NO340245B1 - Viskositetsreduksjon av viskoelastiske surfaktantbaserte fluider - Google Patents

Description

Det tekniske området for oppfinnelsen

[0001] Denne oppfinnelse vedrører blandinger og fremgangsmåter anvendt ved reduksjonen av viskositeten av viskoelastiske surfaktant (VES) fluider, spesielt for bruk i behandling av undergrunns formasjoner og olje- og gassbrønner.

Bakgrunn for oppfinnelsen

[0002] Viskoelastiske surfaktantfluider fremstilles vanlig ved innblanding av passende mengder av egnede surfaktanter (overflateaktive stoffer) som for eksempel anoniske, kationiske, ikke-ioniske og zwitterioniske surfaktanter. Viskositeten av de viskoelastiske surfaktantfluider tilskrives den tredimensjonale struktur som dannes av komponentene i fluidene. Når konsentrasjonen av surfaktantene i et viskoelastisk fluid signifikant overskrider en kritisk konsentrasjon, og i de fleste tilfeller i nærvær av en elektrolytt, aggregerer surfaktantmolekyler til spedes som for eksempel miceller, som kan interagere til å danne et nettverk som fremviser elastisk opptreden. I den resterende del av denne beskrivelse vil betegnelsen "micelle" bli anvendt som en generisk betegnelse for de organiserte interagerende spedes.

[0003] Viskoelastiske surfaktantoppløsninger dannes vanlig ved tilsetning av visse reagenser til konsentrerte oppløsninger av surfaktanter, ofte bestående av langkjedede kvaternære ammoniumsalter som for eksempel cetyltrimetylammo-niumbromid (CTAB). Vanlige reagenser som genererer viskoelastisitet i surfaktant-oppløsningene er salter som ammoniumklorid, kaliumklorid, natriumsalicylat og natriumisocyanat og ikke-ioniske organiske molekyler som for eksempel kloroform. Elektrolytt-innholdet i surfaktantoppløsninger er også en viktig kontroll på deres viskoelastiske opptreden.

[0004] Det har vært betraktelig interesse for å anvende slike viskoelastiske surfaktanter som brønn ettersynsfluider. Det vises for eksempel til US patent nr. 4.695.389; 4.725.372; 5.551.516; 5.964.295 og 5.979.557.

[0005] Innføringen av ytterligere komponenter til fluidet kan bevirke en dramatisk minsking avfluidviskositeten, benevnt "bryting". Denne kan forekomme selv med komponenter som for eksempel vann eller elektrolytter, som allerede kan være tilstede i fluidet. I oljefeltanvendelser reduseres for eksempel viskositeten av viskoelastiske surfaktantfluider eller tapes etter eksponering til formasjonsfluider (for eksempel råolje, kondensat og/eller vann); og denne viskositetsreduksjon eller

-tap utløser rensing av reservoaret, frakturen eller annet behandlet areal.

[0006] Under noen forhold ville det imidlertid være passende å ha en bedre kontroll av denne bryting, for eksempel når brytingen av fluidet er ønsket ved et spesielt tidspunkt eller tilstand, når det er ønsket å akselerere viskositetsreduksjon eller når den naturlige innstrømning av reservoarfluider (for eksempel i tørrgass-reservoarer) ikke bryter eller ufullstendig bryter det viskoelastiske surfaktantfluider. Denne fremstilling beskriver blandinger og fremgangsmåter anvendt for å bryte viskoelastiske surfaktantfluider.

[0007] Gelbrytere er vanlig anvendt for konvensjonelle polymerbaserte fluider anvendt i stimulering og lignende ettersom polymerbaserte fluider, til for-skjell fra viskoelastisk surfaktantbasert fluid, ikke spontant brytes når de kommer i kontakt med hydrokarboner eller vandige formasjonsfluider. Å etterlate et høyvis-køst fluid i formasjonen ville resultere i en reduksjon av formasjonspermeabiliteten og følgelig en minsking av produksjonen. De mest vanlig anvendte brytere er oksiderende midler og enzymer. Bryterne kan oppløses eller oppslemmes i den flytende (vandig, ikke-vandig eller emulsjons) fasen av behandlingsfluidet og eksponeres til polymeren under hele behandlingen (tilsatt "internt") eller eksponeres til fluidet ved et tidspunkt etter behandlingen (tilsatt "eksternt"). De mest vanlige interne metoder og blandinger for konvensjonelle polymerbaserte systemer innebærer oppløselige oksiderende midler eller enzymer; de mest vanlige eksterne metoder og blandinger innebærer innkapslede enzymer eller innkapslede oksiderende midler eller innebærer bruken av for- eller etterspylinger som inneholder brytere. Bryting kan foregå i borehullet, gruspakkingen, filterkaken, bergartsmatriksen, i en fraktur eller i noe annet tilsatt eller skapt miljø.

[0008] UK patent nr. GB 2332223 (Hughes, Jones og Tustin), "Viscoelastic surfactant based gelling composition for wellbore service fluids" beskriver fremgangsmåter for å forsinke og kontrollere oppbyggingen av viskositet og geldannel-se av viskoelastiske surfaktantbaserte geldannende blandinger. Disse metoder anvendes for å lette anbringelse av forsinket ("forgel") fluid inn i et porøst medium og deretter å utløse dannelsen av den viskoelastiske gel in situ.

[0010] US patent nr. 4.735.731 (Rose et al.) beskriver flere metoder for reversibelt å bryte viskositeten av VES-oppløsninger gjennom et inngrep på overflaten. Disse metoder inkluderer oppvarming/avkjøling av fluidet, regulering av pH eller å bringe fluidet i kontakt med en effektiv mengde av et blandbart eller ikke-blandbart hydrokarbon og deretter underkaste fluidet for betingelser slik at viskositeten av fluidet i vesentlig grad gjenopprettes. Den reversible behandling ifølge Rose er nyttig for borefluider slik at det fluid som pumpes inn i brønnen er viskøst nok til å bære borkaks til overflaten, men i stand til å brytes ved overflaten for fjernelse av faststoffet. Brytingsmetodene drøftet i Rose anvendes ikke for å bryte en viskoelastisk oppløsning nede i en brønn og synes videre å ha en øyeblikkelig virkning på viskositeten av fluidet. [0011 ] Det foreligger derfor et behov for fremgangsmåter for bryting av viskoelastiske surfaktantfluider etter undergrunns olje- eller gassbrønnbehandling, ved forutbestemte tidspunkt eller tilstander og/eller de ikke brytes av den naturlige innstrømning av reservoarfluider.

Oppsummering av oppfinnelsen

Den foreliggende oppfinnelse tilveiebringer en fremgangsmåte for behandling av en undergrunnsformasjon omfattende trinnene med: (a) injisering ned i en brønn av et vandig fluid omfattende en fortykkende mengde av en viskoelastisk surfaktant; (b) tilveiebringelse av et brytersystem som bevirker en reduksjon i viskositet av fluidet etter dets injeksjon, men ikke signifikant påvirker dets viskositet ved overflate og under injeksjonen, hvor det nevnte brytersystem inkluderer en polyelektrolytt valgt fra anioniske polymerer, kationiske polymerer, zwitterioniske polymerer og polypropylenglykol.

Ytterligere utførelsesformer av fremgangsmåten i henhold til oppfinnelsen fremgår av de uselvstendige patentkrav.

[0012] Blandinger og fremgangsmåter for initiering, kontroll og forbedring av rensing av viskoelastiske surfaktantfluider med brytermidler er beskrevet. Brytere kan være interne, eksterne eller en kombinasjon derav. Disse blandinger og fremgangsmåter er fokusert på, men ikke begrenset til brytere for viskoelastiske surfaktantsystemer basert på kationiske surfaktanter som erucylmetyl bis(2-hyd-roksyetyl) ammoniumklorid ("EMHAC"); zwitterioniske surfaktanter som betainsurfaktanter; og anioniske surfaktanter som for eksempel oljesyrederivatene. Fremgangsmåtene og blandingene beskrevet heri er imidlertid også gitt for å bryte viskoelastiske surfaktantfluider basert på anioniske, kationiske, ikke-ioniske og zwitterioniske surfaktanter.

[0013] Forskjellige typer av alkoholer, organiske syrer og salter er kjent å gi en reduksjon av viskositeten av en viskoelastisk gel - eller endog fullstendig å "bryte" gelen. For de testede blandinger ble det funnet at disse brytingsmidler har den følgende effektivitet:

[0014] I tillegg er visse polyelektrolytter også funnet å virke som VES fluid-brytende midler. Uten å begrense oppfinnelsens omfang er det antatt at egnede

polyelektrolytter virker ved minst to forskjellige mekanismer. Hvis polyelektrolytten og surfaktanten bærer motsatte ladninger virker disse brytere ved ladningsnøytra-lisasjon. Hvis de bærer den samme ladning virker disse brytere ved micellær opp-rivning (lignende brytingseffekten av hydrokarboner på VES-fluider). Begge mekanismer koeksisterer for zwitterioniske surfaktanter. Brytingseffekten av disse polyelektrolytter er øyeblikkelig. I en foretrukket utførelsesform er derfor polyelektrolyt-tene innkapslet.

[0015] Det er et aspekt ved oppfinnelsen å tilveiebringe fremgangsmåter og blandinger for forsinket bryting av slike viskoelastiske surfaktantholdige geldannende blandinger uten at dette signifikant eller vesentlig skal gå på bekostning av de initiale fluidegenskaper nødvendige for oppslemning og transport av proppemiddel under fraktureringsoperasjonen. Oppfinnelsen vedrører således en fremgangsmåte for å behandle en undergrunnsformasjon ved at det nede i en brønn injiseres et vandig fluid omfattende en fortykkende mengde av en viskoelastisk surfaktant omfattende tilveiebringelse av et brytesystem eller en forløper for et brytesystem som bevirker en reduksjon i viskositeten av fluidet etter dets injeksjon, men ikke signifikant påvirker dets viskositet ved overflaten eller under injeksjonen. Optimerte sammensetninger sikrer at den viskoelastiske gel hurtig dannet under overflatebetingelser forblir stabil under pumping og plassering inn i frakturene. Ved et senere tidspunkt blir så gelviskositeten signifikant redusert med den kontrollerte frigivelse av et gelbrytende system.

[0016] Den følgende forenklede sekvens beskriver en foretrukket anvend-else av blandingene ifølge den foreliggende oppfinnelse:

(A) Ved overflaten under pumping og dannelse av proppemiddel tilsatt fraktur: Kombinasjon og pumping av en kjent viskoelastisk surfaktantgel + tilsetningsstoff A som utvikles til en viskoelastisk surfaktantgel. (B) Etter reversering av pumperetningen ( tilbakestrømningsregime) : Tilsetningsstoffet A (enten gjennom en intern prosess eller etter

tilsetning av et andre tilsetningsstoff) frigjør minst én komponent B, som reduserer gelstyrken av den viskoelastiske surfaktantgel. Begge prosesser er lagt opp til å forsinke virkningen av gelstyrkereduksjonen til et tidspunkt når den viskoelastiske surfaktantgel er tilstede i frakturen og formasjonen.

[0017] Ifølge et aspekt ved oppfinnelsen tilveiebringes således en forløper som frigir et brytingssystem ved hjelp av minst én av de følgende prosesser: smelting, sakte oppløsning, reaksjon med en forbindelse tilstede i fluidet eller tilsatt til fluidet under eller etter injeksjonstrinnet, bryting av et innkapslende belegg og deadsorbsjon av et brytemiddel absorbert inn i faste partikler.

[0018] Det initiale tilsetningsstoff A, når dette tilsettes som en intern bryter, er foretrukket en vannoppløselig forbindelse. Egenskapene av A, spesielt hydro-fil/lipofil-balanse (HLB) og ladningskarakteristikker, er slik at egenskapene av den viskoelastiske surfaktantgel ikke påvirkes signifikant ved dets nærvær inntil en reaksjon foregår som genererer en tilstrekkelig konsentrasjon av B (og under visse forhold mer reaksjonsprodukter) for å bryte micellene og redusere fluidets gelstyrke og fluidviskositet under tilbakestrømning.

[0019] Foretrukne eksempler på tilsetningsstoff A er estere, isothionater, sarcosinater, alkoholsulfater, alkoholetersulfater, alkoholfenoletersulfater, kar-boksylatanioner, etoksykarboksylatanioner, esterkarboksylater og polyelektrolytter. Disse produkter vil reagere til å frigi en alkohol- eller en karboksylsyrebryter, for eksempel ved hydrolyse.

[0020] Et ytterligere aspekt av oppfinnelsen vedrører innkapslede salter. Viskoelastiske surfaktantfluider oppnår viskositet ved å danne miceller i nærvær av en elektrolytt. Micellene kan ha et antall former, inklusive ormlignende, stav-lignende, kuleformede, laminære eller vesikulære. Den optimale viskositet oppnås bare når konsentrasjonen av elektrolytten faller innenfor et gitt område. For eks empel, i tilfellet av EMHAC, er det optimale vindu generelt mellom 0,6 M og 0,8 M (molar). Nærværet av et innkapslet salt i fraktureringsfluidet ville ikke påvirke rheologien under anbringelse. Etter frakturlukking ville proppemiddelkornene knuse kapslene og tillate frigivelse av det ekstra salt; følgelig ville elektrolyttkonsentrasjonen falle utenfor det optimale området og fluidviskositeten ville falle. Innkapslet ammoniumpersulfat er særlig nyttig. Andre innkapslede materialer kan inkludere organiske salter som natriumsalicylat, uorganiske salter som NaPF6(natriumheksafluorfosfat) og KCI (kaliumklorid), og flytende hydrokarboner eller surfaktanter som natriumdodecylsulfat. Et hvilket som helst salt som er tilstrekkelig oppløselig i behandlingsfluidet og ville bryte micellestrukturen ville faktisk være passende.

[0021] Det ekstra salt kan også frigis ved den forsinkede spaltning av en forbindelse som genererer kloridet. En lignende effekt kan oppnås ved bruk av en forsinket spaltning av en salicylatgenerator som for eksempel estere, metyl-salicylat og etylsalicylat. Spaltningen av de siste forbindelser frigir alkohol, som kan indusere en ytterligere viskositetsreduksjon.

[0022] Enda et ytterligere aspekt av den foreliggende oppfinnelse vedrører bruken av polyelektrolytter som VES-brytere. Polyelektrolytter nyttige ved oppfinnelsen kan være anioniske, kationiske, ikke-ioniske og zwitterioniske. Avhengig av den type av polyelektrolytt og surfaktant som anvendes varierer den meka-nisme hvormed VES-fluidet brytes. For eksempel arbeider kationiske polyelektrolytter ved hjelp av ladningsnøytralisasjon med anionisk surfaktant, mens anioniske polyelektrolytter bevirker micellær oppriving for kationisk surfaktant. Selv om det skal forstås at en hvilken som helst egnet polyelektrolytt kan anvendes, er de følgende foretrukket: sulfonerte polynaftalener, sulfonerte polystyrener og sulfonerte styren/maleinsyreanhydrid polymerer. Mer spesifikt foretrekkes polypropylenglykol, polynaftalensulfonat og polystyrensulfonat.

[0023] Videre kan andre materialer, som angitt i videre utførelsesformer ovenfor, som for eksempel faste eller flytende organiske forbindelser som alkoholer som for eksempel dodecylalkohol eller surfaktanter som for eksempel natriumdodecylsulfat innkapsles og anvendes på denne måte. US patent nr. 4.741.401 (Walles et al.) viser innkapslede materialer med kontrollert frigivelse hvori de innkapslede materialer frigis inn i det minste delvis ved kapselknusing. US patent nr. 3.956.173 omhandler innkapslede kaliumsalter, inklusive kaliumklorid, hvorfra de innkapslede kaliumsalter frigis i det minste delvis ved oppløsning i vann av innkapslingsmaterialet. Andre mekanismer, som for eksempel osmotisk eller kjemisk diffusjon er blitt rapportert. I alle tilfeller frigis brytemiddelet ved brudd på innkapslingsbelegget.

[0024] Et ytterligere aspekt av oppfinnelsen vedrører saktevirkende brytere. En type av saktevirkende bryter er ikke-herdede, eller delvis herdede harpiksbelagte proppemidler. Når disse er inkludert i behandlinger av undergrunnsforma-sjoner som inkluderer proppemidler vil harpiksbelegget på proppemiddelet herdes ved en viss tid eller temperatur og bevirke at proppemiddelpartiklene kleber til hverandre. Dette er ofte ønskelig for å hindre tilbakestrømning av partikler inn i en brønn. Det er funnet at herdemidlene (vanlig fenoler og aminer) i de fleste harpiksbelagte proppemidler er uforlikelige med viskoelastiske surfaktantfluider. Harpik-sen kan sammensettes til å frigi herdemiddelet hurtig eller meget sakte, resulter-ende i en lang eller kort forsinkelse i nedbrytingen av det viskoelastiske surfaktantfluid.

[0025] En type av oppløselig bryter omfatter surfaktanter med hydrofile hodegrupper motsatt ladet til de hydrofile hodegrupper av de anioniske eller kationiske surfaktanter som utgjør noen viskoelastiske surfaktantfluider, eller med andre ord som er motsatt ladet til surfaktantene som danner det viskoelastiske surfaktantfluid. C18til C20sulfater er blitt vist å redusere viskositeten av kationiske viskoelastiske surfaktantfluider meget effektivt. Som et eksempel bryter det anioniske surfaktant natriumdodecylsulfat (C12sulfat) viskoelastiske surfaktantfluider som er basert på kvaternære aminsurfaktanter som for eksempel EMHAC og lignende, men slik bruk av sulfatet krever også et forsinkelsesmiddel er -metode. Andre eksempler inkluderer alkyl- eller arylfosfater eller -fosfonater eller karboksyl-syre, for eksempel såper som fettsyrer. Når disse materialer i seg selv ikke opp-løses sakte må de innkapsles eller adsorberes for sakte frigivelse som beskrevet i andre utførelsesformer heri. Absorbsjon kan for eksempel være i karbokeramiske proppemidler eller zeolitter.

[0026] Andre sakte oppløselige brytere velges blant materialer, faste eller flytende ved overflatetemperatur og initialt enten uoppløselig eller ikke-blandbare med det viskoelastiske surfaktantfluid. I sin tid, spesielt ved forhøyede temperaturer, frigir bryterne sakte molekyler inn i fluidet og bryter i stykker micellestrukturen. Et eksempel er et ikke-blandbart fluid som danner en emulsjon i det viskoelastiske surfaktantfluid. Et mer spesifikt eksempel er et alkylamin; et foretrukket eksempel er dodecylamin. Andre eksempler ville inkludere faste hydra- karboner som alkaner, alkener og aromater, inklusive substituerte forbindelser, med egnede oppløsningshastigheter.

[0027] Enda et ytterligere aspekt av denne oppfinnelse vedrører smelte-punktfrigitte brytere. Et hvilket som helst materiale med et egnet smeltepunkt som er en viskoelastisk surfaktant fluidbryter når det er i flytende form kan anvendes. Viskositetsreduksjonen er irreversibel; senere avkjøling av fluidet gjenoppretter ikke fluidytelsen. C12til C18alkoholer har forholdsvis høye smeltepunkter. Andre eksempler ville inkludere hydrokarboner som alkaner, alkener og aromater, inklusive substituerte forbindelser, med egnede smeltepunkter. Faststoffer med forholdsvis høye smeltepunkter er også brukbare for å innkapsle brytere beskrevet i andre utførelsesformer heri.

[0028] Enda et ytterligere aspekt av den foreliggende oppfinnelse vedrører inklusjon av brytemidler i form av små partikler eller som impregneringsmaterialer på porøse eller ikke-porøse, naturlige eller syntetiske små partikler, for eksempel ved absorbsjon eller adsorbsjon på karbokeramiske proppemidler eller zeolitter. Partikler med en diameter i området fra 1/1000 um og 10/1000 um (nanopartikler) ville være av spesiell interesse ettersom de er små nok til å gå inn i matriksen sammen med en del av stimulerings- eller annet behandlingsfluid. De aktive nanopartikler, eller det middel som de frigjør, ville bli betraktet som en type av internt middel hvis, eller i den utstrekning de er tilstede i fluidet, eller et eksternt middel hvis de initialt går inn i matriksen og deretter frigis eller frigir et middel som så strømmer inn i det fluid som skal brytes. Et slikt system kan tilsettes under hele stimulasjonen eller annen behandling eller ved et hvilket som helst tidspunkt under behandlingen, som for eksempel i "pad" eller for- eller etterspylingen.

[0029] Et ytterligere spesielt aspekt ved denne oppfinnelse vedrører inklusjon av alkoholer i en første "fluidpad" eller forspyling innført før hovedfluidet. I forskjellige behandlinger vil nevnte "pad" forbedre eller optimere betingelser for å øke effektiviteten av hovedfluidet; for eksempel kan nevnte "pad" ved frakturering være et ikke-proppemiddelholdig fluid med forskjellig sammensetning fra hovedfluidet som inneholder proppemiddel.

[0030] Som nevnt i det foregående reduserer innføringen av en alkohol til et viskoelastisk surfaktantfluid dets viskositet. Mer nøyaktig reduserer alkoholen viskositeten med en lav skjærhastighet (typisk mindre enn 1 sek-<1>) mens viskositeten ved midlere skjærhastighet (omtrent 100 sek"<1>) essensielt ikke endres. For at et fluid skal bære med seg proppemiddel må fluidet være viskøst ved lavskjær- hastighet. På den andre side avhenger opprettelsen og opprettholdelsen av frak-turbredde hovedsakelig den midlere til høy skjærviskositet. De fleste frakturer-ingsarbeider er lagt opp til å inkludere et første "pad"-trinn med et proppemiddelfritt fraktureringsfluid, etterfulgt av proppemiddeltrinnet. Tilsetning av alkohol under dette "pad"-trinn vil følgelig ikke signifikant påvirke dette initiale trinn. For den resterende del av fraktureringsarbeidet vil proppemiddel bli tilsatt mens tilsetning av alkohol vil opphøre for å tillate at fluidet kan transportere proppemiddel.

[0031] Det skal bemerkes at alkohol også øker lekkasjeegenskapene av fraktureringsfluidet. For lavpermeabilitetsformasjon, spesielt hvis formasjonspermeabiliteten er mindre enn 1 milNDarcy, er dette ikke en ulempe ettersom formasjonen som omgir frakturen vil bli impregnert med et fluid med forbedrede renseegenskaper. Følgelig vil fluidet med en gang trykket avlastes lettere strømme ut av matriksen og føre til en bedre rensing langs hele lengden av frakturen.

[0032] I en ytterligere variant av oppfinnelsen kan alkoholen inkluderes i forpadfluidet. Forpad er et fluid som vanlig omfatter vann, et løsningsmiddel og et salt som KCI, typisk injisert i formasjonen ved selve det initiale trinn av frakturer-ingsbehandlingen.

[0033] Det skal forstås at de forskjellige metoder og kombinasjoner av oppfinnelsen kan kombineres, slik at for eksempel brytere av den samme eller av forskjellige typer kan anvendes enten sekvensmessig eller samtidig. Bryterne kan også inkluderes i del av fluidet - for eksempel i den fremre del eller den bakre del av fluidet. For eksempel kan en hurtigvirkende bryter bare inkluderes med den siste del av fluidet for å unngå for tidlig bryting av det initiale injiserte fluid. I noen tilfeller kan blandingene ifølge oppfinnelsen også anvendes for å forbedre kontroll av denne bryting, selv om det selvfølgelig er tilgjengelige fluider som til slutt vil bryte de viskoelastiske surfaktantfluider for å forbedre kontroll av slik bryting.

[0034] Det skal også forstås at fraktureringsblandingene ifølge oppfinnelsen kan inneholde komponenter i tillegg til vann, elektrolytter, surfaktanter og brytere. Slike ytterligere komponenter er for eksempel syre, base, buffere, chelaterende midler for kontroll av flerverdige kationer, frysepunktsenkende midler og lignende.

[0035] Selv om de foreliggende anvendelser har fokusert på behandlinger av hydrokarbonbrønner kan fremgangsmåtene og blandingene ifølge oppfinnelsen også anvendes ved andre anvendelser hvor den samme type av fluider anvendes, for eksempel i vannbrønner, i behandlinger for utvinning av metan fra kulleier og ved metoder for inneslutning eller for å avhjelpe forurensning av grunn eller grunn-vann.

Kort beskrivelse av tegningene

[0036] Fig. 1 viser virkningen av å tilsette forskjellige alkoholer på fluid-rheologien av en typisk viskoelastisk surfaktantbasert geldannende blanding.

[0037] Fig. 2 viser virkningen av metanolkonsentrasjon på den normaliserte viskositet av forskjellige viskoelastiske surfaktantbaserte geldannende blandinger ved 60°C og 80°C.

[0038] Fig. 3 viser virkningen av å tilsette forskjellige metyldiestere til en viskoelastisk gel.

[0039] Fig. 4 viser virkningen av adipatanion og adipinsyre på fluidviskositet ved henholdsvis nøytrale og lave pH-betingelser.

[0040] Fig. 5 viser virkningen av glutaratanion og glutarsyre, på fluidviskositet ved henholdsvis nøytrale og lave pH-betingelser.

[0041] Fig. 6 illustrerer bruken av "versatic acid" under lave og nøytrale pH-betingelser.

[0042] Fig. 7 viser motstanden mot strømning versus tid av proppemiddel-pakker som var behandlet med et viskoelastisk surfaktantfluid med og uten innkapslet ammoniumpersulfat brytermiddel.

[0043] Fig. 8 viser viskositeten av et viskoelastisk surfaktantfluid inneholdende en forholdsvis høytsmeltende fast alkohol, idet fluidet først oppvarmes og deretter avkjøles.

[0044] Fig. 9 viser kinetikken av viskositetsnedsettelse av det viskoelastiske surfaktantfluid i nærvær av herdbare proppemidler.

[0045] Fig. 10 viser viskositeten som en funksjon av kloridkonsentrasjon for oppløsninger inneholdende henholdsvis 2,25 vekt% og 4,5 vekt% EMHAC surfaktant.

Detaljert beskrivelse

[0051] Forskjellige eksempler på bryting av en gel av konsentrerte viskoelastiske surfaktanter er beskrevet i det følgende:

Eksempel 1: Tilsetning av alkolhol

[0052] Viskositeten av en vandig oppløsning omfattende viskoelastiske surfaktanter bestående av langkjedede kvaternære ammoniumsalter reduseres ved tilsetning av alkohol. Fig. 1 viser virkningen av å tilsette forskjellige alkoholer på strømningsrheologien av en typisk viskoelastisk surfaktantbasert geldannende blanding inneholdende 3 vekt% erucylmetyl bis(2-hydroksyetyl) ammoniumklorid (EMHAC), 1 vekt% isopropanol og 3 vekt% ammoniumklorid.

[0053] Alle testede alkoholer minsket signifikant viskositeten ved lav skjærhastighet, med en effektivitet økende med økende kjedelengde (Ci til Cs).

[0054] Med alkoholen med den mindre kjedelengde (spesielt med metanol og etanol) er fluidviskositeten ved høyere skjærhastighet hovedsakelig den samme som den som måles for sammenligningsfluidet uten noe alkohol. Det antas at under frakturdannelse er de fleste fraktureringsfluider utsatt for en skjærhastighet på mellom omtrent 20 og 150 s_<1>- og tilsetningen av alkohol gjør det følgelig mulig å senke viskositeten ved lav skjærhastighet (tilsvarende som under rensing) mens den effektive viskositet i frakturen hovedsakelig ikke reduseres.

[0055] Fig. 2 viser effekten av metanolkonsentrasjon på den normaliserte viskositet (r)is-i med metanol) / (n,is-i uten metanol) av forskjellige viskoelastiske surfaktantbaserte geldannende blandinger ved 60°C og 80°C. Ved 60°C brytes gel A (3 vekt% surfaktant, 1 vekt% isopropanol, 3 vekt% NhUCI) med omtrent 0,5 vekt% metanol mens 2 vekt% metanol eller mindre er nødvendig for å bryte gel B (3,375 vekt% surfaktant, 1,125 vekt% isopropanol, 0,75 vekt% hm-polyakrylamid, det vil si hydrofobt modifisert polyakrylamid, 3 vekt% NhUCI). Ved 60°C tåler gel C (3,375 vekt% surfaktant, 0,75 vekt% hm-polyakrylamid, 3 vekt% NhUCI) en høyere metanolkonsentrasjon enn gel B, men ved 80°C brytes gel C lett med bare omtrent 0,5 vekt% metanol. Den kritiske konsentrasjon av alkohol nødvendig for å bryte gelen avhenger således av alkoholtype, fluidsammensetning og temperatur.

Eksempel 2: Tilsetning av eter

[0056] Denne metoden baseres på bruken av en ester (R'COOR") som har liten virkning på rheologien av den viskoelastiske gel, men som kan spaltes for å generere alkohol R"OH (ved en konsentrasjon større enn eller lik den kritiske konsentrasjon som trenges for å bryte gelen, hvor R' og R" er aromatiske, mettede eller umettede hydrokarbonkjeder).

[0057] Ettersom noen organiske syrer også effektivt bryter en gel omfattende en VES (se eksempel 3) kan tilsetning av ester være veldig effektiv, forutsatt at hydrolysen foregår ved et passende tidspunkt. En lignende virkning kan oppnås ved å anvende den passende tobasiske eller trebasiske ester.

[0058] Fig. 3 viser virkningen av å tilsette forskjellige metyldiestere til gel B angitt i eksempel 1. I motsetning til de mer hydrofobe diestere (dimetylglutarat,

dimetyladipat, dimetyldietylmalonat og dimetylazelat) har de mer hydrofile estere (dimetylitakonat, dimetylmalonat, dimetylmalat og dimetyloksalat) liten virkning på den lave skjærviskositet av gelen når de tilsettes ved en konsentrasjon i området 3-4 vekt%. Når det er fullstendig spaltet genererer 4 vekt% dimetyloksalat 2,2 vekt% metanol som, som vist i fig. 2, er tilstrekkelig til å bryte gel B ved 60°C eller gel C ved 80°C.

[0059] På lignende måte kan de mer hydrofile etyldiestere, for eksempel dietyloksalat, eller metylmonoestere, for eksempel metylacetat eller metylformat, anvendes for å oppnå en lignende forsinket bryting av gelen.

Eksempel 3: Tilsetning av et salt av en organisk syre

[0060] Noen organiske syrer er effektive gelbrytere. Syren kan tilveiebringes innkapslet eller som et salt. Deretter foregår under sure betingelser den følgende reaksjon:

[0061] Saltet skal velges slik at RCOO"har liten eller ingen virkning som et effektivt motion i den viskoelastiske gel. Eksempler på egnede anioner er: salicylatanion/salicylsyre: 2-(HO)C6H4COO- + H+ 2-(HO)C6H4COOH adipatanion/adipinsyre: -OOC(CH2)4COO- + 2H+ - > HOOC(CH2)4COOH versatatanionfversatic acid"|: C9H19COO- + H+ C9H19COOH glutaratanion/glutarsyre: -OOC(CH2)3COO- + H+ HOOC(CH2)3COOH

[0062] I dette eksempel er den inititale fluid pH-verdi større enn pKaav karboksylsyren slik at konsentrasjonen av RCOO"er større en konsentrasjonen av RCOOH. Ved det passende tidspunkt genereres lavere pH-betingelser slik at konsentrasjonen av RCOOH øker og blir større enn konsentrasjonen av RCOO". Lavere pH-betingelser kan genereres ved hydrolysen av en ester, som forklart i eksempel 1. Også her velges estertype og konsentrasjon slik at der er liten eller ingen innvirkning på de rheologiske egenskaper av den viskoelastiske surfaktantgel.

[0063] Fig. 4 viser virkningen av tilsetningen av adipinsyre - under forskjellige pH-betingelser - på viskositeten (målt under en skjærhastighet på 1 s_<1>, ved 25°C) av en geldannende blanding inneholdende 3,375 vekt% erucylmetyl bis(2-hydroksyetyl) ammoniumklorid (EMHAC), 1,125 vekt% isopropanol, 0,75 vekt% hm-polyakrylamid og 4 vekt% kaliumklorid. Adipatanionet er et effektivt motion, som øker fluidviskositet ved nøytral pH, men ekvivalente konsentrasjoner av adipinsyre reduserer viskositeten under lave pH-betingelser.

[0064] På lignende måte viser fig. 5 virkningen av forskjellige konsentrasjoner av glutarsyre under forskjellige pH-betingelser på viskositeten målt under en skjærhastighet 1 s_<1>, ved 25°C på den samme geldannende blanding. Fluidviskositeten er bare litt redusert av glutaratanionet, ved nøytral pH, men ekvivalente konsentrasjoner av glutarsyre reduserer viskositeten under lave pH-betingelser.

[0065] Endelig viser fig. 6 "versatic acid" som en effektiv bryter under lave pH-betingelser, men, ved nøytral pH, hvor konsentrasjonene av versatat og "versatic acid" er omtrent de samme, opprettholder gelen en høy viskositet. Testene i fig. 6 ble utført på en geldannende blanding inneholdende 4,5 vekt% erucylmetyl bis(2-hydroksyetyl) ammoniumklorid (EMHAC), 1,5 vekt% isopropanol, 0,5 vekt% hm-polyakrylamid og 3 vekt% ammoniumklorid.

[0066] Med zwitterioniske surfaktanter som for eksempel betainsurfaktanter er sitronsyre HOC(CH2C02H)2COOH et foretrukket brytesystem.

Eksempel 4: Tilsetning av organiske sulfatsalter

[0067] Langkjedede alkoholer kan genereres ved den sure hydrolyse av organiske sulfatsalter som for eksempel (i) R-OSO3X, hvor R er en mettet lineær hydrokarbonkjede og X er et alkalimetall (for eksempel natriumlaurylsulfat, Ci2H2sS04Na) eller (ii) RO(CH2CH20)nS04X (alkoholetersulfat) hvor R er en mettet lineær hydrokarbonkjede, typisk med 10 til 15 karbonatomer, n er i området 2 til 10 og X er typisk natrium, magnesium eller ammonium.

[0068] Syrehydrolyse av R-OSO3X eller RO(CH2CH20)nS04X ved forhøy-ede temperaturer (typisk >50°C) frigjør svovelsyre som katalyserer hydrolysen, for eksempel under sure betingelser, R-OSO3X + H2O —► ROH + H2SO4. Visse konsentrasjoner av alkylsulfater (for eksempel natriumlaurylsulfat, Ci2H2sS04Na) eller alkoholetersulfater (for eksempel Ci4H290(CH2CH20)2-3S04NH4) er effektive ko-surfaktanter i viskoelastiske surfaktantholdige geldannende blandinger hvor den viskoelastiske surfaktantkomponent er kationisk, for eksempel erucylmetyl bis(2-hydroksyetyl) ammoniumklorid (EMHAC).

[0069] I anvendelsen ved fraktureringsprosessen kan således lave konsentrasjoner av organiske sulfatkosurfaktanter anvendes for å forbedre gelstyrke og viskositet under pumping og dannelse av den proppede fraktur, men deretter kan en tilstrekkelig konsentrasjon av langkjedet alkohol frigis for å bryte gelen under tilbakestrømningsfasen.

Eksempel 5: Tilsetning av polymerer

[0070] Ved anvendelsen av viskoelastiske surfaktantbaserte geldannende blandinger omfattende viskoelastiske surfaktanter i kombinasjon med hydrofobt modifiserte vannoppløselige polymerer kan den forsinkede frigivelse av en bryterforbindelse oppnås ved hydrolyse av de hydrofobe grupper på polymeren. For eksempel kan en alkoholbryter genereres ved syrehydrolyse av alkylakrylat-eller alkylmetakrylat-grupper i en kopolymer med akrylamid ved å bruke reak-sjonen:

[0071] [-CH2CH(CONH2)]n[-CH2-CR'(COOR")]m<+>H2O -► [-CH2-CH(CONH2)]n[-CH2-CR'(COOH)]m+ R"OH hvor R' er hydrogen eller metyl og R" er en lineær eller forgrenet mettet hydrokarbonkjede.

[0072] I en alternativ metode kan en karboksylsyrebryter genereres ved sur hydrolyse: [-CH2-CH(CONH2)]n[-CH2-CH(OOCR")]m + H20 -► [-CH2-CH(CONH2)]n[-CH2-CH(OH)]m+ R"COOH av vinylalkanoat-gruppene i en kopolymer med akrylamid, hvor R" er en lineær eller forgrenet mettet hydrokarbonkjede.

[0073] For eksempel genererer den sure hydrolyse av en vinyl neode-kanoat/akrylamid-kopolymer "versatic acid" som, som vist i fig. 6, er en effektiv bryter under lave pH-betingelser. Testene rapportert i fig. 6 ble utført på en geldannende blanding inneholdende 4,5 vekt% erucylmetyl bis(2-hydroksyetyl) ammoniumklorid (EMHAC), 1,5 vekt% isopropanol, 0,5 vekt% hm-polyakrylamid og 3 vekt% ammoniumklorid. Viskositeten ble målt ved 25°C under en skjærhastighet på 1 s_<1>.

Eksempel 6: Innkapsling

[0074] Et basis viskoelastisk surfaktantfluid ble fremstilt ved at det til vann ble tilsatt 3 vol% EMHAC og 3 vekt% ammoniumklorid. Dette fluid ble så anvendt for å utføre to proppemiddel-pakningsledningsevnetester ved 43°C. I disse tester ble en blanding av et viskøst fluid og et proppemiddel innført i en celle. Cellen ble så lukket under trykk. Saltoppløsning ble så pumpet gjennom cellen og trykket nødvendig for å opprettholde en viss strømningstakt ble målt over tid. En minsking i motstanden mot strømning indikerer at det viskøse fluidet brytes. Fortrengning av det viskøse fluid betegnes rensing. Innkapslet ammoniumpersulfat i en konsentrasjon på 1,2 g/l ble tilsatt til fluidet som et brytemiddel for en ledningsevnetest og 1,8 g/l ble tilsatt i en ytterligere test. Ingen tilsetningsstoffer ble anvendt i kon-trolledningsevnetesten. Proppemiddelet var Ottawa-sand med kornstørrelse tilsvarende 20/40 mesh. Sammenligningsresultatene er vist i fig. 7, hvor motstanden mot strømning eller tilbakestrømningstrykk (angitt i volt på en trykk-omformer) er avsatt versus tid og APS betegner ammoniumpersulfat.

[0075] Etter lukking ble de innkapslede ammoniumpersulfatkapsler opp-revet og friga ammoniumpersulfatet som brøt det viskoelastiske surfaktantfluid. Det er tydelig at det initiale rensetrykk var hovedsakelig mindre når bryteren var tilstede og tiden for å oppnå rensing var signifikant kortere.

Eksempel 7: Tilsetning av natriumheksafluorfosfat

[0076] Et basis viskoelastisk surfaktantfluid ble fremstilt ved at det til vann ble tilsatt 2 vol% EMHAC og 3 vekt% ammoniumklorid. Til porsjoner av dette fluid ble det tilsatt varierende mengder av natriumheksafluorfosfat NaPF6. Viskositeten av fluidet ble så bestemt ved romtemperatur (omtrent 21 °C) eller ved 60°C. Resultatene er vist i tabell 1 herunder.

[0077] Dette viser at natriumheksafluorfosfat er effektivt til å bryte gelen og at graden av brytingen kan styres ved å variere mengden av salt. Hvis innkapslet ville saltet bli frigitt som ved frakturlukking (knusing av kapslene), og/eller osmose og/eller oppløsning.

Eksempel 8: Smeltepunktfrigitt alkohol

[0078] Et basis viskoelastisk surfaktantfluid ble fremstilt ved at det til vann ble tilsatt 2 vol% EMHAC og 3 vekt% ammoniumklorid. Til dette fluid ble det tilsatt 0,6 g/l C16-C18alkoholbryter med et smeltepunkt på omtrent 45°C ± 3°C. Et kon-trollfluid, uten alkohol, og det testede fluid ble anbragt i resiproserende kapillar viskosimeter og viskositeten ble overvåket ettersom fluidtemperaturen ble økt. Resultatene er vist i fig. 8. Angivelsene på Y-aksen representerer temperaturen i °C; temperaturkurven, som viser at den maksimale temperatur ble oppnådd av omtrent 2 timer, er representert ved den tykke linje. Viskositeten av kontrollfluidet er representert ved sorte trekanter; viskositetskurven av det testede fluid er representert ved en stiplet strek (ingen skala er angitt for viskositetsmålingene).

[0079] Når fluidtemperaturen passerte smeltepunktet for alkoholen falt fluidviskositeten dramatisk. Senere i testen ble fluidtemperaturen senket under smeltepunktet for alkoholen. Fluidviskositeten ble ikke gjenopprettet som viser at systemets evne til å danne miceller var permanent ødelagt.

Eksempel 9: Harpiksbelagte proppemidler

[0080] Avleiringstestene ble utført ved romtemperatur ved bruk av 200 ml graderte sylindre. Det basis viskoelastiske surfaktantfluid for alle disse tester var 3 vol% EMHAC og 4 vekt% kaliumklorid, med en initial viskositet på 168 cP med en skjærhastighet på 170 s_<1>som målt på et Fann 35 viskosimeter. Proppemiddel-størrelsen anvendt i alle disse tester var 20/40 mesh partikkelstørrelse for å sikre et sammenlignbart overflateareal. Harpiksinnholdet av de herdbare proppemidler anvendt i denne undersøkelse varierte fra 1,8 til 4,0 vekt% avhengig av produ-sentens spesifikasjoner, men var konstant for hver proppemiddeltype. Den følg-ende blandingsprosedyre ble anvendt: 200 ml av fluidet kombinert med 100 g proppemiddel (tilsvarende 500 g/l proppemiddelinnhold) ble kraftig omrystet i et beger for å oppnå en homogen suspensjon og overført i en gradert 200 ml syl-inder. Tiden for den synlige avleiring og for den fullstendig avleiring av proppemiddelet ble så iakttatt. Viskositeten av det overliggende fluid ble målt ved hjelp av Fann 35 viskosimeteret og sammenlignet med den initiale viskositet av fluidet. Tabell 2 viser avleiringstidene for harpiksbelagte proppemidler først og deretter for sammenligning typiske avleiringstider for ikke-belagte proppemidler. "Visk. [cP] @ 170 s"<1>" refererer til viskositeten i centipoise ved en skjærhastighet på 170 s_<1>. Proppemidler angitt som (Borden) ble oppnådd fra Borden Chemical, Inc., Oilfield Products, Houston, TX; proppemidler angitt som (Santrol) ble oppnådd fra Santrol, Fresno, TX; proppemidler angitt som (CARBO) ble oppnådd fra CARBO Ceramics Inc., Irving, TX.

[0081] Fig. 9 viser kinetikken for viskositetsnedbrytning av VES-fluidet i nærvær av herdbare proppemidler (500 g/l proppemiddel innhold). Av hensyn til klarheten for å forstå denne figur er fig. 9 blitt oppdelt. Fig. 9 er basert på resultatene av testene ovenfor og er støttet av resultatene vist i tabell 2.

Eksempel 10: Langsomt oppløselige forbindelser

[0082] Et basis viskoelastisk surfaktantfluid ble fremstilt ved at det til vannet ble tilsatt 3 vol% EMHAC og 3 vekt% ammoniumklorid. Til dette fluid ble det tilsatt 1 vol% flytende dodecylamin, som ikke var blandbart og dannet en emulsjon med basisfluidet. Dette fluid ble så lagret ved 60°C. Det viskoelastiske surfaktantfluid ble iakttatt å brytes etter 4 timer.

Eksempel 11: Langsom spaltning av forbindelser

[0083] Fig. 10 viser hvorledes frigivelsen av klorid påvirker viskositeten av et viskoelastisk surfaktant. Den nedre kurve (merket med romber) tilsvarende en konsentrasjon på 2,25 vekt% EMHAC og den øvre kurve (sorte kvadrater) tilsvarende en konsentrasjon av 4,5 vekt% EMHAC, viser viskositetsutviklingen med økende klorid-innhold. Grafen viser at viskositeten av oppløsningen når et maksi-mum mellom 0,6 og 0,8 vekt% saltkonsentrasjon for å minske hurtig ved klorid-konsentrasjonsverdier utover 1,5 vekt%. For å oppnå den nødvendige endring i saltkonsentrasjon er det vurdert å tilsette et alkylhalogenid, foretrukket et alkyl-klorid til VES-oppløsningen.

Eksempel 12: Polypropylenglykol

[0084] Forsøk ble utført for å sammenligne viskositeten av et VES-fluid med 6% betainbasert surfaktant med den av et identisk fluid, med tillegg 0,3 vol% polypropylenglykol. Viskositeten av begge fluider ble målt fra 26,7°C til 149°C ved 100 sek"<1>. Viskositeten av fluidet inneholdende PPG var signifikant minsket, versus VES-fluidet alene.

Eksempel 13: Polynaftalensulfonat / oliesyre- basert fluid

[0085] Et basisfluid ble fremstilt ved tilsetning til vann av 10 ml/liter av et oljesyrebasert VES-fluid. Viskositeten av basisfluidet ble bestemt fra 0,1 sek-<1>til 100 sek"<1>ved 26,7°C og 43,3°C.

[0086] Tre ytterligere basisprøver ble fremstilt som angitt og til hver prøve ble natriumpolynaftalensulfonat tilsatt i en av de følgende konsentrasjoner: 0,24 g/l, 0,36 g/l og 0,72 g/l. Det fulle rheogram for stabil tilstand ble for hvert fluid målt fra 0,1 sek"<1>til 100 sek"<1>ved 26,7°C og 43,3°C. En vesentlig minsking i fluidviskositeten ble oppnådd ved tilsetningen av polynaftalensulfonat-bryteren. Økende konsentrasjoner av bryteren frembringer økende viskositetstap i basis VES-fluidet. Denne reduksjon i fluidviskositet er permanent.

Eksempel 14: Polynaftalensulfonat / EMHAC

[0087] Et basisfluid ble fremstilt ved tilsetning av vann til 10 ml/l EMHAC-basert surfaktant og 4 vekt% KCI. Et fullstendig rheogram i stabil tilstand ble målt fra 0,1 sek"<1>til 100 sek"<1>ved 26,7°C og 43,3°C.

[0088] To ytterligere basisprøver ble fremstilt som angitt ovenfor. Til en prøve ble det tilsatt 0,24 g/l natriumpolynaftalensulfonat og til den andre prøve ble det tilsatt 0,48 g/l natriumpolynaftalensulfonat. Et rheogram i stabil tilstand ble fremstilt for hvert fluid fra 0,1 sek"<1>til 100 sek"<1>ved 26,7°C og 43,3°C. Forsøk viste at tilsetningen av polynaftalensulfonat medvirker en signifikant minskning i viskositeten av det EMHAC-baserte fluid.

[0089] Den foregående beskrivelse av spesifikke utførelsesformer av den foreliggende oppfinnelse er ikke ment å være en fullstendig liste over hver mulig utføsrelsesform av oppfinnelsen. Fagkyndige vil innse at modifikasjoner kan foretas til de spesifikke utførelsesformer beskrevet heri som ville være innenfor rammen for den foreliggende oppfinnelse.

Claims (14)

1. Fremgangsmåte for behandling av en undergrunnsformasjon omfattende trinnene med: (a) injisering ned i en brønn av et vandig fluid omfattende en fortykkende mengde av en viskoelastisk surfaktant; (b) tilveiebringelse av et brytersystem som bevirker en reduksjon i viskositet av fluidet etter dets injeksjon, men ikke signifikant påvirker dets viskositet ved overflate og under injeksjonen, hvor det nevnte brytersystem inkluderer en polyelektrolytt valgt fra anioniske polymerer, kationiske polymerer, zwitterioniske polymerer og polypropylenglykol.

2. Fremgangsmåte ifølge krav 1, hvor den viskoelastiske surfaktant er en anionisk surfaktant.

3. Fremgangsmåte ifølge krav 1, hvor den viskoelastiske surfaktant er en kationisk surfaktant.

4. Fremgangsmåte ifølge krav 1, hvor den viskoelastiske surfaktant er en zwitterionisk surfaktant.

5. Fremgangsmåte ifølge krav 3, hvor den viskoelastiske surfaktant er EMHAC.

6. Fremgangsmåte ifølge krav 2, hvor den viskoelastiske surfaktant omfatter en oljesyre.

7. Fremgangsmåte ifølge krav 4, hvor den viskoelastiske surfaktant er et betain.

8. Fremgangsmåte ifølge krav 1, hvor polyelektrolytten er innkapslet.

9. Fremgangsmåte ifølge krav 1, hvor brytersystemet videre omfatter polypropylenglykol.

10. Fremgangsmåte ifølge krav 1, hvor polyelektrolytten omfatter en anionisk polyelektrolytt.

11. Fremgangsmåte ifølge krav 1, hvor polyelektrolytten er en kationisk polyelektrolytt.

12. Fremgangsmåte ifølge krav 10, hvor den anioniske polyelektrolytt er natriumpolynaftalensulfonat.

13. Fremgangsmåte ifølge krav 10, hvor den anioniske polyelektrolytten er polystyrensulfonat.

14. Fremgangsmåte ifølge krav 10, hvor polyelektrolytten er et styren/maleinsyreanhydridsulfonat.