CN114026197A - 用于处理地下地层中含水区的聚合物凝胶组合物和处理含水区的方法 - Google Patents

用于处理地下地层中含水区的聚合物凝胶组合物和处理含水区的方法 Download PDF

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CN114026197A CN201980097518.2A CN201980097518A CN114026197A CN 114026197 A CN114026197 A CN 114026197A CN 201980097518 A CN201980097518 A CN 201980097518A CN 114026197 A CN114026197 A CN 114026197A
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Abstract

一种用于处理地下地层的含水区的聚合物凝胶组合物可以包括基础聚合物、交联剂和吸附***。吸附***可以包括一种或多种硅烷化合物或硅烷化合物与硅酸盐的组合。吸附***可以改善聚合物凝胶组合物与含水区中岩石孔隙表面的结合。一种处理地下地层的含水区的方法可以包括将聚合物凝胶组合物注入地层的含水区，并使聚合物凝胶组合物固化以形成交联聚合物凝胶基质，所述交联聚合物凝胶基质提供减少或防止含水材料从含水区流到井眼的屏障。

Description

用于处理地下地层中含水区的聚合物凝胶组合物和处理含水 区的方法
相关申请的交叉引用
本申请要求2019年6月25日提交的美国申请序列号16/451,793的优先权，所述申请的全部公开内容以引用的方式并入本文中。
背景技术
技术领域
本公开内容涉及从地下地层钻探自然资源和生产烃，更具体地，涉及用于处理地下地层的含水区的组合物和方法。
技术背景
从地下地层生产烃通常包括将至少一个井眼钻入地下地层中。井眼形成能够准许流体和设备两者在表面与地下地层之间横越的路径。除了限定井眼的空隙体积之外，井眼壁还充当界面，通过所述界面流体可以在井眼通过其横越的地层与井眼的内部之间转移。
在将井眼钻入地下地层或从现有井眼生产烃的过程中，可能会遇到含水区，这可能导致含水材料从含水区流入井眼。这些含水材料通常可以称为采出水并且可以包括天然存在于地下地层中的含水材料、为了提高油回收的目的注入地下地层的含水组合物、其他含水材料或含水材料的组合。由含水材料从含水区流到井眼引起的采出水增加可以通过减少采出的烃的量和增加将采出水与烃分离的成本而降低从井眼生产烃的效率。
发明内容
因此，一直需要一种用于在从地下地层钻探和生产烃期间控制水的组合物和方法。本公开中描述的组合物包括聚合物凝胶组合物，所述聚合物凝胶组合物可以包括基础聚合物、交联剂和吸附***，所述吸附***包括硅烷化合物或硅烷化合物和硅酸盐组分。在注入含水区之前和在基础聚合物交联增加粘度之前，聚合物凝胶组合物可以具有5厘泊至10厘泊的粘度。本公开的用于处理地下地层的含水区的方法可以包括将本公开的聚合物凝胶组合物注入含水区并固化聚合物凝胶组合物。固化聚合物凝胶组合物可以形成交联聚合物凝胶基质，所述交联聚合物凝胶基质可以在含水区与井眼之间产生屏障。屏障可以操作以减少或防止含水材料从含水区流到井眼。与没有吸附***的现有聚合物***相比，包括硅烷化合物或硅烷化合物和硅酸盐的吸附***可以提高交联聚合物凝胶基质对地下地层孔隙中岩石表面的粘附。交联聚合物凝胶基质的改进粘附可以延长含水区处理的使用寿命，以及其他特征。
根据本公开的一个或多个方面，一种用于处理地下地层的含水区的方法可以包括将聚合物凝胶组合物注入地下地层的含水区的至少一部分中。聚合物凝胶组合物可以包括基础聚合物、交联剂和至少包括硅烷化合物的吸附***。在注入含水区之前，聚合物凝胶组合物可以具有5厘泊至10厘泊的粘度。所述方法还可以包括固化部分含水区中的聚合物凝胶组合物以产生交联聚合物凝胶基质，其中交联聚合物凝胶基质产生减少或防止含水材料从含水区流入井眼的屏障。
根据本公开的一个或多个其他方面，用于处理地下地层的含水区的聚合物凝胶组合物可以包括基于聚合物凝胶组合物总重量的3wt.％至10wt.％的基础聚合物、基于聚合物凝胶组合物总重量的0.3wt.％至2.0wt.％的交联剂、基于聚合物凝胶组合物总重量的3wt.％至10wt.％的硅烷化合物，和余量的水。
本公开中所描述的技术的其他特征和优点将在下文中的详细描述中阐述，并且对所属领域的技术人员而言，一部分根据所述描述是显而易见的，或由如本公开(包括下文中的详细描述、权利要求以及附图)中所描述地实践所述技术而认识到。
附图说明
当结合以下附图阅读时，可以最佳地理解本公开的特定实施例的以下详细描述，在附图中相同的结构用相同的附图标记指示，并且在附图中：
图1示意性地描绘了根据本公开中所示出和描述的一个或多个实施例，使用聚合物凝胶组合物处理地下地层中的含水区；
图2示意性地描绘了根据本公开中示出和描述的一个或多个实施例，聚合物凝胶组合物的吸附***将聚合物凝胶组合物化学粘附到砂岩地层的孔隙表面的操作；
图3示意性地描绘了根据本公开中示出和描述的一个或多个实施例，聚合物凝胶组合物的吸附***将聚合物凝胶组合物化学粘附到碳酸盐地层的孔隙表面的操作；
图4图解地描绘了根据本公开中示出和描述的一个或多个实施例，在各种聚合物凝胶组合物的固化期间依据时间(x轴)的粘度(y轴)；
图5图解地描绘了根据本公开中示出和描述的一个或多个实施例，对于仅包括基础聚合物和交联剂的聚合物凝胶和对于由基础聚合物、交联剂和吸附***形成的交联聚合物凝胶基质进行的振荡凝胶模量流变仪测量的依据角频率(x轴)的储存模量(y轴)；
图6图解地描绘了根据本公开中示出和描述的一个或多个实施例，用于吸附***的动态吸附核心试验的依据注入的孔隙体积(x轴)的压差(y轴)；
图7图解地描绘了根据本公开中示出和描述的一个或多个实施例，对于图6的吸附***的动态吸附核心试验的依据注入的孔隙体积(x轴)的总有机碳(y轴)；和
图8图解地描绘了根据本公开中示出和描述的一个或多个实施例，对于聚合物凝胶组合物的动态吸附核心试验的依据时间(x轴)的压差(y轴)。
出于描述图1的简化示意图示和描述的目的，可能采用的并且对于资源井钻探和烃生产领域的普通技术人员而言众所周知的许多阀、温度传感器、流量计、压力调节器、电子控制器、泵等可能在图式中没有描绘。尽管没有描绘，但应当理解这些组件在所公开实施例的精神和范围内。然而，可以在本公开中所描述的实施例中增加操作组件，如本公开中所描述的那些组件。
现将更详细参考各种实施例，其中一些实施例在附图中说明。在可能的情况下，相同附图变化将贯穿图式用以指代相同或类似部件。
具体实施方式
本公开涉及用于在烃钻探和生产期间处理地下地层的含水区的组合物和方法。地下地层为岩石地层学的基本单元。如贯穿本公开所使用，术语“地下地层”可以指与周围岩体充分不同并且连续的岩石体，使得岩石体可以在图上标为不同的实体。地下地层可以足够均质以形成包含遍及地下地层的相似地质特性(包括但不限于孔隙度和渗透率)的单个可识别单元。单个地下地层可以包括不同的区域，诸如但不限于包括烃的含烃地层和包括含水材料的含水区。为了从地下地层的烃区域生产烃，将生产井(井眼)钻到一定深度，使这些烃能够从地下地层移动到地表。
如贯穿本公开所使用的，术语“含烃地层”可以指地下地层的地下地质区域，所述地下地质区域含有可以从地下地质地层中提取的烃(诸如原油)、烃气体或两者。
如贯穿本公开所使用的，术语“含水区”可以指地下地层的地下地质区域，其中地下地质区域包含含水材料，例如但不限于天然存在的含水材料或注入的含水组合物。例如，为了提高石油采收率而进入地下地层。含水区可以包括含有水相的地下地质区域以及从含水区通过地下地层到井眼的路径。
如贯穿本公开所使用的，术语“井眼”可以指钻孔或井眼，包括裸眼井或井的无套管部分。
如贯穿本公开所使用的，术语“流体”可以包括液体、气体或两者。如贯穿本公开所使用的，“隔离液”可以指用于将井眼钻探或烃产生中利用的任何两种其他材料间隔开的流体。如贯穿本公开所使用的，术语“驱替液”可以指注入井眼以迫使先前注入的流体进入地下地层的流体。
如贯穿本公开所使用的，术语“固化”，当在聚合物凝胶组合物的上下文中使用时，可以指使基础聚合物交联的过程，基础聚合物最初可以是液体形式，与交联剂形成交联聚合物凝胶基质，所述交联聚合物凝胶基质可以是凝胶。如贯穿本公开所使用的，术语“凝胶”可以指在稳态下不表现出流动的稀释的交联聚合物***。
如贯穿本公开所使用的，术语“胶凝时间”，当在聚合物凝胶组合物的上下文中使用时，可以指交联剂被加入聚合物凝胶组合物的第一时间与聚合物凝胶组合物交联形成交联聚合物凝胶基质的第二时间之间的持续时间，所述基质能够减少或防止含水材料流过地层。胶凝时间可以是聚合物凝胶组合物的固化时间。
如前所述，由于遇到含水区而导致从地下地层产生的水相增加，这可能通过减少产生的烃的量和增加从烃中分离产生的水的成本而降低从井眼生产烃的效率。用于处理含水区的现有聚合物***通常可以包括限制含水材料从含水区流向井眼的交联凝胶。然而，这些现有的聚合物***可能不能很好地粘附到地下地层孔隙中的岩石表面，这可能导致含水区内的地层压力移动聚合物凝胶并最终破坏由聚合物凝胶形成的屏障。因此，用于处理含水区的现有聚合物***可能具有有限的寿命并且可能易于受到旨在控制含水材料流入井眼的屏障的清扫和故障的影响。如在本公开中所使用的，术语“清扫”可以指来自含水区的含水材料淹没聚合物凝胶处理并且从含水区中的孔隙中清扫聚合物凝胶。
本公开涉及用于处理地下地层的含水区的组合物和方法。本公开的组合物涉及可以包括基础聚合物、交联剂和吸附***的聚合物凝胶组合物。吸附***可以包括硅烷化合物或硅烷化合物和硅酸盐组分。在注入水区之前，聚合物凝胶组合物可以具有5厘泊至10厘泊的粘度。本公开的用于处理地下地层的含水区的方法可以包括将本公开的聚合物凝胶组合物注入含水区并固化聚合物凝胶组合物。固化聚合物凝胶组合物可以形成交联聚合物凝胶基质，所述交联聚合物凝胶基质可在含水区与井眼之间形成屏障。屏障可以操作以减少或防止含水材料从含水区流到井眼。与没有吸附***的现有聚合物***相比，包括硅烷化合物或硅烷化合物和硅酸盐的吸附***可以提高交联聚合物凝胶基质对地下地层孔隙中岩石表面的粘附。特别地，吸附***可以提供交联聚合物凝胶基质与地下地层孔隙中的岩石表面的化学键合，这提高了粘附。交联聚合物凝胶基质的改进粘附可以延长含水区处理的使用寿命，以及其他特征。
基础聚合物可以是能够交联以在地下地层的孔隙内形成交联聚合物基质的聚合物。基础聚合物可以包括聚丙烯酰胺均聚物、丙烯酰胺单体单元和丙烯酸酯单体单元的共聚物、或聚丙烯酰胺均聚物与丙烯酰胺单体单元和丙烯酸酯单体单元的共聚物的混合物。丙烯酰胺单元和丙烯酸酯单元的共聚物可以是聚[丙烯酰胺-共-(丙烯酸叔丁酯)](PAtBA)，其在本公开内容中随后在结构式(I)中提供。
Figure BDA0003409800340000051
结构式(I)中，x为丙烯酸叔丁酯单体单元数，并且y为丙烯酰胺单体单元数。当存在于基础聚合物中时，基于聚[丙烯酰胺-共-(丙烯酸叔丁酯)中丙烯酸叔丁酯单体单元和丙烯酰胺单体单元中的总摩尔数，聚[丙烯酰胺-共-(丙烯酸叔丁酯)]可以包括大于或等于1摩尔％(mol％)、大于或等于2mol％、大于或等于3mol％，或者甚至大于或等于4mol％丙烯酸叔丁基酯单体单元。在一些实施例中，基础聚合物中的聚[丙烯酰胺-共-(丙烯酸叔丁酯)](PAtBA)可以包括基于PAtBA中的丙烯酸叔丁酯单体单元和丙烯酰胺单体单元中的总摩尔数的1mol％至50mol％、1mol％至20mol％、1mol％至10mol％、2mol％至50mol％、2mol％至20mol％、2mol％至10mol％、3mol％至50mol％、3mol％至20mol％、3mol％至10mol％、4mol％至50mol％、4mol％至20mol％、或4mol％至10mol％的丙烯酸叔丁酯单体单元。在一些实施例中，基础聚合物可以包括聚丙烯酰胺均聚物、聚[丙烯酰胺-共-(丙烯酸叔丁酯)]，或聚丙烯酰胺均聚物和聚[丙烯酰胺-共-(丙烯酸叔丁酯)]。
基础聚合物可以具有足够的平均分子量，使得当基础聚合物被交联剂交联时，所得交联聚合物凝胶基质可以减少或防止水流过地下地层中含水区中的孔隙。基础聚合物可以具有大于或等于250,000克/摩尔(g/mol)、大于或等于300,000g/mol、或甚至大于或等于350,000g/mol的平均分子量。基础聚合物可以具有小于或等于500,000g/mol、小于或等于450,000g/mol、或甚至小于或等于400,000g/mol的平均分子量。在一些实施例中，基础聚合物可以具有250,000g/mol至500,000g/mol，例如250,000g/mol至450,000g/mol、250,000g/mol至400,000/mol、250,000g/mol至350,000g/mol、300,000g/mol至500,000g/mol、300,000g/mol至450,000g/mol、300,000g/mol至400,000g/mol、300,000g/mol至350,000g/mol、350,000g/mol至500,000g/mol、350,000g/mol至450,000g/mol、350,000g/mol至400,000g/mol、或400,000g/mol至500,000g/mol的平均分子量。本公开中的平均分子量可以指使用众所周知的常规试验方法、分析设备和试验软件通过凝胶渗透色谱法(GPC)确定的重均分子量。
聚合物凝胶组合物可以包括足以在固化时形成交联聚合物凝胶基质的一定量的基础聚合物，所述交联聚合物凝胶基质足以堵塞地下地层的孔隙以形成减少或防止含水材料流过交联聚合物凝胶基质的屏障。聚合物凝胶组合物可以包括基于聚合物凝胶组合物总重量的大于或等于3重量％(wt.％)、大于或等于5wt.％、或大于或等于7wt.％的基础聚合物。聚合物凝胶组合物可以包括基于聚合物凝胶组合物总重量的小于或等于10wt.％、小于或等于9wt.％、小于或等于8wt.％、或甚至小于或等于7wt.％的基础聚合物。在一些实施例中，聚合物凝胶组合物可以具有基于聚合物凝胶组合物总重量的3wt.％至10wt.％、3wt.％至9wt.％、3wt.％至8wt.％、3wt.％至7wt.％、5wt.％至10wt.％、5wt.％至9wt.％、5wt.％至8wt.％、5wt.％至7wt.％、7wt.％至10wt.％、7wt.％至9wt.％、7wt.％至8wt.％或8wt.％至10wt.％的基础聚合物。
交联剂可用于交联基础聚合物以产生交联聚合物凝胶基质。聚合物凝胶组合物可以包括一种或多种交联剂。交联剂可以是有机交联剂。在一些实施例中，交联剂可以包括一个或多个亚胺官能团。在一些实施例中，交联剂可以是聚乙烯亚胺。聚乙烯亚胺可以是线性或支化的聚乙烯亚胺。
交联剂可以具有足以使基础聚合物交联以在地下地层的孔隙内产生交联聚合物凝胶基质的平均分子量。交联剂可以具有大于或等于50g/mol、大于或等于60g/mol、或甚至大于或等于70g/mol的平均分子量。交联剂可以具有小于或等于100g/mol、小于或等于90g/mol、或甚至小于或等于80g/mol的平均分子量。在一些实施例中，交联剂可以具有50g/mol至100g/mol，例如50g/mol至90g/mol、50g/mol至80g/mol、60g/mol至100g/mol、60g/mol至90g/mol、60g/mol至80g/mol、70g/mol至100g/mol、70g/mol至90g/mol或70g/mol至80g/mol的平均分子量。交联剂的平均分子量可以是通过众所周知的GPC方法确定的重均分子量。
聚合物凝胶组合物可以包括足以使基础聚合物交联以形成交联聚合物凝胶基质的一定量的交联剂，所述交联聚合物凝胶基质足以堵塞地下地层的孔隙以形成减少或防止含水材料流过交联聚合物凝胶基质的屏障。聚合物凝胶组合物可以包括基于聚合物凝胶组合物总重量的大于或等于0.3wt.％、大于或等于0.5wt.％或大于或等于0.7wt.％的交联剂。聚合物凝胶组合物可以包括基于聚合物凝胶组合物总重量的小于或等于2wt.％、小于或等于1.5wt.％、或甚至小于或等于1wt.％的交联剂。在一些实施例中，聚合物凝胶组合物可以具有基于聚合物凝胶组合物总重量的0.3wt.％至2wt.％、0.3wt.％1.5wt.％、0.3wt.％至1.0wt.％、0.5wt.％至2wt.％、0.5wt.％至1.5wt.％、0.5wt.％至1.0wt.％、0.7wt.％至2wt.％、0.7wt.％至1.5wt.％、0.7wt.％至1.0wt.％，或1wt.％至2wt.％的交联剂。
如前所述，本公开的聚合物凝胶组合物可以包括吸附***，所述吸附***可操作以提高交联聚合物凝胶基质对地下地层孔隙的岩石表面的粘附。吸附***可以包括至少一种硅烷化合物。吸附***还可以包括硅酸盐组分。吸附***的组成可以根据地下地层中的岩石类型进行修改。例如，包括较高浓度硅酸盐的地下地层，例如砂岩地层，可以允许聚合物凝胶组合物具有仅包括硅烷化合物而不含硅酸盐的吸附***。在其他地层中，例如碳酸盐地层，地下地层可以具有较低浓度硅酸盐，在这种情况下，聚合物凝胶组合物的吸附***可以包括硅烷化合物和硅酸盐组分。
吸附***的硅烷化合物可以是能够与地下地层中的岩石表面发生化学反应以与岩石表面形成化学键的硅烷化合物。特别地，硅烷化合物可以包括至少一种能够与硅酸盐离子发生缩合反应或其他化学反应以与硅酸盐形成化学键的官能团。硅烷化合物还可以具有胺官能团，其可以操作以将硅烷化合物化学键合至交联聚合物凝胶基质。例如，在一些实施例中，硅烷化合物的胺基团可以进行酰胺化化学反应以与通过基础聚合物和交联剂固化形成的交联聚合物凝胶基质形成化学键。
硅烷化合物可以是氨基-硅烷化合物，其可以具有至少一个胺官能团。例如，在一些实施例中，硅烷化合物可以具有以下化学式(II)：
H2N–R1–Si(R2)3(II)
其中R1是具有1至20个碳原子的直链或支链烃基。在化学式(II)中，至少一个R2是具有通式(–O-R3)的烷氧基，其中R3可以是具有1至10个碳原子的直链或支链烃基，并且每个其他R2基团可以独立地选自具有1至10个碳的直链或支链烃基、胺基或具有通式(–O-R3)的烷氧基，其中R3可以是具有1至10个碳原子的直链或支链烃基。
在一些实施例中，R1可以包括1、2、3、4或5个碳原子。在一些实施例中，R1可以是丙基(–CH2CH2CH2–)。在一些实施例中，至少一个R2可以是乙氧基(–O–CH2CH3)或甲氧基(–O–CH3)。在一些实施例中，每个R2可以是乙氧基或甲氧基。在一些实施例中，至少一个R2可以是乙氧基并且至少一个其他R2可以是胺基。在一些实施例中，硅烷化合物可以包括3-氨基丙基三乙氧基硅烷、3-氨基丙基三甲氧基硅烷或这些硅烷化合物的组合。
聚合物凝胶组合物可以包括足以将交联聚合物凝胶基质化学键合到地下地层孔隙中的岩石表面的一定量的硅烷化合物。聚合物凝胶组合物可以具有基于聚合物凝胶组合物总重量的大于或等于3wt.％、大于或等于5wt.％、或甚至大于或等于7wt.％的硅烷化合物。聚合物凝胶组合物可以具有基于聚合物凝胶组合物总重量的小于或等于10wt.％、小于或等于9wt.％、或甚至小于或等于7wt.％的硅烷化合物。在一些实施例中，聚合物凝胶组合物可以具有基于聚合物凝胶组合物总重量的3wt.％至10wt.％、3wt.％至9wt.％、3wt.％至7wt.％、3wt.％至5wt.％、5wt.％至10wt.％、5wt.％至9wt.％、5wt.％至7wt.％、7wt.％至10wt.％、7wt.％至9wt.％，或9wt.％至10wt.％的硅烷化合物。如果硅烷化合物的量小于3wt.％，那么聚合物凝胶组合物中硅烷化合物的量可能不足以将交联聚合物凝胶基质充分键合到岩石表面，这可能导致含水控制处理的使用寿命缩短。如果硅烷化合物的量太大，那么基础聚合物、交联剂或两者的量可能不足以产生足以减少或防止含水材料从地下地层中的含水区中流动的交联聚合物凝胶基质。聚合物凝胶组合物中硅烷化合物的浓度可以改变聚合物凝胶组合物的胶凝时间。例如，增加聚合物凝胶组合物中硅烷化合物的浓度可以增加胶凝时间。类似地，降低聚合物凝胶组合物中硅烷化合物的浓度可以降低胶凝时间。
聚合物凝胶组合物还可以包括一种或多种硅酸盐组分。硅酸盐组分可以包括碱金属硅酸盐，例如但不限于硅酸钠、硅酸钾或这些硅酸盐的组合。在一些实施例中，硅酸盐组分可以包括硅酸钠、硅酸钾或两者。在一些地下地层中，诸如碳酸盐岩石地层，例如，岩石表面可能具有降低的硅酸盐浓度。在这些情况下，聚合物凝胶组合物可以包括硅酸盐组分以帮助将硅烷化合物化学键合到岩石表面。例如，在具有较低硅酸盐浓度的碳酸盐岩层中，硅酸盐组分的一些羟基团可能解离并可能与从岩石表面洗脱的金属离子(诸如，钙离子)形成离子键。硅酸盐组分上的其他羟基团可能与硅烷化合物上的烷氧基发生缩合反应，以将硅酸盐组分化学键合到硅烷化合物。键合的硅烷化合物和硅酸盐组分可以在孔隙中沉淀以在孔隙表面上形成硅质层。如前所述，硅烷化合物可以通过硅烷化合物的胺基团与交联聚合物凝胶基质的反应性基团之间的反应化学偶联到交联聚合物凝胶基质上。
聚合物凝胶组合物可以包括能够在硅烷化合物与岩石表面之间提供足够结合的一定量的硅酸盐组分。聚合物凝胶组合物可以包括基于聚合物凝胶组合物总重量的大于或等于2wt.％、大于或等于3wt.％、或甚至大于或等于4wt.％的硅酸盐组分。聚合物凝胶组合物可以具有基于聚合物凝胶组合物总重量的小于或等于7wt.％、小于或等于6wt.％、或甚至小于或等于5wt.％的硅酸盐组分。在一些实施例中，聚合物凝胶组合物可以具有基于聚合物凝胶组合物总重量的2wt.％至7wt.％，如2wt.％至6wt.％、2wt.％至5wt.％、2wt.％至4wt.％、3wt.％至7wt.％、3wt.％至6wt.％、3wt.％至5wt.％、3wt.％至4wt.％、4wt.％至7wt.％、4wt.％至6wt.％、4wt.％至5wt.％，或5wt.％至7wt.％的硅酸盐组分。在一些实施例中，聚合物凝胶组合物可以不包括硅酸盐组分。
聚合物凝胶组合物可以是含水组合物，其中聚合物凝胶组合物的余量是水。水可以是蒸馏水、去离子水、市政用水、井水、淡水(例如来自湖泊或河流)、海水、盐水、天然或合成盐水、地层水、采出水、咸水或这些的组合。在一些实施例中，水可以包含添加剂或污染物，例如但不限于盐或其他离子物质、颗粒污染物、溶解固体、有机化合物或添加剂或污染物的组合。
聚合物凝胶组合物可以包括一定量的水，其足以提供聚合物凝胶组合物交联前5厘泊至10厘泊的初始粘度。聚合物凝胶组合物可以包括基于聚合物凝胶组合物总重量的大于或等于60wt.％的水，例如大于或等于65wt.％、大于或等于70wt.％、或甚至大于或等于75wt.％水。聚合物凝胶组合物可以具有基于聚合物凝胶组合物总重量的小于或等于93wt.％的水，例如小于或等于91wt.％、小于或等于90wt.％、小于或等于85wt.％，或甚至小于或等于80wt.％的水。在一些实施例中，聚合物凝胶组合物可以包括基于聚合物凝胶组合物总重量的60wt.％至93wt.％、60wt.％至91wt.％、60wt.％至85wt.％、60wt.％至80wt.％、65wt.％至93wt.％、65wt.％至91wt.％、65wt.％至85wt.％、65wt.％至80wt.％、70wt.％至93wt.％、70wt.％至91wt.％、70wt.％至85wt.％、70wt.％至80wt.％、75wt.％至93wt.％、75wt.％至91wt.％、75wt.％至85wt.％、75wt.％至80wt.％、80wt.％至93wt.％、80wt.％至91wt.％、或85wt.％至93wt.％的水。聚合物凝胶组合物中水的浓度不足可能导致聚合物凝胶组合物的粘度增加，这可能会降低聚合物凝胶组合物向地层含水区的渗透。如果聚合物凝胶组合物中的水浓度太大，那么聚合物凝胶组合物可能不包括足够的基础聚合物、交联剂、硅烷化合物或硅酸盐以形成能够防止水流过地下地层的孔隙。
聚合物凝胶组合物还可以包括一种或多种添加剂。添加剂可以包括但不限于盐、填料、有机化合物、防腐剂、流变改性剂或添加剂的组合。可以将盐加入聚合物凝胶组合物中以减少或防止地下地层中的粘土膨胀。可能存在于或加入聚合物凝胶组合物中的盐可以包括但不限于碱金属氯化物、氢氧化物或羧酸盐。在一些实施例中，合适的盐可以包括钠、钙、铯、锌、铝、镁、钾、锶、硅、锂、氯化物、溴化物、碳酸盐、碘化物、氯酸盐、溴酸盐、甲酸盐、硝酸盐、硫酸盐、磷酸盐、氧化物、氟化物及其组合。在一些实施例中，聚合物凝胶组合物可以包括氯化钙、氯化铵、氯化钾或这些的组合。聚合物凝胶组合物可以包括足以为聚合物凝胶组合物提供0.1wt.％至5wt.％盐度的盐浓度。在一些实施例中，聚合物凝胶组合物还可以包括填料颗粒，例如但不限于二氧化硅颗粒。
在一些实施例中，用于处理地下地层的含水区的聚合物凝胶组合物可以包括基于聚合物凝胶组合物总重量的至少3wt.％至10wt.％的基础聚合物，基于聚合物凝胶组合物总重量的0.3wt.％至2.0wt.％的交联剂，基于聚合物凝胶组合物总重量的3wt.％至10wt.％硅烷化合物，以及余量的水。对于这些组分，基础聚合物、交联剂和硅烷化合物可以具有本公开中描述的任何其他浓度。聚合物凝胶组合物可以另外包括基于聚合物凝胶组合物总重量的2wt.％至7wt.％的硅酸盐含水溶液。聚合物凝胶组合物可以任选地包括一种或多种添加剂，例如但不限于盐类(例如氯化铵或氯化钾)或填料(例如二氧化硅)。在一些实施例中，用于处理地下地层的含水区的聚合物凝胶组合物可以由或基本上由基于聚合物凝胶组合物总重量的3wt.％至10wt.％的基础聚合物，基于聚合物凝胶组合物总重量的0.3wt.％到2.0wt.％的交联剂，基于聚合物凝胶组合物总重量的3wt.％至10wt.％的硅烷化合物，任选地基于聚合物凝胶组合物总重量的2wt.％至7wt.％的硅酸盐含水溶液，任选地一种或多种添加剂和余量的水组成。
在一些实施例中，聚合物凝胶组合物可以通过将吸附***的组分加入水中同时搅动或搅拌水来生产。吸附***可以包括硅烷化合物或硅烷化合物和硅酸盐组分。可以向混合物中加入添加剂，例如但不限于盐或填料，并且可以搅拌或搅动混合物直到盐完全溶解。接下来，可以将一种基础聚合物或多种基础聚合物加入混合物中。交联剂可以最后添加。在添加交联剂之后，可以进一步搅拌或搅动混合物以均化混合物以形成聚合物凝胶组合物。在聚合物凝胶组合物固化和交联之前，基础聚合物、交联剂、硅烷化合物和硅酸盐可以彼此独立地存在于聚合物凝胶组合物的含水溶液中。换句话说，在初始混合时和交联之前，聚合物凝胶组合物可以在含水溶液中包括基础聚合物、交联剂、硅烷化合物和硅酸盐作为不以任何方式互连的单独物质。不打算受任何特定理论的束缚，据信在含水溶液中作为独立和分开的物质存在的硅烷化合物、硅酸盐组分或两者可使硅烷化合物、硅酸盐组分或两者位于孔隙表面与基础聚合物之间，使得硅烷化合物和硅酸盐组分可化学键合到孔隙表面和基础聚合物上，以提高交联聚合物凝胶基质对孔隙表面的粘附。
聚合物凝胶组合物可以具有使聚合物凝胶组合物能够注入含水地层的初始粘度。一旦将交联剂加入聚合物凝胶组合物中的基础聚合物中，交联剂就可以开始与基础聚合物反应以交联基础聚合物。随着交联反应的进行，交联度可以达到交联度阈值，超过该阈值，进一步交联可以增加聚合物凝胶组合物的粘度。因此，如在本公开中所使用的，聚合物凝胶组合物的初始粘度是在混合所有成分之后并且在交联进展到足以改变聚合物凝胶组合物的粘度的程度之前在地表大气条件下的聚合物凝胶组合物的粘度。地表大气条件可以指井眼表面的标准温度和压力。聚合物凝胶组合物可以具有小于或等于10厘泊(cP)、小于或等于9cP、或甚至小于或等于8cP的初始粘度。在一些实施例中，聚合物凝胶组合物可以具有5cP至10cP、5cP至9cP、5cP至8cP、6cP至10cP、6cP至9cP、6cP至8cP、7cP至10cP、7cP至9cP、7cP至8cP，或8cP至10cP的初始粘度。
聚合物凝胶组合物可以具有大于或等于9或大于或等于10的pH。聚合物凝胶组合物的pH可以为9至14、9至13、9至12、10至14、10至13或10至12。聚合物凝胶组合物的盐度可能会影响聚合物凝胶组合物的胶凝时间和凝胶强度。较高的盐度可以起到降低凝胶强度和增加聚合物凝胶组合物的胶凝时间的作用。聚合物凝胶组合物的胶凝时间可以指在交联剂被加入基础聚合物与聚合物凝胶组合物形成能够减少或防止水流过交联聚合物凝胶基质的交联聚合物凝胶基质的时间之间经过的时间。聚合物凝胶组合物可以具有足够低的盐度以允许聚合物凝胶组合物在小于4小时的胶凝时间内固化以形成交联聚合物凝胶基质。聚合物凝胶组合物可以具有基于聚合物凝胶组合物总重量的小于或等于4wt.％、小于或等于3.5wt.％、小于或等于3wt.％、小于或等于2.5wt.％，或甚至小于或等于2wt.％的盐度。在一些实施例中，聚合物凝胶组合物可以具有基于聚合物凝胶组合物总重量的大于0.0wt.％至4wt.％、大于0.0wt.％至3.5wt.％、大于0.0wt.％至3wt.％、0.1wt.％至4wt.％、0.1wt.％至3.5wt.％、0.1wt.％至3.0wt.％、0.5wt.％至4wt.％、0.5wt.％至3.5wt.％、或0.5wt.％至3wt.％的盐度。
现在参考图1，现在将描述聚合物凝胶组合物处理地下地层含水区的操作。如图1所示，井眼10可以从地表11钻到地下地层22，使得井眼10的井下端12可以延伸进入或穿过地下地层22。在钻探井眼10时，可能会遇到一个或多个含水区24，这可能导致含水材料从含水区流入井10。本公开的聚合物凝胶组合物30可以在地表11处制备并注入到靠近井眼10的井下端12的含水区24中。聚合物凝胶组合物30可以流入含水区24的地层中的孔隙中并且可以固化以在含水区24的孔隙内形成交联聚合物凝胶基质。
聚合物凝胶组合物30的基础聚合物最初可以是液体形式。在将基础聚合物与交联剂结合以形成聚合物凝胶组合物30时，基础聚合物与交联剂反应以转变为交联聚合物凝胶基质。基础聚合物从液体到交联凝胶的转变可以包括通过交联反应形成共价键，交联反应最初可以在聚合物凝胶组合物中建立粘度。在固化过程中的交叉点，聚合物凝胶组合物可以开始形成无孔的三维聚合物凝胶基质。随着所述无孔三维凝胶基质开始形成，聚合物凝胶组合物可以将静水压力传递至地层，直到在地层的孔隙内形成包括交联聚合物凝胶基质的屏障32。
本发明的聚合物凝胶组合物可以具有小于或等于8小时的胶凝时间，例如小于或等于6小时或甚至小于或等于4小时的胶凝时间。聚合物凝胶组合物可以具有1小时至8小时、1小时至6小时、1小时至4小时、2小时至8小时、2小时至6小时、2小时至4小时、3小时至8小时、3小时至6小时、3小时至4小时或4小时至8小时的胶凝时间。聚合物凝胶组合物的胶凝时间可以至少受地下地层22中的井下条件和聚合物凝胶组合物30的盐度、pH和组成的影响。例如，提高井下温度可以通过增加基础聚合物与交联剂之间的反应速率来缩短胶凝时间。增加聚合物凝胶组合物的盐度可以延长聚合物凝胶组合物的胶凝时间。此外，增加交联剂的浓度可以缩短聚合物凝胶组合物的胶凝时间。
由交联聚合物凝胶基质形成的屏障32可以是不透水或半不透水的。由交联聚合物凝胶基质形成的屏障32可以减少或防止含水材料从含水区24流入井眼10。包括硅烷化合物或硅烷化合物和硅酸盐的吸附***可以通过将交联聚合物凝胶基质化学键合到岩石表面来增加交联聚合物凝胶基质对含水区24中地层孔隙中的岩石表面的粘附。与用于处理含水区的现有聚合物凝胶***相比，交联聚合物凝胶基质对岩石表面的更大粘附可以增加交联聚合物凝胶基质的堵塞效率以产生更有效的屏障32。
现在参考图2，示意性地描绘了用于将交联聚合物凝胶基质33化学键合到包括砂岩40的含水区的吸附***的操作。用于处理包括砂岩的含水区的聚合物凝胶组合物40可以包括基础聚合物、交联剂和硅烷化合物34。特别地，在一些实施例中，用于处理包括砂岩40的含水区的聚合物凝胶组合物可以包括3wt.％至10wt.％的基础聚合物、0.3wt.％至2wt.％的交联剂、3wt.％至10wt.％硅烷化合物，余量为水。重量百分比基于聚合物凝胶组合物总重量。基础聚合物、交联剂和硅烷化合物可以是之前在本公开中分别针对基础聚合物、交联剂和硅烷化合物描述的任何化合物。在一些实施例中，用于处理包括砂岩40的含水区的聚合物凝胶组合物可以不包括硅酸盐组分。
如本公开中先前讨论的，砂岩40的孔隙表面42可以包括硅酸盐化合物44。聚合物凝胶组合物的硅烷化合物34可以与砂岩40的孔隙表面42处的硅酸盐化合物44以及与交联聚合物凝胶基质33中的基础聚合物发生化学相互作用，所述交联聚合物凝胶基质33由基础聚合物通过交联剂的交联形成。例如，硅烷化合物34(可以是氨基硅烷，例如图2所示的3-氨基丙基三乙氧基硅烷)或任何其他氨基硅烷可以通过醇缩合反应与砂岩40的孔隙表面42的硅酸盐化合物44发生化学反应。醇缩合反应可以在砂岩的孔隙表面42处将硅烷化合物34化学键合到硅酸盐化合物44。硅烷化合物34的胺官能团可以与基础聚合物发生酰胺化反应，以将硅烷化合物化学键合到交联聚合物凝胶基质33。硅烷化合物34与孔隙表面42处的硅酸盐化合物44以及与交联聚合物凝胶基质33的化学键可以将交联聚合物凝胶基质33粘附到砂岩40的孔隙表面42。
参考图3，在一些情况下，含水区可以在包括碳酸盐岩50的碳酸盐岩地层中显露，其在孔隙表面52处可能没有足以粘附到聚合物凝胶组合物的硅烷化合物34的一定量的硅酸盐化合物。碳酸盐岩50可以包括碳酸盐化合物，例如但不限于如图3所示的在孔隙表面52处的碳酸钙。为了提高对碳酸盐岩50的孔隙表面52的粘附，硅酸盐组分36可以包括在聚合物凝胶组合物中。例如，用于处理包括碳酸盐岩50的含水区的聚合物凝胶组合物可以包括基础聚合物、交联剂、硅烷化合物34和硅酸盐组分36。特别地，在一些实施例中，用于处理包括砂岩40的含水区的聚合物凝胶组合物可以包括3wt.％至10wt.％的基础聚合物、0.3wt.％至2wt.％的交联剂、3wt.％至10wt.％的硅烷化合物、2wt.％至7wt.％硅酸盐含水溶液，以及余量的水，其中重量百分比基于聚合物凝胶组合物总重量。基础聚合物、交联剂、硅烷化合物和硅酸盐组分可以是之前在本公开中分别针对基础聚合物、交联剂、硅烷化合物和硅酸盐组分描述的任何化合物。
再次参考图3，如本公开中先前讨论的，碳酸盐岩50的孔隙表面52可以不含或具有可忽略的浓度的硅酸盐，但可以包括碳酸盐，例如但不限于碳酸钙。换言之，碳酸盐岩50的孔隙表面52可能具有不足以通过聚合物凝胶组合物的硅酸盐化合物与硅烷化合物之间的化学相互作用来增加交联聚合物凝胶基质对孔隙表面52的粘附的一定量的硅酸盐化合物。当存在时，聚合物凝胶组合物的硅酸盐组分，例如硅酸钙或硅酸钠，可以在含水溶液中至少部分离解以产生带负电荷的游离硅酸盐离子36。游离硅酸盐离子36可以与孔隙表面52处的金属离子(例如，钙离子54)发生化学相互作用，以将硅酸盐离子36耦合到孔隙表面52。聚合物凝胶组合物的硅烷化合物34可以与化学附接到碳酸盐岩50的孔隙表面52的硅酸盐离子36以及与交联聚合物凝胶基质33中的基础聚合物发生化学相互作用，所述交联聚合物凝胶基质33由基础聚合物通过交联剂的交联形成。例如，硅烷化合物34(可以是氨基硅烷，例如图3所示的3-氨基丙基三乙氧基硅烷)或任何其他氨基硅烷可以通过醇缩合反应与硅酸盐离子36发生化学反应。醇缩合反应可将硅烷化合物34化学键合至硅酸盐离子36，硅酸盐离子36可以通过与孔隙表面52中的金属离子的化学相互作用而键合至孔隙表面52。硅烷化合物34的胺官能团可以与基础聚合物发生酰胺化反应，以将硅烷化合物化学键合到交联聚合物凝胶基质33。由硅烷化合物34和硅酸盐离子36形成的化学键可以将交联聚合物凝胶基质33化学粘附到碳酸盐岩50的孔隙表面52。
交联聚合物凝胶基质33通过吸附***组分(硅烷化合物或硅烷化合物和硅酸盐组分)与孔隙表面(42、52)处的物质的化学相互作用而对孔隙表面(42、52)的粘附可以大于现有聚合物凝胶***的粘附。与现有聚合物凝胶***相比，由本公开的聚合物凝胶组合物形成的交联聚合物凝胶基质33的增加的粘附可以提高由交联聚合物凝胶基质形成的屏障32的堵塞效率和使用寿命。
由聚合物凝胶组合物的凝胶化或固化形成的交联聚合物凝胶基质33可以具有足以将交联聚合物凝胶基质33保持在含水区24的孔隙中的储存模量。交联聚合物凝胶基质33的储存模量可以表示交联聚合物凝胶基质33的凝胶强度。在一些实施例中，交联聚合物凝胶基质33可以具有大于或等于1500帕斯卡(Pa)的储存模量，例如大于或等于1800Pa，或甚至大于或等于2000Pa。交联聚合物凝胶基质的储存模量可以根据已知方法使用振荡凝胶模量流变仪测定。在一些实施例中，交联聚合物凝胶基质33的储存模量可以是包括与交联聚合物凝胶基质相同量的相同基础聚合物和交联剂但不包括吸附***(硅烷化合物或硅烷化合物和硅酸盐)的聚合物凝胶的储存模量的至少1.5倍、至少1.8倍或至少2.0倍。
再次参考图1，用于处理地下地层22的含水区24的方法可以包括将聚合物凝胶组合物30从井眼10注入地下地层22的含水区24的至少一部分中。聚合物凝胶组合物30可以至少包括基础聚合物、交联剂和硅烷化合物，其中每一种都可以是本公开中先前分别针对基础聚合物、交联剂、和硅烷化合物描述的任何化合物。聚合物凝胶组合物30在注入含水区24之前可以具有5厘泊至10厘泊的粘度。所述方法可以进一步包括在含水区24的一部分中固化聚合物凝胶组合物30，其中固化聚合物凝胶组合物可以产生屏障32，所述屏障32可以操作以减少或防止含水材料从含水区24流入到井眼10。聚合物凝胶组合物30可以通过钻柱、生产油管、连续油管或任何其他可商购的注入装置注入含水区24。
在一些实施例中，所述方法还可以包括在注入聚合物凝胶组合物30之前将隔离液引入含水区24。隔离液可以提供聚合物凝胶组合物30与可能与聚合物凝胶组合物30不相容的其他流体(例如但不限于钻井液或采出液)之间的分离。在一些实施例中，所述方法还可以包括在聚合物凝胶组合物30之后将驱替液泵入井眼10中以将聚合物凝胶组合物30置换到含水区24中。一旦聚合物凝胶组合物30固化形成交联聚合物凝胶基质33，所述方法还可以包括恢复从井眼10钻探或生产烃。
实施例
用于处理地下地层含水区的聚合物凝胶组合物和聚合物凝胶组合物的吸附***的各种实施方案将通过以下实施例进一步阐明。实施例本质上是说明性的，并且不应被理解为限制本公开的主题。
对比实施例1：没有吸附***的对比聚合物凝胶
在对比实施例1中，制备了不包括吸附***的对比聚合物凝胶，用于针对本公开的聚合物凝胶组合物进行评估。通过将测量量的水加入容器并搅动水来制备对比实施例1的对比聚合物凝胶。将一定量的氯化钾(KCl)加入水中并搅拌直至所有KCl溶解。接下来，将基础聚合物加入溶液中。基础聚合物是聚[丙烯酰胺-共-(丙烯酸叔丁酯)](PAtBA)。在基础聚合物之后，然后将一定量的聚乙烯酰亚胺(PEI)作为交联剂计入含水溶液中以形成对比聚合物凝胶。将对比聚合物凝胶再搅拌10至20分钟以均化含水溶液。对比实施例1的对比聚合物凝胶列于表1中，其随后在本公开中提供。
实施例2-5：包括吸附***的聚合物凝胶组合物
在实施例2-5中，制备了各种聚合物凝胶组合物，并与对比实施例1的对比聚合物凝胶相比，评估了聚合物凝胶组合物的胶凝时间和凝胶强度。实施例2-5的聚合物凝胶组合物通过将测定量的水加入容器并搅动水来制备。然后在搅拌溶液的同时将吸附***组分加入容器中。对于实施例2-5，聚合物凝胶组合物包括作为硅酸盐组分的硅酸钠(NaSil)和作为硅烷化合物的3-氨基丙基三乙氧基硅烷(APTES)的含水溶液。NaSil和APTES的浓度在实施例2-5中变化。将吸附***组分的含水溶液在水中再搅拌10至20分钟。将一定量的氯化钾(KCl)加入含水溶液中并搅拌直至所有KCl溶解。接下来，将基础聚合物加入含水溶液含中。基础聚合物是PAtBA。在基础聚合物之后，然后将一定量的聚乙烯酰亚胺(PEI)作为交联剂加入含水溶液中以形成聚合物凝胶组合物。将聚合物凝胶组合物再搅拌10至20分钟以均化含水溶液。
实施例1-5的聚合物凝胶组合物列于表1中，其随后在本公开中提供。
表1：实施例1-5的聚合物凝胶组合物
组分 比较实施例1 实施例2 实施例3 实施例4 实施例5
PAtBA(wt.％) 5.0 5.0 5.0 5.0 5.0
PEI(wt.％) 2.0 2.0 2.0 2.0 2.0
KCl(wt.％) 2.0 2.0 2.0 2.0 2.0
NaSil(wt.％) -- 3.57 7.14 9.38 14.29
APTES(wt.％) -- 2.38 4.76 6.25 9.52
水 余量 余量 余量 余量 余量
图4中的附图标记 402 404 406 408 410
将对比实施例1的对比聚合物凝胶和实施例1-5的聚合物凝胶组合物加入标准油田粘度计的杯中，并当聚合物凝胶组合物固化形成交联聚合物凝胶基质时依据时间测量每种聚合物凝胶组合物的粘度。聚合物凝胶保持在80摄氏度(℃)。粘度计的角频率设置为10(1/秒)，并且粘度以厘泊(cP)为单位测量。参考图4，图解描绘了对比实施例1的对比聚合物凝胶和实施例2-5的每种聚合物凝胶组合物的依据时间(x轴)的粘度(y轴)。粘度依据时间的图形描述可以提供每种聚合物凝胶的胶凝时间的指示，所述时间可以是粘度急剧增加的时间。如图4所示，胶凝时间可能随着吸附***组分浓度的增加而增加。参考图4，当APTES的浓度从实施例2的3.57wt.％分别增加到实施例3-5的7.14wt.％、9.38wt.％和14.29wt.％时，胶凝时间从180分钟(min)分别显着增加为270分钟、360分钟和超过600分钟，这表明与较低浓度的吸附组分相比，较高浓度的吸附组分可能会延长胶凝时间至更长时间。因此，吸附***的延迟效应可能取决于吸附***的组分浓度。通过调节聚合物凝胶组合物中吸附组分的浓度，例如硅烷化合物、硅酸盐组分或两者的浓度，可以实现不同的胶凝时间。
对比实施例6：没有吸附***的对比聚合物凝胶
在对比实施例6中，根据先前对比实施例1中描述的方法制备对比聚合物凝胶组合物。对于对比实施例6，对比聚合物凝胶包括5.0wt.％的PAtBA作为基础聚合物、1.3wt.％的PEI作为交联剂和2.0wt.％的KCl。对比聚合物凝胶不包括硅烷化合物或硅酸盐组分。在93℃(200°F)的温度下制备对比聚合物凝胶，然后冷却至室温。
实施例7：包括吸附***的聚合物凝胶组合物的储存模量
在实施例7中，制备了包括吸附***的聚合物凝胶组合物，并与对比实施例6的对比聚合物凝胶的储存模量进行比较以评估储存模量。对于实施例7，根据先前在实施例2-5中描述的程序制备聚合物凝胶组合物。聚合物凝胶组合物包括与对比实施例6的对比聚合物凝胶相同的基础聚合物、交联剂和盐度。实施例7的聚合物凝胶组合物进一步包括4.76wt.％的APTES作为硅烷化合物和7.14wt.％的NaSil作为硅酸盐组分。在93℃(200°F)的温度下制备实施例7的聚合物凝胶组合物，然后冷却至室温。
然后评估对比实施例6的交联对比聚合物凝胶和实施例7的交联聚合物凝胶基质的弹性模量，以提供每种聚合物凝胶的相对凝胶强度的指示。每种聚合物凝胶的弹性模量是使用安东帕MCR 502流变仪(MCR-模块化紧凑型流变仪)从振荡凝胶模量测量中确定的，所述流变仪配备有35毫米平行板几何形状并且板之间具有1毫米间隙。振荡凝胶模量测量在20℃的室温下进行。
根据随后描述的程序进行振荡凝胶模量测量。首先，在恒定剪切速率(CSR)模式下进行了几次试验振荡振幅扫描试验。在振荡振幅扫描试验中，应变(变形)从0.1％(％)上升到100％，并且角频率保持在1赫兹(Hz)的恒定值。试验振荡振幅扫描试验用于确定每种聚合物凝胶的线性粘弹性(LVE)区域。在初始试验振荡振幅扫描试验之后，通过对每种聚合物凝胶进行振荡频率扫描试验来进行凝胶强度表征试验。对于所有振荡频率扫描试验，保持2％的恒定应变，并且施加的振荡剪切频率从每秒0.1弧度(rad/s)变化到100rad/s。基于试验振荡振幅扫描试验，确认对2％应变的应力响应在每种聚合物凝胶的LVE范围内。测量的弹性模量(G')是在每个频率下测量的。测得的弹性模量G'用作凝胶强度的定量指标并用于比较不同样品的凝胶强度。
参考图5，描绘了对于对比实施例6(附图标号502)和实施例7(附图标号504)的依据以1/秒为单位的振荡凝胶模量流变仪(x轴)的角频率的以帕斯卡为单位的储存模量G'(y轴)。如图5所示，实施例7(504)的交联聚合物凝胶基质的储存模量G'几乎是对比实施例6(502)的交联对比聚合物凝胶的储存模量G'的2倍。因此，将吸附***并入聚合物凝胶组合物中可以显着增加由固化聚合物凝胶组合物形成的交联聚合物凝胶基质的凝胶强度。
实施例8：吸附***的动态吸附试验
对于实施例8，对仅包括吸附***组分的组合物进行动态吸附试验。实施例8的组合物根据先前关于实施例2-5所述的方法制备，不同的是基础聚合物和交联剂被等份水代替。因此，实施例8的组合物由2.0wt.％的KCl、作为硅烷化合物的4.76wt.％的APTES、作为硅酸盐组分的7.14wt.％的NaSil和余量的水组成。
根据美国石油协会(AIP)推荐规程40中所描述的试验方法，使用碳酸盐岩心栓对实施例8的组合物进行动态吸附试验。使用Coretest岩心驱替***模型RPS-812-Z来进行岩心试验。最初，将碳酸盐岩心栓在烘箱中在100℃下干燥，直到碳酸盐岩心栓的重量稳定。然后，将碳酸盐岩心栓用在水中包括2wt.％的KCl的盐水溶液完全饱和。在1500磅每平方英寸(psi)(10342千帕(kPa)的净围压下，盐水溶液通过未处理碳酸盐岩心栓的渗透率测量值为345毫达西(mD)。如在本公开中所使用的，术语“渗透率”可以指岩石传输流体的能力或测量值，其通常以达西或毫达西(mD)测量。
使用本公开中先前讨论的Coretest岩心驱替***对碳酸盐岩心栓进行动态吸附试验。通过将包括吸附***的实施例8的组合物注入碳酸盐岩心栓中进行动态吸附试验。将超过十个孔隙体积(PV)的实施例8的组合物注入碳酸盐岩心栓。在2500psi(17236kPa)的净围压和95℃的温度下，以1.0立方厘米/分钟(cm3/min)的实施例8的组合物的恒定流速进行动态吸附试验。收集流出物样品并通过总有机碳(TOC)法分析浓度。
参考图6，图解描绘了依据注入碳酸盐岩心栓的实施例8的组合物的体积(x轴)的横跨碳酸盐岩心栓的压差(y轴)。一旦开始将实施例8的组合物注入碳酸盐岩心栓中，碳酸盐岩心栓上的压差以1cm3/min的流速稳定增加，如图6中压差的逐渐增加所示。这种压差的增加表明流体的吸附组分与碳酸盐岩心栓的孔隙表面之间发生了化学相互作用。吸附组分之间化学相互作用的存在通过依据实施例8的组合物的孔隙体积的流出物中TOC浓度来证实，其图解描绘于图7中。如图7所示，总有机碳的浓度增加超过2个注入孔隙体积。这表明流出物中有机化合物的浓度增加。如前所述，对于碳酸盐地层，吸附***的硅酸盐可以通过水解反应与APTES硅烷化合物的乙氧基发生化学相互作用。APTES硅烷化合物上的乙氧基水解产生乙醇(C2H5OH)，所述乙醇从流出物中的碳酸盐岩心栓排出。增加硅烷化合物与硅酸盐的化学反应会增加流出物中乙醇的浓度。因此，吸附***的组分之间增加的化学反应由图7中所示的总有机碳测量来证实。
实施例9：包括吸附***的聚合物凝胶组合物的热稳定性和耐久性试验
在实施例9中，制备了包括吸附***的聚合物凝胶组合物并评估其热稳定性和耐久性。实施例9的聚合物凝胶组合物根据本公开中先前关于实施例2-5所描述的方法制备。聚合物凝胶组合物包括5wt.％的PAtBA作为基础聚合物、2.0wt.％的PEI作为交联剂、2.0wt.％的KCl、4.76wt.％的APTES作为硅烷化合物、7.14wt.％的硅酸钠，和余量的水。
实施例9的聚合物凝胶组合物通过制备聚合物凝胶组合物并将聚合物凝胶组合物置于保持在93℃(200°F)的烘箱中一段较长时间而经受热稳定性试验。观察到聚合物凝胶组合物固化形成交联聚合物凝胶基质并且交联聚合物凝胶基质在93℃的温度下保持其三维凝胶结构至少30天的时长而没有分解。因此，由本公开的聚合物凝胶组合物形成的交联聚合物凝胶基质可以在升高的温度下在延长的时间段内对含水区提供有效水控制。
通过用聚合物凝胶组合物处理碳酸盐岩心栓样品，然后尝试使用实施例8的Coretest岩心驱替***使KCl含水溶液通过处理过的碳酸盐岩心栓样品，进一步评估实施例9的聚合物凝胶组合物的耐久性。首先，将水中2wt.％的KCl的含水溶液通过未处理的碳酸盐岩心栓样品。参考图8，图解描绘了依据实施例9的耐久性试验的时间(x轴)的压差802。在图8中，由附图标记804标识的区域对应于未处理的碳酸盐岩心栓样品。压差非常低，为1.8psi(12.4kPa)，测得的含水溶液的最大流速为每分钟4毫升。
然后用实施例9的聚合物凝胶组合物处理碳酸盐岩心栓样品并使其固化24小时的时长。在处理和固化之后，使处理过的碳酸盐岩心栓样品经受水中2wt.％的KCl的含水溶液的流动。KCl溶液注入的初始开始由图8中的附图标号820标识。在由附图标号806标识的区域中，压差增加到1580psi(10,894kPa)的压力。处理过的碳酸盐岩心栓样品保持在1580psi的压差下，总时间达30小时。在此期间，在1580psi的压差下未观察到水穿透处理过的碳酸盐岩心栓样品。处理过的碳酸盐岩心栓样品测得的1580psi压差相当于由聚合物凝胶组合物形成的交联聚合物凝胶基质每英尺6320psi的保持压力。
30小时后(图8中的附图标号822)，注射压力增加到2477psi(17,078kPa)，持续额外的20小时。压力增加的时长在图8中由附图标号808标识。在更大的压差下没有观察到水穿透处理过的碳酸盐岩心栓样品。对于由聚合物凝胶组合物形成的交联聚合物凝胶基质，2477psi的压差相当于每英尺9908psi的保持压力。
在本公开的第一方面，一种用于处理地下地层的含水区的方法可以包括将聚合物凝胶组合物注入地下地层的含水区的至少一部分中。聚合物凝胶组合物可以包括基础聚合物、交联剂和至少包括硅烷化合物的吸附***。在注入含水区之前，聚合物凝胶组合物可以具有5厘泊至10厘泊的粘度。所述方法还可以包括固化部分含水区中的聚合物凝胶组合物以产生交联聚合物凝胶基质。交联聚合物凝胶基质可以产生减少或防止含水材料从含水区流入井眼的屏障。
本公开的第二方面可以包括第一方面，其中吸附***可以进一步包括硅酸盐组分。
本公开的第三方面可以包括第二方面，其中硅酸盐组分可以包括硅酸钠、硅酸钾或两者。
本公开的第四方面可以包括第一至第三方面中的任一方面，其中聚合物凝胶组合物可以包括基于聚合物凝胶***的总重量的3wt.％至10wt.％的基础聚合物、基于聚合物凝胶***的总重量的0.3wt.％至2.0wt.％的交联剂、基于聚合物凝胶***的总重量的3wt.％至10wt.％的硅烷化合物、基于聚合物凝胶***的总重量的2wt.％至7wt.％的硅酸盐含水溶液，和余量的水。
本公开的第五方面可以包括第一至第四方面中的任一方面，还包括在聚合物凝胶组合物之后将驱替液泵入井眼中，其中驱替液可以将聚合物凝胶组合物驱替到含水区中。
本公开的第六方面可以包括第一至第五方面中的任一方面，其进一步包括在注入聚合物凝胶组合物之前将隔离液引入含水区。
本公开的第七方面可以包括第一至第六方面中的任一方面，其中聚合物凝胶组合物可以通过钻柱、生产油管或连续油管注入含水区。
在本公开的第八方面，一种用于处理地下地层的含水区的聚合物凝胶组合物可以包括基于聚合物凝胶组合物总重量的3wt.％至10wt.％的基础聚合物、基于聚合物凝胶组合物总重量的0.3wt.％至2.0wt.％的交联剂、基于聚合物凝胶组合物总重量的3wt.％至10wt.％的硅烷化合物，和余量的水。
本公开的第九方面可以包括第八方面，其进一步包括基于聚合物凝胶组合物总重量的2wt.％至7wt.％的硅酸盐含水溶液。
本公开的第十方面可以包括第九方面，其中硅酸盐含水溶液可以包括硅酸钠、硅酸钾或两者。
本公开的第十一方面可以包括第一至第十方面中的任一方面，其中聚合物凝胶组合物可以进一步包括一种或多种盐。
本公开的第十二方面可以包括第十一方面，其中一种或多种盐可以包括氯化铵、氯化钾或两者.
本公开的第十三方面可以包括第一至第十二方面中的任一方面，其中基础聚合物可以包括聚丙烯酰胺均聚物、聚酰胺丙烯酸酯或两者中的一种或多种。
本公开的第十四方面可以包括第一至第十三方面中的任一方面，其中基础聚合物可以具有250,000至500,000克/摩尔的平均分子量。
本发明的第十五方面可以包括第一至第十四方面中的任一方面，其中基础聚合物可以包括聚[丙烯酰胺-共-(丙烯酸叔丁酯)]、聚丙烯酰胺均聚物，或聚[丙烯酰胺-共-(丙烯酸叔丁酯)]和聚丙烯酰胺均聚物。
本公开的第十六方面可以包括第一至第十五方面中的任一方面，其中基于聚[丙烯酰胺-共-(丙烯酸叔丁酯)]中丙烯酰胺单体单元和丙烯酸叔丁酯单体单元的总数，基础聚合物可以包括具有1mol％至50mol％的聚[丙烯酰胺-共-(丙烯酸叔丁酯)]共聚物。
本公开的第十七方面可以包括第一至第十六方面中的任一方面，其中交联剂可以包括有机交联剂。
本公开的第十八方面可以包括第一至第十七方面中的任一方面，其中交联剂可以包括亚胺。
本公开的第十九方面可以包括第一至第十八方面中的任一方面，其中交联剂可以包括聚乙烯亚胺。
本公开的第二十方面可以包括第一至第十九方面中的任一方面，其中硅烷化合物可以是氨基-硅烷化合物。
本公开的第二十一方面可以包括第二十方面，其中氨基硅烷化合物可以具有以下化学式(II)：
H2N–R1–Si(R2)3(II)；
在化学式(II)中，R1可以是具有1至20个碳原子的直链或支链烃基，并且每个R2可以独立地选自具有1至10个碳原子的直链或支链烃基、胺基、或具有通式(–O–R3)的烷氧基，其中R3可以是具有1至10个碳原子的直链或支链烃基。R2基团中的至少一个可以是烷氧基。
本公开的第二十二方面可以包括第一至第二十一方面中的任一方面，其中硅烷化合物包括3-氨基丙基三乙氧基硅烷、3-氨基丙基三甲氧基硅烷或两者。
本公开的第二十三方面可以包括第一至第二十二方面中的任一方面，其中聚合物凝胶组合物具有9至14的pH。
本公开的第二十四方面可以包括第一至第二十三方面中的任一方面，其中聚合物凝胶组合物具有小于或等于5wt.％，或小于或等于4wt.％，或小于或等于3.6wt.％的盐度。
应当注意，以下权利要求中的一项或多项使用术语“其中”作为过渡词。出于限定本技术的目的，应注意，所述术语在权利要求中作为开放式过渡短语引入，所述短语用于引入结构的一系列特征的叙述，并且应当以与更常用的开放式前导词术语“包括”同样方式地理解。
应当理解，分配给某特性的任何两个定量值可以构成所述特性的范围，并且在本公开中涵盖由给定特性的所有所述定量值形成的范围的所有组合。
已详细并且参考具体实施例描述本公开的主题，应当注意，甚至在特定要素在伴随本公开描述的附图中的每一者中示出的情况下，在本公开中所描述的各种细节不应视为暗示这些细节涉及在本公开中所描述的各种实施例为必需的组成部分的要素。确切地说，应将所附权利要求视为本公开的范围的唯一表示和本公开中描述的各种实施例的对应范围。此外，显然在不脱离所附权利要求的范围的情况下可以进行修改和变化。

Claims (15)

1.一种处理地下地层的含水区的方法，所述方法包括：
将聚合物凝胶组合物注入所述地下地层的至少一部分所述含水区中，所述聚合物凝胶组合物包括：
基础聚合物；
交联剂；和
至少包括一种硅烷化合物的吸附***；
其中所述聚合物凝胶组合物在注入所述含水区之前具有5厘泊至10厘泊的粘度；
固化所述部分含水区中的所述聚合物凝胶组合物以产生交联聚合物凝胶基质，其中所述交联聚合物凝胶基质产生减少或防止含水材料从所述含水区流入井眼的屏障。
2.根据权利要求1所述的方法，其中所述吸附***还包括选自硅酸钠、硅酸钾或两者的硅酸盐组分。
3.根据权利要求1或2中任一项所述的方法，其中所述基础聚合物具有250,000至500,000克/摩尔的平均分子量并且包括聚[丙烯酰胺-共-(丙烯酸叔丁酯)]、聚丙烯酰胺均聚物或聚[丙烯酰胺-共-(丙烯酸叔丁酯)]和聚丙烯酰胺均聚物。
4.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述交联剂包括聚乙烯亚胺。
5.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述硅烷化合物是具有以下化学(II)的氨基-硅烷化合物：
H2N–R1–Si(R2)3 (II)；
其中：
其中R1是具有1至20个碳原子的直链或支链烃基；并且
每个R2独立地选自具有1至10个碳的直链或支链烃基、胺基或具有通式(–O–R3)的烷氧基，其中R3可以是具有1至10个碳原子的直链或支链烃基，其中至少一个R2是烷氧基。
6.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述硅烷化合物包括3-氨基丙基三乙氧基硅烷、3-氨基丙基三甲氧基硅烷或两者。
7.一种用于处理地下地层含水区的聚合物凝胶组合物，所述聚合物凝胶组合物包括：
基于所述聚合物凝胶组合物的所述总重量的3wt.％至10wt.％的基础聚合物；
基于所述聚合物凝胶组合物的所述总重量的0.3wt.％至2.0wt.％的交联剂；
基于所述聚合物凝胶组合物的所述总重量的3wt.％至10wt.％的硅烷化合物；和
余量的水。
8.根据权利要求7所述的聚合物凝胶组合物，其进一步包括基于所述聚合物凝胶组合物的所述总重量的2wt.％至7wt.％的硅酸盐含水溶液，其中所述硅酸盐含水溶液包括硅酸钠、硅酸钾或两者。
9.根据权利要求7或8中任一项所述的聚合物凝胶组合物，其中所述基础聚合物包括聚[丙烯酰胺-共-(丙烯酸叔丁酯)]、聚丙烯酰胺均聚物或聚[丙烯酰胺-共-(丙烯酸叔丁酯)]和聚丙烯酰胺均聚物。
10.根据权利要求7至9中任一项所述的聚合物凝胶组合物，其中所述基础聚合物的平均分子量为250,000至500,000克/摩尔。
11.根据权利要求7至10中任一项所述的聚合物凝胶组合物，其中所述交联剂包括聚乙烯亚胺。
12.根据权利要求7至11中任一项所述的聚合物凝胶组合物，其中所述硅烷化合物为具有以下化学式(II)的氨基-硅烷化合物：
H2N–R1–Si(R2)3 (II)；
其中：
其中R1是具有1至20个碳原子的直链或支链烃基；并且
每个R2独立地选自具有1至10个碳的直链或支链烃基、胺基或具有通式(–O–R3)的烷氧基，其中R3可以是具有1至10个碳原子的直链或支链烃基，其中至少一个R2是烷氧基。
13.根据权利要求7至12中任一项所述的聚合物凝胶组合物，其中所述硅烷化合物包括3-氨基丙基三乙氧基硅烷、3-氨基丙基三乙氧基硅烷或两者。
14.根据权利要求7至13中任一项所述的聚合物凝胶组合物，其中所述聚合物凝胶组合物在地表大气条件下且在所述聚合物凝胶组合物交联之前的初始粘度为5厘泊至10厘泊。
15.根据权利要求7至14中任一项所述的聚合物凝胶组合物，其中所述聚合物凝胶组合物包括一种或多种选自氯化铵、氯化钾或两者的盐。
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