專利名稱：地下顆粒材料的傳送的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及地下至一個位置的顆粒材料的傳送。一種重要的應(yīng)用為一種對地下儲層進行水力壓裂并在壓裂中放置支撐劑以保持壓裂開放以作為流路的方法的一部分。然而，本發(fā)明還延伸至其他應(yīng)用，其中需要在地下，特別是在地下儲層中放置顆粒材料。據(jù)設(shè)想，本發(fā)明將與石油和天然氣的勘探和生產(chǎn)相連。
背景技術(shù)：
在地下位置放置顆粒材料是水力壓裂操作的非常重要的部分。這也可以通過各種在地下井上所進行的其他操作而完成，包括塞緊、轉(zhuǎn)移、井漏的控制以及區(qū)域隔離。水力壓裂是一種用于儲層模擬的成熟技術(shù)。在壓力下將流體泵入地層中，從而使地層的各部分開并在其中創(chuàng)建薄腔。當(dāng)泵送中斷時，在地層中的自然壓力往往會使壓裂關(guān)閉。為了防止壓裂完全關(guān)閉，在表面將固體顆粒材料(稱為支撐劑)與壓裂液混合并使用流體以將支撐劑運至壓裂中都是正常的做法。當(dāng)允許壓裂關(guān)閉時，其會在支撐劑上關(guān)閉且通至支撐劑顆粒間井筒的流路仍保持開放。然后，支撐劑會從壓在其上的地層巖石獲得相當(dāng)大的壓力。當(dāng)在表面將支撐劑與壓裂液混合并將支撐劑泵入井筒時，其會受到非常高的剪切。接著，支撐劑攜帶流體會在低剪切條件下沿井筒向下流動。隨后，它會轉(zhuǎn)動并流出井筒且流入地層中的壓裂處。進入壓裂處可能與剪切的增加相關(guān)，特別是如果對井筒套有套管時，流體會通過井筒中的穿孔從而進入壓裂處。一旦流體進入壓裂中，流體所受到的剪切會小的多且所漂浮的固體開始沉降出來。隨后，中斷泵送，這會允許壓裂在壓裂中充填的支撐劑上關(guān)閉。為了使流體能夠傳送懸浮液中的顆粒材料并使其跨置于壓裂表面上，常規(guī)的做法是使流體包括增粘增稠劑。通常情況下，接著會配制流體，從而在100秒―1達到至少為100厘泊的粘度。瓜爾膠被廣泛用于這一目的。也可使用瓜爾膠衍生物和粘彈性表面活性劑。然而，對于一些壓裂操作而言，特別是巖石具有低滲透性從而使至巖石的漏泄為非顯著問題時，優(yōu)選的做法為泵送流體，其通常稱為“滑溜水”，其為含有小百分比的減摩聚合物的水或鹽，其中減摩聚合物無法像增稠劑如瓜爾膠一樣提高粘度。這樣，流體具有低粘度。這會大大地減少泵送所需的能量，但是保持懸浮液中的顆粒材料則會變得更加困難，且通常會使用更高的泵流量。如石油工程師學(xué)會論文SPE98005、SPE102956和SPE1125068中所認(rèn)識到的那樣，被泵入大壓裂中的在滑溜水中懸浮的傳統(tǒng)支撐劑顆粒將比所需速度更快地沉淀出來并形成接近于井筒的所謂的“岸”或“丘”。由于這種過早的沉淀，可能無法沿壓裂運送支撐劑以支撐壓裂的全長，且可能無法在壓裂的整個垂直高度上放置支撐劑。當(dāng)停止泵送且允許壓裂關(guān)閉時，進一步從井筒獲得的壓裂的部分可能不含有足夠的支撐劑以保持其具有足夠的開度以達到所需的流動。其結(jié)果是，所支撐和有效的壓裂尺寸可能小于壓裂過程中所創(chuàng)建的尺寸。
改善顆粒支撐劑運輸?shù)囊环N方法為使用較低比重材料代替?zhèn)鹘y(tǒng)材料，即砂或其他相對較重的礦物(砂的比重大約為2.65)。SPE84308描述了一種輕質(zhì)支撐劑，其比重僅為1.75且為涂有樹脂的多孔陶瓷材料，從而可使陶瓷材料的細孔保持空氣填充。此論文還描述了一種比重為1.25的更輕的支撐劑，其基于磨碎的核桃殼。這開始成為一種“經(jīng)樹脂浸潰和涂覆以及化學(xué)修飾的核桃殼”。這些輕質(zhì)支撐劑更容易通過滑溜水進行懸浮和運輸，在SPE90838和SPE98005中則進一步討論了輕質(zhì)支撐劑的使用，且后面的論文表明與砂相比，盡管不能完全避免沉淀，也減少了沉淀。還公開大量其他的涉及比砂更輕的支撐劑。美國專利4，493，875和7，491，444 以及美國專利申請 2005/096，207，2006/016, 598 以及 2008/277，115 提供了相關(guān)實例。輕質(zhì)支撐劑所具有的一個公認(rèn)的問題是他們經(jīng)常不像砂子一樣強硬且當(dāng)允許水力壓裂在壓裂中放置的支撐劑上關(guān)閉時，其具有被部分壓碎的風(fēng)險。美國2007/015669以及 TO2009/009886 和 2010 年 I 月 /2 月出版的 “Lightening the LoacTNew TechnologyMagazine的43和44頁都公開了尋求避免該問題的一種顆粒支撐劑懸浮的方法。根據(jù)這些文件的教義，傳統(tǒng)的支撐劑(如砂等)需進行處理以具有表面疏水性并被添加至支撐劑和水的漿液中。氣泡吸附至疏水性固體顆粒上，從而被吸附的氣體可使顆粒具有更低的有效密度。描述這種方法的文獻主張采用這種方法的理由是傳統(tǒng)的砂既便宜，又比輕質(zhì)支撐劑強硬。在壓裂中使支撐劑的沉降速度減緩的另一種方法為在組成中包含纖維材料。SPE102956教導(dǎo)包含纖維會在壓裂液中創(chuàng)建基于纖維的網(wǎng)絡(luò)，其中壓裂液可混有支撐劑并減少支撐劑的沉降。美國專利7，665，522公開了壓裂液，其含有增粘劑、支撐劑、用于形成泡沫(因此該液體被稱之為“增能液”)的氣體以及用于改善支撐劑懸浮和運輸?shù)睦w維。雖然疏水性纖維有可能是順便提及的，但有人卻指出疏水性纖維是優(yōu)選材料。
發(fā)明概要根據(jù)本發(fā)明的一個方面，提供了一種井筒流體，其包括水性載液、懸浮在其中的疏水性纖維、同樣懸浮在載液中的疏水性顆粒材料，以及用于濕潤顆粒表面并將其綁定在一起用作附聚物的氣體。在本發(fā)明的第二個方面，提供了 一種在地下傳送顆粒材料的方法，其包括在地下供應(yīng)流體組合物，該流體組合物包括其中懸浮有疏水性纖維和疏水性顆粒材料的水性載液，該流體還包括濕潤顆粒和纖維表面并將其綁定在一起的氣體，從而在地下通過氣體將顆粒材料和纖維的附聚物結(jié)合在一起。使用疏水性顆粒材料、疏水性纖維和氣體的結(jié)合可抑制所述顆粒材料從水性液體中沉淀出來。幾種效果會共同起作用:由于氣體會起作用以濕潤材料和其附聚物的表面，所以顆粒材料可被粘附至纖維上；纖維會形成一個網(wǎng)絡(luò)，其會阻礙附至網(wǎng)絡(luò)的顆粒材料的沉降，且附聚物含有氣體，因此其堆積密度小于附聚物中所含固體的比重。
特別地，顆粒材料有可能小于纖維長度。將其放置的更精確:顆粒材料的中值粒度有可能小于纖維的中值長度。事實上，90體積％的顆粒材料可能具有最大的粒度，其可能小于纖維中值長度的一半,且可能小于其1/5。優(yōu)選地，可設(shè)想井筒流體為壓裂液，且其中的疏水性顆粒材料被用作支撐劑。疏水性顆粒材料的粒度和粒度分布可滿足以下條件:90%顆粒的粒度小于1_。疏水性纖維可能具有大于1_的中值長度，可能大于2_，且纖維直徑不大于100微米。在本發(fā)明用于壓裂地層的實施方案中，地層可以是氣藏，且壓裂步驟后可從地層通過壓裂產(chǎn)生氣體、氣體凝析物或其組合，并使其進入與其流體連通的生產(chǎn)導(dǎo)管中。當(dāng)組合物受到剪切時，可防止或逆轉(zhuǎn)附聚。正如已經(jīng)提及的那樣，被泵入井下的組合物在井下的旅程中會受到不同量的剪切。因此，附聚可能發(fā)生在顆粒材料被傳送至的地下位置。然而，在向地下位置流動的過程中可能發(fā)生或開始附聚，且材料在地下位置上會實現(xiàn)其目的。我們已經(jīng)觀察到在使用具有相同尺寸的疏水性顆粒材料的比較實驗中疏水性顆粒材料仍保持懸浮，顆粒材料不在疏水性纖維中懸浮，反而從中沉降出來。抑制顆粒固體的沉淀使其可以更有效地被運輸至其預(yù)定目的地。在水力壓裂的背景下，在停止泵送后仍保持撐開的壓裂(即壓裂區(qū)域)長度和/或垂直高度大于僅使用顆粒材料無纖維的情況下可能達到的長度和/或垂直高度。顆粒材料和纖維必須具有疏水性表面，從而使其可進行附聚。他們可由固有疏水的材料而形成或為親水但卻在其表面具有疏水涂層的材料而形成。例如，通常用作支撐劑的普通二氧化硅為親水的且在水存在的情況下無法通過油或氣體而附聚。相反，我們已發(fā)現(xiàn)表面進行處理以使其更疏水的砂子在油、空氣或氮氣存在的情況下將自發(fā)附聚。用于本發(fā)明的顆粒材料可以是經(jīng)疏水改性的砂子。同樣地，玻璃纖維為疏水性的且無法通過油或氣體附聚，但可對其進行表面處理從而使其具有疏水性。固體(其制有光滑且平坦表面)表面極性的定量指標(biāo)為Zisman首倡的臨界表面張力的概念(見 Fox 和 Zisman J.Colloid Science 第 5 卷(1950)第 514-531 頁及第 529頁)。其為表面張力值，從而使具有低于或等于該值的對空氣表面張力的液體可在固體表面上傳播，而具有較高表面張力的液體則會在表面上仍以液滴的形式存在，且其具有大于零的接觸角。強疏水性固體具有較低的臨界表面張力。例如，文獻引用的聚四氟乙烯(PTFE)的臨界表面張力為18.5mN/m,且涂有十七氟代-1，1，2，2-四氫-癸基-三氯硅烷的固體的臨界表面張力的文獻值為12mN/m。相反,鈉鈣玻璃和二氧化硅的臨界表面張力的文獻值分別為47和78mN/m。我們已發(fā)現(xiàn)可通過使用具有低表面張力的極疏水油(優(yōu)選為硅油)以及逐步增加乙醇比例的乙醇和水的混合物搖動固體而對顆粒固體表面的疏水性進行模擬測量。這可以在室溫20°C下完成。在CRC Handbook of Chemistry and Physics第86版第6部分的第131頁有多種乙醇和水的混合物的表面張力的列表。也可對纖維進行該測量。在水相中(即，乙醇和水的混合物)增加乙醇的比例可降低其表面張力。最后，當(dāng)水相的表面張力很低，以至于固體不能再通過油附聚時，可達到一個點。在通過油無法進行附聚時的邊界值為固體疏水性的量度，且我們會將其稱為“附聚極限表面張力”或ALST。我們已經(jīng)觀察到在與油接觸時可從去離子水中的懸浮液進行自發(fā)聚集的顆粒固體的ALST值始終約為40mN/m或更小。該ALST測試覆蓋實際利益的值的范圍，但應(yīng)理解如果未發(fā)生附聚，該測試不會給出以數(shù)字表示的ALST值，但會表明表面不具有40mN/m或更小值的ALST值。此外，如果表面的ALST值低于純乙醇(20V為22.4mN/m)的表面張力，該測試將不給出以數(shù)字表示的ALST值，但將顯示ALST值不高于22.4mN/m。當(dāng)顆粒材料或纖維不具有固有的疏水性，可使用不同方法以改性顆?；蚶w維的表面，以使其變得更疏水-這些方法包括下列方法，其中前三種方法提供了通過共價鍵合將涂層結(jié)合至基質(zhì)上。有機娃燒可用于將疏水性有機基團附至輕基官能化的礦物基質(zhì)，如_■氧化娃、娃酸鹽和鋁硅酸鹽所組成的支撐劑。眾所周知，可使用具有一個或多個功能集團(例如:氨基、環(huán)氧基、酸氧基、甲氧基、乙氧基或氣基)的有機娃燒以將疏水性有機層涂至_■氧化娃上?？稍谟袡C溶劑中或汽相中進行該反應(yīng)(可參見實例Duchet等人，Langmuir (1997)第13 卷第 2271-78 頁)。也可使用有機鈦酸鹽和有機鋯酸鹽，如美國專利4623783所公開的那些。文獻表明有機鈦酸鹽可用于修改不含表面羥基基團的礦物，其可擴展材料的范圍使其進行表面改性,例如包括碳酸鹽和硫酸鹽?？s聚工藝可用于涂覆含有通式為P-(CH2)3-X的有機官能化配體集團的聚硅氧烷涂層，其中P為三維二氧化硅類網(wǎng)絡(luò)，且X為有機官能團。該工藝涉及四烷氧基硅烷Si (OR) 4和三烷氧基硅烷(RO)3Si(CH2)3X的水解縮聚。此類涂層的優(yōu)點為可通過采用Si (OR)4和(RO) 3Si (CH2) 3X不同摩爾比而制備涂層，從而提供對所處理表面疏水性的“可調(diào)”控制?？墒褂靡环N流化床涂層工藝將疏水性涂層涂覆在顆粒固體基質(zhì)上。涂層材料通?？梢宰鳛槿芤憾谟袡C溶劑中進行應(yīng)用，然后則在流化床內(nèi)蒸發(fā)溶劑。

可使用吸附方法將疏水涂層附至礦物基質(zhì)上。單層表面活性劑可用于將礦物表面的潤濕性從水濕改為油濕。也可通過吸附附加疏水改性的聚合物。在配制井筒流體前可作為單獨的化學(xué)工藝進行上述表面改性工藝。并不一定要在井場進行這種使材料具有疏水性的預(yù)處理；事實上，可以在其他工業(yè)設(shè)施處完成預(yù)處理并將預(yù)處理材料運至井場。然而，也可在井場進行某些上述工藝，特別是吸附工藝，并將其作為混合程序的一部分，其中井筒流體則是在混合程序中制成的。本發(fā)明所用的固體顆粒材料的形狀和大小可以有很大的不同。顆?？梢跃哂幸陨傲榈湫偷男螤?，其中砂粒的形狀可被粗略地描述成“更像球形而不是細長的”，其中最長尺寸與和其正交的最短尺寸之間的縱橫比可能為5或更小甚或為2或更小。其它形狀，如圓筒或立方體都是有可能的，特別是如果顆粒為所制造的陶瓷產(chǎn)品時。另一種可能性為固體顆粒可具有板狀形式，如使用云母顆粒的情況一樣。一般來說，中值粒度不可能大于5_且縱橫比不可能超過25。中值粒度更可能為3mm或更小，且優(yōu)選為1.6mm或更小。本發(fā)明的實施方案可以使用固體顆粒的混合物，其中中值粒度小于1_。可參考篩分粒度方便地指定粒度，如用于支撐劑材料的傳統(tǒng)做法一樣。美國石油協(xié)會推薦做法(API RP)標(biāo)準(zhǔn)56和60通過規(guī)定上下美國篩分粒度而指定了多個支撐劑尺寸。90%重量的樣品應(yīng)通過較大的篩，但卻能保留在較小的篩上。因此，“20/40砂”意為具有粒度分布的砂，從而可使90%重量的砂通過20目(840微米)的篩，而卻保留在40目(420微米)的篩上。相應(yīng)地，90%重量的70/140砂樣本可通過70目(210微米)篩，但卻保留在140目(105微米)篩上，其中70/140砂為這些標(biāo)準(zhǔn)所識別的最小尺寸。應(yīng)理解的是，對于通過上、下篩分粒度所指定的任何支撐劑而言，中值和平均粒度介于上、下篩分粒度之間。另一種用于確定顆粒尺寸的方法為常用的小角激光光散射技術(shù)，其更通常的叫法為激光衍射。用于實施此技術(shù)的儀器可從包括英國馬爾文的Malvern Instruments Ltd.的多個供應(yīng)商處獲得。馬爾文激光粒度儀為知名的用于確定單個顆粒體積的儀器，可使用儀器附帶的計算機軟件從馬爾文激光粒度儀獲得平均和中值粒度。當(dāng)使用這種儀器確定粒度時，單個顆粒的尺寸被報告成相同體積的球形顆粒的直徑，即所謂的“等效球體”。以DV，05或d5(l表示的體積中值直徑為粒度值，從而使50體積％顆粒的體積大于直徑為d5(l的球體的體積，且50%顆粒的體積小于直徑為d5(l的球體的體積。如果顆粒大致為球球,則由小角激光光散射所確定的粒度與篩分所確定的粒度相類似。然后，以同樣方式測得的d1(l和d9(l值則可方便的指出其粒度分布。樣本中10%體積的顆粒具有小于d1(l的等效直徑。90體積％的顆粒小于d9(l，因此10體積％的顆粒大于d9(l。d1(l和d9(l值越接近，粒度分布越窄。在本發(fā)明的第一顆粒材料為用于水力壓裂的支撐劑的形式中，第一顆?？删哂猩舷蕹叽?，其類似于傳統(tǒng)支撐劑的尺寸，如10目(2毫米)或20目(840微米)。其粒度特性可以如下:
權(quán)利要求
1.一種井筒流體，其包括水性載液、懸浮在其中的疏水性纖維、同樣懸浮在所述載液中的疏水性顆粒材料，以及用于濕潤所述顆粒的表面并將其綁定在一起用作附聚物的氣體。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的流體，其中所述懸浮顆粒材料的顆粒比重至少為1.8且其最大尺寸不大于1.0mm。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的流體，其中90體積％的顆粒材料具有最大的粒度，所述最大粒度小于所述纖維的中值長度的1/5，且所述顆粒材料與纖維的比值以體積計位于30:1至3:1的范圍中。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的流體，其中所述疏水性顆粒材料的體積中值粒度d5(l不大于200微米，其被確定為等效體積的球體的中值直徑，且所述纖維的長度為3mm或更長。
5.根據(jù)權(quán)利要求1至4任一項所述的流體，其中所述疏水性顆粒材料為具有疏水性表面涂層的顆粒材料，且所述纖維為具有疏水性表面涂層的玻璃纖維。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的流體，其中所述水性載液基本上不含增粘聚合增稠劑，且當(dāng)在20°C以100秒―1的剪切速率測量粘度時，其粘度小于15厘泊，且其中所述水性載液包含一種或多種減阻劑，其總量不大于I % (重量)。
7.—種在地下傳送顆粒材料的方法，其包括在地下供應(yīng)流體組合物，所述流體組合物包括其中懸浮有疏水性纖維和疏水性顆粒材料的水性載液，所述流體還包括濕潤所述顆粒和纖維的表面并將其綁定在一起的氣體，從而在地下通過所述氣體將所述顆粒材料和纖維的附聚物結(jié)合在一起。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的方法，其包括經(jīng)井筒將所述組合物以這樣的方式傳送至地下位置:防止在所述井筒中產(chǎn)生附聚，卻可允許在所述地下位置發(fā)生附聚。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的方法，其包括經(jīng)井筒將所述載液、所述疏水性纖維、所述顆粒材料和所述氣體傳送至地下位置，但在沿所述井筒向下運行的至少部分中，防止所述氣體與所述纖維和顆粒的疏水性表面之間的接觸。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的方法，其中所述井筒定義了至少兩個單獨的導(dǎo)管，所述方法包括沿一個導(dǎo)管傳送載液以及纖維和顆粒材料，且沿另一個單獨導(dǎo)管傳送氣體。
11.根據(jù)權(quán)利要求7至10任一項所述的方法，其中90體積％的所述顆粒材料具有最大粒度，其小于所述纖維中值長度的1/5。
12.根據(jù)權(quán)利要求7至11任一項所述的方法，其中所述疏水性顆粒材料的體積中值粒度d5(l不大于200微米，其被確定為等效體積的球體的中值直徑，且所述纖維的長度為3mm或更長。
13.根據(jù)權(quán)利要求7至12任一項所述的方法，其中所述顆粒材料與纖維的比值以體積計位于30:1至3:1的范圍中。
14.根據(jù)權(quán)利要求7至13任一項所述的方法，其中所述第一顆粒材料具有疏水性表面涂層且所述纖維為具有疏水性表面涂層的玻璃纖維。
15.根據(jù)權(quán)利要求7至14任一項所述的方法，其為水力壓裂的方法，在壓力下將為壓裂液的所述組合物向下泵入所述井筒以導(dǎo)致滲透性不超過10毫達西的地下儲層壓裂，且將所述第一顆粒材料作為支撐劑以在壓裂中保持打開多孔流路。
全文摘要
一種井筒流體，其包括水性載液、懸浮在其中的疏水性纖維、同樣懸浮在所述載液中的疏水性顆粒材料，以及用于濕潤顆粒的表面并將其綁定在一起用作附聚物的氣體。所述載液可為滑溜水壓裂液且可用于壓裂密集的氣藏。使用疏水性顆粒材料、疏水性纖維和氣體的組合可抑制所述顆粒材料從水性液體中沉淀出來。因為所述氣體會起作用以濕潤材料和其附聚物的表面，可將所述顆粒材料粘附在所述纖維上；所述纖維會形成一個網(wǎng)絡(luò)，其會阻礙附至所述網(wǎng)絡(luò)的所述顆粒材料的沉降，且所述附聚物含有氣體，因此其堆積密度小于所述附聚物中所含固體的比重。
文檔編號E21B43/26GK103180547SQ201180051165
公開日2013年6月26日 申請日期2011年8月15日 優(yōu)先權(quán)日2010年8月25日
發(fā)明者特雷弗·休斯, 葉夫根尼·巴爾馬托夫, 吉爾·格迪斯, 米歇爾·富勒, 布魯諾·德羅肖恩, 謝爾蓋·馬卡雷切夫-米哈伊洛夫 申請人:普拉德研究及開發(fā)股份有限公司