WO2014167056A1 - Fluides de fracturation a base de polymeres associatifs et de tensioactifs labiles - Google Patents

Fluides de fracturation a base de polymeres associatifs et de tensioactifs labiles Download PDF

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Definitions

  • the present invention relates to the field of fracturing techniques employed in the context of petroleum extraction.
  • Hydraulic fracturing is a technique commonly used in the recovery of oil and gas in hydrocarbon reservoirs, which aims to create fractures within the reservoir to increase the exchange interfaces between the extraction fluids and hydrocarbons contained in the tank.
  • Fracturing generally involves high-pressure injection of aqueous fracturing fluids comprising polymers imparting to the fluid a high viscosity.
  • aqueous fracturing fluids comprising polymers imparting to the fluid a high viscosity.
  • the injection of these fluids into hydrocarbon reservoirs generally implies the implementation of considerable pressures which, on the one hand, involve energy expenditure. in terms of pumping and on the other hand can degrade polymers under the effect of shearing.
  • a fracturing fluid is injected from the surface into a hydrocarbon reservoir over distances of the order of a few thousand meters.
  • An object of the present invention is to provide fracturing fluids based on viscous polymers which have an efficiency similar to known fluids, but which are more easily injectable, allowing among others to reduce the energy required for their injection, and for in which the degradation phenomena of the viscosifying polymers under shear are preferably reduced or even zero.
  • fracturing fluid which comprises, in an aqueous medium:
  • the subject of the present invention is a fracturing fluid comprising, in an aqueous medium:
  • a labile surfactant in an amount sufficient to reduce or inhibit the effect of increasing the viscosity induced by said associative polymers.
  • the invention relates to the use of the aforementioned fluids as a fracturing fluid.
  • the invention particularly relates to a hydrocarbon recovery process in a hydrocarbon reservoir, comprising a step or a fracturing fluid of the aforementioned type is injected into a hydrocarbon reservoir where the temperature conditions and / or pH are able to lyse all or part of the labile surfactant.
  • sociative polymer is meant, in the sense of the present description, a polymer capable of increasing the viscosity of an aqueous medium by associations involving hydrophobic-hydrophobic interactions between the polymers.
  • Such polymers are also sometimes referred to as “hydrophobically associative water-soluble polymers” (PHAs) or “amphiphilic polymers”. They are generally polymers having a backbone of hydrophilic nature and including, along the chains and / or all or part of the ends thereof, small amounts (typically of the order of 0.001% to 10% by mole, and usually a few mol% or less) of functions of hydrophobic nature.
  • labile surfactant (or “cleavable surfactant” in English) here denotes a surfactant that is capable of lysing, typically by cleaving into two distinct molecules, under conditions of pH and temperature where at least some of the associative polymers with which it is associated in the composition are not degraded.
  • the cleavable surfactant used according to the invention are tensiaoctives which degrade after injection, under conditions in which the associative polymers are not degraded.
  • Labile surfactants of this type are well known in the literature. For more details, refer to "Cleavable surfactants" Alireza Tehran-Bagha, Krister Holm.
  • a labile surfactant confers on the fracturing fluid according to the invention the advantages of known fracturing fluids by overcoming their disadvantages. Indeed, due to the presence of this labile surfactant, the fracturing fluid has, when it is injected, a reduced viscosity which facilitates its injection, and the viscosity is restored in the area where it is desired to perform the fracturing.
  • the lowering of the viscosity obtained by the presence of the labile surfactant makes it possible to substantially reduce the phenomena of pressure drop and, in the case where polymers which are sensitive to degradation are used, a decrease in the degradation of the polymers under shear.
  • the nature of the associative polymers present in the fracturing fluids of the present invention is very flexible.
  • the fracturing fluids of the invention may advantageously comprise, as associative polymers, amphiphilic polymers of relatively low molecular weight (for example less than 1,000,000 g / mol or even 500,000 g / mol). g / mol, for example less than 100,000 g / mol) which make it possible to induce high viscosities after lysis of the labile surfactant, and this from relatively low concentrations, and which are also less sensitive to degradation under shear than polymers of larger size.
  • amphiphilic polymers of relatively low molecular weight for example less than 1,000,000 g / mol or even 500,000 g / mol.
  • g / mol for example less than 100,000 g / mol
  • the labile surfactant present in the compositions of the invention makes it possible to improve the hydration of the polymers in an aqueous medium, which makes it possible to use in the compositions the invention any type of associative polymer, including those deemed least hydratable.
  • the invention thus opens the way for the use of many amphiphilic polymers in fracturing liquids.
  • the fracturing method described here is extremely flexible.
  • concentrations of the two compounds it is within the skill of the person skilled in the art to adjust the concentrations of the two compounds to obtain the desired viscosity evolution profile.
  • the associative polymers and the surfactants interact according to a known mechanism, described in particular in "Interactions between hydrophobically modified polymers and surfactants" B. Magny, I. Iliopoulos, R. Audebert, L. Piculell, B. Lindman Progress in Colloid & Polymer Science Volume 89, 1992, pp. 18- 121.
  • the interactions between associative polymers and surfactants vary in a manner known per se as a function of the surfactant content. When a very small amount of surfactants is added, this small amount of surfactant densifies the number of hydrophobic bonds, which increases the viscosity.
  • the viscosity With a low surfactant content, the viscosity thus increases to a maximum as surfactant is added. Beyond the limiting surfactant content for which this maximum is observed, the trend is reversed and the addition of surfactant is instead decreasing more and more the interactions between the polymers and therefore the viscosity. For any pair of surfactant and polymer, there is a minimum concentration of surfactant beyond which there is obtained a systematic decrease in viscosity, this minimum concentration being very easy to determine.
  • the surfactant and the polymer and their respective concentrations are chosen so that a low viscosity is maintained from the surface to the zone where it is desired to carry out the fracturing and the viscosity rise due to lysis of the surfactant preferably occurs just before penetration into the fracturing zone.
  • the associative polymers used in the context of the present invention generally induce the rheological properties of the fracturing fluid which make it suitable for ensuring effective control of the fracturing.
  • the particular rheology of the fracturing fluids of the invention are in addition generally very well adapted to effectively convey suspension proppants.
  • These proppants also called “proppant” in English
  • the associative polymers used in the fracturing fluids of the invention have the advantage of being able to be used in the presence of salts (the presence of salts generally improves their associative nature), which allows the use water immediately available in the environment close to the extraction zone without having to worry about its purity or its salt content.
  • the associative polymers of the invention constitute in this an interesting alternative to the polymers usually used in fracturing of the polysaccharide type (such as guars crosslinked with borate or zirconate, for which the quality of the water used is decisive).
  • the invention lends itself well to the formulation of fracturing fluids based on seawater or production water and more generally any water that may contain salts (including high levels that may up to 25% by weight and / or with significant hardness up to levels of Mg 2+ and Ca 2+ of the order of 5000 ppm): according to a particular mode, the fracturing fluid of the The invention comprises seawater or production water as an aqueous medium.
  • the polymers used according to the invention can vary to a large extent.
  • they may be associative polymers based on a hydrophilic backbone carrying hydrophobic groups of the type obtained by the synthesis routes of the HASE (direct synthetic route) or HEUR (post addition of hydrophobic groups on a hydrophilic chain). Examples of synthesis of this type are described in particular in Prog. Color Coat Dyes. Vol 4, pp. 71-77 (201 1). It is also possible to use associative polymers resulting from processes known
  • aqueous dispersing medium typically water or a water / alcohol mixture
  • hydrophilic monomers in the solubilized or dispersed state in said medium
  • the hydrophobic monomers present within micelles of surfactants employed in micellar polymerization may be monomers which, in themselves, have the property of forming micelles without the need to add additional surfactants (so-called “auto-monomers”). -micellizable “in the following description).
  • the surfactant employed can be the self-micellizable hydrophobic monomer itself, employed without any other surfactant, although the presence of such an additional surfactant is not excluded.
  • hydrophobic monomers within surfactant micelles this concept also encompasses (i) hydrophobic monomers present in surfactant micelles other than these monomers (ii) ) monomers comprising at least one part or a hydrophobic block and forming by themselves the micelles in an aqueous medium.
  • the two modes (i) and (ii) above are compatible and can coexist (hydrophobic monomers in micelles formed by another self-micellizable monomer for example, or else micelles comprising a combination of surfactants and self-micellizable monomers) .
  • micellar solution In micellar polymerization, the hydrophobic monomers contained in the micelles are called "micellar solution".
  • the micellar solution to which reference is made is a micro-heterogeneous system which is generally isotropic, optically transparent and thermodynamically stable.
  • the associative polymers used according to the present invention are polymers obtained according to a process of which comprises a step (E) micellar radical polymerization in which is placed in contact, within an aqueous medium (M ):
  • hydrophilic monomers solubilized or dispersed in said aqueous medium (M); hydrophobic monomers in the form of a micellar solution, namely containing, in the dispersed state within the medium (M), micelles comprising these hydrophobic monomers (this dispersed state can in particular be obtained by means of at least one surfactant); at least one radical polymerization initiator, this initiator being typically water-soluble or water-dispersible; and
  • At least one radical polymerization control agent at least one radical polymerization control agent.
  • the aqueous medium (M) used in step (E) is a medium comprising water, preferably at least 50% by weight, or even at least 80%, for example at least 90%, or even at least 95%.
  • This aqueous medium may optionally comprise other solvents than water, for example a water-miscible alcohol.
  • the medium (M) may be, for example, a hydroalcoholic mixture.
  • the medium (M) may comprise other solvents, preferably at a concentration where said solvent is miscible with water, which may in particular make it possible to reduce the amount of stabilizing surfactants employed.
  • the medium (M) may comprise pentanol, or any other additive for modulating the aggregation number of the surfactants.
  • the medium (M) is a continuous phase of water and consisting of one or more solvents and / or additives that are miscible with each other and in water at the concentrations in which they are used.
  • radiation polymerization control agent is meant, in the sense of the present description, a compound capable of extending the life of the growing polymer chains in a polymerization reaction and to confer on the polymerization a living or controlled character .
  • This control agent is typically a reversible transfer agent as implemented in the controlled radical polymerizations designated under the terminology RAFT or MADIX, which typically implement a method of transfer reversible addition-fragmentation, such as those described for example in WO96 / 30421, WO 98/01478, WO 99/35178, WO 98/58974, WO 00/75207, WO 01/42312, WO 99/35177, WO 99/31144, FR2794464 or WO 02/26836.
  • a suitable xanthate is Rhodixan A1 available from Solvay.
  • other types of control agent may be considered (eg of the type used in CRP or ATRP).
  • control agent employed in step (E) may be a polymer chain resulting from a controlled radical polymerization and carrying a group capable of controlling a radical polymerization (so-called "living" polymer chain ", Of a type well known in itself).
  • This polymer capable of acting both as a control agent for the polymerization and as a monomer in step (E), is also referred to as "prepolymer" in the following description.
  • the control agent used in step (E) may advantageously be a prepolymer carrying a thiocarbonylthio-S group.
  • step (E °) prior to step (E) schematically allows to hydrophilize a large number of control agents carrying thiocarbonylthio functions (for example xanthate, which are rather hydrophobic by nature), by converting soluble or dispersible pre-polymers into the medium (M) of step (E).
  • a pre-polymer synthesized in step (E °) has a short polymer chain, for example comprising a sequence of less than 50, or less than 25 monomer units, for example between 2 and 15.
  • step (E) make it possible to combine the advantages of both controlled radical polymerization and micellar polymerization.
  • the inventors have in particular now demonstrated that the presence of micelles in the polymerization medium does not affect the action of the control agents, which make it possible to carry out a controlled polymerization of the monomers present in the aqueous medium.
  • a controlled radical polymerization carried out in a homogeneous medium which makes it possible to predict and control very easily the average molecular weight of the polymer synthesized (this mass is even higher than the initial concentration of control agent in the medium is low, this concentration dictates the number of growing polymer chains).
  • the presence of the control agent does not impair the interesting effect observed in polymerization, namely the precise control of the size of the hydrophobic blocks.
  • step (E) of the process of the invention also makes it possible, in a totally surprising manner, to access to polymers of both high and controlled size, which is particularly surprising in view of the maximum sizes that are known today by employing controlled radical polymerization methods or micellar radical polymerization in 1 absence of screening officers.
  • step (E) it proves possible to control the number-average molecular weight of the polymers, which makes it possible, inter alia, to produce polymers of small masses.
  • the associative polymer present in the fracturing fluid of the invention is synthesized according to the above-mentioned step (E) and has a mass of between 50 000 and 10 000 000, preferably between 750 000 and 5,000,000 g / mol, especially between 1,000,000 and 4,000,000 g / mol.
  • such polymers may be employed in concentration lower than their critical recovery concentration. Because of their small sizes, such polymers can diffuse at the interfaces and participate in modifying the properties of these interfaces or surfaces.
  • the associative polymer of the fracturing fluids according to the invention is typically present in an amount of from 0.1% to 3%, preferably from 0.2% to 1.5%, preferably from 0.3% to 0.3% by weight. % and 1%, by mass relative to the total mass of the fracturing fluid.
  • the labile surfactants employed in the context of the invention are surfactants which have groups having an affinity for the hydrophobic groups present on the associative polymers and, on the other hand, hydrophilic chains.
  • these are water-soluble surfactants.
  • cleavable function is advantageously an ester function.
  • the labile surfactants present in the fracturing fluids of the invention are nonionic surfactants. It may also be surfactants having the structure of nonionic surfactants, but optionally carrying functionalized group, optionally charged, end chain.
  • these labile surfactants comprise ethoxylated fatty acid esters, typically having the formula R-COO- (CH 2 -CH 2 -O-) nH, where R is a linear or branched, preferably linear, hydrocarbon chain. , typically an alkyl having from 4 to 22 carbon atoms, for example from 5 to 18.
  • a surfactant which is well adapted to the invention is, for example, Alkamuls PSML20 (also called polysorbate 20), of the following formula:
  • the fracturing fluid may comprise regulating agents or pH control, including buffers, bases or acids.
  • regulating agents or pH control including buffers, bases or acids.
  • it will preferably be placed in a pH range close to neutral (between 6 and 8, more preferably between 6.5 and 7.5 if it is desired that the viscosity increases slowly.
  • acidic conditions for example less than 4 or even 3
  • basic greater than 9, or even 10.
  • the injected composition may further comprise one or more amphiphilic compounds called "breaker", capable of lowering the viscosity in the fractured zones, after the fracturing has been performed.
  • breaker amphiphilic compounds
  • breakers are typically non-labile surfactants introduced into the formulation in an encapsulated form.
  • surfactants in the form of granules which are coated with a protective film of wax, typically by fluidized bed coating.
  • the fracturing fluid contains encapsulated-type breaker-type surfactants, these are generally ineffective until the end of the fracturing operation (they are simply carried by the fracturing fluid, and their encapsulation makes them initially chemically inert).
  • the capsules are found in the fractures, where they are subjected to the pressure of the fracture which tends to close, and they are found "crushed", especially when proppants are present. This induces release of the surfactants, which then become suitable for interacting with the associative polymers to reduce the viscosity.
  • breakers thus makes it possible to release the fractures of the gelled composition that it contains following the fracturing (thus, the increase in the viscosity (formation of a gel) takes place only occasionally during the fracturing, namely between the lysis of the labile surfactant and the release of the non-labile surfactant, which makes it possible to further minimize the pumping energy
  • Another advantage is that this makes it possible to reduce the time before putting the well into production.
  • micellar solution In a 500 ml flask, 29.3 g of a 30% SDS solution, 89.03 g of distilled water, 1.66 g of lauryl methacrylamide (monomer) were introduced at room temperature (20 ° C.). AML). The mixture was stirred with a magnetic bar for 6 hours, until a clear micellar solution was obtained.
  • micellar solution thus prepared, 7.53 g of water and 40.7 g of acrylamide (50% aqueous solution) were introduced at room temperature (20 ° C.). mass), 32 g AMPS (51% by weight aqueous solution), 0.454 g of Rhodixan A1 (ethanol solution at 1.0% by weight) and 6.00 g of ammonium persulfate (aqueous solution at 0.67% by weight). ).
  • the mixture was degassed by bubbling nitrogen for 20 minutes.
  • the polymerization reaction was then allowed to proceed with stirring for 16 hours at room temperature (20 ° C).
  • the polymer prepared above was dissolved in 0.5% by weight of polymer in an aqueous solution of NaCl at 15% by weight in the presence of surfactant Alkamuls PSML20 at different concentrations.
  • Example 1 The polymer of Example 1 was dissolved in 0.5% wt in 15% NaCl in the presence of 0.5% Alkamuls PSML20. Soda is added to obtain a concentration of 83mmol / L. The viscosity of the solution thus obtained is 10cP at 25 ° C (at 1 s -1 ).
  • the solution was placed in an oven at 80 ° C. for 16 hours. At the end of this treatment, the viscosity of the solution was measured equal to 4200cP at 1 s -1 (against 3600cP for a solution of polymer without surfactant obtained after hydration by heating for 4 hours at 80 ° C).

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Abstract

La présente invention concerne un fluide de fracturation comprenant, en milieu aqueux: - un polymère associatif; et - un tensioactif labile en quantité suffisante pour réduire ou inhiber l'effet d'augmentation de la viscosité induit par ledit polymère associatif.

Description

Fluides de fracturation à base de polymères associatifs
et de tensioactifs labiles
La présente invention a trait au domaine des techniques de fracturation employées dans le cadre de l'extraction pétrolière.
La fracturation hydraulique est une technique couramment employée dans le domaine de la récupération de pétrole et de gaz dans des réservoirs hydrocarbonés, qui a pour but de créer des fractures au sein du réservoir pour augmenter les interfaces d'échanges entre les fluides d'extraction et les hydrocarbures contenus dans le réservoir.
La fracturation met généralement en œuvre une injection sous forte pression de fluides de fracturation aqueux comprenant des polymères conférant au fluide une viscosité élevée. L'injection de ces fluides au sein de réservoirs hydrocarbonés (le terme de réservoir hydrocarboné inclut au sens de la présente description en particulier les roches réservoirs) implique en général la mise en œuvre de pressions considérables qui, d'une part impliquent des dépenses énergétiques en termes de pompage et d'autre part peuvent dégrader les polymères sous l'effet du cisaillement. En effet, typiquement, un fluide de fracturation est injecté depuis la surface jusqu'au sein d'un réservoir hydrocarboné sur des distances de l'ordre de quelques milliers de mètres.
Un but de la présente invention est de fournir des fluides de fracturation à base de polymères viscosants qui présentent une efficacité similaire aux fluides connus, mais qui soient plus aisément injectables, en permettant entre autres de réduire l'énergie nécessaire à leur injection, et pour lesquels les phénomènes de dégradation des polymères viscosants sous cisaillement sont de préférence réduits voire nuls.
A cet effet, il est proposé selon la présente invention un nouveau type de fluide de fracturation, qui comprend, en milieu aqueux :
(i) des polymères associatifs qui sont intrinsèquement propres à augmenter la viscosité du milieu aqueux, voire à le gélifier ; et
(ii) au moins un tensioactif labile présent en une quantité suffisante pour réduire ou inhiber l'effet d'augmentation de la viscosité induit par lesdits polymères associatifs lors de l'injection et qui se dégrade après l'injection dans les conditions de température et de pH du réservoir hydrocarboné dans lequel il est introduit ce par quoi la viscosité du fluide augmente après injection. Plus précisément, selon un premier aspect, la présente invention a pour objet un fluide de fracturation comprenant, en milieu aqueux :
- un polymère associatif ; et
un tensioactif labile en une quantité suffisante pour réduire ou inhiber l'effet d'augmentation de la viscosité induit par lesdits polymères associatifs.
Selon un autre aspect, l'invention concerne l'utilisation des fluides précités comme fluide de fracturation. Dans ce cadre, l'invention a notamment pour objet un procédé de récupération d'hydrocarbures dans un réservoir hydrocarboné, comprenant une étape ou un fluide de fracturation du type précité est injecté au sein d'un réservoir hydrocarboné où les conditions de température et/ou de pH sont propres à lyser tout ou partie du tensioactif labile.
Par « polymère associatif », on entend, au sens de la présente description, un polymère propre à augmenter la viscosité d'un milieu aqueux par des associations impliquant des interactions hydrophobe-hydrophobe entre les polymères. De tels polymères sont également parfois désignés sous le nom de « polymères hydrosolubles hydrophobiquement associatifs » (PHA) ou bien encore « polymères amphiphiles ».. Il s'agit en général de polymères comportant un squelette de nature hydrophile et incluant, le long des chaînes et/ou à tout ou partie des extrémités de celles-ci, de faibles quantités (typiquement de l'ordre de 0,001 % à 10% en mole, et généralement quelques pourcents molaires tout au plus) de fonctions de nature hydrophobes. Lorsque de tels polymères sont mis en milieu aqueux, ils forment, de façon connue en soi, des liens hydrophobes (les fonctions hydrophobes se regroupent entre elles pour diminuer l'énergie du système, de la même façon que se forme en milieu aqueux des micelles de tensioactif).
Par ailleurs, la notion de « tensioactif labile » (ou « cleavable surfactant » en anglais) désigne ici un tensioactif qui est propre à se lyser, typiquement en se clivant en deux molécules distinctes, dans des conditions de pH et de température où au moins une partie des polymères associatifs auquel il est associé dans la composition ne sont pas dégradés. Les tensioactif clivable employés selon l'invention sont des tensiaoctifs qui se dégradent après injection, dans des conditions où les polymères associatifs ne sont pas dégradés. Des tensioactifs labiles de ce type sont bien connus de la littérature. Pour plus de détails, on pourra notamment se reporter à "Cleavable surfactants" Alireza Tehrani- Bagha, Krister Holm. L'emploi spécifique d'un tensioactif labile confère au fluide de fracturation selon l'invention les avantages des fluides de fracturation connus en s'affranchissant de leurs inconvénients. En effet, du fait de la présence de ce tensioactif labile, le fluide de fracturation présente, lorsqu'il est injecté, une viscosité réduite qui facilite son injection, et la viscosité est rétablie dans la zone où on souhaite effectuer la fracturation.
L'abaissement de la viscosité obtenu de par la présence du tensioactif labile permet de réduire sensiblement les phénomènes de perte de charge et, dans le cas où on utilise des polymères sensibles à la dégradation, une diminution de la dégradation des polymères sous cisaillement. De plus, la nature des polymères associatifs présents dans les fluides de fracturation de la présente invention est très modulable.
En particulier, selon un mode de réalisation intéressant, les fluides de fracturation de l'invention peuvent avantageusement comprendre à titre de polymères associatifs des polymères amphiphiles de relativement bas poids moléculaire (par exemple inférieur à 1 000 000 g/mol, voire à 500 000 g/mol par exemple inférieur à 100 000 g/mol) qui permettent d'induire des viscosités élevées après lyse du tensioactif labile, et ce à partir de concentrations relativement faibles, et qui sont en outre moins sensibles à la dégradation sous cisaillement que des polymères de taille plus importante.
En pratique, quasiment tous les polymères associatifs peuvent être utilisés selon l'invention. A ce sujet, il est à noter qu'en plus des avantages précités, le tensioactif labile présent dans les compositions de l'invention permet d'améliorer l'hydratation des polymères en milieu aqueux, ce qui permet d'utiliser dans les compositions de l'invention n'importe quel type de polymère associatif, y compris ceux réputés les moins hydratables. L'invention ouvre ainsi la voie à une utilisation de nombreux polymères amphiphiles dans des liquides de fracturation.
Compte tenu de la large gamme de polymère et de tensioactifs utilisable dans le cadre de l'invention, la méthode de fracturation décrite ici est extrêmement modulable. En effectuant un choix adapté de polymère et de tensioactif, on peut fournir selon l'invention aussi bien des fluides de fracturation pour lesquels une viscosité élevée sera récupérée au bout de quelques mètres seulement que des fluides pour lesquels la viscosité reste faible jusqu'à la zone de fracturation. Il est possible de moduler finement le comportement du fluide de fracturation pour adapter l'évolution de sa viscosité le long de la zone d'injection. En fonction du polymère et du tensioactif utilisés, il est des compétences de l'homme du métier d'adapté les concentrations des deux composés pour obtenir le profil d'évolution de viscosité souhaité. Avant la lyse des tensioactifs labiles, les polymères associatifs et les tensioactifs interagissent selon un mécanisme connu, décrit notamment dans "Interactions between hydrophobically modifiée! polymers and surfactants" B. Magny, I. Iliopoulos, R. Audebert, L. Piculell, B. Lindman Progress in Colloid & Polymer Science Volume 89, 1992, pp 1 18- 121 . Les interactions entre polymères associatifs et tensioactifs varient de façon connue en soi en fonction de la teneur en tensioactif. Lorsqu'on ajoute une très faible quantité de tensioactifs, cette faible quantité de tensioactif densifie le nombre de liaisons hydrophobes, ce qui fait croître la viscosité. A faible teneur en tensioactif, la viscosité croît ainsi jusqu'à un maximum au fur et à mesure de l'ajout de tensioactif. Au-delà de la teneur limite en tensioactif pour laquelle on observe ce maximum, la tendance s'inverse et l'ajout de tensioactif fait au contraire décroître de plus en plus les interactions entre les polymères et donc la viscosité. Pour tout couple de tensioactif et de polymère, il y a une concentration minimale en tensioactif au-delà de laquelle on obtient une décroissance systématique de la viscosité, cette concentration minimale étant très aisée à déterminer. Selon un mode de réalisation, le tensioactif et le polymère ainsi que leurs concentrations respectives sont choisis de façon à ce qu'une faible viscosité soit maintenue de la surface jusqu'à la zone où on souhaite effectuer la fracturation et la montée en viscosité due à la lyse du tensioactif intervient de préférence juste avant pénétration dans la zone de fracturation. En plus des avantages précités, les polymères associatifs employés dans le cadre de la présente invention induisent en général des propriétés rhéologiques du fluide de fracturation qui le rendent propre à assurer un contrôle efficace de la fracturation.
La rhéologie particulière des fluides de fracturation de l'invention sont en outre généralement très bien adaptés pour véhiculer efficacement des agents de soutènement en suspension. Ces agents de soutènement (dits également « proppant » en anglais) sont des particules destinées à consolider et à maintenir ouvertes les fractures en s'y glissant lors de leur formation (il s'agit typiquement de sable calibré). Par ailleurs, les polymères associatifs employés dans les fluides de fracturation de l'invention présentent l'avantage de pouvoir être employés en présence de sels (la présence de sels améliore d'ailleurs en général leur caractère associatif), ce qui autorise l'emploi de l'eau immédiatement disponible dans l'environnement proche de la zone d'extraction sans avoir à se soucier de sa pureté ou de sa teneur en sels. Les polymères associatifs de l'invention constituent en cela une alternative intéressante aux polymères usuellement utilisés en fracturation du type des polysaccharides (tels que les guars réticulés par du borate ou du zirconate, pour lesquels la qualité de l'eau employée est déterminante). Ainsi, en particulier, l'invention se prête bien à la formulation de fluides de fracturation à base d'eau de mer ou d'eau de production et plus généralement de toute eau pouvant contenir des sels (y compris à des teneurs élevées pouvant aller jusqu'à 25% en masse et/ou avec des duretés importantes pouvant aller jusqu'à des teneurs en Mg2+ et Ca2+ de l'ordre de 5000 ppm) : selon un mode particulier, le fluide de fracturation de l'invention comprend de l'eau de mer ou de l'eau de production à titre de milieu aqueux.
Différentes caractéristiques et modes de réalisation plus particuliers de l'invention vont maintenant être exposés plus en détails :
les polymères associatifs :
Les polymères employés selon l'invention peuvent varier en une assez large mesure.
Ils peuvent par exemple être choisis parmi les polymères décrits dans US4529523, US4432881 , US4814096, WO 85/03510, US4702319, US4709759, US4638865, US4780517, US4852652 ou US4861499.
Plus généralement, il peut s'agit de polymères associatifs à base d'un squelette hydrophile porteur de groupements hydrophobes du type obtenu par les voies de synthèse de type HASE (voie de synthèse directe) ou de type HEUR (post addition de groupes hydrophobe sur une chaîne hydrophile). Des exemples de synthèse de ce type sont notamment décrites dans Prog. Color Colorants Coat. Vol 4, pp. 71 -77 (201 1 ). On peut par ailleurs utiliser des polymères associatifs issu de procédés dits de
"polymérisation radicalaire micellaire" du type décrits dans US 4,432,881 ou bien encore dans Polymer, vol. 36 , N° 16, pp. 3197-321 1 (1996), auxquels on pourra se reporter pour plus de détails, par copolymérisation de monomères hydrophiles et de monomères hydrophobes au sein d'un milieu dispersant aqueux (typiquement de l'eau ou un mélange eau/alcool) qui comprend :
- les monomères hydrophiles à l'état solubilisé ou dispersé dans ledit milieu ;
et
- les monomères hydrophobes au sein de micelles de tensioactif formées dans ledit milieu en y introduisant ce tensioactif à une concentration supérieure à sa concentration micellaire critique (cmc).
Selon un mode particulier, les monomères hydrophobes présents au sein de micelles de tensioactifs employés en polymérisation micellaire peuvent être des monomères qui, en eux-mêmes ont la propriété de former des micelles sans avoir besoin d'ajouter des tensioactifs additionnels (monomères dits «auto-micellisables» dans la suite de la description). Selon ce mode particulier, le tensioactif employé peut être le monomère hydrophobe auto-micellisable lui-même, employé sans autre tensioactif, bien que la présence d'un tel tensioactif additionnel ne soit pas exclue. Ainsi, au sens de la présente description, lorsqu'il est fait mention de monomères hydrophobes au sein de micelles de tensioactifs, cette notion englobe aussi bien (i) des monomères hydrophobes présent au sein de micelles de tensioactif autre que ces monomères que (ii) des monomères comprenant au moins une partie ou un bloc hydrophobe et formant par eux- mêmes les micelles en milieu aqueux. Les deux modes (i) et (ii) précités sont compatibles et peuvent coexister (monomères hydrophobes au sein de micelles formées par un autre monomère auto-micellisables par exemple, ou bien encore micelles comprenant une association de tensioactifs et de monomères auto-micellisables).
En polymérisation micellaire, les monomères hydrophobes contenus dans les micelles sont dits en "solution micellaire". La solution micellaire à laquelle il est fait référence est un système micro-hétérogène qui est généralement isotrope, optiquement transparent et thermodynamiquement stable.
Selon un mode de réalisation intéressant, les polymères associatifs employés selon la présente invention sont des polymères obtenus selon un procédé de qui comprend une étape (E) de polymérisation radicalaire micellaire dans laquelle on met en contact, au sein d'un milieu aqueux (M) :
- des monomères hydrophiles, solubilisés ou dispersés dans ledit milieu aqueux (M) ; - des monomères hydrophobes sous la forme d'une solution micellaire, à savoir contenant, à l'état dispersé au sein du milieu (M), des micelles comprenant ces monomères hydrophobes (cet état dispersé pouvant notamment être obtenu à l'aide d'au moins un tensioactif); - au moins un amorceur de polymérisation radicalaire, cet amorceur étant typiquement hydrosoluble ou hydrodispersible ; et
- au moins un agent de contrôle de polymérisation radicalaire.
Le milieu aqueux (M) employé dans l'étape (E) est un milieu comprenant de l'eau, de préférence à hauteur d'au moins 50% en masse, voire au moins 80%, par exemple au moins 90%, voire au moins 95%. Ce milieu aqueux peut éventuellement comprendre d'autres solvants que l'eau, par exemple un alcool miscible à l'eau. Ainsi, le milieu (M) peut être par exemple un mélange hydroalcoolique. Selon une variante possible, le milieu (M) peut comprendre d'autres solvants, de préférence en une concentration où ledit solvant est miscible à l'eau, ce qui peut notamment permettre de réduire la quantité de tensioactifs stabilisants employés. Ainsi, par exemple, le milieu (M) peut comprendre du pentanol, ou tout autre additif permettant de moduler le nombre d'agrégation des tensioactifs. De façon générale, il est préférable que le milieu (M) soit une phase continue d'eau et constituée d'un ou plusieurs solvants et/ou additifs miscibles entre eux et dans l'eau dans les concentrations où ils sont employés. Par "agent de contrôle de polymérisation radicalaire", on entend, au sens de la présente description, un composé capable de rallonger le temps de vie des chaînes polymères en croissance dans une réaction de polymérisation et de conférer à la polymérisation un caractère vivant ou contrôlé. Cet agent de contrôle est typiquement un agent de transfert réversible tel que mis en œuvre dans les polymérisations radicalaires contrôlées désignés sous la terminologie RAFT ou MADIX, qui mettent typiquement en œuvre un procédé de transfert réversible par addition-fragmentation, comme ceux décrits par exemple dans WO96/30421 , WO 98/01478, WO 99/35178, WO 98/58974, WO 00/75207, WO 01/42312, WO 99/35177, WO 99/31 144, FR2794464 ou WO 02/26836.
Selon un mode de réalisation intéressant, l'agent de contrôle de polymérisation radicalaire employé dans l'étape (E) est un composé qui comprend un groupe thiocarbonylthio -S(C=S)-. Ainsi, par exemple, il peut s'agir d'un composé qui comprend un groupe xanthate (porteur de fonctions -SC=S-0-), par exemple un xanthate. Un xanthate adapté est le Rhodixan A1 disponible aauprès de la société Solvay. D'autres types d'agent de contrôle peuvent être envisagés (par exemple du type de ceux employé en CRP ou en ATRP).
Selon un mode particulier, l'agent de contrôle employé dans l'étape (E) peut être une chaîne polymère issue d'une polymérisation radicalaire contrôlée et porteuse d'un groupement propre à contrôler une polymérisation radicalaire (chaîne polymère dite de type « vivante », de type bien connu en soi). Ainsi, par exemple, l'agent de contrôle peut être une chaîne polymère (de préférence hydrophile ou hydrodispersible) fonctionnalisée en bout de chaîne par un d'une par un groupe xanthate ou plus généralement comprenant un groupe -SC=S-, par exemple obtenu selon la technologie MADIX.
Alternativement, l'agent de contrôle employé dans l'étape (E) est un composé non polymère porteur d'un groupement assurant le contrôle de la polymérisation radicalaire, notamment un groupe thiocarbonylthio -S(C=S)-.
Selon une variante particulière, l'agent de contrôle de polymérisation radicalaire employé dans l'étape (E) est un polymère, avantageusement un oligomère, à caractère hydrosoluble ou hydrodispersible et porteur d'un groupe thiocarbonylthio -S(C=S)-, par exemple d'un groupe xanthate -SC=S-0-). Ce polymère, propre à agir à la fois comme agent de contrôle de la polymérisation et comme monomère dans l'étape (E), est également désigné par « pré-polymère » dans la suite de la description. Typiquement, ce pré-polymère est obtenu par polymérisation radicalaire de monomères hydrophiles en présence d'un agent de contrôle porteur d'un groupe thiocarbonylthio -S(C=S)-, par exemple un xanthate. Ainsi, par exemple, selon un mode de réalisation intéressant qui est illustré à la fin de la présente description, l'agent de contrôle employé dans l'étape (E) peut avantageusement être un pré-polymère porteur d'un groupe thiocarbonylthio - S(C=S)-, par exemple d'un groupe xanthate -SC=S-0-, obtenu à l'issue d'une étape (E°) de polymérisation radicalaire contrôlée préalable à l'étape (E). Dans cette étape (E°), on peut typiquement mettre en contact des monomères hydrophiles, avantageusement identiques à ceux mis en œuvre dans l'étape (E) ; un amorceur de polymérisation radicalaire ; et un agent de contrôle porteur d'un groupe thiocarbonylthio -S(C=S)-, par exemple un xanthate.
La mise en œuvre de l'étape (E°) précité préalablement à l'étape (E) permet, schématiquement, d'hydrophiliser un grand nombre d'agent de contrôle porteurs de fonctions thiocarbonylthio (par exemple des xanthate, qui sont plutôt hydrophobes par nature), en les convertissant des pré-polymères solubles ou dispersibles dans le milieu (M) de l'étape (E). De préférence, un pré-polymère synthétisé dans l'étape (E°) possède une chaîne polymère courte, par exemple comprenant un enchaînement de moins de 50, voire moins de 25 unités monomères, par exemple entre 2 et 15.
De façon inattendue, il s'avère que les conditions de l'étape (E) permettent de combiner les avantages à la fois de la polymérisation radicalaire contrôlée et de la polymérisation micellaire. Dans ce cadre, les inventeurs ont en particulier maintenant mis en évidence que la présence des micelles dans le milieu de polymérisation n'affecte pas l'action des agents de contrôle, qui permettent de réaliser une polymérisation contrôlée des monomères présents au sein du milieu aqueux de façon similaire à une polymérisation radicalaire contrôlée effectuée en milieu homogène, ce qui permet de prévoir et de contrôler très aisément la masse molaire moyenne du polymère synthétisé (cette masse est d'autant plus élevées que la concentration initiale en agent de contrôle dans le milieu est faible, cette concentration dictant le nombre de chaînes polymères en croissance). Dans le même temps, la présence de l'agent de contrôle ne nuit pas non plus à l'effet intéressant observé en polymérisation, à savoir le contrôle précis de la taille des blocs hydrophobes.
En plus de ce contrôle de la polymérisation des monomères, non obtenu dans les procédés plus usuels de polymérisation micellaire, la mise en œuvre de l'étape (E) du procédé de l'invention permet en outre, de façon également totalement surprenante, d'accéder à des polymères de taille à la fois élevée et contrôlée, ce qui s'avère tout particulièrement inattendu au vu des tailles maximales qu'on sait obtenir aujourd'hui en employant des méthodes de polymérisation radicalaire contrôlée ou de polymérisation radicalaire micellaire en l'absence d'agents de contrôle.
Dans les conditions de l'étape (E), il s'avère possible de contrôler la masse molaire moyenne en nombre des polymères ce qui permet, entre autres, de réaliser des polymères de faibles masses.
Selon un mode de réalisation intéressant, le polymère associatif présent dans le fluide de fracturation de l'invention est synthétisé selon l'étape (E) précitée et a une masse comprise entre 50 000 et 10 000 000, de préférence, entre 750 000 et 5 000 000 g/mol, notamment entre 1 000 000 et 4 000 000 g/mol. Typiquement, de tels polymères peuvent être employés en concentration inférieure à leur concentration de recouvrement critique. En raison de leurs petites tailles, de tels polymères peuvent diffuser aux interfaces et participer à la modification des propriétés de ces interfaces ou surfaces. Quelle que soit sa nature, le polymère associatif des fluides de fracturation selon l'invention est typiquement présent à hauteur de 0,1 % à 3%, de préférence entre 0,2% et 1 ,5%, de préférence entre 0,3% et 1 %, en masse par rapport à la masse totale du fluide de fracturation. les tensioactifs labiles :
Les tensioactifs labiles employés dans le cadre de l'invention sont des tensioactifs qui présentent des groupes ayant une affinité pour les groupes hydrophobes présents sur les polymères associatifs et d'autre part des chaînes hydrophiles. Avantageusement, il s'agit de tensioactifs hydrosolubles.
Par ailleurs, il s'agit de composés porteurs d'une fonction clivable. Cette fonction clivable est avantageusement une fonction ester .
Selon un mode de réalisation, les tensioactifs labiles présent dans les fluides de fracturation de l'invention sont des tensioactifs non ioniques. Il peut également s'agir de tensioactifs ayant la structure de tensioactifs non ioniques, mais éventuellement porteur de groupe fonctionnalisés, éventuellement chargés, en extrémité de chaîne.
Selon une variante intéressante, ces tensioactifs labiles comprennent des esters d'acide gras éthoxylés, répondant typiquement à la formule R-COO-(CH2-CH2-0-)n-H , où R est une chaîne hydrocarbonée linéaire ou ramifiée, de préférence linéaire, typiquement un alkyle comportant de 4 à 22 atomes de carbone, par exemple de 5 à 18.
Un tensioactif bien adapté à l'invention est par exemple Γ Alkamuls PSML20 (dit aussi polysorbate 20), de formule suivante :
Figure imgf000011_0001
Ce composé est disponible auprès de la société Solvay. autres composés éventuellement présents dans le fluide de fracturation de l'invention agent(s) de contrôle du H
en particulier lorsque les tensioactif labiles sont des esters, le fluide de fracturation peut comprendre des agents de régulation ou de contrôle du pH, notamment des tampons, des bases ou des acides. En fonction du profil d'évolution de viscosité recherché, on se placera préférablement dans une gamme de pH voisin de la neutralité (entre 6 et 8, plus préférentiellement entre 6,5 et 7,5 si on souhaite que la viscosité augmente lentement. A l'inverse, on se placera dans des conditions acides (par exemple inférieures à 4, voire à 3) ou basique (supérieures à 9, voire à 10) si on souhaite une augmentation plus rapide de la viscosité.
« Breakers »
Selon un mode de réalisation intéressant, la composition injectée peut comprendre en outre un ou plusieurs composés amphiphiles dit « breaker », propre à abaisser la viscosité dans les zones fracturées, après que la fracturation a été réalisée.
Ces breakers sont typiquement des tensioactifs non labiles introduit dans la formulation sous une forme encapsulée. On peut notamment utiliser des tensioactifs sous forme de granulés qu'on enrobe d'une pellicule protectrice de cire, typiquement par revêtement en lit fluidisé.
Lorsque le fluide de fracturation contient des tensioactifs de type breakers sous forme encapsulée, ceux-ci sont en général sans effet jusqu'à la fin de l'opération de fracturation (ils sont simplement véhiculés par le fluide de fracturation, et leur encapsulation les rend au départ inerte chimiquement). Après l'arrêt de l'injection sous pression du fluide de fracturation, les capsules se retrouvent dans les fractures, où elles sont soumise à la pression de la fracture qui tend à se refermer, et elles se retrouvent « écrasées », tout particulièrement lorsque des agents de soutènement sont présents. Ceci induit une libérations des tensioactifs, qui deviennent alors propres à interagir avec les polymères associatifs pour diminuer la viscosité. La présence de tels breakers permet ainsi de libérer les fractures de la composition gélifiée qu'il contient suite à la fracturation (ainsi, l'augmentation de la viscosité (formation d'un gel) n'a lieu que ponctuellement lors de la fracturation, à savoir entre la lyse du tensioactif labile et la libération du tensioactif non labile, ce qui permet de minimiser encore l'énergie de pompage. Un autre avantage est que ceci permet de réduire le temps avant la mise en production du puits. L'invention va maintenant être illustrée par l'exemple ci-après.
EXEMPLE
Synthèse d'un polymère associatif ( poly acrylamide/AMPS/LMA 2000 000 g/mol)
Dans un ballon de 500 ml_, on a introduit, à température ambiante (20°C), 29,3g d'une solution de SDS à 30%, 89,03g d'eau distillée, 1 ,66g de méthacrylamide de lauryle (monomère LMA). Le mélange a été porté sous agitation à l'aide d'un barreau aimanté pendant 6h, jusqu'à obtention d'un solution micellaire limpide.
Dans un ballon de 250 mL, on a introduit, à température ambiante (20°C), 32,9g de la solution micellaire ainsi préparée, 7,53g d'eau, 40,7g d'acrylamide (solution aqueuse a 50% en masse), 32g AMPS (solution aqueuse a 51 % en masse), 0,454 g de Rhodixan A1 (solution éthanolique à 1 ,0% en masse) et 6,00g de persulfate d'ammonium (solution aqueuse a 0,67% en masse). Le mélange a été dégazé par bullage d'azote pendant 20 minutes. On a ajouté au milieu, en une fois, 1 ,5g du formaldéhyde sulfoxylate de sodium, sous forme de solution aqueuse à 0,13 % en masse. Le mélange a été dégazé par bullage d'azote pendant 15 minutes.
On a alors laissé la réaction de polymérisation se dérouler sous agitation pendant 16 heures à température ambiante (20°C).
réduction de la viscosité par ajout de tensioactif labile
Le polymère préparé précédemment a été mis en solution à 0,5% en masse en polymère dans une solution aqueuse de NaCI à 15% en masse en présence de tensioactif labile Alkamuls PSML20 à différente concentrations.
Pour chacune des concentrations, la viscosité du mélange a été mesurée à 80°C, à l'aide d'un rhéomètre AR2000 (TA Instrument, Surrey, Grande-Bretagne), équipé d'une géométrie de type Couette. Les résulats sont rportés dans le tableau ci-après : viscosité
concentration à 1 s-1
(ppm) (mPa.s)
0 3430
50 1 140
100 360
250 168
500 48
1000 10
La diminution de viscosité par ajout de tensioactif labile est ici mise en évidence au-delà de 500ppm.
hydrolyse du tensioactif labile - effet sur la viscosité
Le polymère de l'exemple 1 a été mis en solution à 0.5%wt dans NaCI 15% en présence de 0.5% Alkamuls PSML20. De la soude est ajoutée pour obtenir une concentration de 83mmol/L. La viscosité de la solution ainsi obtenue est de 10cP à 25°C (à 1 s"1).
La solution a été placée en étuve à 80°C pendant 16 h. A l'issue de ce traitement, la viscosité de la solution a été mesurée égale à 4200cP à 1 s"1 (contre 3600cP pour une solution de polymère sans tensioactif obtenue après hydratation par chauffage pendant 4 h à 80°C).

Claims

REVENDICATIONS
1 . - Fluide de fracturation comprenant, en milieu aqueux :
- un polymère associatif ; et
un tensioactif labile, en une quantité suffisante pour réduire ou inhiber l'effet d'augmentation de la viscosité induit par ledit polymères associatif.
2. - Fluide de fracturation selon la revendication 1 , où le polymère associatif est obtenu selon un procédé de préparation qui comprend une étape (E) de polymérisation radicalaire micellaire dans laquelle on met en contact, au sein d'un milieu aqueux (M) :
- des monomères hydrophiles, solubilisés ou dispersés dans ledit milieu aqueux (M) ;
- des monomères hydrophobes sous la forme d'une solution micellaire, à savoir contenant, à l'état dispersé au sein du milieu (M), des micelles comprenant ces monomères hydrophobes (cet état dispersé pouvant notamment être obtenu à l'aide d'au moins un tensioactif);
- au moins un amorceur de polymérisation radicalaire, cet amorceur étant typiquement hydrosoluble ou hydrodispersible ; et
- au moins un agent de contrôle de polymérisation radicalaire.
3. - Fluide de fracturation selon la revendication 2, où l'agent de contrôle de polymérisation radicalaire employé dans l'étape (E) est un composé qui comprend un groupe thiocarbonylthio -S(C=S)-, de préférence un xanthate
4. - Fluide de fracturation selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, où le polymère associatif est présent à hauteur de 0,1 à 3% en masse par rapport à la masse totale du fluide de fracturation.
5.- Fluide de fracturation selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, où le tensioactif labile est porteur d'une fonction clivable qui est une fonction ester.
6. - Fluide de fracturation selon la revendication 5, où le tensioactif labile comprend un ester d'acide gras éthoxylé, de préférence de formule R-COO-(CH2-CH2-0-)n-H , où R est une chaîne hydrocarbonée linéaire ou ramifiée.
7. - Procédé de récupération d'hydrocarbures dans un réservoir hydrocarboné, comprenant une étape ou un fluide de fracturation selon l'une des revendications 1 à 6 est injecté au sein d'un réservoir hydrocarboné où les conditions de température et/ou de pH sont propres à lyser tout ou partie du tensioactif labile.
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