РАСКЛИНИВАЮЩИЙ НАПОЛНИТЕЛЬ (ВАРИАНТЫ)
PROPPING FILLER (VERSION)

Изобретение относится к нефтегазовой области, к методам воздействия на нефтяные и газовые продуктивные пласты с помощью гидравлического разрыва.
Гидравлический разрыв пласта основан на образовании трещин в зоне ствола скважины для повышения проницаемости рядом со стволом скважины и увеличения добычи нефти. Для образования трещин в грунте используются определенные характеристики жидкости и давления. После снижения давления и удаления жидкости для гидроразрыва стенки трещин начинают закрываться под действием подземного давления. Для предотвращения закрытия в жидкость для гидроразрыва добавляется гранулированный материал, называемый расклинивающим наполнителем. Расклинивающий наполнитель подается в трещину вместе с жидкостью и остается там, механически предотвращая закрытие трещин после падения давления. Таким образом, расклинивающий наполнитель должен обладать определенным набором свойств, например соответствующей прочностью при длительных нагружениях, плотностью, и иметь определенный размер. Расклинивающий наполнитель должен быть достаточно прочным для выдерживания подземного давления и достаточно легким для доставки в трещину до его оседания. К сожалению, большинство материалов обладает высокой прочностью при длительных нагружениях и высокой плотностью, в то время как оптимальный расклинивающий наполнитель должен обладать высокой прочностью и низкой плотностью.
В настоящее время при разработке технологии и химического состава расклинивающего наполнителя основные усилия направлены на снижение плотности расклинивающего наполнителя. В разработке нового материала, сочетающего высокую прочность с низкой плотностью, можно выделить следующие направления.
1. Разработка новых материалов в качестве расклинивающего наполнителя низкой плотности. Например, в качестве расклинивающего наполнителя предлагается использовать полимерные гранулы, в частности полимерный полистирол - дивинилбензол. Кроме того, разработаны новые бокситы, обладающие высокой долговечностью при низкой плотности.
2. Использование новых композиционных материалов: предлагаются керамические расклинивающие наполнители с покрытием из тонкой полимерной пленки (Патент США 4923714), предотвращающим проникновение жидкости в расклинивающий наполнитель и, таким образом, снижающим эффективную плотность расклинивающего наполнителя. При использовании другого метода получается композиционный материал на основе керамических частиц и полимерной смеси пека (Патент США 6632527). Может использоваться также полый расклинивающий наполнитель (Патент США 4547468).
Известен способ доставки расклинивающего наполнителя в трещину без осаждения, основанный на уменьшении скорости его осаждения. Эффект достигается несколькими способами:
1) повышение вязкости и плотности жидкости для гидроразрыва. В то же время, жидкость для гидроразрыва должна обладать определенными характеристиками плотности и вязкости. Регулирование этих характеристик является трудной задачей;
2) уменьшение плотности расклинивающего наполнителя. В большинстве случаев снижение плотности расклинивающего наполнителя приводит к падению прочности. Можно использовать определенные материалы, но это существенно повышает цену;
3) введение специальных добавок в жидкость для гидроразрыва (например, полимерное волокно). Этот способ снижения скорости осаждения расклинивающего наполнителя заключается в добавлении полимерного волокна в жидкость для гидроразрыва.
Волокна механически предотвращают осаждение расклинивающего наполнителя.
Однако использование большинства предлагаемых расклинивающих наполнителей приводит к существенному повышению затрат при их использовании. При этом оптимальные параметры - высокая прочность и низкая плотность не компенсируют дополнительные расходы и сложность производства.
Создание расклинивающего наполнителя, удовлетворяющего указанным свойствам и, тем самым, улучшающего технический эффект от его применения, является целью заявленного изобретения.
Заявленное изобретение представляет собой новый тип расклинивающего наполнителя, сочетающий в себе необходимую прочность для предотвращения закрытия трещин и требуемую плавучесть для предотвращения преждевременного осаждения расклинивающего наполнителя для доставки его в трещину.
Указанный технический эффект достигается путем создания комбинированной конструкции расклинивающего наполнителя с полимерными волокнами. Предлагаемая конструкция расклинивающего наполнителя обеспечивает повышение эффективности использования волокна за счет прочного соединения волокон и расклинивающего наполнителя. В свою очередь, это снижает скорость осаждения за счет:
- механического взаимодействия;
- снижения эффективной плотности расклинивающего наполнителя без уменьшения его прочности;
- «парашютного» эффекта (роль парашюта играют полимерные волокна, прикрепленные к расклинивающему наполнителю).
Известное наиболее близкое техническое решение представляет собой частицы с покрытием, изготовленным из смолы и волокнистого материала (Патент США 6528157). Однако наличие смоляного покрытия не способствует снижению плотности расклинивающего наполнителя.
Разработка нового расклинивающего наполнителя основана на теоретических разработках. Для примерной оценки ожидаемого эффекта использовался закон Стокса, который широко применяется для расчета скорости осаждения частиц в жидкостях. Для сферических частиц закон Стокса (1) дает следующую формулу:
pr
liq
где ϑ - скорость осаждения частиц, r - радиус частицы, ρ - плотность частицы, ρ - плотность жидкости, η - вязкость жидкости, g - ускорение силы тяжести.
Как следует из формулы, для снижения скорости осаждения можно увеличить вязкость жидкости. Но, исходя из практики нефтедобычи, вязкость жидкости предопределена. Таким образом, при использовании сферических частиц можно только изменить плотность расклинивающего наполнителя.
Прямой способ изменения эффективной плотности расклинивающего наполнителя предполагает покрытие его каким-либо легким по сравнению с ним самим материалом, например полимером. Этот способ достаточно эффективен. Однако даже при использовании самого дешевого полимера стоимость расклинивающего наполнителя повышается в три-четыре раза.
Более эффективным способом является уменьшение скорости осаждения расклинивающего наполнителя за счет уменьшения эффективной плотности расклинивающего наполнителя или путем увеличения эффективного размера частиц.
Первый вариант заключается в создании расклинивающего наполнителя с несплошной деформируемой оболочкой. Деформируемая оболочка может быть выполнена из полимерного волокна, полимерной губки или другого материала (Фиг.1), где показан схематичный вид нового типа расклинивающего наполнителя:
1 - частица расклинивающего наполнителя;
2 - оболочка из полимерных волокон;
3 - оболочка из полимерной губки.
При перемещении таких частиц волокно (или губка) вовлекает окружающую жидкость в процесс движения. Это приводит к увеличению эффективного размера частиц (обозначены пунктиром) и, в конечном итоге, к снижению эффективной плотности частиц.
Расчеты с использованием закона Стокса показывают, что для снижения скорости осаждения расклинивающего наполнителя наполовину необходимо, чтобы размер волокон был равен радиусу частицы.
Таким образом, можно регулировать скорость осаждения расклинивающего наполнителя за счет увеличения или уменьшения длины полимерных волокон или количества волокон на единицу поверхности расклинивающего наполнителя. Увеличение длины полимерных волокон приведет к эффективному снижению скорости осаждения расклинивающего наполнителя. С помощью закона Стокса легко показать (1), что отношение скорости осаждения расклинивающего наполнителя до и после модификации равно отношению эффективного радиуса расклинивающего наполнителя до и после модификации и не зависит от плотности жидкости и расклинивающего наполнителя (2).
Кроме того, можно изменить скорость осаждения путем изменения количества полимерных волокон на единицу поверхности расклинивающего наполнителя. Предполагается, что увеличение количества волокон на единицу поверхности вначале приведет к снижению скорости осаждения расклинивающего наполнителя. Затем увеличенное количество волокон на единицу поверхности обеспечит минимальную скорость осаждения. И, наконец, дальнейшее увеличение количества волокон на единицу поверхности даст повышение скорости осаждения. Тем не менее, скорость осаждения расклинивающего наполнителя при большом количестве волокон на квадратную единицу ниже по сравнению с немодифированным расклинивающим наполнителем.
Необходимо также отметить, что определенное изменение скорости осаждения расклинивающего наполнителя обусловлено поперечным сечением, плотностью и толщиной полимерного волокна. Предпочтительной формой поперечного сечения волокна является треугольная, а не круглая форма. Это определяется гидродинамикой показателей лобового сопротивления тел различной формы. Предпочтительно использование менее плотных полимеров для изготовления волокна. Плотность полимера не оказывает большого влияния на скорость осаждения расклинивающего наполнителя при небольшом объеме полимерных волокон в расклинивающем наполнителе. Однако при больших объемах доля полимерного волокна в плотности полимерного расклинивающего наполнителя играет существенную роль.
Кроме того, дополнительные преимущества дает использование водорастворимых полимерных волокон, которые растворяются в подземных условиях. Растворение полимера приводит к быстрому осаждению расклинивающего наполнителя после его доставки в трещину. Следовательно, за счет использования полимеров с различной скоростью растворения или нерастворимых полимерных волокон можно легко регулировать плотность расклинивающего наполнителя в трещине для его экономичного расходования. Для трещин с низким подземным давлением можно использовать новые расклинивающие наполнители на основе нерастворимых полимерных волокон. Это позволяет получить некомпактное наполнение трещины расклинивающим наполнителем и повысить ее проницаемость.
Другой вариант заключается в использовании «парашютного» эффекта. Закон Стокса в общем виде (3) имеет следующую формулу:
pr
liq
где ϑ - скорость осаждения, r - радиус частицы, V - объем частицы, ρ - плотность частицы, ρ - плотность жидкости, η - вязкость жидкости, g - ускорение силы тяжести, π=3,14.
Очевидно, что при постоянной плотности частиц, объеме и вязкости необходимо увеличить радиус частиц для снижения скорости осаждения. Это можно сделать за счет модификации частиц небольшим количеством дополнительного материала («парашюта»). Пример такой частицы представлен на Фиг.2. Вместо полимерных волокон можно использовать диски из различных материалов, предпочтительно, полимерные диски.
Следующим вариантом новой конфигурации расклинивающего наполнителя является использование конфигурации из более чем двух гранул. При этом из отдельных гранул формируются цепочки по типу бус. Гранулы покрыты полимерным материалом и склеены в цепочки тем же или иным полимерным материалом. Расстояние между гранулами может быть различным и должно быть достаточным для обеспечения необходимой гибкости цепочки. Длина цепочек может быть также различной (от нескольких миллиметров до нескольких сантиметров) в зависимости от пропускной способности оборудования (например, POD-блендера) и размера перфораций в скважинах. Технический эффект от использования этого варианта обеспечивается тем, что во время приготовления жидкости для гидроразрыва цепочки будут переплетаться друг с другом, образуя подобие сетки в геле. Такие же сетки можно создавать склеиванием целенаправленно. Частицы проппанта будут плотно удерживаться этой сеткой, и вынос проппанта будет минимизирован.
При производство подобных цепочек могут быть использованы различные полимеры, как разлагаемые, так и неразлагаемые. Необходимо покрыть частицы таким образом, чтобы они оказались связаны друг с другом «нитями» из полимера.
Для того чтобы избежать ограничений по длине цепочек из-за пропускной способности наземного оборудования и диаметра перфораций, альтернативным методом получения проппантовых цепочек или сеток могут быть любые происходящие непосредственно внутри трещины процессы, во время которых происходит самоагрегация проппантовых зерен в цепочки или скопления. В процессы самоагрегации могут быть вовлечены самые разные силы - химические (например, замедленное высвобождение полимера, который свяжет зерна проппанта), физические (например, магнитные или иные взаимодействия), механические.
В заявленном изобретении предлагаются варианты конструкции расклинивающего наполнителя, обеспечивающие сочетание высокой прочности и низкой плотности, что позволяет выдерживать подземное давление и, тем самым, предотвращать закрытие трещин и преждевременное осаждение расклинивающего наполнителя в процессе доставки его в трещину.