專利名稱：利用柔性凝膠系列物質(zhì)加固沙層的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及為了減小顆粒流入井筒內(nèi)而對(duì)含烴巖層的加固。這種加固是通過把柔性凝膠系列物質(zhì)注入到巖層內(nèi)來進(jìn)行的。
背景技術(shù)：
穿過含烴地層鉆進(jìn)一井眼，就可以從地下的地層(即儲(chǔ)集層)中獲得烴類物質(zhì)(油，天然氣，等)。這就為烴類物質(zhì)提供了流到地面的部分流通路徑。為了對(duì)所說的烴類物質(zhì)進(jìn)行“開采”，使烴類物質(zhì)從地層流向井筒(最終流向地面)，就必須具有從地層到井筒的未被充分阻礙的流通路徑。該流通路徑流過地層巖石，例如沙巖，碳酸鹽，這些巖石具有一些孔，這些孔具有足夠大的尺寸，足夠的連通性，足夠的數(shù)目，從而能提供可讓烴類物質(zhì)經(jīng)過地層流動(dòng)的通道。
當(dāng)從一井眼中開采烴類物質(zhì)時(shí)，一些地層顆粒會(huì)隨著烴類物質(zhì)從地層流經(jīng)井筒，并流到地面。在一些包括沙子、沙巖、白堊或石灰石的松軟地層中，是很有可能存在一些地層顆粒的。顆粒隨著烴類物質(zhì)一起流動(dòng)是很不利的。顆粒流經(jīng)井筒會(huì)侵蝕井筒內(nèi)和地面上的設(shè)備，從而導(dǎo)致需要對(duì)這些設(shè)備進(jìn)行更換。在對(duì)烴類物質(zhì)進(jìn)行加工之前，必須得把所采出的烴類物質(zhì)中所含的顆粒除去。此外，顆粒會(huì)駐留在井筒內(nèi)，使烴類物質(zhì)的流出量大大減小，甚至?xí)篃N類物質(zhì)完全被堵住。
減少地層顆粒流入井筒的一種方法就是使用砂礫封隔(gravel pack)。通常，在井筒套管周圍放置一過濾網(wǎng)。然后，在該過濾網(wǎng)與套管之間填入砂礫。砂礫封隔也能用于裸露井眼(即，沒有套管的井筒)，或者是，在不采用砂礫封隔的情況下也能使用過濾網(wǎng)。放置高于地層破裂壓力的砂礫可以被稱作“破裂封隔”。隨著從地層中進(jìn)行開采烴類物質(zhì)，這些烴類物質(zhì)在流入井筒之前先流過砂礫封隔和/或過濾網(wǎng)。砂礫封隔和/或過濾網(wǎng)能阻止顆粒的流過，但在正常情況下基本上不會(huì)阻礙烴類物質(zhì)的開采。然而，放置砂礫封隔和過濾網(wǎng)需要專門的設(shè)備，砂礫封隔和過濾網(wǎng)會(huì)造成機(jī)械限制，會(huì)使機(jī)械設(shè)備被堵塞，或者因顆粒的流動(dòng)面使機(jī)械設(shè)備被侵蝕。因此，希望具有一種用于在未加固的地層中進(jìn)行完井的方法，這種方法不使用砂礫封隔或不使用過濾網(wǎng)，或者是兩者都不采用。
另一種方法涉及通過注入含有諸如樹脂的加固流體來對(duì)地層進(jìn)行加固。傳統(tǒng)的加固流體，例如注冊(cè)商標(biāo)為SANDLOCK的系列物質(zhì)(Schlumberger)，含有樹脂，可選擇的固化劑，催化劑，以及油濕潤劑。當(dāng)把這種傳統(tǒng)的加固流體注入地層時(shí)，樹脂(與硬化劑和催化劑相互作用，如果有的話)就會(huì)硬化，把地層加固到一種剛硬狀態(tài)，并減小地層顆粒的濃度。這些系列物質(zhì)被設(shè)計(jì)成能保持地層的滲透性，以便允許對(duì)烴類物質(zhì)進(jìn)行開采。在美國專利US5806593，US5199492，US4669543，US4427069，US4291766中公開了一些加固流體以及這些加固流體的用途。在美國專利US5712314中描述了用于控制水的柔性呋喃樹脂系列物質(zhì)。
然而，傳統(tǒng)的加固流體具有眾多的缺陷。其中一個(gè)缺陷是利用樹脂的硬化對(duì)地下的地層進(jìn)行加固時(shí)固有的缺陷因?yàn)楸患庸痰牡貙邮艿絹碜灾車貙拥拇罅康膽?yīng)力，因此樹脂最好能向地層提供一個(gè)非常大的耐壓強(qiáng)度。在實(shí)驗(yàn)室中通過對(duì)這種經(jīng)過加固流體處理過的地層樣本的非限制性耐壓強(qiáng)度(UCS)進(jìn)行測(cè)量，就可以測(cè)定出這個(gè)被增大的耐壓強(qiáng)度。如果被加固地層的耐壓強(qiáng)度沒有足夠大，那么，剛硬的被加固的地層會(huì)發(fā)生破碎，這種破碎又會(huì)產(chǎn)生沙子，這種結(jié)果是很不利的。
當(dāng)把大量的流體注入到地層內(nèi)以便提供足夠大的耐壓強(qiáng)度時(shí)，傳統(tǒng)的加固流體的其它一些缺陷就會(huì)變得很明顯。增大所說的耐壓強(qiáng)度，就需要很復(fù)雜的處理進(jìn)程。增大樹脂的濃度通常是不利的，因?yàn)闃渲喈?dāng)昂貴，并且還會(huì)造成環(huán)境污染。
因此，希望有這樣一種加固流體，一旦把這種加固流體用于對(duì)地層進(jìn)行加固，這種加固流體會(huì)使得地層發(fā)生破碎的的可很性很小。此外，還希望能夠以一種簡單的，最好是以單一的處理步驟就能注入加固流體。還希望加固流體所含的物質(zhì)是一些相當(dāng)便宜的且符合環(huán)保要求的物質(zhì)。
在轉(zhuǎn)讓給了Unocal的美國專利US5246073，US5335733，US5486312，US5617920中描述了一種流體，這種流體含有聚乙烯聚合物，聚甲基丙烯酰胺，纖維素醚，多聚糖，木素磺化鹽，前面所述物質(zhì)的銨鹽或堿金屬鹽，或木素磺化堿土鹽；交聯(lián)試劑，例如，醛(aldehyde)，二醛，苯酚，取代苯酚，醚，多價(jià)金屬，螯合的多價(jià)金屬，或能產(chǎn)生多價(jià)金屬的化合物。這種流體中的一種可以從市場上購得，其商標(biāo)為“OrganoSEAL-R”。這些參考文獻(xiàn)給出了這樣的教導(dǎo)，即，這種流體能被用于對(duì)井筒進(jìn)行密封，以便防止被來自井筒穿過的含水地層中的水所污染。
在轉(zhuǎn)讓給了Marathon Oil公司的美國專利US4683949中描述了一種流體，這種流體含有聚丙烯酰胺和鉻III/羧酸鹽復(fù)合物交聯(lián)試劑。這種流體在市場上可以購買到，其商標(biāo)為“MARASEAL”。這些參考文獻(xiàn)也可給出了這樣的教導(dǎo)，即，這種流體能被用于對(duì)井筒進(jìn)行密封，以便防止被來自井筒穿過的含水層中的水所污染。
在Zeltmann等人的被轉(zhuǎn)讓給了Halliburton Energy Services公司的美國專利US6047773中，公開了使用粘性流體，例如使用含有羥乙基纖維素，瓜耳膠(guar)，或丙烯酸的流體，以便占據(jù)井筒，從而形成阻止激勵(lì)流體進(jìn)入地層的阻擋層。這種粘性的阻擋層本身并不滲透地層。
在美國專利US6011075中，描述了一種用于增大柔性凝膠的儲(chǔ)能模量G’同時(shí)保持柔性的方法。
發(fā)明概述本發(fā)明涉及一種加固地下地層的方法，包括以下步驟(i)提供一種加固流體，其中，該加固流體含有一凝膠組分和一凝膠形成劑；(ii)在加固流體形成一柔性凝膠的狀態(tài)下把加固流體注入到地層內(nèi)，從而對(duì)地層進(jìn)行加固。
在另一個(gè)實(shí)施例中，本發(fā)明涉及一種對(duì)堵塞的砂礫封隔或破裂封隔進(jìn)行修補(bǔ)的方法。這種方法包括(i)提供上述的一種加固流體，(ii)在加固流體形成一種柔性凝膠的狀態(tài)下把加固流體注入砂礫中，從而對(duì)所說的砂礫進(jìn)行加固。于是，就能在發(fā)生破裂之后，穿過過濾網(wǎng)和加固的砂礫然后進(jìn)入地層進(jìn)行穿孔。
根據(jù)本發(fā)明的處理方法還可以包括以下步驟把一壓裂流體(fracturefluid)注入加固的地層內(nèi)，最終進(jìn)入到已被加固的砂礫封隔內(nèi)，從而形成一種破裂地層。本發(fā)明的方法還可包括以下步驟對(duì)已被加固的地層進(jìn)行穿孔，以便形成一穿有孔的地層。于是，這種破裂的或穿有孔的地層就能開采出烴類物質(zhì)。
本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)有形成加固地層，并且破裂的可能性小。這種破裂的可能性小是由于利用柔性凝膠作為加固劑的緣故。盡管在本行業(yè)中已知的一些加固流體都是通過增大地層的強(qiáng)度來盡力避免已被加固的地層發(fā)生破裂，然而，根據(jù)本發(fā)明所采用的柔性凝膠卻使地層強(qiáng)度增大很小。相反，本發(fā)明中是利用凝膠的柔性使得加固地層發(fā)生破裂的可能性小。此外，本發(fā)明的加固流體可以按照一種簡單的處理進(jìn)程被注入?？偟貋碚f，形成所說柔性凝膠的一些凝膠組分是相當(dāng)便宜的，并且還符合環(huán)保要求。
優(yōu)選實(shí)施例的詳細(xì)描述加固流體的組分雖然在這里把本發(fā)明中的組合物描述成包括一些物質(zhì)，但是，應(yīng)當(dāng)知道，所說的組合物可以可選擇性地含有兩種或更多種不同的化學(xué)物質(zhì)。例如，組合物可含有兩種或更多種凝膠組分，交聯(lián)試劑，或其它一些添加劑的混合物，只要混合物中的化合物能適合把所形成的合成物用作加固流體即可。
加固流體是以一種水溶液為基礎(chǔ)的。這種溶液可包括緩沖劑，pH控制劑，和用于提高穩(wěn)定性或提高流體的功能性的各種其它添加劑。
可用于本方法中的加固流體含有一種凝膠組分。在這里，術(shù)語“凝膠組分”是一種至少在一些下井條件下能形成一種柔性凝膠的化合物。如果凝膠組分是一種聚合物，那么，柔性凝膠是由這種聚合物的交聯(lián)形成的，優(yōu)選地是呈三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。如果凝膠組分是一種單體，那么，柔性凝膠是通過聚合而形成的，優(yōu)選地是形成一種三維聚合物網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。
在本申請(qǐng)中，“柔性凝膠”是一種在對(duì)地層進(jìn)行加固之后基本上呈非剛硬性的凝膠。利用下面任何一種或多種技術(shù)就能確定凝膠的非剛硬性。非剛硬性的凝膠是這樣一種凝膠，即，這種凝膠在受到至少約10％，優(yōu)選地是至少約25％，更優(yōu)選地是約大于50％的線性應(yīng)力的壓縮之后會(huì)基本上回復(fù)到起始狀態(tài)。(在很小的范圍上可能會(huì)產(chǎn)生微小的永久變形)。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)程進(jìn)行測(cè)定時(shí)，用柔性凝膠加固的松軟沙子(40-60 U.S.網(wǎng)孔)的非限制性耐壓強(qiáng)度(UCS)通常為約2磅/平方英寸(psi)至約400磅/平方英寸，優(yōu)選地是約2磅/平方英寸至約50磅/平方英寸。(應(yīng)當(dāng)注意，柔性凝膠本身的非限制性耐壓強(qiáng)度通常小于約5磅/平方英寸)。根據(jù)在美國專利US6011075中所給出的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)程進(jìn)行測(cè)量，柔性凝膠的儲(chǔ)能模量G’通常為約150達(dá)因/平方厘米至約500,000達(dá)因/平方厘米，優(yōu)選地是從約1000達(dá)因/平方厘米至約200,000達(dá)因/平方厘米，更優(yōu)選地是從約10,000達(dá)因/平方厘米至約150,000達(dá)因/平方厘米。
這種柔性凝膠的另一個(gè)特征就是這種凝膠顯著地減小了地層或砂礫封隔的滲透性，這就是說減小滲透性至少約90％，優(yōu)選地是至少約95％，更優(yōu)選地是至少約99％。
能夠形成柔性凝膠的凝膠組分包括下列示例性的水溶性聚合物，共聚物，或三元共聚物聚乙烯聚合物(例如聚乙烯醇或聚乙酸乙烯酯)，聚丙烯酰胺，丙烯酰胺共聚物和三元共聚物，丙烯酸一甲基丙烯酰胺共聚物，部分水解的聚丙烯酰胺，聚甲基丙烯酰胺，部分水解的聚甲基丙烯酰胺，纖維素醚，多聚糖，雜多糖，木素磺化鹽，聚環(huán)氧烷烴，羧基纖維素，羧基烷基羥乙基纖維素，羥乙基纖維素，半乳甘露聚糖，取代的半乳甘露聚糖，前述物質(zhì)的銨鹽或堿金屬鹽，以及其中的木素磺化鹽的堿土鹽。
能被用作凝膠組分的示例性的水溶性可聚合單體包括丙烯酸，丙烯酰胺，甲基丙烯酸，甲基丙烯酰胺，羥乙基丙烯酸鹽，馬來酸，二烯丙二甲基氯化銨，亞甲雙丙烯酰胺，尿素，乙烯基乙酸，苯乙烯磺酸，以及它們的鹽，或它們的混合物。這里的列舉并不是窮舉。
在加固流體中，聚合的凝膠組分的濃度為該凝膠組分所占重量比為約1％至約10％，優(yōu)選地是約4％至約8％，更優(yōu)選地是約5％至約7％。單體凝膠組分的濃度為該單體凝膠的重量比為約2％至約60％，優(yōu)選地是約5％至45％，更優(yōu)選地是約15％至30％。
這種加固流體還含有凝膠形成劑。所稱的“凝膠形成劑”是指至少在一些下井條件下有助于使凝膠組分形成柔性凝膠的化合物或混合物。如果凝膠組分是聚合物的話，那么，凝膠形成劑優(yōu)選地是交聯(lián)試劑，即，能把聚合物分子進(jìn)行交聯(lián)以便形成三維網(wǎng)絡(luò)。例如，有機(jī)交聯(lián)試劑包括醛，二醛，苯酚，取代苯酚，醚。但有機(jī)交聯(lián)試劑并不局限于所列舉的這些。無機(jī)交聯(lián)試劑的例子包括多價(jià)金屬，螯合的多價(jià)金屬，或能產(chǎn)生多價(jià)金屬的化合物。但無機(jī)交聯(lián)試劑并不局限于所列舉的這些。
如果凝膠組分作為單體提供，那么優(yōu)選地是，凝膠形成劑能夠把單體進(jìn)行交聯(lián)，或?qū)误w的聚合進(jìn)行催化，以便形成三維網(wǎng)絡(luò)。
加固流體中，凝膠形成劑的濃度通常為重量比約0.001％至約5％，優(yōu)選地是約0.005％至約2％，更優(yōu)選地是約0.01％至約1％。
可選擇的方案是，如果凝膠組分是單體，并且選用凝膠形成劑來對(duì)該單體進(jìn)行交聯(lián)，那么，加固流體還可含有水溶性引發(fā)劑，以便起動(dòng)所說的交聯(lián)反應(yīng)。例如，引發(fā)劑包括氧化劑，諸如過硫酸銨；或偶氮化合物，諸如2，2’-偶氮雙(2-脒基丙烷)二氫氯化物等。以重量比計(jì)，引發(fā)劑的濃度為約0.0001％至約5％?？蛇x擇地是，可以加入一些用于加速或放慢引發(fā)作用的試劑，例如鐵氰化鉀。
優(yōu)選地是，直到加固流體被注入到地層之后，這些加固流體才形成凝膠。在注入之前，加固流體是一種可流動(dòng)的溶液，這種可流動(dòng)的溶液能被容易地泵送，也能被進(jìn)行其它的處理。為了防止加固流體凝固，直到把加固流體注入到地層內(nèi)，優(yōu)選地是，加固流體是在要注入地層之前形成的。通常，凝膠形成劑是在后面的形成過程期間被加入到初生的加固流體中最后的成分。此外，也可以采用另外的方法來防止注入前發(fā)生凝固，例如，把凝膠組分和凝膠形成劑分開；添加阻凝劑，當(dāng)暴露于下井條件時(shí)，這些阻凝劑會(huì)容易地降解掉；或者是，利用一種由溫度引發(fā)的反應(yīng)。無論采用哪一種方法，都要求在注入之后，允許容易地進(jìn)行凝固，例如，在下井溫度下，使乳化劑相對(duì)于地層表面發(fā)生溶解(strip)，或使阻凝劑發(fā)生降解。如果通過在要使用之前制備加固流體的方法來阻止過早凝固，那么，通常在注入之后將會(huì)容易地進(jìn)行凝固。
加固流體還可含有穩(wěn)定劑，表面活性劑，導(dǎo)引劑，或其它添加劑。
在下井中形成柔性凝膠之后，可加入穩(wěn)定劑來減慢柔性凝膠的降解。穩(wěn)定劑通常包括緩沖劑，尤其是能夠在pH約為8.0或更大的情況下能夠緩沖的試劑(例如，水溶性碳酸氫鹽，碳酸鹽，磷酸鹽，或它們的混合物，等)；螯合試劑(例如，乙二胺四乙酸(EDTA)，氮基三乙酸(NTA)，或二亞乙基三胺五乙酸(DTPA)，羥基乙基亞乙基二胺三乙酸(HEDTA)，羥基乙基亞氨基二乙酸(HEIDA)，等)。被加入到加固流體中的緩沖劑的重量比通常至少約0.05％，優(yōu)選地是至少約0.75％。在下井環(huán)境中會(huì)遇到的情況是，被加入到加固流體中的螯合試劑通常至少約0.75摩爾/摩爾金屬離子，優(yōu)選地是至少約0.9摩爾/摩爾金屬離子。
可以加入表面活性劑以便促進(jìn)加固流體組分的擴(kuò)散或乳化，或者是在下井形成柔性凝膠時(shí)使柔性凝膠起泡沫。可采用的表面活性劑包括烷基聚環(huán)氧乙烷硫酸鹽，烷基醇胺硫酸鹽，改性醚乙醇硫酸鈉鹽，或鈉月桂基硫酸鈉，等。被加入到加固流體中的表面活性劑的重量比通常約0.01％至約10％，優(yōu)選地是約0.1％至約2％。通常，在即將注入之前把表面活性劑加入到加固流體中。
可加入導(dǎo)引劑，以便當(dāng)處理滲透性不均勻的區(qū)域時(shí)，改善加固流體穿透較低滲透性區(qū)域的滲透性。在進(jìn)行地層處理的應(yīng)用場合中，采用導(dǎo)引劑是已知的，例如，在《儲(chǔ)集層刺激》(Reservior Stimulation)第三版，M.Economides和K.Nolte，第19.3部分中就給出了一些導(dǎo)引劑。導(dǎo)引劑能被容易地在一個(gè)處理階段被使用，而不是在多個(gè)處理階段被使用。
加固流體的注入在制備加固流體之后，就能把加固流體注入到地層內(nèi)，以便對(duì)至少一部分地層進(jìn)行加固。這部分地層在這里可以被稱作“處理區(qū)域”。如果地層的一部分或全部(即，地層的一部分或全部地層是“處理區(qū)域”)已用加固流體進(jìn)行了加固并且形成了一種柔性的凝膠，那么地層就被加固了。優(yōu)選地是，至少在由井筒周圍0.5英尺的半徑的處理區(qū)域的整體高度所形成的體積范圍內(nèi)形成柔性凝膠。
加固流體通過井筒部分被注入到處理區(qū)域內(nèi)，井筒部分可以是裸井(即沒有套管)，也可以被事先安裝套管。如果井筒被安裝了套管，那么有利的情況是在注入加固流體之前對(duì)套管進(jìn)行穿孔?？蛇x擇的方案是，井筒已被事先安裝一過濾網(wǎng)。如果井筒已安裝了一過濾網(wǎng)，那么，井筒還可以事先安裝一砂礫封隔，放置的砂礫封隔可選擇地高于地層破裂壓力(即破裂封隔)。
在現(xiàn)有技術(shù)中，注入加固流體的技術(shù)是已知的。通常，以小于地層破裂壓力的壓力把加固流體通過井筒注入到地層內(nèi)。需要加固的地層包括沙土，沙巖，白堊，石灰?guī)r等。通常，加固流體在低于地層破裂壓力下被注入。加固流體適合用于所有類型的巖層。
被注入到地層內(nèi)的加固流體的體積量是被處理的地層孔隙容積量和加固流體滲透地層的能力的一個(gè)函數(shù)。本領(lǐng)域普通技術(shù)人員可以方便地確定出要被注入的加固流體的體積量。作出一種指導(dǎo)原則，要被處理的地層體積與期望被處理的區(qū)域的高度和滲透的期望深度有關(guān)。優(yōu)選地是，從井筒沿徑向滲透到地層內(nèi)的滲透深度至少約0.5英尺。更優(yōu)選地是，沿徑向滲透到地層內(nèi)的滲透深度至少約1英尺。加固流體滲透地層的能力取決于地層的可滲透性以及加固流體的粘度。如果在要注入之前制備加固流體，或者阻止加固流體凝固直到被注入之后，那么，加固流體的粘度通常足夠低，從而并不減慢加固流體滲透到地層內(nèi)的滲透速度。在低滲透性的地層中，優(yōu)選地是采用基于單體的加固流體，這是因?yàn)榛趩误w的系列物質(zhì)所具有的粘度通常低于基于聚合物的系列物質(zhì)的粘度。
可以利用封隔器或類似裝置來控制使加固流體流入期望被加固的地層內(nèi)。
能采用的最小注入速度和最大注入速度是下井凝固速度；不會(huì)導(dǎo)致地層破裂的最大壓力，如果有關(guān)的話；以及設(shè)備限制的一個(gè)函數(shù)。優(yōu)選地是，凝固速度足夠慢，以便可以把期望體積量的加固流體完全注入到地層內(nèi)，但是凝固速度又足夠快，以便在注入之后可以迅速凝固，并減小執(zhí)行這種加固方法所花的時(shí)間。
在加固流體滲透地層之后，加固流體就發(fā)生凝固，從而使得凝膠組分被交聯(lián)或被聚合，因?yàn)檫m當(dāng)?shù)靥峁┝艘恍┠z組分和凝膠形成劑。在每種情況中，所形成的柔性凝膠含有三維聯(lián)接。盡管不受理論方面的制約，但是可以相信地層是通過沙粒與柔性凝膠的微觀結(jié)構(gòu)相粘接，或通過那些充填在孔隙空間內(nèi)的柔性凝膠對(duì)沙粒進(jìn)行捕獲而實(shí)現(xiàn)對(duì)地層進(jìn)行加固的。被柔性凝膠加固的地層是柔性且可發(fā)生變形，并且具有較低的非限制性抗壓強(qiáng)度。
與現(xiàn)有技術(shù)中的采用固化樹脂來進(jìn)行加固的方案相比，這種利用柔性凝膠來對(duì)地層進(jìn)行加固的方案具有許多的優(yōu)點(diǎn)。第一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是，由于經(jīng)加固的地層能承受大的應(yīng)力，因此，經(jīng)加固的地層發(fā)生破裂時(shí)如果會(huì)產(chǎn)生沙粒的話也只產(chǎn)生很少的沙粒；即使在地層破裂成碎塊的情況下，在碎塊之間所形成的破裂處附近的大部分沙粒也會(huì)被粘附到柔性凝膠基質(zhì)上或被柔性凝膠基質(zhì)所容納。
第二個(gè)優(yōu)點(diǎn)是，經(jīng)加固的地層是相對(duì)地不能滲透。雖然這意味著必須得采用壓裂或穿孔步驟，以便可以通過井筒開采出烴類物質(zhì)，這還意味著地層中那些不與裂隙或穿孔相連通的孔隙不會(huì)產(chǎn)生沙子。此外，采用壓裂或穿孔步驟，還使得無需利用過濾網(wǎng)來進(jìn)行完井，從而會(huì)由于不需采用砂礫封隔和過濾網(wǎng)，也不需要那些用于安裝砂礫封隔的裝置，于是便可以節(jié)約成本。通常，這還可以增大井筒的生產(chǎn)能力。
對(duì)經(jīng)加固的地層進(jìn)行壓裂或穿孔在地層已被按照本發(fā)明中的方案進(jìn)行過加固之后，就使地層變得相對(duì)地不滲透，例如，使地層的滲透性減小至少約90％，更優(yōu)選地是減小至少約95％，最優(yōu)選地是減小至少約99％。為了通過井筒把地層中的烴類物質(zhì)開采到地面上來，對(duì)已被加固的地層進(jìn)行壓裂或穿孔，從而在地和井筒之間形成連通。
對(duì)于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來說，用于對(duì)地下地層進(jìn)行液壓壓裂的技術(shù)是已知的，這種技術(shù)是把壓裂流體泵入到井筒內(nèi)并流入周圍地層。由于這種流體的壓力高于巖層原(in situ)應(yīng)力的最小值，從而在地層中形成裂隙或使裂隙延伸。為了在流體壓力釋放之后能保持地層中所形成的裂隙，壓裂流體可含有支撐料(proppant)，以便使所說的裂隙保持敞開，也可含有酸，這種酸能侵蝕裂隙表面從而形成一些孔，以便用于開采烴類物質(zhì)。優(yōu)選地是，壓裂流體含有支撐料。
適用的支撐料包括沙子，鋁礬土，玻璃珠，陶瓷珠，但并不限于所列舉的這些。如果采用沙子，那么，沙子的大小通常為約8至約100U.S.標(biāo)準(zhǔn)網(wǎng)孔。也可以采用一些適合的支撐料的混合物。在壓裂流體中支撐料的濃度可以是本領(lǐng)域中已知的任何濃度，該濃度通常是在約0.5至約20ppa(加入的支撐料的磅數(shù))每加侖潔凈流體。優(yōu)選地是，壓裂流體包含支撐料保持劑，例如，纖維，涂敷在支撐料上的可硬化樹脂，小板，可變形顆粒，或粘性的支撐料涂層，以便把支撐料顆粒捕獲在裂隙中，防止這些顆粒通過井筒被采出。優(yōu)選地是采用纖維或可硬化的涂有樹脂的支撐料。例如，在市場上可以購到一種商標(biāo)為PropNET(Schlumberger)的支撐料保持劑。支撐料保持劑使支撐料保持在裂隙中，支撐料和支撐料保持劑可防止地層顆粒被開采出來。
基于支撐料的壓裂流體通常還含有粘化劑，例如一種可溶劑化的多聚糖或粘彈性的表面活性劑，以便使壓裂流體具有足夠的粘性來輸送支撐料?？梢杂帽绢I(lǐng)域中已知的其它粘化劑來代替上面所列舉的兩種粘化劑，或者是用本領(lǐng)域中已知的其它粘化劑與上面所列舉的兩種粘化劑一起使用。為了形成所要求的裂隙尺寸以及能夠?qū)χ瘟线M(jìn)行輸送，就必須具有某個(gè)粘度。裂隙的寬度和長度會(huì)受到流體粘度的影響。
在把壓裂流體泵送到井筒內(nèi)期間，為了減小泵送所耗費(fèi)的能量，最經(jīng)濟(jì)的方案是使流體具有盡可能低的粘度。另一方面，為了能夠?qū)χ瘟线M(jìn)行輸送，又必須使流體具有某個(gè)粘度。本領(lǐng)域普通技術(shù)人員根據(jù)支撐料和其它變量能夠(通過加入可溶解的多聚糖或粘彈性表面活性劑)確定出需要增大到怎樣的粘度才合適。
對(duì)已被加固的地層進(jìn)行穿孔可以采用本領(lǐng)域中已知的一些技術(shù)來進(jìn)行。其中一種穿孔的方法是利用金屬絲或光滑線把穿孔槍下放到井筒內(nèi)期望的深度，然后引爆穿孔槍內(nèi)的有形炸藥。從而利用這些有形的炸藥就能形成穿過已被加固的地層的孔洞。這些孔洞被稱作穿孔。穿孔槍具有一些安裝在基底上的有形炸藥。在美國專利US5816343中描述了一些穿孔方案。為了防砂，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員可以根據(jù)諸如在<石油工程師協(xié)會(huì)>(Societyof Petroleum Engineers)中的文章SPE58788中所教導(dǎo)的已知技術(shù)，對(duì)穿孔策略進(jìn)行優(yōu)化。
實(shí)施例實(shí)施例1.基于聚丙烯酰胺-聚合物的加固流體的工作時(shí)間在110華氏度至225華氏度的范圍內(nèi)，在不同濃度的聚丙烯酰胺，鹽酸，乙酸，對(duì)-甲基苯磺酸(p-TSA)，和六亞甲基四胺(HMTA)的情況下，確定出基于聚丙烯酰胺的加固流體的凝固時(shí)間。其結(jié)果如下


這些結(jié)果表明在典型地層溫度的一個(gè)寬范圍中，為了改變凝固時(shí)間以便在發(fā)生凝固前能順利地把期望體積量的加固流體完全注入，可對(duì)加固流體的各種參數(shù)進(jìn)行選擇。
實(shí)施例2.利用基于聚丙烯酰胺的加固流體來加固松散的沙子松散沙子混合物是利用85％重量的100-270US網(wǎng)孔砂；10％重量的砂[這種砂含35％重量的200-325US網(wǎng)孔砂和65％重量的小于325US網(wǎng)孔砂]；以及5％重量的高嶺土滾動(dòng)混合而成的。松散沙子被放置在每一端都具有微小網(wǎng)孔的橡膠套筒內(nèi)，并被放置在芯部夾持器內(nèi)，并被限制在1500磅/平方英寸的限制應(yīng)力狀態(tài)下。所采用的設(shè)備類似于在M.Economides和K.Nolte所編寫的“儲(chǔ)集層刺激”第三版中

圖14.10所表示出的設(shè)備。松散沙子的樣本大致是長度12英寸，直徑為1.5英寸。
把凝膠加固流體注入松散沙子內(nèi)，注入的速度在1毫升/分鐘和10毫升/分鐘之間，所注入的凝膠加固流體包含5％重量的聚丙烯酰胺，0.3％重量的六亞甲基四胺(HMTA)，0.95％的乙酸。然后把樣本的溫度升高到150°F，從而使流體可以形成一種柔性凝膠。把樣本冷卻到室溫，并從室(cell)中拆卸下來，然后把樣本切割成約3英寸長的碎塊。利用標(biāo)準(zhǔn)的程序?qū)θ閴K樣本測(cè)量它們的非限制性抗壓強(qiáng)度(UCS)。測(cè)出這三碎塊樣本的非限制性抗壓強(qiáng)度為39磅/平方英寸，41磅/平方英寸，39磅/平方英寸。即使在ucs試驗(yàn)碎塊破裂，也看不到破裂的跡象(裂紋，松散砂粒)。
實(shí)施例3.利用基于單體的加固流體來加固松散沙子松散沙子混合物是利用85％重量的100-270US網(wǎng)孔砂；10％重量的砂[這種砂含35％重量的200-325US網(wǎng)孔砂和65％重量的小于325US網(wǎng)孔的砂]；以及5％重量的高嶺土滾動(dòng)混合而成的。松散沙子被放置在每一端都具有微小網(wǎng)孔的橡膠套筒內(nèi)，并被放置在芯部夾持器內(nèi)，并被限制在1500磅/平方英寸的限制應(yīng)力狀態(tài)下。所采用的設(shè)備類似于在M.Economides和K.Nolte所編寫的“儲(chǔ)集層刺激”第三版中圖14.10所表示出的設(shè)備。松散沙子的樣本大致是長度約6英寸，直徑為1.5英寸。
把單體加固流體注入松散沙子內(nèi)，注入的速度在1毫升/分鐘和10毫升/分鐘之間，所注入的單體加固流體包含51.2％重量的二甲基二烯丙基氯化銨，0.49％重量的亞甲基二丙烯酰胺，0.12％重量的過硫酸銨，0.04％重量的鐵氰化鉀。然后把樣本的溫度升高到150°F，從而使流體可以形成一種柔性凝膠。把樣本冷卻到室溫，并從室內(nèi)拆卸下來，然后把樣本切割成約3英寸長的碎塊。利用標(biāo)準(zhǔn)的程序?qū)伤閴K樣本進(jìn)行測(cè)量它們的非限制性抗壓強(qiáng)度(UCS)。測(cè)出這兩碎塊樣本的非限制性抗壓強(qiáng)度為20磅/平方英寸，15磅/平方英寸。即使在非限制性抗壓強(qiáng)度測(cè)試中這些碎塊破裂，也看不到破裂的跡象(裂縫，釋放出沙粒)。
前面描述了本發(fā)明的一些具體的實(shí)施例，但是這些具體的實(shí)施例并未完全列舉出本發(fā)明的所有可能的實(shí)施例。本領(lǐng)域普通技術(shù)人員可以對(duì)前面所描述的具體實(shí)施例作出一些改變，但是這些改變也位于本發(fā)明的范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種在井筒內(nèi)修補(bǔ)堵塞的砂礫封隔的方法，包括步驟提供一種加固流體，其中，該加固流體含有凝膠組分和凝膠形成劑；在所說的加固流體形成一種柔性凝膠條件下，把所說的加固流體通過井筒注入到砂礫封隔內(nèi)，從而加固砂礫封隔；然后對(duì)已被加固的砂礫封隔進(jìn)行穿孔。
2.一種對(duì)井筒所穿過的地下地層進(jìn)行加固的方法，包括以下步驟(i)提供一種加固流體，其中，該加固流體含有凝膠組分和凝膠形成劑；(ii)在所說的加固流體形成一種柔性凝膠條件下，把所說的加固流體通過井筒注入到地層內(nèi)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)地層的加固。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其中，所說的井筒安裝有過濾網(wǎng)。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其中，所說的井筒安裝有砂礫封隔。
5.根據(jù)前述權(quán)利要求之一所述的方法，其中，所說的柔性凝膠所具有的儲(chǔ)能模量(G’)在約150達(dá)因/平方厘米和約500,000達(dá)因/平方厘米之間，優(yōu)選地是從約1000達(dá)因/平方厘米至約200,000達(dá)因/平方厘米。
6.根據(jù)前述權(quán)利要求之一所述的方法，其中，所說的凝膠組分是水溶性聚合物。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的方法，其中，所說的凝膠組分是選自聚乙烯聚合物，聚丙烯酰胺，丙烯酰胺共聚物或三元共聚物，丙烯酸-甲基丙烯酰胺共聚物，部分水解的聚丙烯酰胺，聚甲基丙烯酰胺，部分水解的聚甲基丙烯酰胺，纖維素醚，多聚糖，雜多糖，木素磺化鹽，聚環(huán)氧烷烴，羧基纖維素，羧基烷基羥乙基纖維素，羥乙基纖維素，半乳甘露聚糖，取代的半乳甘露聚糖，前述物質(zhì)的銨鹽或堿金屬鹽，以及其中的木素磺化的堿土鹽，或它們的混合物。
8.根據(jù)權(quán)利要求6或7所述的方法，其中，所說的凝膠形成劑是有機(jī)或無機(jī)的交聯(lián)試劑。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的方法，其中，所說的凝膠組分是聚丙烯酰胺，所說的凝膠形成劑含有鉻III/羧酸鹽復(fù)合物。
10.根據(jù)權(quán)利要求1至5之一所述的方法，其中，凝膠組分是水溶性的可聚合的單體。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的方法，其中，凝膠組分是選自丙烯酸，丙烯酰胺，甲基丙烯酸，甲基丙烯酰胺，羥乙基丙烯酸鹽，馬來酸，二烯丙基二甲基氯化銨，亞甲基雙丙烯酰胺，尿素，乙烯基乙酸，苯乙烯磺酸，以及它們的鹽，或它們的混合物。
12.根據(jù)權(quán)利要求1至11之一所述的方法，還包括步驟把壓裂流體注入到已被加固的地層，以便形成被壓裂了的地層。
13.根據(jù)權(quán)利要求12所述的方法，其中，所說的壓裂流體含有支撐料和支撐料保持劑。
14.根據(jù)權(quán)利要求2至13之一所述的方法，還包括步驟對(duì)已被加固的地層進(jìn)行穿孔，以便形成穿有孔的地層。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種對(duì)地下地層進(jìn)行加固或?qū)ι暗[封隔進(jìn)行修補(bǔ)的方法，該方法包括步驟(i)提供一種加固流體，其中，該加固流體含有凝膠組分和凝膠形成劑；(ii)把所說的加固流體通過井筒注入到地層內(nèi)或注入到砂礫封隔內(nèi)，在一些條件下，所說的加固流體形成一種柔性凝膠，從而對(duì)地層進(jìn)行加固。
文檔編號(hào)C09K8/575GK1440483SQ01812458
公開日2003年9月3日 申請(qǐng)日期2001年7月9日 優(yōu)先權(quán)日2000年7月7日
發(fā)明者西蒙·G·詹姆斯, 埃里克·B·尼爾森, 弗雷德里克·J·吉奧特 申請(qǐng)人:索菲泰克公司