СПОСОБ ОБРАБОТКИ ПОДЗЕМНОГО ПЛАСТА СУСПЕНЗИЕЙ ЦЕМЕНТНОГО РАСТВОРА С ВОЗМОЖНОСТЬЮ ОБРАЗОВАНИЯ ПРОНИЦАЕМОГО ОТВЕРДЕВШЕГО ЦЕМЕНТНОГО РАСТВОРА
METHOD FOR TREATING A SUBTERRANEAN FORMATION WITH A MORTAR SLURRY WITH THE POSSIBILITY OF FORMATION OF A PERMEABLE LAYER OF HARDENED MORTAR SLURRY

Данная заявка испрашивает приоритет на основании предварительной патентной заявки США №61/662705, поданной 21 июня 2012 года, которая включена в настоящий документ посредством ссылки.
Область техники, к которой относится изобретение
Изобретение относится к способу обработки подземного пласта с использованием суспензии цементного раствора, содержащей цементирующий материал, воду и заполнители, и необязательно, примеси и/или добавки.
Уровень техники
Одним из способов обработки подземного пласта является разрыв. Разрыв представляет собой способ инициирования и последующего распространения трещины или разрыва в слое породы. Разрыв позволяет осуществлять добычу углеводородов из пластов пород, находящихся глубоко под земной поверхностью (например, на глубине 2000-20000 футов). На такой глубине пласт может не обладать достаточной пористостью и проницаемостью (проводимостью), позволяющей углеводородам поступать из породы в ствол скважины с экономически целесообразной скоростью. Создаваемые разрывы начинаются на заданной глубине в стволе скважины, пробуренной в породе-коллекторе, и простираются оттуда в целевую область пласта. Разрыв действует с помощью обеспечения проводящего пути, соединяющего более обширную область продуктивного пласта со стволом скважины, тем самым увеличивая область целевого пласта, из которой углеводороды могут быть добыты. Множество разрывов образуется в результате гидроразрыва или закачивания текучей среды под давлением в ствол скважины. Проппант (расклинивающий агент), вводимый в закачиваемую текучую среду, может поддерживать ширину разрыва. Обычные проппанты включают зерна песка, керамические или другие твердые частицы, позволяющие предотвратить смыкание разрывов после прекращения закачки. Некоторые проппантные материалы являются дорогостоящими и могут не подходить для сохранения исходной проводимости. Транспортировка проппантных материалов может быть дорогостоящей и неэффективной. Например, проппант может иметь тенденцию к осаждению в «скользкой воде» (жидкость гидроразрыва с понизителем трения) с небольшой длиной разрывов. Кроме того, разрыв со «скользкой водой» требует использования больших количеств воды и гидравлической мощности. Использование гелей при разрыве также создает трудности, связанные с очисткой от остатка, который загрязняет продуктивный пласт, ухудшая добычу, и с неспособностью сохранять эффективность (высокая вязкость) в течение продолжительных периодов времени (от 5 до 24 часов) в плотных пластах с большим временем смыкания разрывов.
Способ обеспечения проницаемости в разрывах описан в US 7044224. Способ включает закачивание в подземный пласт проницаемой цементной композиции, содержащей поддающийся разложению (деградируемый) материал. Разложение деградируемого материала приводит к образованию пустот в образующейся матрице проппанта. Проблема способа заключается в том, что разложение деградируемого материала трудно регулировать. Если деградируемый материал не размешан равномерно в цементной композиции, - проницаемость может быть ограниченной. Кроме того, если разложение происходит слишком быстро, цементная композиция заполняет пустоты до формирования матрицы, что приводит к снижению проницаемости. Если разложение происходит слишком медленно, - недостаточна сообщаемость между пустотами, что также приводит к снижению проницаемости. Чтобы разложение происходило в надлежащее время, необходимо тщательно регулировать различные условия (например, pH, температуру, давление и т.д.), что увеличивает сложность и, таким образом, время и стоимость способа. Другая проблема способа заключается в том, что деградируемый материал может быть дорогостоящим и трудно транспортируемым. Еще одна проблема данного способа заключается в том, что, даже если используется большое количество деградируемого материала, проницаемость улучшается лишь незначительно. Кроме того, увеличение количества деградируемого материала может оказывать отрицательное воздействие на текучесть.
Раскрытие изобретения
Способ обработки подземного пласта может включать в себя приготовление суспензии цементного раствора, закачивание суспензии цементного раствора в подземный пласт, поддержание суспензии цементного раствора при более высоком давлении, чем давление смыкания разрыва пласта, одновременно позволяя суспензии цементного раствора схватываться с образованием отвердевшего цементного раствора, понижение давления ниже давления смыкания разрыва, и предоставления возможности образования трещин в отвердевшем цементном растворе. Суспензия цементного раствора может быть выполнена с возможностью схватывания с образованием отвердевшего цементного раствора с прочностью на сжатие ниже давления смыкания разрыва подземного пласта. Суспензия цементного раствора может содержать цементирующий материал и воду. Суспензия цементного раствора может закачиваться в подземный пласт при давлении, достаточном для создания разрыва в подземном пласте. Давление может поддерживаться, пока суспензии цементного раствора дают возможность схватиться и образовать отвердевший цементный раствор в разрыве. Давление может затем быть уменьшено ниже давления смыкания разрыва, и отвердевший цементный раствор сможет дать трещины, образуя растрескавшийся отвердевший цементный раствор.
Другой способ обработки подземного пласта может включать в себя приготовление суспензии цементного раствора, закачивание суспензии цементного раствора в подземный пласт при давлении, достаточном для создания разрыва в подземном пласте, и предоставление возможности суспензии цементного раствора схватиться, образуя проницаемый отвердевший цементный раствор в разрыве. Суспензия цементного раствора может быть выполнена с возможностью схватывания с образованием проницаемого отвердевшего цементного раствора с проводимостью более 10 мД⋅фт. Суспензия цементного раствора может содержать цементирующий материал, заполнитель и воду.
Осуществление изобретения
Как правило, суспензия цементного раствора может схватываться с образованием прочного, проводящего, камнеподобного отвердевшего цементного раствора после создания разрыва в материнской породе. Суспензия цементного раствора может одновременно создавать и заполнять разрывы, что позволяет выходить содержащимся в них углеводородам. По мере того, как суспензия цементного раствора затвердевает в отвердевший цементный раствор, разрывы могут оставаться открытыми, что позволяет углеводородам поступать в бурильную трубу, при условии, что отвердевший цементный раствор является проницаемым. Такая суспензия цементного раствора может уменьшать или исключать необходимость в проппантах, которые могут быть дорогостоящими и иногда не способны поддерживать исходную проводимость. Кроме того, повышенная проводимость за счет использования суспензии цементного раствора в качестве агента разрыва, без больших количеств растворимых материалов, гелеобразователей, вспенивателей и тому подобного, может обеспечивать более безопасный, более дешевый и более эффективный способ обработки по сравнению с традиционными способами.
Обработка с использованием описанных здесь способов может включать в себя стимуляцию, стабилизацию пласта и/или консолидацию. Стимуляция с использованием описанных ниже способов может включать в себя использование суспензии цементного раствора вместо традиционных текучих сред, таких как «скользкая вода», композиции линейного или сшитого геля, несущие твердый проппантный материал. Суспензия цементного раствора может создавать разрывы в целевой зоне пласта перед затвердеванием в проницаемый отвердевший цементный раствор и может становиться проводящей, давая возможность пластовым текучим средам поступать в ствол скважины. Таким образом, суспензия цементного раствора могут выступать в качестве текучей среды разрыва и проппантного материала. Суспензия цементного раствора может стать проводящей после гидратирования, в результате чего разрыв созданной геометрии может обладать проводимостью без необходимости в самостоятельном проппанте. Кроме того, площадь покрытия разрывами может быть увеличена, приводя к повышению длины разрывов в результате большей площади контакта и соответствующему увеличению расстояния между скважинами. В ряде случаев расстояние между скважинами может быть увеличено в два раза, что снижает количество скважин на 50%. Кроме того, затраты на стимуляцию могут быть значительно снижены. В дополнение к этому, потребление воды может быть уменьшено, поскольку суспензия цементного раствора может требовать на 70-75% воды меньше, чем при традиционных операциях гидроразрыва с использованием «скользкой воды».
Суспензия цементного раствора может достигать и поддерживать высокую расчетную проводимость разрыва с помощью (1) регулирования образования трещин в отвердевшем цементном растворе, образованном из суспензии цементного раствора, по мере того как отвердевший цементный раствор подвергается давлению смыкания пласта; (2) регулирования проводимости суспензии цементного раствора, по мере того как она схватывается с образованием проницаемого отвердевшего цементного раствора; или (3) и того и другого. С помощью регулирования образования трещин в отвердевшем цементном растворе может быть создана проводящая среда за счет трещин благодаря минимальному напряжению in situ, действующему на отвердевший цементный раствор. Такие трещины могут создавать свободный путь для потока текучей среды, тем самым делая растрескавшийся отвердевший цементный раствор проводящей средой, даже если отвердевший цементный раствор был менее проводящим или даже относительно непроводящим до образования трещин. Проводимость суспензии цементного раствора можно регулировать во время схватывания для образования проницаемого отвердевшего цементного раствора, обеспечивая отношение песка к цементирующему материалу в суспензии цементного раствора выше единицы. Проводимость может быть создана за счет агломерации песчаных зерен, сцементированных во время гидратации, с помощью выбора состава, который создает поры в отвердевшем цементном растворе. Агломерация может произойти в результате предварительного покрытия песчаных зерен, или в результате смешивания суспензии цементного раствора. Наконец, в отвердевшем цементном растворе, имеющем определенную проводимость, регулирование образования трещин проницаемого отвердевшего цементного раствора может создать возможность для дополнительного повышения проводимости. Таким образом, проводимость может быть обеспечена посредством проницаемого отвердевшего цементного раствора, который не разбит трещинами, посредством по существу непроницаемого отвердевшего цементного раствора, который разбит трещинами, или посредством проницаемого отвердевшего цементного раствора, который разбит трещинами.
В одном варианте осуществления способ обработки подземного пласта включает использование суспензии цементного раствора, выполненной с возможностью образования твердого цементного раствора, который может давать трещины под действием давления смыкания разрыва. Иными словами, суспензия цементного раствора может иметь компоненты в различных соотношениях, таким образом, чтобы образующийся после схватывания отвердевший цементный раствор имел прочность на сжатие, которая меньше, чем давление смыкания разрыва после снятия внешнего давления. Таким образом, когда внешнее давление устраняется после схватывания суспензии цементного раствора и образования отвердевшего цементного раствора, давление смыкания разрыва будет сжимать отвердевший цементный раствор. Поскольку прочность на сжатие отвердевшего цементного раствора меньше, чем давление смыкания разрыва, такое сжатие приведет к определенной степени растрескивания отвердевшего цементного раствора, вызывая повышение проницаемости отвердевшего цементного раствора.
Проницаемость отвердевшего цементного раствора, образующуюся благодаря пустотам в матрице отвердевшего цементного раствора, называют первичной проницаемостью. Когда отвердевший цементный раствор растрескивается, например, благодаря приложению пластового напряжения, которое превышает прочность на сжатие отвердевшего цементного раствора, образуется вторичная проницаемость. Образование вторичной проницаемости будет повышать общую проницаемость отвердевшего цементного раствора. Вторичная проницаемость также может быть создана с помощью включения в суспензию цементного раствора компонентов, которые после отверждения цементного раствора сжимаются или расширяются. Компоненты, которые сжимаются, создают дополнительные пустоты и также ослабляют матрицу, приводя к дополнительному образованию трещин, когда приложено пластовое напряжение. Компоненты, которые расширяются после отверждения цементного раствора, приведут к изменению размеров отвержденного цементного раствора в разрыве и вызовут появление трещин, создавая вторичную проницаемость.
Настоящее изобретение может основываться на первичной проницаемости в отвердевшем цементном растворе, или может использовать один из описанных здесь способов для дополнительного создания вторичной проницаемости, или может использовать относительно непроницаемый отвердевший цементный раствор и основываться на вторичной проницаемости, созданной при или после отверждения суспензии цементного раствора в разрыве.
3
Описанные здесь способы обработки могут использоваться для разрыва, повторного разрыва, или любой другой обработки, в которой желательна проводимость разрыва или ствола скважины. Суспензия цементного раствора (жидкая фаза и твердая фаза или и та и другая, или частично и та и другая) может быть получена (например, «на лету» в процессе закачки или с помощью процесса предварительного смешивания) и может помещаться в подземный пласт при давлении, достаточном для создания разрыва в подземном пласте. Оборудование и способ для смешивания компонентов суспензии цементного раствора (например, заполнителя, цементирующего материала и воды) может быть периодическим, полупериодическим или непрерывным и может включать в себя цементные насосы, насосы для гидроразрыва, смесители свободного падения, струйные смесители, используемые в буровых установках, предварительное смешивание сухих материалов (порционное смешивание), или другое оборудование или способы. В некоторых вариантах осуществления помещение суспензии цементного раствора в подземный пласт осуществляется с помощью закачивания суспензии цементного раствора насосами при давлении до 30000 фунт/кв. дюйм. Закачивание может осуществляться непрерывно или отдельными порциями. Могут быть желательны скорости закачивания до примерно 12 м/мин при использовании труб диаметром примерно до 125 мм и через перфорации примерно до 1202,7 мм. После того, как в подземном пласте был создан по меньшей мере один разрыв, давление предпочтительно будет поддерживаться более высоким, чем давление смыкания разрыва, давая возможность суспензии цементного раствора схватиться и образовать камнеподобный отвердевший цементный раствор. Давление смыкания разрыва может быть определено в результате специального испытания, такого как микро-ГРП, мини-ГРП, испытания фильтрационных свойств пласта или по данным акустического или плотностного каротажа.
Пока давление не упало ниже давления смыкания разрыва, в промежутке времени между образованием разрыва и схватыванием суспензии цементного раствора, суспензия цементного раствора будет заполнять разрыв и формировать в нем отвердевший цементный раствор. После того, как суспензия цементного раствора схватилась с образованием отвердевшего цементного раствора, давление может быть уменьшено ниже давления смыкания разрыва, и отвердевший цементный раствор в разрыве сможет дать трещины, образуя растрескавшийся отвердевший цементный раствор. Чтобы обеспечить растрескивание отвердевшего цементного раствора, суспензия цементного раствора может быть выполнена с возможностью схватывания с образованием отвердевшего цементного раствора с прочностью на сжатие около или ниже давления смыкания разрыва подземного пласта. Дополнительные расчетные прочности на сжатие отвердевшего цементного раствора могут быть целесообразны в зависимости от типов и количеств различных материалов, используемых в суспензии цементного раствора. Прочность на сжатие может быть больше, чем «давление смыкания разрыва - 0,5 * пластового давления». Это обычно называют эффективным напряжением проппанта или эффективным всесторонним напряжением. В одном варианте осуществления трещины будут образовываться под действием давления смыкания, но не будут разрушаться, поскольку прочность отвердевшего цементного раствора предпочтительно выше, чем эффективное всестороннее напряжение. Иными словами, прочность на сжатие отвердевшего цементного раствора может принимать любое значение между давлением смыкания и эффективным всесторонним напряжением, так что отвердевший цементный раствор даст трещины, но не разрушится под действием давления смыкания. Например, если давление смыкания разрыва в конкретном пласте составляет 8000 фунт/кв. дюйм, и пластовое давление составляет 6500 фунт/кв. дюйм, эффективное всестороннее напряжение составляет 8000-0,5*6500=4750 фунт/кв. дюйм, - желательный проницаемый отвердевший цементный раствор может иметь прочность на сжатие ниже 8000 фунт/кв. дюйм и выше 4750 фунт/кв. дюйм. Пласты могут проявлять гораздо более высокие сосредоточенные или линейные нагрузки, чем ожидается на основе оценок прочности на сжатие, и эти нагрузки также могут вызвать желаемое образование трещин. Специалисту будет понятно, что точная прочность на сжатие отвердевшего цементного раствора может быть выбрана исходя из ряда факторов, в том числе желаемой степени трещиноватости или проницаемости, стоимости материалов, текучести, процедуры дросселирования скважины и тому подобного.
В некоторых вариантах осуществления суспензия цементного раствора может быть выполнена таким образом, чтобы создавать проницаемый отвердевший цементный раствор с прочностью на сжатие выше ожидаемого давления смыкания разрыва. В таких вариантах осуществления выбор материалов может гарантировать достаточную проводимость проницаемого отвердевшего цементного раствора без необходимости растрескивания отвердевшего цементного раствора для обеспечения проводимости.
Вне зависимости от того, предусматривает ли суспензия цементного раствора образование трещин в отвердевшем цементном растворе или нет, суспензия цементного раствора может быть выполнена с возможностью обеспечения того, что отвердевший цементный раствор сохраняет по меньшей мере некоторую целостность в разрыве. Таким образом, различные составы суспензии цементного раствора дают в результате отвердевший цементный раствор, который имеет максимальную прочность на сжатие, минимальную прочность на сжатие, или и то и другое. Частная форма суспензии цементного раствора обеспечивает отвердевший цементный раствор, который дает трещины, поскольку максимальная прочность на сжатие является достаточно низкой, но сохраняет структурную целостность, так как минимальная прочность на сжатие является достаточно высокой. Иными словами, отвердевший цементный раствор может давать трещины, оставаясь при этом на месте и выступая в качестве проппанта. Степень, до которой отвердевший цементный раствор может растрескиваться может быть выбрана исходя из максимальной проводимости, таким образом, чтобы имелось достаточное количество трещин для обеспечения потока через них, но не настолько много трещин, чтобы отвердевший цементный раствор распадался на мелкие кусочки и блокировал или иным образом становился препятствием для скважинных операций.
Для сохранения необходимой целостности в разрыве отвердевший цементный раствор может иметь прочность на сжатие выше эффективного всестороннего напряжения пласта или выше давления смыкания разрыва, если растрескивание отвердевшего цементного раствора нежелательно (например, если отвердевший цементный раствор является проницаемым отвердевшим цементным раствором, имеющим достаточную проницаемость без образования трещин). Кроме того, отвердевший цементный раствор может обладать достаточной прочностью, чтобы выдерживать периодические изменения давления из-за временных остановок скважины на профилактический ремонт или других эксплуатационных причин. В некоторых вариантах осуществления отвердевший цементный раствор может иметь прочность на сжатие около 20 МПа, когда предполагаемое давление смыкания разрыва составляет примерно 40 МПа, так что давление смыкания разрыва вызовет растрескивание отвердевшего цементного раствора без разрушения.
После образования проницаемого отвердевшего цементного раствора в стволе скважины в результате использования проницаемого отвердевшего цементного раствора, в результате растрескивания отвердевшего цементного раствора или в результате и того и другого, углеводороды могут быть добыты из пласта с проницаемым отвердевшим цементным раствором, служащим для сохранения целостности разрыва в пласте, одновременно позволяя углеводородам и другим пластовым текучим средам поступать в ствол скважины. Добываемые углеводороды могут проходить через проницаемый отвердевший цементный раствор и/или созданные трещины, в то время как прохождение пластового песка через проницаемый отвердевший цементный раствор может быть, по существу, предотвращено.
Суспензия цементного раствора содержит цементирующий материал и воду. Вода может присутствовать в количестве, достаточном для образования суспензии цементного раствора с консистенцией, которая может перекачиваться насосом. В частности, массовое отношение между водой и цементирующим материалом может составлять от 0,2 до 0,8 в зависимости от ряда желаемых характеристик суспензии цементного раствора. Например, может использоваться большее количество воды, когда желательна меньшая вязкость, и может использоваться большее количество цементирующего материала или меньшее количество воды, если желательна прочность. Кроме того, отношение воды к цементирующему материалу может меняться в зависимости от того, используются ли другие материалы в суспензии цементного раствора. Конкретные материалы, используемые в суспензии цементного раствора, могут быть выбраны на основе текучести и гомогенности.
Может быть подходящим целый ряд цементирующих материалов, включающих гидравлические цементы, образованные из кальция, алюминия, кремния, кислорода, железа и/или алюминия, которые схватываются и отверждаются при взаимодействии с водой. Гидравлические цементы включают, но без ограничения, портландцементы, пуццолановые цементы, гипсоцементы, цементы с высоким содержанием оксида алюминия, кремнеземистые цементы, высокощелочные цементы, микроцемент, шлаковый цемент и цемент с добавкой зольной пыли. Некоторые цементы классифицируются как цементы классов А, В, С, G и Н согласно Американскому нефтяному институту, API Specification for Materials and Testing for Well Cements, API Specification 10, Fifth Ed., July 1, 1990. Другие типы цемента и композиции, которые могут быть подходящими, изложены в Европейском стандарте EN 197-1, который включает 5 основных типов. Из них тип II делится на семь подтипов в зависимости от типа вторичного материала. Американский стандарт ASTM С150 охватывает различные типы портландцемента, и ASTM С595 охватывает смешанные гидравлические цементы. Цементирующий материал может составлять от примерно 20% до примерно 90% от массы суспензии цементного раствора.
Вода в суспензии цементного раствора может быть пресной водой, соленой водой (например, водой, содержащей одну или несколько растворенных в ней солей), рассолом (например, насыщенной солью водой), слабоминерализованной водой, отработанной водой, попутно добываемой водой, оборотной или сточной водой, озерной водой, речной, прудовой, минеральной, родниковой, болотной или морской водой. Как правило, вода может быть из любого источника, при условии, что она не содержит избытка соединений, которые могут неблагоприятно воздействовать на другие компоненты в суспензии цементного раствора. Вода может обрабатываться для обеспечения надлежащего состава для использования в суспензии цементного раствора.
В некоторых вариантах осуществления суспензия цементного раствора может быть выполнена с возможностью создавать проницаемый отвердевший цементный раствор с минимальным уровнем проводимости. Например, суспензия цементного раствора может быть выполнена с возможностью схватывания с образованием проницаемого отвердевшего цементного раствора с проводимостью от примерно 10 мД⋅фт до примерно 9000 мД⋅фт, от примерно 250 мД⋅фт до примерно 1000 мД⋅фт, свыше 100 мД⋅фт, или свыше 1500 мД⋅фт с помощью заполнителей с прерывистым гранулометрическим составом (с пропуском некоторых фракций), образования трещин, или и того и другого.
Суспензия цементного раствора может обеспечивать отвердевший цементный раствор с минимальным уровнем проводимости, не прибегая к определенным материалам, которые могут быть дорогостоящими, вредными для окружающей среды, труднотранспортируемыми или нежелательными по другим причинам. Иными словами, суспензия цементного раствора может по существу исключать некоторые материалы. Например, в некоторых случаях гелеобразователи, разжижители, пенообразователи, поверхностно-активные вещества, дополнительные загустители и/или деградируемые материалы могут быть полностью исключены из суспензии цементного раствора, или включены только в минимальных количествах. Таким образом, суспензия цементного раствора может содержать менее 5% гелеобразователей, менее 5% пенообразователей, менее 5% поверхностно-активных веществ и/или менее 5% деградируемых материалов в расчете на массу цементирующего материала в суспензии цементного раствора. Например, суспензия цементного раствора может содержать менее 4%, менее 3%, менее 2%, менее 1%, менее 0,5%, менее 0,1%, или следовые количества любого из этих материалов в расчете на массу цементирующего материала в суспензии цементного раствора.
Суспензия цементного раствора может кроме того содержать заполнитель. Некоторые примеры заполнителей включают в себя стандартный песок, речной песок, щебень (например, базальта, лавы/вулканической породы и т.д.), минеральные наполнители и/или вторичные или утилизируемые материалы, такие как частицы известняка в результате деминерализации воды и зольная пыль. Другие примеры включают полидисперсный, новый, рециркулируемый или утилизируемый поток твердых частиц, керамику, дробленый бетон, отработанный катализатор (например, выщелоченные тяжелые металлы) и частицы стекла. Также могут быть предусмотрены облегчающие вес добавки, такие как бентонит, пуццолан или диатомовая земля. Заполнители могут иметь размер зерна от 0 до 2 мм, от 0 до 1 мм, возможно от 0,1 до 0,8 мм. Отношение песок/цементирующий материал может влиять на механические свойства отвердевшего цементного раствора, такие как прочность на сжатие и изгиб, а также на способность поддаваться обработке, пористость и проницаемость суспензии цементного раствора. Отношение песка к цементирующему материалу может составлять от 1 до 8, от 1 до 6 или от 2 до 4. В некоторых вариантах осуществления могут использоваться заполнители с прерывистым гранулометрическим составом (с пропуском некоторых фракций). Таким образом, конкретные соотношения различных размеров зерен могут быть выбраны на основе уникальных характеристик каждого материала, в результате чего преднамеренно создаются пустоты в суспензии цементного раствора по мере ее закачивания в ствол скважины и схватывания с образованием отвердевшего цементного раствора. Таким образом, заполнители с прерывистым гранулометрическим составом (с пропуском некоторых фракций) могут обеспечить содержание пустот в цементном растворе около 20%, или до, или после того, как отвердевший цементный раствор даст трещины с образованием проницаемого отвердевшего цементного раствора. Смешивание частиц угловатой формы может приводить к созданию лучших заполняющих смесей. Например, природный материал, такой как песок с низкой или высокой угловатостью, может использоваться или отдельно взятым или в сочетании с другими материалами, имеющими сходную или отличающуюся угловатость. Когда расчетное содержание пустот достаточно высоко, отвердевший цементный раствор может быть создан с возможностью иметь прочность на сжатие, превышающую давление смыкания разрыва. Таким образом, с помощью заполнителей с прерывистым гранулометрическим составом (с пропуском некоторых фракций) может быть получена более высокая степень целостности отвердевшего цементного раствора, одновременно дающая возможность достаточной проводимости. Однако, если желательна дополнительная проводимость, заполнитель с прерывистым гранулометрическим составом (с пропуском некоторых фракций) может использоваться в сочетании с отвердевшим цементным раствором, выполненным с возможностью растрескивания под действием давления смыкания разрыва, создавая еще более высокую проводимость. Зерна песка в некоторых вариантах осуществления могут покрываться смесью на цементной основе с помощью предварительной гидратации для исключения усадки и сохранения суспензии цементного раствора в виде однофазной жидкости; кроме того, можно дополнительно добавить загуститель или другую традиционную твердую суспендирующую добавку, а также различные улучшающие примеси к суспензии цементного раствора.
Суспензия цементного раствора может содержать связующие, в числе прочего такие как портландцемент, из которого СЕМ I 52,5 R является очень быстро отверждающимся примером, или другие, такие как Microcem, специальный цемент с очень мелким гранулометрическим составом (<10 мкм). Последний имеет очень мелкие частицы цемента и, следовательно, очень высокую удельную поверхность (т.е., коэффициент измельчения по Блейну), в связи с этим можно получить очень высокую прочность за короткое время. Другие цементирующие материалы, такие как клинкер, зольная пыль, шлак, микрокремнезем, известняк, обожженный сланец, пуццолан и минеральные связующие могут использоваться для связывания.
Суспензия цементного раствора может содержать примеси пластификаторов или суперпластификаторов и замедлителей. Суперпластификаторы могут включать, но без ограничения перечисленным, простые поликарбоксилатные эфиры, из которых коммерческим примером является BASF Glenium АСЕ 352 (активный компонент=20% масс), и/или продукты конденсации сульфированного нафталина с формальдегидом, коммерческим примером которых является Cugla PIB HR (активный компонент=35% масс). Замедлители могут включать, но без ограничения, стандартные замедлители для практических применений цемента, известные в области техники, коммерческие примеры которых включают CUGLA PIB MMV (активный компонент=25% масс.) и/или BASF Pozzolith 130R (активный компонент=20% масс).
По усмотрению, в суспензию цементного раствора может включаться дисперсант в количестве, эффективном для облегчения диспергирования цементирующих и других материалов в суспензии цементного раствора. Например, дисперсант может присутствовать в количестве от примерно 0,1% до примерно 5% по массе суспензии цементного раствора. Примеры дисперсантов включают нафталинсульфонат-формальдегидные конденсаты, ацетон-формальдегид-сульфитные конденсаты, и глюконо-дельта-лактон.
Добавка для снижения водоотдачи может быть включена в суспензию цементного раствора для предотвращения потери текучей среды из суспензии цементного раствора во время помещения. Примеры жидких или растворимых добавок для снижения водоотдачи включают модифицированные синтетические полимеры и сополимеры, натуральную камедь и их производные и производные целлюлозы и крахмалов. Добавка для снижения водоотдачи, если она используется, обычно может быть включена в смоляную композицию в количестве, достаточном для замедления потери жидкости из суспензии цементного раствора. Например, добавка для снижения водоотдачи может составлять от примерно 0% до примерно 25% по массе суспензии цементного раствора.
3
Другие добавки, такие как ускорители (например, хлорид кальция, хлорид натрия, триэтаноламиновый хлорид кальция, хлорид калия, нитрит кальция, нитрат кальция, формиат кальция, формиат натрия, нитрат натрия, триэтаноламин, X-seed (BASF), нано-СаСО, и другие галогениды, формиаты, нитраты, карбонаты щелочных и щелочноземельных металлов, примеси для цемента, указанные в ASTM С494 или другие вещества), замедлители (например, тартрат натрия, цитрат натрия, глюконат натрия, итаконат натрия, винная кислота, лимонная кислота, глюконовая кислота, лигносульфонаты и синтетические полимеры и сополимеры, тиксотропные добавки, растворимые соли цинка или свинца, растворимые бораты, растворимые фосфаты, лигносульфонат кальция, производные углеводов, примеси на основе сахара (такие как лигнин), примеси для цемента, указанные в ASTM С494, или другие), суспендирующие агенты, поверхностно-активные вещества, гидрофобные или гидрофильные покрытия, буферы pH, или тому подобное, также могут присутствовать в суспензии цементного раствора. Дополнительные добавки могут включать волокна для усиления или ослабления прочности, полимерные или натуральные, такие как волокна целлюлозы. Также могут включаться добавки для образования трещин. Некоторые добавки для образования трещин могут включать расширяющиеся материалы (например, гипс, сульфоалюминат кальция, негашеную известь (СаО), алюминиевые частицы (например, металлический алюминий), реакционноспособный кремнезем (например, крупнозернистый, за длительный промежуток времени) и т.д.), сжимающиеся материалы, загрязнители цемента (например, нефть, дизельное топливо), «слабые места» (например, непрочные заполнители, вулканические заполнители и т.д.), несвязывающие заполнители (например, пластмассы, проппант со смоляным покрытием, биоразлагаемые материалы).
В некоторых вариантах осуществления, например, при стимуляции консолидированного или полуконсолидированного пласта, традиционный проппантный материал может добавляться в суспензию цементного раствора. Используемые в настоящем документе термины «консолидированный» и «полуконсолидированный» относятся к пластам, которые имеют некоторую степень относительной структурной устойчивости в отличие от «неконсолидированного» пласта, который имеет относительно низкую структурную устойчивость. В процессе гидроразрыва такие пласты могут проявлять очень высокие напряжения смыкания разрыва. Проппантный материал может способствовать сохранению расклиненных разрывов открытыми. Проппантный материал, в случае использования, может быть достаточного размера, чтобы способствовать удержанию разрывов открытыми без негативного влияния на проводимость отвердевшего цементного раствора. Общий диапазон размеров может составлять от примерно 10 до примерно 80 меш по стандарту США. Проппант может иметь размер в диапазоне от примерно 12 до примерно 60 меш США. Как правило, данная величина может быть существенно меньше, чем величина проппантного материала, включаемого в способе с традиционной текучей средой гидроразрыва.
Суспензия цементного раствора может дополнительно содержать стеклянные или другие волокна, которые могут связывать или иным образом удерживать отвердевший цементный раствор вместе, когда он дает трещины, известняк, или другой материал наполнителя для улучшения прочности сцепления (уменьшения сегрегации) суспензии цементного раствора, или любую из множества добавок или материалов, используемых в скважинных операциях с использованием цементирующего материала.
Суспензия цементного раствора может схватываться с образованием проницаемого отвердевшего цементного раствора в разрыве в подземном пласте, чтобы, среди прочего, сохранять целостность разрыва и предотвращать извлечение твердых частиц вместе со скважинными текучими средами. Суспензия цементного раствора может быть получена на поверхности (или «на лету» в процессе закачки или с помощью процесса предварительного смешивания), и затем закачивается в подземный пласт и/или в разрывы или трещины в нем через ствол скважины под давлением, достаточным для осуществления необходимой функции. После завершения гидроразрыва или другого способа помещения суспензии цементного раствора, суспензии цементного раствора дают возможность схватиться в разрыве (разрывах) пласта. Может потребоваться давление достаточной величины для сохранения суспензии цементного раствора в течение периода схватывания, чтобы, среди прочего, предотвратить вытекание суспензии цементного раствора из разрывов пласта. После схватывания проницаемый отвердевший цементный раствор может быть достаточно проводящим, чтобы позволить перемещение через него нефти, газа и/или других пластовых текучих сред, не допуская перемещения значительных количеств нежелательных твердых частиц в ствол скважины. Кроме того, проницаемый отвердевший цементный раствор может иметь достаточную прочность на сжатие для сохранения целостности разрыва (разрывов) в пласте.
Отвердевший цементный раствор может иметь достаточную прочность, чтобы, по существу, выступать в качестве расклинивающего агента, например, для частичного или полного сохранения целостности разрыва (разрывов) в пласте для повышения проводимости пласта. Важно отметить, что выступая в качестве расклинивающего агента, отвердевший цементный раствор также может обеспечивать каналы притока в пласте, облегчающие поступление требуемых пластовых текучих сред в ствол скважины. Растрескавшийся отвердевший цементный раствор, хотя и не имеющий достаточной прочности, чтобы избежать растрескивания под действием давления смыкания разрыва, может при этом обладать достаточной прочностью, чтобы выступать в качестве расклинивающего агента. В некоторых вариантах осуществления проницаемый отвердевший цементный раствор (т.е. проницаемый отвердевший цементный раствор, растрескавшийся отвердевший цементный раствор или растрескавшийся проницаемый отвердевший цементный раствор) может иметь проницаемость в диапазоне от примерно 0,1 Дарси до примерно 430 Дарси; в других вариантах осуществления, проницаемый отвердевший цементный раствор может иметь проницаемость в диапазоне от примерно 0,1 Дарси до примерно 50 Дарси; в еще одних вариантах осуществления проницаемый отвердевший цементный раствор может иметь проницаемость свыше примерно 10 Дарси, или свыше примерно 1 Дарси.
Если специально не требуется растрескивание отвердевшего цементного раствора, описанные выше способы могут опционально исключать стадии поддержания более высокого давления, чем давление смыкания разрыва, при этом позволяя суспензии цементного раствора схватываться, и позволяя отвердевшему цементному раствору в разрыве растрескиваться и образовывать растрескавшийся отвердевший цементный раствор. Если такие стадии не исключаются или исключаются только частично, отвердевший цементный раствор все же может давать трещины и образовывать растрескавшийся отвердевший цементный раствор, что приведет к повышенной проводимости. Однако, если образование трещин является желательным, такие стадии могут обеспечивать регулируемое образование трещин.
Шлаки суспензии цементного раствора и нагруженный проппантом гель могут увеличить связанность между местами растрескавшегося отвердевшего цементного раствора в разрывах с помощью проппанта и гелевых участков в качестве соединителей. Участки растрескавшегося отвердевшего цементного раствора могут создавать поддержку для вертикального размещения материала высокой проводимости в разрыве. Обработка может завершаться в конце с использованием проппанта и текучей среды для лучшей проводимости призабойной зоны. Низкая и высокая повторяемость и соотношение растрескавшегося отвердевшего цементного раствора и геля может зависеть от способности оборудования циклически переключаться между двумя системами.
Чтобы обеспечить эффективное нагнетание и другую обработку суспензии цементного раствора, суспензия цементного раствора может быть выполнена с возможностью растекаться в соответствии с конкретными ограничениями места производства работ. Таким образом, с учетом таких переменных, как температура, глубина ствола скважины и другие характеристики пласта, радиус растекаемости можно регулировать. Вязкость суспензии цементного раствора, измеренная известным специалисту стандартным вискозиметрическим оборудованием, таким как Fann-35 (производства Fann Instrument Company, Хьюстон, Техас), может составлять менее 5000 сП, или менее 3000 сП, потенциально менее 1000 сП. Аналогичным образом, суспензия цементного раствора может быть выполнена с возможностью схватывания в соответствии с конкретными ограничениями места производства работ. Таким образом, с учетом таких переменных, как температура, глубина ствола скважины и другие характеристики пласта, время схватывания можно регулировать. В некоторых вариантах осуществления время схватывания суспензии цементного раствора может составлять по меньшей мере 60 мин после выключения насоса. В других вариантах осуществления время схватывания суспензии цементного раствора может составлять от 2 ч до 6 ч после выключения насоса, примерно 3 ч после выключения насоса, или представлять другое время схватывания, позволяющее осуществить размещение суспензии цементного раствора без нежелательной задержки после размещения и перед схватыванием. Когда выбрано время схватывания, способ обработки подземного пласта может включать в себя предоставление суспензии цементного раствора возможности схватиться с помощью выжидания заданного времени схватывания. Например, когда время схватывания суспензии цементного раствора составляет 60 мин, способ может включать в себя выжидание по меньшей мере 60 мин после остановки закачивания. Специалисту будет понятно, что некоторые технологии с использованием замедлителя могут влиять на развитие прочности суспензии цементного раствора, что может быть принято во внимание и скомпенсировано.
После схватывания суспензии цементного раствора, отвердевший цементный раствор (например, проницаемый отвердевший цементный раствор) может иметь проводимость свыше 100 мД⋅фт, и суспензия цементного раствора может быть выполнена с возможностью создания такой проводимости в отвердевшем цементном растворе. До образования трещин проницаемый отвердевший цементный раствор может иметь первую проводимость. Такая проводимость может быть результатом непрерывной открытой пористой структуры и/или трещин, образованных в проницаемом отвердевшем цементном растворе. После растрескивания проницаемого отвердевшего цементного раствора растрескавшийся проницаемый отвердевший цементный раствор может иметь более высокую проводимость из-за пустого пространства, созданного трещинами. Например, растрескивание может создавать трещины, имеющие ширину около 0,5 мм. Таким образом, вторая проводимость проницаемого отвердевшего цементного раствора может быть больше, чем первая проводимость проницаемого отвердевшего цементного раствора перед растрескиванием. Например, первая проводимость может составлять по меньшей мере 100 мД⋅фт, и вторая проводимость может составлять по меньшей мере 250 мД⋅фт. Вторая проводимость может быть на порядок или на несколько процентов больше, чем первая проводимость. Например, вторая проводимость может быть по меньшей мере на 25 мД⋅фт, 50 мД⋅фт, 100 мД⋅фт, 250 мД⋅фт, 500 мД⋅фт, или 1000 мД⋅фт больше первой проводимости. Эти значения могут применяться к всестороннему напряжению вплоть до примерно 15000 фунт/кв. дюйм, при этом различные значения применимы к различному эффективному давлению.
После схватывания суспензии цементного раствора отвердевший цементный раствор может обладать солестойкостью к рассолам свыше 3%, и суспензия цементного раствора может быть выполнена с возможностью обеспечения такой солестойкости в отвердевшем цементном растворе. Например, солестойкость может отмечаться к рассолам от примерно 1% до примерно 25%. Специалисту может быть понятно, что при высокой минерализации или щелочности, некоторые заполнители могут проявлять нежелательную реакционную способность щелочей и кремнезема и, следовательно, такие материалы не являются здесь предпочтительными.
Суспензия цементного раствора может иметь температуру схватывания от примерно 50°С до примерно 330°С, может иметь температуру схватывания ниже 150°С или выше 150°С.
В одном варианте осуществления суспензия цементного раствора может быть образован из 27,7% масс, портландцемента, 13,9% масс, грунтовой воды, 55,4% масс. 0-1 мм песка, 1,7% масс, замедлителя и 1,3% масс, суперпластификатора.
В одном конкретном варианте осуществления суспензия цементного раствора и отвердевший цементный раствор могут обладать частично или полностью следующими характеристиками:
Примеры
В одном испытании в условиях окружающей среды (т.е. при 20°С), смесь, содержащая приведенные ниже компоненты с водоцементным отношением 0,35, приводила к образованию отвердевшего цементного раствора, имеющего следующие свойства.
В другом испытании смесь, содержащая приведенные ниже материалы, с водоцементным отношением 0,35, приводила к образованию отвердевшего цементного раствора, имеющего следующие свойства.
В еще одном испытании, смесь, содержащая приведенные ниже материалы, приводила к образованию отвердевшего цементного раствора, соответствовавшего требованиям прочности по меньшей мере 42 МПа при 20°С, 50°С и 80°С, и через 24 ч при 80°С имевшего прочность на сжатие свыше 80 МПа.
В испытании двух образцов растрескавшегося отвердевшего цементного раствора проводимость измеряли при комнатной температуре с помощью способа перепада напора, с высотой столба воды примерно 0,4 м. Образцы показывали хорошую растекаемость и схватываемость, при этом прочность на сжатие через 16-24 ч составляла 25-30 МПа (при 80°С). Прочность на сжатие в данном диапазоне была достаточно низкой, чтобы привести к образованию трещин в условиях расчетного давления смыкания разрыва с проводимостью от 150 мД⋅фт до 2200 мД⋅фт, как указано ниже.
В другом испытании измеряли проводимость при комнатной температуре с помощью способа перепада напора, с высотой столба воды примерно 0,4 м. Образец показывал надлежащую проводимость при интерполяции до 80°С и использовании газа в качестве среды. Прочность на сжатие была ниже минимального заданного значения, указывая на возможность того, что растрескивание будет происходить, а значит и на увеличение проводимости, как указано ниже.
С учетом различных испытаний можно полагать, что по меньшей мере следующие диапазоны (% масс.) составов будут подходящими для получения суспензии цементного раствора с возможностью образования по существу непроницаемого отвердевшего цементного раствора:
С учетом различных испытаний можно полагать, что по меньшей мере следующие диапазоны составов будут подходящими для получения суспензии цементного раствора с возможностью образования проницаемого отвердевшего цементного раствора:
С учетом различных испытаний можно полагать, что по меньшей мере следующие диапазоны будут подходящими для получения суспензии цементного раствора, выполненной с предварительно гидратированным песком с предварительным покрытием:
Специалистам будет ясно, что различные модификации и варианты возможны применительно к описанным вариантам осуществления, конфигурациям, материалам и способам в пределах объема изобретения. Соответственно, объем формулы изобретения и ее функциональных эквивалентов не должны быть ограничены описанными и проиллюстрированными конкретными вариантами осуществления, так как они носят чисто иллюстративный характер, и элементы, описанные по отдельности, могут быть по усмотрению объединены.