專利名稱：地下儲(chǔ)集層處理方法
地下儲(chǔ)集層處理方法
背景技術(shù)：
本發(fā)明涉及水力壓裂。更具體來說，本發(fā)明涉及在井底條件下(原位(in-situ))水力壓裂材料的化學(xué)轉(zhuǎn)變以提供對增產(chǎn)(stimulation)過程的控制。在裂縫導(dǎo)流能力增強(qiáng)的各種方法中，非均質(zhì)支撐劑分布法(HPP)是特別吸引人的。已開發(fā)出各種非均質(zhì)支撐劑分布方法。用由各種技術(shù)加固的支撐劑所制成的群簇(例如，柱(pillar)或島(island))的分布在裂縫中提供大的開放通道，并且導(dǎo)流能力以常規(guī)被支撐裂縫的導(dǎo)流能力高出若干數(shù)量級。絕大多數(shù)的HPP方法依賴于常規(guī)支撐劑微粒(直徑大于約O. 42mm(約40US網(wǎng)目))通過纖維、增粘材料或粘性材料、粘結(jié)劑流體等的加固，從而導(dǎo)致支撐劑群簇的形成。在井底遞送這類群簇的可靠方法是對所述HPP方法的一個(gè)挑戰(zhàn)。雖然絮凝通常不適用于常規(guī)支撐劑，但是其能夠被用于聚集直徑為幾十至約一百微米(小于約100US網(wǎng)目)的細(xì)孔支撐劑微粒。在這種情況下，加固支撐劑群簇所需要的力更小。已證明由細(xì)孔微粒制成的支撐劑充填層的導(dǎo)流能力非常?。蝗欢?，細(xì)孔支撐劑的優(yōu)點(diǎn)是·它們良好的傳輸性質(zhì)，因?yàn)檫@些微粒能夠用廉價(jià)的低粘度流體(例如滑溜水)遞送遠(yuǎn)離井眼的位置并且深入裂縫網(wǎng)絡(luò)中，而無使用常規(guī)支撐劑所固有的沉降問題。需要一種用于增強(qiáng)細(xì)孔充填層的導(dǎo)流能力的方法；所得支撐劑/流體系統(tǒng)尤其在具有低基質(zhì)滲透性的非常規(guī)儲(chǔ)集層如氣體頁巖中具有很大的實(shí)用性。發(fā)明概沭本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方案是一種用于在地下位置的處理流體中合成聚電解質(zhì)的方法，所述方法涉及以下步驟將含有所述聚電解質(zhì)的聚合物前體的所述處理流體注入井眼，并且允許所述聚電解質(zhì)形成。所述處理流體可以含有支撐劑，并且任選地為細(xì)孔支撐劑。所述處理流體也可以含有纖維、稠化劑、粘合劑、加強(qiáng)材料、乳液、激發(fā)氣體或發(fā)泡氣體和/或可水解固體酸中的一種或一種以上。所述聚電解質(zhì)可以由所述聚合物前體通過所述聚合物上的化學(xué)基團(tuán)的水解、通過所述聚合物上的化學(xué)基團(tuán)的質(zhì)子化或通過所述聚合物上的化學(xué)基團(tuán)轉(zhuǎn)化成鹽而形成。在另一個(gè)實(shí)施方案中，所述聚電解質(zhì)由所述聚合物前體通過所述聚合物前體上的酰胺官能團(tuán)與所述處理流體中的一種或多種試劑反應(yīng)而形成。所述處理流體可以進(jìn)一步含有用于由所述聚合物前體形成所述聚電解質(zhì)的催化劑或阻滯劑，和/或用于在地下條件下改變所述處理流體PH的試劑。在又一個(gè)實(shí)施方案中，所述聚合物前體含有酰胺基并且所述處理流體含有醛或醛前體以及具有不穩(wěn)定質(zhì)子的化合物(例如，所述化合物選自氨、伯胺、仲胺、肼、羥胺、聚胺，和/或進(jìn)一步具有永久帶電基團(tuán)的這些胺中的任何一種)。具有不穩(wěn)定質(zhì)子的化合物的實(shí)例包括磺甲基化劑、丙二酸以及苯酚。在其它實(shí)施方案中，所述處理流體也可以含有仲胺，并且所述聚合物前體可以包含酰胺基并且所述處理流體可以含有次鹵酸鹽或四乙酸鹽、具有極性基團(tuán)的環(huán)氧乙烷衍生物或乙醛酸。附圖
簡沭
圖I示出在曼尼希反應(yīng)(Mannich reaction)中pH對酰胺基產(chǎn)率的作用。圖2示出在曼尼希反應(yīng)中試劑比對酰胺基產(chǎn)率的作用。圖3示出與不同酰胺進(jìn)行的曼尼希反應(yīng)的酰胺濃度(“產(chǎn)率)。圖4示出與變化的酰胺/甲醛比進(jìn)行的曼尼希反應(yīng)的交聯(lián)時(shí)間。圖5示出與次氯酸鈉進(jìn)行的霍夫曼降解(Hofmann degradation)反應(yīng)的產(chǎn)率與溫度變化的關(guān)系。發(fā)明詳沭盡管本發(fā)明可以被主要描述為一種聚集細(xì)孔支撐劑的方法，該方法是作為一種用于在水力壓裂中產(chǎn)生非均質(zhì)支撐劑分布的手段，但本發(fā)明還具有許多其它用途。盡管本發(fā) 明可以就垂直井的處理來描述，但本發(fā)明也同樣可適用于具有任何定向的井。本發(fā)明將針對產(chǎn)烴井(hydrocarbon production well)來做描述,但是將要理解的是,本發(fā)明可以用于生產(chǎn)其它流體如水或二氧化碳的井，或例如用于注入井或儲(chǔ)氣井。還應(yīng)理解的是，在整篇本說明書中，當(dāng)濃度或量的范圍被描述成有用或適合等時(shí)，意圖將所述范圍內(nèi)的任何和每一個(gè)濃度或量(包括端點(diǎn))視為已被闡述。另外，每個(gè)數(shù)值都應(yīng)被解讀為由術(shù)語“約”來修飾(除非已經(jīng)明確地被這樣修飾)，一旦這樣解讀并且除非上下文另有規(guī)定，否則該數(shù)值隨后再次被解讀時(shí)不需要這樣修飾。例如，“從I至10的一個(gè)范圍”要被解讀成為指示順著約I與約10之間的連續(xù)數(shù)值區(qū)(continuum)的各個(gè)和每一個(gè)可能的數(shù)字。換句話說，當(dāng)表達(dá)出一個(gè)特定范圍時(shí)，即使所述范圍內(nèi)只有很少的特殊數(shù)據(jù)點(diǎn)被明確地指明或提及，或即使所述范圍內(nèi)沒有數(shù)據(jù)點(diǎn)被提及時(shí)，應(yīng)當(dāng)理解的是，發(fā)明人了解并且理解所述范圍內(nèi)的任何和所有數(shù)據(jù)點(diǎn)都被認(rèn)為是已被明確指出，并且應(yīng)當(dāng)了解的是，發(fā)明人擁有整個(gè)范圍和所述范圍內(nèi)的所有點(diǎn)的所有權(quán)。本發(fā)明方法的主要實(shí)用性是一種原位聚集支撐劑微粒的方法，所述支撐劑微粒例如在要絮凝支撐劑的情況下是細(xì)孔支撐劑微粒，或地下裂縫中的如纖維的其它材料。在本發(fā)明的這一類用途中，將聚丙烯酰胺聚合物在水力壓裂處理期間被注入地下巖層中。所述聚合物隨后在井底條件下發(fā)生例如水解的化學(xué)反應(yīng)，從而導(dǎo)致陽離子聚電解質(zhì)或陰離子聚電解質(zhì)的形成。所述聚電解質(zhì)充當(dāng)絮凝劑并且提供如沙子、云母、石英粉、陶瓷等固體微粒的聚合，從而導(dǎo)致裂縫深處在支撐劑充填層中形成流體流動(dòng)通道，或形成支撐劑微柱。同樣有用的是聚集纖維來增強(qiáng)受控絮凝的架橋及其它應(yīng)用。這一用途在低滲透性巖層中以及在使用細(xì)孔支撐劑材料情況下最有效。如本文所使用，術(shù)語“低滲透性巖層”是指滲透性低于I毫達(dá)西，例如低于100微達(dá)西的巖層。這些巖層具有的低滲透性使得在最終一級裂縫導(dǎo)流能力處于0. 3至30mD-m(l至100mD-ft)時(shí)，并且如果存在，則二級和/或三級裂縫處于0. 003至30mD-m(0. 01至100mD-ft)級別時(shí)，井能夠被有效地增產(chǎn)，其中二級裂縫應(yīng)理解為是指從一級裂縫分支的長度和/或?qū)挾壬弦话阆鄬Ω〉牧芽p，并且三級裂縫是指從二級裂縫分支的長度和/或?qū)挾壬弦话阆鄬Ω〉牧芽p。如本文所使用，術(shù)語“細(xì)孔材料”是指粒度相對小于由美國石油協(xié)會(huì)推薦做法(AmericanPetroleum Institute Recommended Practices, API RP)標(biāo)準(zhǔn) 56 和 / 或 60 所定義的最小支撐劑大小70/140(篩孔為210微米和105微米)的支撐劑材料。這些標(biāo)準(zhǔn)要求至少90重量百分比的微粒通過孔徑70 (定義為上邊界)的篩網(wǎng)，但會(huì)保留在孔徑140 (定義為上邊界)的篩網(wǎng)上。對70/140沙子的全規(guī)格要求保留在50目(300微米)篩網(wǎng)上的重量百分比不超過O. 1，90重量百分比通過70目但是保留在140網(wǎng)目上，并且通過200目(75微米)篩網(wǎng)的重量百分比不超過I。除非另有規(guī)定，否則本文所提供的所有網(wǎng)目大小是指使用美國篩制(US Sieve Series)所測量的網(wǎng)目大小。在一個(gè)實(shí)施方案中，所注入的處理流體基本上不含大于細(xì)孔材料的支撐劑和/或其它固體，例如大到如下的程度所述較大材料不會(huì)不利地影響絮凝劑形成支撐劑聚集體的能力。在另一個(gè)實(shí)施方案中，所述處理流體不含有被不經(jīng)意加入所述處理流體中的任何較大材料或支撐劑材料。在其它實(shí)施方案中，所注入的處理流體能夠含有大于所述細(xì)孔材料的相對小比例(如舉例來說，小于約10重量百分比)的固體。在又一實(shí)施方案中，大于細(xì)孔固體的固體的比例可以是大量的，例如高達(dá)60至70重量百分比，例如當(dāng)所述固體是被特別設(shè)計(jì)來充填井達(dá)到一定體積的不同大小固體的混合物的情況。本申請所使用的支撐劑可以不必要求與常規(guī)處理中通常所要求相同的滲透性和導(dǎo)流能力性質(zhì)，因?yàn)檎w的裂縫滲透性是至少部分由支撐劑充填層中的巖層開孔通道發(fā)展而來。圓度和/或球度可以小于正常優(yōu)選的。實(shí)際上，支撐劑材料能夠具有其它形狀，如立 方體、矩形、板狀、桿狀或其混合物。適合的細(xì)孔支撐劑材料可包括沙子、玻璃珠、陶瓷、鋁礬土、玻璃等或其混合物。在一個(gè)實(shí)施方案中，細(xì)孔支撐劑材料可以是選自二氧化硅、白云母、黑云母、石灰石、波特蘭水泥、滑石、高嶺土、重晶石、飛灰、火山灰、氧化鋁、氧化鋯、氧化鈦、沸石、石墨、如苯乙烯二乙烯基苯的塑料珠、微粒金屬、如粉碎的殼的天然材料、炭黑、硅鋁酸鹽、生物聚合物固體、合成聚合物固體、云母等，包括其混合物?；旧?，支撐劑可以是將維持裂縫的被支撐部分開放的任何細(xì)孔材料。非均質(zhì)支撐劑分布放寬對選擇支撐劑材料的一些約束，因?yàn)榱鲃?dòng)導(dǎo)流能力是由支撐劑的‘島’或柱之間的通道而不是由被充填的支撐劑基質(zhì)的多孔性或滲透性來提供。選擇較寬范圍的支撐劑材料的選項(xiàng)可用性在本發(fā)明的實(shí)施方案中可以是優(yōu)點(diǎn)。例如，支撐劑可以具有一系列混合的、可變的直徑或產(chǎn)生高密度和/或高強(qiáng)度但是低滲透性和/或多孔性的島或柱的其它性質(zhì)，因?yàn)槎嗫仔院蜐B透性不是那么重要，因?yàn)椴恍枰?jīng)由支撐劑基質(zhì)的流體產(chǎn)生。由于相同的原因，在本文的細(xì)孔支撐劑基質(zhì)的間隙空間內(nèi)可以采用在壓裂技術(shù)中眾所周知的粘合劑，或?qū)⒁迦氤Ｒ?guī)支撐劑充填層的加強(qiáng)材料，如舉例來說，可以在支撐劑中進(jìn)一步聚合或交聯(lián)的聚合物。本發(fā)明的非均質(zhì)支撐劑分布方法可以與任何其它非均質(zhì)支撐劑分布方法結(jié)合使用。所述處理流體可以任選地為滑溜水流體或增粘流體，可以是乳液或激發(fā)的或發(fā)泡的，并且可以含有纖維或例如聚乙醇酸和聚乳酸的可水解固體酸。聚集前系統(tǒng)中的顆粒的數(shù)量除以聚集后聚集體的數(shù)量的比應(yīng)至少約為2。在本發(fā)明的另一個(gè)用途中，被注入井眼中并且在井底條件下發(fā)生反應(yīng)的聚合物充當(dāng)結(jié)垢抑制劑。帶電聚丙烯酰胺衍生物有效地遏制如鎂、鈣、鋇、鋅、鐵及其它的各種金屬的硫化物、碳酸鹽以及硫酸鹽類的晶體的生長。在本發(fā)明的又一個(gè)用途中，被注入井眼中并且在井底條件下發(fā)生反應(yīng)的聚合物充當(dāng)相對的滲透性改性劑。帶電聚合物吸附在巖層孔隙表面上并且在降低水滲透性，同時(shí)使油滲透性保持不變或只極小地下降。另外，被吸附在充填層中的支撐劑的晶粒上的聚合物的薄層(例如，厚度小于250nm)改善在反流操作期間用多糖基凝膠進(jìn)行的裂縫清理，并且降低凝膠對所述支撐劑充填層的破壞。在本發(fā)明的又一個(gè)用途中，被注入井眼中并且在井底條件下發(fā)生反應(yīng)的聚合物允許改善細(xì)粒控制(fine control)。帶電聚合物吸附在巖層表面上和/或降低ζ電勢的粉碎支撐劑細(xì)粒上，并且因此促進(jìn)所述支撐劑細(xì)粒的凝聚。在本發(fā)明的又一個(gè)用途中，經(jīng)由曼尼希甲醛-二胺系統(tǒng)和/或通過二醛交聯(lián)的聚丙烯酰胺被用作增粘壓裂流體。借助于PH調(diào)整來實(shí)現(xiàn)對反應(yīng)的控制，包括交聯(lián)延遲和反應(yīng)逆轉(zhuǎn)。在本發(fā)明的另一個(gè)用途中，與甲醛-二胺系統(tǒng)和/或與聚醛和/或聚胺交聯(lián)的聚丙烯酰胺被用于水控制；這是與過渡金屬離子(例如，用不期望的鉻(III))或與苯酚-甲醛系統(tǒng)交聯(lián)的已知PAM凝膠的替代品。在本發(fā)明的再一個(gè)用途中，通過在井底條件下的原位反應(yīng)實(shí)現(xiàn)帶有可轉(zhuǎn)換電荷的聚電解質(zhì)的形成。所述轉(zhuǎn)換可以是聚電解質(zhì)特征從陽離子到陰離子的改變并且反之亦然 (或從非離子性到離子性的改變，并且反之亦然)的改變。例如，這種改變在曼尼希條件下使用聚丙烯酰胺時(shí)發(fā)生。初始聚丙烯酰胺含有一些羧酸根，因此表現(xiàn)出陰離子特征。由于氨基質(zhì)子化，通過曼尼希反應(yīng)轉(zhuǎn)換成聚胺使聚合物轉(zhuǎn)化成陽離子性的。另一個(gè)實(shí)例是聚丙烯酰胺的水解，該水解由中性酰胺基形成帶負(fù)電羧酸基團(tuán)。可控制的聚合物電荷允許對絮凝的管理。在井底使用帶某種電荷(例如，正電荷)的聚電解質(zhì)并且然后將所述電荷部分地改變成負(fù)電性(例如，通過水解)，這樣形成化學(xué)上受控的絮凝。當(dāng)帶有相反電荷的聚電解質(zhì)被轉(zhuǎn)化成帶有相同電荷的聚電解質(zhì)時(shí)，經(jīng)由相似的電荷轉(zhuǎn)換可能進(jìn)行去絮凝作用。在水解或質(zhì)子化后產(chǎn)生聚電解質(zhì)的適合聚合物和共聚物包括但不限于具有選自以下的至少一種單體的那些聚合物和共聚物丙烯酰胺、甲基丙烯酰胺、N-乙烯基甲基乙酰胺、N-乙烯基甲基甲酰胺、乙酸乙烯酯、丙烯酸酯、甲基丙烯酸酯、氰基丙烯酸酯、乙烯基吡硌烷酮、苯胺、氨基酸、酮、尿烷、尿素、三聚氰胺等及其組合或混合物。所得聚電解質(zhì)包括但不限于聚乙烯胺、聚乙烯亞胺以及聚乙烯基胺；聚丙烯酰胺聚合物(PAMs)在油田技術(shù)中被廣泛使用，例如，用于鉆井和固井流體中，增強(qiáng)型油回收制劑中，治水凝膠中以及如用于減阻的添加劑中。通常使用的共聚物中的聚丙烯酰胺和一些單體單元如下所示(呈聚合形式)
權(quán)利要求
1.一種用于在地下位置的處理流體中合成聚電解質(zhì)的方法，所述方法包括步驟(a)將包含所述聚電解質(zhì)的聚合物前體的所述處理流體注入井眼中；以及(b)使所述聚電解質(zhì)形成。
2.如權(quán)利要求I所述的方法，其中所述處理流體進(jìn)一步包含支撐劑。
3.如權(quán)利要求I所述的方法，其中所述處理流體進(jìn)一步包含細(xì)孔支撐劑。
4.如權(quán)利要求I所述的方法，其中所述處理流體進(jìn)一步包含纖維、稠化劑、粘合劑、力口強(qiáng)材料、乳液、激發(fā)氣體或發(fā)泡氣體以及可水解固體酸中的一種或一種以上。
5.如權(quán)利要求I所述的方法，其中所述聚電解質(zhì)由所述聚合物前體通過所述聚合物上的化學(xué)基團(tuán)的水解而形成。
6.如權(quán)利要求I所述的方法，其中所述聚電解質(zhì)由所述聚合物前體通過所述聚合物上的化學(xué)基團(tuán)的質(zhì)子化而形成。
7.如權(quán)利要求I所述的方法，其中所述聚電解質(zhì)由所述聚合物前體通過所述聚合物上的化學(xué)基團(tuán)轉(zhuǎn)化成鹽而形成。
8.如權(quán)利要求I所述的方法，其中所述聚電解質(zhì)由所述聚合物前體通過所述聚合物前體上的酰胺官能團(tuán)與所述處理流體中的一種或多種試劑反應(yīng)而形成。
9.如權(quán)利要求I所述的方法，其中所述處理流體進(jìn)一步含有用于由所述聚合物前體形成所述聚電解質(zhì)的催化劑。
10.如權(quán)利要求I所述的方法，其中所述處理流體進(jìn)一步含有用于由所述聚合物前體形成所述聚電解質(zhì)的阻滯劑。
11.如權(quán)利要求I所述的方法，其中所述處理流體進(jìn)一步含有用于在地下條件下改變所述處理流體pH的試劑。
12.如權(quán)利要求I所述的方法，其中所述聚合物前體包含酰胺基，并且所述處理流體包含醛或醛前體以及具有不穩(wěn)定質(zhì)子的化合物。
13.如權(quán)利要求12所述的方法，其中所述具有不穩(wěn)定質(zhì)子的化合物選自氨、伯胺、仲胺、肼、羥胺、聚胺，及進(jìn)一步具有永久帶電基團(tuán)的這些胺中的任何一種。
14.如權(quán)利要求12所述的方法，其中所述具有不穩(wěn)定質(zhì)子的化合物為磺甲基化劑。
15.如權(quán)利要求12所述的方法，其中所述具有不穩(wěn)定質(zhì)子的化合物為丙二酸。
16.如權(quán)利要求12所述的方法，其中所述具有不穩(wěn)定質(zhì)子的化合物為苯酚。
17.如權(quán)利要求16所述的方法，其中所述處理流體進(jìn)一步含有仲胺。
18.如權(quán)利要求I所述的方法，其中所述聚合物前體包含酰胺基，并且所述處理流體包含次齒酸鹽或四乙酸鹽。
19.如權(quán)利要求I所述的方法，其中所述聚合物前體包含酰胺基，并且所述處理流體包含具有極性基團(tuán)的環(huán)氧乙烷衍生物。
20.如權(quán)利要求I所述的方法，其中所述聚合物前體包含酰胺基，并且所述處理流體包含乙醛酸。
全文摘要
本發(fā)明提供一種用于通過在地下裂縫中原地聚集細(xì)孔支撐劑微?；蛑T如纖維的其它材料來在壓裂中進(jìn)行非均質(zhì)支撐劑分布的方法。聚合物被注入地下巖層中，且隨后在井底條件下發(fā)生化學(xué)反應(yīng)例如水解，從而導(dǎo)致陽離子聚電解質(zhì)或陰離子聚電解質(zhì)的形成?；蛘?，通過例如霍夫曼降解或曼尼希反應(yīng)在井底合成所述聚電解質(zhì)。所述聚電解質(zhì)充當(dāng)絮凝劑，并且提供諸如沙子、云母、石英粉、陶瓷等固體微粒的聚集，從而導(dǎo)致裂縫深處形成支撐劑微柱。還提供用以增強(qiáng)受控絮凝的架橋及其它應(yīng)用的纖維聚集方法。
文檔編號E21B43/22GK102892973SQ201080066776
公開日2013年1月23日 申請日期2010年4月27日 優(yōu)先權(quán)日2010年4月27日
發(fā)明者S·M·瑪卡里切維米克海洛, V·K·克萊斯金 申請人:普拉德研究及開發(fā)股份有限公司