專利名稱：水力壓裂系統(tǒng)的制作方法
水力壓裂系統(tǒng)
背景技術(shù)：
水力壓裂是增加烴產(chǎn)生的有效方法。該方法涉及在超過地層應(yīng)力的壓力下，通過鉆井孔將壓裂流體泵送入地下地層(即存儲(chǔ)層)中。將支撐材料放入產(chǎn)生的裂縫中以防止其閉合，其因此提供了烴從存儲(chǔ)層至鉆井孔的暢通流動(dòng)路徑及增強(qiáng)的運(yùn)輸。該水力壓裂技術(shù)在很大程度上基于材料含它們多種組分的流體和含任選輔助微粒的支撐劑。該支撐劑材料旨在于地層閉合應(yīng)力下提供增強(qiáng)的裂縫水力傳導(dǎo)度。支撐劑設(shè)計(jì)都集中于若干材料特性，其包括a)在地層閉合應(yīng)力下的抗壓強(qiáng)度或抗壓碎性，以避免產(chǎn)生細(xì)粉，該細(xì)粉已知會(huì)破壞支撐劑充填層的傳導(dǎo)度；b)低的比重 ，以將支撐劑放入含適當(dāng)粘度流體的裂縫深處；c)具有光滑顆粒表面和一致粒度分布的基本上是球形的支撐劑微粒形狀，以最大化支撐劑充填層的滲透性；和d)低的材料成本。通常在所述性能之間進(jìn)行權(quán)衡。作為實(shí)例，支撐劑抗壓碎性(其為材料機(jī)械強(qiáng)度的特性)常與所需支撐劑的低密度和低成本矛盾。支撐劑的選擇也極大地取決于可顯著變化的目標(biāo)存儲(chǔ)層的性能。因此，雖然支撐劑充填層傳導(dǎo)度常被看作是主要的支撐劑特性，但在某些情況下，它可換來其它的收益。在非常致密的存儲(chǔ)層中，即使裂縫傳導(dǎo)度非常低，仍然會(huì)產(chǎn)生用于從該地層進(jìn)入的烴的適合流動(dòng)路徑?？赡芷谕幸环N便宜的支撐劑，將該支撐劑可通過低粘度流體容易地運(yùn)輸至裂縫地層深處，并且無需具有低的比重、粒度或形狀一致性或強(qiáng)度。發(fā)明概述本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方案是一種水力壓裂由鉆井孔穿透的地下地層的方法，包括步驟(a)估算裂縫中的閉合應(yīng)力，(b)選擇可壓碎的支撐劑，該支撐劑在使用所述閉合應(yīng)力的壓碎測(cè)試中產(chǎn)生超過約20%的細(xì)粉，和(C)將在載液中的該支撐劑的漿料注入該地層中?？蓧核榈闹蝿┛赡苁?，例如，以球體、平板、圓盤、桿、圓筒、片晶、薄片、薄板、鱗狀體、殼、小片、殼體、塊及其混合物的形式?？蓧核橹蝿┛赡苁侵辽賰煞N不同形狀顆粒的混合物，其具有至少兩種不同的壓碎強(qiáng)度?？蓧核榈闹蝿┛赡馨辽賰煞N不同材料的顆粒，其具有至少兩種不同的壓碎強(qiáng)度?？蓧核榈闹蝿┛赡芡耆鼗虿糠质翘沾煽招那蝮w、玻璃或陶瓷微球體和微球、空心微珠、子母球(plerpsphere)及那些材料的組合?？蓧核榈闹蝿┛赡懿糠只蛲耆删哂虚]合孔隙的材料組成，例如玻璃和陶瓷、巖石和礦物質(zhì)、聚合物和塑料、金屬和合金、復(fù)合材料、生物材料及那些材料的組合。該具有閉合孔隙的材料可能具有纖維狀、弓形/多孔的、網(wǎng)孔、網(wǎng)孔/多孔的(cellular)、蜂巢狀、泡狀、海綿樣或泡沫結(jié)構(gòu)及這些結(jié)構(gòu)的組合?？蓧核榈闹蝿┛赡苡奢^細(xì)的材料組成，該材料已經(jīng)通過凝聚或結(jié)合形成大顆粒。可壓碎的支撐劑可能被涂覆?？蓧核榈闹蝿┛赡芤詽{料中的總固體的約10%至約100%的濃度使用?？蓧核榈闹蝿?yīng)在使用地層閉合應(yīng)力的壓碎測(cè)試中產(chǎn)生超過約10%，優(yōu)選超過約15%的細(xì)粉。在本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施方案中，在步驟(C)之后注入漿料，在該漿料中支撐劑是不可壓碎的。變換支撐劑類型的循環(huán)可能被重復(fù)多次。不可壓碎的支撐劑在使用地層閉合應(yīng)力的壓碎測(cè)試中應(yīng)產(chǎn)生小于約6%至約20%的細(xì)粉，例如在用于不同網(wǎng)孔尺寸的支撐劑的API RP56中所描繪的。任選地，可將一部分可壓碎的支撐劑在步驟(c)期間壓碎，和/或可將一部分可壓碎的支撐劑在步驟(c)之后當(dāng)裂縫閉合時(shí)壓碎。在其它實(shí)施方案中，地層可能具有小于約O. OOlmD的滲透性，并且支撐劑負(fù)荷可能小于約4. 88kg/m2。該支撐劑任選地包括至少為10重量％的云母或空心微珠或那些材料的混合。任選地，可將該支撐劑連續(xù)地加入注入地層的載液中?？蛇x擇所述材料的壓碎強(qiáng)度，以便至少一部分壓碎在井最初清理之后發(fā)生。在類似的支撐劑濃度下，相對(duì)于注入常規(guī)的支撐劑，表面處理壓力可降低。沉降速度可能小于150微米砂的沉降速度。又一個(gè)實(shí)施方案是一種水力壓裂由鉆井孔穿透的地下地層的方法，包括步驟(a)估算材料將在泵送期間所暴露的液壓，(b)選擇可壓碎的支撐劑，該支撐劑在使用所述液壓的壓碎測(cè)試中產(chǎn)生超過約20%的細(xì)粉，和(c)將在載液中的支撐劑的漿料注入所述地層中。流體靜壓力可在注入步驟期間改變以控制可壓碎的支撐劑材料的壓碎，例如注入速率可增加。附圖
簡(jiǎn)述 圖I顯示直徑剛好小于導(dǎo)管的球形支撐劑顆粒。圖2顯示在裂縫中的平板狀顆粒充填層。圖3顯示在不同支撐劑負(fù)荷和不同閉合壓力下白云母的實(shí)驗(yàn)性支撐劑充填層傳導(dǎo)度。圖4顯示在不同閉合應(yīng)力下云母充填層傳導(dǎo)度對(duì)支撐劑負(fù)荷的依賴性。圖5顯示在不同閉合壓力和不同流速下以O(shè). 49kg/m2的支撐劑負(fù)荷的白云母MD250的實(shí)驗(yàn)性支撐劑充填層傳導(dǎo)度。圖6顯示在不同閉合應(yīng)力下以O(shè). 49kg/m2的支撐劑負(fù)荷的空心微珠和云母?jìng)鲗?dǎo)度數(shù)據(jù)。圖7比較常規(guī)壓裂砂和云母薄片的實(shí)驗(yàn)性沉降速度。圖8顯示當(dāng)液壓增加導(dǎo)致支撐劑顆粒壓碎時(shí)，在工作期間的壓力分布圖。發(fā)明詳述盡管下列討論強(qiáng)調(diào)了壓裂深入致密的地層，但本發(fā)明的支撐劑和方法可用于任何壓裂環(huán)境。本發(fā)明將以處理垂直井的方式進(jìn)行描述，但同樣適用于任何方向的井。本發(fā)明將對(duì)烴生產(chǎn)井(氣體、油、冷凝物)進(jìn)行描述，但不應(yīng)理解為本發(fā)明可用于生產(chǎn)其他流體(例如水或二氧化碳)的井，或例如注入井或儲(chǔ)氣井。還應(yīng)理解，整個(gè)這份說明書，當(dāng)濃度或量的范圍被描述為有用的，或適合的等等，其意指在該范圍內(nèi)的任何或每個(gè)濃度或量，包括終點(diǎn)，都將視為已被規(guī)定。此外，各數(shù)值應(yīng)按術(shù)語“約”所修飾的讀出一次(除非已經(jīng)如此明確地修飾)，然后不按如此修飾再次讀出，除非在上下文中另有規(guī)定。例如，“1-10的范圍”將讀為表明沿約I至約10之間的連續(xù)數(shù)字的每一個(gè)可能的數(shù)字。換句話說，當(dāng)表達(dá)某個(gè)范圍時(shí)，即使僅僅很少的具體數(shù)據(jù)點(diǎn)被明確地鑒定或被指出在該范圍內(nèi)，或甚至當(dāng)未指出數(shù)據(jù)點(diǎn)在該范圍內(nèi)時(shí)，應(yīng)理解,本發(fā)明人領(lǐng)會(huì)和理解的是在該范圍內(nèi)的任何和所有數(shù)據(jù)點(diǎn)都將視為已被規(guī)定，而且本發(fā)明人具有該范圍內(nèi)的全部范圍和所有點(diǎn)的所有權(quán)。我們已發(fā)現(xiàn)了利用可壓碎微粒水力壓裂的方法，該方法提供了不顯著依賴于閉合應(yīng)力的足夠的和經(jīng)濟(jì)有效的裂縫傳導(dǎo)度。此外，這樣的微粒也可用于遠(yuǎn)場(chǎng)(深入遠(yuǎn)離鉆井孔的存儲(chǔ)層)遞送支撐劑至復(fù)雜的裂縫網(wǎng)絡(luò)中，在該裂縫網(wǎng)絡(luò)中不可經(jīng)現(xiàn)行方法放置高強(qiáng)度支撐劑。該可壓碎的微?？赡艿膽?yīng)用包括非常規(guī)存儲(chǔ)層，例如致密的含氣油頁巖，因?yàn)樵谶@樣的存儲(chǔ)層中需要的支撐劑傳導(dǎo)度可相對(duì)較低，并且支撐劑的運(yùn)輸性能變得更加重要。(術(shù)語支撐劑此處用于指具有足夠抗壓強(qiáng)度以保持裂縫開放的材料。)在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方案中，由于流動(dòng)通道的開放，球形或非球形微粒的壓碎導(dǎo)致在充填層中有效孔隙度的相對(duì)增加。閉合應(yīng)力對(duì)支撐劑充填層傳導(dǎo)度的影響顯著減弱，正如充填層壓縮和總的充填層孔隙度減少一樣，有效孔隙度一部分增加。在本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施方案中，空心和/或高孔隙度的輕量微粒被遞送至裂縫深處，其中它們被地層閉合應(yīng)力壓碎，但仍然向裂縫提供了足夠的傳導(dǎo)度，因?yàn)樗勺畛跷⒘５乃槠?。所有的支撐劑在一些閉合應(yīng)力下是可壓碎的，所以在過去支撐劑可能都超過了它們的壓碎強(qiáng)度被不注意地使用。這一直都被視為對(duì)處理效力和成功有害，但我們現(xiàn)在已經(jīng)發(fā)現(xiàn)在某些情況下它可能有利于在提出的壓裂處理中估算將會(huì)經(jīng)受的閉合應(yīng)力，然后選擇在這種情況下將會(huì)基本上被壓碎的支撐劑。不是所有的支撐劑都適合作為本發(fā)明的可壓碎的支撐劑；它們?cè)谧⑷霑r(shí)應(yīng)具有某些性能(例如慢的沉降)和當(dāng)被壓碎時(shí)的某些性能。例如，基礎(chǔ)材料可能有足夠的強(qiáng)度以支撐地層應(yīng)力，但可能在結(jié)構(gòu)方面和/或在材料的機(jī)械設(shè)計(jì)或結(jié)構(gòu)方面有缺陷，這導(dǎo)致了將在地層閉合應(yīng)力下斷裂的弱點(diǎn)。當(dāng)使用大支撐劑尺寸 時(shí)，壓碎后產(chǎn)生細(xì)粉可能是個(gè)問題，因?yàn)榧?xì)粉限制了該大支撐劑充填層的傳導(dǎo)度。然而，在本發(fā)明中，選擇顆粒在泵送期間進(jìn)行壓碎，以產(chǎn)生有效運(yùn)輸?shù)男☆w粒，或在裂縫閉合期間以產(chǎn)生足夠的傳導(dǎo)度。相關(guān)性能包括尺寸和形狀；也可使用不同尺寸和/或形狀的混合物。并且，一些形狀的抗壓碎性應(yīng)小于有效應(yīng)力。當(dāng)使用形狀的混合物時(shí)，一些形狀應(yīng)具有基本上不同的壓碎強(qiáng)度且可能超過有效應(yīng)力。例如，在流體靜壓力下壓碎的空心球體支撐劑材料，可用于產(chǎn)生有效運(yùn)輸和支撐地層閉合應(yīng)力的小的、強(qiáng)硬的顆粒。人們普遍接受的是，支撐劑壓碎是非常不期望的，因?yàn)樗鼘?dǎo)致形成細(xì)粉，該細(xì)粉填充支撐劑充填層的孔，因此降低了該層的水力傳導(dǎo)度。在過去已經(jīng)做出了重大的努力以開發(fā)高強(qiáng)度支撐劑(HSP)，并且許多這樣的產(chǎn)品為市售。大多數(shù)HSP基于陶瓷材料并且特征在于相對(duì)高的成本和高的比重。優(yōu)選的平板狀支撐劑是分層的巖石和礦物質(zhì)；最優(yōu)選的是云母，例如白云母。一些此類材料可能是可壓碎的并適合用于本發(fā)明。我們將平板狀顆粒定義為具有三個(gè)平均尺寸的一種顆粒，其中最大尺寸是最小尺寸的至少兩倍，并且第三個(gè)尺寸可小于或等于最大尺寸。因此，厚度小于二分之一直徑的圓盤適合作為平板狀顆粒。也可使用桿狀和纖維狀顆粒。優(yōu)選的是，這樣的顆粒應(yīng)具有至少約2的長(zhǎng)寬比，最優(yōu)選至少約3 ;優(yōu)選它們應(yīng)具有約5mm的最大長(zhǎng)度，最優(yōu)選約3mm。這樣的顆?？捎衫绮ＡЩ蛱沾山M成，或可由天然來源例如玄武巖纖維、石棉纖維等組成。在支撐劑開發(fā)中的另一個(gè)趨勢(shì)把輕量的和極輕量的微粒作為目標(biāo)。這些支撐劑旨在用于非常規(guī)存儲(chǔ)層(即氣頁巖、致密氣砂巖)，在該存儲(chǔ)層中滑溜水被用來作壓裂液。滑溜水通常是減阻劑的稀溶液(將聚合物加入以減少泵壓)，其粘度通常不超過約10mPa-S。將滑溜水處理以大體積泵送入含氣頁巖中以產(chǎn)生復(fù)雜的裂縫網(wǎng)絡(luò)，據(jù)信，該網(wǎng)絡(luò)能提高氣體產(chǎn)生。因?yàn)檫f送支撐劑至具有低粘度流體的該裂縫網(wǎng)絡(luò)中是具有挑戰(zhàn)性的，所以用于滑溜水處理的支撐劑開發(fā)的常規(guī)方法是要降低該支撐劑比重。已將基于聚合物復(fù)合材料的輕量支撐劑商業(yè)化；它們通常具有從約I. 08至約I. 25g/cm3的比重。這些支撐劑主要的問題是它們的成本，但它們?cè)诩夹g(shù)上適合于本發(fā)明。因此，將其它適合的支撐劑描述于美國(guó)專利4，547，468中，其公開了空心細(xì)粒的陶瓷支撐劑，該支撐劑在閉合應(yīng)力超過5000psi (34. 5MPa)下具有等于或大于Ottawa砂的壓碎強(qiáng)度。并且適合的是，美國(guó)專利7，220，454和美國(guó)專利申請(qǐng)公布20070154268描述了高強(qiáng)度多晶陶瓷球體，以及制備氧化鋁或鋁酸鹽空心球體的方法，該方法通過用鋁氧烷(alumoxane)涂覆聚合物微珠,加熱該顆粒以將招氧燒轉(zhuǎn)化為氧化招,通過用溶液洗漆從涂料內(nèi)部移除聚合物微珠，并燒結(jié)所得的空心顆粒以得到高強(qiáng)度的α-氧化鋁球體。也適合作本發(fā)明中支撐劑的是在美國(guó)專利申請(qǐng)公布No. 20070154268,20070166541,20070202318和20080135245中描述的那些；這些公開的支撐劑具有適合的抗壓碎性和/或浮力如通過比重所示。這些支撐劑通常用模板材料和在模板材料上的殼體制備；該殼體是陶瓷材料或其氧化物或金屬氧化物。該模板材料可能是空心球體并可能是單一顆粒，例如空心微珠。本發(fā)明的觀點(diǎn)僅在利用空心顆粒作為用于真實(shí)的支撐劑運(yùn)輸媒介物上不同于描述空心輕量支撐劑的前述專利和專利申請(qǐng)以及其它專利。在本發(fā)明中的支撐劑材料不是顆 粒本身，而是它們的碎片。這樣的一種方法徹底改變了支撐劑材料的設(shè)計(jì)，因?yàn)椴]有強(qiáng)化微粒的需要，而是它們可能是可壓碎的，并且可選擇以提供可能最好的壓碎材料的傳導(dǎo)度。在球形顆粒充填層中的應(yīng)力分布通常是相當(dāng)一致的；然而，超過臨界壓縮應(yīng)力顆粒就開始?jí)核?。雖然此前據(jù)信支撐劑顆粒壓碎對(duì)充填層滲透性不利，但這不一定正確。任何人都可考慮一個(gè)簡(jiǎn)單的理論實(shí)驗(yàn)(參見下面的實(shí)施例I)，該實(shí)驗(yàn)顯示在一定的情況下支撐劑壓碎實(shí)際上可增加滲透性。如果壓裂漿料含有在閉合應(yīng)力下易受壓碎的微粒，然而，這樣的壓碎可能誘導(dǎo)在充填層中產(chǎn)生通道(流動(dòng)路徑)，并因此提高了滲透性，該滲透性隨后不受閉合應(yīng)力量級(jí)顯著影響?？蓧核榈奈⒘？赡苁墙魄蛐蔚?，或以平板、圓盤、片晶、薄片、薄板、圓筒、桿、鱗狀體、殼、小片、殼體及其混合的形式(參見下面的實(shí)施例2和3)。如果不是球形，可壓碎的微?？赡芫哂腥魏伍L(zhǎng)寬比。或者，壓裂漿料可能含有低比重的可壓碎的微粒。這樣的微粒材料可選自多種輕量的材料，包括但不限于，陶瓷空心球體、玻璃微球體和微球、空心微珠、子母球(炭和灰空心微珠，所述空心微珠其空洞被灰和其它材料的較細(xì)的顆粒填充)、多種多孔材料，包括巖石和礦物質(zhì)、陶瓷、水泥、聚合物；以及多種復(fù)合材料及這樣的材料的混合物。優(yōu)選的材料是空心微珠、由鋁和二氧化硅組成的空心球形陶瓷顆粒，其是煤燃燒的副產(chǎn)品并存在于粉煤灰(fly ash)中。該顆粒充滿空氣，并且表觀比重為約O. 4至約O. 8g/cm3。它們的主要用途是作為用于水泥的填充料，以制備低密度混凝土(參見下面的實(shí)施例4)。然而，可能很容易通過低粘度流體即滑溜水實(shí)現(xiàn)將這樣的輕量顆粒放入裂縫或復(fù)雜裂縫網(wǎng)絡(luò)深處，因?yàn)樵擃w粒通常是有浮力的。當(dāng)裂縫閉合時(shí)，微粒易受壓碎，其產(chǎn)生了顆粒碎片，該顆粒碎片仍然支撐遠(yuǎn)端裂縫開放，因此提供了足以用于烴生產(chǎn)提高的滲透性?；蛘?，本發(fā)明的可壓碎的支撐劑可能由具有閉合孔隙的材料組成的微粒，例如玻璃和陶瓷、巖石和礦物質(zhì)、聚合物和塑料、金屬和合金、復(fù)合材料、生物材料以及這樣的材料的組合。具有這樣的閉合孔隙的材料可能具有纖維狀、弓形/多孔的、網(wǎng)孔、網(wǎng)孔/多孔的、蜂巢狀、泡狀、海綿樣或泡沫結(jié)構(gòu)以及這樣的結(jié)構(gòu)的組合。任何支撐劑在足夠的閉合壓力下都是可壓碎的支撐劑?；蛘?，由于在泵入存儲(chǔ)層中期間遇到的流體靜壓力，本發(fā)明的可壓碎支撐劑可能被壓為碎片。在這種情況下，在泵送期間在原位產(chǎn)生了細(xì)網(wǎng)孔支撐劑材料。一個(gè)實(shí)例是細(xì)網(wǎng)孔材料，將其以粒狀的/丸狀的形式遞送至該位置。在泵送或裂縫閉合期間壓碎聚集物降低了粉化和在表面處遇到的其它處理風(fēng)險(xiǎn)?？招奈⒅楹推渌嘈晕⒘７秩脒@一類；它們壓碎的至少一部分可能發(fā)生在泵送期間，而未必在地層閉合應(yīng)力下。或者，該支撐劑可能包括平板狀的混合物，或如其它實(shí)例的桿狀或圓筒狀和近似球形的顆粒或不規(guī)則的顆粒，以便該平板或如其它實(shí)例的桿或圓筒在層之間限制球體或不規(guī)則的顆粒。這增加了平板充填層，或如其它實(shí)例的桿狀或圓筒狀材料的滲透性。然后，在應(yīng)力下，該球體可能是用于該平板破裂的失效點(diǎn)(如果它們比平板的強(qiáng)度低)或起始點(diǎn)(如果它們具有比平板更高的壓碎強(qiáng)度)。在平板任何破裂發(fā)生之前，球體的滲透性應(yīng)更聞。優(yōu)選的是，本發(fā)明的可壓碎支撐劑的壓碎產(chǎn)生了比母粒小少于一個(gè)數(shù)量級(jí)的微粒。壓碎材料的尺寸分布可通過實(shí)驗(yàn)例如下面所描述的API RP 56測(cè)試來確定。可將所有或部分可壓碎的顆粒涂覆以增加它們的強(qiáng)度，改變它們的可濕性，提供較高的閉合孔隙度和因此更好的運(yùn)輸性能，降低細(xì)粉的形成，減少在泵送期間的摩擦或減·少它們彼此的粘附。用于提高性能的適合材料可包括四價(jià)疏水或親水吸附劑、吸附的表面活性劑、聚硅酮、氟碳化合物或賦予該顆粒所需的表面性的聚合物。作為另一個(gè)實(shí)例，可壓碎的支撐劑可用樹脂涂料涂覆，該樹脂涂料可提供更高的抗壓碎性，因此在應(yīng)力較低的井的最初返流期間提供了較高的傳導(dǎo)度，以增強(qiáng)流體清理，然后將樹脂涂覆的顆粒在生產(chǎn)期間在較高應(yīng)力下壓碎，以產(chǎn)生細(xì)網(wǎng)孔充填層。而且，該顆粒表面可通過化學(xué)或光學(xué)方法來蝕亥IJ，以使表面粗糙而不光滑，以增強(qiáng)滲透性。本發(fā)明的支撐劑和方法特別適合于非常致密的地層，如本文所用，其涉及滲透性小于約I毫達(dá)西，并且在多種實(shí)施方案中，小于約100微達(dá)西、小于約10微達(dá)西、小于約I微達(dá)西，或小于約500毫微達(dá)西的地層。這些地層具有如此低的滲透性，以至該井可有效受激，在一個(gè)實(shí)施方案中全部或原生最終裂縫傳導(dǎo)度近似為O. 3-30mD-m(l-100mD-ft)，和/或次生和/或再生裂縫近似為O. 0003-3mD-m(0. OOl-lOmD-ft)，其中應(yīng)理解次生裂縫指通常長(zhǎng)度和/或?qū)挾认鄬?duì)較小、從原生裂縫分支的裂縫，并且再生裂縫指通常長(zhǎng)度和/或?qū)挾认鄬?duì)較小、從次生裂縫分支的裂縫。作為一個(gè)實(shí)例，本發(fā)明的可壓碎的支撐劑可用于處理滲透性小于O. OOlmD的地層，在該地層中支撐劑負(fù)荷小于約4. 88kg/m2 (llb/ft2)，優(yōu)選小于約2kg/m2(0. 51b/ft2)。作為另一個(gè)實(shí)例，本發(fā)明的可壓碎支撐劑可用于處理地層，在該地層中產(chǎn)生的裂縫基本上不是橫向的，但可能包括誘導(dǎo)橫向和橫向流動(dòng)路徑的混合物；將該支撐劑在整個(gè)誘導(dǎo)的流動(dòng)路徑網(wǎng)絡(luò)中進(jìn)行運(yùn)輸?？蓪⒖蓧核榈闹蝿┎粩嘧⑷?，或可將較大顆粒團(tuán)塊(slug)用于促進(jìn)運(yùn)輸。因?yàn)樽罱K支撐劑充填層的效果不依賴于賦予裂縫流動(dòng)傳導(dǎo)度的在注入時(shí)的支撐劑充填基質(zhì)的孔隙度或滲透性，所以選擇較寬范圍的支撐劑材料的選項(xiàng)的可用性在本發(fā)明的實(shí)施方案中是有優(yōu)勢(shì)的。例如，支撐劑可能具有混合范圍、可變的直徑、形狀、強(qiáng)度或在至少一些支撐劑的閉合以及壓碎之后產(chǎn)生適合支撐劑充填層的其它性能。如果注入的支撐劑在性能上是一致的，那么至少一些支撐劑一定會(huì)被壓碎；如果支撐劑是不同材料或一種材料的混合物(例如僅僅是尺寸和/或形狀的混合物)，那么不同支撐劑中的至少一個(gè)在閉合條件下一定會(huì)是至少部分可壓碎的。可壓碎顆粒由流體中的總顆粒的約10%至約100%組成,優(yōu)選約30%至約100%。流體中可壓碎的顆粒的優(yōu)選濃度是約O. I至約1200kg/m3 (IOppa),最優(yōu)選約120kg/m3至約240kg/m3(0. I至約2ppa)。其它的支撐劑材料可能,例如是常規(guī)支撐劑材料，例如砂、陶瓷、燒結(jié)鋁土礦、玻璃微珠、礦物質(zhì)、聚合物、塑料、天然存在的和復(fù)合材料以及這些材料的組合。任選地，常規(guī)支撐劑可能用于填充較接近鉆井孔的部分裂縫，在該鉆井孔中由于產(chǎn)生的裂縫的尺寸和幾何形狀，本發(fā)明的可壓碎支撐劑的優(yōu)勢(shì)可能并不需要。(較接近鉆井孔，通常為較寬的和不復(fù)雜的裂縫。)該常規(guī)支撐劑可具有超過閉合壓力的壓碎強(qiáng)度。該常規(guī)支撐劑材料可能，例如是常規(guī)支撐劑材料，例如砂、陶瓷、燒結(jié)鋁土礦、玻璃微珠、礦物質(zhì)、聚合物、塑料、天然存在的和復(fù)合材料以及這些材料的組合。任何表面和鉆井設(shè)備，任何泵送安排表，和任何壓裂或滑溜水流體都可能與本發(fā)明的可壓碎支撐劑和方法一起使用，條件僅僅是，可壓碎的顆粒在它們到達(dá)最終充填層的 位置之前基本上未被設(shè)備破壞。任選地，可將設(shè)備/支撐劑設(shè)計(jì)為在放置之前一例如在鉆井孔(在原位壓碎)中破壞支撐劑，參見下面的實(shí)施例7。常規(guī)用于壓裂或滑溜水流體的任何添加劑也可使用。當(dāng)隨運(yùn)輸常規(guī)支撐劑方面存在困難的低粘度流體(例如滑溜水)應(yīng)用時(shí)，可采用較高濃度的可壓碎支撐劑降低沉降速度?；蛘撸商蕴惶娴厥褂蒙倭繘]有支撐劑的滑溜水和有支撐劑的滑溜水的實(shí)踐，而支撐劑可連續(xù)地加至滑溜水中。本實(shí)踐減少了對(duì)經(jīng)濟(jì)有明顯影響的水的使用，并簡(jiǎn)化了泵送操作。全部支撐劑的量和濃度也可與用沒有可壓碎支撐劑的類似流體處理類似地層相同。雖然據(jù)信存在基本的聯(lián)系，但材料壓縮強(qiáng)度和支撐劑抗壓碎性之間的相關(guān)性仍未報(bào)道過。后者通常在不同應(yīng)用負(fù)荷下根據(jù)在特定壓碎池中的API RP 56方法對(duì)常規(guī)支撐劑進(jìn)行估算。產(chǎn)生的細(xì)粉通過篩分分析測(cè)定，并與API RP規(guī)定的數(shù)據(jù)比較。定義本發(fā)明可壓碎微粒支撐劑最簡(jiǎn)單的方法是定義它們?yōu)椴环螦PI RP 56抗壓碎性規(guī)格的支撐劑。因此要注意，我們定義“細(xì)粉”為由壓碎最初的支撐劑產(chǎn)生的任何顆粒。API RP 56將可壓碎測(cè)試描述為在具有保持平行和應(yīng)用負(fù)荷的壓板的壓力機(jī)中進(jìn)行；該池通常具有5. 08cm(2英寸)的內(nèi)部直徑和8. 89cm(3. 5英寸)的活塞長(zhǎng)度。將給出網(wǎng)孔尺寸范圍的支撐劑在19. 5kg/m2(41b/ft2)的濃度下放入該池中，該濃度對(duì)于所描述的池是40g，并且通過插入活塞和朝一個(gè)方向旋轉(zhuǎn)活塞來對(duì)準(zhǔn)。將負(fù)荷應(yīng)用，花費(fèi)I分鐘以達(dá)到最大，并保持2分鐘。將該負(fù)荷釋放并將支撐劑移除，并在搖動(dòng)篩粉器中篩分10分鐘。小于所負(fù)荷的最小網(wǎng)孔尺寸的任何顆粒都視為細(xì)粉。將結(jié)果與表I中給出的建議規(guī)格相比較。
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權(quán)利要求
1.ー種水力壓裂由鉆井孔穿透的地下地層的方法，包括(a)估算裂縫中的閉合應(yīng)力，(b)選擇可壓碎的支撐劑，所述支撐劑在使用所述閉合應(yīng)カ的壓碎測(cè)試中產(chǎn)生超過約20%的細(xì)粉，和(c)將在載液中的所述支撐劑的漿料注入所述地層中。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的方法，其中所述可壓碎的支撐劑是選自下列的形式球體、平板、圓盤、桿、圓筒、片晶、薄片、薄板、鱗狀體、売、小片、殼體、團(tuán)及其混合物。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的方法，其中所述可壓碎的支撐劑包含至少兩種不同形狀的顆粒，所述顆粒具有至少兩種不同的壓碎強(qiáng)度。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的方法，其中所述可壓碎支撐劑包含至少兩種不同材料的顆粒，所述材料具有至少兩種不同的壓碎強(qiáng)度。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的方法，其中所述可壓碎的支撐劑選自陶瓷空心球體、玻璃或陶瓷微球體和微球、空心微珠、子母球及其組合。
6.根據(jù)權(quán)利要求I所述的方法，其中所述可壓碎的支撐劑包含具有閉合孔隙的材料。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的方法，其中所述具有閉合孔隙的材料選自玻璃和陶瓷、巖石和礦物質(zhì)、聚合物和塑料、金屬和合金、復(fù)合材料、生物材料及其組合。
8.根據(jù)權(quán)利要求6所述的方法，其中所述具有閉合孔隙的材料有纖維狀、弓形/多孔的、網(wǎng)孔、網(wǎng)孔/多孔的、蜂巣狀、泡狀、海綿樣或泡沫結(jié)構(gòu)或其組合。
9.根據(jù)權(quán)利要求I所述的方法，其中所述可壓碎的支撐劑包含較細(xì)的材料，所述材料已經(jīng)通過凝聚或結(jié)合形成較大顆粒。
10.根據(jù)權(quán)利要求I所述的方法，其中所述可壓碎的支撐劑被涂覆。
11.根據(jù)權(quán)利要求I所述的方法，其中所述可壓碎的支撐劑包含漿料中的總固體的10%至 100%O
12.根據(jù)權(quán)利要求I所述的方法，其中所述可壓碎的支撐劑在使用所述地層的所述閉合應(yīng)カ的壓碎測(cè)試中產(chǎn)生超過15%的細(xì)粉。
13.根據(jù)權(quán)利要求I所述的方法，其中所述可壓碎的支撐劑在使用所述地層的所述閉合應(yīng)カ的壓碎測(cè)試中產(chǎn)生超過10%的細(xì)粉。
14.根據(jù)權(quán)利要求I所述的方法，其中在步驟(c)之后注入包含不可壓碎的支撐劑的漿料。
15.根據(jù)權(quán)利要求14所述的方法，其中將交替支撐劑類型的循環(huán)重復(fù)多次。
16.根據(jù)權(quán)利要求14所述的方法，其中所述可壓碎的支撐劑在使用所述地層的所述閉合應(yīng)カ的壓碎測(cè)試中產(chǎn)生小于約6%至約20%的細(xì)粉。
17.根據(jù)權(quán)利要求I所述的方法，其中將一部分所述可壓碎的支撐劑在步驟(c)期間壓碎。
18.根據(jù)權(quán)利要求I所述的方法，其中將一部分所述可壓碎支撐劑在步驟(c)之后當(dāng)所述裂縫閉合時(shí)壓碎。
19.根據(jù)權(quán)利要求I所述的方法，其中所述地層具有小于約O.OOlmD的滲透性，并且所述支撐劑負(fù)荷小于約4. 88kg/m2。
20.根據(jù)權(quán)利要求I所述的方法，其中所述支撐劑由至少10重量百分比的云母或空心微珠或其混合物組成。
21.根據(jù)權(quán)利要求I所述的方法，其中所述支撐劑連續(xù)加到注入所述地層中的載液中。
22.根據(jù)權(quán)利要求I所述的方法，其中對(duì)所述材料的所述壓碎強(qiáng)度進(jìn)行選擇，以便至少一部分所述壓碎在所述井的最初清理之后發(fā)生。
23.根據(jù)權(quán)利要求I所述的方法，其中在類似的支撐劑濃度下相對(duì)于注入常規(guī)支撐劑，所述表面處理壓力降低。
24.根據(jù)權(quán)利要求I所述的方法，其中所述沉降速度小于150微米砂的沉降速度。
25.ー種水力壓裂由鉆井孔穿透的地下地層的方法，包括(a)估算所述材料在泵送期間所暴露的所述液壓，(b)選擇可壓碎的支撐劑，所述支撐劑在使用所述液壓的壓碎測(cè)試中產(chǎn)生超過約20%的細(xì)粉，和(c)將在載液中的所述支撐劑的漿料注入所述地層中。
26.根據(jù)權(quán)利要求25所述的方法，其中將所述流體靜壓カ在所述注入步驟期間改變以控制所述可壓碎的支撐劑材料的壓碎。
27.根據(jù)權(quán)利要求26所述的方法，其中所述注入速率是增加的。
全文摘要
給出了用于壓裂地層的方法，尤其是在致密地層中的遠(yuǎn)場(chǎng)，其中至少一部分支撐劑在泵送期間、在裂縫閉合期間的某一時(shí)刻，或在裂縫閉合期間隨后經(jīng)歷的較高應(yīng)力下在原位是可壓碎的。將閉合應(yīng)力或流體靜應(yīng)力進(jìn)行估算，接著對(duì)在該閉合應(yīng)力下至少部分可壓碎的支撐劑進(jìn)行選擇，然后用至少一部分總支撐劑進(jìn)行壓裂處理，該總支撐劑是所選的可壓碎的支撐劑。
文檔編號(hào)C09K8/80GK102695847SQ200980163285
公開日2012年9月26日 申請(qǐng)日期2009年12月31日 優(yōu)先權(quán)日2009年12月31日
發(fā)明者C·N·弗雷德, R·哈欽斯, S·M·馬卡雷切夫-米哈伊洛夫 申請(qǐng)人:普拉德研究及開發(fā)股份有限公司