формирование in situ в пласте твердой фазы для заканчивания скважин и разобщения пластов

Формула изобретения

1. Способ размещения твердой фазы в нужном месте толщи пород, доступном через ствол скважины, включающий

закачивание коллоида гидролизованных алкоксидов металлов в ствол скважины до нужного места в толще пород; и

удерживание коллоида в нужном месте во время протекания гелеобразования и затвердевания коллоида в результате полимеризации гидролизованных алкоксидов металлов.

2. Способ размещения твердой фазы в нужном месте толщи пород, доступном через ствол скважины, по п.1, в котором коллоид гидролизованных алкоксидов металлов имеет рН менее 2.

3. Способ размещения твердой фазы в нужном месте толщи пород, доступном через ствол скважины, по п.1, в котором коллоид гидролизованных алкоксидов металлов имеет рН от 2 до 7.

4. Способ размещения твердой фазы в нужном месте толщи пород, доступном через ствол скважины, по п.1, в котором коллоид гидролизованных алкоксидов металлов имеет рН более 7.

5. Способ размещения твердой фазы в нужном месте толщи пород, доступном через ствол скважины, включающий

закачивание коллоида инкапсулированных частиц гидролизованного алкоксида металла в ствол скважины до нужного места в толще пород; и

разрушение капсул вокруг частиц и, тем самым, инициирование гелеобразования в коллоиде в результате полимеризации гидролизованных алкоксидов металлов.

6. Способ размещения твердой фазы в нужном месте толщи пород, доступном через ствол скважины, по п.5, в котором частицы гидролизованного алкоксида металла инкапсулированы поверхностно-активным веществом.

7. Способ размещения твердой фазы в нужном месте толщи пород, доступном через ствол скважины, по п.5, в котором частицы гидролизованного алкоксида металла инкапсулированы межфазным полимером.

8. Способ размещения твердой фазы в нужном месте толщи пород, доступном через ствол скважины, по п.7, в котором

межфазный полимер чувствителен к разрушению посредством набухания при изменении рН сплошной фазы коллоида; и

разрушение капсул включает закачивание раствора в нужное место толщи пород, в котором раствор имеет рН, подбираемый с целью разрушения межфазного полимера.

9. Способ размещения твердой фазы в нужном месте толщи пород, доступном через ствол скважины, по п.7, в котором

межфазный полимер чувствителен к разрушению посредством разложения при изменении рН сплошной фазы коллоида; и

разрушение капсул включает закачивание раствора в нужное место толщи пород, в котором раствор имеет рН, подбираемый с целью разрушения межфазного полимера.

10. Способ размещения твердой фазы в нужном месте толщи пород, доступном через ствол скважины, по п.7, в котором

межфазный полимер чувствителен к разрушению посредством изменения давления коллоида; и

разрушение капсул включает изменение давления в стволе скважины.

11. Способ размещения твердой фазы в нужном месте толщи пород, доступном через ствол скважины, по п.7, в котором

межфазный полимер чувствителен к разрушению посредством эффекта кавитации в коллоиде; и

разрушение капсул включает воздействие на коллоид ультразвуковым излучением.

12. Способ размещения твердой фазы в нужном месте толщи пород, доступном через ствол скважины, по п.7, в котором

межфазный полимер чувствителен к разрушению под действием напряжений сдвига; и

разрушение капсул включает воздействие на коллоид ультразвуковым излучением.

13. Способ размещения твердой фазы в нужном месте толщи пород, доступном через ствол скважины, по п.7, в котором

межфазный полимер чувствителен к разрушению при пропускании через коллоид электрического тока; и

разрушение капсул вокруг частиц включает пропускание через коллоид электрического тока.

14. Способ размещения пористой твердой фазы в нужном месте толщи пород, доступном через ствол скважины, включающий

закачивание коллоида гидролизованных алкоксидов металлов и мицеллообразующего поверхностно-активного вещества в ствол скважины до нужного места в толще пород;

удерживание коллоида в нужном месте во время протекания гелеобразования и затвердевания коллоида в результате полимеризации гидролизованных алкоксидов металлов, приводящего к образованию затвердевшей пористой матрицы, окружающей мицеллообразующее поверхностно-активное вещество; и

вымывание поверхностно-активного вещества из образовавшейся затвердевшей пористой матрицы.

15. Способ размещения пористой твердой фазы в нужном месте толщи пород, доступном через ствол скважины, включающий

закачивание коллоида инкапсулированных частиц гидролизованного алкоксида металла и мицеллообразующего первого поверхностно-активного вещества в ствол скважины до нужного места в толще пород; и

разрушение капсул вокруг частиц и, тем самым, инициирование гелеобразования в коллоиде в результате полимеризации гидролизованных алкоксидов металлов, приводящей к образованию затвердевшей пористой матрицы, окружающей первое поверхностно-активное вещество; и

вымывание первого поверхностно-активного вещества из образовавшейся затвердевшей пористой матрицы.

16. Способ размещения пористой твердой фазы в нужном месте толщи пород, доступном через ствол скважины, по п.15, в котором частицы гидролизованного алкоксида металла инкапсулированы вторым поверхностно-активным веществом.

17. Способ размещения пористой твердой фазы в нужном месте толщи пород, доступном через ствол скважины, по п.15, в котором частицы гидролизованного алкоксида металла инкапсулированы межфазным полимером.

Описание изобретения к патенту

Перекрестная ссылка на родственные заявки

Приоритетной по отношению к настоящей заявке является предварительная заявка на патент США № 61/014969, поданная 19 декабря 2007 г., содержание которой включается в настоящий документ путем ссылки.

Область техники, к которой относится изобретение

Настоящее изобретение относится к размещению твердой фазы в скважине или трещине. В частности, настоящее изобретение относится к размещению в скважине или трещине золя гидролизованных алкоксидов металлов, который образует гель и затвердевает в пласте.

Уровень техники

При заканчивании скважин и в ходе тампонирования и ликвидации скважин часто необходимо размещать твердый материал в различных местах в скважине. Как правило, это осуществляют путем закачивания суспензии, текучей среды, смешанной с твердым материалом, в скважину до нужного места в толще пород. Например, часто желательно разместить в скважине пробку, чтобы разделить различные зоны внутри пласта: нефтегазоносные зоны, которые обычно залегают более глубоко, отделяют от водоносных зон менее глубокого залегания, чтобы предотвратить загрязнение водоносной зоны. В этом случае бетон, суспензию цемента и гравия, закачивают в скважину и дают ему затвердеть.

При других операциях по заканчиванию скважин, таких как гравийная набивка или разрыв пласта, суспензии закачивают в скважину под высоким давлением и с высокой скоростью. При гравийной набивке суспензию, которая обычно состоит из гравия в воде, закачивают в ствол скважины до устройства углового отклонения потока для заполнения кольцевого пространства между стволом скважины и обсадной трубой гравием с целью предотвращения добычи пластового песка. При разрыве пласта суспензия включает проппант, обычно песок, который закачивают в пласт, чтобы интенсифицировать приток из коллекторов низкой проницаемости и поддерживать трещину открытой. В каждом из описанных выше случаев твердый материал в суспензии является жестким, имеет неправильную форму и может течь с высокой скоростью. Следовательно, суспензии обладают высокой абразивной способностью, а оборудование и механизмы, при помощи которых закачивают и управляют потоком суспензии, подвергаются абразивному износу и имеют сокращенный срок службы.

Абразивный износ имеет место, когда частицы, переносимые текучей средой, соударяются с незащищенными поверхностями оборудования и механизмов и передают этим поверхностям некоторое количество кинетической энергии. Если кинетическая энергия соударяющихся частиц достаточно высокая, она создает в материале под областью соударения значительное остаточное растягивающее напряжение. Повторяющиеся соударения вызывают накопление растягивающего напряжения в объеме материала, что делает незащищенные поверхности хрупкими и ведет к растрескиванию, соединению трещин и общей потере материала.

Как правило, детали, открытые воздействию абразивной среды, подвергают различным видам обработки с целью упрочнения поверхности. Такая обработка часто включает либо подготовку поверхности, при которой упрочняется и выравнивается сам материал, или фиксацию на поверхности основного материала абразивоустойчивых материалов. В результате подготовки поверхности основной материал часто становится более стойким к соударению с частицами с низкой кинетической энергией, однако, при такой подготовке основной материал может остаться хрупким и таким образом подверженным растрескиванию в результате соударения с частицами с высокой кинетической энергией. Нанесение абразивоустойчивых материалов обычно осуществляют при помощи методов термического напыления, таких как высокоскоростное кислороднотопливное напыление (HVOF) или воздушноплазменное напыление (APS). Однако в сильно абразивных средах остаточное растягивающее напряжение, являющееся результатом множественных соударений, может накапливаться в месте соединения основного материала и нанесенного на него покрытия, что ведет к отслоению материала покрытия.

Из-за чрезвычайно жестких абразивных условий в скважине предпринимаются значительные усилия и затрачиваются средства на снижение потерь материала в результате абразивного износа и удлинение срока службы скважинного оборудования. Как указано выше, широко используются различные виды упрочнения поверхности, целью которых является предохранение широкой гаммы устройств. Кроме того, скважинное оборудование часто проектируют с большим запасом прочности, чтобы обеспечить адекватный срок службы. Однако все эти шаги, обычно, оказываются неадекватными с точки зрения обеспечения защиты от абразивного износа и эксплуатацию скважин часто прерывают для замены поломанного инструмента, который оказался неспособным выдержать длительное напряжение.

Другим периодически встающим на повестке дня вопросом, связанным с абразивными суспензиями, является то, что при их закачивании потребляется значительное количество энергии. Тот же механизм, который вызывает абразивный износ, является причиной сопротивления течению в форме трения между суспензией и трубопроводом, используемым для передачи суспензии с поверхности в пласт. Если бы это трение удалось снизить, пласту можно было бы сообщить большее давление нагнетания на устье скважины, то есть повысить эффективность операций разрыва пласта. Полимеры, используемые при разрыве пласта, и понизители трения, добавляемые в жидкости разрыва пласта, могут минимизировать этот эффект.

Из изложенного выше очевидно, что существует потребность в усовершенствованном способе размещения твердой фазы в стволе скважины, который не связан с абразивным воздействием на скважинное оборудование потока суспендированного материала и позволяет увеличить эффективность нагнетания и разрыва пласта.

Краткое описание чертежей

На фиг.1 показана операция гидроразрыва пласта известного уровня техники, которая может быть адаптирована к настоящему изобретению.

На фиг.2 показана пробка в стволе скважины известного уровня техники, которая может быть адаптирована к настоящему изобретению.

На фиг.3 приведен типичный график зависимости скорости от pH раствора для гидролиза алкоксида в водном растворе.

На фиг.4 показан процесс роста частиц в соответствии с золь-гель технологией при различных значениях рН.

На фиг.5А и 5В показаны стабилизированные золи. На фиг. 5А показана стабилизация поверхностно-активными веществами. На фиг. 5В показана стабилизация межфазными полимерами.

На фиг.6 показано поведение поверхностно-активных веществ в растворе при увеличении концентрации поверхностно-активных веществ.

Подробное описание изобретения

Следующее далее подробное описание изобретения ведется со ссылкой на прилагаемые чертежи, на которых с целью пояснения показаны конкретные варианты осуществления, в которых настоящее изобретение может быть реализовано. Эти варианты осуществления описаны достаточно подробно для того, чтобы специалисты в данной области могли реализовать настоящее изобретение на практике. Следует понимать, что различные варианты осуществления изобретения, хотя и различаются, не обязательно являются взаимоисключающими. Например, конкретная отличительная особенность, структура или характеристика, описанная в настоящем документе в связи с одним из вариантов осуществления изобретения, может быть реализована в других вариантах осуществления, не выходя за пределы существа и объема настоящего изобретения. Кроме того, следует понимать, что месторасположение или взаимное размещение отдельных элементов в каждом из описанных вариантов осуществления может быть изменено, не выходя за пределы существа и объема настоящего изобретения. Следовательно, следующее ниже подробное описание изобретения не следует рассматривать как имеющее ограничительный характер, объем настоящего изобретения определяется только прилагаемой формулой изобретения, надлежащим образом интерпретированной, наряду со всеми другими эквивалентами, по отношению к которым формула изобретения является правомочной. На чертежах одинаковым материалам на различных изображениях присущи одни и те же или подобные функции.

Данное описание и примеры представлены лишь с целью пояснения предпочтительных вариантов осуществления настоящего изобретения и не должны рассматриваться как ограничение объема и применимости изобретения. Хотя композиции настоящего изобретения описаны в настоящем документе как включающие некоторые материалы, следует понимать, что эти композиции могут факультативно включать два или более химически различающихся материалов. Кроме того, композиция также может включать некоторые компоненты помимо уже названных. В подробном описании каждое числовое значение следует один раз читать как модифицированное термином «около» (если оно уже специально немодифицировано таким образом) и затем еще раз как немодифицированное таким образом, если иное не указано в контексте. Кроме того, следует понимать, что в данном подробном описании любой указанный числовой диапазон, приведенный или описанный как применимый, пригодный и т.п., нужно рассматривать как включающий любую и каждую точку в пределах данного диапазона, включая конечные точки. Например, выражение «диапазон от 1 до 10» следует читать как указывающий на все возможные числа на непрерывном отрезке от примерно 1 до примерно 10. Таким образом, если любое или все конкретные частные значения в данном диапазоне или, напротив, никакое частное значение в данном диапазоне точно указаны или упомянуты, следует понимать, что авторы изобретения понимают, что любое и все частные значения в данном диапазоне рассматриваются как указанные, и авторам изобретение передается обладание всем диапазоном и всеми точками внутри этого диапазона.

Введение

В настоящем документе описаны способы размещения твердой фазы в стволе скважины, которые не включают закачивание чрезвычайно абразивных суспензий. Вместо этого в ствол скважины до нужного места закачивают коллоидные частицы, состоящие из мономеров подходящей твердой фазы и соответствующих реагентов, и обеспечивают возможность их полимеризации и затвердевания в форме заданной твердой фазы в пласте. Способ, посредством которого осуществляется полимеризация мономеров в эмульсии, известен как золь-гель технология. Изменяя композицию эмульсий и условия в ходе полимеризации, можно создать большое разнообразие оксидов металлов с заданной пористостью, как известно из коллоидной химии.

Хотя ниже приведены некоторые конкретные примеры из области коллоидной химии и золь-гель технологии, следует понимать, что эти процессы и способы описаны в качестве иллюстрации и что конкретные детали применения определяются условиями в стволе скважины (например, химизмом, включая рН, температуру, давление, присутствие и тип углеводородов в пласте), как известно в данной области. Кроме того, следует понимать, что примеры размещения твердой фазы в стволе скважины являются типичными и что описанные примеры не рассматриваются как имеющие ограничительный характер. Точнее, способы использования золь-гель технологии для размещения твердой фазы в стволе скважины применимы повсеместно, где в стволе скважины нужна твердая фаза.

На фиг.1 показана операция гидроразрыва пласта, в целом изображенная как 100. Ствол скважины 102 пробурен сквозь слой перекрывающих отложений 104, сквозь продуктивный пласт 106 и далее в подстилающий пласт 108. В стволе скважины 102 размещена обсадная труба 110, а кольцевое пространство между стволом скважины 102 и обсадной трубой 110 заполнено цементом 112. Зона осуществления гидроразрыва пласта 118, часть продуктивного пласта 106, подлежащая обработке гидроразрывом, изолирована от подстилающего пласта 108 нижним пакером 114, а от слоя перекрывающих отложений 104 (фиг. 2) - верхним пакером 115. Насосно-компрессорная колонна 116 проходит от трубной головки 118 через верхний пакер 115 и заканчивается в зоне осуществления гидроразрыва пласта 118. В зоне осуществления гидроразрыва пласта 118 обсадная труба 110 и цементное кольцо 112 имеют перфорационные отверстия 120, выполненные скважинным перфоратором (не показан) и позволяющие углеводородам из продуктивного пласта 106 проходить в ствол скважины 102. Для увеличения потока углеводородов из продуктивного пласта 106 жидкость гидроразрыва 124 соединяют с проппантом 126 в смесителе 128 с образованием суспензии 132. Проппант 126, обычно, представляет собой кварцевый песок или другой твердый материал в виде частиц. Суспензию 132 закачивают по насосно-компрессорной колонне 116 насосом 130 и продавливают сквозь перфорационные отверстия 120 в продуктивный пласт 106, создавая в продуктивном пласте 106 расколы или трещины 122. Проппант 126, содержащийся в суспензии 132, расклинивает трещины 122, удерживая трещины 122 открытыми после того, как закачивание завершено. Таким образом, трещины 122, заполненные проппантом 126, образуют проницаемый канал для непрерывного потока углеводородов из продуктивного пласта 106.

Проппант для гидроразрыва подбирают по его пористости и стойкости к сжатию. В других случаях использования желательно, чтобы твердая фаза, размещаемая в стволе скважины 102, не была пористой. На фиг. 2 показана пробка 146. Когда скважина закончена, часто желательно изолировать продуктивный пласт 106. Одним из примеров является случай, когда продуктивный пласт 106 отделен от водоносного пласта 140 непроницаемым геологическим горизонтом 142. В этом случае в стволе скважины 102 размещают мостовую пробку 144, закачивают с поверхности по насосно-компрессорной колонне 116 бетон (не показан) и дают ему затвердеть в пробке 146. Пробка 146 превращается в непроницаемый барьер между углеводородами продуктивного пласта 106 и водой водоносного пласта 140.

Так как и жидкость гидроразрыва 132, используемая в операции гидроразрыва, и бетон (не показан), используемый для создания пробки в стволе скважины и в операциях заканчивания скважины, содержат значительное количество твердой фазы, которую часто закачивают под высоким давлением, насос 130 и другое оборудование подвергаются непрерывному царапанию чрезвычайно абразивными суспензиями. Для облегчения этой ситуации в настоящем описании предлагается вместо суспензий закачивать коллоиды и вызывать в эмульсии полимеризацию с образованием заданной твердой фазы. Также следует ожидать, что закачивание таких коллоидов приведет к повышению эффективности закачивания по сравнению с закачиванием жестких суспендированных материалов.

Золь-гель технология

Коллоид представляет собой гомогенную смесь двух или более фаз: одной или более дискретной фазы и сплошной фазы. Дискретные фазы, обычно, состоят из небольших частиц или капель, которые диспергированы в сплошной фазе. Если и дискретная, и сплошная фаза являются жидкостями, такой коллоид называют эмульсией. Когда сплошная фаза представляет собой жидкость, а дискретная фаза является твердой, такой коллоид называют золем. Гель - это коллоид с твердой сплошной фазой и жидкой дискретной фазой.

Золь-гель технология включает полимеризацию неорганического вещества золя с образованием неорганической сетчатой структуры геля, что отражено в названии. Простым примером является кремниевая кислота (общей формулы [SiO_x(OH)_4-2x]_N) в растворе. Кремниевая кислота растворима и устойчива в воде, если концентрация SiO₂ меньше, примерно, 100 частей на миллион. При концентрации более 100 частей на миллион со временем начинается полимеризация Si(OH)₄ в силоксановые группы (-Si-O-Si-) с образованием геля по реакции 1:

SiOH+HOSi -Si-O-Si-+H₂O (1)

В общем смысле алкоксиды металлов или кремния (собирательно именуемые алкоксиды и отображаемые формулой MOR, где М означает основной элемент, a R - органический заместитель) обладают сходными свойствами растворимости в воде и легко полимеризуются до состояния геля. К их примерам относятся алкоксисиланы, такие как тетраметоксисилан (TMOS) и тетраэтоксисилан (TEOS), алкоксиалюминаты, алкоксититанаты и алкоксибораты. Для простоты и логичности в следующих ниже примерах в качестве основного элемента используется кремний. Однако следует понимать, что, как известно в данной области, другие основные элементы легко поддаются замещению.

Отличительной особенностью золь-гель технологии являются три реакции: гидролиз, конденсация с выделением воды и конденсация с выделением спирта. Эти реакции приведены ниже:

Si(OR)+H₂ O Si (ОН)+ROH (гидролиз) (2)

Si(ОН)+Si(ОН) -Si-O-Si-+H₂O (конденсация с выделением воды) (3)

4 Si(ОН)+Si(OR) -Si-O-Si-+ROH (конденсация с выделением спирта) (4)

В этом случае, поскольку алкоксиды легко взаимодействуют с водой, происходит гидролиз по реакции 2 с образованием гидроксильных мономеров. С появлением гидроксильных мономеров начинаются реакции конденсации 3 и 4, сначала мономеры соединяются и удлиняются до димеров и тримеров, затем объединяются с образованием более крупных частиц. По мере осуществления конденсации и объединения, образованные таким образом частицы соединяются друг с другом, образуя цепочки и более разветвленные сети, которые, в конце концов, распространяются по всей жидкой среде, образуя гель.

Как вытекает из приведенных реакций, конечная структура образовавшегося геля определяется начальной концентрацией алкоксида в растворе, рН этого раствора, присутствием катализаторов и другими факторами. В частности, рН раствора влияет и на скорость полимеризации и на образующуюся структуру геля. На фиг. 3 приведен типичный график зависимости скорости от pH раствора для гидролиза алкоксида в водном растворе. Скорость 150 дана как логарифм измеренного коэффициента скорости реакции. При низком рН 152 и высоком рН 156 скорость реакции выше, что вытекает из уравнений реакций 3 и 4, где конденсация с выделением спирта катализируется Н ⁺, присутствующими в кислых растворах 152, а конденсация с выделением воды катализируется ОН^-, присутствующими в основных растворах 156. Нейтральные растворы 154 характеризуются наиболее медленным гидролизом и конденсацией и таким образом наиболее медленным гелеобразованием в исходном золе.

рН золя также существенно влияет на структуру получаемого геля. На фиг. 4 показан процесс роста частиц в типичном процессе золь-гель технологии. Верхняя часть фигуры отражает гидролиз 160, при котором алкоксидные мономеры 162 соединяются с образованием димеров 164 и других молекул более высокого порядка, которые, в свою очередь, образуют циклические молекулы 166 и мельчайшие частицы 168 (то есть, намного меньше, чем 1 нанометр). В этом случае рН золя влияет, в основном, на механизм, по которому образуется золь (то есть преобладание либо конденсации с выделением воды по уравнению 3, либо конденсации с выделением спирта по уравнению 4). Однако рН золя оказывает заметное действие на конденсацию 170. При низком рН 172 (то есть рН менее, примерно, 2,0) растворимость оксида кремния мала, поэтому образование частиц, созревание мелких частиц в более крупные и объединение частиц в цепочки и сетчатую структуру ограничено. Следовательно, в условиях низких рН образующийся гель состоит из плотно уложенных небольших частиц размером, примерно, 1 нанометр. Когда рН золя лежит в диапазоне от 2 до 6 (174), растворимость еще мала, но образование частиц с большей вероятностью происходит как объединение более конденсированных элементов с менее конденсированными и начинается созревание, поэтому размер частиц увеличивается до 2-4 нанометров. Кроме того, в результате объединения образуются более длинные цепочки и обширные сетчатые структуры. Когда рН золя превышает 6 (176), в значительной степени конденсированные частицы активно объединяются с менее конденсированными элементами, образуя более крупные частицы, в результате созревания уменьшается количество частиц, но увеличивается их размер (то есть, до 100 нанометров). Хотя происходит объединение, тот факт, что имеется меньше частиц большего размера, означает, что тенденция объединения частиц уменьшается, поэтому конечный гель имеет неплотную упаковку. При повышении основности золя (178) этот золь может совсем не образовывать геля.

Далее будет более подробно описан способ размещения твердой фазы в скважине. Однако важно отметить, что поскольку алкоксиды в растворе начинают образовывать гель почти немедленно, стадия гидролиза, на которой образуется золь, должна быть осуществлена непосредственно в скважине, и, как уже указано, использование золь-гель технологии включает элемент, зависимый от фактора времени. Это не следует рассматривать как неуместное или дополнительное усложнение процессов заканчивания и ликвидации скважины, поскольку использование зависимых от фактора времени материалов уже является частью этих процессов (например, при использовании цемента).

Стабилизированные золи

Как описано выше, золь-гель технология зависима от фактора времени и включает некоторый процесс смешивания на месте. Однако в другом варианте осуществления изобретения исходные золи гидролизованных алкоксидов стабилизированы так, что смешивание может осуществляться вне площадки, а образование геля ингибировано до нужного момента. В большинстве коллоидов сплошная фаза и дискретные фазы обладают разным электрическим сродством и естественной является склонность этих фаз коллоида к слиянию в отдельные несмешанные фазы. Двумя основными способами стабилизации золя являются добавление в золь поверхностно-активного вещества и инкапсуляция дискретной фазы межфазным полимером.

Поверхностно-активное вещество представляет собой амфифильное органическое соединение, имеющее гидрофобную (водоотталкивающую) хвостовую часть и гидрофильную (водолюбивую) головную часть. Поверхностно-активные вещества служат для снижения поверхностного натяжения на границе раздела фаз золя. Далее описано влияние высоких концентраций поверхностно-активного вещества в золе. На фиг. 5А показан стабилизированный поверхностно-активным веществом золь 180 гидролизованного алкоксида 182 (дискретная фаза) и воды 184 (сплошная фаза) с добавлением небольшой концентрации поверхностно-активного вещества 186. В этом случае гидрофильные головные части поверхностно-активного вещества 186 притягиваются к воде 184 сплошной фазы, а гидрофобные хвостовые части поверхностно-активного вещества 186 притягиваются друг к другу подальше от воды 184. Это видно по образующемуся на поверхности воды 184 слою поверхностно-активного вещества 186. Эту тенденцию называют мицеллообразованием. Кроме того, из-за разного электрического сродства с алкоксидом 182 хвостовые части поверхностно-активного вещества 186 будут притягиваться к частицам алкоксида 182, и поверхностно-активное вещество 186 будет образовывать барьер между водой 184 и алкоксидом 182, ингибируя образование геля и противодействуя тенденции к слиянию дискретной фазы. К типичным поверхностно-активным веществам 186 относятся алкилсульфаты, такие как додецилсульфат натрия (SDS) или лаурилсульфат аммония, лаурилэфирсульфат натрия (SLES) и мыла или соли жирных кислот. Золи 180, стабилизированные амфифильными поверхностно-активными веществами 186, устойчивы в течение длительного времени, если условия в золе 180 остаются неизменными, но их эффективность подвержена влиянию таких факторов, как рН, температура или давление золя 180 и концентрация поверхностно-активного вещества 186.

Другой вариант осуществления настоящего изобретения, показанный на фиг. 5В, представляет собой стабилизированный межфазным полимером золь 190 гидролизованного алкоксида 182 и воды 184, соединенный с межфазным полимером 196. В этом случае межфазный полимер 196 прикрепляется к поверхности частиц алкоксида 182 и образует взаимосвязи, создавая вокруг частицы прочный барьер. Это может быть осуществлено как отдельная технологическая стадия, как известно специалистам в области микроинкапсуляции и микроэмульсий. Такие инкапсулированные частицы алкоксида 182 очень устойчивы и остаются устойчивыми после смешивания с образованием золя.

Хотя стабилизированные золи в течение длительного времени устойчивы к слиянию фаз, стабилизация также ингибирует рост частиц, объединение и созревание, необходимые для образования геля. Следовательно, для образования геля из стабилизированного золя необходимо некое воздействие, разрушающее созданные барьеры. Как указано выше, поверхностно-активным веществам 186 свойственна чувствительность к условиям в стабилизированном поверхностно-активным веществом золе 180. Как таковое, управляемое воздействие на данный золь 180 полезно с точки зрения инициирования гелеобразования. Например, некоторые поверхностно-активные вещества 186 набухают или сжимаются при изменении рН золя 180, поэтому высвобождение частиц 182 в золь 180 может быть вызвано путем регулирования рН. Другими механизмами, которые могут быть использованы для инициирования, являются изменение температуры или давления золя 180 или пропускание через золь 180 электрического тока с целью нарушения способности поверхностно-активного вещества 186 к мицеллообразованию. Хотя частицы 182, инкапсулированные внутри межфазного полимера 196, менее чувствительны к небольшим изменениям условий в стабилизированном межфазным полимером золе 190, в некоторых обстоятельствах применимы указанные механизмы. Кроме того, капсула межфазного полимера 196 может быть разорвана или разрушена под действием напряжения сдвига или кавитации в золе 190, этот механизм легко может быть реализован путем воздействия на золь 190 ультразвукового излучения или, как в случае жидкости гидроразрыва в пласте, под действием раздавливающего усилии пласта на золь 190 после того, как избыточное давление, созданное в ходе осуществления гидроразрыва, ослаблено.

Из изложенного выше ясно, что каждый из описанных вариантов осуществления изобретения (нестабилизированные золи, стабилизированные поверхностно-активными веществами золи 180 и стабилизированные межфазными полимерами золи 190) имеют свои преимущества и недостатки при использовании в стволе скважины. Нестабилизированные золи относительно легко смешивать, а образование геля происходит без каких-либо внешних воздействий. Однако они начинают превращаться в гель сразу же с началом гидролиза золя, поэтому время является одним из важных факторов. Стабилизированные поверхностно-активными веществами золи 180 могут быть смешаны заранее, поэтому операции на площадке упрощаются. С другой стороны, на их устойчивость могут повлиять изменения химизма в стволе скважины, а для инициирования гелеобразования может потребоваться дополнительное оборудование. Наконец, стабилизированные межфазными полимерами золи 190 могут быть приготовлены заранее, они очень устойчивы, но для инициирования гелеобразования в них нужно дополнительное оборудование.

Формирование пористой матрицы

Как описано выше, золь-гель технология ведет к созданию твердых сетчатых структур из частиц в результате образования частиц, их объединения и созревания. Сформированные таким образом сетчатые структуры являются гомогенными и в зависимости от условий в золе во время конденсации имеют широкое разнообразие размеров частиц и сетчатых структур. Однако, как правило, эти гели либо непроницаемы для потока текучей среды, либо проницаемы только незначительно. Как таковые, эти гели более пригодны для создания пробок в стволе скважины. Что касается жидкости для гидроразрыва пласта, нужна более проницаемая сетчатая структура. В этом случае образование геля вокруг шаблона и вымывание материала шаблона после образования геля позволяет получить более пористый материал. Кроме того, в этом способе, задавая структуру шаблона, можно задавать пористость.

На фиг.6 показано поведение поверхностно-активных веществ в растворе при увеличении концентрации поверхностно-активных веществ 200. При очень низкой концентрации поверхностно-активного вещества это поверхностно-активное вещество присутствует в форме свободных молекул 202. С увеличением концентрации гидрофобные хвостовые части соединяются подальше от раствора, образуя сферические скопления, называемые сферическими мицеллами 204. При дальнейшем увеличении концентрации поверхностно-активного вещества сферические мицеллы 204 объединяются с образованием цилиндрических мицелл и более длинных мицелл в форме стержня 206. Дальнейшее увеличение концентрации ведет к объединению цилиндрических и стержневых мицелл 206 в гексагональные 208 и слоистые элементы 210 жидкого кристалла. Такое поведение поверхностно-активного вещества в растворе 200 позволяет создавать шаблоны, вокруг которых осуществляется превращение золя в гель. К примерам поверхностно-активных веществ относятся поверхностно-активные вещества с небольшими молекулами, такие как додецилсульфат натрия (SDS) или бромид цетилтриметиламмония (СТАВ), или полимерные поверхностно-активные вещества, такие как сополимер полиэтиленоксид-пропиленоксид-этиленоксид (РЕО-РРО-РЕО), которые выпускаются серийно в виде различных сортов с разным молекулярным весом (компанией BASF). В этом случае увеличение размера гидрофобного компонента поверхностно-активного вещества (например, путем удлинения блока РРО) приводит к увеличению размера пор. В еще одном варианте осуществления изобретения, если требуются макроскопические поры, может быть введено большое количество гидрофобного полимера, выполняющего роль инертного наполнителя, занимающего в конечном геле существенный объем. Когда образование геля закончено, поверхностно-активное вещество может быть смыто пригодным растворителем, при этом пористая структура геля остается нетронутой. Хотя вымывание может быть осуществлено путем закачки в скважину растворителя, в предпочтительном варианте осуществления изобретения предусматривается подбор поверхностно-активных веществ и гидрофобных полимеров, растворимых в углеводородах, и использование углеводородов продуктивного пласта для промывания геля.

Применение золь-гель технологии при эксплуатации скважин

Золь-гель технология представляет собой эффективную альтернативу использованию при эксплуатации скважин суспензий в тех случаях, когда требуется размещение в стволе скважины твердой фазы, так как золь состоит из более мелких частиц, которые подвергают скважинное оборудование меньшему абразивному износу и текут с меньшим трением. По этой причине использование золь-гель технологии позволяет увеличить срок службы оборудования и повысить эффективность эксплуатации скважин. Как указано выше, золь-гель технология может быть применена для создания непористой твердой фазы и высокопроницаемой твердой фазы в зависимости от условий в ходе образования геля и наличия в золе других факторов. Для перемещения тяжелого проппанта необходимо использовать текучие среды с большой вязкостью, а приспособление этих текучих сред к использованию в условиях высоких температур может быть затруднительным. В настоящем изобретении проппанты заменены на золь и гель, следовательно, текучая среда не должна быть такой вязкой, чтобы удерживать во взвешенном состоянии проппант.

Что касается примера, когда нужны пробки, пригодны нестабилизированные золи от сильно кислых до умеренно кислых, они быстро образуют плотно упакованный гель и таким образом являются заменой бетону. В этом случае золь готовят на поверхности путем соединения алкоксида с водой и регулирования рН и немедленно закачивают его туда, где он затвердевает в виде пробки. Стабилизированные золи также пригодны, если на площадке имеется оборудование, применимое для инициирования образования геля в пласте.

При гидроразрыве пласта неконтролируемое образование геля, которое происходит в нестабилизированных золях, нежелательно. Однако в продуктивный пласт в качестве жидкости гидроразрыва может быть закачан стабилизированный золь, смешанный с надлежащим большим количеством поверхностно-активного вещества, а потом, когда гидроразрыв уже закончен, образование геля может быть вызвано посредством разрушения стабилизирующего материала. В некоторых случаях раздавливающего усилии продуктивного пласта на золь гидроразрыва может быть достаточно для инициирования гелеобразования. Затем, если выбрано поверхностно-активное вещество, растворимое в углеводородах, поток флюидов из пласта выполняет функцию вымывания поверхностно-активного вещества из сетчатой структуры.

Другой пример. Если нужна гравийная набивка, предотвращающая добычу пластового песка, до нужного места может быть закачен золь с большим количеством гидрофобного полимера, который затем затвердевает. В этом случае золь может быть как стабилизированным, так и нестабилизированным.

Описанные выше конкретные варианты осуществления изобретения носят лишь пояснительный характер, поскольку настоящее изобретение может быть модифицировано и реализовано различным, но эквивалентным образом, очевидным специалистами в данной области, извлекающим пользу из изложенных положений. Кроме того, не предусматривается никаких ограничений для деталей описанных конструкции или устройства, помимо указанных в приводимой ниже формуле изобретения. Следовательно очевидно, что описанные выше конкретные варианты осуществления изобретения могут быть изменены или модифицированы, и все подобные изменения рассматриваются не выходящими за пределы объема и существа настоящего изобретения. В частности, каждый диапазон величин (в форме «от примерно А до примерно В» или, эквивалентно, «приблизительно от А до В» или, эквивалентно, «приблизительно А-В»), описанный в настоящем документе, следует понимать как относящийся к показательному множеству (множеству всех подмножеств) соответствующего диапазона величин. Таким образом, испрашиваемый в настоящем документе объем защиты определяется изложенным в приводимой ниже формуле изобретения.

Из вышесказанного ясно, что использование золь-гель технологии для размещения твердой фазы, такой как пробки или содержащая проппант жидкость гидроразрыва, в стволе скважины, как описано в настоящем документе, позволяет увеличить срок службы оборудования и повысить эффективность эксплуатации скважин.