[发明专利]浆液组合物及其制备方法

说明书

发明背景

发明领域

本发明涉及水性浆液组合物以及制备这样的组合物的方法。

现有技术的讨论

在包括石油、管道、建筑与清洁工业等在内的多种工业中普遍使用或遇到水性颗粒浆液。浆液是通常包含颗粒与水性介质的混合物并在多种工业操作中起重要作用。例如，浆液用于将颗粒由一位置输送至不同距离处的另一位置，该输送可以是在地面上，或者由地表至地层或者由地层至地表。最常用的颗粒包括砂、陶瓷颗粒、碳酸盐颗粒、玻璃球、铝土矿(氧化铝)颗粒、树脂包被的颗粒和煤颗粒。颗粒大小通常为约10美国筛至约100美国筛，并且颗粒密度显著高于水的密度。例如，砂的密度是约2.6g/cm³，而水的密度是1g/cm³。砂是迄今最常用的颗粒。

为了制备相对稳定的浆液，必须在静态或/和动态条件下将颗粒在液体介质中悬浮较长时间。常识告诉我们，液体介质的粘度或粘弹性必须足够高才能悬浮颗粒。增加液体介质的粘度或粘弹性的最常用方法是通过向液体介质中加入增粘剂，例如天然或合成聚合物或粘弹性表面活性剂。通常共同使用聚合物与发泡剂以利用粘弹性和发泡性质。然而，在浆液中使用聚合物增加了成本并导致操作困难。在具体应用中，例如，在地层的水力压裂中，由于大量的残余物留在地层中，聚合物在浆液中的使用阻碍油和气的生产。对于粘弹性表面活性剂，尽管它们与普通的聚合物相比残余物较少，但其成本通常更高。在许多其它应用中，如砾石充填、完井和通过管道输送砂，非常期望制备稳定的颗粒浆液而不使用增粘剂。

水力压裂操作广泛用于石油工业以促进油和气的生产。在水力压裂中，通过井筒在足以引发压裂的压力下将压裂液注入至地层，这可增加油和气的生产。经常将称为支撑剂的颗粒悬浮在压裂液中并作为浆液输送至断裂处。支撑剂包括砂、陶瓷颗粒、铝土矿颗粒、树脂包被的砂和其它工业中已知的颗粒。其中，砂是迄今最常用的支撑剂。

通常使用的压裂液包括水基和烃基流体。在水基压裂液中，通常使用聚合物或粘弹性表面活性剂以增加流体的粘弹性。在大多数情况下，流体的粘弹性对于输送支撑剂深入地层是必需的。在压裂处理的最后阶段，压裂液回流至地表并将支撑剂留在断裂处，形成支撑剂充填以防止压力释放后断裂处闭合。支撑剂充填的断裂处提供高度传导性的通道，其允许油和/或气更有效地渗入井筒。支撑剂充填的传导性在增产中起重要作用。已知来自压裂液的聚合物残余物会大大降低支撑剂充填的传导性。

与聚合物增粘剂相比，粘弹性表面活性剂对地层和支撑剂充填造成的损害较小。然而，它们要昂贵得多。

因此，需要用于以低成本有效输送支撑剂深入至地层，同时对地层和支撑剂充填造成很小损害的组合物。支撑剂的粒径、浓度、形状和充填模式也是决定传导性的重要因素。尽管近年来进行了广泛的研究，在使断层中支撑剂充填的传导性最大化方面取得的进展有限。因此，需要制备用于具有改善的传导性的支撑剂的组合物。

压裂处理后的支撑剂回流长期困扰着石油工业。回流降低了断裂处中支撑剂的量，导致断层传导性降低。例如在美国专利第6,047,772号中公开的，已尝试了多种方法以解决回流问题。在一方法中，使用树脂以包被支撑剂并使之非常有粘性。这样，支撑剂颗粒倾向于粘结在一起，降低回流。该方法不仅昂贵，而且引入支撑剂充填的粘性树脂倾向于降低其传导性。因此，需要用于制备浆液的组合物和方法，所述浆液能够形成耐支撑剂回流的稳定的支撑剂充填，同时具有高传导性。

当在地层钻井以寻找油和气时，通常使用水基钻井液。在钻井过程中产生大量颗粒，称为钻屑。钻屑具有从细粉到卵石的不同尺寸。钻井液通过井筒循环以就地用钻屑制备浆液并将其输送出井筒。在大多数情况下，为了有效输送钻屑，向钻井液中加入聚合物和粘土以增加其粘度/粘弹性。然而，聚合物和粘土细粉能够很容易渗入地层的孔隙或细的断裂处并显著降低地层尤其是井筒附近的渗透性。降低的地层渗透性阻碍油和/或气的生产。因此，非常期望提供能够用钻屑就地制备稳定浆液并将其输送出井筒而对地层造成较小损害的钻井液。

逐步上升的油价以及令人担忧的油耗速率已促使人们考虑使用煤作为油的替代品。数个因素减缓了煤对油的替代。一个因素是很难以低成本通过管道对煤进行长距离输送。因此，高度期望提供用于制备稳定的、高度流动的并能以低成本输送的煤浆液的组合物。