgestimmt, indem korrespondierende Paare von funktionellen Gruppen gewählt werden, die für eine Polymerisations-, Polykondensations- oder Polyadditionsreaktion geeignet sind. Dem Fachmann sind diese korrespondierenden Paare vertraut. Die korrespondierenden funktionellen Gruppen des Organosilans und des Vernetzungsmittels können z.B. jeweils gleiche oder verschiedene C-C-Doppelbindungen, wie Vinyl, Acryl oder Methacryl, sein. Weitere Beispiele für korrespondierende Paare sind Amino/Carboxyl, Epoxy/Amino, Epoxy/Carbonsäureanhydrid und Isocyanat/Hydroxy.
Beispiele für die Vernetzungsmittel sind di- bis polyfunktionelle Acrylate und Methacrylate, einschließlich ungesättigter Polyester und Epoxidharzen. Bei den Vernetzungsmitteln kann es sich um definierte Einzelverbindungen oder Gemische von Verbindungen mit unterschiedlichem Polymerisationsgrad handeln. Beispiele sind Diethylenglycoldimethacrylat (DEGMA), Triethylenglycoldimethacrylat (TEGDMA), Bisphenol A-glycidylmethacrylat (BisGMA), Urethandimethacrylat (UDMA), Laromer®-Acrylate der BASF, Ebecryl®, Pentaerythrittriacrylat (PETIA), Hexandioldiacrylat, Trimethylolpropantriacrylat, Trimethylolpropantrimethacrylat, Neopentylglycoldimethacrylat, Neopentylglycoldiacrylat, Epoxyacrylatharze, oligo- mere Methacrylate, wie LR 8862, LR 8907 von BASF, oder oligomere Urethan- acrylate, wie UA 19T von BASF. Die vorstehend genannten Vernetzungsmittel mit Acryl- oder Methacrylgruppen werden bevorzugt eingesetzt, wenn funktionalisierte Organosilane mit (Meth)acryl-, (Meth)acryloxy- oder Vinylgruppen im Hydrolysat enthalten sind.
Das Gewichtsverhältnis von Siliciumverbindungen und Metallverbindungen insgesamt, die für das Hydrolysat oder Kondensat eingesetzt werden, zu dem organischen Vernetzungsmittel kann der Fachmann aus einem breiten Bereich in geeigneter Weise auswählen, wobei ein Gewichtsverhältnis im Bereich von 1 :5 bis 1 :0,3 bevorzugt ist. Das Molverhältnis von funktionellen Gruppen des funktionalisierten Organosilans zu den funktionellen Gruppen des Vernetzungsmittels kann in breiten Bereichen variieren, wobei ein bevorzugtes Molverhältnis im Bereich von 10:1 bis 1 :2 liegt.
Das Vernetzungsmittel kann vor der Hydrolyse oder Kondensation zu den Ausgangsverbindungen des Hydrolysats oder Kondensats zugegeben werden oder vorzugsweise nach der Bildung des Hydrolysats oder Kondensats. Das erfindungsgemäß verwendete Konsolidierungsmittel liegt insbesondere partikelfrei als Lösung oder Emulsion vor. Vor der Anwendung kann das Konsolidierungsmittel durch Zusatz einer weiteren Wassermenge aktiviert werden.
Das Konsolidierungsmittel kann herkömmliche Additive enthalten und Lösungsmittel wie Wasser, Alkohole, vorzugsweise niedere aliphatische Alkohole (CrCs-Alkohole), wie Methanol, Ethanol, 1-Propanol, Isopropanol und 1-Butanol, Ketone, vorzugsweise niedere Dialkylketone, wie Aceton und Methylisobutylketon, Ether, vorzugsweise niedere Dialkylether, wie Diethylether, oder Monoether von Diolen, wie Ethylen- glycol oder Propylenglycol, mit CrC8-Alkoholen, Amide, wie Dimethylformamid, Tetra- hydrofuran, Dioxan, Sulfoxide, Sulfone oder Butylglycol und deren Gemische. Bevorzugt werden Wasser und Alkohole verwendet. Es können auch hochsiedende Lösungsmittel eingesetzt werden, z.B. Polyether wie Triethylenglycol, Diethylen- glycoldiethylether und Tetraethylenglycoldimethylether. In manchen Fällen finden auch andere Lösungsmittel Verwendung, z.B. Leichtparaffine (Petrolether, Alkane und Cycloalkane), Aromaten, Heteroaromaten und halogenierte Kohlenwasserstoffe. Anwendung können auch Dicarbonsäureester wie Bernsteinsäuredimethylester, Adipinsäuredimethylester, Glutarsäuredimethylester und deren Mischungen sowie die cyclische Carbonsäureester wie z.B. Propylencarbonat und Glycerincarbonat finden.
Andere herkömmliche Additive sind z. B. Farbstoffe, Pigmente, Viskositätsregulatoren und Tenside. Für die Herstellung von Emulsionen des Konsolidierungsmittels können die bei Siliconemulsionen üblichen stabilisierenden Emulgatoren wie z. B. Tween® 80 und Brij® 30 herangezogen werden.
Das Konsolidierungsmittel enthält vorzugsweise auch einen thermischen Katalysator, der auch als Starter oder Initiator bezeichnet wird, um die thermische Härtung bzw. Vernetzung zu initiieren. Diese thermischen Katalysatoren sind dem Fachmann bekannt und er kann die geeigneten unter Berücksichtigung der verwendeten Komponenten ohne weiteres auswählen. Beispiele für radikalische Thermostarter sind organische Peroxide, z.B. Diacylperoxide, Peroxydicarbonate, Alkylperester, Alkylperoxide, Perketale, Ketonperoxide und Alkylhydroperoxide, und Azover- bindungen. Konkrete Beispiele sind Dibenzoylperoxid, tert-Butylperbenzoat, Amyl- peroxy-2-ethylhexanoat und Azobisisobutyronitril. Diese Starter werden in den üblichen, dem Fachmann bekannten Mengen eingesetzt, z.B. 0,01 bis 5 Gew.-%, bezogen auf den Gesamtfeststoffgehalt des Konsolidierungsmittels.
Zur Herstellung von konsolidierten Proppants wird das Konsolidierungsmittel mit den zu konsolidierenden Proppants vermengt, z.B. durch Mischen, Einpumpen oder Injektion, und dann gehärtet. Es kann z.B. nachträglich nach dem Positionieren der Proppants im Fracture in den Proppant-tragenden Formationsspalt injiziert und anschließend gehärtet werden.
Die Konsolidierung bzw. Härtung erfolgt unter erhöhter Temperatur und erhöhtem Druck, bezogen auf die Normalbedingungen, d.h. der Druck ist größer als 1 bar und die Temperatur ist höher als 200C. Bevorzugt wird das Konsolidierungsmittel bei einer Temperatur und einem Druck, die etwa den geologischen Rahmenbedingungen des Reservoirs entsprechen, in denen die Proppants eingesetzt werden, gehärtet, in der Regel bei Temperaturen oberhalb 40°C und mindestens 8 bar. In Abhängigkeit von der Formationstiefe können Temperaturen bis 16O0C und Drücke bis 500 bar für die Härtung notwendig sein. Die Härtung erfolgt bevorzugt unter Hydrothermalbedingungen des Reservoirs, bei dem der Einsatz vorgesehen ist.
Es ist bekannt, dass eine thermische Härtung von Konsolidierungsmitteln unter Umgebungsdruck recht unproblematisch ist. Durch das kontinuierliche Entfernen des Lösungsmittels und des Reaktionsproduktes Wasser aus der Mischung von Bindemittelsol und zu konsolidierendem Material kommt es zu einer fortschreitenden Kondensationsreaktion. Im weiteren thermischen Härtungsprozess wird das Konsolidierungsmittel auf dem zu verfestigenden Material verdichtet.
Die Eigenschaften von konsolidierten Materialien hängen aber auch von den Bedingungen ab, unter denen sie hergestellt werden. In der Regel erhält man ein verbessertes Verhalten der konsolidierten Materialien, wenn sie bei etwa den gleichen Bedingungen hergestellt werden, bei denen sie eingesetzt werden sollen. Für Anwendungen von konsolidierten Materialien bei erhöhten Drücken und Temperaturen ist es daher wünschenswert, auch die Herstellung unter etwa den gleichen Bedingungen durchzuführen. Dies ist aber für die Konsolidierungsmittel nach dem Stand der Technik problematisch, da bei einer Härtung von Konsolidierungsmitteln nach dem Stand der Technik bei erhöhtem Druck und erhöhter Temperatur, d. h. unter Hydrothermalbedingungen, Lösungsmittel und Reaktionsprodukte im System verbleiben und lediglich eine Gleichgewichtseinstellung ermöglichen. Die Gleichgewichtslage unter diesen Bedingungen liefert jedoch keine verfestigten bzw. konsolidierten Materialien.
Es wurde festgestellt, dass die Gleichgewichtslage durch den Einsatz der Metallverbindungen der Formel (IM) verändert wird, so dass ein Abbinden des eingesetzten Konsolidierungsmittels unter Hydrothermalbedingungen (erhöhtem Druck und erhöhter Temperatur) möglich wurde. Auf diese Weise können konsolidierte Proppants unter Hydrothermalbedingungen erhalten werden. Durch den Einsatz der organischen Vernetzungsmittel wird zudem eine verbesserte mechanische Festigkeit und eine gute Flexibilität erreicht. Die Härtung des Konsolidierungsmittels unter Hydrothermalbedingungen kann auch durch Zugabe von Anhydriden zum Konsolidierungsmittel unterstützt werden. Mit Hilfe der Anhydride können Kondensationsprodukte wie Wasser und Ethanol abgefangen werden. Bei den Anhydriden handelt es sich bevorzugt um Anhydride von organischen Säuren oder Mischungen von diesen Anhydriden. Beispiele sind Essigsäureanhydrid, Methylnadinsäureanhydrid, Phthalsäureanhydrid, Bernsteinsäureanhydrid sowie Mischungen davon.
Bei der Zugabe von Anhydriden ist es bevorzugt, z.B. cyclische Kohlensäureester, wie Propylencarbonat, oder Carbonsäureester, wie Glutarsäuredimethylester, Adipin- säuredimethylester und Bemsteinsäuredimethylester, oder Dicarbonsäuredimethyl- ester-Mischungen aus den genannten Estern, als Lösungsmittel zu verwenden. In der Regel kann hierfür das geeignete Lösungsmittel durch das bei der Herstellung des Konsolidierungsmittels verwendete oder gebildete Lösungsmittel vollständig oder teilweise ausgetauscht werden. Neben dem Lösungsmittelaustausch ist es auch möglich, schon bei Herstellung des Konsolidierungsmittels ein bevorzugtes Lösungsmittel einzusetzen.
Die Härtung von zu konsolidierenden Proppants ist somit unter Hydrothermalbedingungen möglich. Die funktionellen Gruppen des funktionalisierten Organosilans sind mit den funktionellen Gruppen des Vernetzungsmittels reaktionsfähig, so dass unter den Härtungsbedingungen zwischen ihnen kovalente Bindungen gebildet werden. Auf diese Weise wird ein organisches Netzwerk gebildet, dass über die funktionellen Gruppen kovalent mit dem gebildeten anorganischen Netzwerk verknüpft wird. Dabei werden nach dem erfindungsgemäßen Verfahren interpenetrierende anorganische und organische Netzwerke gebildet, die den Proppant konsolidieren.
Da unter Hydrothermalbedingungen ein Verdichtungsprozeß des gelierten Konsolidierungsmittels teilweise oder ganz verhindert wird, kann das Konsolidierungsmittelgel die Poren großvolumig verschließen. Dies kann bevorzugt durch Durchleiten eines festen oder flüssigen Mediums in den zu konsolidierenden Proppant, der mit dem Konsolidierungsmittel vermengt ist, verhindert bzw. beseitigt werden, wo- durch die Porosität in der gewünschten Weise eingestellt werden kann. Die Einleitung erfolgt insbesondere vor oder während des Härtungsvorgangs über einen bestimmten Zeitraum.
Parameter für das Durchpumpen, wie Dauer, Zeitpunkt, Menge oder Durchflussgeschwindigkeit der flüssigen oder gasförmigen Phase, können vom Fachmann ohne weiteres in geeigneter Weise gewählt werden, um die gewünschte Porosität einzustellen. Die Einleitung kann z.B. vor oder nach einer teilweisen Härtung erfolgen, wobei nach und/oder während der Einleitung eine vollständige Aushärtung erfolgt. Zur Einleitung eines flüssigen oder gasförmigen Mediums können z.B. ein inertes Lösungsmittel oder Gas, z. B. N2, CO2 oder Luft, eingepumpt werden, wodurch die Porenvolumina freigespült und Reaktionsprodukte abgeführt werden. Als Beispiele für Lösungsmittel für das flüssige Medium kann auf die vorstehend aufgeführten verwiesen werden. Das flüssige oder gasförmige Medium kann gegebenenfalls Katalysatoren und/oder Gas freisetzende Komponenten oder gelöste Stoffe enthalten.
Die Härtung des Konsolidierungsmittels kann gegebenenfalls durch Zufuhr von Kondensationskatalysatoren unterstützt werden, die eine Vernetzung der anorganisch vernetzbaren SiOH-Gruppen oder Metall-OH-Gruppen unter Bildung eines anorganischen Netzwerkes bewirken. Hierfür geeignete Kondensationskatalysatoren sind z. B. Basen oder Säuren, aber auch Fluoridionen oder Alkoxide. Diese können z.B. dem Konsolidierungsmittel kurz vor der Vermischung mit dem Proppant zugegeben werden. In einer bevorzugten Ausführungsform werden die vorstehend beschriebenen gasförmigen oder flüssigen Medien, die durch den Proppant oder die geologische Formation geleitet werden, mit dem Katalysator beladen. Der Katalysator ist dabei bevorzugt flüchtig, gasförmig oder verdampfbar. Der Katalysator kann gelöste Stoffe wie beispielsweise Zirconiumoxychlorid enthalten und in Form eines Gradienten zum Bindemittel zudosiert werden.
Die konsolidierten Proppants sind vorzugsweise porös, wobei der Porositätsgrad der konsolidierten Proppants (Verhältnis von Volumen der Poren zum Gesamtvolumen des Proppants) bevorzugt 5 bis 50% und besonders bevorzugt 20 bis 40% beträgt. Zur experimentellen Simulation der geologischen Bedingungen wird zur Charakterisierung der Eigenschaften von Konsolidierungsmittel und konsolidierten Proppants bevorzugt eine in der Ölindustrie üblicherweise verwendete sogenannte "Displacement Cell" eingesetzt. In dieser Zelle wird ein zylindrischer Probekörper, der den zu konsolidierenden Proppant enthält, über die Mantelfläche aus Blei mit einem Confinement-Druck, welcher den geologischen Formationsdruck (z.B. 70 bar) simuliert, beaufschlagt und verdichtet. Über die Stirnflächen des Probezylinders erfolgt der Medienein- bzw. austrag gegen einen Gegendruck von beispielsweise 50 bar. Zur thermischen Aushärtung wird die Zelle temperiert. Es werden Festigkeiten bis 5,9 MPa erreicht. Die Festigkeit bleibt auch nach Auslagerung der Formkörper unter Hydrothermalbedingungen in korrosiven Medien erhalten.
Die erfindungsgemäßen Proppants können mit Vorteil bei der Gas-, Erdöl- oder Wasserförderung, insbesondere der Off-shore-Förderung, eingesetzt werden. Das erfindungsgemäße Konsolidierungsmittel ermöglicht aufgrund seiner chemischen Konstitution eine schnelle und wirksame Verfestigung. Durch den Einsatz des organischen Vernetzungsmittels kann die Festigkeit der konsolidierten Proppants um ein Mehrfaches erhöht werden.
In diesem Zusammenhang hat sich auch der zusätzliche Einsatz von Phenylsilan- alkoxiden bewährt. Dies beruht vermutlich darauf, dass diese Verbindungen aufgrund der sterischen Hinderung der Phenylgruppe und der elektronischen Effekte nicht rasch abreagierbare OH-Gruppen aufweisen, die sich besonders gut mit der Oberfläche von anorganischen Materialien verbinden.
Die folgenden Beispiele und Vergleichsbeispiele erläutern die Erfindung. Beispiele
Vergleichsbeispiel Konsolidierungsmittel ohne organischen Vernetzer
MTTi0>iP3 06
26,2 g MTEOS, 7,64 g TEOS und 0,087 g Titantetraisopropoxid wurden gemischt und unter starkem Rühren mit 12,63 g entionisiertem Wasser und 0,088 ml konzentrierter Salzsäure (37%) zur Reaktion gebracht. Nach dem Umschlagspunkt überschritt das Reaktionsgemisch ein Temperaturmaximum von 62°C. Nach Abkühlen der Reaktionsmischung auf 47°C wurde eine weitere Silanmischung, die aus 26,45 g Phenyltriethoxysilan, 6,54 g MTEOS und 7,64 g TEOS besteht, zum Ansatz gegeben und noch 5 Minuten weitergerührt. Nach Stehen über Nacht ist der Binder zur Konsolidierung von Proppants unter Hydrothermalbedingungen geeignet. Der pH- Wert kann je nach Anforderungen im Bereich zwischen pH 0 und 7 eingestellt werden.
Hierzu wurden z.B. 100 g Proppants mit 10 g Toluol vermischt und in eine zylinderförmige Bleihülse gepackt. Die planaren Kopfenden des Zylinders wurden mit einem Drahtsieb belegt. In einer Displacement-Zelle wurde der Probekörper mit Hilfe eines auf den Bleimantel angelegten Drucks von 250 bar (Confinement-Druck) 1 h verdichtet. Anschließend wurde das Bindemittel bei 1200C mit einer Flussrate von 0,5 ml bei einem Confinement-Druck von 70 bar und gegen einen mit einer N2-Gasflasche angelegten Gegendruck von 20 bar in den Proppant-Körper injiziert. Nach Injektion von zwei Porenvolumina Bindemittel wurde die Porosität durch 30-minütiges Einblasen von N2 eingestellt und 14 h nachgehärtet. Die erhaltenen Formkörper zeigen Druckfestigkeiten im Bereich von 0,3 bis 0,5 MPa sowie eine Porosität zwischen 36 und 40%.
Beispiel 1 Konsolidierungsmittel mit organischem Vernetzer MPMTTi0 1- DEGDMA/AIBN
8,92 g MTEOS, 39,05 g TEOS, 156,51 g Methacryloxypropyltrimethoxysilan und 0,246 g Titantetraisopropoxid wurden gemischt und unter starkem Rühren mit 48,07 g entionisiertem Wasser und 1 ,25 ml konzentrierter Salzsäure (37%) zur Reaktion gebracht. Nach dem Umschlagspunkt überschritt das Reaktionsgemisch ein Temperaturmaximum von 57°C. Nach Abkühlen der Reaktionsmischung auf 25°C wurde dem Reaktionsgemisch eine Mischung, die aus 96,1 g Diethylenglykoldi- methacrylat und 0,235 g 2,2'-Azodi(isobutyronitril) (AIBN) besteht, zugegeben und noch 5 Minuten weitergerührt. Der Binder wurde anschließend zur Konsolidierung von Proppants unter Hydrothermalbedingungen bei 700C und 70 bar eingesetzt. Nach Injektion im Displacement-Experiment resultieren Festigkeiten bis 5,9 MPa.
Beispiel 2 Konsolidierungsmittel mit organischem Vernetzer MTMPTio,i-DEGDMA/AIBN
63,85 g MTEOS, 30,83 g TEOS, 31 ,29 g Methacryloxypropyltrimethoxysilan und 0,179 g Titantetraisopropoxid wurden gemischt und unter starkem Rühren mit 19,39 g entionisiertem Wasser und 3,19 g TiOSO4/H2SO4 zur Reaktion gebracht. Nach dem Umschlagspunkt überschritt das Reaktionsgemisch ein Temperaturmaximum von 680C. Nach Abkühlen der Reaktionsmischung auf 250C wurde dem Reaktionsgemisch eine Mischung zugegeben, die aus 50,45 g Diethylenglykoldi- methacrylat und 0,823 g 2,2'-Azodi(isobutyronitril) (AIBN) besteht, und noch 5 Minuten weitergerührt. Der Binder wurde anschließend zur Konsolidierung von Proppants unter Hydrothermalbedingungen bei 70°C und 70 bar eingesetzt. Nach Injektion im Displacement Experiment resultieren Festigkeiten bis 2,0 MPa.
Beispiel 3 Konsolidierungsmittel mit organischem Vernetzer MTMP-VTio,i - TEGDMA-BisGMA/Trigonox 121
63,85 g MTEOS, 30,83 g TEOS, 28,16 g Methacryloxypropyltrimethoxysilan, 2,40 g Vinyltriethoxysilan und 0,18 g Titantetraisopropoxid wurden gemischt und unter starkem Rühren mit 19,39 g entionisiertem Wasser und 3,19 g TiOSO4ZH2SO4 zur Reaktion gebracht. Nach dem Umschlagspunkt überschritt das Reaktionsgemisch ein Temperaturmaximum von 68°C. Nach Abkühlen der Reaktionsmischung auf 25°C wurde dem Reaktionsgemisch eine Mischung zugegeben, die aus 47,7 g Triethylenglykoldimethacrylat, 21 ,35 g ethoxyliertes Bisphenol A-glycidyldimeth- acrylat (Ebecryl® 150) und 1 ,154 g tert.-Amylperoxy-2-ethylhexanoate (Trigonox 121) besteht, und noch 5 Minuten weitergerührt. Der Binder wird anschließend zur Konsolidierung von Proppants unter Hydrothermalbedingungen bei 700C und 70 bar eingesetzt. Nach Injektion im Displacement Experiment resultieren Festigkeiten bis 2,1 MPa.

Claims

PATENTANSPRÜCHE
1. Verfahren zur Herstellung von konsolidierten Proppants, bei dem man
(A) ein Konsolidierungsmittel mit einem Proppant vermengt und
(B) das mit dem Proppant vermengte Konsolidierungsmittel unter erhöhtem Druck und erhöhter Temperatur härtet, wobei das Konsolidierungsmittel
(A1 ) ein Hydrolysat oder Kondensat aus
(a) mindestens einem funktionalisierten Organosilan der allgemeinen Formel (I)
(Rx)bRcSiX4-b-c (I)
worin die Reste Rx gleich oder verschieden sind und hydrolytisch nicht abspaltbare Gruppen darstellen, die mindestens eine vernetzbare funktionelle Gruppe umfassen, die Reste R gleich oder verschieden sind und hydrolytisch nicht abspaltbare Gruppen darstellen, die Reste X gleich oder verschieden sind und hydrolytisch abspaltbare Gruppen oder Hydroxygruppen darstellen, b den Wert 1 , 2 oder 3 hat und c den Wert 0, 1 oder 2 hat, wobei die Summe (b+c) 1 , 2 oder 3 ist;
(b) gegebenenfalls mindestens einem hydrolysierbaren Silan der allgemeinen Formel (II)
SiX4 (II)
worin X wie in Formel (I) definiert ist; und
(c) mindestens einer Metallverbindung der allgemeinen Formel (III)
MXa (III)
worin M ein Metall der Hauptgruppen I bis VIII oder der Nebengruppen Il bis VIII des Periodensystems der Elemente einschließlich Bor ist, X wie in Formel (I) definiert ist, wobei zwei Gruppen X durch eine Oxogruppe ersetzt sein können, und a der Wertigkeit des Elements entspricht; wobei das molare Verhältnis von eingesetzten Siliciumverbindungen zu eingesetzten Metallverbindungen im Bereich von 10.000:1 bis 10:1 liegt, und (A2) ein organisches Vernetzungsmittel mit mindestens zwei funktionellen
Gruppen umfasst.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass das Hydrolysat oder Kondensat (A1) gebildet wird durch Hydrolyse oder Kondensation von
(a) mindestens einem funktionalisierten Organosilan der allgemeinen Formel (I) wie in Anspruch 1 definiert,
(d) mindestens einem Organosilan der allgemeinen Formel (Ia)
RnSiX4-H (Ia)
worin die Reste R gleich oder verschieden sind und hydrolytisch nicht abspaltbare Gruppen darstellen, die Reste X gleich oder verschieden sind und hydrolytisch abspaltbare Gruppen oder Hydroxygruppen darstellen und n den Wert 1, 2 oder 3 hat,
(b) mindestens einem hydrolysierbaren Silan der allgemeinen Formel (II) wie in Anspruch 1 definiert und
(c) mindestens einer Metallverbindung der allgemeinen Formel (Ml) wie in Anspruch 1 definiert; wobei das molare Verhältnis von eingesetzten Siliciumverbindungen zu eingesetzten Metallverbindungen im Bereich von 10.000:1 bis 10:1 liegt.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Gewichtsverhältnis von Siliciumverbindungen und Metallverbindungen insgesamt, die für das Hydrolysat oder Kondensat eingesetzt werden, zu dem organischen Vernetzungsmittel im Bereich von 1 :5 bis 1 :0,3 liegt.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Molverhältnis von funktionellen Gruppen des funktionalisierten Organo- silans zu den funktionellen Gruppen des Vernetzungsmittels im Bereich von 10:1 bis 1 :2 liegt.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das die funktionellen Gruppen des funktionalisierten Organosilans und des Vernetzungsmittels Vinyl-, Acryl- oder Methacrylgruppen sind.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Vernetzungsmittel ein di- oder polyfunktionelles Acrylat oder Methacrylat, ein ungesättigter Polyester oder ein Epoxidharz ist.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Konsolidierungsmittel einen thermischen Katalysator umfasst.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Konsolidierungsmittel bei einer Temperatur von mindestens 400C und einem Druck von mindestens 8 bar gehärtet wird.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Metall der Metallverbindung der allgemeinen Formel (III) aus B, AI, Zr und insbesondere Ti ausgewählt wird.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass vor und/oder während der Härtung für einen bestimmten Zeitraum ein flüssiges oder gasförmiges Medium, insbesondere Luft, durch den zu konsolidierenden Proppant, der mit dem Konsolidierungsmittel vermengt ist, geleitet wird, um die Porosität einzustellen.
11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass das flüssige oder gasförmige Medium mit flüchtigen, gasförmigen oder verdampfbaren Säuren, Basen oder anderen Katalysatoren beladen wird.
12. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11 , dadurch gekennzeichnet, dass der Proppant nach dessen Plazierung im Fracture durch nachträgliche Injektion des Konsolidierungsmittels und anschließende Härtung konsolidiert wird.
13. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Konsolidierungsmittel ein Hydrolysat oder Vorkondensat von (a) einem Vinyl-, Acryl- oder Methacrylsilan, (d) einem Alkylsilan, (b) einem Orthokiesel- säureester und (c) einem Metallalkoxylat umfasst.
14. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass das Konsolidierungsmittel nach dem Sol-Gel-Verfahren mit einer unterstöchio- metrischen Wassermenge, bezogen auf die vorhandenen hydrolysierbaren Gruppen, hergestellt wird.
15. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass das Konsolidierungsmittel vor der Vermengung mit dem Proppant partikelfrei vorliegt.
16. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass der Proppant aus Pellets oder Teilchen aus Sand, Keramik, Walnussschalen, Aluminium oder Nylon besteht.
17. Unter Hydrothermalbedingungen hydrolytisch beständiger konsolidierter Proppant, erhältlich nach einem Verfahren der Ansprüche 1 bis 16.
18. Unter Hydrothermalbedingungen hydrolytisch beständiger konsolidierter Proppant nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass er porös ist.
19. Unter Hydrothermalbedingungen hydrolytisch beständiger konsolidierter Proppant nach Anspruch 17 oder Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass er einen Porositätsgrad von 5% bis 50% aufweist.
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