專利名稱：用于提高井開采量的支撐劑和方法
用于提高井開采量的支撐劑和方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及石油和天然氣工業(yè)，并且可以被用于通過對含油儲(chǔ)層使用 支撐劑和水力壓裂來提高井開采量。
儲(chǔ)層的水力壓裂是提高井開采量的一種己充分確立的技術(shù)。用于儲(chǔ)層 處理的水力壓裂的關(guān)鍵要素是將粘性流體高壓泵送至產(chǎn)油或產(chǎn)氣儲(chǔ)層中-這種方法在儲(chǔ)層中產(chǎn)生了裂縫。為了保持這些裂縫張開，向泵送流體中添 加球形粒子(支撐劑)。該支撐劑被流體輸送到裂縫內(nèi)，并且填充該裂縫和 構(gòu)成粒狀結(jié)構(gòu)，該粒狀結(jié)構(gòu)對于天然氣和石油從儲(chǔ)層流向井眼是可滲透 的。支撐劑被設(shè)計(jì)成支撐高的閉合壓力并且可忍受在高地層溫度下腐蝕性 地層流體(水、酸氣、鹽水)的影響。根據(jù)用于支撐劑的操作條件，制備它 們的原料可以選自石英砂、鋁土礦、高嶺土、氧化鋁和不同種類的鋁硅酸 鹽礦石。
支撐劑顆粒的重要參數(shù)是它們的圓度和球形度以及尺寸和形狀的均勻 性。這些性質(zhì)對于支撐劑填料的滲透率是重要的，因而對于烴流體通過支 撐劑填料的敞開空間的導(dǎo)流能力是重要的。
如今大部分的商業(yè)支撐劑均不具有球形形狀(除玻璃珠之外)，而是橢
球體。間接地，這由本工業(yè)中所用的存在的Krumbein&Sloss圖而加以證 實(shí)該圖描述了支撐劑顆粒形狀的完美性。但是，該圖還沒有對應(yīng)支撐劑 的完美球形形狀的值1。專利RU2,098,618描述了具有完美球形形狀的支 撐劑顆粒(玻璃珠)的使用，但是它們的實(shí)際應(yīng)用受到珠子的低機(jī)械強(qiáng)度的 限制。
專利US4879181公開了由鋁土礦和高嶺土的混合物制備支撐劑。支撐 劑成形用的初始材料具有合適的彈性；這樣使得支撐劑顆粒的圓度和球形 度的參數(shù)更高(根據(jù)Krumbein圖為至多0.7)。
這種支撐劑的缺點(diǎn)是球形度不足，這減少了支撐劑顆粒之間的自由流 動(dòng)區(qū)域；這樣降低了地層流體穿過支撐劑填料的流動(dòng)速率。
美國專利5，188，175公開了陶瓷橢球體的制備方法，所述陶瓷橢球體由燒結(jié)的高嶺土制成，還包含氧化鋁、二氧化硅、氧化鐵和氧化鈦。這種材
料的氧化物組成如下(重量％):氧化鋁-25-40、 二氧化硅-50-65、氧化鐵-1.6、和氧化鈦-2.6。所產(chǎn)生的顆粒的球形度為0.7。這種類型的支撐劑主 要對處理深度淺或中等的石油和天然氣儲(chǔ)層有效率。
這種支撐劑的缺點(diǎn)是球形度不足，這減少了支撐劑顆粒之間的自由流 動(dòng)區(qū)域；這樣降低了地層流體穿過支撐劑填料的流動(dòng)速率。
美國專利3,929,191公開了一種通過水力壓裂的技術(shù)使石油開采量增 產(chǎn)的支撐劑該支撐劑通過硅酸鋁礦石的燒結(jié)而獲得，或由鋼或鐵制成并 且以尺寸為6-100目、優(yōu)選10-40目的顆粒形式成形；根據(jù)Krumbein圖的 顆粒的球形度和圓形度高于0.8，密度為2.6g/cm、該顆粒材料包覆有固 態(tài)易熔酚醛樹脂。
這種支撐劑的缺點(diǎn)是球形度不足，這減少了支撐劑顆粒之間的自由流 動(dòng)區(qū)域；這樣降低了地層流體穿過支撐劑填料的流動(dòng)速率。
與本發(fā)明最接近的類似物是在US 3,929,191中公開的用于地層的水力 壓裂的支撐劑；該支撐劑由燒結(jié)的硅酸鋁礦石制成，所述燒結(jié)的硅酸鋁礦 石具有尺寸為6-100目，優(yōu)選10-40目的顆粒形狀，根據(jù)Krumbdn圖的圓 度和球形度高于0.8，密度為2.6g/cm、該顆粒材料包覆有固態(tài)易熔酚醛 樹脂。
這種支撐劑的缺點(diǎn)是球形度不足，這減少了支撐劑顆粒之間的自由流 動(dòng)區(qū)域；這樣降低了地層流體穿過支撐劑填料的流動(dòng)速率。
所公開的本發(fā)明的目的是開發(fā)一種由于支撐劑形狀的最佳化而促進(jìn)地 層流體流動(dòng)的支撐劑；更好的形狀增加了由裂縫中的填料顆粒所形成的通 道之間的自由流動(dòng)區(qū)域。這樣可以減少地層流體流動(dòng)的阻力。
該目的可以通過由球形形狀(與完美球形度的偏差低于球半徑的0.05 %)燒結(jié)的陶瓷原料制備支撐劑而實(shí)現(xiàn)。增益(gain)半徑的離散肯定在與制 藥工業(yè)中的糖衣丸藥的相同水平上。用于制備的初始材料是二氧化硅、氧 化鋁、硅酸鋁與添加劑金屬氧化物(鐵族)或氧化錳的進(jìn)料。技術(shù)效果的改 善可以通過將準(zhǔn)備好的支撐劑分級來實(shí)現(xiàn)這樣增大了在支撐劑填料中的 空隙流動(dòng)通道。優(yōu)選的是，1個(gè)級分(fraction)中的支撐劑顆粒的最大直徑 與最小直徑的比率小于2。用于制備具有幾乎完美的球形形狀的支撐劑的技術(shù)除了使用盤式球化 機(jī)和其它裝置確保在球化之后半成品的真正的球形形狀之外，與用于常規(guī) 支撐劑的技術(shù)相同；其它必需的設(shè)備是隧道窯或用于在流化床中燒結(jié)的燒 結(jié)裝置。代替轉(zhuǎn)窯的這種設(shè)備確保了半成品的完整的球形形狀。
將具有幾乎完美球形形狀的支撐劑用于水力壓裂技術(shù)，尤其是在具有 單分散粒度分布并且將顆粒進(jìn)一步輸送到地層的情況下，在填料中產(chǎn)生了 均勻的毛細(xì)管式網(wǎng)絡(luò)。這種幾何結(jié)構(gòu)降低了與在結(jié)構(gòu)的不規(guī)則處的流動(dòng)湍
流相關(guān)并且由Forsheimer方程(l)所述的不利影響。流動(dòng)速率越高意味著壓 降越高；因此，支撐劑填料的滲透率降低。在這個(gè)方程中與壓降和流動(dòng)速 率關(guān)聯(lián)的系數(shù)被稱作<^-因子》，其描述了穿過支撐劑填料的流體流動(dòng)的孔 隙扭曲性(pore tortuosity)。
射
△P-壓降；
AL-壓力測量點(diǎn)之間的距離； !■1-液體粘度；
v-液體速度，v=q/s，其中q是泵送速率，s是支撐劑填料的橫截面; P-，-因子； k-滲透率； p-液體密度。
該理論表明，如果支撐劑由相同的材料制成，則完美球形填料的P-因子低于橢球體的填料的e -因子。
將陶瓷用于制備支撐劑好于玻璃因?yàn)樵谔沾山M成中存在結(jié)晶相，所 以陶瓷強(qiáng)度更高，超過了玻璃狀無定形相的強(qiáng)度。除此之外，包含結(jié)晶相 的材料使得該材料在燒制時(shí)對高溫變形的敏感性更低(與玻璃形式相比)。
用于制備這種支撐劑的優(yōu)選方法從進(jìn)料到盤式球化機(jī)的成分和混合 物的研磨和混合開始，并且在載體上的隧道窯中或在柑堝中燒結(jié)。支撐劑層高度與坩堝直徑的比率不高于0.7/1，將燒結(jié)產(chǎn)物分離成多個(gè)級分。通常
的進(jìn)料組成是氧化鋁和二氧化硅，以及至少一種以下組分氧化鎂、氧化 鈣、氧化亞鐵、堿金屬或堿土金屬的氧化物、氧化錳或氧化鈦。進(jìn)料的組 成取決于準(zhǔn)備好的支撐劑的未來應(yīng)用。 支撐劑制備的關(guān)鍵特征如下
將成分(可以是經(jīng)退火的)研磨，直到90%的產(chǎn)物通過63微米的篩。必 要時(shí)，可以向該混合物中添加增塑劑和其它組分。研磨處理可以對單獨(dú)的 材料或?qū)旌衔镞M(jìn)行。將成分在研磨機(jī)中部分地混合(除非應(yīng)用組合研磨的 方法)或直接在盤式球化機(jī)(沒有刀片)中混合。因?yàn)樵谶@種設(shè)計(jì)中沒有刀 片，因此這排除了顆粒在該設(shè)備中的額外變形，球僅僅在尺寸上增大。必
要時(shí)，向進(jìn)料中添加臨時(shí)性增塑粘合劑(plasticizing binding)-其量為形成球
形顆粒的核并且使它們進(jìn)一步生長所需的量。臨時(shí)性增塑粘合材料的一般 范圍是3至20重量％，并且用于混合和球化的總時(shí)間為2至10分鐘。粘合劑 取自水、聚合物的水溶液或有機(jī)溶液、膠乳、微晶蠟、蠟等種類。在球的 核形成并且達(dá)到合適的顆粒大小之后，向球化機(jī)中添加約12重量％的初始 粉末進(jìn)料，并且該進(jìn)料保持低于3分鐘的短時(shí)間的混合。然后，將這些顆 粒在計(jì)算燒結(jié)階段時(shí)的進(jìn)一步收縮的情況下按大小進(jìn)行分選。可以運(yùn)送尺 寸不合格的顆粒，用于再循環(huán)。如果在混合和球化階段使用有機(jī)的臨時(shí)性 粘合劑，則可以采用預(yù)退火以移除這種有機(jī)物。將干燥的和大小合適的顆 粒進(jìn)料以在床中(在燒箱中)，或隧道窯中的柑堝中退火。這種用于退火的 方法有助于避免在這個(gè)階段的材料變形。選擇溫度和停留時(shí)間以確保適當(dāng) 的材料燒結(jié)，只要達(dá)到所需的強(qiáng)度即可。在退火階段之后，還可以分離成 多個(gè)級分。
盡管所開發(fā)支撐劑的應(yīng)用技術(shù)與標(biāo)準(zhǔn)類型的支撐劑的應(yīng)用技術(shù)相同， 但是完美球形支撐劑的使用對于提高儲(chǔ)層的流體開采量并且對于井眼的 排液可以是有利的。
在此，通過幾個(gè)實(shí)施例說明本發(fā)明。
試驗(yàn)在井群上進(jìn)行，即在相同的條件下進(jìn)行。1. 在西部的西伯利亞地區(qū)的井的一定深度進(jìn)行水力壓裂后，使用球形
度為0.7的陶瓷支撐劑得到了110 mV天的水平的井開采量，而估算的開采 量在IOO - 160 mV天的范圍內(nèi)。
2. 使用相同組成和相同條件但是球形度為0.85的支撐劑，將井的開采 量提高到了157mV天的水平，而估算的井開采量在IOO- 160mV天的范圍 內(nèi)。
3. 使用具有相同組成和具有完美球形形狀(偏差低于半徑的2%)的支 撐劑，將井開采量增加到201 mV天。
具有完美球形形狀的粒子的支撐劑代替球形度為0.9的支撐劑，在其它 相同的條件下，將井開采量提高了25%。
權(quán)利要求
1.一種用于制備支撐劑的方法，所述支撐劑包含燒結(jié)陶瓷材料的顆粒，其中所述支撐劑具有理想的球形形狀。
2. 被改進(jìn)的支撐劑，其中用于支撐劑制備的原料是包含以下物質(zhì)的混合物組分二氧化硅、氧化鋁、堿金屬氧化物、堿土金屬氧化物、來自鐵 族的金屬的氧化物以及氧化錳。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1制備的支撐劑，其中所述支撐劑被分離成多個(gè)級分。
4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的支撐劑，其中一個(gè)級分的所述支撐劑的最大 直徑與最小直徑的比率不高于2。
5. 提高井開采量的方法，所述方法包括使用支撐劑，其中所述陶瓷支 撐劑具有理想的球形形狀。
全文摘要
本發(fā)明涉及石油和天然氣工業(yè)，并且可以被用于通過在儲(chǔ)層水力壓裂之后將特定顆粒(支撐劑)泵送至裂縫中而防止裂縫閉合。根據(jù)本發(fā)明，支撐劑是燒結(jié)陶瓷材料的顆粒，該顆粒是理想的成形球。使用這種類型的支撐劑可以將井開采量提高25％。
文檔編號C09K8/60GK101611114SQ200780051655
公開日2009年12月23日 申請日期2007年3月20日 優(yōu)先權(quán)日2007年2月28日
發(fā)明者埃萊娜·佩爾?？仆?申請人:普拉德研究及開發(fā)股份有限公司