專利名稱：一種裂縫指示劑及其應(yīng)用方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及石油化工領(lǐng)域，涉及石油、天然氣開采中壓裂エ藝用材料，更具體涉及一種清潔無污染的裂縫指示劑及其應(yīng)用方法。
背景技術(shù)：
經(jīng)過數(shù)十年對(duì)石油、天然氣的開采，使石油、天然氣開采深度不斷加深，地層閉合壓カ也越來越大，所開采的儲(chǔ)層滲透性能也越來越低。為了給油氣流通提供高滲透性的通道，提高油氣產(chǎn)量，最有效的方法就是應(yīng)用水カ壓裂等技術(shù)改造油氣層，提高采油(氣)指數(shù)，從而提高單井產(chǎn)量。一般可提高2至3倍，有的更多。正因?yàn)樗毫涯転橛吞飵砣绱撕玫慕?jīng)濟(jì)效益，所以油田才對(duì)水力壓裂施工是否成功非常重視。但同時(shí)，一口井壓裂施工的成功并不能說明這ロ井壓裂措施的成功，盡管 施工完全按照設(shè)計(jì)的參數(shù)的要求進(jìn)行操作，但是并不一定說明就能保證真實(shí)的實(shí)際而有效的壓裂效果，是否提供了高導(dǎo)流能力的流通通道及對(duì)儲(chǔ)層有針對(duì)性的改造是油井改造的最終目標(biāo)。從油藏工程的角度出發(fā)，如考慮油井的開采現(xiàn)狀，井網(wǎng)井距的分布等，優(yōu)化合理的裂縫半長(zhǎng)，再根據(jù)油井儲(chǔ)層地質(zhì)參數(shù)、巖石力學(xué)參數(shù)、有效儲(chǔ)層段的縱向組合等，選取適當(dāng)?shù)牧芽p擴(kuò)展模型，利用計(jì)算機(jī)優(yōu)化計(jì)算一定裂縫幾何維度所需的砂量、液量以及所需的設(shè)備功率等等，從而指導(dǎo)壓裂施工，以期在儲(chǔ)層中形成所設(shè)計(jì)的裂縫幾何尺寸。施工結(jié)束后，實(shí)際的壓裂人工裂縫是否按照設(shè)計(jì)的狀態(tài)延伸，裂縫是否在欲改造的儲(chǔ)層段擴(kuò)展，裂縫高度是否經(jīng)控制在相應(yīng)的儲(chǔ)層范圍內(nèi)，還是穿過隔層進(jìn)入了危險(xiǎn)的水層。這些對(duì)于壓裂效果而言都是很重要的，因此如何認(rèn)識(shí)壓裂施工的裂縫擴(kuò)展，對(duì)優(yōu)化壓裂設(shè)計(jì)、優(yōu)選壓裂作業(yè)參數(shù)有著不言而喻的重要意義。國(guó)際現(xiàn)有的壓裂裂縫監(jiān)測(cè)技術(shù)主要有兩種，一種是通過間接的方法進(jìn)行壓裂監(jiān)測(cè)，如施工凈壓カ分析、不穩(wěn)定試井等。第二種是直接的測(cè)量技術(shù)，如井下微地震裂縫監(jiān)測(cè)、傾斜儀裂縫監(jiān)測(cè)技術(shù)等。間接的裂縫監(jiān)測(cè)分析方法由于面對(duì)的變量太多，而導(dǎo)致分析結(jié)果的不確定性，直接的監(jiān)測(cè)方法所監(jiān)測(cè)的結(jié)果除放射性示蹤技術(shù)外，所監(jiān)測(cè)的是水力裂縫擴(kuò)展的范圍，和后期油(氣)井的生產(chǎn)分析無法建立直接的關(guān)系；而放射性示蹤劑技術(shù)，用帶有放射性核素的示蹤物來辨別陶粒支撐劑的運(yùn)動(dòng)情況和分布規(guī)律，但是由于放射性核素的自身特性，比如半衰期、放射性等，在使用過程中，需要得到環(huán)境部門的批準(zhǔn)，施工時(shí)間也需要受到嚴(yán)格的限制，一旦出現(xiàn)危險(xiǎn)將嚴(yán)重危害施工人員的健康。

發(fā)明內(nèi)容
為彌補(bǔ)現(xiàn)有的壓裂裂縫監(jiān)測(cè)技術(shù)存在的諸多問題和不足之處，本發(fā)明提供了ー種以鋁礬土、粘土、ニ氧化錳、硼化物為主要原料的特種陶瓷，將特種陶瓷燒制成顆粒狀，并將其作為石油壓裂施工支撐劑進(jìn)行常規(guī)使用。在壓裂施工前后，對(duì)作業(yè)井使用常規(guī)測(cè)井，利用熱中子俘獲截面效應(yīng)采集獲得壓裂前后的測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)。根據(jù)計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)模型分析，確定壓裂裂縫的位置、裂縫高度并估算其寬度，以達(dá)到對(duì)壓裂效果的評(píng)估提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)的目的。
本發(fā)明所制備的裂縫指示劑，其組分按重量份計(jì)為鋁礬土40-70 份粘土5-20 份ニ氧化錳1-5份硼化物ト30份 鉀長(zhǎng)石O. 5-3份稀土O. 5-1 份。其中發(fā)明人著重在組方中添加了硼化物，這是由于硼化物為熱中子俘獲截面效應(yīng)中性價(jià)比最好的無機(jī)化合物。當(dāng)裂縫指示劑進(jìn)入到壓裂裂縫中時(shí)，堆積在水力裂縫從井筒到遠(yuǎn)端的一定范圍內(nèi)。當(dāng)熱中子探測(cè)器的中子發(fā)射工具從井底向井ロ上提的過程中，持續(xù)不斷的通過中子源發(fā)射中子，所發(fā)射的中子通過井筒到達(dá)地層，由于清潔裂縫指示劑和組成地層的普通礦物相比具有較高的熱中子俘獲截面效應(yīng)，在壓裂施工的前后，熱中子的測(cè)井曲線在含有裂縫指示劑的裂縫處，會(huì)有較大程度的偏移。在眾多的硼化物中，優(yōu)選采用碳化硼或氮化硼或硼酸或高硼玻璃或硼酸鋅或硼砂或及其混合物。更優(yōu)選的采用碳化硼，這是由于碳化硼作為熱中子俘獲截面的材料，碳化硼中的硼元素質(zhì)量百分比較高(相較于其他含硼的硼化物)，可以使得在盡可能減少裂縫指示劑顆粒中總硼化物質(zhì)量分?jǐn)?shù)的情況下，盡可能多的添入硼元素的數(shù)量。而之所以選擇硼元素，最主要的原因就是硼元素(B)有高的熱中子俘獲截面地層中常見核素及示蹤劑硼(B)等的熱中子微觀俘獲截面列于表I。
核素微觀俘獲截面/10—24Cm2核素微觀俘獲截面/10 cm
氫(H)O. 332碳(C)O. 00353鈣(Ca)O. 42氯(Cl )32 . 2 硅(Si )O. 16硼(B)759
-氧(O) _O. 00028 __表I地層中常見核素的熱中子微觀俘獲截面數(shù)據(jù)出自《核素常用數(shù)據(jù)表》核素圖表編制組編，原子能出版社，1977年8月由表I可見地層中氯(Cl)的微觀俘獲截面最高，為32. 2X IO-24Cm2,這是中子壽命測(cè)井適應(yīng)高礦化度地層水的緣由。而硼(B)作為熱中子俘獲測(cè)井的示蹤劑有高的微觀俘獲截面759X 10_24cm2，可為熱中子俘獲示蹤測(cè)井提供更高的異常值。為了能夠獲得較好的為熱中子俘獲示蹤結(jié)果，硼化物在組分配比中是必須添加的，一旦用量小于I重量份，則無法實(shí)現(xiàn)上述熱中子俘獲示蹤的目標(biāo)，因此用量必須大于I重量份，但不能無限大，這是由于裂縫指示劑需要按照石油行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《SY/T 5108-2006》滿足一定的強(qiáng)度要求，如果硼化物在清潔裂縫指示劑中含量大于30重量份，則在燒制的過程中硼化物不能與氧化鋁產(chǎn)生莫來石相與剛玉相，從而降低了產(chǎn)品的強(qiáng)度，無法應(yīng)用于實(shí)際生產(chǎn)中，因此需控制硼化物的含量小于或等于30重量份。在上述內(nèi)容的指導(dǎo)下，發(fā)明人最終確定了硼化物的用量?jī)?yōu)選采用10-30重量份，且最優(yōu)選擇使用碳化硼.除此之外，所述的鋁礬土為鋁礬土熟料，可直接采用市場(chǎng)上可購(gòu)得的成型產(chǎn)品，本發(fā)明中主要應(yīng)用了平定縣華興耐火爐料銷售中心生產(chǎn)的鋁礬土，對(duì)于各種鋁礬土的選擇，本發(fā)明的發(fā)明人經(jīng)過長(zhǎng)期摸索，結(jié)合壓裂裂縫的實(shí)際エ況，最終選擇選用Al2O3含量> 73wt%的招帆土，使用時(shí)先經(jīng)初步破碎后置入球磨機(jī)磨制成2-5毫米的礦粒，然后再應(yīng)用于制備過程中，鋁礬土作為整個(gè)陶瓷材料的基料，經(jīng)燒制后經(jīng)過相變硬度增強(qiáng)，既起到對(duì)各輔料的包裹作用，另ー方面又起到井下裂縫的支撐作用，而由于井下エ況復(fù)雜壓カ較大，因此發(fā)明人選擇在整個(gè)配比中控制鋁礬土的用量為40-70重量份，用量過少起不到包裹和裂縫支撐的作用，用量太多則會(huì)導(dǎo)致整個(gè)產(chǎn)品的成本提高。在確定了上述基料鋁礬土的選擇之后，才能使裂縫指示劑能夠作為井下壓裂陶粒進(jìn)行使用，從而將指示材料帶入裂縫中。所述的粘土選自為輕質(zhì)粘土，也選自市場(chǎng)上直接購(gòu)得的產(chǎn)品，但是為了能起到更好的粘結(jié)和成型作用，一般需要保證粘土中Al2O3的含量30wt%-40wt%，這樣輕質(zhì)粘土在制粒的過程中，對(duì)于制造較小粒徑的陶瓷顆粒，才可以作為半成品粘結(jié)劑使用，可以較容易的制得O. 106-0. 225 μ m, O. 3-0. 6 μ m等較小的陶瓷顆粒，便于在壓裂裂縫中的應(yīng)用。ニ氧化錳可以選用純凈的單質(zhì)，也可選用市場(chǎng)上常用的ニ氧化錳粉料，如安徽省青陽(yáng)縣銀興實(shí)業(yè)生產(chǎn)的ニ氧化錳粉料等產(chǎn)品，主要標(biāo)準(zhǔn)就是其中純ニ氧化錳含量為 60-75wt%;這樣在清潔裂縫支撐劑燒制過程中，處方量的ニ氧化錳可以作為結(jié)晶反應(yīng)的催化劑，降低燒成溫度，從而達(dá)到降低成本的目的。鉀長(zhǎng)石也是選自市場(chǎng)上直接購(gòu)得的鉀長(zhǎng)石粉料，如遼寧省海城市遼海合成礦產(chǎn)有限公司出售的鉀長(zhǎng)石粉料，其主要作用是在清潔裂縫支撐劑燒制過程中，處方量的鉀長(zhǎng)石能夠優(yōu)化高溫熔融狀態(tài)下的玻璃相抗蠕變性以提高產(chǎn)品抗變形能力，并改善產(chǎn)品光澤和質(zhì)感。稀土也選自常規(guī)礦粉，如選用贛州市廣利高新技術(shù)材料有限公司生產(chǎn)的稀土礦；在整個(gè)組分中，稀土一方面可以作為碳化硼的增強(qiáng)劑，増加中子俘獲截面效應(yīng)，降低硼化物的用量；另ー方面，在燒制過程中可以降低燒成溫度，降低生產(chǎn)成本，減少能耗和污染。由于上述配比的裂縫指示劑的中沒有添加任何具有放射性的材料及元素，該裂縫指示劑的指示原理也不是通過放射性探測(cè)得到指示劑位置數(shù)據(jù)，所以該裂縫指示劑不具有放射性，從而避免了第一，在倉(cāng)儲(chǔ)、野外施工時(shí)，放射性對(duì)地面及地下人畜、動(dòng)植物、水源等的污染；第二，在生產(chǎn)、倉(cāng)儲(chǔ)、施工前后時(shí)間中，不會(huì)存在放射性物質(zhì)本身特有的半衰期問題，可以提高其使用范圍和時(shí)間，所以，該裂縫指示劑應(yīng)可以被稱為“清潔型裂縫指示剤”。同時(shí)，本發(fā)明還公開了該種裂縫指示劑的具體制備方法，具體步驟如下(I)將鋁礬土、粘土、ニ氧化錳、硼化物、鉀長(zhǎng)石、稀土分別粉碎、磨細(xì)、分級(jí)，使粒度均達(dá)到< 600目；(2)將上述研磨分級(jí)獲得的各種原料粉末按比例混合均勻，加入到單向滾動(dòng)制粒機(jī)中，加水勻速轉(zhuǎn)動(dòng)，制得不同粒徑的球粒；(3)將(2)所得球粒過篩，制成半成品。根據(jù)中國(guó)石油天然氣行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《SY/T 5108-2006壓裂支撐劑性能指標(biāo)及測(cè)試推薦作法》，我們選擇目前壓裂施工作業(yè)常用的陶粒尺寸作為半成品的粒徑尺寸。半成品的粒徑范圍如下600-1180 μ m，425-850 μ m，300-600 μ m，212-425 μ m，106-212 μ m ；(4)將上述所得半成品送入窯爐燒制，燒結(jié)溫度控制在1100°C _1350°C，燒結(jié)時(shí)間1-4小時(shí)，保溫2小時(shí)后自然冷卻I小時(shí)，之后采用水冷卻，得到產(chǎn)品。之所以確定上述的燒制溫度，是由于如果溫度小于1100°C，A1203不能充分結(jié)晶成莫來石相，陶粒成球松散結(jié)構(gòu)強(qiáng)度不足，不能達(dá)到使用中所需的強(qiáng)度；而如果溫度長(zhǎng)時(shí)間大于1350°C，一方面燒制能耗較大，浪費(fèi)燃料，増加成本，另ー方面，溫度過高容易使產(chǎn)品產(chǎn)生過多的玻璃相，產(chǎn)品脆度提高，進(jìn)而也會(huì)影響產(chǎn)品的強(qiáng)度不利于其應(yīng)用。通過上述エ藝和配比制備的清潔裂縫指示劑，主要可應(yīng)用于壓裂施工中，通過對(duì)作業(yè)井使用常規(guī)測(cè)井，采集獲得壓裂前后的測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)，從而通過比較分析、計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)模型分析，既可以確定壓裂裂縫的位置、裂縫寬度和高度，而又避免了過去裂縫監(jiān)測(cè)技術(shù)中非直接、放射性的問題。具體應(yīng)用方法如下 ( I)在壓裂施工前，對(duì)作業(yè)井進(jìn)行補(bǔ)償中子測(cè)井，獲取施工前數(shù)據(jù)(或稱之為基礎(chǔ)數(shù)據(jù))，基礎(chǔ)數(shù)據(jù)包含以下=CNL值、俘獲界面、近探頭計(jì)數(shù)率、遠(yuǎn)探頭計(jì)數(shù)率。(2)將清潔裂縫尺寸指示劑作為油田壓裂作業(yè)施工中壓裂陶粒砂使用，并進(jìn)行正常的壓裂施工作業(yè)。(3)壓裂結(jié)束后，對(duì)作業(yè)井再次進(jìn)行補(bǔ)償中子測(cè)井，獲取施工后數(shù)據(jù)。(4)將施工前后數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，分析后即可獲得壓裂裂縫的位置、裂縫寬度和高度。具體原理及計(jì)算方法和判定手段如下示蹤劑核反應(yīng)釋放多個(gè)伽馬光子由熱中子俘獲核反應(yīng)可知，對(duì)于1(1硼有10B+n —7Li3+a，7Li3 —7Li+Y，即形成7Li穩(wěn)定同位素，并放出I個(gè)單能(O. 478MeV)伽馬光子，其能區(qū)主要在O 9MeV，構(gòu)成連續(xù)譜。由此可見，用硼原子(kiB)作為示蹤劑材料可以降低對(duì)測(cè)井儀器Y探測(cè)器靈敏度的要求，同時(shí)可以提高測(cè)井儀器的“門檻”(即能閾)，進(jìn)而提高儀器的信噪比。清潔示蹤材料中子伽馬能譜測(cè)試原理如下滲入少量的示蹤材料，就能使熱中子通量密度、中子宏觀俘獲截面、熱中子壽命、俘獲伽馬能譜發(fā)生很大變化，因此可利用該實(shí)驗(yàn)估算裂縫的寬度選用同位素中子源，由雙組擴(kuò)散理論得到均勻介質(zhì)距點(diǎn)源為r處的熱中子通量密度Φ t (r),由(I)式表示ο
權(quán)利要求
1.一種裂縫指示劑，其組分按重量份計(jì)為 鋁礬土 40-70份 粘土 5-20份 ニ氧化錳1-5份 硼化物1-30份 鉀長(zhǎng)石O. 5-3份 稀土 O. 5-1 份。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的裂縫指示劑，其特征在于所述的硼化物選自碳化硼或氮化硼或硼酸或高硼玻璃或硼酸鋅或硼砂或及其混合物。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的裂縫指示劑，其特征在于所述的硼化物選自碳化硼。
4.根據(jù)權(quán)利要求I或2或3所述的裂縫指示劑，其特征在于所述裂縫指示劑，其組分按重量份計(jì)為 鋁礬土 40-70份 粘土 5-20份 ニ氧化錳1-5份 硼化物10-30份 鉀長(zhǎng)石O. 5-3份 稀土 O. 5-1 份。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的裂縫指示劑，其特征在于所述的鋁礬土為鋁礬土熟料，其中Al2O3含量> 73wt% ;所述的粘土為輕質(zhì)粘土，Al2O3含量30-40wt% ;所述的ニ氧化錳選自ニ氧化錳單質(zhì)或ニ氧化錳粉料。
6.制備如權(quán)利要求I所述裂縫指示劑的方法，包括如下步驟 (1)將鋁礬土、粘土、ニ氧化錳、硼化物、鉀長(zhǎng)石、稀土分別粉碎、磨細(xì)、分級(jí)，使粒度均達(dá)到彡600目； (2)將上述研磨分級(jí)獲得的各種原料粉末按比例混合均勻，加入到單向滾動(dòng)制粒機(jī)中，加水勻速轉(zhuǎn)動(dòng)，制得不同粒徑的球粒； (3)將步驟(2)所得球粒過篩，制成半成品，半成品的粒徑范圍如下600-1180μ m,425-850 μ m，300-600 μ m，212-425 μ m，106-212 μ m ； (4)將上述所得半成品送入窯爐燒制，燒結(jié)溫度控制在1100°C-1350°C，燒結(jié)時(shí)間1_4小時(shí)，保溫2小時(shí)后自然冷卻I小時(shí)，之后采用水冷卻，得到產(chǎn)品。
7.應(yīng)用本發(fā)明所述裂縫指示劑的方法，包括如下步驟 (1)在壓裂施工前，對(duì)作業(yè)井進(jìn)行補(bǔ)償中子測(cè)井，獲取施工前數(shù)據(jù)，施工前數(shù)據(jù)包含以下CNL值、俘獲界面、近探頭計(jì)數(shù)率、遠(yuǎn)探頭計(jì)數(shù)率； (2)將清潔裂縫尺寸指示劑作為油田壓裂作業(yè)施工中壓裂陶粒砂使用，并進(jìn)行正常的壓裂施工作業(yè)； (3)壓裂結(jié)束后，對(duì)作業(yè)井再次進(jìn)行補(bǔ)償中子測(cè)井，獲取施工后數(shù)據(jù)； (4)將施工前后數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，分析后即可獲得壓裂裂縫的位置和裂縫寬度，并估算其高度。
全文摘要
本發(fā)明涉及石油、天然氣開采壓裂領(lǐng)域，具體涉及一種清潔無污染的裂縫指示劑及其應(yīng)用方法，該指示劑包括一種以輕燒鋁礬土為基料，粘土，二氧化錳等為輔料，以及一種特殊的清潔非放射性裂縫指示材料，以此制備成特種陶瓷顆粒，并將其制備成為陶粒。使用清潔裂縫尺寸指示劑作為石油壓裂支撐劑進(jìn)行壓裂施工，在壓裂施工前后，對(duì)作業(yè)井使用常規(guī)測(cè)井，采集獲得壓裂前后的測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)，根據(jù)計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)模型分析，可以確定裂縫的位置和裂縫高度，并估算其寬度。從而對(duì)壓裂效果的評(píng)估提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。
文檔編號(hào)G01V15/00GK102692655SQ20121018028
公開日2012年9月26日 申請(qǐng)日期2012年6月4日 優(yōu)先權(quán)日2012年6月4日
發(fā)明者溫長(zhǎng)云 申請(qǐng)人:能新科(西安)油氣技術(shù)有限公司