专利名称：保持地层渗透性和防止粘土膨胀的方法
技术领域：
本发明涉及为了增产油、气和其它地层流体的地层水力压裂，特别涉及所述地层的渗透性的保持。本发明包括对地下粘土的处理以防止主要由于从强化流体中吸收水和/或胶凝剂引起的膨胀。本发明特别涉及使用某些化学剂以防止粘土就地膨胀。
在Himes和Vinson的美国专利4，842，073号中有对本申请提到的问题的充分描述。如其中所描述的，地层中通常存在的粘土和微粒不会阻碍所需的烃类流经地层，除非它们受干扰，典型地是与作为井的增产措施的水性流体接触。当发生这样的接触，则微粒趋向于堵塞地层的毛细通路，而粘土则依据其不同的类型和结构趋向于发生不同程度的膨胀。
业已广泛采用盐类，如氯化钾，来将粘土从钠型通过离子交换转变成难膨胀的钾型;但是，物理方法引入这类盐会给典型地用于强化地层的粘性的聚合物材料的制备带来困难。对由于尝试在压裂处大量地制备相结合的KCl-聚合物组合物的失败或困难导致了Himes/Vinson的发明，如在上述’073号专利中所述的。Himes和Vinson建议用多种较高分子量的铵、吗啉和吡啶鎓的卤化物作为阳离子交换粘土的钠。他们描述了当这类阳离子化合物与强化或处理流体，如聚合物、胶凝剂等等的水溶液，结合使用时，粘土膨胀减低，地层渗透性得到保持。但是，Himes和Vinson所述的组合物通常具有较低的电荷密度，因而是无效的;而且，许多用于粘土处理的化合物在溶液的制备和使用过程中产生不希望有的泡沫。
我们的发明也能有效地解决Himes和Vinson在美国专利4，974，678中所述的困难，例如压裂流体中的多糖类被存在于地层中的粘土吸收。
我们发现地下地层的渗透性可以得到保持-即，可以防止地层中存在的或压裂过程中产生的微粒堵塞毛细裂缝并可以阻止粘土膨胀以及减慢流体流动-通过在压裂流体中包含有效量的具有以下结构式的二甲基二烯丙基铵盐
式CH2＝CH-CH2-N+(CN3)3X-的三甲基烯丙基铵盐或其中X可以是任何适于地层的阴离子，较好是卤化物，最好是氯化物;使用相应的三烯丙基和四烯丙基铵化合物也属于本发明。这样，我们的发明采用通式(CH2＝CH-CH2)nN+(CH3)4-nX-的化合物，其中X如上定义而n是1到4的整数。目前我们优选的化合物是二甲基二烯丙基氯化铵，但X可以是任何卤素。考虑到它们的分子量，我们的烯丙基季盐具有高的电荷密度，这是本申请所希望的。烯丙基基团影响分子的阳离子电荷强度;而且，每个烯丙基团分子中少两个氢，更增加了关于到分子量的电荷密度。
如在以上参考的Himes和Vinson的专利中所述的，可能存在于地层中和/或引起困难的粘土包括蒙脱石(蒙皂石)类，如蒙脱石、皂石、绿脱石、锂皂石和锌皂石;高岭石类，如高岭石、珍珠石、迪开石和埃洛石;水云母类(hydrousmicagroup)，如蛭间黑云母、海绿石、伊利石和钠伊利石(bramalite);绿泥石类，如绿泥石和鲕绿泥石，以及其它还有蛭石、坡缕石和海泡石以及上述各种矿物和各类的混合层。在此引入Himes和Vinson的4，842，073号专利的整个说明书作为参考，同时应当明白本发明适用于’073号专利中所描述的各种条件和环境。
我们所采用的烯丙基铵盐可以以有效量与水性压裂流体混合从而能实质上稳定地层，阻止了由于与水性压裂流体接触导致的地层渗透性受损。地层控制添加剂烯丙基铵盐一般以占压裂流体的至少约0.05重量百分比的量与水性压裂流体混合。较好的是地层控制添加剂以占水性压裂流体的约0.1到约5重量百分比的量存在;最好为约0.2%到约1%。实际量可通过估计地层中的粘土量来确定，地层中的粘土量采用工艺上已知的标准样芯流动试验中的代表性样芯来估计。
烯丙基铵盐可以在流体与地下地层接触之前的任何时候与压裂流体混合。当烯丙基铵盐能容易地以液体溶液得到时，它能毫不困难地与水性压裂流体成分在胶凝剂水合之前或之后相混合。目前最常用的胶凝剂是多糖类，特别是天然瓜耳胶、羟丙基瓜耳胶、羟乙基纤维素和黄原胶，而我们的处理剂可与任何和全部这些物质相容。多糖或其它胶凝剂典型地用于烃溶剂中以形成一种“液态胶凝浓缩物”。我们的烯丙基季盐也能与这些浓缩物相容。
我们的发明将结合某些实施例和附图来描述，其中
图1表示将单体的二甲基二烯丙基氯化铵与另外三种KCl替代物比较的毛细吸入试验的结果;图2、3、4和5表示采用四甲基氯化铵的标准样芯试验结果，图6是对二甲基可可胺的类似试验，而图7表示用我们采用的物质二甲基二烯丙基氯化铵的相似的样芯试验的结果。
作为我们的发明可以用于代替或多或少的常规的KCl处理以防止地层压裂中的粘土膨胀的表证，是在毛细吸入试验中，对我们的二烯丙基二甲基氯化铵与蒸馏过的二甲基可可胺的50%的溶液进行比较。
如在现有工艺上已知的，毛细吸入试验采用充注流体的圆柱体，用通过其轴环的吸水纸来终止。用它来测定流体在吸水纸上的迁移速率(通过标度距离的时间)，首先在圆柱体中只充注处理流体时测定，其次再在它包含固体物时测定。固体物趋向于累积在吸水纸上从而降低流动速率，以此来作为比较;有或没有固体物的流速与标准吸水纸产生的毛细压力成比例。Underdown和Conway在1990年2月22-23日在路易斯安那州的Lafayette举行的SocietyofPetroleumEngineersSymposiumonFormationDamageControl上发表的标题为“MininizeFormationDamagebyRapid/Inexpen-siveMethodofCompletionandStimulationFluidSetection”的文章中对该试验有详细的描述;参见SPE出版物19432。
实施例Ⅰ用研钵和碾槌将Berea砂石样品碾碎，直到它们能通过40目筛，得到大量样芯材料。等分试样成3.75g，将每一等分加到75ml碱性流体中并在Waring混合器中低速搅拌30分钟。以秒为单位测定毛细吸入时间三次，平均值列于表Ⅰ中。
表Ⅰ浓度 TMBQ*TMAC**PCS***DMDAAC@(v/v%)044.344.344.344.3049.349.349.349.30444444440.214.414.219.315.40.213.914.42115.60.212.213.520.414.70.4131115.613.6
0.414.511.118.113.90.412.711.114.311.90.610.813.716.614.50.611.713.915.114.50.611.213.915.7160.813.215.114.113.70.813.516.11916.50.812.210.91514.2114.213.816.512.3112.915.617.112.6113.714.414.313.1＊三甲基苯基氯化铵＊＊四甲基氯化铵＊＊＊25%的聚(二甲基二烯丙基氯化铵)溶液＠二甲基二烯丙基氯化铵作为比较，用KCl和氯化铵对相同的Berea样芯材料进行类似的试验，如表Ⅱ所示。在图1中将这些结果描绘成图。
表Ⅱ浓度 KCl NH4(w/v%)0.12516.413.80.12513.613.20.1251413.20.2514.813.40.2513.113.10.2512.4130.513.812.9
0.513.112.60.514.412.5112.412.7112.513.5113.112.9213.712.2212.212.3213.813从表Ⅰ和表Ⅱ的结果可以看出，二甲基二烯丙基氯化铵表现出至少与任何标准物质一样好的性能，而且它还具有不产生任何泡沫和其它不利反应的优点。
进行类似的实验可证实我们的材料在很低浓度下的效果实施例Ⅱ在这个实验中，进行上述毛细吸入试验，用40%的DMDAAC溶液与50%的DMCD溶液进行比较，结果列于表Ⅲ。
表ⅢDMDAAC50%DMCD浓度时间浓度时间(gal/1000(gal/1000galgal)0.015180.03012.80.2514.40.03012.80.5013.90.06312.51.0012.10.12513.52.0010.30.25020.6新鲜水20.40.50028.02%KCl13.8
1.00026.82.00036.9新鲜水25.02%KCl13.8这些结果是让技术熟练者感到惊讶的，因为很低浓度的DM-DAAC能明显地缩短毛细吸入时间。
实施例Ⅲ以下步骤用于下面记载的样芯流动试验。Berea样芯材料中掺入3%NaCl。然后将样芯材料修整并加入Hassler套筒中。在75F，环形套筒的压力升高到1000psi封闭压力。用高压Bechman双缸泵泵入精炼过的脱味矿物油，它被移入置换容器以通过样芯材料泵入盐水和处理液。采用一歧管和阀装置使得在改变流体时能通过样芯材料表面泵入流体，从而确保流体彻底交换。所有的流体在进入样芯材料之前先通过两个在线的0.5μ纳普纶(nupro)过滤器。将回压调节器置于100psi以保持恒定的样芯材料细孔压力。这个试验的顺序先是3%NaCl，接着是KCl替代物，随后用3%NaCl恢复渗透性。所有的流体从相同方向泵入。
进行样芯材料流动试验来比较40%DMDAAC与50%DMCD和50%TMAC。附图2、3、4和5是关于TMAC;图6是DMCD的结果以及图7是DMDAAC。
权利要求
1.一种处理地下地层的方法，包括将地下地层与处理流体的水溶液接触，处理流体含有有效量的地层控制添加剂，包括至少一种式(CH2=CH-CH2)nN+(CH3)4-nX-的化合物，式中X是任何不与地层或处理流体发生有害反应的阴离子，n是1到4的整数，从而减低了由于水性流体与地层接触导致渗透性的损害。
2.如权利要求1的方法，其特征在于，其中所述的地层控制添加剂是以至少占处理流体的约0.05重量%的量存在。
3.如权利要求1的方法，其特征在于，其中所述的地层控制添加剂占处理流体的约0.1到约5重量%的量存在。
4.如权利要求1的方法，其特征在于，其中所述的地层控制添加剂占处理流体的约0.2重量%到约1重量%的量存在。
5.如权利要求1的方法，其特征在于，其中处理流体包括一胶凝剂以增加处理流体的粘度。
6.如权利要求1的方法，其特征在于，其中X-是卤素。
7.如权利要求1的方法，其特征在于，其中X-是氯。
8.如权利要求1的方法，其特征在于，其中地层控制添加剂是二甲基二烯丙基氯化铵。
9.如权利要求1的方法，其特征在于，其中地层控制添加剂是甲基三烯丙基氯化铵。
10.如权利要求1的方法，其特征在于，其中地层控制添加剂是烯丙基三甲基氯化铵。
11.如权利要求1的方法，其特征在于，其中地层控制添加剂是四烯丙基氯化铵。
12.一种从含粘土的地下地层中增产烃类产量的方法，其特征在于，包括制备一种水性处理流体，它包括一种水性流体、一种选择的胶凝剂和一种式(CH2＝CH-CH2)nN+(CH3)4-nX-的地层控制添加剂，式中X是卤素和n是1到4的整数，并且在通过所述流体引起在所述地层中产生至少一个压裂的条件下，用所述水性处理流体接触所述地层，从而促进了以后的烃类生产，所述地层控制添加剂以有效量存在于所述处理流体中，从而减低了由于处理流体中的水性流体与地层中的粘土接触导致的渗透性的损害。
13.如权利要求12的方法，其特征在于，其中所述地层控制添加剂以占所述水性处理流体约0.05重量%以上的量存在。
14.如权利要求12的方法，其特征在于，其中所述地层控制添加剂以占所述水性处理流体的约0.1到约5重量%的量存在的。
15.如权利要求12的方法，其特征在于，其中所述地层控制添加剂是二甲基二烯丙基氯化铵。
16.如权利要求12的方法，其特征在于，其中所述地层控制添加剂是烯丙基三甲基氯化铵。
17.如权利要求12的方法，其特征在于，其中所述地层控制添加剂是甲基三烯丙基氯化铵。
18.如权利要求12的方法，其特征在于，其中所述地层控制添加剂是四烯丙基氯化铵。
全文摘要
在增产烃类流体生产中抑制地下粘土膨胀和迁移，及其措施，其方法是通过用式(CH
文档编号C09K8/60GK1078290SQ9310151
公开日1993年11月10日 申请日期1993年2月12日 优先权日1992年2月13日
发明者托德·R·托马斯, 凯文·W·史密斯 申请人:清水股份有限公司