專利名稱：完善固結(jié)差的地層的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及地下井的完善方法，具體地涉及完善固結(jié)差的地層(porlyconsolidated formation),由此消除或減少出砂(sand production)的方法和裝置。
背景技術(shù)：
如石油和天然氣等油氣流體(hydrocarbon fluid)是通過(guò)鉆井穿透含油氣層段，從地下地質(zhì)層，即油藏(reservoir)獲得的。一旦井筒已經(jīng)被鉆探，就必須完井；完井包括設(shè)計(jì)、選擇和安裝井筒內(nèi)或周圍的設(shè)備和材料，以于輸送、泵送或控制流體的生產(chǎn)或注入。在完井后，就可以開(kāi)始石油和天然氣的開(kāi)采。水力壓裂法是通過(guò)從井筒到油藏設(shè)置或延伸通道來(lái)提高井產(chǎn)量的主要方法。該作業(yè)主要如下進(jìn)行用將壓裂液水力注入到穿透地下地層的井筒中，通過(guò)壓力迫使壓裂液緊壓地層。地層或巖石被壓裂并破碎。將支撐劑填充到裂縫中，以防止裂縫閉合，并因此增加可采流體(即石油，天然氣或水)的流量。在地層是“松軟”或固結(jié)差的情形下，地層中存在的微粒，通常是砂的細(xì)小顆粒，會(huì)隨油氣移動(dòng)。這種出砂是非常不受歡迎的，因?yàn)樗治g表面和地下設(shè)備，因此在可以對(duì)油氣進(jìn)行加工之前需要除沙步驟，最終這將抵消增產(chǎn)技術(shù)(例如酸增產(chǎn))的所需效果。將細(xì)小顆粒的流動(dòng)減到最小的最常用手段，是使采出液過(guò)濾通過(guò)保留在篩板(screen)上的礫石充填物。在進(jìn)入井筒之前，采出液經(jīng)過(guò)礫石充填物和篩板，而沒(méi)有顯著減少產(chǎn)量，同時(shí)更小的顆粒被阻止。然而，該方法相當(dāng)復(fù)雜并費(fèi)時(shí)，沙礫和篩板也會(huì)被積垢堵塞或被砂子侵蝕。這解釋了所謂的無(wú)篩完井工藝(screenless completion techniques)的發(fā)展。典型地，這些技術(shù)包括固結(jié)液(consolidating fluid)的注入,所述固結(jié)液包括樹(shù)脂,硬化劑，催化劑和油濕潤(rùn)劑。樹(shù)脂在地層中凝固，從而使地層固結(jié)，并減少了游離的細(xì)小顆粒的濃度。固結(jié)液和其使用方法的實(shí)例，例如報(bào)道于美國(guó)專利US5806593、US5199492、US4669543、US4427069 和 US4291766 中。傳統(tǒng)固結(jié)液的凝固時(shí)間往往相對(duì)長(zhǎng)。因此，流體往往會(huì)持續(xù)流進(jìn)阻力最小的區(qū)域，而導(dǎo)致其它區(qū)域未被處理。這嚴(yán)格限制了井筒的長(zhǎng)度，單次操作中能夠處理的長(zhǎng)度不超過(guò)大約6米(20英尺)。此外，由于由例如具有不同滲透性的層構(gòu)成的不均勻地層的原因，獲得了較差的結(jié)果。已經(jīng)知道基于樹(shù)脂的固結(jié)系統(tǒng)使用時(shí)十分復(fù)雜，例如要求高達(dá)五個(gè)處理步驟，而且還經(jīng)常產(chǎn)生環(huán)境問(wèn)題。為了避免常規(guī)流體的這種缺陷，已經(jīng)提出了多步井處理法。它們中的大多數(shù)要么包括乳液，要么包括泡沫。美國(guó)專利US5363917教導(dǎo)了一種發(fā)泡的固結(jié)液，其能夠支持油氣在地層中的燃燒。油氣燃燒的產(chǎn)物使地層固結(jié)。美國(guó)專利US5010953和US5567088公開(kāi)了一種固結(jié)液，其為蒸汽中的氣溶膠。前一專利的教導(dǎo)是在可聚合化合物(例如糠醇)的凝固期間，蒸汽維持地層中的空隙空間。美國(guó)專利6364020教導(dǎo)了包含至少兩個(gè)非連續(xù)相的乳液，其中一相包括膠凝聚合物，例如多糖，其它相包括無(wú)機(jī)或有機(jī)交聯(lián)劑。其它采用或不采用固結(jié)處理來(lái)完善未固結(jié)地層的方法是已知的。美國(guó)專利US5551514提出了多步固結(jié)處理，然后進(jìn)行水力壓裂處理，其中采用了支撐劑回流控制技術(shù)。美國(guó)專利US6450260描述了采用撓性凝膠系統(tǒng)而完成美國(guó)專利US5551514中的專利技術(shù)的技術(shù)的方法。其它使出砂最少化的方法包括確定裂縫延伸的方向，以及取向或定型穿孔(orienting or shaping perforations)(見(jiàn)美國(guó)專利 US5386875 和 US6283214)。美國(guó)專利US6431278限定了使流經(jīng)不同相位穿孔(out-of-phase perforations)的流量百分比和裂縫導(dǎo)流能力(fracture conductivity)對(duì)地層滲透率的比率相關(guān)的曲線。給定所需的產(chǎn)品流量，便可以限定地層傳導(dǎo)率(formation conductivity)。這就允許井操作人員去設(shè)計(jì)并執(zhí)行壓裂操作，以獲得在低于出砂的臨界生產(chǎn)壓降(critical drawdown pressure)的條件下開(kāi)采油井所必須的傳導(dǎo)率。盡管前面提及工藝的多數(shù)已經(jīng)獲得一定成功，但是沒(méi)有一個(gè)已經(jīng)獲得了大規(guī)模商業(yè)認(rèn)可，特別是從技術(shù)和成本限制上看。因此本發(fā)明的一個(gè)目的是提供一種完善未固結(jié)區(qū)域的改進(jìn)方法。

發(fā)明內(nèi)容
一方面，本發(fā)明涉及完善地下地層中易于產(chǎn)生細(xì)粒(例如砂)的未固結(jié)區(qū)域的方法，該方法包括向所述區(qū)域注入水溶液，以形成將微粒結(jié)合在一起(hold together)的硬凝膠，從而固結(jié)所述區(qū)域的步驟，所述水溶液含有膠體微粒和PH調(diào)節(jié)劑和/或離子強(qiáng)度調(diào)節(jié)齊U，以及水壓壓裂該固結(jié)區(qū)域的步驟。另一方面，本發(fā)明涉及完善地下地層中易于產(chǎn)生細(xì)粒(例如砂)的未固結(jié)區(qū)域的方法，該方法包括向所述區(qū)域注入水溶液和導(dǎo)向劑(diverting agent),以形成將顆粒結(jié)合在一起的硬凝膠，從而固結(jié)所述區(qū)域的步驟，所述水溶液為膠體微粒、PH調(diào)節(jié)劑和/或離子強(qiáng)度調(diào)節(jié)劑的混合物，所述導(dǎo)向劑用來(lái)提高水溶液流向滲透率不同區(qū)域的均勻流率，以及水力壓裂該固結(jié)區(qū)域的步驟。本發(fā)明包括以下項(xiàng)項(xiàng)1. 一種完善地下地層中未固結(jié)區(qū)域的方法，包括注入膠體顆粒水溶液和至少一種選自PH調(diào)節(jié)劑和/或離子強(qiáng)度調(diào)節(jié)劑的成分，用以形成將顆粒結(jié)合在一起的硬凝膠從而固結(jié)所述區(qū)域的步驟，和隨后的水力壓裂所述固結(jié)區(qū)域的步驟。項(xiàng)2.如項(xiàng)I所述方法，所述膠體顆粒平均直徑為4到100nm。項(xiàng)3.如項(xiàng)I或2所述方法，所述膠體顆粒是二氧化硅顆粒。項(xiàng)4.如項(xiàng)3所述方法，所述膠體二氧化硅顆粒以二氧化硅濃度為2到50wt%的溶液形式存在，且所述溶液可以含有濃度為0.1到10wt%的乙二醇、丙二醇或甲醇。項(xiàng)5.如上述項(xiàng)中任一項(xiàng)的方法，所述固結(jié)區(qū)域抗壓強(qiáng)度大于1. 72MPa，待固結(jié)區(qū)域的深度為約15到90cm。
項(xiàng)6.如上述項(xiàng)中任一項(xiàng)的方法，所述離子強(qiáng)度調(diào)節(jié)劑為鹽水，pH調(diào)節(jié)劑是酸或堿，且pH調(diào)節(jié)劑和/或離子強(qiáng)度調(diào)節(jié)劑的濃度為0.1到5wt%。項(xiàng)7.如上述項(xiàng)中任一項(xiàng)的方法，在水力壓裂步驟中，裂縫的長(zhǎng)度要大于固結(jié)區(qū)域深度的2倍，注入的固結(jié)液的體積為待固結(jié)地層孔體積的約2到10倍。項(xiàng)8.如上述項(xiàng)中任一項(xiàng)的方法,還包括使用暫停方案(hesitation scheme)注入固結(jié)處理物。項(xiàng)9.如上述項(xiàng)中任一項(xiàng)的方法，所述膠體顆粒是帶電的。項(xiàng)10. —種完善地下地層中未固結(jié)區(qū)域的方法，包括向所述區(qū)域注入膠體二氧化硅、微米顆粒、PH調(diào)節(jié)劑和/或離子強(qiáng)度調(diào)節(jié)劑的水溶液來(lái)形成將顆粒結(jié)合在一起的硬凝膠從而固結(jié)所述區(qū)域的步驟，和隨后的水力壓裂所述固結(jié)區(qū)域的步驟。項(xiàng)11.如項(xiàng)10所述方法，所述微米顆粒選自下組，該組包括云母、沉淀二氧化硅、熱解二氧化娃、非膨脹粘土和淀粉,所述微米顆粒的80%粒度為約I到60iim。


參考以下的詳細(xì)描述和附圖，將會(huì)更好地理解本發(fā)明上述和其它目的，特征和優(yōu)點(diǎn)。其中圖1是室溫下膠體二氧化硅溶液的膠凝時(shí)間隨鹽酸濃度的變化。圖2是用于評(píng)價(jià)膠體二氧化硅進(jìn)入滲透率不同的沙粒充填物(sand pack)的注入能力(injectivity)的設(shè)備的示意圖。圖3顯示了對(duì)通過(guò)形成膠體二氧化硅顆粒的凝膠，對(duì)滲透率不同的砂粒充填物的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度(unconfined compressive strength, UCS)的測(cè)量結(jié)果。圖4顯示了用于完成滲透率不同的砂粒充填物的固砂(sand consolidation)測(cè)試，以模擬滲透率不同區(qū)域的同時(shí)固結(jié)操作的裝置的基本配置。圖5顯示了在使用如圖4描述的裝置進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)中，液體流經(jīng)低滲透率(50_70mD)和高滲透率(750mD)砂粒充填物后，所收集的液體體積，和砂粒充填物的入口壓力(inletpressure)。在實(shí)驗(yàn)中，觀察到低滲透率砂粒充填物被堵塞,接下來(lái)高滲透率砂粒充填物被擇優(yōu)流過(guò)。圖6顯示了在使用如圖4描述的設(shè)備進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)中，在將微米顆粒組合物添加到膠體二氧化硅溶液中以提高流體流向低滲透率砂粒充填物的導(dǎo)向性時(shí)，流體的平均流速(6-A)和容器出口處所收集的液體體積出-B)。圖7-A和圖7-B顯示了類似于圖6中顯示的結(jié)果，但使用另一微米顆粒組合物。圖8-A和圖8-B顯示了類似于圖6中顯示的結(jié)果，其時(shí)將沉淀二氧化硅顆粒添加至膠體二氧化硅溶液中，以提高流體流向低滲透率的砂粒充填物的導(dǎo)向性。圖9-A和圖9-B顯示了類似于圖6中顯示的結(jié)果，其時(shí)將云母顆粒和圖6所示實(shí)驗(yàn)的淀粉添加至膠體二氧化硅溶液中，以提高流體流向低滲透率砂粒充填物的導(dǎo)向性，并且該系統(tǒng)用緩沖液來(lái)預(yù)沖洗以預(yù)調(diào)節(jié)砂粒充填物的pH。
具體實(shí)施例方式根據(jù)本發(fā)明，完善固結(jié)差的地層的方法的第一步是注入包括膠態(tài)懸浮液的液體，從而固結(jié)所述地層。膠態(tài)懸浮液是離散的微細(xì)顆粒(球狀或細(xì)長(zhǎng)形狀，帶電的)的典型分散體，因而類似帶電的顆粒之間的排斥力使分散體變穩(wěn)定。例如，除去水、改變PH或添加鹽或水混溶性有機(jī)溶劑而引起的電荷平衡紊亂，使得膠體顆粒聚集，從而最終形成凝膠。預(yù)先充填液體形式的分散體，在顆粒濃度相對(duì)較低時(shí)是透明的，而在更高的顆粒濃度時(shí)變成乳白色或乳狀。無(wú)論如何，分散體能夠以液體形式處理，這樣使配料大大簡(jiǎn)化。商業(yè)化的膠體顆粒溶液一般包括二氧化娃(也稱作娃膠)和招、鋪、錫、鋪、釔和錯(cuò)的氧化物。這些顆粒主要為球狀，其粒度(particle size)通常為約4nm到約250nm,但是長(zhǎng)度高達(dá)300nm的細(xì)長(zhǎng)顆粒(elongated particle)也是可用的，并且相信對(duì)于本發(fā)明也是可接受的。這些顆?？梢詭д姾苫蜇?fù)電荷。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)膠體二氧化硅顆粒的粒度在約4nm到約IOOnm的水溶液在滲透率低至50mD的砂粒充填物中具有優(yōu)異的注入能力。優(yōu)選的膠體顆粒的尺寸在4到22nm之間。這種獨(dú)特的性質(zhì)使得能夠?qū)ι钸_(dá)數(shù)英尺的基巖(matrix)進(jìn)行完整處理。不拘泥于理論，但認(rèn)為當(dāng)添加PH調(diào)節(jié)劑和/或離子強(qiáng)度調(diào)節(jié)劑時(shí)，顆粒間碰撞得以增加，并且形成了硅氧烷鍵(S1-0-Si)。這導(dǎo)致形成硬凝膠(hard gel)，硬凝膠將未固結(jié)地層中的松散顆粒(沙粒)結(jié)合在一起。實(shí)際上，在進(jìn)行本發(fā)明的固結(jié)處理之后，處理前絕對(duì)不具備結(jié)合力的砂粒充填物(沙子象在沙漏中那樣流動(dòng))，呈現(xiàn)出不小于1. 72MPa的耐壓強(qiáng)度，而且變得象堅(jiān)硬的巖石。濃度在15到50wt%的商業(yè)硅溶膠也是適用的。這些商業(yè)溶液可以原樣使用或者稀釋至較低二氧化硅含量。例如，含25到50wt% 二氧化硅的溶膠通常用于本發(fā)明的目的，但也可以稀釋降低到2wt%。需要注意的是，當(dāng)使用稀釋的溶液時(shí)，注入的溶液的體積一般保持不變，但形成的凝膠耐壓強(qiáng)度變低。冷凝溫度會(huì)在膠體二氧化硅溶液中導(dǎo)致冰晶的出現(xiàn)，這會(huì)在未凍部分中導(dǎo)致二氧化硅濃度的增加，并加速富硅部分的凝膠化。在解凍時(shí)，膠凝的二氧化硅不會(huì)重新分散，而是保留在融化的冰中成為沉淀。結(jié)果，融化材料中二氧化硅分散顆粒的濃度也降低，并且該材料一般不再適合使用。通過(guò)將所述膠體二氧化硅溶液與濃度為0.1到10wt%，優(yōu)選0.1到5wt%的乙二醇、丙二醇或甲醇混合，可以防止膠體二氧化硅在低于0°C時(shí)的不可逆凝膠化。凝膠的形成由pH調(diào)節(jié)劑和/或離子強(qiáng)度調(diào)節(jié)劑引發(fā)。根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方式，所述離子強(qiáng)度調(diào)節(jié)劑可以是鹽。在本例中，膠體二氧化硅懸浮液(例如Ludax )與鹽水(鹽水含有的鹽優(yōu)選是氯化鉀，氯化鈉，或氯化鈣，但也可以是任何礦物鹽或有機(jī)鹽或適合調(diào)節(jié)膠體溶液離子強(qiáng)度的化合物)混合。當(dāng)加入鹽以后，反離子(在無(wú)鹽溶膠中，平衡正/負(fù)表面電荷的正/負(fù)反離子在顆粒周圍擴(kuò)散定向)更加向顆粒表面靠近，從而導(dǎo)致排斥力作用的距離縮短。通過(guò)增加顆粒間碰撞概率，引起溶膠穩(wěn)定性降低，并且這導(dǎo)致硬凝膠的形成。膠凝期可以通過(guò)鹽水濃度或溫度來(lái)調(diào)整。粒度分布和顆粒濃度也會(huì)影響膠凝期。根據(jù)本發(fā)明的另一實(shí)施方案，所述pH調(diào)節(jié)劑是酸或堿。用于固砂的膠態(tài)二氧化硅分散體的PH通常在8到11之間，但也可以呈酸性(pH大約為4)。通過(guò)加入酸性溶液/堿性溶液，膠態(tài)分散體的PH可以降低/增加。這樣，二氧化硅顆粒表面上的電荷得以降低，并且顆?？梢缘玫浇佑|并形成硅氧烷鍵。在PH為5-6時(shí)，多數(shù)二氧化硅膠體形成凝膠的趨勢(shì)最明顯。對(duì)于給定的二氧化硅粒度和濃度，膠凝期可以通過(guò)溶液的PH和/或溫度來(lái)調(diào)整。pH調(diào)節(jié)劑的濃度和離子強(qiáng)度調(diào)節(jié)劑的濃度在0.1到5wt%之間，優(yōu)選在0.1到1.5wt% 之間。注入的固結(jié)液的體積優(yōu)選等于待固結(jié)地層區(qū)域中孔體積至少的兩倍。所述地層區(qū)域一般不超過(guò)待固結(jié)區(qū)域孔體積的10倍。通常，待固結(jié)區(qū)域的深度在約15和約90cm之間，一般為約30cm。在待固結(jié)地層為非均質(zhì)的地方，固結(jié)步驟可以通過(guò)暫停技術(shù)(hesitationtechnique)來(lái)完成，由此泵送部分固結(jié)液，接著停止泵送一段時(shí)間，從而高滲透率區(qū)域-也就是高注入能力區(qū)域-被固結(jié)。重復(fù)該分段工序直至所有的固結(jié)液都被泵送。根據(jù)本發(fā)明的另一實(shí)施方案，固結(jié)液不僅包括膠體顆粒，還包括微米顆粒，例如沉淀二氧化硅顆粒。微米顆粒是指約0. 5到約100 u m的顆粒，更優(yōu)選為至少80%的顆粒具有約I到約60 y m的粒度的系統(tǒng)。微米顆粒易于進(jìn)入高滲透率區(qū)域，并在油藏壁上形成低滲透率濾餅，從而將固結(jié)液導(dǎo)向到低滲透率區(qū)域，并且促進(jìn)流體以均勻速率流過(guò)滲透率不同的固結(jié)區(qū)域。所述微米顆粒例如可以是云母，沉淀二氧化硅，熱解二氧化硅，非膨脹粘土或淀粉。實(shí)施例1 :懸浮液的選擇對(duì)10種含水膠體二氧化硅的商業(yè)懸浮液進(jìn)行測(cè)試。懸浮液的一些特征列于下表1，包括電荷(N:負(fù)，P :正)，平均粒度，二氧化硅含量，比表面(Ssp)和pH。懸浮液的凝膠化通過(guò)添加鹽(2ml的4M NaCl添加到14ml膠體懸浮液中，結(jié)果見(jiàn)表2)來(lái)實(shí)現(xiàn)，或者通過(guò)添加鹽酸(15wt%的酸水溶液添加到15ml膠體懸浮液中，結(jié)果見(jiàn)表3)來(lái)實(shí)現(xiàn)。在66°C下經(jīng)過(guò)2天之后，通過(guò)施加低應(yīng)力(凝膠耐力I)或高應(yīng)力(凝膠耐力5)，用刮板來(lái)估算凝膠耐力(gel resistance) 0根據(jù)凝膠耐力(I為非常低的凝膠強(qiáng)度，5為高凝膠強(qiáng)度)，估計(jì)值在I至IJ 5之間。表I
權(quán)利要求
1.一種完善地下地層中未固結(jié)區(qū)域的方法，包括注入膠體顆粒水溶液和至少一種選自PH調(diào)節(jié)劑和/或離子強(qiáng)度調(diào)節(jié)劑的成分，用以形成將顆粒結(jié)合在一起的硬凝膠從而固結(jié)所述區(qū)域的步驟，和隨后的水力壓裂所述固結(jié)區(qū)域的步驟。
2.如權(quán)利要求1所述方法，所述膠體顆粒平均直徑為4到lOOnm。
3.如權(quán)利要求1或2所述方法，所述膠體顆粒是二氧化硅顆粒。
4.如權(quán)利要求3所述方法，所述膠體二氧化硅顆粒以二氧化硅濃度為2到50wt%的溶液形式存在，且所述溶液可以含有濃度為O.1到10wt%的乙二醇、丙二醇或甲醇。
5.如上述權(quán)利要求任一項(xiàng)的方法，所述固結(jié)區(qū)域抗壓強(qiáng)度大于1.72MPa，待固結(jié)區(qū)域的深度為約15到90cm。
6.如上述權(quán)利要求任一項(xiàng)的方法，所述離子強(qiáng)度調(diào)節(jié)劑為鹽水，PH調(diào)節(jié)劑是酸或堿，且PH調(diào)節(jié)劑和/或離子強(qiáng)度調(diào)節(jié)劑的濃度為O.1到5wt%。
7.如上述權(quán)利要求任一項(xiàng)的方法，在水力壓裂步驟中，裂縫的長(zhǎng)度要大于固結(jié)區(qū)域深度的2倍，注入的固結(jié)液的體積為待固結(jié)地層孔體積的約2到10倍。
8.如上述權(quán)利要求任一項(xiàng)的方法,還包括使用暫停方案(hesitationscheme)注入固結(jié)處理物。
9.如上述權(quán)利要求任一項(xiàng)的方法，所述膠體顆粒是帶電的。
10.一種完善地下地層中未固結(jié)區(qū)域的方法，包括向所述區(qū)域注入膠體二氧化硅、微米顆粒、pH調(diào)節(jié)劑和/或離子強(qiáng)度調(diào)節(jié)劑的水溶液來(lái)形成將顆粒結(jié)合在一起的硬凝膠從而固結(jié)所述區(qū)域的步驟，和隨后的水力壓裂所述固結(jié)區(qū)域的步驟。
11.如權(quán)利要求10所述方法，所述微米顆粒選自下組，該組包括云母、沉淀二氧化硅、熱解二氧化娃、非膨脹粘土和淀粉,所述微米顆粒的80%粒度為約I到60 μ m。
全文摘要
一種完善地下地層中未固結(jié)區(qū)域的方法，該方法包括固結(jié)步驟。該固結(jié)步驟通過(guò)注入含有pH調(diào)節(jié)劑和/或離子強(qiáng)度調(diào)節(jié)劑的膠體顆粒水溶液來(lái)實(shí)現(xiàn)。形成的硬凝膠將顆結(jié)合在一起。固結(jié)后緊接著進(jìn)行水力壓裂。流向低滲透率區(qū)域的導(dǎo)向性可以通過(guò)微米顆粒的使用來(lái)改善。
文檔編號(hào)C09K8/504GK103015944SQ20121039671
公開(kāi)日2013年4月3日 申請(qǐng)日期2004年11月9日 優(yōu)先權(quán)日2003年11月11日
發(fā)明者塞繆爾.達(dá)尼坎, 戈?duì)柷欣?薩拉馬特, 亞歷詹德羅.佩納, 埃里克.尼爾森 申請(qǐng)人:施藍(lán)姆伯格技術(shù)公司