本申請要求于2014年7月15日提交的美國臨時專利申請?zhí)?2/024,652的權(quán)益，將該臨時專利申請的內(nèi)容以其全文通過援引方式并入本申請。
背景技術(shù)：
所披露的主題涉及用于處理地下區(qū)域的組合物。這些組合物包括水性地下處理流體，這些水性地下處理流體在含高鹽水的溶液中含有油包水乳液中的水溶性聚合物，以及相關(guān)方法。
水性處理流體可以用于多種地下處理。此類處理包括但不限于鉆井操作、增產(chǎn)操作、以及完井操作。如在此所使用的，術(shù)語“處理(treatment)”或“處理(treating)”是指結(jié)合所需功能和/或出于所需目的使用流體的任何地下操作。該術(shù)語“處理(treatment)”或“處理(treating)”不暗示流體的任何具體作用。
粘性的膠凝的壓裂流體通常用于被井筒穿透的地下區(qū)域的水力壓裂以增加來自這些地下區(qū)域的烴的生產(chǎn)。即，以使得裂縫形成并且延伸到待增產(chǎn)的地下區(qū)域中的速率和壓力將粘性的壓裂流體泵送通過該井筒進入該地下區(qū)域。該壓裂流體還將微粒支撐劑材料(例如級配砂)攜帶到所形成的裂縫中。使該支撐劑材料懸浮在該粘性的壓裂流體中，這樣使得當該粘性的壓裂流體破壞并且回收時該支撐劑材料沉積在這些裂縫中。該支撐劑材料起防止裂縫閉合的作用，由此形成傳導(dǎo)通道，通過這些傳導(dǎo)通道所產(chǎn)生的流體可以流到該井筒中。
利用水性處理流體的增產(chǎn)操作的實例是水力壓裂。在一些例子中，壓裂處理涉及將無支撐劑的水性處理流體(稱為墊液)比該流體能夠逃逸到地下地層中更快地泵送到該地層中，這樣使得該地層中的壓力升高并且該地層破裂，產(chǎn)生或增強一個或多個裂縫。增強裂縫包括擴大地層中預(yù)先存在的裂縫。一旦該裂縫形成或增強，通常將支撐劑微粒置于該裂縫中以形成支撐劑充填層，當釋放液壓時該支撐劑充填層可以防止該裂縫閉合，形成傳導(dǎo)通道，通過這些傳導(dǎo)通道流體可以流到該井筒中。
在將該水性處理流體泵送到該井筒的過程中，由于在呈湍流的水性處理流體與該地層和/或布置在該井筒內(nèi)的管狀物品(例如，管子、盤繞的管道等)之間的摩擦可能損失相當大量的能量。由于這些能量損失，額外的馬力可能是必要的以實現(xiàn)所希望的處理。為減少這些能量損失，迄今為止已經(jīng)將減摩聚合物包括在水性處理流體中。由于在呈湍流的水性處理流體與這些管狀物品和/或該地層之間的摩擦，該減摩聚合物應(yīng)該減低這些摩擦損失。
很多減摩聚合物在低分子量添加劑如酸、堿和鹽的存在下示出降低的性能。離子帶電的聚合物是特別易受影響的。例如，含有丙烯酸脂類型單體的聚合物(或者作為共聚物添加的或由聚丙烯酰胺水解的)具有降低的與高鈣鹽水的相容性。這些添加劑將這些電荷篩選到聚合物主鏈上，這降低了該聚合物的流體動力學(xué)半徑。隨著有效聚合物長度的降低，該摩擦減少也降低。
水力壓裂已經(jīng)是石油和天然氣工業(yè)的福音。由于該程序，已經(jīng)使很多油井和氣井更加多產(chǎn)。然而，水力壓裂行業(yè)現(xiàn)在正面臨日益增加的詳細審查和政府監(jiān)管。另外，水力壓裂操作需要大體積的水。在一些區(qū)域中，新鮮的水可能是限制因素?？梢允褂枚喾N水來源(如來自地層的采出水或鉆井處理后的返排水)的處理溶液可以顯著增強油田適用性。
在地下處理方法中相對高的聚合物使用可造成顯著的地層損壞。另外，當在地面之上回收利用該處理流體時，該流體中高水平的高分子量聚合物可在地面之上流體回收利用操作(如末端顛倒)中導(dǎo)致絮凝。
存在對開發(fā)具有有效的摩擦減小以使能量損失最小化但是仍然具有對于攜帶支撐劑能力來說足夠的粘度(尤其在高鹽水情況下)，同時是安全的和環(huán)境友好的處理溶液的持續(xù)需求。
概述
本披露提供了減摩處理溶液，該減摩處理溶液包括水，從100、在很多情況下從10,000至300,000、在一些情況下最高達約500,000ppm的總?cè)芙獾墓腆w，以及每千加侖從0.5至3加侖的含水溶性聚合物的油包水乳液。這些總?cè)芙獾墓腆w包含至少10重量百分比的多價陽離子。該油包水乳液以從約1:8至約10:1的O/A比包含油相(O)和水相(A)，其中該油相是含有惰性疏水性液體的連續(xù)相，并且該水相作為分散的不同顆粒存在于該油相中并且含有水、該水溶性聚合物、以及表面活性劑和反轉(zhuǎn)表面活性劑(inverting surfactant)。該水溶性聚合物由20至80重量百分比的非離子型單體、0.5至35重量百分比的含羧酸單體、以及5至70重量百分比的陽離子型單體構(gòu)成。該水溶性聚合物占該油包水乳液的從5至40重量百分比。
本披露還提供了一種處理至少一部分地下地層的方法，該方法包括將該減摩處理溶液引入該部分地下地層。
詳細說明
除了在操作實例中或另外指明的地方，在說明書和權(quán)利要求書中使用的所有關(guān)于成分的數(shù)量、反應(yīng)條件等的數(shù)字或表述應(yīng)理解為在所有情況下由術(shù)語“約”修飾。因而，除非相反指明，否則在以下說明書和所附權(quán)利要求書中闡明的數(shù)值參數(shù)是近似值，這些近似值可以取決于尋求通過本披露獲得的希望的特性而變化。一點也不試圖限制等同原則應(yīng)用到權(quán)利要求書的范圍中，每個數(shù)值參數(shù)應(yīng)至少按照報告的有效數(shù)字的數(shù)目及通過應(yīng)用普通的舍入技術(shù)進行解釋。
盡管闡明本披露的寬范圍的數(shù)值范圍和參數(shù)是近似值，盡可能地精確報告在具體實例中闡明的數(shù)值。然而，任何數(shù)值固有地含有不可避免地由在它們各自測試測量中發(fā)現(xiàn)的標準偏差造成的某些誤差。
另外，應(yīng)理解在此列舉的任何數(shù)值范圍旨在包括包含于其中的全部子范圍。例如，“1至10”的范圍旨在包括在并且包括所列舉的最小值1與所列舉的最大值10之間的全部子范圍；即，具有等于或大于1的最小值和等于或小于10的最大值。因為這些披露的數(shù)值范圍是連續(xù)的，所以它們包括在最小值與最大值之間的每個值。除非另外清楚地指明，否則在本申請中指定的各種數(shù)值范圍是近似值。
如在此使用的，術(shù)語“(甲基)丙烯酸”和“(甲基)丙烯酸脂”意在包括丙烯酸衍生物和甲基丙烯酸衍生物二者，如通常被稱為丙烯酸酯和(甲基)丙烯酸脂的相應(yīng)烷基酯，術(shù)語“(甲基)丙烯酸脂”意在涵蓋。
如在此使用的，術(shù)語“聚合物”意在涵蓋低聚物，并且包括(不限于)均聚物和共聚物二者。
如在此使用的，如在此使用的術(shù)語“共聚物”不限于含有兩種類型的單體單元的聚合物，而是包括聚合物(例如三聚物、四聚物等)的任何組合。
如在此使用的，術(shù)語“返排水”是指在處理流體被注入井下后返排回表面的流體。
如在此使用的，“總?cè)芙獾墓腆w(TDS)”是指包含在水中的所有無機物和有機物的組合含量的測量值，包括在該水中的電離的固體。
如在此使用的，術(shù)語“鹽水”是指含有溶解的鹽和至少10,000ppm的TDS的水。在實施例中，術(shù)語“鹽水”是指含有溶解的鹽和大于30,000ppm的TDS的水。
本披露提供了減摩處理溶液，該減摩處理溶液包括水，從100、在很多情況下從10,000至300,000、在一些情況下最高達約500,000ppm的總?cè)芙獾墓腆w，以及每千加侖從0.5至3加侖的含水溶性聚合物的油包水乳液。這些總?cè)芙獾墓腆w包含至少10重量百分比的多價陽離子。該油包水乳液以從約1:8至約10:1的O/A比包含油相(O)和水相(A)，其中該油相是含有惰性疏水性液體的連續(xù)相，并且該水相作為分散的不同顆粒存在于該油相中并且含有水、該水溶性聚合物、以及表面活性劑和反轉(zhuǎn)表面活性劑。該水溶性聚合物由20至80重量百分比的非離子型單體、0.5至35重量百分比的含羧酸單體、以及5至70重量百分比的陽離子型單體構(gòu)成。該水溶性聚合物占該油包水乳液的從5至40重量百分比。
本披露提供了一種處理一部分地下地層的方法，該方法包括將該減摩處理溶液引入該部分地下地層。
本披露的水性減摩處理溶液通常包括水和減摩共聚物。
該油包水乳液包括油相、水相和表面活性劑。該油相(O)和水相(A)可以基于每個相的體積從至少約1:8、在一些情況下至少約1:6并且在其他情況下至少約1:4并且可以是最高達約10:1、在一些情況下最高達約8:1并且在其他情況下最高達約6:1的O/A比存在。當該O/A比太油重時，該聚合物可能是在該水相中太濃的。當該O/A比太水重時，該乳液可能變得不穩(wěn)定并且易于分離。該O/A比可以是在上述比例的任何之間的任何比例或范圍。
在本披露的油包水乳液中，該油相作為連續(xù)相存在并且包括惰性疏水性液體。該惰性疏水性液體可以包括(作為非限制性實例)鏈烷烴(paraffinic hydrocarbon)、環(huán)烷烴(napthenic hydrocarbon)、芳香族烴、苯、二甲苯、甲苯、礦物油、煤油、石腦油、凡士林、支鏈異鏈烷溶劑、支鏈烴、飽和的直鏈的和/或支鏈鏈烷烴及其組合。具體的非限制性實例包括天然油、改性性或合成油，如作為從德克薩斯州歐文市(Irving TX)的?？松梨诠?ExxonMobil Corporation)可獲得的M和可獲得的支鏈異鏈烷溶劑、從紐約州紐約的維特科化學(xué)公司(Witco Chemical Company,New York,NY)作為61可獲得的窄餾分支鏈烴、從維特科公司作為可商購的礦物油、從伊利諾伊州伯納姆(Burnham,IL)的凱羅特種產(chǎn)品公司(Calumet Specialty Products)可獲得的CALUMETTM LVP-100、來自德克薩斯州休斯頓市Penreco合伙公司(Penreco Partnership)的來自美國賓夕法尼亞州石油城(Oil City,PA)的Magie Bros.的以及植物油，如油菜油、椰子油、菜子油等。
該惰性疏水性液體以足以形成穩(wěn)定乳液的量存在于該油包水乳液中。在一些實施例中，該惰性疏水性液體可以以從按重量計約15％至約80％范圍內(nèi)的量存在于油包水乳液中。
在本披露的實施例中，該惰性疏水性液體以基于該油包水乳液的重量至少約15重量百分比、在一些情況下至少約17.5重量百分比、在其他情況下至少約20重量百分比、并且在一些例子中至少約22.5重量百分比的水平存在于該油包水乳液中并且可以以基于該油包水乳液的重量最高達約40重量百分比、在一些情況下最高達約35重量百分比、在其他情況下最高達約32.5重量百分比并且在一些例子中最高達約30重量百分比存在。在該油包水乳液中惰性疏水性液體的總量可以是在上述值的任何之間的任何值或可以范圍在上述值的任何之間。
可以使用任何適合的油包水乳化劑作為一種或多種表面活性劑，這些表面活性劑用來制造在本披露方法中使用的含水溶性聚合物的油包水乳液。在本披露的實施例中，這些表面活性劑包括具有在2與10之間、在一些情況下在3與9之間并且在其他情況下在3與7之間的HLB(親水親油平衡)值的那些。
如在此使用的，HLB是使用本領(lǐng)域已知的基于分子的化學(xué)基團計算值的方法計算的。該方法了使用以下等式：
HLB＝7+m*Hh+n*Hl
其中m表示分子中親水基團的數(shù)目，Hh表示這些親水基團的值，n表示該分子中親油基團的數(shù)目，并且Hl表示這些親油基團的值。
合適的表面活性劑的非限制性實例包括：
單-、二-和聚甘油的脂肪酸酯，例如單油酸酯、二油酸酯、單硬脂酸酯、二硬脂酸脂以及棕櫚酰硬脂酸酯。這些酯可以例如通過以下方式制備：酯化單-、二-和聚甘油，或多羥基化醇如乙二醇、二乙二醇、二丙二醇、1,4-丁二醇、1,2,4-丁三醇、甘油、三羥甲基丙烷、山梨醇、新戊二醇以及季戊四醇的混合物；
山梨聚糖的脂肪酸酯，例如山梨聚糖單油酸酯、山梨聚糖二油酸酯、山梨聚糖三油酸酯、山梨聚糖單硬脂酸酯以及山梨聚糖三硬酯酸酯；
甘露糖醇的脂肪酸酯，例如甘露糖醇單月桂酸酯或甘露糖醇單棕櫚酸酯；
季戊四醇的脂肪酸酯，例如季戊四醇單豆蔻酸酯、季戊四醇單棕櫚酸酯、以及季戊四醇二棕櫚酸酯；
聚乙二醇山梨聚糖的脂肪酸酯，更具體地單油酸酯；
聚乙二醇甘露糖醇的脂肪酸酯，更具體地單油酸酯和三油酸酯；
葡萄糖的脂肪酸酯，例如葡萄糖單油酸酯和葡萄糖單硬脂酸酯；
三羥甲基丙烷二硬脂酸脂；
異丙酰胺與油酸的反應(yīng)產(chǎn)物；
甘油山梨糖醇的脂肪酸酯；
乙氧基化的烷基胺(alkylaine)；
十六烷基鄰苯二甲酸鈉；
癸基鄰苯二甲酸鈉；以及
油溶性烷醇酰胺。
在本披露的具體實施例中，這些表面活性劑可以包括乙氧基化的非離子型表面活性劑、格爾伯特(guerbet)醇乙氧基化物、以及其混合物。具體實例包括但不限于妥爾油脂肪酸二乙醇胺，如從伊利諾伊州芝加哥市的阿克蘇諾貝爾表面化學(xué)品公司(Akzo Nobel Surface Chemistry,Chicago,IL.)作為511可獲得的那些；從特拉華州紐卡斯爾市的利凱瑪公司(Uniqema,New Castle,DE)作為81可獲得的聚氧乙烯(5)山梨聚糖單油酸酯；從利凱瑪公司(Uniquena)作為80、以及從法國巴黎的羅納普朗克公司(Rhone Poulenc,Inc.)作為SMO可獲得的山梨聚糖單油酸酯(sorbinate monoleate)。
這些表面活性劑可以以該油包水乳液的至少約0.1重量百分比、在一些例子中至少約0.25重量百分比、在其他例子中至少約0.5重量百分比、在一些情況下至少約0.75重量百分比并且在其他情況下至少約1重量百分比的水平存在。當表面活性劑的量太低時，水相可能不會充分地分散在油相中和/或該油包水乳液可能傾向于分離成油相和水相。另外，表面活性劑的量可以是該油包水乳液的最高達約7重量百分比、在一些情況下最高達約5重量百分比、并且在其他情況下最高達約2.5重量百分比。在該油包水乳液中的表面活性劑的量可以是在上述值的任何之間的任何值或可以范圍在上述值的任何之間。
水相是該油相中不同顆粒的分散相并且包含水和水溶性聚合物。該水相總計可以以基于該油包水乳液的重量至少約60重量百分比、在一些例子中至少約65重量百分比、在一些情況下至少約67.5重量百分比、并且在其他情況下至少約70重量百分比的水平存在于本披露的油包水乳液聚合物組合物中并且可以以基于該油包水乳液的重量最高達約85重量百分比、在一些情況下最高達約82.5重量百分比、在其他情況下最高達約80重量百分比并且在一些例子中最高達約77.5重量百分比存在。在該油包水乳液中的水相的總量可以是在上述值的任何之間的任何值或可以范圍在上述值的任何之間。
在本披露中，該水溶性聚合物以基于該油包水乳液的重量至少約5重量百分比、在一些例子中10重量百分比、在一些情況下至少約15重量百分比、并且在其他情況下至少約20重量百分比的水平存在并且可以以基于該油包水乳液的重量最高達約33重量百分比、在一些情況下最高達約35重量百分比、在其他情況下最高達約37重量百分比并且在一些例子中最高達約40重量百分比存在。當水溶性聚合物的量太低時，在本披露的處理一部分地下地層的方法中使用該油包水乳液可能是不經(jīng)濟的。當水溶性聚合物的量太高時，在本披露的處理一部分地下地層的方法中的水溶性聚合物的性能可能不太理想。在該油包水乳液的水相中的水溶性聚合物的量可以是在上述值的任何之間的任何值或可以范圍在上述值的任何之間。
該油包水乳液中的水溶性聚合物是通過聚合單體溶液制備的，該單體溶液包括以提供希望量的水溶性聚合物的水平包括的非離子型單體、陽離子型單體以及含羧酸單體。
非離子型單體的量可以是基于單體混合物的重量至少約20重量百分比、在一些情況下至少約33重量百分比、并且在其他情況下至少約35重量百分比。當非離子型單體的量太低時，所產(chǎn)生的水溶性聚合物的分子量可能低于所希望的。另外，該單體混合物中的非離子型單體的量可以是基于該單體混合物的重量最高達約80重量百分比、在一些情況下最高達約57.5重量百分比、并且在其他情況下最高達約55重量百分比。當非離子型單體的量太高時，該水溶性聚合物可能不攜帶足以最佳地起減摩聚合物的作用的離子電荷。在該單體混合物中的非離子型單體的量可以是在上述值的任何之間的任何值或范圍。
該單體混合物典型地包括作為非離子型單體的(甲基)丙烯酰胺。
該水溶性聚合物可以包括其他非離子型單體以對該聚合物提供希望的特性。適合的可以包括在該單體混合物并且最終地所產(chǎn)生的水溶性聚合物中的其他非離子型單體的非限制性實例包括N,N-二甲基(甲基)丙烯酰胺(DMF)、N-乙烯基乙酰胺、N-乙烯基甲酰胺、丙烯腈(包括丙烯腈殘基的水解產(chǎn)物)、丙烯腈-二甲基胺反應(yīng)產(chǎn)物、和/或相應(yīng)的鹽，非限制性實例是鈉、鉀和/或銨以及其混合物。
該單體混合物包括含羧酸單體或其相應(yīng)的鹽，非限制性實例是鈉、鉀和銨。含羧酸單體的具體有用實例包括但不限于(甲基)丙烯酸、馬來酸、衣康酸、N-(甲基)丙烯酰胺基丙基,N,N-二甲基,氨基乙酸、N-(甲基)丙烯酰氧基乙基,N,N-二甲基,氨基乙酸、N-(甲基)丙烯酰氧基乙基,N,N-二甲基,氨基乙酸、巴豆酸、(甲基)丙烯酰胺基乙醇酸、以及2-(甲基)丙烯酰胺基-2-甲基丁酸。含羧酸單體的量可以是基于該單體混合物的重量至少約0.5重量百分比、在一些情況下至少約1重量百分比、并且在其他情況下至少約2重量百分比。當含羧酸單體的量太低時，該水溶性聚合物可能不攜帶足以最佳地起在高鹽水溶液中減摩聚合物的作用的陰離子電荷。另外，該單體混合物中的含羧酸單體的量可以是基于該單體混合物的重量最高達約35重量百分比、在一些情況下最高達約20重量百分比、并且在其他情況下最高達約15重量百分比。當含羧酸單體的量太高時，該水溶性聚合物可以在本披露方法中使用時具有不希望的絮凝特性。該單體混合物中的含羧酸單體的量可以是在上述值的任何之間的任何值或范圍。這些含羧酸單體還可以被稱作陰離子型單體。
在本披露的一些實施例中，該單體混合物和/或水溶性聚合物不包括(甲基)丙烯酸。
該單體混合物典型地包括陽離子型單體或其對應(yīng)的鹽，非限制性實例是氯化物和甲基硫酸鹽。此類陽離子型單體的具體有用的實例包括但不限于(甲基)丙烯酰胺丙基三甲基鹵化銨、(甲基)丙烯酰氧基乙基三甲基鹵化銨、N,N-二甲基氨乙基(甲基)丙烯酸脂、(甲基)丙烯酰氧基乙基三甲基甲基硫酸銨、以及二烯丙基二甲基鹵化銨。
在本披露的一些實施例中，該陽離子型單體可以是含有胺基的單體(“含胺單體”)，該單體在小于7、在一些情況下小于6并且在其他情況下小于5的pH水平下具有正電荷?？稍诒九吨杏米麝栯x子型單體的含胺單體的非限制性實例包括二烯丙胺(DAA)、甲基二烯丙胺(MDAA)、二甲基氨基乙基甲基丙烯酸酯(DMAEM)、以及二甲基氨基丙基甲基丙烯酰胺(DMAPMA)。
陽離子型單體的量可以是基于該單體混合物的重量至少約5重量百分比、在一些情況下至少約15重量百分比、并且在其他情況下至少約20重量百分比。當陽離子型單體的量太低時，該水溶性聚合物可能不攜帶足以最佳地起在高鹽水溶液中減摩聚合物的作用的陽離子電荷。另外，該單體混合物中的陽離子型單體的量可以是基于該單體混合物的重量最高達約70重量百分比、在一些情況下最高達約50重量百分比、在其他情況下最高達約40重量百分比、在一些例子中最高達約30重量百分比、并且在其他例子中最高達約25重量百分比。當陽離子型單體的量太高時，該水溶性聚合物可能在本披露方法中使用時具有不希望的絮凝特性。在該單體混合物中的陽離子型單體的量可以是在上述值的任何之間的任何值或范圍。
典型地，該水溶性聚合物的組成將與該單體混合物的組成相同或大約相同。
不受任何單一理論的限制，據(jù)信由于處理溶液中離子的存在本披露的水溶性聚合物不降低其流體動力學(xué)體積，如在現(xiàn)有技術(shù)的水溶性聚合物的情況。因為本披露的水溶性聚合物含有來自陰離子型單體的陰離子基團和來自陽離子型單體的陽離子基團，當該處理流體中不存在鹽離子時，它們傾向于具有稍微較小的流體動力學(xué)體積。當存在鹽離子時，它們傾向于與在本披露的水溶性聚合物中的陰離子和陽離子基團聯(lián)合，引起本披露的水溶性聚合物的流體動力學(xué)體積變得更大，這導(dǎo)致更大的粘度積累和更大的減摩效果。
在本披露的一個實施例中，當陽離子型單體與陰離子型單體的摩爾比是至少1.5:1、在一些情況下至少1.75:1并且在其他情況下至少2:1時，該粘度積累和減摩效果增加。
在本披露的其他實施例中，當陽離子型單體與陰離子型單體的摩爾比是不大于1:1.5、在一些情況下不大于1:1.75并且在其他情況下不大于1:2時，該粘度積累和減摩效果增加。
本披露的油包水乳液可以分解(make down)成經(jīng)反轉(zhuǎn)的油包水乳液的2wt％水溶液。可以使用配備有合適錠子的Brookfield RV儀在10rpm下在25℃下測量該溶液在25℃下的本體粘度(馬薩諸塞州米德爾伯勒的布氏工程實驗室公司(Brookfield Engineering Laboratories,Inc.,Middleboro,Massachusetts))。
因此，由于本披露的含鹽水的水性處理流體的摩擦，本披露的油包水乳液的呈分散的水相顆粒的水溶性聚合物能夠通過減少能量損失提供更大的減摩效果。作為非限制性實例，由于在呈湍流的水性處理流體與地層和/或布置在井筒中的管狀物品(例如，管子、盤繞的管道等)之間的摩擦，本披露的水溶性聚合物可以在將該水性處理流體引入該井筒的過程中減少能量損失。
本披露方法的含水溶性聚合物的油包水乳液是使用油包水乳液聚合技術(shù)制備的。進行此類聚合的適合方法是本領(lǐng)域已知的，其非限制性實例披露在美國專利號3,284,393、4,024,097、4,059,552、4,419,344、4,713,431、4,772,659、4,672,090、5,292,800、以及6,825,301中，將這些專利的相關(guān)披露內(nèi)容通過援引的方式并入本申請中。
典型地，通過將表面活性劑與含有惰性疏水性液體的油相混合進行油包水聚合。然后以所希望的濃度將單體混合物與水結(jié)合來制備水相。另外，取決于該單體混合物中的一種或多種具體單體，可任選地將螯合劑如EDTA的鈉鹽添加到水相中，并且可以將該水相的pH調(diào)節(jié)到3.0至10.0。然后將該水相添加到該油相與表面活性劑的混合物。這些表面活性劑能夠使該含有單體混合物的水相乳化成并且形成在該油相中離散顆粒。然后在自由基生成引發(fā)劑的存在下進行聚合。
可以使用任何適合的引發(fā)劑。適合的引發(fā)劑的非限制性實例包括二乙基2,2'-偶氮二異丁酸酯、二甲基2,2'-偶氮二異丁酸酯、2-甲基2'-乙基偶氮二異丁酸酯、過氧化苯甲酰、過氧化月桂酰、過硫酸鈉、過硫酸鉀、叔丁基氫過氧化物、二甲烷過氧化磺酰(dimethane sulfonyl peroxide)、過硫酸銨、偶氮二異丁腈(azobisisobutylronitrile)、二甲基2,2'-偶氮二(異丁酸酯)以及其組合。
引發(fā)劑的量可以是該單體混合物的按重量計從約0.01％至1％、在一些情況下該單體混合物的按重量計從0.02％至0.5％。
在所披露的主題的一些實施例中，該聚合技術(shù)可以具有約25℃的引發(fā)溫度并且近似絕熱地進行。在本披露的其他實施例中，該聚合可以在從約37℃至約50℃的溫度下等溫地進行。
在一些實施例中，水包油乳液可以包含鹽。除其他事項之外，該鹽可以存在以增加該乳液的穩(wěn)定性和/或降低該乳液的粘度。適合的鹽的實例包括但不限于氯化銨、氯化鉀、氯化鈉、硫酸銨以及其混合物。在一些實施例中，該鹽可以以乳液的按重量計從約0.5％至約2.5％范圍內(nèi)的量存在于該乳液中。
在一些實施例中，這些水包油乳液可以包括引發(fā)劑。除其他事項之外，可以包括該引發(fā)劑以防止在乳液聚合反應(yīng)的引發(fā)之前單體的過早聚合。如本領(lǐng)域普通技術(shù)人員將領(lǐng)會的，受益于本披露，可以已經(jīng)使用乳液聚合技術(shù)合成該水溶性聚合物，其中該引發(fā)劑起作用以防止過早聚合。適合的引發(fā)劑的實例包括但不限于醌。適合的引發(fā)劑的實例包括4-甲氧基苯酚(MEHQ)。該引發(fā)劑應(yīng)以足以提供所希望的防止過早聚合的的量存在。在一些實施例中，該引發(fā)劑可以以該乳液的按重量計從約0.001％至約0.1％范圍內(nèi)的量存在。
所披露的主題的水溶性聚合物典型地具有足以提供所希望的摩擦減小水平的分子量。總體上，減摩聚合物具有較高的分子量以便提供希望的摩擦減小水平。作為非限制性實例，減摩共聚物的重均分子量可以如使用特性粘度確定的在從約2,000,000至約20,000,000的范圍內(nèi)、在一些情況下最高達約30,000,000。本領(lǐng)域普通技術(shù)人員將認識到具有所列范圍之外的分子量的減摩共聚物可能仍然提供在水性處理流體中某種程度的摩擦減小。
如在此使用的，使用Ubbelhhde毛細管粘度計和在30℃以及pH 7下處于0.05wt.％、0.025wt.％以及0.01wt.％的在1M NaCl溶液中該水溶性聚合物的溶液來確定特性粘度，并且是將測量的值外推到零濃度來確定該特性粘度。然后使用如本領(lǐng)域已知的Mark-Houwink等式來確定該水溶性聚合物的分子量。
可替代地，在0.05wt.％濃度下的水溶性聚合物的比濃粘度用來測量分子大小。如此，如以在30℃、pH 7下的1M NaCl溶液中該聚合物的按重量計0.05％濃度在Ubbelhhde毛細管粘度計中確定的，該水溶性聚合物具有從約10dl/g至約40dl/g、在一些情況下從15dl/g至約35dl/g、并且在其他情況下15dl/g至約30dl/g的比濃粘度。
本披露的適合的水溶性聚合物可以是呈酸形式或鹽形式?？梢酝ㄟ^用堿如氫氧化鈉、氫氧化鉀、氫氧化銨等中和該含羧酸單體來制造多種鹽。如在此使用的，術(shù)語“水溶性聚合物”旨在包括減摩共聚物的酸形式和它的各種鹽二者。
通過使該乳液反轉(zhuǎn)將該油包水乳液添加到水中以形成減摩處理溶液。如在此使用的，術(shù)語“反轉(zhuǎn)(invert)”和/或“反轉(zhuǎn)(inverting)”是指將該油包水乳液暴露于引起水相變成連續(xù)相的條件下。這種反轉(zhuǎn)將該水溶性聚合物釋放到補足水中。
將含水溶性聚合物的油包水乳液反轉(zhuǎn)的方法是本領(lǐng)域中已知的并且作為非限制性實例披露于美國專利號3,624,019中，該專利通過援引的方式并入本申請中。
在所披露的主題的實施例中，為了幫助該水溶性聚合物的反轉(zhuǎn)、分解和溶解，反轉(zhuǎn)表面活性劑可以包括于該油包水乳液中。除其他事項之外，在添加到補足水和/或所披露的主題的水性處理流體中時，該反轉(zhuǎn)表面活性劑可以促進該乳液的反轉(zhuǎn)。如本領(lǐng)域普通技術(shù)人員將領(lǐng)會的，受益于本披露，在添加到該水性處理流體時，該油包水乳液應(yīng)該反轉(zhuǎn)，將該共聚物釋放到該水性處理流體中。
適合的反轉(zhuǎn)表面活性劑的非限制性實例包括聚氧乙烯烷基酚；聚氧乙烯(10摩爾)十六烷基醚；聚氧乙烯烷基-芳基醚；季銨衍生物；油酸鉀；N-十六烷基-N-乙基嗎啉鎓乙基硫酸鹽；月桂基硫酸鈉；高級脂肪醇與氧化乙烯的縮合產(chǎn)物，如油醇與10個氧化乙烯單元的反應(yīng)產(chǎn)物；烷基酚與氧化乙烯的縮合產(chǎn)物，如異辛基酚與12個氧化乙烯單元的反應(yīng)產(chǎn)物；高級脂肪酸胺與五個或更多個氧化乙烯單元的縮合產(chǎn)物；多元醇局部高級脂肪酸酯的氧化乙烯縮合產(chǎn)物，以及它們的內(nèi)酐(例如甘露糖醇酐和山梨糖醇-酸酐)。
在所披露的主題的具體實施例中，這些反轉(zhuǎn)表面活性劑可以包括乙氧基化的壬基苯酚、乙氧基化的壬基苯酚甲醛樹脂、乙氧基化的醇、具有從12至14的HLB的非離子型表面活性劑、以及其混合物。
適合的反轉(zhuǎn)表面活性劑的具體非限制性實例包括乙氧基化的C12-C16醇。在所披露的主題的一些方面中，該反轉(zhuǎn)表面活性劑可以是具有5至10個乙氧基化單元的C12-C14醇。該反轉(zhuǎn)表面活性劑可以以足以在與該水性處理流體中的水接觸時提供該乳液所希望的反轉(zhuǎn)的量存在。在一些實施例中，該反轉(zhuǎn)表面活性劑可以以該油包水乳液的按重量計從約1％、在一些情況下約1.1％、在其他情況下約1.25％范圍內(nèi)并且可以是最高達約5％、在一些情況下約4％、在其他情況下約3％、在一些例子中約2％并且在其他例子中約1.75％的量存在。
在所披露的主題的很多實施例中，在聚合完成后，將這些反轉(zhuǎn)表面活性劑添加到該油包水乳液中。
在所披露的主題的一些實施例中，可以使用分批法分解該油包水乳液。在此實施例中，將該含水溶性聚合物的油包水乳液和水輸送的普通混合罐。一旦在該罐內(nèi)，將該溶液拍打或混合指定持續(xù)時間以便賦予該溶液能量。在混合后，必須使所產(chǎn)生的溶液老化以允許足夠時間使分子展開。在本披露中這段時間是顯著減少的。
在一些實施例中，可以使用連續(xù)在線混合器以及在線靜態(tài)混合器來使該含水溶性聚合物的油包水乳液與水結(jié)合。用于混合和進料的適合的混合器的非限制性實例披露于美國專利號4,522,502、4,642,222、4,747,691、以及5,470,150中，這些專利通過援引的方式并入本申請中?？梢栽诿绹鴮＠?,051,065和3,067,987中找到適合的靜態(tài)混合器的非限制性實例，這些專利通過援引的方式并入本申請中。
一旦該含水溶性聚合物的油包水乳液分解到水中，將任何其他添加劑添加到該溶液中以形成處理溶液，然后將該處理溶液引入該部分地下地層。
通常，可以將該水溶性聚合物包括在地下處理中使用的任何水性處理流體中以降低摩擦。此類地下處理包括但不限于鉆井操作、增產(chǎn)處理(例如，壓裂處理、酸化處理、壓裂酸化處理)、以及完井操作。受益于本披露，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員將能夠認識到其中摩擦減小可能是希望的適合的地下處理。
在所披露的主題的水性處理流體中使用的水可以是新鮮水、半咸水、咸水(例如含有一種或多種溶解在其中的鹽的水)、鹽水(例如由地下地層產(chǎn)生的)、海水、坑水、池塘水或類似物、或其組合。常見的是，新鮮水包括處于小于1000ppm水平的總?cè)芙獾墓腆w；半咸水包括處于1,000ppm至小于10,000ppm水平的總?cè)芙獾墓腆w；咸水包括處于10,000ppm至30,000ppm水平的總?cè)芙獾墓腆w；并且鹽水包括處于大于30,000ppm水平的總?cè)芙獾墓腆w。通常，所使用的水可以來自任何來源，其條件是它不含過量的化合物，這些化合物可不利地影響該水性處理流體中的其他組分或該地層本身。所披露的主題在所有水性處理流體水中都是有效的。
本披露的水溶性聚合物應(yīng)該以足以提供所希望的摩擦減小的量包括在本披露的水性處理流體中。在一些實施例中，本披露的水溶性聚合物可以按以下的量存在，該量是該水性處理流體的按重量計至少約0.0025％、在一些情況下至少約0.003％、在其他情況下至少約0.0035％并且在一些例子中至少約0.05％，并且可以是該水性處理流體的按重量計最高達約4％、在一些情況下最高達約3％、在其他情況下最高達約2％、在一些例子中最高達約1％、在其他例子中最高達約0.02％、在一些情形下最高達小于約0.1％、在其他情形下最高達約0.09％、并且在具體情形下最高達約0.08％。在這些水性處理流體中包括的水溶性聚合物的量可以是在上述值的任何之間的任何值或范圍。
在一些實施例中，該水溶性聚合物可以以該水性處理流體的按重量計從約0.0025％至約0.025％范圍內(nèi)、在一些情況下在從約0.0025％至小于約0.01％范圍內(nèi)、在其他情況下在從約0.0025％至約0.009％范圍內(nèi)、并且在一些情形下在從約0.0025％至約0.008％范圍內(nèi)的量存在于這些水性處理流體中。
在一些實施例中，當使用本披露的油包水乳液時，在該水性處理流體中的水溶性聚合物的量可以是比當在該水性處理流體中使用以30或更大重量百分比濃度含有相同組成的聚合物的油包水乳液時低至少約5％、在一些情況下至少約7.5％、在其他情況下至少約10％、在一些例子中至少約12.5％、在其他例子中至少約15％、在一些情形下至少約20％、并且在其他情形下至少約25％。
在本披露的實施例中，根據(jù)本披露的油包水乳液以至少約0.1加侖油包水乳液每千加侖水性處理流體水(gpt)、在一些情況下至少約0.15gpt、并且在其他情況下至少約0.2gpt并且可以是最高達約3gpt、在一些情況下最高達約2.5gpt、在其他情況下最高達約2.0gpt、在一些例子中最高達約1.5gpt、并且在其他例子中最高達約1.5gpt的量在該減摩處理溶液中使用。在該減摩處理溶液中使用的油包水乳液的量可以是在上述值的任何之間的任何值或范圍。
在所披露的主題的實施例中，水性處理流體含有10,000ppm至300,000ppm的總?cè)芙獾墓腆w。在一些實施例中，這些總?cè)芙獾墓腆w包括至少10重量百分比的多價陽離子。在很多實施例中，任何多價陽離子可以被包括，并且可以包括選自鐵(呈其亞鐵和三價鐵形式)、鈣、鎂、錳、鍶、鋇、和鋅中的一個或多個。
在本披露的實施例中，該水性處理流體可以包括處于至少約100ppm、在一些例子中至少約500ppm、在其他例子中至少約1,000ppm、在一些情況中至少約5,000ppm并且在其他情況中至少約10,000ppm并且可以是最高達約500,000ppm、在某些情況下最高達約400,000ppm、在很多情況下最高達約300,000ppm、在一些情況下最高達約250,000ppm、在其他情況下最高達約200,000ppm、在一些例子中最高達約100,000ppm、在其他例子中最高達約50,000ppm并且在其他情形中最高達約25,000ppm水平的總?cè)芙獾墓腆w。在該水性處理溶液中的總?cè)芙獾墓腆w的量可以是在上述值的任何之間的任何值或范圍。
在本披露的實施例中，在該水性處理流體中的總?cè)芙獾墓腆w可以含有處于這些總?cè)芙獾墓腆w的按重量計至少約10％、在一些情況下至少約15％并且在其他情況下至少約20％，并且可以是最高達約50％、在一些情況下最高達約40％并且在其他情況下最高達約35％的水平的多價陽離子。在該水性處理溶液中總?cè)芙獾墓腆w中的多價陽離子的量可以是在上述值的任何之間的任何值或范圍。
受益于本披露，在本領(lǐng)域普通技術(shù)人員認為適當時可以在本披露的水性處理流體中包括額外的添加劑。此類添加劑的實例包括但不限于腐蝕抑制劑、支撐劑微粒、酸、流體損失控制添加劑、以及表面活性劑。例如，除其他事項之外，酸可以包括在這些水性處理流體中用于基質(zhì)或壓裂酸化處理。在壓裂實施例中，支撐劑微粒可以包括在這些水性處理流體中以防止在釋放液壓時裂縫閉合。
本披露的水性處理流體可以用于其中希望減低摩擦的任何地下處理中。此類地下處理包括但不限于鉆井操作、增產(chǎn)處理(例如，壓裂處理、酸化處理、壓裂酸化處理)、以及完井操作。受益于本披露，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員將能夠認識到其中摩擦減小可能是希望的適合的地下處理。
在一些實施例中，所披露的主題包括一種處理一部分地下地層的方法，該方法包括：提供上述水性處理流體，并且將該水性處理流體引入該部分地下地層。在一些實施例中，可以以足以在該部分地下地層中產(chǎn)生或增強一個或多個裂縫的速率和壓力將該水性處理流體引入該部分地下地層。引入該水性處理流體的該部分地下地層將取決于該具體地下處理而變化。例如，該部分地下地層可以是例如在井筒清理操作中井筒的一段。在增產(chǎn)實施例中，該部分可以是待增產(chǎn)的地下地層部分。
本披露的方法還可以包括制備水性處理流體。制備該水性處理流體可以包括：提供含水溶性聚合物的油包水乳液，并且將該水溶性聚合物與水結(jié)合以形成該水性處理流體。
將通過參考以下實例來進一步說明本披露。以下實例僅是說明性的并且不旨在是限制性的。除非另外指明，否則所有百分數(shù)均以重量計。
實例1
油包水乳液聚合物的制備，百分數(shù)以該油包水乳液組合物的重量百分比來表示。
通過結(jié)合軟化水、丙烯酰胺、丙烯酸、丙烯酰氧基乙基三甲基氯化銨(AETAC)、EDTA和25％氫氧化鈉(至6.5的pH)并且攪拌到均勻以形成水相(約77.5％)制備該油包水乳液組合物。通過將脂肪族烴液體(約20％)與表面活性劑(乙氧基化胺(約1.1％)、山梨聚糖單油酸酯(約0.15％)、以及聚氧化烯山梨聚糖單油酸酯(約0.25％)混合結(jié)合制成油相(約21.5％)。用混合將該水相添加到油相中以形成分散在該連續(xù)油相中的該水相的分散體。用氮氣和焦亞硫酸鈉鼓泡的同時將該分散體加熱到引發(fā)溫度，并且將油溶性過氧化物引發(fā)劑添加到該分散體中以引發(fā)聚合。典型地，將該油相添加到玻璃樹脂釜中，并且一旦開始攪動就將該水相添加到該樹脂釜中。用氮氣對所產(chǎn)生的分散體進行鼓泡30分鐘，同時使溫度平衡至25℃，在這段時間將37微升的過氧化物添加到該攪拌分散體中并且以0.1毫升每分鐘的速率將0.075％焦亞硫酸鈉(SMBS)溶液進料到該分散體中。將聚合溫度控制在38℃與42℃之間大約90分鐘。通過以1.0毫升每分鐘的速率進料25％焦亞硫酸鈉(SMBS)溶液來清除殘余單體。將反轉(zhuǎn)表面活性劑(C12-C14 9摩爾乙氧基化物，1.4％)共混到該油包水聚合物乳液中以幫助在使用時的分解并且隨后將該分散體冷卻到室溫。所產(chǎn)生的油包水乳液含有約30％的水溶性聚合物。
表1.
摩擦流動回路測試
由5/16”內(nèi)徑的不銹鋼管道(總長約30英尺)構(gòu)建摩擦流動回路。從5加侖的錐形容器的底部泵送出測試溶液。該溶液流經(jīng)該管道并且返回該容器中。該流動是使用配備有變速傳動裝置的柱塞泵實現(xiàn)的。由兩個在線計量器測量壓力，其中后一個計量器位于離返回容器的排放大約2英尺。
在樣品容器中制備四加侖的鹽水溶液(以下指示的鹽的重量百分比)，并且將泵啟動并且設(shè)置為以5-10gal/min的流速進行輸送。再循環(huán)該鹽溶液直到溫度平衡在25℃并且實現(xiàn)穩(wěn)定化的壓差。將此壓力記錄為該鹽水溶液的“初始壓力”。用注射器將測試量的純凈的油包水乳液聚合物快速注入含有該鹽水溶液的樣品容器中并且開啟計時器。劑量被記錄為油包水乳液的加侖數(shù)每千加侖鹽水溶液(gpt)。分別在30秒、1分鐘、2分鐘和3分鐘時記錄壓力。在每個時間間隔計算壓降，將其與該鹽水溶液的初始壓差讀數(shù)進行比較。如在美國專利號7,004,254的第9欄，第36行至第10欄，43行中所描述的來確定百分數(shù)摩擦減小。所使用的鹽水是含有165,000ppm總?cè)芙獾墓腆w的水溶液，這些總?cè)芙獾墓腆w包括約43,430ppm的鈉、3,670ppm的鎂、14,400ppm的鈣以及103,290ppm的氯化物。這些結(jié)果示于以下表2中。該劑量是以每千加侖鹽水溶液的加侖數(shù)使用的油包水乳液的量。
表2.
這些數(shù)據(jù)顯示出與傳統(tǒng)Am/AA共聚物相比由本發(fā)明的水溶性聚合物(Am/AA/AETAC)提供的摩擦減小的改善。
實例2
如實例1的樣品A那樣制備油包水乳液聚合物(48/2/50w/w Am/AA/AETAC)，除了反轉(zhuǎn)表面活性劑(C12-C14乙氧基化物)從7至9摩爾的乙氧基化變化，如在下表3中。
表3.
在如實例1中所描述的摩擦回路中評價這些樣品。
表4.
因此，根據(jù)本披露的油包水聚合物乳液聚合物能夠提供在高鹽水溶液中的優(yōu)異的更好的摩擦減小性能。
實例3
如實例1的樣品A那樣制備油包水乳液聚合物(48/2/50w/w Am/AA/AETAC)，除了反轉(zhuǎn)表面活性劑(C12-C14 9摩爾乙氧基化物)的量如下表5中所示的變化。
表5.
在如實例1中所描述的摩擦回路中評價以下樣品，除了所使用的鹽水是含有約206,000ppm總?cè)芙獾墓腆w的水溶液，這些總?cè)芙獾墓腆w包括約53,500ppm的鈉、約4,600ppm的鎂、約18,000ppm的鈣以及約139,300ppm的氯化物。這些結(jié)果示于以下表6中。
表6.
在如實例1中所描述的摩擦回路中評價以下樣品，除了所使用的鹽水是含有約247,000ppm總?cè)芙獾墓腆w的水溶液，這些總?cè)芙獾墓腆w包括約65,010ppm的鈉、約5,500ppm的鎂、約21.610ppm的鈣以及約154,930ppm的氯化物。這些結(jié)果示于以下表7中。
表7.
因此，根據(jù)本披露的油包水聚合物乳液聚合物能夠提供在高鹽水溶液中的優(yōu)異的更好的摩擦減小性能。
所披露的主題已經(jīng)參考其具體實施例的具體細節(jié)進行描述。此類細節(jié)不旨在被認為是對所披露的主題的范圍的限制，除非它們被包括在所附權(quán)利要求書的范圍內(nèi)。
因此，在此描述的示例性實施例很好地進行適配以便實現(xiàn)提及的目的和優(yōu)點以及其中固有的那些。以上披露的具體實施例僅僅是說明性的，因為在此描述的示例性實施例可以以對于受益于在此的教導(dǎo)的本領(lǐng)域技術(shù)人員明顯的、不同但等效的方式修改和實踐。此外，除了如在下面的權(quán)利要求中描述的，并不旨在對在此示出的結(jié)構(gòu)或設(shè)計的細節(jié)有所限制。因此明顯的是可以改變、結(jié)合或修改以上披露的具體的說明性實施例并且全部的此類變化被認為在在此描述的示例性實施例的范圍和精神內(nèi)?？梢栽诓淮嬖跊]有在此具體披露的任何元素和/或在此披露的任何任選元素的情況下適當?shù)貙嵺`在此說明性地披露的在此描述的示例性實施例。雖然組合物和方法是以“包含(comprising)”、“含有(containing)”或“包括(including)”各種組分或步驟的術(shù)語描述的，這些組合物和方法還可以“主要由以下各項組成”或“由以下各項組成”：這些各種組分、物質(zhì)和步驟。如在此使用的，術(shù)語“主要由以下各項組成”應(yīng)該被解釋為意在包括所列出的組分、物質(zhì)或步驟以及不實質(zhì)性地影響該組合物或方法的基本和新穎特性的這樣的額外的組分、物質(zhì)或步驟。在一些實施例中，根據(jù)本披露的實施例的“主要由以下各項組成”的組合物：所列舉的組分或物質(zhì)，不包括改變該組合物的基本和新穎特性(例如該組合物的摩擦減小性能或粘度)的任何額外的組分或物質(zhì)。以上披露的所有數(shù)字和范圍可以按某種量變化。每當披露了具有下限和上限的數(shù)值范圍時，落入該范圍內(nèi)的任何數(shù)字和任何包括的范圍被具體地披露。具體地，在此披露的每個值范圍(以“從約a至約b”或等同地“從大約a至b”或等同地“從大約a-b”的形式)應(yīng)理解為闡明涵蓋在較寬值范圍內(nèi)的每個數(shù)字和范圍。另外，除非另外由專利權(quán)人具體且清楚地定義，否則權(quán)利要求書中的術(shù)語具有其平常的普通的含義。此外，如在權(quán)利要求書中使用的，不定冠詞“一個/一種(a/an)”在此定義為意指它引入的元素中的一個或多于一個。如果在本說明書以及可通過援引的方式并入本申請中的一個或多個專利或其他文獻中存在詞或術(shù)語的使用上的任何沖突，應(yīng)采用與本說明書一致的定義。