用于遠場增產(chǎn)處理的微支撐劑的制作方法
【專利摘要】借助壓裂流體來壓裂井筒周圍的地下區(qū)域。將200目或更小的微支撐劑泵入地下區(qū)域的遠場裂隙并將這些遠場裂隙撐開。
【專利說明】用于遠場増產(chǎn)處理的微支撐劑

【背景技術(shù)】
[0001]在某些低滲透性地層(如頁巖)中，對于從地層中有效地產(chǎn)出流體而言，液力壓裂增產(chǎn)處理(hydraulic fracturing stimulat1n)是必要的。在頁巖和類似的地層中實施的液力壓裂增產(chǎn)處理不僅在井筒周圍的近場中形成初級裂隙，而且還在遠場中形成從初級裂隙延伸成的誘發(fā)型樹枝狀裂隙。這些誘發(fā)型樹枝狀裂隙通常形成在初級裂隙的尖端和邊緣，且以類似分叉的樹的方式從初級裂隙向外延伸。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0002]圖1是用于井的壓裂系統(tǒng)的示意圖。
[0003]圖2是在壓裂處理期間井系統(tǒng)的示意性側(cè)視圖。
[0004]不同附圖中相同的附圖標記指代相同的元件。

【具體實施方式】
[0005]如上文所述，在某些低滲透性地層中，液力壓裂增產(chǎn)處理在井筒周圍的近場中形成初級裂隙，在遠場形成誘發(fā)型樹枝狀裂隙。這些樹枝狀裂隙通常形成在初級裂隙的尖端和邊緣，且以類似分叉的樹木的方式向外延伸。由于這些次級的樹枝狀裂隙能夠相對于初級裂隙的軌跡(trajectory)橫向延伸，因此它們到達并連接于這些初級裂隙的軌跡中的天然裂隙和鄰近該軌跡的天然裂隙。如此，這些次級的樹枝狀裂隙到達天然產(chǎn)生的裂隙網(wǎng)的較大部分，并將這些天然裂隙連回到初級裂隙和井。已知的是，頁巖、炭和很多其它低滲透性地層，例如具有近似為I毫達西(mD)或更小的滲透率的地層均以這種方式斷裂。
[0006]本文的設計思想包括支撐誘發(fā)型的樹枝狀裂隙和(在某些情況下)所連接的天然裂隙，以潛在地提高來自地層的采收率。誘發(fā)型的樹枝狀裂隙較小。在液力壓裂增產(chǎn)處理中使用的典型的支撐劑(介于100到12目(149-1680 μπι)的范圍內(nèi))不能浸入到這些樹枝狀裂隙，因此當來自裂隙處理的液壓撤回時將不會支撐或保持樹枝狀裂隙的打開。由此，使用小于100目(149 μπι)、某些情況下等于或小于200目(74μπι)、230目(63μπι)或者甚至325目(44 μ m)的微支撐劑(micro proppant)來撐開這些誘發(fā)型的樹枝狀裂隙。在某些情況下，可根據(jù)待支撐的樹枝狀裂隙的尺寸來選擇微支撐劑的尺寸(粒度)，使顆粒尺寸小于當樹枝狀裂隙在壓裂壓力下保持打開時該樹枝狀裂隙的橫向尺寸。
[0007]圖1是根據(jù)本文的設計思想的壓裂增產(chǎn)處理系統(tǒng)10的一個示例。在某些情況下，系統(tǒng)10包括壓裂凝膠生產(chǎn)設備20、流體源30、支撐劑源40以及泵和攪拌器系統(tǒng)50，該系統(tǒng)設于地面井60的位置。在某些情況下，凝膠生產(chǎn)設備20將凝膠前體(gel pre-cursor)與來自流體源30的流體(例如液體或近似于液體)結(jié)合，來生產(chǎn)用作壓裂流體的水合壓裂凝膠。這種水合壓裂凝膠可以是一種準備用于井60的壓裂增產(chǎn)處理的凝膠，或一種在用于井60的壓裂增產(chǎn)處理之前需在其中添加附加流體的凝膠濃縮物。在其它情況下，可省略壓裂凝膠生產(chǎn)設備20，而直接從流體源30獲得壓裂流體。在某些情況下，壓裂流體可包括水、烴流體、聚合物凝膠、泡沫、空氣、潮濕氣體和/或其它流體。
[0008]支撐劑源40可包括用以與壓裂流體結(jié)合的預制支撐劑，并且/或者如下文中將更詳細論述的，支撐劑源40可包括支撐劑前體的源。支撐劑前體是在與壓裂流體結(jié)合之后并且/或者在井下時(例如，在井筒中和/或在地下區(qū)域的裂隙中)能生成支撐劑的一種組分。在某些情況下，支撐劑源40可另外包括用于支撐劑前體的活化劑的源，該活化劑激活支撐劑前體以生成支撐劑。
[0009]該系統(tǒng)還可包括其它多種添加劑70以改變混合物的性質(zhì)。例如，可(在混合物中)包括其它添加劑70以減少泵送摩擦、減少或消除混合物對形成該井的地質(zhì)構(gòu)造的反應、用作表面活性劑和/或服務于其它功能。
[0010]泵和攪拌器系統(tǒng)50接納壓裂流體并將其與其它組分結(jié)合，上述其它組分包括來自支撐劑源40的支撐劑或支撐劑前體(以及在一些情況下，活化劑)和/或來自添加劑70的附加流體。所得到的混合物可在壓力下被向下泵送到井60以對地下區(qū)域進行壓裂增產(chǎn)處理(例如產(chǎn)生裂隙)，例如提高該區(qū)域中的資源產(chǎn)量。在使用活化劑的情況下，活化劑可在泵和攪拌器系統(tǒng)50處與支撐劑前體結(jié)合以及/或者在其它時間注入井60。特別地，在某些情況下，多個不同源的流體通過閥連接到泵和攪拌器系統(tǒng)50，從而泵和攪拌器系統(tǒng)50可在給定時間從一個、某些或所有不同的流體源供給流體。因此，例如泵和攪拌器系統(tǒng)50在某些時間可僅向井提供壓裂流體，在另一些時間僅提供支撐劑前體和/或活化劑，而在又一些時間提供這些流體的組合。
[0011]圖2示出了在圍繞井筒104的目標地下區(qū)域102的壓裂處理期間的井60。地下區(qū)域102可包括一個或多個地層或者一個地層的一部分。
[0012]井筒104從地面(terranean surface) 106延伸，壓裂流體108被施加于井筒的水平部分周圍的地下區(qū)域102。盡管(在圖中)被示出為偏離水平面的豎直型，但井筒104可包括水平、垂直、傾斜、彎曲和其它類型的井筒幾何形狀和取向，并且可將壓裂處理施加到井筒周圍的任何部分的地下區(qū)域。井筒104可包括套管110，該套管被粘合到、或以其它方式固定到井筒壁。井筒104可以無套管或者包括無套管節(jié)段。在套管110中可形成有穿孔以使壓裂流體和/或其它材料能夠流入地下區(qū)域102。在套管井中，可使用射孔彈(shapecharge)、射孔槍、水力噴射和/或其它工具來形成穿孔。
[0013]該井被示出為具有工作管柱112，該工作管柱從地面106下垂入井筒104中。泵和攪拌器系統(tǒng)60聯(lián)接工作管柱112以將壓裂流體108連通到井筒104。工作管柱112可包括連續(xù)油管(coiled tubing，撓性管)、接合管和/或其它連通穿過井筒104的流體的結(jié)構(gòu)。工作管柱112可包括流量控制裝置、旁通閥、端口和/或其它用于控制從工作管柱112的內(nèi)部進入地下區(qū)域102的流體的流量的工具或井裝置。例如，工作管柱112可包括鄰近井筒壁的端口以將壓裂流體108直接連通到地下區(qū)域102中，并且/或者工作管柱112可包括與井筒壁相隔開的端口，以將壓裂流體108連通到井筒內(nèi)的工作管柱112與井筒壁之間的環(huán)空(annulus)中。
[0014]工作管柱112和/或井筒104包括一套或多套封隔器114，這些封隔器將工作管柱112與井筒104之間的環(huán)空密封以限定井筒104(壓裂流體108將被泵送入該井筒內(nèi))的間隔。圖2示出了兩個封隔器114，其中一個限定該間隔的井口邊界，一個限定該間隔的井底端部。
[0015]地下區(qū)域102的巖石基體是下述類型的巖石基體:當被壓裂時，在近場產(chǎn)生初級裂隙116，且在遠場產(chǎn)生次級的誘發(fā)型的樹枝狀裂隙118。次級裂隙118從初級裂隙116的端部和邊緣傳播或者靠近初級裂隙116的端部和邊緣傳播。在某些情況下，地下區(qū)域102是具有ImD或更小的滲透率的低滲透性區(qū)域。例如，地下區(qū)域102可為頁巖。在某些情況下，地下區(qū)域102的巖石基體可包括壓緊裂縫或天然裂隙(例如先前存在而不是由壓裂處理引起的那些)。天然裂隙趨于沿平行于初級裂隙116的方向延伸。次級裂隙118沿許多方向(包括非平行于初級裂隙116并且在某些情況下垂直于初級裂隙116的方向)擴展。因此，次級裂隙118可能與初級裂隙116交叉，從而將天然裂隙連接到初級裂隙116。
[0016]壓裂處理可通過一個或多個階段執(zhí)行，其中將不同數(shù)量、尺寸和/或濃度的支撐劑(包括微支撐劑和較大支撐劑)提供到裂隙116、118，或者在一些階段并不將支撐劑提供到裂隙116、118。例如，在某些情況下，可利用含有很少的支撐劑或者不含支撐劑的壓裂流體來開始裂隙116、118的形成，然后在后續(xù)階段可通過填充和撐開次級裂隙118和初級裂隙116的方式來向裂隙116、118提供支撐劑。考慮到樹枝狀的次級裂隙118的尺寸較小，在一個或多個階段可引入微支撐劑，使其顆粒尺寸比裂隙在壓裂壓力下保持打開的橫向尺寸小。在某些情況下，微支撐劑小于100目(149 μπι)、某些情況下等于或小于200目(74μπι)、230目(63 μπι)或者甚至325目(44 μm)。上述階段提供支撐劑以使次級裂隙118被微支撐劑支撐。特別地，以小于或等于地下區(qū)域102中的微支撐劑的臨界橋接濃度(bridgingconcentrat1n)的濃度，將支撐劑提供到地下區(qū)域102。在某些情況下，上述階段可額外提供比微支撐劑大的支撐劑來支撐初級裂隙116。上述階段可被布置成提供支撐劑和微支撐劑的混合，并且/或者一些階段可基本上僅提供微支撐劑，而其它階段可僅提供較大的支撐劑。
[0017]支撐劑源可向壓裂流體提供支撐劑和/或支撐劑前體。在支撐劑前體的情況下，可隨后在壓裂流體中生成支撐劑。例如，可在地面和/或在井筒104內(nèi)，在壓裂流體中生成支撐劑，而在某些情況下，在地下區(qū)域102的初級裂隙116和/或次級裂隙118中生成支撐劑。如下文所述，支撐劑可采用多種形式。特別地，盡管下文所論述的微支撐劑的很多示例能夠在井下形成，但本文的設計思想還包括在地面預形成這些微支撐劑，并將它們作為支撐劑提供到壓裂流體，或在將壓裂流體泵入井筒104之前在地面上，在壓裂流體中形成這些微支撐劑。
[0018]在某些情況下，可通過將中性pH值的有機硅酸鹽的支撐劑前體與壓裂流體一起提供到井筒104中，在井下(即，在井筒104和/或地下區(qū)域102的裂隙中)生成硅酸鹽顆粒形式的微支撐劑。在某些情況下，上述有機硅酸鹽可以是正硅酸乙酯(TEOS)和/或其它有機硅酸鹽。一旦進入井筒104中，則將壓裂液的pH值改變?yōu)閴A性或酸性而將有機硅酸鹽水解?？赏ㄟ^引入活化劑來改變PH值，例如通過向井筒104中注射酸液或堿液、通過與壓裂流體一起注射緩慢溶解的用以改變PH值的材料和/或利用其它方法。一旦發(fā)生水解，則有機硅酸鹽將形成凝膠，該凝膠將最終變成小顆粒。壓裂流體中的有機硅酸鹽的濃度決定著(drive)顆粒尺寸，可選擇多種濃度以產(chǎn)生微支撐劑。特別地，可在使用油作為壓裂流體的環(huán)境(例如，氣井和/或其它類型的井)中，以這種方式生成微支撐劑。例如，有機硅酸鹽可被乳化以在油壓裂流體中形成微乳液。一旦與地層水接觸并改變PH值，則有機硅酸鹽將水解并將生成微支撐劑。
[0019]在某些情況下，可通過將有機酸鋁氧烷的支撐劑前體與壓裂流體一起提供到井筒104中，而在井下生成氧化鋁顆粒形式的微支撐劑。有機酸鋁氧烷會緩慢水解而生成作為微支撐劑的氧化鋁顆粒。根據(jù)壓裂處理的需求，可將鋁氧烷定制(tailor)為快速水解或緩慢水解，且可將其定制為能夠促進次級裂隙118中微支撐劑的形成。
[0020]在某些情況下，可在井下生成碳酸鈣(CaCO3)和硫酸鋇(BaSO4)形式的微支撐劑。例如，通過將極低濃度的氧化鈣(CaO)的支撐劑前體與壓裂流體一起提供到井筒104中，而后另外和/或隨后向井筒104中提供含有二氧化碳(CO2)的水流體(aqueous fluid，水基流體)的活化劑，可生成CaC03。CaO將與水反應形成Ca (OH)2,該Ca (OH) 2則與CO 2反應而形成CaCO3并沉淀為微支撐劑。為防止顆粒聚集，可將表面活性劑加入壓裂流體或與活化劑關(guān)聯(lián)。在另一示例中，通過在壓裂流體中提供極低濃度的碳酸鋇(BaCO3)支撐劑前體，并且另外和/或隨后將硫酸(H2SO4)水溶液組成的活化劑提供到井筒104，可生成BaS04。所造成的反應將形成BaSO4,其將析出為微支撐劑而懸浮在溶液中。
[0021]在某些情況下，可在井下生成聚合物形式的微支撐劑。該微支撐劑可通過交聯(lián)劑單體的自由基聚合來生成。例如，交聯(lián)劑的單體在水中乳化并作為支撐劑前體連同壓裂流體被提供到井筒104，并且/或者直接在壓裂流體中乳化?？衫帽砻婊钚詣﹣韺崿F(xiàn)乳化。借助地下區(qū)域102的熱量和/或借助被包括在微乳液中的活化劑，在井下引發(fā)單體的聚合，以形成微支撐劑。
[0022]在一個示例中，苯乙烯可與少量(1-3% )的4-乙烯基苯乙烯一起在水中乳化，以及/或者借助于表面活性劑在壓裂流體中乳化而形成微乳液。在該乳液中包括油溶性偶氮引發(fā)劑(azo-1nitiator)，以隨著溫度的升高(例如由于地下區(qū)域102的熱量)而開始苯乙烯的聚合以生成微支撐劑。乳液中的交聯(lián)劑的量決定著硬度，因此可針對不同的壓力范圍來定制微支撐劑的硬度。
[0023]形成微支撐劑的另一種方法是通過在井下形成熱固性顆粒。在一個示例中，使糠醛在水中乳化并作為支撐劑前體連同壓裂流體一起被提供到井筒104中，以及/或者直接在壓裂流體中乳化。可利用表面活性劑來實現(xiàn)乳化?？赏ㄟ^將酸液注射到井筒104、與壓裂流體一起或者分開地注射緩慢溶解的酸生成材料、以及/或以其它方式。將酸作為活化劑引入井下。酸會引發(fā)作為微支撐劑的呋喃樹脂顆粒的形成。酸液的引入可以被延遲，或者溶解的材料形成酸的速率可被選擇成使該反應延遲，以利于在次級裂隙118中生成微支撐劑。
[0024]在另一個示例中，可使環(huán)氧樹脂在水中乳化并作為支撐劑前體與壓裂流體一起被提供到井筒104，以及/或者直接在壓裂流體中乳化。還可使硬化劑(例如胺和/或其它硬化劑)在水或壓裂流體中乳化。環(huán)氧基樹脂因來自地下區(qū)域102的熱量而將在井下硬化，并形成微支撐劑?？苫诜磻乃俾蔬x擇硬化劑來延遲該反應，以利于在次級裂隙118中生成微支撐劑。
[0025]在某些情況下，可預先形成微支撐劑(例如在制造設施中形成)并作為支撐劑被提供給壓裂流體。微支撐劑在其性質(zhì)上可以是有機或無機的，且可利用已知的方法合成。在某些情況下，可通過噴霧干燥聚合物材料來生成有機支撐劑。在某些情況下，可在溶液中通過沉淀和/或其它方法來生成無機支撐劑。在一個示例中，可使用飛灰作為微支撐劑。特別地，飛灰對井下環(huán)境的成分而言可以是非反應性的或近似非反應性的。在另一個示例中，微支撐劑可以是預先制造的泡沫或微球體，例如由玻璃、陶瓷、聚合物和/或其它材料制成。
[0026]在某些情況下，壓裂流體可包括水和天然聚合物及合成的聚合物，其中聚合物被選擇成作為微支撐劑沉積在次級裂隙118中而硬化且表現(xiàn)出類似于顆粒的作用。聚合物可被定制為在形成裂隙后在裂隙中起到微支撐劑的作用，且基本上不因熱量或濕氣的作用而降解。在一個示例中，壓裂流體可含有纖維素晶須(cellulose whiskers) ο
[0027]以上描述了多個實施例。然而，應理解的是可以(對這些實施例)進行多種修改。因此，其它的實施例也包涵于隨附的權(quán)利要求書的范圍之內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1.一種壓裂井筒周圍的地下區(qū)域的方法，包括: 利用壓裂流體壓裂所述地下區(qū)域以形成近場初級裂隙和遠場次級裂隙； 將支撐劑泵送入所述地下區(qū)域的遠場裂隙，所述支撐劑包括基本為微支撐劑的支撐劑；以及 基本上利用所述微支撐劑來支撐遠場裂隙。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述微支撐劑包括200目或更小的支撐劑。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，利用壓裂流體壓裂所述地下區(qū)域包括:利用壓裂流體壓裂具有ImD或更低的滲透率的低滲透性區(qū)域。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，利用壓裂流體壓裂所述地下區(qū)域包括:利用壓裂流體壓裂頁巖區(qū)域。
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其中，基本上利用所述微支撐劑來支撐遠場裂隙包括:基本上利用所述微支撐劑來支撐樹枝狀裂隙。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，還包括:以等于或小于所述地下區(qū)域中所述微支撐劑的臨界橋接濃度的濃度，將包括支撐劑的壓裂流體泵送入所述井筒。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，還包括在所述壓裂流體中生成所述微支撐劑。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的方法，其中，在所述壓裂流體中生成所述微支撐劑包括:在所述井筒中生成所述微支撐劑。
9.根據(jù)權(quán)利要求7所述的方法，其中，在所述壓裂流體中生成所述微支撐劑包括:在所述遠場裂隙中生成所述微支撐劑。
10.根據(jù)權(quán)利要求7所述的方法，其中，在所述壓裂流體中生成所述微支撐劑包括:通過改變流體的pH值，在所述流體中水解有機硅酸鹽。
11.根據(jù)權(quán)利要求7所述的方法，其中，在所述壓裂流體中生成所述微支撐劑包括:在所述流體中水解鋁氧烷。
12.根據(jù)權(quán)利要求7所述的方法，其中，在所述壓裂流體中生成所述微支撐劑包括以下至少其一:在水溶液中使CaO和CO2結(jié)合以形成CaCO 3，或者使8&0)3與H 2S04水溶液結(jié)合以形成BaSO4。
13.根據(jù)權(quán)利要求7所述的方法，其中，在所述壓裂流體中生成所述微支撐劑包括:加熱所述流體中的單體的乳液和交聯(lián)劑以生成聚合物顆粒。
14.根據(jù)權(quán)利要求7所述的方法，其中，在所述壓裂流體中生成所述微支撐劑包括:使水溶液中的糠醛乳液與酸結(jié)合以形成呋喃樹脂顆粒。
15.根據(jù)權(quán)利要求7所述的方法，其中，在所述壓裂流體中生成所述微支撐劑包括:使水溶液中的環(huán)氧樹脂乳液與硬化劑結(jié)合，并加熱所述結(jié)合物以形成顆粒。
16.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，將支撐劑泵送入所述地下區(qū)域的遠場裂隙包括:泵送以下至少一者:噴霧干燥聚合物材料、飛灰、纖維素晶須或所制造的玻璃、聚合物或陶瓷微球體。
17.一種井壓裂系統(tǒng)，包括: 泵送系統(tǒng)； 壓裂流體源，聯(lián)接到所述泵送系統(tǒng)；以及 支撐劑源，聯(lián)接到所述泵送系統(tǒng)，以與所述壓裂流體結(jié)合并產(chǎn)生壓裂流體混合物，所述壓裂流體混合物包括基本為微支撐劑的支撐劑。
18.根據(jù)權(quán)利要求17所述的井壓裂系統(tǒng)，其中，所述支撐劑源包括支撐劑前體源，該支撐劑前體源包括在與所述壓裂流體結(jié)合后能生成200目或更小的支撐劑的組分。
19.根據(jù)權(quán)利要求18所述的井壓裂系統(tǒng)，其中，所述支撐劑源還包括活化劑源，該活化劑源包括用以激活所述支撐劑前體以生成支撐劑的活化劑。
20.—種方法，包括: 利用壓裂流體壓裂井筒周圍的低滲透性地下區(qū)域； 使支撐劑前體和活化劑結(jié)合以生成200目或更小的支撐劑微支撐劑；以及 基本上利用所述微支撐劑支撐樹枝狀裂隙。
21.根據(jù)權(quán)利要求20所述的方法，其中，所述低滲透性地下區(qū)域具有ImD或更小的滲透
22.根據(jù)權(quán)利要求20所述的方法，其中，使支撐劑前體與活化劑結(jié)合以生成200目或更小的支撐劑微支撐劑包括:使所述支撐劑前體與所述活化劑結(jié)合，以在所述井筒中生成所述支撐劑。
【文檔編號】C09K8/62GK104520531SQ201380040921
【公開日】2015年4月15日 申請日期:2013年7月31日 優(yōu)先權(quán)日:2012年8月2日
【發(fā)明者】R·K·賽尼, 布拉德利·L·托德, J·D·威沃爾, J·W·歐格爾, D·M·拉弗利斯, P·阮 申請人:哈利伯頓能源服務公司