专利名称：在高盐度条件下在水力压裂以及挠性管应用中实现改进的摩擦减低的方法
技术领域：
本发明涉及ー种在高盐度条件下在水力压裂以及挠性管应用中实现改进的摩擦减低的方法。
背景技术：
近十年来在美国已经有ー些极其大的并且重要的天然气的发现。所讨论的气体作为页岩气是已知的并且包含在所谓的页岩储集层中，其中最重要的之一是北德克萨斯的福特沃斯盆地的巴涅特页岩(Barnett Shale)。巴涅特页岩的成功开发进而导致了相似储集层的进ー步开发，其结果是巨大的遍及美国以及还有加拿大的页岩气的新发现。在这些页岩气储集层中最重要的是费耶特维尔页岩、斯维尔页岩、伍德福德以及马塞勒斯/泥盆纪页岩，后者从纽约州延伸至田纳西州，绵延数百英里。据估计，这些发现仅在过去的四年中就已将美国的天然气储量推进了高达60%。的确，页岩气定会是在接下来的几十年内修正美国能源政策的主要驱动因素。例如，美国能源情报署(US Energy Information Administration)现今预言，从 2008 年至 2035年接近50%的所有新增发电厂将会通过燃烧天然气来驱动。然而重要的是应认识到，若没有引入在巴涅特页岩中开拓的几种新的增产技木，将不可能有低滲透性页岩气区的成功开采。由于这些新技术的結果，据估计巴涅特页岩在1998年与2007年之间经历了超过3000%的增长速度。这些新技术中最重要的是水平钻井 以及减阻水水力压裂，将它们一起使用已经使得页岩区的开发是经济上可行的。水平钻井的井现已是标准惯例，其中每个井分多个级被压裂。一次典型的压裂作业可能包括每个井六到九个压裂阶段并且可能包括注入多达五百万至一千万加仑的水作为压裂流体。在高压下极其迅速地注入这ー庞大体积的水引起了页岩的压裂，由此导致了结构的滲透性的显著增加，而这又允许了对捕获的页岩气进行回收。标准惯例是用ー种聚合的摩阻减低剂以减小将这种水迅速注入到该页岩结构中所要求的液压马力。使用作为摩阻减低剂已知的此类聚合物可以将由于流体内的内摩擦引起的压カ损失减小高达70%。典型地，这些聚合物是具有30mOl%范围内的阴离子度(anionicity)的阴离子带电的聚丙烯酰胺共聚物。由于水力压裂的迅速生长，并且每个断裂典型地消耗了数百万加仑的水，已经出现了对于允许这些页岩区的持续经济发展足量的新鮮水的即时可得性的担心。鉴于这种新鮮水的潜在短缺，日益清晰的是压裂流体未来将会逐渐地基于包含显著量的溶解盐的水体。的确，这种情况已经在许多地区存在。
US 5 067 508专利披露了使用ー种水溶性聚合物作为含盐流体中的摩阻减低剂。已经提出了宽范围的天然气以及合成的聚合物，并且在含盐流体中的盐含量不超过45mg/
し在这ー背景下，业界正在要求在高盐水中有效地起作用的摩阻减低剂，其中的一些可以包含范围在100，000mg/l，或甚至500，000mg/l总溶解的固体内的溶解的盐(即，按重量计10% -50%的总的盐浓度)。以下描述的本发明包括一种聚合物摩阻减低剂，它在此种非常高的盐度下给出了优异的性能
发明内容
出人意料地已经发现，在减阻水水力压裂作业的情况下(其中注入流体具有的总溶解盐(TDS)浓度是高于100，000并且更优选地高于150，000mg/l)，在泵送作业过程中使用低电荷的或优选非离子的聚合物作为摩阻减低剂提供了改进的摩擦减低水平。类似地，对于那些挠性管修井作业(它们进而涉及使用高密度、高盐度的盐水)，已经发现，出乎意料有利的是利用非离子或低电荷的聚合物作为摩阻减低剂。进行挠性管修井作业以修复亦或增产已有的生产井从而恢复、延长或提高生产。这些技术包括水力压裂以及井眼清洗；两者均从加入摩阻减低剂中得益。因此，本发明在广义上提供了一种用于在油田以及气田应用中(例如水力减阻水压裂以及挠性管修井作业)获得增强的摩擦减低水平的方法，其中可能出现非常高盐度的盐水条件。确切地说，提高的摩擦减低水平来自在具有高盐度的盐水(例如在完井液中使用的高密度氯化钙)中通过使用小量加入的低电荷(并且优选无电荷)的水溶性高分子量聚合物中观察到的出乎意料的高的摩擦减低水平。
图I和图3示出了当该摩阻减低剂是ー种现有技术的共聚物(丙烯酸/丙烯酰胺的共聚物)或本发明的聚合物(丙烯酰胺的均聚物)时，在CaCl2I水(500，000mg/L)中摩阻减低百分比随时间的变化。图2示出了当该摩阻减低剂是本发明的聚合物(丙烯酰胺的均聚物)时，在CaCl2盐水(400，000mg/L)中摩阻减低百分比随时间的变化。图4-图7示出了当该摩阻减低剂是本发明的聚合物(丙烯酰胺的均聚物)时，在NaCl盐水(110，000至350，00011^/1)中摩阻减低百分比随时间的变化。图8和图9示出了当该摩阻减低剂是本发明的聚合物(丙烯酰胺的均聚物)吋，在KCl盐水(110，000至350，000mg/L)中摩阻减低百分比随时间的变化。图10示出了当该摩阻减低剂是本发明的聚合物(丙烯酰胺的均聚物)时，在NaCVCaCl2I水(110，000mg/L)中摩阻减低分比随时间的变化。
具体实施例方式本发明的方法适合于处理非常高盐度的减阻水流体系统，从而导致提高的摩擦减低水平，显著地优于使用常规的摩阻减低剂所达到的摩擦减低水平。该非常高盐度的注入流体具有的总溶解盐(TDS)的浓度是高于100，000mg/l，优选地高于150，000mg/l。在众多油田以及气田的应用中，摩擦的减低是一个正在发展的问题。在减低高压泵送作业中的摩擦的努力中，已经使用不同的聚合物化合物的添加剂实现了不同程度的成功。近年来，用于油田中的摩擦减低的エ业标准是ー种具有接近1500万分子量的丙烯酰胺-丙烯酸钠共聚物(70 30摩尔比)。在致密气(tight gas)中使用的典型的增产技术使用水作为主要的运输流体并且结果是由于和高泵送速率有关的摩擦压カ损失而遇到了高的注入压カ、这些高摩擦损失诱导的压カ总体上可以通过加入非常低浓度的高分子量的常规摩阻减低剂来实现，在行业中通常称为减阻水流体系统。
用于这些减阻水作业的容量，以及注入发生时所处的速率，水力压裂的每个级要求大量的水来完成。然而，对于这些减阻水压裂作业，由于多种因素(包括位置以及环境法规)，新鮮的供水并不总是可容易得到的；通过本发明，一种之前不适合的水资源(回水以及它们的共混物)现在变成了用于减阻水压裂的一种可行的选择。该回水主要由返回到地表的压裂流体连同一些采出水組成。这种注入的压裂流体(典型地包含新鮮水)易于溶解结构中的盐，由此向回收的水给予其盐度。高盐度的水来自-原生水，它表示在岩石的形成过程中岩石的孔内夹带的水。它可以是稠密的并且含盐的；-采出水，ー种普遍非常咸的天然发生的(结构)水；以及-为提供増加的液压而在挠性管应用(例如井眼清洗)中使用的合成的高密度盐水。在任何减阻水压裂作业的过程中，大量的水被注入到结构中。这种水最终与来自结构中的气体一起流回地表。回水典型地包括(除其他之外)来自结构中的高浓度的盐并且在处置之前必须经受多个昂贵的处理。本发明的ー个目的是利用这种回水作为对用于减阻水压裂作业的新鮮/地表水的替代或部分替代。在减阻水压裂中使用回水的主要缺点在于非常高的盐浓度显著地降低了常规摩阻减低剂的效力。由于更高的密度以及动态粘度，还产生了増加的注入压力。出人意料地，现已发现包括非离子以及低离子电荷的聚合物的摩阻减低剂在非常高的盐度存在时提供了超过常规使用的减低摩擦的化合物的显著改进，这些化合物是例如在采出水以及修井流体中发现的那些。本发明涉及ー种用于减低水力压裂作业中的流体流动摩擦的方法，包括将ー种压裂流体注入到一个导管中的步骤，其中所述压裂流体是ー种水溶液，该水溶液包括至少ー种水溶性的、含有小于IOmol %、优选小于7mol%的一种或多种离子单体的(共)聚合物。此外，该方法的水溶液包括的总溶解盐(TDS)的浓度是至少100，000mg/L至达到该水溶液对于盐而言变得饱和时所处的盐浓度。通过水力压裂作业，意思是如以上描述的在油田以及气田中的减阻水水力压裂作业连同挠性管修井作业。适合用于本发明的方法以及组合物的(共)聚合物的类型优选是非离子的或包含小于IOmol %，优选地小于7mol %的阴离子単体。它们广泛地包括任何类型的水溶性(共)聚合物，如该术语在本领域内使用的，包括任何非离子的、阴离子的、阳离子的、或两性的聚合物(包含阴离子以及阳离子单体两者的共聚物)。适当的(共)聚合物可以是容易进行加成聚合作用的こ烯基加成或烯键式不饱和单体的均聚物或共聚物。在根据本发明的方法中使用的水溶液中包含的水溶性(共)聚合物可以包括a)选自以下非离子单体的至少ー种単体，这些非离子单体是基于丙烯酰胺、丙烯酸的、こ烯基、烯丙基或马来酸的骨架并且具有一个极性非离子侧基，该侧基是丙烯酰胺、甲基丙烯酰胺、丙烯酸的羟基烷基酷、甲基丙烯酸的羟基烷基酷、N-こ烯基吡咯烷酮、N-乙烯基甲酰胺、甲基丙烯酸聚こニ醇酯，等等。在一个优选的实施方案中，该非离子的单体是丙烯酰胺；b)以及，任选地 (i)至少ー种阴离子単体，该阴离子単体是基于丙烯酰胺、丙烯酸的、こ烯基、烯丙基或马来酸的骨架并且具有一个羧酸官能团(例如丙烯酸、甲基丙烯酸以及它们的盐)，或具有一个磺酸官能团(例如烯丙基磺酸以及2-丙烯酰氨基-2-甲基丙烷磺酸(AMPS)以及它的盐)；和/或(ii)至少ー种阳离子単体，该阳离子単体是基于丙烯酰胺、丙烯酸的、こ烯基、烯丙基或马来酸的骨架并且具有ー个胺或季铵官能团，具体地可以提及并且这并不限于季铵化的或盐化的丙烯酸ニ甲基氨基こ基酯(ADAME)和/或季铵化的或盐化的甲基丙烯酸ニ甲基氨基こ基酯(MADAME)、季铵化的或盐化的ニ甲基ニ烯丙基氯化铵(DADMAC)、丙烯酰氨基丙基三甲基氯化铵(APTAC)和/或甲基丙烯酰氨基丙基三甲基氯化铵(MAPTAC)；任选地结合有c) ー种疏水的単体，该疏水的单体是基于ー个丙烯酰胺、丙烯酸的、こ烯基、烯丙基或马来酸的骨架，具有一个选自下组的侧基疏水官能团，该组包括丙烯酰胺的衍生物，例如N-烷基丙烯酰胺，例如ニ丙酮丙烯酰胺、异丙基丙烯酰胺、N-叔丁基丙烯酰胺、辛基丙烯酰胺，以及还有N，N-ニ烷基丙烯酰胺，例如N，N-ニ己基丙烯酰胺、N，N-ニ甲基丙烯酰胺，丙烯酸的衍生物，例如丙烯酸或甲基丙烯酸烷基酷。还可使用的是こ烯基単体，例如N-乙 烯基甲酰胺、N-こ烯基こ酰胺、N-こ烯基吡唆、以及N-こ烯基咪唑。本发明的聚合物的分子量范围可以是从100至3000万g/mol。在ー个优选实施方案中，该水溶性(共)聚合物优选地呈现出在500-3000万范围内的分子量，更优选地在1000-2500万的范围内。在一个优选实施方案中，该水溶性共聚物包括小于IOmol %的离子单体。在ー个更优选的实施方案中，它包括小于7mol%的阴离子和/或阳离子的单体。—种甚至更优选的共聚物包括小于5mol%的阴离子和/或阳离子的单体。在一个最优选的实施方案中，本发明的水溶性(共)聚合物是ー种非离子的聚合物。特别优选的(共)聚合物是丙烯酰胺的均聚物、丙烯酰胺与丙烯酸(小于10% mol)的共聚物以及丙烯酰胺与季铵化的或盐化的丙烯酸ニ甲基氨基こ基酯(ADAME)、与季铵化的或盐化的甲基丙烯酸ニ甲基氨基こ基酯(MADAME)、或与丙基三甲基氯化铵(APTAC)(小于10% mol)的共聚物。根据本发明，所使用的水溶性(共)聚合物不要求发展ー种特定的聚合方法。它们可以通过本领域普通技术人员熟知的所有聚合反应技术获得，即，溶液聚合、悬浮聚合、具有或没有共水解或后水解步骤的凝胶聚合、沉淀聚合、乳液聚合(水性或反相乳液)(之后跟随或不跟随有一个喷雾干燥步骤)、胶束聚合(之后跟随或不跟随有ー个沉淀步骤)。该聚合物的优选的形式是作为一种反相乳液或ー种粉末。该反相乳液形式可以是在加入该非常高盐度的流体之前在新鲜的水或盐水中预先水合的(乳液的转相)。将该粉末溶解到新鲜的水或盐水中，优选地使用《聚合物切片单元》(《Polymer Slicing Unit)))(PSU)，如在本专利权人的专利申请WO 2008/107492中所描述的。一种反相乳液典型地是指ー种油包水乳液，并且如所述的，预水合是指在新鮮水或盐水中将反相乳液进行转换的行为，并且由此允许该聚合物在配制成压裂流体之前完全溶解在该水溶液中。 典型地，本发明的水溶性(共)聚合物的用量是按该压裂流体的重量计范围从0.005wt%至O. 3wt%的活性水溶性(共)聚合物，优选是该压裂流体的从O. Olwt %至O. 15wt%。该剂量并不包括已经溶解在回水中的聚合物，因为它可能已经被降解并且不再作为摩阻减低剂有用。此外，该压裂流体包括溶解的盐，其范围是在100，000至500，000mg/L或达到该水溶液对于盐而言变得饱和时所处的盐浓度，以更高者为准。在一个优选实施方案中，该压裂流体包括150，000至500，000mg/L的溶解的盐。溶解的盐可以包括但不限于以下离子钠、镁、钙、钾、锶、钡、氯离子、溴离子、碳酸根、碳酸氢根以及硫酸根。此外，所选择的盐可以有意地加入到该流体中以增加密度或执行一些其他功能，例如粘土稳定化，这些盐可以包括但不限于氯化钠(NaCl)、氯化钾(KCl)、氯化钙(CaCl2)、溴化钠(NaBr)、溴化钙(CaBr2)、溴化锌(ZnBr2)、或它们的混合物。本发明及其优点将从附图以及以下实例中变得更清楚。所示出的实施方案以及实例是为了展示本发明，而并非限制它。准备了以下实例来说明本发明所提供的ー些益处。在此描述的所有摩擦或阻カ减低数据均从在ー个摩擦回路中所进行的试验的过程中收集的数据进行计算。该摩擦回路由ー个高流速的三缸式泵以及管道装备所组成，所希望的盐水从该管道装备中穿过而进行再循环。使用一个质量流量计来实时地测量流体的流速、密度以及温度，连同一个测量在3/8英寸OD (外径)管道的20英尺的区段上的压降的压差传感器。对比实例(CE)这些实例作为在权利要求中所概述的条件下由本发明提供的性能益处的量规而提供。在这些具体的情况下，使一种常规的摩阻减低剂经受非常高浓度的氯化钙盐水(在对比实例I中500，000mg/l)并且经受高浓度的氯化钙盐水(在对比实例2中150，OOOmg/I)。常规的摩阻减低剂是具有1500万/mol的分子量的ー种丙烯酰胺(70mol % )与丙烯酸(30mol% )的共聚物。从使用常规的摩阻减低性聚合物产生的曲线，从图I和图3的曲线形状可以清楚地看到，摩阻减低起始速率受该盐水的高盐度所延迟，如通过该曲线的初始段的小的傾斜度所证明的。在这之外并且最重要的是，所获得的总的摩阻减低也显著地受到抑制，在对比实例I中提供了 15. 8%、并且在对比实例2中提供了 55. 1%的摩擦减低最大值。在对比实例中，摩阻减低剂的剂量是I. O加仑/1000加仑盐水或0. 5加仑/1000
加仑盐水。对于这些实例中所使用的产品，这些剂量对应地等效于按该压裂流体的重量计O. 03wt%和0. 015wt%的活性水溶性(共)聚合物。
权利要求
1.一种用于减低水力压裂作业中的流体流动摩擦的方法，包括将一种压裂流体注入到一个导管中的步骤，其中所述压裂流体是一种水溶液，该水溶液包括至少一种含有小于IOmol%的一种或多种离子单体的水溶性的(共)聚合物，并且其中所述水溶液包括的总溶解盐的浓度范围是从100，000mg/L至达到该水溶液对于盐而言变得饱和时所处的盐浓度。
2.根据权利要求I所述的方法，其特征在于，该压裂流体包括按该压裂流体的重量计从O. 005被％至O. 3被％的活性的水溶性(共)聚合物。
3.根据权利要求I所述的方法，其特征在于，该水溶性共聚物包括至少一种非离子的单体，该单体是基于丙烯酰胺、丙烯酸的、乙烯基、烯丙基或马来酸的骨架，并且具有一个极性的非离子的侧基。
4.根据权利要求I所述的方法，其特征在于，该水溶性的共聚物包括至少一种选自下组的非离子的单体，该组由以下各项组成丙烯酰胺、甲基丙烯酰胺、丙烯酸的羟基烷基酯、甲基丙烯酸的羟基烷基酯、N-乙烯基吡咯烷酮、N-乙烯基甲酰胺、以及甲基丙烯酸聚乙二醇酯。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，该非离子的单体包括丙烯酰胺。
6.根据权利要求I所述的方法，其特征在于，该水溶性共聚物包括至少一种选自下组的阴离子单体，该组由以下各项组成丙烯酸、甲基丙烯酸、烯丙基磺酸、2-丙烯酰氨基-2-甲基丙烷磺酸，作为游离的酸或其盐。
7.根据权利要求I所述的方法，其特征在于，该水溶性共聚物包括至少一种选自下组的阳离子单体，该组由以下各项组成季铵化的或盐化的ADAME、季铵化的或盐化的MADAME、DADMAC、APTAC、MAPTAC。
8.根据权利要求I所述的方法，其特征在于，该水溶性共聚物包括小于7mol%的阴离子的和/或阳离子的单体。
9.根据权利要求I所述的方法，其特征在于，该水溶性共聚物包括一种非离子的聚合物。
10.根据权利要求I所述的方法，其特征在于，该压裂流体包括150，000至500，OOOmg/L的溶解的盐。
11.根据权利要求I所述的方法，其特征在于，该水溶性共聚物包括小于5mol%的阴离子的和/或阳离子的单体。
全文摘要
一种用于在高盐度条件下实现增强水平的摩擦减低的方法，该方法特别适合于减阻水水力压裂以及挠性管应用，使用了低电荷并且优选无电荷的水溶性高分子量聚合物。一种压裂流体被注入一个管道中。该压裂流体是一种水溶液，包括至少一种水溶性的、含有小于10mol％的一种或多种离子单体的(共)聚合物，并且该水溶液所包括的总溶解盐的浓度范围是从100,000mg/L至达到该水溶液对于盐而言变得饱和时所处的盐浓度。
文档编号F17D1/17GK102679158SQ20121004426
公开日2012年9月19日 申请日期2012年2月16日 优先权日2011年2月18日
发明者保罗·惠特韦尔, 拉塞尔·索普 申请人:S.P.C.M.股份有限公司