Флюиды и способ, включающие наноцеллюлозу

Флюиды и способ, включающие наноцеллюлозу

Иллюстрации

Показать все

Реферат

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

Углеводороды (нефть, природный газ и т.д.) можно получить из подземной геологической формации («резервуара») путем бурения скважины, которая проникает в нефтегазоносную формацию. Способы обработки скважины часто используют, чтобы увеличить добычу углеводородного сырья с помощью химической композиции или флюида, например, флюида для обработки.

Применение флюида для обработки, содержащего экологически безопасные материалы в нефтепромысле, желательно, так как большинство химических композиций, которые не считаются экологически безопасными (или т.н. «зелеными»), могут оказывать потенциально неблагоприятное воздействие как на людей, так и на окружающую среду. Для решения этой проблемы часто требуются «зеленые» химические заменители.

Целлюлозное волокно с его производными является одним из наиболее распространенных возобновляемых полимерных ресурсов на земле. В последнее время исследования в отношении одного вида наноцеллюлозы (NC) (которую называют нанокристаллической целлюлозой (NCC), а также могут называть целлюлозными нанокристаллами, или нитевидными кристаллами наноцеллюлозы) становятся все более востребованными, особенно из-за ее возобновляемости и экологичности. NCC может быть извлечена из целлюлозных микрофибрилл, которые получают как таковые из различных целлюлозных источников (например, древесной целлюлозы, хлопка, древесины хвойных пород и древесины твердолиственных пород) с помощью кислотного гидролиза аморфных областей. Полученные кристаллические наночастицы являются исключительно жесткими и стержневидными с высокой удельной поверхностью. Гидролитическая обработка непосредственно влияет на размеры, устойчивость и долю производимой NCC. В частности, применение серной кислоты поверх хлористоводородной кислоты увеличит поверхностные заряды (сульфатные группы) на NCC, что приведет к гораздо более стабильным коллоидным суспензиям в воде. В дополнение к заряженным группам, которые присутствуют на поверхности NCC, полученной благодаря гидролитической обработке, NCC имеет свободные гидроксильные группы, которые могут быть дополнительно функционализованы, чтобы создать материал, более совместимый с заданной матрицей (например, нанокомпозит) или наделить NCC необходимой характеристикой, которую можно использовать для заданных применений на нефтяных месторождениях. Избыток гидроксильных групп на поверхности NCC обеспечивает различные химические модифицирования, что позволяет использовать эти материалы для выполнения требуемой функции и (или) достижения желаемой цели в различных применениях на нефтяных месторождениях.

СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Данное изложение сущности изобретения предназначено для того, чтобы представить выбор концепций, которые дополнительно описаны ниже в подробном описании изобретения. Данное изложение сущности изобретения не предназначено для выявления ключевых или основных признаков заявленного объекта, а также не предназначено для использования в качестве пособия для ограничения объема заявленного объекта изобретения. В некоторых вариантах осуществления изобретения данное раскрытие изобретения относится к флюиду для обработки подземной формации, содержащему растворитель и композицию, содержащую нанокристаллическую целлюлозу. В некоторых вариантах осуществления изобретения данное раскрытие изобретения относится к способу обработки подземной формации, причем этот способ включает в себя приготовление флюида для обработки, содержащего растворитель и нанокристаллическую целлюлозу; и введение флюида для обработки в ствол скважины.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

Образ действий, которыми можно достичь целей данного раскрытия и других необходимых характеристик, объясняется в нижеследующем описании и прилагаемых чертежах, на которых:

Фиг. 1 иллюстрирует результаты различных экспериментов по статическому осаждению монокристаллического песчаника, проводимых с пробами наноцеллюлозы;

Фиг. 2 показывает график зависимости вязкости и скорости сдвига для пробы, содержащей смесь гуара и NCC;

Фиг. 3 иллюстрирует термоустойчивость реологических характеристик смеси гуара и NCC;

Фиг. 4 показывает график вязкости, измеренной в зависимости от скорости сдвига, для проб, содержащих СМС и (или) NCC;

Фиг. 5 показывает график вязкости, измеренной в зависимости от температуры, для проб, содержащих вязкоупругие поверхностно-активные вещества, смешанные с NCC; и

Фиг. 6 показывает график вязкости, измеренной в зависимости от скорости сдвига, для проб, содержащих вязкоупругие поверхностно-активные вещества, смешанные с NCC.

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

В последующем описании изложены многочисленные подробности, чтобы помочь в понимании данного раскрытия изобретения. Однако специалистам в данной области техники будет понятно, что способы данного раскрытия изобретения можно применять на практике без этих подробностей и что возможны многочисленные вариации и модификации описанных вариантов осуществления изобретения.

Вначале следует отметить, что в разработке любого действительного варианта осуществления изобретения необходимо принять многочисленные решения по заданным вариантам реализации такого изобретения, чтобы достичь заданных целей разработчика, таких как соблюдение связанных с системой или бизнесом ограничений, которые будут отличаться в каждом случае реализации изобретения. Более того, следует осознавать, что такая разработка может быть сложной и длительной и в то же время рутинной для специалистов в данной области техники, извлекающих пользу из данного раскрытия изобретения. К тому же, использованные/раскрытые здесь композиции также могут содержать некоторые компоненты, отличающиеся от приведенных в документе. В сущности изобретения и этом подробном описании каждую числовую величину следует воспринимать сначала как определенную термином «приблизительно» (если уже четко не определено), а затем воспринимать как не определенную таким образом, если в контексте не указано иначе. Также в сущности изобретения и этом подробном описании следует понимать, что диапазон, перечисленный или описанный как практически используемый, приемлемый и т.п., подразумевает, что сюда включается любой допустимый поддиапазон в пределах диапазона, по меньшей мере потому, что любой показатель в пределах диапазона, включая начальный и конечный показатели, должен рассматриваться как упомянутый. Например, «диапазон от 1 до 10» следует воспринимать как указывающий на каждое возможное число в диапазоне от примерно 1 до примерно 10. Кроме того, один или более показателей в этих примерах изобретения могут объединяться друг с другом или объединяться с одним из показателей в спецификации, чтобы создать диапазон, и таким образом включают каждое возможное значение или число в пределах этого диапазона. Таким образом, 1) даже если четко определены многочисленные заданные показатели в пределах диапазона, 2) даже если нет ссылки на более заданные показатели из диапазона или 3) даже если четко не упоминается ни один из показателей в пределах диапазона, следует понимать, (i) что авторы изобретения осознают и понимают, что любой возможный показатель в пределах диапазона необходимо рассматривать как заданный, и (ii) что авторы изобретения располагают сведениями о всем диапазоне, каждом возможном поддиапазоне в пределах диапазона и каждом возможном показателе в пределах диапазона. Кроме того, объект изобретения в данном применении, раскрытый здесь в качестве иллюстрации, может быть приемлемым образом реализован при отсутствии любого элемента (любых элементов), который здесь конкретно не раскрыт.

Способы, описанные в данном раскрытии изобретения, относятся к введению флюидов, содержащих нанокристаллическую целлюлозу (NCC), например, флюида для обработки, содержащего NCC и (или) частицу NCC, в подземную формацию. Такие флюиды для обработки можно вводить, применяя необходимые способы в любое время в течение полного эксплуатационного цикла резервуара, месторождения или нефтяного месторождения; например, способы и флюиды для обработки в соответствии с данным раскрытием изобретения можно использовать в любом необходимом применении на скважине (например, интенсификация притока) в течение полного эксплуатационного цикла резервуара, месторождения или нефтяного месторождения.

Термин «флюид для обработки» относится к любому флюиду, который используют в подземной операции в связи с необходимой функцией и (или) для необходимой цели. Термин «обработка» не подразумевает какого-то конкретного действия флюида. Например, флюидом для обработки (таким как флюид для обработки, содержащий NCC), который вводят в подземную формацию вслед за флюидом переднего края, может быть флюид гидроразрыва, кислотный флюид (флюид кислотного гидроразрыва, кислотный отклоняющий флюид), флюид для воздействия на формацию, флюид для борьбы с пескопроявлением, флюид для заканчивания скважины, флюид для консолидации ствола скважины, рекультивирующий флюид для обработки, цементирующий флюид, буровой флюид, вытесняющий флюид, флюид гидроразрыва с установкой гравийных фильтров или флюид для гравийной набивки. Способы, описанные в данном раскрытии изобретения, с применением NCC, и флюидов для обработки, содержащих NCC, могут быть реализованы в полномасштабных операциях, тампонажах или любом их сочетании. Употребляемый здесь термин «тампон» является типом специально подготовленного в небольшом объеме флюида для обработки, например, содержащего NCC флюида для обработки, введенного в ствол скважины или циркулирующего в нем.

Термин «гидроразрыв» относится к процессу и способам разрушения геологической формации и создания трещины, например, горной формации вокруг скважины путем закачки флюида под очень высоким давлением (давлением, превышающим определенное давление закрытия разрыва в формации), чтобы увеличить объемы добычи из углеводородного резервуара или увеличить скорость закачивания в него. Способы гидроразрыва в соответствии с данным раскрытием изобретения могут включать в себя NCC в одном или более флюидах для обработки, но иным образом использовать общепринятые технологии, известные в данной области техники.

В вариантах осуществления данного изобретения флюиды для обработки согласно данному раскрытию изобретения можно вводить в ствол скважины. Стволы скважин могут быть вертикальными, горизонтальными, отклоняющимися под некоторым углом между вертикалью и горизонталью и быть их сочетаниями, например, вертикальным стволом с невертикальным компонентом.

Термин «месторождение» включает наземные (поверхностные и подземные) и расположенные под морским дном применения. Употребляемый здесь термин «нефтяное месторождение» включает углеводородно-нефтяные месторождения и формации или части формаций, в которых возможно наличие нефтяного масла и газа, но которые дополнительно могут содержать другие материалы, такие как вода, соляной раствор или какую-либо другую композицию.

Термин «температура обработки» относится к температуре флюида для обработки, которая наблюдается в то время, когда флюид для обработки выполняет необходимую функцию и (или) достигает нужной цели.

Термин «функционализация поверхности» относится, например, к процессу присоединения (с помощью ковалентной или ионной связи) функциональной группы или химического фрагмента к поверхности NCC.

Фраза «поверхность нанокристаллической целлюлозы» относится, например, к внешним окружным зонам частицы NCC, например, внешним окружным зонам частицы NCC, которая содержит компоненты, подходящие для участия в химических реакциях.

Термин «фрагмент» и (или) «фрагменты» относится, например, к конкретной функциональной группе или части молекулы, например, плотноупакованным гидроксильным компонентам на поверхности NCC.

Термин «модификатор поверхности» относится, например, к веществу, например, химическому фрагменту, который присоединяется или который присоединяют к поверхности NCC. Такое присоединение может осуществляться путем образования сложных эфиров, образования простых эфиров, ацетилирования, силилирования, оксидирования, прививки полимеров на поверхность, функционализации с помощью различных химических компонентов (например, гидрофобной группы) и нековалентной модификации поверхности, например, поглощающих поверхностно-активных веществ, которые могут взаимодействовать с помощью гидроксильной группы, сульфатэфирной группы, карбоксилатных групп, галоидов, простых эфиров, альдегидов, кетонов, сложных эфиров, аминов и (или) амидов.

Термин «мягкие условия» относится, например, к экспериментальным условиям, таким как гидролитические условия, которые настолько мягки, что не приводят ни к какому значительному ухудшению свойств или разложению (как в случае, когда внешняя окружность нанокристаллической целлюлозы полностью поглощена или гидролизирована, и (или) когда около 5% массы нанокристаллической целлюлозы были поглощены или гидролизованы) частиц NCC. Гидролитические условия могут относиться к типу кислоты, концентрации, продолжительности гидролиза и температуре. Прохождение гидролиза можно регулировать, чтобы достигать желаемых характеристик. Гидролитические условия, в которых находится целлюлоза, могут определять форму, степень кристалличности и долю полученной NCC, которая может быть частицами NCC, имеющими определенную форму, включая стержневидную кристаллическую наночастицу. Например, если в случае неполного гидролиза, аморфная фаза все еще может присутствовать, приводя к образованию более длинных частиц, но если гидролиз является слишком глубоким (например, при его более долгой продолжительности, при высокой температуре), то какая-то кристаллическая область может начать поглощаться. В вариантах осуществления изобретения, когда целлюлоза, от которой происходит частица NCC, подвергается воздействию мягких условий, кристаллическая структура NCC может не нарушаться и сохраняется первоначальная форма NCC. В вариантах осуществления изобретения применение мягких условий приводит к тому, что в частице NCC внешняя окружность нанокристаллической целлюлозы не разрушается.

Термин «гомогенность» относится, например, к характеристическому свойству смесей и элементов. Этот термин можно использовать для описания смеси или раствора, состоящих из двух или более смесей или элементов, которые равномерно диспергированы друг в друге.

Термин «аморфная область» относится, например, к областям материала, например, целлюлозного волокна, которым свойственно отсутствие молекулярной решетчатой структуры или которые имеют разупорядоченную или не четко определенную кристаллическую структуру, в результате чего обладают низкой устойчивостью к воздействию кислот.

Термин «паракристаллическая область» относится, например, к областям материала, например, целлюлозного волокна, которым свойственна структура, частично аморфная и частично кристаллическая, но не полностью та или другая, в результате чего они обладают более большей устойчивостью к воздействию кислот по сравнению с аморфными областями материала.

Термин «кристаллическая область» относится, например, к зонам материала, например, целлюлозного волокна, которые имеют устойчивую характеристику с постоянным, упорядоченным расположением частиц, в результате чего они обладают высокой устойчивостью к воздействию кислот.

Выражение «водная дисперсия NCC» относится, например, к двухфазной системе, которая состоит из частиц NCC, равномерно распределенных по всей водной матрице. После распределения частицы NCC могут образовывать однофазную коллоидную суспензию.

Употребляемый здесь термин «меш» означает размер сит Тайлера. Размер сит Тайлера представляет собой шкалу размера частиц в порошках. Размер частиц можно классифицировать просеиванием или отделением, то есть просеиванием образца сквозь сито определенного размера. Частицы могут быть разделены по размеру на два или более типов частиц путем наложения сит, определяющих тем самым распределение частиц по размерам.

НАНОЦЕЛЛЮЛОЗА

Наноцеллюлоза может относиться по меньшей мере к трем различным типам наноцеллюлозных материалов, которые различаются в зависимости от способа производства и источника натуральных волокон. Эти три типа наноцеллюлозных материалов называются нанокристаллической целлюлозой (NCC), микрофибриллированной целлюлозой (MLC) и целлюлозой бактериального происхождения (ВС), которые описаны ниже. Дополнительные подробности относительно этих материалов описаны в патентах США №4341807, 4374702, 4378381, 4452721, 4452722, 4464287, 4483743, 4487634 и 4500546, причем раскрытие каждого из данных патентов включено здесь в качестве ссылки в полном объеме.

Наноцеллюлозные материалы имеют повторяющиеся звено β-1,4 связанных D-глюкозных звеньев, как видно из следующей химической структуры:

Целочисленные значения переменной n относятся к длине наноцеллюлозных цепей, которая, как правило, зависит от источника целлюлозы и даже от части растения, содержащей целлюлозный материал.

В некоторых вариантах осуществления изобретения n может быть целым числом от примерно 100 до примерно 10000, от примерно 1000 до примерно 10000 или от примерно 1000 до примерно 5000. В других вариантах осуществления изобретения n может быть целым числом от примерно 5 до примерно 100. В других вариантах осуществления изобретения n может быть целым числом от примерно 5000 до примерно 10000. В вариантах осуществления изобретения наноцеллюлозные цепи могут иметь средний диаметр от примерно 1 нм до примерно 1000 нм, например, от примерно 10 нм до примерно 500 нм или от примерно 50 нм до примерно 100 нм.

Нанокристаллическую целлюлозу (NCC), также называемую целлюлозными нанокристаллами, нитевидными кристаллами целлюлозы или целлюлозными стержнеобразными нанокристаллами, можно получить из целлюлозных волокон. Однако целлюлозные нанокристаллы могут иметь различные формы, помимо стержнеобразной. Вариантами таких форм являются любые нанокристаллы в форме многогранника с 4-8 сторонами, например, прямоугольника, шестигранника или восьмигранника. NCC, как правило, образуются путем гидролиза целлюлозных волокон из различных источников, таких как хлопок, дерево, пшеничная солома и целлюлоза из водорослей и бактерий. Для этих целлюлозных волокон характерно наличие двух отдельных областей, аморфной области и кристаллической области. В вариантах осуществления изобретения NCC может образовываться путем кислотного гидролиза аморфных областей целлюлозных волокон, которые имеют более низкую устойчивость к воздействию кислот по сравнению с кристаллическими областями целлюлозных волокон. Следовательно, образуются имеющие кристаллическую структуру частицы NCC «стержнеобразных» форм (в дальнейшем именуемые как «стержнеобразные частицы нанокристаллической целлюлозы» или просто «частицы NCC»). В вариантах осуществления изобретения процесс гидролиза может проходить в мягких условиях, так что не приводит к существенному разрушению или разложению стержнеобразной кристаллической части целлюлозы.

В некоторых вариантах осуществления изобретения NCC может образовываться путем кислотного гидролиза аморфных и неупорядоченных паракристаллических зон целлюлозных волокон, которые имеют более низкую устойчивость к воздействию кислот по сравнению с кристаллическими зонами целлюлозных волокон. Во время гидролитической реакции аморфные и неупорядоченные паракристаллические области целлюлозных волокон гидролизируются, в результате чего удаляются поврежденные микрофибриллы. Этот процесс также приводит к тому, что стержнеобразные частицы нанокристаллической целлюлозы, или просто «частицы NCC» приобретают кристаллическую структуру. В вариантах осуществления изобретения процесс гидролиза может проходить в мягких условиях, так что не приводит к существенному разрушению или разложению стержнеобразной кристаллической части целлюлозы.

Следовательно, образуются имеющие кристаллическую структуру частицы NCC «стержнеобразных» форм (в дальнейшем именуемые как «стержнеобразные частицы нанокристаллической целлюлозы» или просто «частицы NCC»).

Частицы NCC могут быть исключительно прочными, характеризуясь большим значением модуля продольной упругости Юнга (150 ГПа) и могут иметь морфологию и кристалличность подобно первоначальным целлюлозным волокнам (только без наличия аморфных зон). В некоторых вариантах осущесвления изобретения степень кристалличности может варьироваться по массе от примерно 50% до примерно 100%, например, от примерно 65% до примерно 85% или от примерно 70% до примерно 80%. В некоторых вариантах реализации изобретения степень кристалличности составляет по массе от примерно 85% до примерно 100%, например, от примерно 88% до примерно 95%.

В вариантах осуществления изобретения частицы NCC могут иметь длину от примерно 50 нм до примерно 500 нм, например, от примерно 75 нм до примерно 300 нм или от примерно 50 нм до примерно 100 нм. В вариантах осуществления изобретения диаметр частиц NCC может дополнительно составлять от примерно 2 нм до примерно 500 нм, например, от примерно 2 нм до примерно 100 нм или от примерно 2 нм до примерно 10 нм. В вариантах осуществления изобретения частицы NCC могут иметь аспектное отношение (длина:диаметр) от примерно 10 до примерно 100, например, от примерно 25 до примерно 100 или от примерно 50 до примерно 75.

Технологиями, которые обычно используются для определения размера частиц NCC, являются сканирующая электронная микроскопия (SEM), просвечивающая электронная микроскопия (TEM) и (или) атомно-силовая микроскопия (AFM). Для определения степени кристалличности можно использовать широкоугольную дифракцию рентгеновских лучей (WAXD).

В некоторых вариантах осуществления изобретения NCC или частицы NCC могут иметь поверхность, тесно упакованную гидроксильными группами, что содействует осуществлению химического модифицирования на их поверхности. В вариантах осуществления изобретения некоторые из гидроксильных групп NCC или частиц NCC, возможно, были в ходе кислотного разложения модифицированы или преобразованы, например, в сульфатэфирную группу до, в процессе и (или) после введения в ствол скважины. В некоторых вариантах осуществления изобретения некоторые из гидроксильных групп на поверхности NCC или частиц NCC, возможно, были модифицированы или преобразованы в карбоксилатные.

В вариантах осуществления изобретения выбор способа получения NCC или частиц NCC (и, следовательно, функциональных групп на поверхности NCC или частиц NCC) может учитывать заданные характеристики флюидов, содержащих NCC или частицы NCC. Например, флюиды, содержащие NCC или частицы NCC, могут демонстрировать тиксотропное поведение или антитиксотропное поведение, или не зависящую от времени вязкость. Например, флюиды, которые содержат обработанные хлористоводородной кислотой NCC или частицы NCC, могут иметь тиксотропное поведение при концентрациях выше 0,5% (вес/объем), и антитиксотропное поведение при концентрациях ниже 0,3% (вес/объем), а флюиды, которые содержат обработанные серной кислотой NCC или частицы NCC, могут проявлять не зависящую от времени вязкость.

В вариантах осуществления изобретения NCC или частицы NCC могут быть функционализированы, чтобы образовать модифицированные частицы NCC, например, функционализированные частицы NCC, в которых внешняя окружность нанокристаллической целлюлозы была функционализирована различными модификаторами поверхности, функциональными группами, видами и (или) молекулами. Например, такие химические функционализации и (или) модификации можно осуществить, чтобы ввести на поверхность NCC или частиц NCC стабильные отрицательные или положительные электростатические заряды. Введение на поверхность NCC или частиц NCC отрицательных или положительных электростатических зарядов может обеспечивать лучшую дисперсию в необходимом растворителе или среде.

В вариантах осуществления изобретения NCC или частицы NCC могут быть только поверхностно-функционализированными NCC или частицами NCC, в которых функционализирована только внешняя окружность с помощью различных модификаторов поверхности, функциональных групп, видов и (или) молекул. В вариантах осуществления изобретения поверхность NCC или частиц NCC может быть модифицирована, например, путем удаления любых заряженных поверхностных фрагментов в условиях, используемых для функционализации поверхности, чтобы свести к минимуму флокуляцию NCC или частиц NCC при дисперсии в растворителе, например, водном растворителе.

Модификацию, например, модификацию, при которой модифицируется только поверхность NCC или частиц NCC, можно выполнять различными способами, включая, например, способы образования сложных эфиров, образования простых эфиров, ацетилирования, силилирования, оксидирования, прививки полимеров на поверхность, функционализации различными химическими фрагментами (например, гидрофобной группой, чтобы усилить совместимость с углеводородами и (или) нефтью), и осуществлять нековалентное модифицирование поверхности, в том числе используя, по желанию, поглощающие поверхностно-активные вещества и полимерное покрытие. В вариантах осуществления изобретения процесс функционализации поверхности может проходить в мягких условиях, так что он не приводит ни к какому существенному разрушению или разложению стержнеобразных нанокристаллических частиц.

В вариантах осуществления изобретения модификация (например, модификация, при которой модифицируется только поверхность) с помощью технологий привитой полимеризации может сохранять форму NCC или частиц NCC. Например, форму можно сохранить, выбрав низкомолекулярный полимер, такой как полимер с молекулярной массой, не превышающей примерно 100000 дальтон или не превышающей примерно 50000 дальтон, чтобы привить его на поверхность частиц NCC.

В вариантах осуществления изобретения химические модификации могут включать в себя электрофилы, применительно к заданным участкам, при взаимодействии с гидроксильными группами на поверхностях NCC или частиц NCC. К примеру, такие электрофилы можно представить общей формулой, например, RX, где «X» представляет замещаемую группу, которая может содержать галоген, тозилат, мезилат, алкоксид, гидроксид или т.п., а «R» может представлять группы алкила, силана, амина, простого эфира, сложного эфира и т.п. В вариантах реализации изобретения функционализация поверхности с помощью таких электрофилов может быть выполнена таким образом, чтобы не уменьшить размер или прочность NCC или частицы NCC.

В некоторых вариантах осуществления изобретения поверхности NCC или частицы NCC могут иметь функционализацию поверхности от примерно 5 до примерно 90 процентов, например, от примерно 25 до примерно 75 процентов и (или) от примерно 40 до примерно 60 процентов. В некоторых вариантах осуществления изобретения могут быть химически модифицированы от примерно 5 до примерно 90 процентов гидроксильных групп на поверхностях NCC и частиц NCC, могут быть химически модифицированы от примерно 25 до примерно 75 процентов гидроксильных групп на поверхностях NCC и частиц NCC, или от примерно 40 до примерно 60 процентов гидроксильных групп на поверхностях NCC и частиц NCC.

Можно использовать инфракрасную спектроскопию с преобразованием Фурье (FT-IR) спектроскопию комбинационного рассеяния и (или) другие известные способы оценки процента функционализации поверхности, например, исследование типов колебаний и функциональных групп, присутствующих на NCC или частицах NCC. Кроме того, анализ локальной химической композиции целлюлозы, NCC или частиц NCC может быть выполнен с помощью энергодисперсионной рентгеновской спектроскопии (EDS). Основной состав химической композиции может быть определен с помощью элементного анализа (ЕА). Для определения поверхностного заряда и плотности можно использовать измерения зета-потенциала. Чтобы понять изменения теплоемкости и термостойкости, можно использовать термогравиметрический анализ (TGA) и дифференциальную сканирующую калориметрию (DSC).

Микрофибриллированная целлюлоза (MFC), или нанофибриллы, является одной из форм наноцеллюлозы, полученной из древесных материалов, сахарной свеклы, сельскохозяйственного сырья или отходов производства. В MFC отдельные микрофибриллы не полностью или полностью отделены друг от друга. Например, микрофибриллированный целлюлозный материал имеет средний диаметр от примерно 5 нм до примерно 500 нм, от примерно 5 нм до примерно 250 нм или от примерно 10 нм до примерно 100 нм. В некоторых вариантах осуществления изобретения микрофибриллированный целлюлозный материал может иметь средний диаметр от примерно 10 нм до примерно 60 нм. Кроме того, в MFC длина может составлять до 1 мкм, например, от примерно 500 нм до примерно 1 мкм или от примерно 750 нм до примерно 1 мкм. Отношение длины (L) к диаметру (D) в MFC может составлять от примерно 50 до примерно 150, например, от примерно 75 до примерно 150 или от примерно 100 до примерно 150.

Одним распространенным способом получения MFC является расслоение древесной массы с помощью механического давления до и (или) после химической или ферментативной обработки. Дополнительные способы включают в себя шлифование, гомогенизацию, интенсификацию, гидролиз/электропрядение и ионные жидкости. Механическая обработка целлюлозных волокон является очень энергоемкой, и это было одним из главных препятствий для коммерческой эффективности. Дополнительные варианты производства MFC описаны в WO 2007/091942, WO 2011/051882, патент США №7381294, в опубликованной патентной заявке США №2011/0036522, причем каждая из заявок включена в данное описание посредством ссылки в полном объеме.

MFC может иметь подобный диаметр, как и частица NCC, но MFC является более гибкой, поскольку частицы NCC имеют очень высокое содержание кристаллического вещества (что ограничивает податливость). Например, в отличие от высокого содержания кристаллического вещества в частицах NCC, которое может быть однородно распределено или быть постоянным по всей частице NCC, MFC содержит четкие аморфные области, такие как аморфные области, чередующиеся с кристаллическими областями, или аморфные области, в которых кристаллические области рассеяны. К тому же, MFC обладают слабой организацией в нанодиапазоне, тогда как NCC и (или) частицы NCC высоко организованы. Кроме того, степень кристалличности MFC может достигать 50%, тогда как степень кристалличности NCC выше и зависит от способа производства.

Наноцеллюлоза бактериального происхождения является материалом, полученным, к примеру, с помощью бактерий из сахара с низкой молекулярной массой и спирта. Диаметр этой наноцеллюлозы составляет в общем примерно 20-100 нм. Характеристики производящей целлюлозу бактерии, и условия встряхиваемой культуры описаны в патенте США №4863565, раскрытие которого включено в данное описание посредством ссылки во всей своей полноте. Частицы наноцеллюлозы бактериального происхождения являются микрофибриллами, выделяемыми различными бактериями, которые были отделены от бактериальных тел и среды роста. Полученные в результате этого микрофибриллы имеют длину, измеряемую в микронах, большое аспектное отношение (более 50) с морфологией, зависящей от конкретных бактерий и условий культивирования.

Варианты применения NCC и частиц NCC

Как обсуждалось выше, в вариантах осуществления изобретения способы в соответствии с данным раскрытием изобретения связаны с применением NCC и (или) частиц NCC в различных применениях на нефтяных месторождениях. Например, NCC и (или) частицы NCC можно использовать как добавку к общепринятым флюидам для обработки скважин, которыми пользуются при гидроразрыве формации, цементировании, борьбе с пескопроявлением, стабилизации сланцев, миграции тонкозернистых частиц почвы, буровых флюидах, снижении давления трения, нарушенной циркуляции, чистке скважины и т.п. В некоторых вариантах осуществления изобретения флюиды, флюиды для обработки или композиции в соответствии с данным раскрытием изобретения могут содержать одну или более NCC и (или) частиц NCC для вышеупомянутых применений в количестве от примерно 0,001 масс. % до 10 масс. %, например, от примерно 0,01 масс. % до примерно 10 масс. %, от примерно 0,1 масс. % до примерно 5 масс. % или от примерно 0,5 масс. % до примерно 5 масс. % из расчета общего веса флюида, флюида для обработки или композиции.

Например, NCC и (или) частицы NCC также можно использовать во флюидах для обработки, таких как загуститель, расклинивающий агент, агент для упрочнения материала (например, для структурного усиления, для цементирования), агент для понижения водоотдачи, агент для понижения трения/агент для понижения сопротивления и (или) агент для смягчения газа. Модифицирование поверхности NCC и (или) частиц NCC можно использовать для усиления или ослабления одной или более характеристик NCC и (или) частиц NCC в сочетании, по желанию, с вышеупомянутым применением. В вариантах осуществления изобретения флюиды, флюиды для обработки или композиции, описанные в данном раскрытии изобретения, содержат одну или более NCC и (или) частиц NCC, как вышеупомянутые агенты, в количестве от примерно 0,001 масс. % до примерно 10 масс. %, от 0,01 масс. % до 10 масс. %, например, от 0,1 масс. % до 5 масс. % или от примерно 0,5 масс. % до примерно 5 масс. % из расчета на общую массу флюида, флюида для обработки или композиции.

Что касается цементирования, NCC и (или) частицы NCC можно использовать в стабилизированном вспененном цементном растворе как добавку для цементной композиции, чтобы уменьшить миграцию газа, стабилизировать цементные растворы и (или) как добавку для усиления ствола скважины и (или) цементной колонны. Модифицирование поверхности NCC и (или) частиц NCC можно использовать для усиления или ослабления одной или более характеристик NCC и (или) частиц NCC в сочетании, по желанию, с вышеупомянутым применением. В некоторых вариантах осуществления изобретения флюиды, флюиды для обработки или композиции, описанные в данном раскрытии изобретения, могут содержать одну или более NCC и (или) частиц NCC для вышеупомянутого применения в количестве от примерно 0,001 масс. % до примерно 10 масс. %, например, от 0,01 масс. % до 10 масс. %, от 0,1 масс. % до 5 масс. % или от примерно 0,5 масс. % до примерно 5 масс. % из расчета на общую массу флюида, флюида для обработки или композиции.

В некоторых вариантах осуществления изобретения NCC и (или) частицы NCC могут быть включены в вытесняющий флюид, который закачивается между буровым раствором и цементным раствором, чтобы предотвратить загрязнение примесями. NCC и (или) частицы NCC могут добавляться, чтобы усилить и (или) поддержать эффективную вязкость для предотвращения смешивания бурового раствора с цементным раствором. В некоторых вариантах осуществления изобретения флюиды, флюиды для обработки или композиции, описанные в данном раскрытии изобретения, могут содержать одну или более NCC и (или) частиц NCC для вышеупомянутого применения в количестве от примерно 0,001 масс. % до примерно 10 масс. %, от 0,01 масс. % до 10 масс. %, от 0,1 масс. % до 5 масс. % или от примерно 0,5 масс. % до примерно 5 масс. % из расчета на общую массу флюида, флюида для обработки или композиции.

В другом варианте осуществления изобретения NCC и (или) частицы NCC можно использовать в качестве стабилизатора эмульсий, чтобы повысить стабильность различных эмульсий, используемых в процессе кислотной обработки, водных двухфазных систем и (или) стабилизации пены. Модифицирование поверхности NCC и (или) частиц NCC (например, модифицирование поверхности NCC и (или) частиц NCC, включая углеводородную группу, можно использовать для усиления или ослабления одной или более характеристик NCC и (или) частиц NCC в сочетании, по желанию, с вышеупомянутыми применениями. Термин «углеводородная группа» относится, например, к углеводородной группе либо с разветвленной, либо с неразветвленной цепью, например, группе с общей формулой C_nH_2n+1 или C_nH_2n-1, в которой n является целым числом со значением 1 или больше. Например, n может быть в диапазоне от 1 до примерно 60 или от 5 до 50. В некоторых вариантах осуществления изобретения флюиды, флюиды для обработки или композиции, описанные в данном раскрытии изобретения, могут содержать одну или более NCC и (и