支撐劑顆粒以及在地下應用中使用此類顆粒的方法

2024-03-29 00:32:05

支撐劑顆粒以及在地下應用中使用此類顆粒的方法
【專利摘要】本發明涉及改進的支撐劑顆粒以及使用所述支撐劑顆粒處理地下地層的方法，這些支撐劑顆粒包含至少一種芳香族縮聚聚合物[聚合物(P)]，當根據ASTM3418測量時，該聚合物具有至少120℃的玻璃化轉變溫度(Tg)。
【專利說明】支撐劑顆粒以及在地下應用中使用此類顆粒的方法

【技術領域】
[0001]本發明涉及改進的顆粒以及在地下應用中使用此類顆粒的方法。更具體地，本發明涉及複合支撐劑顆粒以及它們在地下應用例如生產增強和完井中的使用。

【背景技術】
[0002]支撐劑用在石油和天然氣井中進行的各種作業和處理。此類作業和處理包括，但不限於，增產作業例如壓裂以及完井作業例如礫石充填。
[0003]水力壓裂是石油和天然氣開採作業的實例，其中使用固體顆粒。在該類作業中，包含流體介質以及懸浮於其中的顆粒的工作液(本領域中稱為壓裂液)在一定速度和壓力下通過井眼被泵入地下區域，從而使壓裂形成並延伸至地下區域。這個壓裂或這些壓裂可以是水平的或豎直的，後者通常為主，且豎直壓裂的趨向通常隨著被壓裂的地層深度增加。通常，壓裂液為凝膠、乳液或泡沫形式的粘性流體。這些作業中使用的顆粒材料通常被稱為支撐劑。支撐劑沉積在壓裂中，並且除了用於維持壓裂開口的完整性，還維持傳導通道，當完成壓裂處理並釋放相應的液壓時，所產生的流體(石油和天然氣)能夠通過這些傳導通道流動。
[0004]支撐劑顆粒還被用於完井作業例如礫石充填。礫石充填處理特別用於減少疏鬆地層顆粒向井眼中的遷移。在礫石充填作業中，支撐劑顆粒(本領域中通常也被稱為礫石)通過用作礫石載體液的工作液被運載至地下生產區域中的井眼。即，這些顆粒懸浮於載體液中，該載體液可以是且通常是增粘的，並且該載體液被泵入有待放入礫石充填物的井眼中。由於這些顆粒置於該區域中或靠近該區域，該載體液漏洩進入地下區域和/或返回至地表。所產生的礫石充填物用作一種過濾器以防止生成帶有產出液的地層固體。傳統礫石充填作業涉及在用礫石填充該篩網和井眼之間的周圍環帶之前，將礫石充填篩網放在井眼中。礫石充填篩網通常是一種過濾器組件，用於在礫石充填作業期間支撐並保留所放置的顆粒。可商購各種各樣的尺寸和篩網配置以適合井眼、產出液以及地下地層中的任何顆粒的特性。除了其他原因，礫石充填用於穩定地層，同時對井產能產生最小損害。
[0005]還有，隨著在深水以及高溫區域中鑽井越來越多，長的、開口水平井眼中的礫石充填變得越來越普遍。這些井中的完井作業通常涉及使用減小比重的顆粒，這些減小比重的顆粒在惡劣條件例如高溫和地下處理化學品下耐降解。使用輕量的顆粒可以增強井眼與砂篩之間的井眼環帶的完全充填，並且可以降低顆粒沉降的可能性，在礫石充填物的頂部上留下空隙。礫石充填物的頂部上的空隙可能存在問題，因為在生產期間，地層砂或細粒經常填充所述空隙，這可能造成井的產出液顯著減少。在產出流量集中在篩網上的一點的特定位置處還發生篩網腐蝕，進而使得礫石或地層材料隨著產出液一起產生。
[0006]在某些情況下，水力壓裂和礫石充填作業可以組合成單個處理。所述處理通常稱為「壓裂充填」作業。在某些情況下，這些處理通過在適當位置的礫石充填篩網組件來完成，並且將水力壓裂處理泵送穿過套管和篩網之間的環形空間。在這種情況下，水力壓裂處理通常以篩出狀態結束，從而產生在該篩網和殼體之間的環形礫石充填。在其他情況下，壓裂處理可以在安裝篩網並放置礫石充填物之前進行。
[0007]壓裂應用中使用的傳統高強度顆粒通常顯示出太高的比重而不能懸浮在低粘度流體中。低粘度流體是希望的，因為用於產生它們的增粘劑和交聯劑通常是昂貴的。此外，增粘劑易於以濾餅的形式積聚在地層的壁上，一旦希望將該地層用於生產則該增粘劑可能阻礙流體的產生。此外，地下應用中使用的增粘劑的殘渣通常留在增粘的流體中輸送的顆粒上，並且可能減小由這些顆粒製成的填料的傳導性。然而，低比重顆粒適用於低粘度流體，這些低比重顆粒在升高的地下溫度下通常不能夠承受顯著的閉合應力。此類顆粒的實例包括胡桃殼和熱塑性材料(包括聚烯烴)，然而，當暴露於約65° F以上的溫度(150° F左右)時，易於軟化和變形。
[0008]在這種情況下，US200626081K哈裡伯頓公司(HALLIBURTON ENERGY SERVINC)) 11/23/2006公開了輕量複合顆粒以及它們在地下應用(例如增產和完井)中的使用，所述輕量複合顆粒由聚對苯二甲酸乙二酯(PET)和填料材料的均勻混合物製成。然而，已知PET具有大約70°C的玻璃化轉變溫度以及在1.82MPa的負載下具有80°C的熱撓曲溫度，在更高的工作溫度下，類似於井眼作業中經常遇到的溫度，這些特徵仍然導致明顯的軟化和可能的變形。
[0009]類似地，US2010204070 8/12/2010公開了低密度和高機械強度的複合支撐劑，這些支撐劑由熱塑性材料和沉澱二氧化矽填料的混合物製成。該熱塑性材料有利地為聚醯胺，脂肪族的或半芳香族的，優選包括聚醯胺6基序的那些；所有示例的實施方案基於聚醯胺6，6材料，其具有50°C左右的Tg，如上所述，在高工作溫度下，類似於井眼作業中經常遇到的溫度，這些特徵導致明顯的軟化和可能的變形。此外，已知脂肪族聚醯胺可能進行由水分引起的降解，這可顯著影響由此製成的支撐劑在潮溼環境例如地下地層中的行為。


【發明內容】

[0010]因此，本發明涉及改進的支撐劑顆粒以及在地下應用中使用此類顆粒的方法。更具體地，本發明涉及支撐劑顆粒，這些支撐劑顆粒包含至少一種芳香族縮聚聚合物[聚合物(P)]，當根據ASTM3418測量時，該聚合物(P)具有至少120°C的玻璃化轉變溫度(Tg)和/或當根據ASTM D648測量時，在1.82MPa的負載下具有高於85°C的熱撓曲溫度(HDT)，以及它們在地下應用例如生產增強和完井中的用途。
[0011]本 申請人:發現，聚合物(P)的芳香性與其耐高溫性(如具有超過120°C^^Tg值或超過85°C的HDT)相結合是運送支撐劑材料的關鍵因素，其中所述支撐劑材料具有足夠的抗壓強度、在潮溼環境中保留優異的機械特性、以及優異的耐化學性從而在通常近似於100°C或甚至更高的溫度下與有機或其他腐蝕性流體接觸時，在地下地層中有可靠的表現。
[0012]本發明的一個實施方案提供一種形成適於用作地下作業中的支撐劑的顆粒複合物的方法，該方法包含以下步驟:形成上述的聚合物(P)和填料材料；以及使該混合物形成適用於地下環境的支撐劑顆粒。
[0013]本發明的另一個實施方案提供一種處理地下地層的方法，該方法包含以下步驟:提供一種包含流體成分和上述支撐劑顆粒的工作液；在足以在其中產生或增強至少一條裂縫的壓力下，將該工作液置於地下地層中。
[0014]本發明的再一個實施方案提供一種壓裂地下地層的方法，該方法包含以下步驟:提供一種包含流體成分和上述支撐劑顆粒的壓裂液；在足以在其中產生或增強至少一條裂縫的壓力下，將該壓裂液置於地下地層中。
[0015]本發明的又一個實施方案提供一種在地下地層的選定區中或選定區附近安置礫石充填物的方法，該方法包含以下步驟:提供一種包含流體成分和上述支撐劑顆粒的礫石充填液；以及，將該礫石充填組合物引入到井眼中，使得這些顆粒形成與地下地層中的選定區基本上相鄰的礫石充填物。
[0016]當閱讀以下優選實施方案的描述時，本發明的其他和進一步特徵和優點對於本領域技術人員來說將是非常明顯的。
[0017]

【具體實施方式】
[0018]本發明的複合支撐劑顆粒是輕量的和高抗壓強度的，至少可達100°C左右的溫度，能夠承受潮溼和高溫條件，並且能夠與地下地層井眼開採中通常遇到的有機液體或其他腐蝕性化學物質接觸。
[0019]如上所述，當根據ASTM3418測量時，對於聚合物⑵重要的是具有120°C以上的玻璃化轉變溫度(Tg)。
[0020] 申請人:發現不符合該要求的材料不能在高溫下，即可能超過100°C的溫度，類似於在地下地層壓裂和開採中遇到的溫度，提供具有所需抗壓強度的顆粒支撐劑，即使複合有高負載增強填料。
[0021]特別是通過測定不同溫度下實驗室規模的樣品的抗壓強度，能夠有利地評定地下地層壓裂和開採中的支撐劑的行為，要理解的是，在100°C或以上的溫度下保持傑出的抗壓強度的樣品在地下地層壓裂和完井期間預計不會發生任何嚴重的變形或失效。
[0022]此外，本發明的聚合物(P)，附加於或替代於Tg要求，具有根據ASTM D648測量時，
1.82MPa的負載下85°C以上的熱撓曲溫度(以下，HDT)。
[0023]實際上，某些聚合物(P)可能沒有可檢測的Tg ;在該情況下，IIDT可適用於對材料的結構阻力開始減小的上限溫度進行指示。
[0024]使用4英寸的跨度，根據ASTM D648，方法A，可以確定聚合物⑵的熱撓曲溫度(HDT)值。將聚合物注塑模製成多個5英寸長、1/2英寸寬以及1/8厚的基板。將這些基板在HDT試驗過程中浸入一種合適的液體傳熱介質中，例如油中。例如，可以使用道康寧(DowCorning) 710 娃酮油。
[0025]合適的聚合物(P)可以具有完全非晶結構、部分或完全結晶結構或者介於兩者之間的任何形式。加熱時，這些合適的熱塑性聚合物可以熔化，能夠充分自由流動，從而允許利用標準技術(成型、擠出等)處理。在某些實施方案中，非晶和至少部分結晶的聚合物(P)均可使用。
[0026]適用於本發明的聚合物(P)包括、但不限於芳香族聚醯亞胺(PI)特別是聚酯-醯亞胺(PEI)和聚醯胺-醯亞胺(PAI)、聚芳醚酮(PAEK)例如聚醚醚酮(PEEK)和聚醚酮酮(PEKK)、液晶聚合物(LCP)、芳香族聚醯胺(PA)包括衍生自芳香族二羧酸的聚醯胺(PPA)和衍生自芳香族二胺的聚醯胺(PXA)、以及芳香族碸聚合物(SP)。
[0027]本領域技術人員將在這些種類中選擇能夠滿足上述玻璃化轉變溫度要求的聚合物組合物，即，將選擇上述聚合物(PD、(PEI)、(PAI)、(PAEK)、(PEEK)、(PEKK)、(LCP)、(PA)、(PPA)、(PXA)和(SP)的單體組合物和/或其他結構參數以滿足具有超過120°C的Tg的要求。
[0028]對於本發明的目的，「芳香族聚醯亞胺(PI) 」意指任何包含如下重複單元的聚合物，超過50%摩爾的這些重複單元包含至少一個芳環和至少一個醯亞胺基團，該醯亞胺基團是其本身(式1A)或它的醯胺酸形式(式1B)[重複單元(Rpi)]:

【權利要求】
1.支撐劑顆粒，其包含至少一種芳香族縮聚聚合物[聚合物(P)]，當根據ASTM3418測量時，該聚合物具有至少120°C的玻璃化轉變溫度(Tg)。
2.支撐劑顆粒，其包含至少一種芳香族縮聚聚合物[聚合物(P)]，當根據ASTMD648測量時，該聚合物在1.82MPa負載下具有高於85°C的熱撓曲溫度(HDT)。
3.根據權利要求1或2所述的支撐劑顆粒，其中，該聚合物(P)選自由芳香族聚醯亞胺(PD特別是聚酯-醯亞胺(PEI)和聚醯胺-醯亞胺(PAI)、聚芳醚酮(PAEK)例如聚醚醚酮(PEEK)和聚醚酮酮(PEKK)、液晶聚合物(LCP)、芳香族聚醯胺(PA)包括衍生自芳香族二羧酸的聚醯胺(PPA)和衍生自芳香族二胺的聚醯胺(PXA)、以及芳香族碸聚合物(SP)組成的組。
4.根據權利要求3所述的支撐劑顆粒，其中，該聚合物(P)是包含如下重複單元的芳香族聚醯亞胺(PI)，超過50%摩爾的所述重複單元包含至少一個芳環和至少一個醯亞胺基團，所述醯亞胺基團是其本身(式1A)或它的醯胺酸形式(式1B)[重複單元(Rpi)]:
5.根據權利要求4所述的支撐劑顆粒，其中，該聚合物(P)是芳香族聚醯胺-醯亞胺(PAI)，其包含超過50%摩爾的包含以下的重複單元:至少一個芳環、至少一個醯亞胺基團，為該醯亞胺基團本身和/或它的醯胺酸形式、以及至少一個不包含在醯亞胺基團的醯胺酸形式中的醯胺基團[重複單元(Rpai)]，所述重複單元(Rpai)選自由以下組成的組:
其中: -Ar是三價芳基；典型地，Ar選自由以下結構組成的組:
以及對應的任選取代的結構，X為-0-、-C(0)-、-CH2-、-C(CF3)2-、-(CF2)n-，n為從I到5的整數； -R是二價芳基；典型地，R選自由以下結構組成的組:
以及對應的任選取代的結構，Y 為-O-、-S-、-SO2-, -CH2-, -C (O) -、-C (CF3) 2_、- (CF2) η，η為從O到5的整數。
6.根據權利要求3所述的支撐劑顆粒，其中，該聚合物(P)是包含如下重複單元的聚芳醚酮(PAEK)，超過50%摩爾的所述重複單元為包含Ar-C (O)-Ar』基團的重複單元(Rpaek),Ar和Ar』彼此相同或不同，為芳基，所述重複單元(Rpaek)選自由以下化學式(J-A)至(J-O)組成的組:

其中: -每個R』彼此相同或不同，選自由滷素、烷基、烯基、炔基、芳基、醚、硫醚、羧酸、酯、醯胺、醯亞胺、鹼金屬或鹼土金屬磺酸鹽、烷基磺酸鹽、鹼金屬或鹼土金屬膦酸鹽、烷基膦酸鹽、胺和季銨組成的組； -j』是零或O到4的整數。
7.根據權利要求3所述的支撐劑顆粒，其中，該聚合物(P)是選自全芳香族液晶聚酯的液晶聚合物(LCP),其包含重複單元,所述重複單元源自以下的縮聚反應: -芳香族酸成分[單體(AA)]，包含一種或多於一種芳香族二羧酸或其衍生物，優選地選自苯二甲酸、萘二羧酸和比啶二羧酸，以及對應的被取代的相應物；以及 -二羥基成分[單體(BB)]，包含一種或多於一種二羥基芳香族衍生物或其衍生物，優選地選自聯苯基雙酚，4，4』 - 二羥基-1，1-聯苯，以及對應的被取代的相應物； 和/或源自一種或多於一種芳香族羥基取代羧酸或其衍生物[單體(AB)]的縮聚，優選地選自4-羥基苯甲酸、6-羥基-?-萘甲酸，以及對應的被取代的相應物， 應理解的是，單體(AB)可以單獨地聚合或與如上詳述的單體(AA)和(BB)組合地聚口 ο
8.根據權利要求3所述的支撐劑顆粒，其中，該聚合物(P)是芳香族碸聚合物(SP)，其至少50%摩爾的重複單元包含至少一個化學式(SP)的基團[重複單元(Rsp)]: -Ar-SO2-Ar'-化學式(SP) Ar和Ar』彼此相同或不同，為芳基，所述重複單元(Rsp)符合化學式:
-Ar1-(T 』 -Ar2) n-0-Ar3-S02- [Ar4- (T-Ar2) n_S02] H1-Ar5-O-
其中: -Ar1、Ar2、Ar3、Ar4和Ar5彼此相同或不同，並且在每次出現時，獨立地為芳族單核或多核基團； -T和T』彼此相同或不同，並且在每次出現時，獨立地為鍵或任選地包含一個或多於一個雜原子的二價基團；優選地，T，選自由鍵、-CH2-' -C(O)-, -C(CH3)2' -C(CF3)2_、-C(=CCl2)-,-SO2-,-C (CH3) (CH2CH2COOH)-以及下式的基團組成的組: }
並且
優選地，T 選自由鍵、-CH2-' -C(O)-.-C(CH3)2' -C(CF3)2-' -C ( = CC12)-、-C(CH3)(CH2CH2COOH)-以及下式的基團組成的組:
並且 -η和m彼此相同或不同，獨立地為零或I至5的整數。
9.根據權利要求3所述的支撐劑顆粒，其中，該聚合物(P)是芳香族聚醯胺聚合物(PA),其包含超過35mol %、優選超過45mol %、更優選超過55mol %、還更優選超過65mol %以及最優選超過75m0l%的包含至少一個醯胺基團的芳香族重複單元[重複單元(Rpa)]。
10.根據權利要求9所述的支撐劑顆粒，其中，所述重複單元(Rpa)是重複單元(Rppa),該重複單元(Rppa)衍生自以下各項的縮聚反應: (1-Ι) 二羧酸成分[酸成分(AA)]，其中所述酸成分(AA)包含至少一種芳香族二羧酸或其衍生物[酸(AR)];以及 (1-2) 二胺成分[胺成分(NN)]，該胺成分(NN)包含至少一種脂肪族亞烷基-二胺[胺(NN)], 和/或衍生自以下的縮聚反應: (1-3)芳香族胺基酸成分[胺基酸成分(ArN)]，該胺基酸成分(ArN)包含至少一種含至少一個氨基的芳香族胺基酸，以及 其中，除了所述至少一種芳香族二羧酸[酸(AR)]之外，所述酸成分(AA)還可以包含一種或多於一種非芳香族二羧酸[酸(AL)]。
11.根據權利要求10所述的支撐劑顆粒，其中，包含重複單元(Rppa)的芳香族聚醯胺(PA)選自由以下各項組成的組: -聚醯胺，通過酸成分(AA)和胺成分(NN)的縮聚得到，其中該酸成分(AA)包含苯二甲酸(PA)，尤其是酸(TA)和酸(OA)，單獨或組合地，並且基本上不含酸(AL)，並且其中該胺成分(NN)由一種或多於一種含6個或更少碳原子的脂肪族亞烷基二胺組成； -聚醯胺，其中該酸成分(AA)包含至少一種萘二羧酸，並且其中相對於該酸成分(AA)的所有酸，酸(AL)的量小於10%摩爾； -聚醯胺，其中該胺成分(NN)包含至少一種芳香族二胺(NNJ，優選地選自由間苯二胺(MPD)、對苯二胺(PH))、3，4』-二氨基二苯醚(3，4』-0DA)、4，4』_二氨基二苯醚(4，4』_0DA)、間苯二甲胺(MXDA)和對苯二甲胺(PXDA)組成的組，相對於該胺成分(NN)的所有胺，所述芳香族二胺(NNJ的含量為至少5%摩爾； -聚醯胺，其中該胺成分(NN)包含至少一種環脂肪族二胺(N^y)，優選地選自1，3-BAMC、l，4-BAMC、PACM、雙(4-氨基-3-甲基環己基)甲烷、異佛爾酮二胺，相對於該胺成分(NN)的所有胺，所述環脂肪族二胺(NNcy)的含量為至少5%摩爾； -聚醯胺，其中該胺成分(NN)包含至少一種脂肪族亞烷基-二胺，選自由1，2_ 二氨基-1-丁基乙烷、I，5-二氨基-2-甲基戊烷(2-MPMD)和I，3-戊二胺(DAMP)組成的組，量為相對於該胺成分(NN)的所有胺至少5%摩爾。
12.根據權利要求9所述的支撐劑顆粒，其中，所述重複單元(Rpa)為衍生自以下各項的縮聚反應的重複單元(Rpxa): (1-Ι) 二羧酸成分[酸成分(AA』)]，其中所述酸成分(AA』)包含至少一種非芳香族二羧酸或其衍生物[酸(AL』)];以及 (1-2) 二胺成分[胺成分(剛』)]，該胺成分(剛』)包含至少一種芳香族二胺[胺(NNAr)]，並且 其中，除了所述至少一種胺(NNto)之外，該胺成分(剛』)還可以包含一種或多於一種非芳香族二胺[胺(NNaJ ]。
13.根據權利要求12所述的支撐劑顆粒，其中，包含重複單元(Rpxa)的芳香族聚醯胺(PA)選自由以下各項組成的組:-聚醯胺，如上所述，通過酸成分(AA』 )和胺成分(剛』)的縮聚得到，其中相對於該胺成分(剛』)的總摩爾數，如果存在，胺(NNiJ在該胺成分(NN』 )中的量為至多20%摩爾；-聚醯胺，如上所述，其中該胺成分(剛』)包含至少一種環脂肪族二胺(N^y)，優選地選自1，3-BAMC、1，4-BAMC、PACM、雙(4-氨基-3-甲基環己基)甲烷、異佛爾酮二胺，相對於該胺成分(剛』)的所有胺，所述環脂肪族二胺(NNcy)的含量為至少5%摩爾； -聚醯胺，如上所述，其中該胺成分(剛』)包含至少一種脂肪族亞烷基-二胺，選自由I，2-二氨基-1-丁基乙烷、I，5-二氨基-2-甲基戊烷(2-MPMD)和1，3-戊二胺(DAMP)組成的組，量為相對於該胺成分(剛』)的所有胺至少5%摩爾。
14.一種處理地下地層的方法，該方法包含以下步驟:提供包含流體成分和根據權利要求I至13中任一項所述的支撐劑顆粒的工作液；在足以在地下地層中產生或增強至少一條裂縫的壓力下，將該工作液置於地下地層中。
15.一種壓裂地下地層的方法，該方法包含以下步驟:提供包含流體成分和根據權利要求I至13中任一項所述的支撐劑顆粒的壓裂液；在足以在地下地層中產生或增強至少一條裂縫的壓力下，將該壓裂液置於地下地層中。
16.一種在地下地層的選定區中或選定區附近安置礫石充填物的方法，該方法包含以下步驟:提供包含流體成分和根據權利要求1至13中任一項所述的支撐劑顆粒的礫石充填液；以及，將該礫石充填組合物引入到井眼中，使得所述顆粒形成與地下地層中的該選定區基本上相鄰的礫石充填物。
【文檔編號】C09K8/80GK104080881SQ201280066393
【公開日】2014年10月1日 申請日期:2012年11月6日 優先權日:2011年11月8日
【發明者】B.巴勒諾, W.W.盧內伊, D.J.伊雷蘭德 申請人:索爾維特殊聚合物美國有限責任公司