压裂流体和处理含烃地层的方法

压裂流体和处理含烃地层的方法
【专利摘要】这里公开了一种压裂流体，其包含携带流体；可溶于该携带流体的聚合物；该聚合物是合成聚合物；该合成聚合物用于将该携带流体的粘度增加到约5-约50厘泊；该压裂流体用于降低井下压裂作业期间的摩擦和在井下压裂作业期间传输支撑剂。
【专利说明】压裂流体和处理含烃地层的方法
[0001] 交叉参考的相关申请
[0002] 本申请要求2012年6月29日提交的美国申请13/537800的权益，其在此以其全 部引入作为参考。
[0003] 发明背景
[0004] 水力压裂通过产生新的裂缝和促进包含在地下区域中的现有孔和自然通道的连 通性，而增加流体（例如烃等）从地下区域的流动。水力压裂是一种方法，通过其将压裂流 体以高于岩石的分离压力的压力泵送，来在地下区域中产生裂纹或裂缝。该压裂流体产生 或扩大了地下区域中的裂缝，并且悬浮于该压裂流体中的微粒支撑剂材料可以泵入所产生 的裂缝中。这种方法也称作"压裂填充"。随着更多的流体和支撑剂引入到地层中，所产生 的裂缝持续增大。
[0005] 支撑剂以可透过的"填料"的形式保留在裂缝中，其用于保持打开或"支撑"裂 缝打开。在放置了支撑剂材料之后，该压裂流体可以如下来"破坏"和回收：加入破碎剂 (breaker)或者使用已经存在于该压裂流体中的延迟的破碎剂系统，来促进压裂流体粘度 的降低。流体粘度的降低以及流体从所产生的裂缝中泄露入地层的可透过区域中，允许在 处理后支撑剂上的裂缝闭合。通过保持裂缝打开，该支撑剂提供了高传导路径，用于烃和/ 或其他地层流体流入钻井中。
[0006] 减水阻压裂（slickwater fracturing)是在增产非常规地层中所用的一种处理类 型。由于极低的地层渗透率，所以通常不关注流体泄露。在减水阻水力压裂方法期间，泵速 通常非常高，来帮助促进支撑剂在地层中的放置以及同时使用低粘度流体。在这样的流体 速度时，压裂流体中的支撑剂可能是高度摩擦性的，这导致了压力装置使用寿命的降低。另 夕卜，该压裂装置的不同部件之间的摩擦会产生该装置的磨损。所以令人期望的是降低压裂 期间该装置上的磨损。瓜尔胶经常被用于增加压裂流体的粘度，来降低磨损量。线性聚合 物形式的大量瓜尔胶被用于这个目的。
[0007] 作为天然存在的材料，瓜尔胶是一种有限的天然资源，对其的需求在近年内显著 增加。除了明显的供给局限之外，瓜尔胶基压裂流体也受到其他明显的缺点的限制，包括但 不限于瓜尔胶聚合物的水合局限、地层损坏，即不期望的支撑剂材料涂层和/或带有瓜尔 胶聚合物或残留物的地层表面，和在某些类型的压裂应用中在升高的温度该瓜尔胶聚合物 的不稳定性。
[0008] 所以令人期望的是提供市售的瓜尔胶基压裂流体的一种替代选项，其解决上述与 这些瓜尔胶基压裂流体有关的问题中的一种或多种。


【发明内容】

[0009] 这里公开了一种压裂流体，其包含携带流体；可溶于该携带流体的聚合物；该聚 合物是合成聚合物；和该合成聚合物用于将该携带流体的粘度增加到约5-约50厘泊；该 压裂流体用于降低井下压裂作业期间的摩擦和在井下压裂作业期间传输支撑剂。
[0010] 这里还公开了一种处理含烃地层的方法，其包括：将携带流体与聚合物混合以形 成压裂流体，该压裂流体的粘度是约5-约50厘泊；该聚合物是合成聚合物；和将该压裂流 体排入含烃地层中的井下裂缝中，其中该压裂流体用于降低含烃处理作业期间的摩擦。

【专利附图】

【附图说明】
[0011] 为了详细理解本发明，应当参考下面的详细说明，以及参考附图，附图中类似的元 件通常用类似的附图标记来表示，其中：
[0012] 图1的图显示了对于在水中不同浓度的a)瓜尔胶和b)合成聚合物，相对于时间 的动态水合粘度；
[0013] 图2的图显示了对于在水中的合成聚合物，相对于时间的在45° F和80° F温度 时的动态水合粘度；
[0014] 图3的图显示了当与含有合成聚合物的压裂流体接触时，模拟的裂缝表面的有效 渗透率；和
[0015] 图4的图显示了当与含有瓜尔胶的对比压裂流体接触时，模拟的裂缝表面的有效 渗透率。

【具体实施方式】
[0016] 减水阻压裂是在增产非常规地层中所用的一种处理类型。由于极低的地层渗透 率，所以通常不关注流体泄露，和因此低粘度流体可以用于减水阻压裂。在减水阻压裂方法 期间，泵速通常非常高，来帮助防止支撑剂在流体中沉降。当以这样的高速率或速度泵送 时，在地表管道以及钻井内的流体流动期间产生了高摩擦压力。将高分子量合成聚合物加 入到该减水阻压裂流体中，作为摩擦降低剂来降低这样的流体流动摩擦。控制该合成聚合 物摩擦降低剂的浓度，以使得流体粘度小于2厘泊（cP)。较高浓度的摩擦降低聚合物来导 致高于3厘泊的粘度，这经常产生增加的摩擦，其违背了将摩擦降低剂用于减水阻压裂应 用中的目的。在这样的流体速度时，压裂流体中的支撑剂可能是高摩擦性的，这导致了压裂 装置使用寿命的降低。另外，该压裂装置的不同部件之间的摩擦会产生该装置的磨损。通 过加入聚合物来增加该压裂流体的粘度，甚至在相对低的粘度时，也有助于可能泵送该压 裂流体且降低支撑剂沉降，且因此降低了这种磨损效应和由此降低了摩擦和装置磨损。
[0017] 这里公开的是一种压裂流体，其包含聚合物和携带流体。在一个实施方案中，该聚 合物是合成聚合物（即它是人造聚合物），并且能够快速溶解在携带流体中，由此增加该携 带流体的粘度，来降低水力压裂方法中所用的压裂装置的不同部件之间的摩擦。
[0018] 在一个示例性实施方案中，该压裂流体主要降低该聚合物溶解在携带流体中的初 期期间以及后续阶段期间该压裂装置的部件之间的摩擦。它还防止了在该聚合物溶解在携 带流体中的后续阶段期间，支撑剂从溶液中沉降出来（相分离）。该聚合物快速溶解到携 带流体中的能力使得预溶解程序和水合装置的使用最小化，因此降低了资金成本和维护成 本。这种快速的溶解能力还允许携带流体在井下传输支撑剂，同时允许在传输到裂缝的同 时，它们在携带流体中保持浆状（即从溶液中沉降或析出减少）。在一个示例性实施方案 中，该压裂流体在该聚合物引入携带流体之后10-40秒内达到了它的最大粘度，其允许在 较低泵速时，降低支撑剂在流体内的沉降，和允许降低该压裂装置不同部件之间的摩擦。
[0019] 该聚合物可溶于携带流体中，例如含水介质如水或减阻水（slickwater)中来形 成压裂流体。在一个示例性实施方案中，该聚合物是有机水溶性合成聚合物（即它是人造 聚合物）。除了该合成聚合物之外，该聚合物可以包含天然存在的聚合物。"天然存在的"聚 合物是来源于生物例如动物、植物、微生物等的聚合物。该聚合物因此可以包含天然存在的 聚合物，只要它与该合成聚合物共混或共聚就行。
[0020] 在一个实施方案中，该聚合物还包含不稳定基团，其可以通过活化而分解。不稳定 基团的分解允许降低压裂流体的粘度，以及在通过裂缝中的支撑剂建立了传导路径之后， 允许将它从裂缝中除去。该传导路径允许从裂缝中提取烃。
[0021] 该聚合物可以包含聚合物的共混物、共聚物、三元共聚物、低聚物、均聚物、嵌段共 聚物、交替嵌段共聚物、无规共聚物、无规嵌段共聚物、接枝共聚物、星形嵌段共聚物、树状 聚合物、离聚物、三元共聚物、弹性体、聚合电解质等，或者包含前述聚合物中至少一种的组 合。
[0022] 在一个实施方案中，该聚合物可以是线性聚合物、支化聚合物或交联聚合物。在另 一实施方案中，该聚合物可以包含两种或更多种合成聚合物的共混物或者两种或更多种合 成聚合物的共聚物。例如，该聚合物可以包含第一合成聚合物和第二合成聚合物，其一起共 混或其一起共聚。共聚可以包括共价键和/或离子键。在一个实施方案中，第一合成聚合 物是亲水的，而第二合成聚合物是疏水的。在又一实施方案中，该聚合物可以包含合成聚合 物和天然存在的聚合物的共聚物，其中该天然存在的聚合物可以是亲水的或疏水的。
[0023] 在一个实施方案中，该聚合物是水溶性聚合物。水溶性聚合物的例子是聚丙烯 酸酯、聚丙烯酰胺、聚乙酸乙烯酯、聚乙烯基乙酰胺、聚乙烯醇、中和的和未中和的聚合物 酸（例如中和的和未中和的聚丙烯酸、中和的和未中和的聚磺酸、中和的和未中和的聚苯 乙烯磺酸等）、聚二烯丙基二甲基氯化铵、聚（甲基丙烯酸1-甘油酯）、聚（2-二甲基氨基 乙基甲基丙烯酸酯）、聚（2-乙基-2-噁唑啉）、聚（2-羟乙基甲基丙烯酸酯/甲基丙烯 酸）、聚（2-羟丙基甲基丙烯酸酯）、聚（2-甲基丙烯酰氧基乙基三甲基卤化铵）、聚（2-乙 烯基-1-甲基吡啶鑰卤化物）、聚（2-乙烯基吡啶N-氧化物）、聚（2-乙烯基吡啶）、聚 (3-氯-2-羟丙基-2-甲基丙烯酰氧基乙基二甲基氯化铵）等，或者包含前述水溶性聚合物 中至少一种的组合。
[0024] 在一个实施方案中，该聚合物可以包含前述水溶性聚合物中的一种或多种和疏水 性合成聚合物，只要所形成的聚合物可溶于携带流体就行。在一个示例性实施方案中，该聚 合物可以包含前述水溶性聚合物中的一种或多种和疏水性合成聚合物，只要所形成的聚合 物可溶于含水携带流体就行。前述水溶性聚合物可以与该疏水合成聚合物共聚或共混。
[0025] 疏水合成聚合物的例子是聚缩醛、聚烯烃、聚碳酸酯、聚苯乙烯、聚酯、聚酰胺、聚 酰胺酰亚胺、聚丙烯酸酯、聚芳砜、聚醚砜、聚苯硫醚、聚氯乙烯、聚砜、聚酰亚胺、聚醚酰亚 胺、聚四氟乙稀、聚醚酮、聚醚醚酮、聚醚酮酮、聚苯并卩惡挫、聚苯酞（polyphthalides)、聚 缩醛、聚酐、聚乙烯基醚、聚乙烯基硫醚、聚乙烯基酮、聚卤乙烯、聚乙烯基腈、聚乙烯基酯、 聚磺酸酯、多硫化物、聚硫酯、聚砜、聚磺酰胺、聚脲、聚磷腈、聚硅氮烷、聚对苯二甲酸乙二 醇酯、聚对苯二甲酸丁二醇酯、聚氨酯、聚四氟乙烯、聚氯三氟乙烯、聚偏氟乙烯、聚噁二唑、 聚苯并噻唑并吩噻嗪、聚苯并噻唑、聚吡唑并喹喔啉、聚均苯四酰亚胺、聚喹喔啉、聚苯并咪 唑、聚羟吲哚、聚氧杂异吲哚啉、聚二氧杂异吲哚啉、聚三嗪、聚哒嗪、聚哌嗪、聚吡啶、聚哌 啶、聚三唑、聚吡唑、聚吡咯烷、聚碳硼烷、聚氧杂双环壬烷、聚二苯并呋喃、聚苯酞、聚缩醛、 聚酐、聚乙烯基醚、聚乙烯基硫醚、聚乙烯基酮、聚卤乙烯、聚乙烯基腈、聚乙烯基酯、聚磺酸 酯、多硫化物、聚硫酯、聚砜、聚磺酰胺、聚脲、聚磷腈、聚硅氮烷、聚硅氧烷、聚烯烃等，或者 包含前述疏水合成聚合物中至少一种的组合。
[0026] 如上所述，该聚合物可以包含合成聚合物和天然存在的聚合物的共混物或共聚 物。天然存在的聚合物的例子包括多糖、多糖衍生物（例如羟乙基瓜尔胶（HEG)、羧甲基 瓜尔胶（CMG)、羧乙基瓜尔胶（CEG)、羧甲基羟丙基瓜尔胶（CMHPG)、纤维素、纤维素衍生物 ((即纤维素的衍生物例如羟乙基纤维素（HEC)、羟丙基纤维素（HPC)、羧甲基纤维素（CMC)、 羧乙基纤维素（CEC)、羧甲基羟乙基纤维素（CMHEC)、羧甲基羟丙基纤维素（CMHPC))、刺梧 桐胶、槐豆、果胶、黄芪胶、阿拉伯胶、角叉菜胶、藻酸酯（例如藻酸酯的盐、丙二醇藻酸酯 等）、琼脂、结冷胶（gellan)、黄原胶、硬葡聚糖（scleroglucan)等，或者包含前述中至少一 种的组合。
[0027] 该聚合物包含不稳定基团，其可用于通过活化该不稳定基团来促进该聚合物的降 解。令人期望的是该不稳定基团是水溶性的或者以其他方式可溶于该携带流体中。不稳定 基团包括醋基团、醜胺基团、碳酸醋基团、偶氣基团、>硫化物基团、原酸醋基团、缩酸基团、 醚酯基团、醚基团、甲硅烷基基团、膦嗪基团、氨基甲酸酯基团、酯酰胺基团、醚酰胺基团、酸 酐基团及其任意衍生物或组合物。在一些实施方案中，该不稳定连接衍生自低聚物或短链 分子，其包括聚（酸酐）、聚（原酸酯）、原酸酯、聚（乳酸）、聚（乙醇酸）、聚（己内酯）、聚 (羟基丁酸酯）、聚磷腈、聚（碳酸酯）、聚缩醛、聚醚酯、聚酯酰胺、聚氰基丙烯酸酯、聚氨酯、 聚丙烯酸酯等，或者包含前述低聚物或短链分子中至少一种的组合。在一些实施方案中，该 不稳定连接可以衍生自亲水聚合物嵌段，其包含选自下面的至少一种化合物：聚（亚烷基 二醇）、通过聚乙酸乙烯酯水解制造的聚（醇）、聚（乙烯基吡咯烷酮）、多糖、壳多糖、壳聚 糖、蛋白质、聚（氨基酸）、聚（环氧烷）、聚（酰胺）、聚（酸）、多元醇，其任意衍生物、共聚 物或组合。
[0028] 该聚合物可以经由乳液（或反相乳液）聚合制造，来获得高分子量。在乳液聚合 或反相乳液聚合中，将该聚合物悬浮于流体中。在一个实施方案中，聚合物悬浮于其中的流 体是水。制造和使用乳液形式的聚合物使得它能够作为液体添加剂使用，由此简化了它在 压裂流体中的使用。
[0029] 取决于具体的不稳定基团，该聚合物可以通过氧化、还原、光降解、热降解、水解、 化学降解或微生物降解来降解。聚合物的降解速率至少取决于不稳定基团的类型、组成、顺 序、长度、分子几何形状、分子量、立体化学、亲水性、疏水性、添加剂和环境条件例如温度、 湿气的存在、氧、微生物、酶、pH值等。
[0030] 该合成聚合物的数均分子量是约2, 000, 000-约20, 000, 000,特别是约 10, 000, 000-约 18, 000, 000g/mol。
[0031] 在一个示例性实施方案中，该聚合物（用于压裂流体）是线性合成聚合物，并且包 含聚丙稀酰胺。一种市售的合成聚合物是MaxPerm-20_' K'，可获自Baker Hughes, Inc。
[0032] 在一个实施方案中，该聚合物的用量是约0.01-约20重量百分比（下文称作 "wt % "），特别是约0. 1-约IOwt %，和更特别是约0. 05-约5wt %，基于该压裂流体的总重 量计。
[0033] 在一个实施方案中，令人期望的是该聚合物可溶于含水携带流体。当该聚合物包 含疏水和亲水部分时，令人期望的是该聚合物具有使得它本身在含水携带流体中溶解的整 体结构。为了实现这一点，令人期望的是该聚合物的溶解度参数接近于携带流体，以使得该 聚合物能够快速溶解在携带流体中。
[0034] 在给定的压裂应用中所用的聚合物的化学成分的选择部分地使用该化学成分的 溶解度参数来确定。Hildebrand溶解度参数是数字参数，其表示了聚合物或聚合物组合物 在具体的溶剂中的相对溶解行为。这里该溶剂是携带流体。溶解度参数来源于聚合物的内 聚能密度。由每立方厘米液体的蒸发热（卡），通过下式（1)可以导出内聚能密度（c):

【权利要求】
1. 压裂流体，其包含： 携带流体；和 可溶于该携带流体的聚合物；该聚合物是合成聚合物；该合成聚合物用于将该携带流 体的粘度增加到约5-约50厘泊；该压裂流体用于降低井下压裂作业期间的摩擦和在井下 压裂作业期间传输支撑剂。
2. 根据权利要求1所述的压裂流体，其中该合成聚合物包含不稳定基团，该不稳定基 团用于通过活化该不稳定基团来促进该合成聚合物的降解。
3. 根据权利要求1所述的压裂流体，其中该压裂流体主要降低该聚合物溶解在该携带 流体中的初期期间的摩擦，并且主要降低摩擦。
4. 根据权利要求1所述的压裂流体，其中通过将该聚合物引入到该携带流体，该携带 流体的粘度在约50-约100秒内增加了约100% -约900%。
5. 根据权利要求1所述的压裂流体，其中该携带流体是水溶液。
6. 根据权利要求1所述的压裂流体，其中该携带流体包括淡水、盐水、卤水、海水或者 包含前述中至少一种的组合。
7. 根据权利要求1所述的压裂流体，其中该聚合物是水溶性聚合物。
8. 根据权利要求1所述的压裂流体，这里该合成聚合物包括聚丙烯酰胺、聚乙烯醇、聚 (丙烯酰胺/丙烯酸）、钾盐、聚丙烯酸、聚二烯丙基二甲基氯化铵、聚（1-甘油甲基丙烯酸 酯）、聚（2-二甲基氨基乙基甲基丙烯酸酯）、聚（2-乙基-2-噁唑啉）、聚（2-乙基-2-噁 唑啉）、聚（2-羟乙基甲基丙烯酸酯/甲基丙烯酸）、聚（2-羟丙基甲基丙烯酸酯）、聚（2-甲 基丙烯酰氧基乙基三甲基溴化铵）、聚（2-乙烯基-1-甲基吡啶鑰溴化物）、聚（2-乙烯基 吡啶N-氧化物）、聚（2-乙烯基吡啶）、聚（3-氯-2-羟丙基-2-甲基丙烯酰氧基乙基二甲 基氯化铵）或者包含前述中至少一种的组合。
9. 根据权利要求1所述的压裂流体，其中该聚合物不含瓜尔胶。
10. 根据权利要求1所述的压裂流体，其进一步包含破碎剂，该破碎剂用于活化和促进 该聚合物的分解，其中通过活化该不稳定基团，该压裂流体的粘度降低到2厘泊或更低。
11. 根据权利要求10所述的压裂流体，其中该破碎剂是氧化剂、酸或酶。
12. 根据权利要求1所述的压裂流体，其中在将该聚合物引入到该携带流体约30秒之 后，该压裂流体在环境温度表现出最大粘度等于或大于约8厘泊。
13. 根据权利要求1所述的压裂流体，其中在该聚合物首先与该携带流体接触之后约 30秒，该压裂流体达到该携带流体中给定浓度的该聚合物能够达到的最大粘度的约85% 或更大，其中该最大粘度在约45° F测量。
14. 根据权利要求1所述的压裂流体，其中该聚合物的存在量是约0. lwt % -约 10wt%，基于该压裂流体的总重量计。
15. 根据权利要求1所述的压裂流体，其中该聚合物进一步包含天然存在的聚合物；和 其中将该天然存在的聚合物与该合成聚合物共聚。
16. 根据权利要求1所述的压裂流体，其中该聚合物进一步包含天然存在的聚合物；和 其中将该天然存在的聚合物与该合成聚合物共混。
17. 根据权利要求1所述的压裂流体，其中该压裂流体用于增产处理、压裂处理、酸化 处理、降低摩擦作业或井下完井作业。
18. 根据权利要求1所述的压裂流体，其中该压裂流体是凝胶、浆料或者前述中至少一 种的组合。
19. 处理含烃地层的方法，其包括： 将携带流体与聚合物共混以形成压裂流体，该压裂流体的粘度是约5-约50厘泊；该聚 合物是合成聚合物；和 将该压裂流体排入该含烃地层中的井下裂缝，其中该压裂流体用于降低含烃处理作业 期间的摩擦。
20. 根据权利要求19所述的处理含烃地层的方法，其中该合成聚合物包含不稳定基 团，该不稳定基团用于通过活化该不稳定基团来促进该合成聚合物的降解。
21. 根据权利要求19所述的处理含烃地层的方法，其进一步包括分解该聚合物和从该 含烃地层除去该聚合物。
【文档编号】E21B43/26GK104508239SQ201280074890
【公开日】2015年4月8日 申请日期:2012年7月12日 优先权日:2012年6月29日
【发明者】孙宏, F·德贝奈迪克提斯, 周佳, S·聂尔森, T·N·罗伊茨, 渠祁 申请人:贝克休斯公司