NO176731B

NO176731B - Vandig fraktureringsfluidum og fremgangsmåte for hydraulisk frakturering

Info

Publication number: NO176731B
Application number: NO883427A
Authority: NO
Inventors: Richard Myers Hodge; Kevin Wayne England; Harold Dean Brannon
Original assignee: Pumptech Nv
Priority date: 1987-08-03
Filing date: 1988-08-02
Publication date: 1995-02-06
Also published as: DE3871642T2; NO883427D0; DE3871642D1; EP0302544A2; NO176731C; US4801389A; EP0302544B1; NO883427L; CA1280588C; EP0302544A3

Description

Oppfinnelsen angår et vandig fraktureringsfluid med en pH fra 8 til 10 og en fremgangsmåte for frakturering av underjordiske formasjoner gjennomtrengt av et borehull.

Behandlingen av underjordiske formasjoner som er gjennomtrengt av et borehull for stimulering av produksjonen av hydrokarboner fra disse eller evnen hos formasjonen til å motta injiserte fluider, har lenge vært kjent på fagområdet. Én av de vanligste fremgangsmåter til forøkning av produktiviteten hos en hydrokarbonbærende formasjon er å underkaste formasjonen fraktureringsbehandling. Denne behandling skjer ved at man injiserer et væskeformig, gass-eller tofase-fluid som vanligvis omtales som et fraktureringsfluid, ned i brønnhullet ved tilstrekkelig trykk og strøm-ningshastighet til at den underjordiske formasjon sprekker.

Et avstivningsmateriale såsom sand, fint grus, sintret bauxitt, glassperler eller liknende kan innføres i sprekkene for å holde dem åpne. Den avstivede sprekk tilveiebringer større strømningskanaler gjennom hvilke en øket mengde av et hydrokarbon kan strømme, hvorved den produktive evne hos en brønn økes.

Visse hydrofile materialer, i det følgende omtalt som "geleringsmidler", er blitt anvendt for å øke viskositeten hos et væskeformig fraktureringsfluid. Vandige fraktureringsfluider med høy viskositet er egnet ved utvikling av videre sprekker for å forbedre produktiviteten videre inn i formasjo-nene, øke den avstivningsmiddel-bærende evne hos frakturer-ingsfluidene og tillate bedre fluidtap-kontroll.

Behandlingsfluider med høy viskositet er egnet ved utfø-relse av underjordiske brønnkompletteringer, for transport-ering av sand ved sand- og gruspakkingsfremgangsmåter og ved forskjellige andre brønnbehandlingsfremgangsmåter. Høy-viskositetsbehandlingsfluider har også anvendelse ved renseanvendelser såsom ved rensing av rørgods, fremstillings-utstyr og industrielt utstyr. Utstyr som typisk renses, innbefatter oijebrønn-rørlednings-rør, beholdere og prosess-utstyr, kokere, varmevekslere, konvensjonelle og nukleær-kraftverk og ekstrautstyr og liknende.

Hydrofile geleringsmidler såsom delvis hydrolyserte polyakrylamider, naturgummi-rtyper og modifiserte naturgummi-typer, cellulosearter og xantan-polymerer er blitt anvendt tidligere for å øke viskositeten hos vandige oppløsninger. Imidlertid har de geler som er fremstilt med slike geleringsmidler, vanligvis begrenset stabilitet ved forhøyede temperaturer, d.v.s. at viskositeten hos de gelerte vandige opp-løsninger minker vesentlig etter bare et kort tidsrom. Kjemikalier som tverrbinder eller kompleksbinder hydratiserte geleringsmidler, er også blitt anvendt hittil for ytterligere økning av deres viskositet. For eksempel beskriver og patentsøker US-patent nr. 3 888 312, 4 021 355 og 4 033 415 henholdsvis organotitanat, permanganatsalter og antimon-kryssbindingsmidler. US-patent 3 959 003 beskriver anvendelse av en vannløselig cellulose kompleksbundet med et polyvalent metallsalt som et tiksotropisk middel for sementerings-blandinger. US-patent 3 979 303 beskriver et oljebrønn-borefluid som inneholder komplekse polysakkarider, og US-patent nr. 4 313 834 og 4 324 668 beskriver og søker patent på sure behandlingsfluider av et hydratiserbart geleringsmiddel og et zirkonium-kryssbindingsmiddel som ytterligere øker viskositeten.

US-patent 4 579 670 beskriver tverrbundne fraktureringsfluider innbefattende et hydratiserbart polysakkarid i vandig oppløsning, en overgangsmetallchelat-kryssbindingsinitiator og et kryssbindingshastighets-reguleringsmiddel som enten er en hastighets-akselerator eller en hastighetsbremse.

Blant hydratiserbare geleringsmidler er naturlig guargummi forholdsvis rimelig og fordrer liten bearbeidelse. Imidlertid tilveiebringer tverrbundne fraktureringsfluider fremstilt med en naturlig guargummi lavere viskositeter ved høye temperaturer. Det ville være ønskelig å tverrbinde et naturlig guargummi-fraktureringsfluid og oppnå høytemperatur-ytelse som kan sammenliknes med fluider fremstilt ved kryssbinding av de mer kostbare polymerer.

Den foreliggende oppfinnelse er særpreget ved at fraktureringsfluidet hovedsakelig består av guargummi i en mengde fra 0,2 til 1,25 vekt% for dannelse av et fraktu-reringsf luid, minst ett zirkonium-kryssbindingsmiddel i en mengde fra 5 ppm til 50 ppm for kryssbinding av guargummien, og et bikarbonatsalt i en mengde fra 250 ppm til 3.000 ppm, og tilstrekkelig til å gi en relativt lav viskositet ved omgivelsestemperatur og en relativt høy viskositet ved høye temperaturer, og eventuelt en effektiv mengde av guargummi til dannelse av et fraktureringsfluid, minst ett organisk hafnium-kryssbindingsmiddel for kryssbinding av guargummien, og et bikarbonatsalt.

Det natur-guargummi-baserte fraktureringsfluid ifølge den foreliggende oppfinnelse oppviser god viskositet og er spesielt stabilt ved moderate og høye temperaturer. Som anvendt i det foreliggende angir moderate temperaturer temperaturer på ca. 80°C og mer, og høye temperaturer angir temperaturer på ca. 120°C og mer. Den foreliggende oppfinnelse tilveiebringer derfor et spesielt rimelig og passende fraktureringsfluid.

Fremgangsmåten ifølge den foreliggende oppfinnelse omfatter fremstilling av et vandig fraktureringsfluid med en pH fra 8 til 10 bestående i det vesentlige av guargummi i en mengde fra 0,2 til 1,25 vekt% for å danne et fraktureringsfluid, minst ett zirkoniumkryssbindingsmiddel i en mengde fra 5 ppm til 50 ppm for å kryssbinde guargummien, og et bikarbonatsalt i en mengde fra 250 ppm til 3.000 ppm, og tilstrekkelig til å gi en relativt lav viskositet ved omgivelsestemperatur og en relativt høy viskositet ved høye temperaturer, og innføring av nevnte vandige fraktureringsfluid i nevnte formasjon fra nevnte borehull ved en tilstrekkelig strømningshastighet og trykk til å gi en sprekkdannelse i nevnte formasjon.

Ved det riktige valg av kryssbindingsblandingen og stabiliseringsmiddelkonsentrasjonen oppnåes kryssbundne natur-guar-gummi-fluider som oppviser forsinket kryssbinding og forbedret høytemperaturytelse.

I Tabell 1 er viskositeten hos kryssbundet hydroksy-propyl-guar (HPG) (fluid 1) sammenliknet med viskositeten hos kryssbundet guar (fluid 2). Ved sammenlikning av den tilsynelatende viskositet etter 4 timer ved 121°C, vil det kunne sees at den tilsynelatende viskositet hos HPG ved høy temperatur er klart overlegen i forhold til hos kryssbundet guar. På grunn av den dårlige høytemperatur-yteevne hos kryssbundet guar, er andre mer kostbare polymerer blitt anvendt ved høye temperaturer.

Tabell 2 sammenlikner yteevnen hos to pH-regulerings-midler, natriumbikarbonat og natriumkarbonat. Prøver utført med kryssbundet guar viser at både natriumbikarbonat og natriumkarbonat opprettholder den ønskede pH etter 4 timer ved 121°C.

Skjønt både natriumbikarbonat og natriumkarbonat var likt egnet til å opprettholde pH-regulering i pH-området 8-10 som illustrert i Tabell 2, oppviste overraskende nok ikke tverrbundne fluider som inneholdt natriumbikarbonat og natriumkarbonat, lik fluid-yteevne. Under anvendelse av den samme fluid-sammensetning som beskrevet i Tabell 2, ble den tilsynelatende viskositet hos en oppløsning som inneholdt natriumbikarbonat, sammenliknet med den tilsynelatende viskositet hos en oppløsning som inneholdt natriumkarbonat ved 24°C og ved 121°C. Som det vil kunne sees av Tabell 3, tilveiebringer den oppløsning som inneholder bikarbonat, lavere viskositet ved omgivelsestemperatur (24°C) og høyere viskositet ved 121°C.

Uten å begrense oppfinnelsen antas det at den lavere viskositet som observeres ved omgivelsestemperatur, skyldes forsinket kryssbinding. Forsinket, kryssbinding er en fordel-aktig egenskap hos fraktureringsfluider fordi man unngår urimelige friksjonstap under innføringen av frakturerings-fluidet i borehullet. Den oppdagelse at bare det bikarbonat-holdige fluid viser lav viskositet ved omgivelsestemperatur og høyere viskositet ved forhøyet temperatur, er både overraskende og meget ønskelig.

Tabell 4 illustrerer virkningen av bikarbonatkonsentrasjonen på hastigheten av viskositetsutviklingen ved omgivelsestemperatur og fluid-viskositeten ved høy temperatur. Viskositets-utviklingen hos tverrbundne fluider ble målt under anvendelse av Vortex-lukkingsprøven ("Vortex closure test"). Vortex-lukkingsprøven er beskrevet i US-patent 4 657 080 og

4 657 081. Som beskrevet i disse, angir lengre Vortex-lukkingstider mer langsomme kryssbindingshastigheter. Som illustrert i Tabell 4, ga en økning i bikarbonatkonsentrasjonen en økning i vortex-lukkingstiden og en økning i fluid-viskositeten ved 121°C, og stabiliserte fluidets pH under prøven. Som illustrert ved dataene i Tabell 4, må imidlertid bikarbonatkonsentrasjonen ligge innenfor et visst område for oppnåelse av den ønskede yteevne med en gitt kryssbindings-forbindelse. Når det for eksempel gjelder fluid nr. 1 (kryssbindingsmiddel zirkonium-trietanolamin), måtte bikarbonatkonsentrasjonen være større enn eller lik ca. 363 ppm og mindre enn ca. 3000 ppm for oppnåelse av optimal høytemperatur-yteevne. Ved bikarbonatkonsentrasjoner på under ca. 363 ppm, ga fluid nr. 1 ingen forbedring i viskositeten ved forhøyet temperatur. Ved en bikarbonatkonsentrasjon på ca. 2179 ppm ble viskositeten hos fluid nr. 1 ved 121°C minsket. Når det gjaldt fluid nr. 2, var den minimale bikarbonatkonsentrasjon som var nødvendig for optimal yteevne, ca. 1089 ppm.

Skjønt man ikke forstår den mekanisme som er ansvarlig for forbedret yteevne oppnådd med kryssbundet guar og bikarbonat, ser den ikke ut til å være bare pH-regulering og/eller bare forsinket kryssbinding. Hvis den forbedrede yteevne bare skyldtes forsinket kryssbinding, skulle fluid-blanding 1 og 2 i Tabell 4, forsinket med andre forbindelser enn bikarbonat, tilveiebringe yteevne ved forhøyet temperatur slik som fluid 1 og 2 som inneholder den optimale konsentrasjon av bikarbonat. I Tabell 5 forsinkes fluidblandingene 1 og 2 med forbindelser som er angitt i litteraturen. Fluid 1 ble forsinket med 2,4-pentadion og pH ble justert med trietanolamin. Fluid 2 ble forsinket med trietanolamin og pH ble opprettholdt med en ikke-forsinkende mengde av NaHC03 (se US-patent 4 579 670). Resultatene som er oppført i Tabell 5, viser to fluider med forsinkelsestider lik fluidene i Tabell 4 som gir forbedret yteevne. Yteevnen hos disse fluider (1C og 2E) ved 121°C er sammenliknet med yteevnen hos fluider ID og 2A (fluid-blandinger som ikke inneholder noe forsinkelses-additiv) i Tabell 6. Merk at forsinket-fluidblandingene 1C og 2E bare virket litt bedre enn de ikke-forsinkede blandinger ID og 2A. Videre var verken 1C eller 2E på høyde med yteevnen hos fluidene oppført i Tabell 4 som bare inneholdt en optimal konsentrasjon av NaHC03.

For at fagfolk på området bedre skal kunne forstå hvordan den foreliggende oppfinnelse kan utføres, er de følgende Eksempler gitt som illustrasjon og ikke som begrensning. Alle deler og prosentandeler er på vektbasis dersom ikke annet er angitt.

Blandingene ifølge den foreliggende oppfinnelse kan frem-stilles ved at man blander ionefrittt vann, 2% kaliumklorid og 0,025 volum% propylenglykol (et skumhindrende middel) under dannelse av et blandevann. Blandevannet anbringes i en blandeanordning og blandes ved ca. 2000 rpm (omdreininger pr. minutt), mens den fordrede mengde guargummi tilsettes. Guargummien blandes i ca. 3 0 minutter for fullstendig hydratisering av guar'en. Deretter tilsettes den ønskede mengde natriumbikarbonat sammen med 0,12% natriumtiosulfat (et høytemperatur-gelstabiliseringsmiddel). Oppløsningen blandes i ca. 30 minutter for bevirkning av solubilisering. Den resulterende gel eldes i minst ca. 1 time.

Zirkonium-kryssbindingsmidlet kan hvis nødvendig fortynnes med ionefritt vann før anvendelse. Den fortynnede oppløsning får eldes i minst ca. 30 minutter før anvendelse.

Guar-gelen blandes ved ca. 2000 opm, og zirkonium-oppløs-ningen tilsettes til vortex-blandingen. Viskositeten hos den således fremstilte oppløsning måles i et viskosimeter av typen Fann modell 50C med en Rl/B5-rotor/lodd-utformning. Det settes trykk på prøven til 28 kg/cm<2> og den behandles med skjærkraft ved 100 opm (85 sek.<-1>) i 3 minutter. For måling av omgivelses-viskositeten anvendes det en skjærhastighets-rampe i 50 opm inkrementer fra 250 opm til 50 opm. Ved fullførelse av omgivelsestemperatur-målingen returneres skjærhastigheten til 100 opm. Badtemperaturen økes deretter med ca. 5,5°C pr. minutt til forsøkstemperaturen. Når prøvetemperaturen er innenfor 3°C fra stivningspunktet, anvendes en annen skjærhastighets-rampe, som er forsøket "T=0".

Eksempel 3

Forsøkstemperatur: 121°C

Guargummi-konsentrasjon: 0,42% Bikarbonat-konsentrasjon: 1453 ppm Kryssbindingsmiddel: zirkonium-trietanolamin-laktat Zirkonium-konsentrasjon: 29 ppm

Kryssbindings-pH: 8,5

Eksempel 4 Forsøkstemperatur: 121°C Guargummi-konsentrasjon: 0,42% Bikarbonat-konsentrasjon: 756 ppm Kryssbindingsmiddel: zirkonium-trietanolamin Zirkonium-konsentrasjon: 22 ppm Kryssbindings-pH: 9,0

Eksempel 5

Forsøkstemperatur: 135°C

Guargummi-konsentrasjon: 0,60% Bikarbonat-konsentrasjon: 1453 ppm Kryssbindingsmiddel: zirkonium-trietanolamin Zirkonium-konsentrasjon: 2 6 ppm Kryssbindings-pH: 9,0

Eksempel 6

Forsøkstemperatur: 149°C

Guargummi-konsentrasjon: 0,72%

Bikarbonat-konsentrasjon: 1453 ppm

Kryssbindingsmiddel: zirkonium-trietanolamin

Zirkonium-konsentrasjon: 2 6 ppm

Kryssbindings-pH: 9,0

Eksempel 7

Forsøkstemperatur: 163°C

Guargummi-konsentrasjon: 0,72%

Bikarbonat-konsentrasjon: 1453 ppm

Kryssbindingsmiddel: zirkonium-trietanolamin

Zirkonium-konsentrasjon: 26 ppm

Kryssbindings-pH: 9,0

Kryssbindingsmidlet er fortrinnsvis en organisk zirkonium-eller en organisk hafniumforbindelse. Egnede organiske zirkoniumforbindelser innbefatter enten zirkoniumlaktat eller et zirkoniumkompleks av melkesyre, også kjent som 2-hydroksypropansyre. Egnede zirkoniumkompleks-laktater innbefatter zirkonium-ammonium-laktat, zirkonium-trietanolamin-laktat, zirkonium-diisopropylamin-laktat og zirkonium-natrium-trilaktat-salter. Tilsvarende hafniumlaktat og hafnium-komplekser av melkesyre kan anvendes som kryssbindingsmidler. Titanholdige forbindelser såsom titan-ammonium-laktat og titan-trietanolamin kan også anvendes som kryssbindingsmidler ved utførelsen av den foreliggende oppfinnelse.

Andre organiske zirkonium- eller organiske hafnium-forbindelser som er egnet som kryssbindingsmidler, innbefatter monoalkylammonium-, dialkylammonium- og trialkylammonium-zirkonium-eller hafnium-forbindelser oppnådd ved omsetting av et organozirkonat eller et organohafnat med monometylamin, dimetylamin og trimetylamin, monoetylamin, dietylamin og trietylamin, monoetanolamin, dietanolamin og trietanolamin, metyldietanolamin, etyldietanolamin, dimetyletanolamin, dietyletanolamin, monoisopropanolamin, diisopropanolamin og triisopropanolamin, metyldiisopropanolamin, etyldiisopro-panolamin, dimetylisopropanolamin, dietylisopropanolamin, n-butylamin, sek.-butylamin, dibutylamin og diisobutylamin. For eksempel kan et zirkonium-trietanolamin-kompleks (Zr-TEA) anvendes som kryssbindingsmidlet ved utførelsen av den foreliggende oppfinnelse. Zr-TEA-komplekser er beskrevet i US-patent 4 534 870 og britisk patentsøknad 2 108 122.

Andre organozirkonium-forbindelser som er egnet som kryssbindingsmidler, innbefatter citrater og tartrater såsom zirkonium-natrium-citrat og zirkonium-natrium-tartrat.

Blandingene ifølge den foreliggende oppfinnelse innbefatter et kryssbindingsmiddel som beskrevet ovenfor, et guargummi-geleringsmiddel og et bikarbonatsalt. Gelerings-midlet er tilstede i den vandige blanding i en konsentrasjon i området fra ca. 0,2 til 1,25 vekt%, fortrinnsvis fra ca. 0,2 til ca. 1,0 vekt% og mest foretrukket fra ca. 0,3 til ca. 0,8 vekt%, basert på det vandige fluid. En konsentrasjon av guargummi på mindre enn 0,2 vekt%, basert på det vandige fluid, er ikke tilstrekkelig til at effektiv kryssbinding gjøres mulig.

Kryssbindingsmidlet er tilstede i en mengde på fra ca. 5 ppm (deler pr. million) til minst ca. 50 ppm, basert på det vandige fluid, og fortrinnsvis i en mengde på fra ca. 10 til ca. 3 5 ppm.

pH i det vandige fraktureringsfluid er fortrinnsvis i området fra ca. 8 til ca. 10 avhengig av kryssbindingsmidlet. Vanligvis vil bikarbonatsalt-stabiliseringsmidlet være tilstede i en mengde på fra ca. 250 til ca. 3 000 ppm, og fortrinnsvis i en mengde på fra ca. 350 til ca. 2250 ppm.

Forskjellige andre modifikasjoner vil være åpenbare for og lett kan utføres av fagfolk på området uten at man avviker fra denne oppfinnelses ramme og prinsipp.

Oppfinnelsestanken er definert i de følgende krav.

Claims

1. Vandig fraktureringsfluid med en pH fra 8 til 10, karakterisert ved at det hovedsakelig består av: guargummi i en mengde fra 0,2 til 1,25 vekt% for dannelse av et fraktureringsfluid, minst ett zirkonium-kryssbindingsmiddel i en mengde fra 5 ppm til 50 ppm for kryssbinding av guargummien, og et bikarbonatsalt i en mengde fra 250 ppm til 3.000 ppm, og tilstrekkelig til å gi en relativt lav viskositet ved omgivelsestemperatur og en relativt høy viskositet ved høye temperaturer, og eventuelt en effektiv mengde av guargummi til dannelse av et fraktureringsfluid, minst ett organisk hafnium-kryssbindingsmiddel for kryssbinding av guargummien og et bikarbonatsalt.

2. Vandig fraktureringsfluid ifølge krav 1, karakterisert ved at zirkonium-kryssbindingsmidlet er zirkoniumlaktat, zirkonium-ammonium-laktat, zirkonium-trietanolamin-laktat, zirkonium-diisopropylamin-laktat, zirkonium-natrium-trilaktat, et zirkonium-trietanolamin-kompleks, zirkonium-natrium-citrat, zirkonium-natrium-tartrat, et zirkonium-monoalkylammonium-kompleks, et zirkonium-dialkylammonium-kompleks eller et zirkonium-tralkylammonium-kompleks.

3. Fremgangsmåte for hydraulisk frakturering av en underjordisk formasjon gjennomtrengt av et borehull, karakterisert ved at den omfatter fremstilling av et vandig fraktureringsfluid med en pH fra 8 til 10 bestående i det vesentlige av guargummi i en mengde fra 0,2 til 1,25 vekt% for å danne et fraktureringsfluid, minst ett zirkoniumkryssbindingsmiddel i en mengde fra 5 ppm til 50 ppm for å kryssbinde guargummien, og et bikarbonatsalt i en mengde fra 250 ppm til 3.000 ppm, og tilstrekkelig til å gi en relativt lav viskositet ved omgivelsestemperatur og en relativt høy viskositet ved høye temperaturer, og innføring av nevnte vandige fraktureringsfluid i nevnte formasjon fra nevnte borehull ved en tilstrekkelig strømnings-hastighet og trykk til å gi en sprekkdannelse i nevnte formasjon.

4. Fremgangsmåte for hydraulisk frakturering av en underjordisk formasjon ifølge krav 3, karakterisert ved at zirkonium-kryssbindingsmidlet er zirkoniumlaktat.

5. Fremgangsmåte for hydraulisk frakturering av en underjordisk formasjon ifølge krav 3, karakterisert ved at zirkonium-kryssbindingsmidlet er zirkonium-ammonium-laktat.

6. Fremgangsmåte for hydraulisk frakturering av en underjordisk formasjon ifølge krav 3, karakterisert ved at zirkonium-kryssbindingsmidlet er zirkonium-trietanolamin-laktat.

7. Fremgangsmåte for hydraulisk-frakturering av en underjordisk formasjon ifølge krav 3, karakterisert ved at zirkonium-kryssbindingsmidlet er zirkonium-diisopropylamin-laktat.

8. Fremgangsmåte for hydraulisk frakturering av en underjordisk formasjon ifølge krav 3, karakterisert ved at zirkonium-kryssbindingsmidlet er zirkonium-natrium-trilaktat.

9. Fremgangsmåte for hydraulisk frakturering av en underjordisk formasjon ifølge krav 3, karakterisert ved at zirkonium-kryssbindingsmidlet er zirkonium-trietanolamin-kompleks.