專利名稱：水力壓裂支撐劑的制作方法
技術領域：
本發(fā)明 涉及穿透地下巖層的油井增產(chǎn)措施。更具體地，本發(fā)明涉及利用片狀材料作為水力壓裂中的支撐劑。更具體地，本發(fā)明涉及在導流能力(conductivity)極低的裂縫中放置諸如云母的材料作為支撐劑。
背景技術：
水力壓裂仍然是油藏增產(chǎn)措施的主要方法，可帶來顯著提高的油氣產(chǎn)量。目前很多的努力都集中于油井處理的設計，尤其是壓裂和支撐壓裂，以實現(xiàn)并保持高的裂縫導流能力。目前被激活的油藏和巖層種類如此之多，為裂縫激活的特殊方法提供了許多空間。雖然現(xiàn)在可獲取許多流體和支撐劑，但涉及更新型材料的多個爭論限制了其在許多非傳統(tǒng)油藏中的應用。高強度支撐劑的傳統(tǒng)方法是產(chǎn)生顆粒，并且使用相對較均勻的粒度分布，這些顆粒通常有接近于球形的形狀。一般的推測是該顆粒材料會無規(guī)地裝填在裂縫中。球形在這類無規(guī)裝填的各向異性負荷下相對較強，窄的單分散顆粒分布可帶來高的導流能力。然而， 有些情況下優(yōu)選為不要使用球形支撐劑和砂粒，因為抗壓碎性不足和/或支撐劑會嵌入到巖層中。這兩種因素都會降低支撐劑充填物的導流能力，并且兩者都可能是球形造成的。而且，高強度支撐劑通常具有高的比重，這會明顯降低支撐劑的可輸送性。為了合理放置重的支撐劑，要求使用高粘稠性流體，這會影響增產(chǎn)措施的經(jīng)濟性。支撐劑如果能同時具有高抗壓碎性、低嵌入性、和高可輸送性的特征，則應該是有利的。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的一個實施方案是處理被井眼穿透的地下巖層的方法，所述方法涉及制備支撐劑漿液以及沿井眼向下注入漿液；在該方法中，支撐劑包括約20-約100重量％的厚度為約1-約500微米的片狀顆粒。支撐劑可以含有至少約50重量％的片狀顆粒，優(yōu)選至少約75重量％的片狀顆粒，最優(yōu)選至少約90重量％的片狀顆粒。片狀顆?？梢园ㄔ颇?、滑石或這些材料的混合物。片狀顆粒在漿液中的濃度優(yōu)選約0. 0012-約2. 4kg/L，更優(yōu)選約 0.0012-約0.06kg/L。漿液也可以任選含有降濾失劑。片狀顆?？梢匀芜x是經(jīng)涂覆的，例如用樹脂或潤濕劑。使用之前，片狀顆粒可以任選形成為復合材料，然后弄碎該復合材料。本發(fā)明的另一個實施方案是處理被井眼穿透的地下巖層的方法，所述方法包括以下步驟(a)注入增稠的前置液(pad fluid), (b)注入含包括片狀顆粒的支撐劑的增稠的流體漿液，(c)注入暫堵(diverting)材料，以及(d)至少再次重復步驟(a)_(c)。在該方法中，所述支撐劑包括約20-約100重量％的厚度為約1-約500微米的片狀顆粒。支撐劑可以含有至少約50重量％的片狀顆粒，優(yōu)選至少約75重量％的片狀顆粒，最優(yōu)選至少約90 重量％的片狀顆粒。片狀顆?？梢园ㄔ颇浮⒒蜻@些材料的混合物。片狀顆粒在漿液中的濃度優(yōu)選約0.0012-約0. 12kg/L。漿液也可以任選含有降濾失劑。暫堵材料可以包括纖維。增稠的流體也可以含有減摩劑。任選在步驟(a)-(c)的連續(xù)順序中，步驟(b)中的漿液中的片狀支撐劑的濃度是變化的。任選在步驟(a)-(c)的連續(xù)順序中，步驟(b)中的支撐劑中的片狀支撐劑的濃度是變化的。任選地，該實施方案的步驟中還包括以下的步驟注入增稠的前置液，注入含包括片狀顆粒的支撐劑的增稠的流體漿液，以及注入含傳統(tǒng)支撐劑的增稠的流體。片狀顆?？梢匀芜x經(jīng)涂覆，例如用樹脂或潤濕劑。使用之前，片狀顆?？梢匀芜x形成為復合材料，然后弄碎該復合材料。 本發(fā)明還另一個實施方案是一種處理被井眼穿透的地下巖層的方法，所述方法包括以下步驟(a)注入增稠的前置液，(b)注入含包括片狀顆粒的支撐劑的第一增稠的流體漿液，(c)注入第二增稠的流體，以及(d)至少再次重復步驟(a)-(c)。在該方法中，片狀顆粒的構成約20-約100重量％的支撐劑，并且該片狀顆粒的厚度為約1-約500微米。支撐劑含有至少約50重量％的片狀顆粒，優(yōu)選至少約75重量％的片狀顆粒，最優(yōu)選至少約90 重量％的片狀顆粒。片狀顆?？梢园ㄔ颇?、滑石或這些材料的混合物。片狀顆粒在漿液中的濃度可以為約0.06-約2.4kg/L。任選在步驟(a)-(c)的連續(xù)順序中，步驟(b)中的漿液中的片狀支撐劑的濃度是變化的。任選在步驟(a)-(c)的連續(xù)順序中，步驟(b)中的支撐劑中的片狀支撐劑的濃度是變化的。任選在某些或全部步驟(c)中，第二增稠的流體還含有傳統(tǒng)的支撐劑。片狀顆?？梢匀芜x經(jīng)涂覆，例如用樹脂或潤濕劑。使用之前，片狀顆?？梢匀芜x形成為復合材料，然后弄碎該復合材料。本發(fā)明其它的實施方案是一種處理被井眼穿透的地下巖層的方法，該方法包括以下步驟(a)注入增稠的前置液，(b)注入含包括片狀顆粒的支撐劑的第一增稠的流體漿液，(c)注入第二增稠的流體。本發(fā)明再一個的實施方案是處理被井眼穿透的地下巖層的方法，所述方法包括以下步驟(a)注入增稠的前置液，(b)注入含包括片狀顆粒的支撐劑的第一增稠的流體漿液，(c)注入第二增稠的流體，以及(d)至少再次重復步驟(b)至(C)。 在這兩個方法中，片狀顆粒構成約20-約100重量％的支撐劑，且厚度為約1-約500微米。 支撐劑含有至少約50重量％的片狀顆粒，優(yōu)選至少約75重量％的片狀顆粒，最優(yōu)選至少約 90重量％的片狀顆粒。片狀顆粒可以包括云母、滑石或這些材料的混合物。片狀顆粒在漿液中的濃度可以為約0.06-約2. 4kg/L。任選在步驟(a)-(c)的連續(xù)順序中，步驟(b)中的漿液中的片狀支撐劑的濃度是變化的。任選在步驟(a)-(c)的連續(xù)順序中，步驟(b)中的支撐劑中的片狀支撐劑的濃度是變化的。任選在某些或全部步驟(c)中，第二增稠的流體還含有傳統(tǒng)的支撐劑。片狀顆?？梢匀芜x經(jīng)涂覆，例如用樹脂或潤濕劑。在使用之前，片狀顆?？梢匀芜x形成為復合材料，然后弄碎該復合材料。


圖1顯示了針對各種圓柱體尺寸計算的孔隙率與縱橫比的關系。圖2顯示了本發(fā)明的片狀支撐劑在各種封閉壓力下的試驗支撐劑充填物的導流能力。圖3給出了砂粒和本發(fā)明的片狀支撐劑在減阻水(slickwater)中的試驗沉降速度。圖4給出了根據(jù)斯托克斯定律計算的砂粒和本發(fā)明的片狀支撐劑在減阻水中的沉降速度。
圖5顯示了用于顆?？奢斔托匝芯康难b置的示意圖。圖6描繪了復雜的裂縫網(wǎng)絡。圖7顯示本發(fā)明的方法在形成復雜裂縫網(wǎng)絡中是如何進行的。
具體實施例方式應當理解，在本說明書自始至終，當濃度或量的范圍被描述為可使用、或適合等等時，其意圖是所述范圍內(nèi)包括端點的所有濃度或量應視為已經(jīng)述及。進一步，每個數(shù)值應該解讀為如同經(jīng)術語“大約”修飾(除非已經(jīng)明確地如此修飾)，除非在語境中另有說明，然后再次讀作并非如此修飾。例如，“1-10的范圍”應讀作是指約1-約10的連續(xù)區(qū)間內(nèi)的每個可能的數(shù)。換言之，表達某一范圍時，即使在范圍內(nèi)只有幾個具體的數(shù)據(jù)點可明確識別或被提及，或甚至在該范圍內(nèi)沒有數(shù)據(jù)點被提及，應當理解，發(fā)明人認為并且理解該范圍內(nèi)的任何及所有的數(shù)據(jù)點應視為已經(jīng)指定，并且發(fā)明人擁有整個范圍及范圍內(nèi)的所有點。盡管以下討論可以是針對支撐壓裂而言的，但是本發(fā)明的片狀顆粒及方法也可用于礫石充填、酸化壓裂、減阻水壓裂處理、以及使用傳統(tǒng)上稱為礫石、砂粒、和支撐劑的材料的其它油田處理方法。本發(fā)明可以針對垂直井的處理進行說明，但是其同樣可應用于任何方向的井。本發(fā)明可以主要針對頁巖中的使用進行說明，但是也可以用于任何巖層材料，例如碳酸鹽、砂巖和煤。本發(fā)明可以用于任何方向的裂縫。本發(fā)明可以針對碳氫化合物的生產(chǎn)井進行說明，但是應當理解，本發(fā)明也可用于生產(chǎn)其它的流體，例如水或二氧化碳，或例如用于注入井或儲存井。本發(fā)明可以使用水流體作為支撐劑的攜帶流體進行說明，但任何流體均可用作支撐劑攜帶流體，例如減阻水，用合成或天然聚合物稠化過的水流體，用非聚合物增稠劑稠化過的水流體，非聚合增稠劑如粘彈性表面活性劑、凝膠化的油、和發(fā)泡或增能(energized)使用的任何上述材料。我們發(fā)現(xiàn)，在某些增產(chǎn)措施處理方法中，片狀材料可以用作支撐劑全部或支撐劑的重要部分。片狀支撐劑的形狀與傳統(tǒng)的球體形狀相比具有兩個主要優(yōu)點，以及多個其它優(yōu)點，特別是對于非常細的裂縫如支化裂縫中的應用而言。片狀支撐劑顯示出(a)由于支撐劑顆粒中更好的應力分布而導致的支撐劑抗壓碎性的提高，和(b)由于支撐劑顆粒與巖層之間更大的接觸表面積而導致的向巖層裂縫面的支撐劑嵌入的減少。其它益處包括(C) 由于更低的支撐劑沉降速度而導致的更好的支撐劑可輸送性，(d)向支化和細的裂縫網(wǎng)絡中更深的滲透，(e)增強的支撐劑回流控制，以及(f)減少裂縫中的非達西流(如降低的β 因子所表明的)。而且，不但片狀顆粒比近似球形顆粒如砂粒具有更低的沉降速度，而且片狀顆粒和球體的混合物也預期比單獨的球體具有更低的沉降速度。片狀材料(文中有時稱為薄片材料)定義為厚度比其它尺寸例如其長度和寬度 (闊度)小得多的顆粒。顆?？v橫比(直徑/厚度、長度/厚度或?qū)挾?厚度)可以為約 5-約50或更高。(我們定義縱橫比為長度或?qū)挾扰c厚度的比)?？梢允褂萌魏蔚拈L度與寬度比。所述材料可以選自包括以下的組中作為實例，天然和合成的礦物、層狀巖石(例如頁巖、板巖、片麻巖、泥巖、粘土巖、皂石、糜棱巖、泥板巖、黑曜巖、千枚巖、無煙煤、角礫巖、 礫巖、貝殼灰?guī)r、燧石等)、礦物、塑料和聚合物、金屬、陶瓷、玻璃和生物材料。單個顆?？梢杂啥鄠€層組成；在巖石和礦物中這些有時被稱為“書頁巖(book)”。顆粒材料可以是可變形的或不可變形的兩種之一。至少一個表面相對平坦，或者可以使其變形成為相對平坦(例如，表面高度方向的偏差比顆粒的最大尺寸低)。片狀支撐劑特別可適用于復雜的裂縫網(wǎng)絡，例如頁巖氣藏中，其中導流能力指標可能僅為約0. Olmd-ft (約0. 003md-m)。它們也特別適合用作滲透率低的軟巖層中的支撐劑材料。片狀材料以前已在油田流體中使用過，但是如果用作支撐劑，它們會降解或變形(有延伸性、塑性、彈性、可壓縮性)，和/或會被用于形成部分單層，和/或縱橫比低于約5 (例如，參見美國專利申請公開第20070193745號，和US 6，059，034、6，330，916和 7，228，904)。片狀材料也已被用來增強合成支撐劑，舉例來說，比如由塑料或其它材料制造的復合材料(參見美國專利申請公開20070209795號和US 6，632，527,7, 228，904、 7，281, 580和7，237，609)。片狀材料已經(jīng)被添加到支撐劑漿液中以促進漿液的輸送和/或抑制支撐劑回流(例如參見US 5，782，300和6，830，105)。更普遍地，它們已經(jīng)被用作增重劑、封堵材料、堵漏材料和降濾失劑(例如參見美國專利申請公開第20060065398號，和 US5, 929，002,7, 255，169 和 7，004，255)。本發(fā)明的改進和優(yōu)點是由于支撐劑顆粒形狀。片狀顆粒裝填物(pack)作為層狀結(jié)構與球形顆粒的裝填物相比，其中顆?；ハ嘀g具有明顯更大的接觸面積。在巖層封閉應力下，層狀的裝填物可在顆粒中提供更好的應力分布；這可導致支撐劑顆?？箟核樾缘奶岣?。提高支撐劑顆粒與裂縫壁的接觸面積可減少顆粒嵌入到巖層中。因此，本質(zhì)上，優(yōu)選的形狀是當顆粒被約束在裂縫的兩壁之間時能減少集中載荷的那種。片狀顆粒已經(jīng)表明其在流體中比球形顆粒具有明顯更低的沉降速度，就支撐劑可輸送性而言這是有利的。進一步，小的片狀顆粒的厚度(例如幾十微米)可允許其深度穿透到微裂縫網(wǎng)絡中；它們可以到達球形支撐劑顆粒難以到達的位置。由現(xiàn)有技術可知，具有片狀顆粒的薄片材料可以降低或消除支撐劑回流，這可提供另外的優(yōu)點。此外，在多層裝填物中沿著扁片流動時，比在球形顆粒裝填物中流動可產(chǎn)生較少的慣性損耗。因此，可減少片狀支撐劑充填物中的湍流 (非達西流)，并可降低β因子。粉狀云母礦物例如白云母代表片狀支撐劑的一個特別合適的實例。云母礦物表現(xiàn)出合理的綜合性物理和化學性能，例如中等比重、低堆密度、中等硬度、中等水濕潤性、和高化學穩(wěn)定性及熱穩(wěn)定性。在本發(fā)明的優(yōu)選實施方案中，支撐劑的組成為或包括片狀或板狀的一定尺寸的天然或合成的層狀礦物或含有礦物的復合材料。優(yōu)選的礦物為云母，最好優(yōu)選白云母。后者的特征為比重2. Sgcm-3,堆密度低于約0. 5gcnT3，典型的薄片或片厚度約20微米，硬度約 2.5-3.0(莫氏硬度)或約100(紹氏D試驗)，水接觸角約23°。云母及類似礦物的一個方面是其晶體結(jié)構能夠滿足一個小片的一層可以全部由單個晶體組成。與多晶支撐劑材料相比，這可賦予這類材料高的拉伸強度。白云母(Muscovite Mica)也稱為“白云母”或“鉀云母”。白云母能經(jīng)受高達約800°C的溫度，擁有高的化學穩(wěn)定性，并且其在本發(fā)明中的使用條件下不受成巖作用的影響?？梢砸詫訝?片狀)形式存在的其它巖石和礦物的非限制性清單包括片巖，頁巖(泥巖)，頁硅酸鹽(片狀硅酸鹽)，其它云母，例如鉻云母、水-白云母、娟云母、氟云母、鈉云母(“鈉云母”)、海綠石、金云母(“鎂云母”)、黑云母(“鎂鐵云母”)、鐵鋰云母(或zinwaldite)( “鐵鋰云母”)、紅云母(“鋰云母”)、鐵黑云母(“鐵云母”)、綠脆云母和珍珠云母，某些形式的某些粘土礦物，例如高嶺石、蒙脫石、葉蠟石、多硅白云石、蒙脫土、皂石、蛭石、鋰蒙脫石、海泡石、坡縷石(綠坡縷石)、合成鋰皂石和伊利石， 硅酸鈉水合物，例如水硅鈉石(kanemite)、古水硅鈉石、雷水硅鈉石、馬水硅鈉石、麥羥硅鈉石、水羥硅鈉石和octosi 1 icate，蛇紋石礦物，例如葉蛇紋石、纖蛇紋石、板蛇紋石和纖蛇紋石，綠泥石，滑石，鏈硅酸鹽，似輝石礦物，例如硅灰石、和薔薇輝石，閃石礦物，例如直閃石、 透閃石、陽起石、鐵閃石、鐵直閃石、角閃石、和透輝石，氧化硅，燧石(黑硅石)，均密石英巖，藍晶石，沸石(鋁硅酸鹽)，水滑石，水硅鐵石-水滑石類礦物(碳酸鹽)，鉬鉛礦(硫酸鹽)，浙青(例如浙青中間相)，和石墨。一些合適的材料為礦物；一些只不過是巖石。重要的因素是，它們的特征為層狀、鱗狀、扁平狀、片狀、板狀、片巖狀、分層狀、葉片狀、板片狀、 “書頁形”的形式，具有可分裂性等。我們將使用“片狀”這一術語來指代該形式。這些材料中的一些是脆性的；一些是韌性的。具有鈣置換代替鈉或鉀的云母是脆性的；實例為綠脆云母和珍珠云母。其它合適的材料包括層狀二氫氧化物，磷酸和膦酸的鋯(IV)鹽，例如 α -Zr (HPO4) 2 · H2O和α -Zr (O3PR) 2 · ηΗ20 ；層狀錳氧化物，例如六方水錳礦和羥錳礦，水鈉錳礦和似水錳礦類型的材料，柱狀分層的錳基材料，錳基中孔性材料，和錳基多孔混合氧化物；層狀金屬硫族元素化物，例如金屬二硫族元素化物MX2 (其中M = Sn, Cr, Hf, Ta, Ti，Zr， Nb，Mo，W或V ；且X = S，k或Te)，金屬三硫族元素化物MX3 (其中M = Nb或^ ；X = S，Se 或Te)，金屬磷三硫族元素化物MKC3 (其中M = Cd，F(xiàn)e，Mg，Ca，Mn，Ni, V，Sn，Pb或Zn ;X = S或義)，不匹配的層狀化合物(RX)m(MX2)n(其中R=稀土金屬、Pb或Sn ；M = Ta, Nb, V, Ti或Cr ;X = S或，和三元過渡金屬硫化物AM&(其中A = Li,Na,K,Rb或Cs ;M = Cr, Ti，V，Zr，Nb或Ta ;X = S或Se)，以及其它的層狀化合物，例如h_BN、PbI2和BiI30片狀支撐劑材料，例如天然或合成礦物或巖石，可以進行化學或物理表面處理以改進其性能，例如潤濕性、顆粒與顆粒間摩擦力或粘合力等。例如，片狀支撐劑可以用表面活性化學品(如，有機硅烷)處理，使顆粒變?yōu)橛蜐駶櫺缘?。片狀支撐劑，例如天然或合成的層狀礦物或巖石可用本領域中已知各種樹脂的一種或多種涂覆。片狀材料，例如云母，可以首先混合到復合紙、片或板中，例如通過使用可然后固化或部分固化的樹脂。復合片然后可以切碎并過篩，由此產(chǎn)生尺寸和大小適合水力壓裂應用的云母、或其它顆粒。該方法使得能夠制備具有高控制度的表面涂層的材料。片狀材料如云母的片可以在顆粒的每個面上用不相似的涂層處理。例如，一面可以用樹脂處理，而另一面可以用水濕潤或油潤濕材料的兩者之一處理，或者可以完全不處理。片狀或者板片支撐劑可以任選作為液體中的懸浮體輸送到處理位置。液體可以含有增稠劑，例如聚合物、粘彈性的表面活性劑、合成鋰皂石等，這有助于最大程度減少支撐劑沉降，并且有助于使懸浮體保持為可傾倒(可泵送)的形式。本發(fā)明的片狀支撐劑及方法可以以與傳統(tǒng)支撐劑相同的濃度在相同的流體中應用于水力壓裂。然而，它們可以以比傳統(tǒng)支撐劑更低的濃度使用，特別是在減阻水應用中。 因此，在表面上測得的支撐劑濃度可以有顯著差異，例如從流體的約0. 0012kg/L(0. 01磅/ 加侖(也稱為“磅加入的支撐劑”或者PPa))到2.4kg/L(20ppa)，其依賴于特定的油藏參數(shù)，例如巖層滲透率、泄漏到巖層中的流體等。本發(fā)明的片狀支撐劑優(yōu)選以極低的濃度、以股流(slug)形式應用，以支撐頁巖中的側(cè)裂縫。支撐劑濃度可以以與傳統(tǒng)處理方法大致相同的方式，隨單個水力壓裂作業(yè)的進展而變化。濃度可以連續(xù)變化，或者也可以以離散的時間或體積間隔變化，這通常稱為階段。在傳統(tǒng)的水力壓裂作業(yè)開始階段，例如，支撐劑濃度可以低至0. 06kg/L(0. 5ppa)，然后斜率上升，例如在處理結(jié)束時直至2. 4kg/L(20ppa)。大多數(shù)傳統(tǒng)的作業(yè)會要求在處理過程中有窄的支撐劑濃度跨度，例如從0. 24kg/L(2ppa)到 1. 8kg/L(15ppa) 0在傳統(tǒng)處理方法中時，片狀支撐劑常常以低于傳統(tǒng)支撐劑濃度的濃度使用，并且任選在這樣的濃度下加入，在該濃度下，支撐劑在裂縫內(nèi)的表面積覆蓋率低于材料的單層。 盡管認為這類處理方法是減阻水處理，然而，減阻水這一術語當然不限于部分單層的設計。 片狀支撐劑在這類作業(yè)中的濃度典型地會類似于或低于傳統(tǒng)支撐劑在傳統(tǒng)減阻水作業(yè)中的濃度(約 0. 06kg/L (約 0. 5ppa))。本發(fā)明的片狀支撐劑及方法可以以與傳統(tǒng)支撐劑的混合物形式使用，例如與砂粒和瓷珠粒。片狀支撐劑在這類混合物中的濃度為從約20重量％的片狀支撐劑開始及更高 (高達 100% )。片狀支撐劑也可以以股流注入，例如片狀支撐劑階段與傳統(tǒng)支撐劑階段交替，和/ 或與不帶有支撐劑的階段交替，和/或與暫堵階段交替。這些階段的某些可以任選含有片狀支撐劑與傳統(tǒng)支撐劑的混合物；每個階段的濃度可以在階段與階段間變化。載流流體可以是用于漿液輸送固體的任何載流流體。最普遍在油田處理中，這類載流流體可以是用天然或合成聚合物、或用諸如粘彈性表面活性劑的非聚合增稠劑稠化過的水流體；在減阻水處理中，載流流體可以是含減摩劑的水流體。也可以使用其它的流體， 例如氣體、液化的氣體、泡沫、增能流體、和凝膠化的油。由于要求片狀材料在流體中慢速沉降，所以粘度(因此增稠劑濃度)可以低于傳統(tǒng)支撐劑所要求的。本發(fā)明的片狀支撐劑一個重要方面是，它可以輸送到傳統(tǒng)的合成支撐劑和砂粒不能到達的裂縫。許多巖層例如頁巖中的裂縫，可能不是通常設想的簡單的兩個長的平面的直“翼”。事實上，可能有非常復雜的裂縫路徑、多重裂縫和支化裂縫；這可以存在于井眼附近、遠場，或兩者都有。一種重要的幾何結(jié)構是網(wǎng)絡裂縫，這可能起因于生長的裂縫遇到天然裂縫或缺陷，或者遇到不平行于、可能事實上垂直于生長裂縫的薄弱面。在該分岔點 (branch point)會開始新的裂縫。如果將初始裂縫稱為原生裂縫，那么由原生裂縫生長開的裂縫可以稱為次生裂縫。如果，正如通常所見的，次生裂縫在比原生裂縫更高的應力下打開，那么次生裂縫就可能比原生裂縫窄。生長的次生裂縫可能不穩(wěn)定，因為它是在更高的應力下打開的。因此，在持續(xù)泵送時，裂縫可能遇到再次改變方向的情況或機會，并且可能開始在較低的封閉應力或最低的封閉應力下再次打開的三級裂縫；三級裂縫可能比次生裂縫寬些。增長的裂縫可能在分岔點終止，或者可能繼續(xù)。在兩者任何一種的情況下，一些或者全部流動路徑會轉(zhuǎn)彎，有時會進入更窄的裂縫。這類復雜裂縫網(wǎng)絡的實例在圖6中顯示，并將會進一步在實施例4中論述。因此，分岔點是阻塞點，支撐劑更可能在此斷橋，由此防止支撐劑更深地輸送到復雜的裂縫網(wǎng)絡中。本發(fā)明的片狀支撐劑的特別價值是，所述片可以非常容易地輸送，并且可以在流中排列起來，這樣它們可以方便地轉(zhuǎn)彎，并深入輸送到復雜的裂縫網(wǎng)絡、如支化的裂縫網(wǎng)絡中，即使當流速變低、時間變長、流徑變得曲折時。這在井眼附近、遠場或者兩種情形下可能都有價值。在許多處理中，可能是阻塞點的性質(zhì)決定了支撐劑漿液的最優(yōu)特性，例如支撐劑的最佳大小與形狀。成功支撐這類支化的復雜體、以及可能偏遠的裂縫和/或微裂縫所要求的導流能力可以低至約0. 01mD-ft (約0. 003mD-m)。本發(fā)明的片狀顆粒作為唯一的支撐劑或與傳統(tǒng)的支撐劑混合時，特別適合于涉及暫堵劑的壓裂方法。特別合適的暫堵劑的實例是纖維。在地下巖層中形成塞子并且用作暫堵劑的可降解和不可降解纖維的非限制性實例例如在US 7，350，572和7，380，600以及美國專利申請公開2008/0000639和2008/0093073號中說明，其通過引用結(jié)合在此。可以用于本發(fā)明實施方案的流體包括不含支撐劑、片狀顆?；驎憾聞┑牧黧w，例如前置液；含本發(fā)明片狀顆粒的流體；含傳統(tǒng)支撐劑的流體；含暫堵劑的流體；含支撐劑、片狀顆粒和暫堵劑任何兩種的流體；以及含所有三種的流體。這些不同的流體可以以任何次序注入，盡管前置液通常先注入。每種流體可以多次注入。組分的濃度和階段的尺寸可以變化。典型的非限制性實例是(a)前置液，然后(b)片狀顆粒，然后(c)暫堵劑，然后重復步驟(b)和(c) 一次或多次，然后(d)傳統(tǒng)的支撐劑。在其它的實施方案中，步驟(a)、(b)和(c)可以按順序重復多次，或者步驟(a)和(b)可以按順序重復多次。前置液可以含有低濃度的任何固體組分(相對于后續(xù)階段)，并且可以略作稠化(即可以是減阻水流體)。典型地，最后階段含有大于片狀顆粒的傳統(tǒng)支撐劑，為從裂縫網(wǎng)絡到井眼提供高滲透率的流徑。通常所有階段中的流體都要稠化。其目的是產(chǎn)生盡可能大的裂縫網(wǎng)絡，使片狀顆粒盡可能深入地放置到網(wǎng)絡中。對本專業(yè)技術人員顯而易見，在本說明書中教導內(nèi)容的前提下，許多作業(yè)設計都能夠?qū)崿F(xiàn)該目的，并且所有這些設計均在本發(fā)明的范圍內(nèi)?？梢援a(chǎn)生支撐的裂縫，其中有裂縫面在任何方向得到支撐劑(支撐的開口)“支撐”的區(qū)域，以及其中沒有支撐劑的區(qū)域。當含支撐劑的載流流體的股流與沒有支撐劑的股流交替(既可在時間上也可在不同的孔眼中)，形成“房柱狀”類型的布置時，就可能出現(xiàn)這一情況。當支撐劑濃度低于在裂縫中形成至少單層支撐劑所要求的濃度時，也可出現(xiàn)這一情況。注入壓力釋放后，裂縫閉合，取決于壓力、幾何結(jié)構和支撐劑的形狀和性質(zhì)，可能會出現(xiàn)多種現(xiàn)象。支撐劑可能會被壓碎(當然，這也可能會在完全裝填的裂縫中發(fā)生)。如果支撐劑比巖石更硬，則單個的支撐劑顆粒可能會嵌在裂縫面中(嵌入)。片狀支撐劑則不太容易嵌入，因為應力集中減到了最低程度，或者針對相同的嵌入程度可以使用較軟的片狀支撐劑。(然而，如果支撐劑太軟，它可能會變形太多，并且使裂縫面互相接近。)在房柱狀布置中，柱可能變成嵌在巖石中，稱為“穿孔”，或者沒有支撐的區(qū)域能夠相互流動，稱為“夾緊”，或者兩者都有。任何這些現(xiàn)象都會降低裂縫導流能力。使用片狀支撐劑可減少一些這些有害現(xiàn)象的發(fā)生或嚴重程度；選擇有正確性能的正確材料也可以幫助減少一些這些現(xiàn)象的發(fā)生或嚴重程度。白云母是特別合適的片狀支撐劑材料，由于其綜合性的物理性能和化學性能，但尤其是因為其形狀。該形狀可提供若干優(yōu)點。圖1 (改編自Sherwood，J. D.的J. Wrys. A Math. Gen. 30 (1997) L839-L843)顯示，裝填中圓柱形顆粒的孔隙率為縱橫比的函數(shù)；片式裝填的孔隙率可以明顯高于球體式裝填的孔隙率(然而應注意，這些孔隙率數(shù)據(jù)沒有考慮到封閉應力)。白云母會落在圖1中曲線的左側(cè)邊緣附近；球型的在中間；圓柱體的在右側(cè)。 由于片有更大的拖曳系數(shù)和滑動沉降，所以片的沉降速度與同樣大小的球體的相比要小得多(參見以下試驗部分的數(shù)據(jù))。由于裝填的孔隙率更大，云母和類似材料在流體漿液中比砂粒和類似的傳統(tǒng)支撐劑珠粒具有明顯更低的堆密度。結(jié)果是，一定重量的片狀支撐劑比相同重量的砂粒占據(jù)了更大的體積，甚至在完全沉降之后，這樣，重量一定的片狀支撐劑所支撐裂縫的裂縫高度更大。進一步，認為所述片是放置在平行于裂縫面的長尺寸的微裂縫和垂直于裂縫面的極小尺寸的微裂縫中的。在那樣的取向中，單個的支撐劑顆粒和片狀支撐劑的支撐劑填充物傾向于較少程度的嵌入，并且這類片的填充物由于疊層中的應力分布，不易產(chǎn)生支撐劑回流。本發(fā)明的片狀支撐劑的合適厚度為約1-約500微米。優(yōu)選厚度為約10-約300 微米；最優(yōu)選的厚度為約20-約200微米。其它的合適材料包括低密度聚乙烯、酚醛樹脂、聚氯乙烯、聚對苯二甲酸乙二酯、 魚鱗、壓碎的貝殼或蛋殼、金屬、陶瓷和通過酚醛清漆樹脂酸催化交聯(lián)固化的酚醛基酚醛材料。尤其合適的是已經(jīng)加工硬化的某些金屬和交聯(lián)聚合物，即，其中已經(jīng)抑制了蠕變和長期形變，使其基本上不變形并且不蠕變；對于聚合物，這些基本上是熱固性塑料?？捎玫钠瑺钪蝿┛梢杂蓮秃喜牧现苽洌缙扑榈?shredded)云母/樹脂紙張，和破碎的云母/環(huán)氧紙張。這些材料含有至少一種非延展組分，例如云母、燧石、以及其它的片狀礦物。商業(yè)途徑可得到的云母片和紙張由例如硅酮、環(huán)氧、蟲膠及其它材料制造。 它們可以是剛性或柔性的。云母帶是商業(yè)途徑可得到的，其背襯由玻璃纖維、聚酯纖維、聚乙烯、聚丙烯等材料制成。本發(fā)明的片狀支撐劑可以由任何這些和類似的材料通過已知方法制造，例如切碎、破碎、研磨、切片等。片狀材料可以是在其它方面進行化學或物理改性的。例如，它們可以用協(xié)助其在水中分散的施膠劑涂覆，和/或它們可以用有助于其作為干燥疏松材料流動的自由流動劑涂覆。還可以使用本領域中已知的處理高表面積粒狀材料的其它處理方法。本發(fā)明的片狀支撐劑結(jié)合暫堵步驟使用具有優(yōu)點。尤其合適的暫堵方法是其中形成臨時的、可降解的塞狀物，例如用可降解的纖維，以激發(fā)區(qū)域與主裂縫分離。這類塞狀物可以放置在例如井眼附近或深入裂縫網(wǎng)絡中。當緊密的頁巖是目標巖層時，處理方法通常是減阻水。典型的處理方法可以包括以下步驟減阻水前置液、減阻水加片狀支撐劑以支撐裂縫網(wǎng)絡，通過暫堵劑阻擋得到支撐的側(cè)通道，并增加網(wǎng)絡壓力，以便打開新的側(cè)通道，然后最典型是多次重復(前置液，片狀支撐劑，暫堵劑)，隨后是用傳統(tǒng)支撐劑的典型的減阻水方案(通常100目或頁巖中的砂粒)支撐原生裂縫，并連接所有的次生和/或三級裂縫網(wǎng)絡至井眼，尤其是那些已經(jīng)用片狀支撐劑支撐過的。在此，前置液、片狀支撐劑和暫堵劑的重復順序在頁巖巖層中產(chǎn)生了通過主裂縫通道水力連接到井眼的明顯的裂縫表面區(qū)域 (如果沒有片狀支撐劑材料，可能就不能導流)。從以下實施例可以進一步理解本發(fā)明。白云母樣品在實驗室中研磨和過篩，在一些試驗中，使用20/40、40/70和 70/140(大致對應于100目)的粒度范圍。也使用從UK、Derby的Minelco Specialties Limited得到的商業(yè)白云母樣品。它們標明為MD150和MD250 ；代碼中的數(shù)值表示以微米為單位的片平均直徑。這些云母顆粒的厚度為大約20-25微米。制造商描述該材料為干研磨的、高度剝離的硅酸鉀鋁白云母片，其熔點為13001，比重約2.8，在水中的10%的漿液PH為約9，并且具有柔性、彈性和韌性，并具有高縱橫比。MD150是99. 9%的小于250微米，75-90%的小于106微米，且30-65%的小于53微米；MD250是99. 9%的小于250微米， 10-50%的小于125微米，并且0-15%的小于63微米。實施例1
圖 2 說明了在 6· 9、13· 8、20· 7、27· 6 和 34. 5MPa (1000、2000、3000、4000 和 5000psi)的封閉應力下，研磨白云母在負荷為2.45kg/m2(0. 51b-ft_2)下，在82°C (180 °F ) 的俄亥俄砂巖巖心之間的支撐劑填充層導流能力。該結(jié)果使用API方法RP-61，在實驗室短期試驗中得到。實施例2 圖3示出了不同粒徑的砂粒(濃度為0.06kg/L(0.51b/gal))和白云母顆粒(濃度為0. 036kg/L(0.31b/gal))在含有含約50%聚丙烯酰胺的lL/kL(lgal/1000gal)的減摩劑的減阻水中的試驗沉降速度。圖4給出了根據(jù)斯托克斯定律計算的相同類型的顆粒的沉降速度，云母用2. 80的比重，砂粒用2. 65的比重，并且假設流體粘度為10cp。片狀顆粒的沉降速度比理論上預測的球形顆粒的沉降速度慢高達二十倍。實施例3 在圖5顯示的歧管系統(tǒng)中在動態(tài)條件下研究砂粒和云母的傳輸特性。該系統(tǒng)包括由外徑為6. 35-25. 4mm(0. 25-lin)的Swagelok管制成的有四個出口 [1-4]的水平歧管， 配備有漿液罐[5]和可提供高達IOOL/分鐘的漿液流速的泵[6] (Moyno)。該歧管模擬復雜的裂縫網(wǎng)絡，例如頁巖中的。側(cè)流回路[7]可以降低漿液流速至IOL/分鐘，而不會在泵中產(chǎn)生支撐劑沉降。原漿液包括含2. 4g/L(20磅/千加侖)瓜爾膠的線性凝膠，或含IL/ kL(lgal/1000gal)聚丙烯酰胺減摩劑的減阻水；每種流體都包含0. 06kg/L(0. 51b/gal)的支撐劑。漿液樣品從出口收集，并分析支撐劑含量。下表中顯示的百分值表示輸送到相應出口的支撐劑的相對量。回收值表示相對于引入到歧管的支撐劑總量的所輸送支撐劑的總量。使用的云母為MD250。對通過不同出口從歧管出來的支撐劑質(zhì)量進行稱重。出口 1是懸浮固體最容易到達的；出口 2第二容易，然后是出口 3 ；出口 4是懸浮固體最難到達的，對復雜裂縫，難以到達的部分最具代表性。表I中顯示了典型的結(jié)果。在線性凝膠中或減阻水中，幾乎沒有任何20/40砂粒到達出口 4 ；約一半的50/140砂粒如所應當?shù)氐竭_了該出口，而幾乎所有預期的云母都到了達該出口。在這些試驗中顯示，云母在線性凝膠和減阻水的任何一種中幾乎都能定量輸送。表 I
權利要求
1.一種處理被井眼穿透的地下巖層的方法，其包括制備支撐劑漿液，以及沿井眼向下注入漿液，其中支撐劑包括約20-約100重量％的厚度為約1-約500微米的片狀顆粒。
2.權利要求1的方法，其中支撐劑包括至少約50重量％的片狀顆粒。
3.權利要求1的方法，其中支撐劑包括至少約75重量％的片狀顆粒。
4.權利要求1的方法，其中支撐劑包括至少約90重量％的片狀顆粒。
5.權利要求1的方法，其中至少一部分片狀顆粒選自以下組中云母、滑石、及它們的混合物。
6.權利要求1的方法，其中片狀顆粒在漿液中的濃度為約0.0012-約2. 4kg/L。
7.權利要求1的方法，其中片狀顆粒在漿液中的濃度為約0.0012-約0. 06kg/L。
8.權利要求1的方法，其中漿液還包括降濾失劑。
9.權利要求1的方法，其中片狀顆粒為涂覆的。
10.權利要求1的方法，其中在使用之前，將片狀顆?；旌显趶秃喜牧现?，然后弄碎該復合材料。
11.一種處理被井眼穿透的地下巖層的方法，其包括以下步驟(a)注入增稠的前置液，(b)注入含包括片狀顆粒的支撐劑的增稠的流體漿液，(c)注入暫堵材料，以及(d)重復步驟(a)-(c)至少一次；其中片狀顆粒包括約20-約100重量％的支撐劑，并且該片狀顆粒的厚度為約1-約 500微米。
12.權利要求11的方法，其中支撐劑包括至少約50重量％的片狀顆粒。
13.權利要求11的方法，其中支撐劑包括至少約75重量％的片狀顆粒。
14.權利要求11的方法，其中支撐劑包括至少約90重量％的片狀顆粒。
15.權利要求11的方法，其中至少一部分片狀顆粒選自以下組中云母、滑石、及它們的混合物。
16.權利要求11的方法，其中片狀顆粒在漿液中的濃度為約0.0012-約0. 12kg/L。
17.權利要求11的方法，其中暫堵材料包括纖維。
18.權利要求11的方法，其中增稠的流體包括減摩劑。
19.權利要求11的方法，其中在步驟(a)-(c)的連續(xù)順序中，步驟(b)中的漿液中的片狀支撐劑的濃度是變化的。
20.權利要求11的方法，其中在步驟(a)-(c)的連續(xù)順序中，步驟(b)中的支撐劑中的片狀支撐劑的濃度是變化的。
21.權利要求11的方法，其后面有以下步驟(a)注入增稠的前置液，(b)注入含包括片狀顆粒的支撐劑的增稠的流體漿液，以及(c)注入包括傳統(tǒng)支撐劑的增稠的流體。
22.權利要求11的方法，其中片狀顆粒為涂覆的。
23.權利要求11的方法，其中在使用之前，將片狀顆粒混合在復合材料中，然后弄碎該復合材料。
24.一種處理被井眼穿透的地下巖層的方法，其包括以下步驟(a)注入增稠的前置液，(b)注入含包括片狀顆粒的支撐劑的第一增稠的流體漿液，(c)注入第二增稠的流體，以及(d)重復步驟(a)-(c)至少一次；其中片狀顆粒包括約20-約100重量％的支撐劑，并且該片狀顆粒的厚度為約1-約 500微米。
25.權利要求M的方法，其中支撐劑包括至少約50重量％的片狀顆粒。
26.權利要求M的方法，其中支撐劑包括至少約75重量％的片狀顆粒。
27.權利要求M的方法，其中支撐劑包括至少約90重量％的片狀顆粒。
28.權利要求對的方法，其中至少一部分片狀顆粒選自以下組中云母、滑石、及它們的混合物。
29.權利要求M的方法，其中片狀顆粒在漿液中的濃度為約0.06-約2. 4kg/L。
30.權利要求M的方法，其中在步驟(a)-(c)的連續(xù)順序中，步驟(b)中的漿液中的片狀支撐劑的濃度是變化的。
31.權利要求M的方法，其中在步驟(a)-(c)的連續(xù)順序中，步驟(b)中的支撐劑中的片狀支撐劑的濃度是變化的。
32.權利要求對的方法，其中在某些或全部步驟(c)中第二增稠的流體還包括支撐劑。
33.權利要求M的方法，其中片狀顆粒為涂覆的。
34.權利要求M的方法，其中在使用之前，將片狀顆?；旌显趶秃喜牧现校缓笈樵搹秃喜牧?。
35.一種處理被井眼穿透的地下巖層的方法，其包括以下步驟(a)注入增稠的前置液，(b)注入含包括片狀顆粒的支撐劑的第一增稠的流體漿液，以及(c)注入第二增稠的流體；其中片狀顆粒包括約20-約100重量％的支撐劑，并且該片狀顆粒的厚度為約1-約 500微米。
36.權利要求35的方法，所述方法還包括至少再次重復步驟(b)和(C)。
37.權利要求35的方法，其中片狀顆粒為涂覆的。
38.權利要求35的方法，其中在使用之前，將片狀顆?；旌显趶秃喜牧现校缓笈樵搹秃喜牧?。
全文摘要
給出了一種通過水力壓裂、減阻水壓裂、礫石充填等來處理地下巖層中的井眼的方法，其使用片狀材料作為一些或者全部支撐劑或礫石。片狀材料尤其可用于復雜的裂縫體系如頁巖中。它們可以作為約20-約100％的支撐劑使用。相對于傳統(tǒng)的支撐劑，片狀支撐劑顯示出(a)由于支撐劑顆粒中更好的應力分布而導致的支撐劑抗壓碎性的提高，(b)由于支撐劑顆粒與巖層之間更大的接觸表面積而導致的向巖層裂縫面的支撐劑嵌入的減少，(c)由于更低的支撐劑沉降速度而導致的支撐劑輸送的更好，(d)滲透到支化并且細的裂縫網(wǎng)絡中的更深，以及(e)支撐劑回流控制的提高。優(yōu)選的片狀支撐劑為層狀巖石及礦物；最優(yōu)選云母。
文檔編號E21B43/267GK102159791SQ200880131218
公開日2011年8月17日 申請日期2008年8月21日 優(yōu)先權日2008年8月21日
發(fā)明者C·N·弗雷德, D·A·戈洛夏波娃, D·維爾貝格, S·M·馬卡雷切夫-米哈伊洛夫 申請人:普拉德研究及開發(fā)股份有限公司