專利名稱：：提高水力壓裂井的支撐劑傳導(dǎo)性的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明的方法涉及通過向包含壓裂液和支撐劑的壓裂漿液中添加低密度材料來阻礙在垂直裂縫中支撐劑的沉降的方法。
背景技術(shù)：
：水力壓裂包括在儲(chǔ)層中產(chǎn)生裂縫以增加烴的產(chǎn)量。高粘流體混合支撐劑或砂子注入裂縫。當(dāng)裂縫閉合時(shí)，支撐劑留在裂縫中產(chǎn)生較大的流動(dòng)面積和高傳導(dǎo)通道以使烴流進(jìn)井眼。支撐劑或砂子用來保持張開的裂縫。粘性流體用來傳輸、懸浮并最終允許支撐劑填進(jìn)裂縫中。在水力壓裂處理中，這些流體一般遵循距離或剪切變化率(rangeorshearrates)的冪律特性。在支撐劑壓裂處理中一般流體用量的范圍從幾千加侖到幾百萬加侖。支撐劑用量大約幾千立方英尺。目標(biāo)是獲得均勻的支撐劑分布；且因此獲得沿著井眼高度和裂縫半長的均勻傳導(dǎo)裂縫。然而，非牛頓流體中支撐劑沉降的復(fù)雜性經(jīng)常造成較高濃度的支撐劑在裂縫的下半部分沉下來。這經(jīng)常導(dǎo)致裂縫和井眼的上半部分缺乏充足的支撐劑覆蓋。支撐劑的聚集，包覆，橋接和嵌入是降低支撐劑填充的潛在傳導(dǎo)性的幾種現(xiàn)象。產(chǎn)生裂縫時(shí)，水力裂縫內(nèi)支撐劑的運(yùn)移包括兩個(gè)分量。水平分量由流體速度和相關(guān)流線決定，有助于攜帶支撐劑到裂縫的頂部。垂直分量由顆粒的最終顆粒沉降速度決定，是支撐劑直徑和密度、流體速度和密度的函數(shù)。最終沉降速度因前述不同現(xiàn)象而更顯復(fù)雜。在裂縫產(chǎn)生過程中的某些時(shí)刻，支撐劑覆蓋達(dá)到一平衡幾何構(gòu)型，平衡幾何構(gòu)型上面的所有注入的支撐劑可被攜帶更遠(yuǎn)進(jìn)入裂縫。這潛在地限制了有效支撐裂縫的高度也大大增加了處理期間的橋堵風(fēng)險(xiǎn)。當(dāng)泵送停止時(shí)，裂縫最終關(guān)閉了支撐劑的填充。流體中包含降粘劑，其可以降低流體的表觀粘度，有助于因更快的漏失而加速裂縫閉合。靜態(tài)流體的流體粘度的降低導(dǎo)致更高的沉降速度，造成更多支撐劑沉降到裂縫底部。潛在的孔洞和不均勻的填充造成了低效的支撐面積并因此在出現(xiàn)閉合時(shí)大大減小了有效井眼半徑。其它的旨在阻止垂直裂縫中支撐劑沉降的發(fā)明著力于設(shè)計(jì)密度與載液密度相等的支撐劑。因此液體中的支撐劑將中性地浮在裂縫中并保持在垂直進(jìn)入閉合裂縫的位置。設(shè)計(jì)中性浮力支撐劑的方法包括多孔陶瓷顆粒的表面密封以在顆粒內(nèi)部的孔洞進(jìn)行空氣填充，設(shè)計(jì)強(qiáng)復(fù)合材料和中空的陶瓷球，和設(shè)計(jì)具有足夠的壁強(qiáng)度能承受閉合應(yīng)力的中空球。從支撐劑耐久性和制造成本角度來看，這些方法都具有內(nèi)在缺陷。
發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明在此公開了一種減輕上述影響的方法，以更好地懸浮支撐劑并保證更均勻的填充。通過加入比流體介質(zhì)密度低的添加劑，預(yù)期可引起裂縫內(nèi)部的密度梯度。添加劑可以是相對(duì)于沉下去而言在流體團(tuán)中浮起的任何材料。低密度添加劑的向上運(yùn)動(dòng)干涉高密度支撐劑的向下運(yùn)動(dòng)，反之亦然。這種限定在狹窄裂縫中的支撐劑和添加劑間的相互干涉極大地阻礙了高密度支撐劑的沉降/隔離。低密度材料具有小于載液介質(zhì)的比重，顆粒尺寸分布類似于標(biāo)準(zhǔn)支撐劑的分布，并且可具有或不具有足夠承受裂縫閉合應(yīng)力的機(jī)械強(qiáng)度。所以，除了具有浮力外，這種材料也可作為支撐劑。建議通過混合一定百分比的具有類似于支撐劑機(jī)械性能的低密度添加劑至壓裂漿液中，能夠?qū)崿F(xiàn)更有效的支撐劑覆蓋和壓裂半長。地面、管子和射孔孔眼(perforations)上的高剪切變化率將確保壓裂漿液中的支撐劑和低密度添加劑的相對(duì)均勻混合。隨著漿液混合物進(jìn)入裂縫，剪切變化率的迅速下降使支撐劑和低密度添加劑在流體中運(yùn)移。一旦泵送停止，支撐劑和添加劑之間的密度梯度導(dǎo)致支撐劑向裂縫底部運(yùn)移，而與此同時(shí)低密度添加劑向裂縫頂部運(yùn)移。這引起支撐劑的雙向受阻沉降，因此極大降低了支撐劑的沉降速率。當(dāng)裂縫關(guān)閉填充時(shí)，更多的支撐劑材料保留在了上部裂縫中。壓裂液中低密度添加劑的比例被認(rèn)為是裂縫閉合時(shí)間的函數(shù)。對(duì)于低滲地層，壓裂后裂縫閉合需要幾個(gè)小時(shí)，因此需要加入更多數(shù)量的低密度添加劑。這種工藝確保支撐劑沿著裂縫高度充填得更均勻，因此也有助于提高處理的總體效率。由于低密度添加劑具有相似的尺寸分布和閉合應(yīng)力特征，充填的傳導(dǎo)性不會(huì)受到影響。實(shí)際上，由于低密度添加劑具有更好的球度和圓度，預(yù)計(jì)壓裂的整體傳導(dǎo)性將比僅僅包含支撐劑的一般壓裂漿液的整體傳導(dǎo)性要更高。無具體實(shí)施例方式壓裂漿液中加入低密度添加劑將涉及添加劑的精確計(jì)量。大多數(shù)用于計(jì)量壓裂液中的固態(tài)破乳劑(solidbreakers)的現(xiàn)場使用的設(shè)備(fieldscaleequipment)可被升級(jí)以用于低密度添加劑的加入。為了確保裂縫內(nèi)的最小嵌入和壓碎，低密度顆?？梢詽M足、或不滿足、或超過強(qiáng)度需求。如上述提及的，裂縫閉合時(shí)間決定了處理期間使用的添加劑的重量百分比。低滲透率巖石的典型的較長的閉合時(shí)間將需要更高的體積含量(volumefractions)。另外，較高強(qiáng)度的支撐劑具有較高的沉降速率。這也將需要更大的低密度添加劑的含量以引起對(duì)沉降的更大阻礙。圖表作為設(shè)計(jì)的輔助用于各種地層、壓裂液和支撐劑性質(zhì)。下面的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)證實(shí)了本發(fā)明中方法的實(shí)用性和新穎性。實(shí)驗(yàn)1交聯(lián)凝膠支撐劑沉降試驗(yàn)靜態(tài)的支撐劑沉降試驗(yàn)在1英寸直徑、5英尺長的玻璃管中進(jìn)行。管子被垂直支撐并在底端封堵。在整個(gè)管子的長度上以1英寸的增量做了參考標(biāo)記。試驗(yàn)采用了251b/Mgal(0.00299grams/mL)交聯(lián)壓裂液。該壓裂液是基于硼酸鹽交聯(lián)劑的瓜爾膠?；€液中流體(PPA)20/40目支撐劑的濃度為每加侖4磅(0.4793grams/mL)。在混合后它被導(dǎo)進(jìn)管子里和計(jì)時(shí)開始。該試驗(yàn)在室內(nèi)溫度下保持靜態(tài)。當(dāng)支撐劑沉降時(shí)，監(jiān)測支撐劑/凝膠界面從頂部降到底部。另外兩個(gè)試驗(yàn)在上述提及條件下進(jìn)行。低密度(SG=0.9)、球形添加劑以一定濃度混合進(jìn)入交聯(lián)凝膠/支撐劑漿液中或者以支撐劑重量的和2%被混合進(jìn)交聯(lián)凝膠/支撐劑漿液中。另外，隨著時(shí)間監(jiān)測支撐劑界面。三個(gè)試驗(yàn)的所有結(jié)果都總結(jié)在下面的表3中。表3:實(shí)驗(yàn)1數(shù)據(jù)總結(jié)<table>tableseeoriginaldocumentpage5</column></row><table>上面的試驗(yàn)結(jié)果表明低密度添加劑成功地阻礙了支撐劑的沉降，結(jié)果產(chǎn)生了更長的支撐劑沉降時(shí)間。實(shí)驗(yàn)2大型、線性凝膠(lineargel)支撐劑沉降試驗(yàn)支撐劑沉降試驗(yàn)在8英尺高、2英尺寬(243.8cm高、61cm寬)有機(jī)玻璃窗口內(nèi)進(jìn)行，有機(jī)玻璃板之間具有1/2英寸(1.27cm)的間隙。窗口具有鋼強(qiáng)化木框架，框架具有四個(gè)7/16英寸(1.Ilcm)的入口孔眼和出口孔眼，裝設(shè)有球閥。金屬支撐件用1英尺(30.48cm)的間距增量固定在窗口上并用作試驗(yàn)參考。共進(jìn)行了4個(gè)試驗(yàn)。試驗(yàn)1和2用151b/Mgal瓜爾膠基線性凝膠進(jìn)行。凝膠的表觀粘度在511S—1下是ScP0用于試驗(yàn)的線性凝膠包含2PPA支撐劑濃度，30/50目。試驗(yàn)1沒有采用低密度添加劑和試驗(yàn)2采用了5%重量百分比的低密度添加劑。添加劑用30/50目篩選且具有0.8的比重。制備線性凝膠并加入支撐劑，以實(shí)現(xiàn)2PPA的最終濃度。試驗(yàn)2中加入了低密度添加齊U，漿液被混合至均勻。然后通過1英寸隔膜泵的試驗(yàn)設(shè)備來泵送漿液直至充滿。關(guān)閉泵，所有閥都關(guān)閉。隨時(shí)間觀察和監(jiān)測支撐劑界面以確定沉降速率。試驗(yàn)數(shù)據(jù)總結(jié)在下面表4中。表4:實(shí)驗(yàn)2，試驗(yàn)1和2數(shù)據(jù)總結(jié)<table>tableseeoriginaldocumentpage6</column></row><table>上述試驗(yàn)結(jié)果表明低密度添加劑成功地阻礙了支撐劑沉降，結(jié)果產(chǎn)生了更長的支撐劑沉降時(shí)間。試驗(yàn)3和4用251b/Mgal(0.00299gram/mL)瓜爾膠基線性凝膠進(jìn)行。凝膠的表觀粘度在511S—1下是16CP。用于試驗(yàn)的線性凝膠包含2PPA支撐劑濃度，30/50目。試驗(yàn)3沒有采用低密度添加劑，試驗(yàn)4采用了5%重量百分比的低密度添加劑。添加劑用30/50目篩選且具有0.8的比重。制備線性凝膠并加入支撐劑。以實(shí)現(xiàn)2PPA的最終濃度。試驗(yàn)4中加入了低密度添加劑，漿液被混合至均勻。然后通過1英寸隔膜泵的試驗(yàn)設(shè)備來泵送漿液直至充滿。關(guān)閉泵，所有閥都關(guān)閉。隨時(shí)間觀察和監(jiān)測支撐劑界面以確定沉降速率。試驗(yàn)數(shù)據(jù)總結(jié)在下面表5中。表5實(shí)驗(yàn)2，試驗(yàn)3和4數(shù)據(jù)總結(jié)<table>tableseeoriginaldocumentpage6</column></row><table>上述試驗(yàn)結(jié)果表明低密度添加劑成功地阻礙了支撐劑沉降，結(jié)果產(chǎn)生了更長的支撐劑沉降時(shí)間。美國臨時(shí)專利申請(qǐng)序列號(hào)60/832994，申請(qǐng)日2006年7月25日，通過參考合并于此。這里公開的所有測量都是標(biāo)準(zhǔn)溫度和壓力，在地球的海平面上，除非另有指明。前面的實(shí)施例僅通過示例描述；本發(fā)明的范圍僅由下面的權(quán)利要求來限制。權(quán)利要求一種延遲在水力壓裂中支撐劑沉降的方法，該方法包括下述步驟a.提供支撐劑載液漿液；b.提供比重大于載液的比重的支撐劑；c.基于相對(duì)支撐劑載液漿液的支撐劑量，加入小百分比的低密度顆粒材料，顆粒添加劑的比重小于載液的比重；d.由于低密度顆粒、載液和支撐劑間的比重梯度，使得在支撐劑顆粒在載液中下降時(shí)添加劑顆粒在載液中上升；和e.通過向上運(yùn)動(dòng)的添加劑顆粒和向下運(yùn)動(dòng)的支撐劑顆粒間的碰撞的干涉，減慢了支撐劑沉降速率，導(dǎo)致在閉合時(shí)裂縫中支撐劑的更加均勻的垂直分布。2.如權(quán)利要求1所述的方法，其中顆粒材料添加劑不需要有足夠的強(qiáng)度以用作支撐劑。3.如權(quán)利要求1所述的方法，其中添加劑可以在裂縫閉合時(shí)破碎。4.如權(quán)利要求1所述的方法，其中添加劑設(shè)計(jì)為隨著時(shí)間溶解，由此消除了支撐劑填充損害。5.如權(quán)利要求1所述的方法，其中顆粒材料包括聚酯，例如聚乳酸顆粒，所述聚酯將水解并隨著時(shí)間從支撐劑層中清除。6.如權(quán)利要求1所述的方法，其中通過加入低比重固體顆粒添加劑至支撐劑載液漿液中，該方法減緩水力壓裂中支撐劑的沉降，產(chǎn)生均勻分布的支撐劑填充。7.如權(quán)利要求1所述的方法，其中低密度顆粒材料包括聚乳酸顆粒。8.如權(quán)利要求1所述的方法，其中低密度顆粒材料包括玻璃珠。全文摘要一種延緩水力壓裂中支撐劑沉降的方法，以便更好地懸浮支撐劑和確保更均勻的填充，通過向壓裂漿液中與標(biāo)準(zhǔn)的高密度支撐劑一起混入預(yù)定體積百分比的低密度添加劑，例如玻璃珠或其它合適材料，例如聚乳酸顆粒，在裂縫中可產(chǎn)生預(yù)期的密度梯度。由于低密度添加劑的密度小于載液的密度，添加劑的向上運(yùn)動(dòng)阻礙了高密度支撐劑的向下運(yùn)動(dòng)，反之亦然。限定在狹窄裂縫中的這兩種支撐劑的互相干涉極大地阻礙了高密度支撐劑的沉降/分離。低密度材料的比重大約是0.3，顆粒尺寸分布與標(biāo)準(zhǔn)支撐劑的分布類似，并且具有承受裂縫閉合應(yīng)力的足夠機(jī)械強(qiáng)度。文檔編號(hào)E21B43/26GK101809249SQ200880108476公開日2010年8月18日申請(qǐng)日期2008年4月30日優(yōu)先權(quán)日2007年7月24日發(fā)明者拉里·T·沃特斯,杰弗里·T·沃特斯,馬哈德夫·阿馬查思拉姆申請(qǐng)人:Csi技術(shù)股份有限公司